科普|深度详解：工业机器人运动学、参数、材料、结构和控制系统

2017 年 8 月 13 日 机器人大讲堂

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五方面详解：工业机器人结构、驱动及技术

1）常用运动学构形

2）机器人的主要技术参数

3）机器人常用材料

4）机器人主要结构

5）机器人的控制系统

这里输入标题

1、笛卡尔操作臂

优点：很容易通过计算机控制实现，容易达到高精度。缺点：妨碍工作, 且占地面积大, 运动速度低, 密封性不好。

①焊接、搬运、上下料、包装、码垛、拆垛、检测、探伤、分类、装配、贴标、喷码、打码、（软仿型）喷涂、目标跟随、排爆等一系列工作。

②特别适用于多品种，便批量的柔性化作业，对于稳定，提高产品质量，提高劳动生产率，改善劳动条件和产品的快速更新换代有着十分重要的作用。

2、铰链型操作臂（关节型）

关节机器人的关节全都是旋转的，类似于人的手臂,工业机器人中最常见的结构。它的工作范围较为复杂。

①汽车零配件、模具、钣金件、塑料制品、运动器材、玻璃制品、陶瓷、航空等的快速检测及产品开发。

②车身装配、通用机械装配等制造质量控制等的三坐标测量及误差检测。

③古董、艺术品、雕塑、卡通人物造型、人像制品等的快速原型制作。

④汽车整车现场测量和检测。

⑤人体形状测量、骨骼等医疗器材制作、人体外形制作、医学整容等。

3、SCARA操作臂

SCARA机器人常用于装配作业, 最显著的特点是它们在x-y平面上的运动具有较大的柔性, 而沿z轴具有很强的刚性, 所以, 它具有选择性的柔性。这种机器人在装配作业中获得了较好的应用。

①大量用于装配印刷电路板和电子零部件

②搬动和取放物件，如集成电路板等

③广泛应用于塑料工业、汽车工业、电子产品工业、药品工业和食品工业等领域.

④搬取零件和装配工作。

4、球面坐标型操作臂

特点：中心支架附近的工作范围大,两个转动驱动装置容易密封,覆盖工作空间较大。但该坐标复杂, 难于控制,且直线驱动装置存在密封的问题。

5、圆柱面坐标型操作臂

优点：且计算简单;直线部分可采用液压驱动,可输出较大的动力; 能够伸入型腔式机器内部。缺点：它的手臂可以到达的空间受到限制, 不能到达近立柱或近地面的空间;

直线驱动部分难以密封、防尘; 后臂工作时, 手臂后端会碰到工作范围内的其它物体。

6、冗余机构

通常空间定位需要6个自由度，利用附加的关节可以帮助机构避开奇异位形。下图为7自由度操作臂位形

7、闭环结构

闭环结构可以提高机构刚度，但会减小关节运动范围，工作空间有一定减小。

①运动模拟器；

②并联机床；

③微操作机器人；

④力传感器；

⑤生物医学工程中的细胞操作机器人、可实现细胞的注射和分割；

⑥微外科手术机器人；

⑦大型射电天文望远镜的姿态调整装置；

⑧混联装备等，如SMT公司的Tricept混联机械手模块是基于并联机构单元的模块化设计的成功典范。

工业机器人的几种常用结构形式（图）

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二、机器人的主要技术参数

机器人的技术参数反映了机器人可胜任的工作、具有的最高操作性能等情况，是设计、应用机器人必须考虑的问题。机器人的主要技术参数有自由度、分辨率、工作空间、工作速度、工作载荷等。

1、自由度

机器人具有的独立坐标轴运动的数目。机器人的自由度是指确定机器人手部在空间的位置和姿态时所需要的独立运动参数的数目。手指的开、合，以及手指关节的自由度一般不包括在内。.机器人的自由度数一般等于关节数目。机器人常用的自由度数一般不超过5～6个。

2、关节（Joint）

即运动副，允许机器人手臂各零件之间发生相对运动的机构。

3、工作空间

机器人手臂或手部安装点所能达到的所有空间区域。其形状取决于机器人的自由度数和各运动关节的类型与配置。机器人的工作空间通常用图解法和解析法两种方法进行表示。

4、工作速度

机器人在工作载荷条件下、匀速运动过程中，机械接口中心或工具中心点在单位时间内所移动的距离或转动的角度。

5、工作载荷

指机器人在工作范围内任何位置上所能承受的最大负载，一般用质量、力矩、惯性矩表示。还和运行速度和加速度大小方向有关，一般规定高速运行时所能抓取的工件重量作为承载能力指标。

6、分辨率

能够实现的最小移动距离或最小转动角度。

7、精度

重复性或重复定位精度：指机器人重复到达某一目标位置的差异程度。或在相同的位置指令下，机器人连续重复若干次其位置的分散情况。它是衡量一列误差值的密集程度，即重复度。

三、机器人常用材料

1）碳素结构钢和合金结构钢 这类材料强度好，特别是合金结构钢，其强度增大了4～5倍，弹性模量E大，抗变形能力强，是应用最广泛的材料。

2）铝、铝合金及其他轻合金材料 这类材料的共同特点是重量轻，弹性模量E并不大，但是材料密度小，故E/ρ之比仍可与钢材相比。有些稀贵铝合金的品质得到了更明显的改善，例如添加3.2％(重量百分比)锂的铝合金，弹性模量增加了14％，E/ρ比增加了16％。

3）纤维增强合金 这类合金如硼纤维增强铝合金、石墨纤维增强镁合金等，其E/ρ比分别达到11.4×107和8.9×107。这种纤维增强金属材料具有非常高的E/ρ比，但价格昂贵。

4）陶瓷 陶瓷材料具有良好的品质，但是脆性大，不易加工，日本已经试制了在小型高精度机器人上使用的陶瓷机器人臂样品。

5）纤维增强复合材料 这类材料具有极好的E/ρ比，而且还具有十分突出的大阻尼的优点。传统金属材料不可能具有这么大的阻尼，所以在高速机器人上应用复合材料的实例越来越多。

6）粘弹性大阻尼材料 增大机器人连杆件的阻尼是改善机器人动态特性的有效方法。目前有许多方法用来增加结构件材料的阻尼，其中最适合机器人采用的一种方法是用粘弹性大阻尼材料对原构件进行约束层阻尼处理。

四、机器人主要结构

1、机器人驱动装置

概念：要使机器人运行起来, 需给各个关节即每个运动自由度安置传动装置作用：提供机器人各部位、各关节动作的原动力。

驱动系统：可以是液压传动、气动传动、电动传动, 或者把它们结合起来应用的综合系统; 可以是直接驱动或者是通过同步带、链条、轮系、谐波齿轮等机械传动机构进行间接驱动。

1)电动驱动装置

电动驱动装置的能源简单，速度变化范围大，效率高，速度和位置精度都很高。但它们多与减速装置相联，直接驱动比较困难。

电动驱动装置又可分为直流(DC)、交流(AC)伺服电机驱动和步进电机驱动。直流伺服电机电刷易磨损，且易形成火花。无刷直流电机也得到了越来越广泛的应用。步进电机驱动多为开环控制，控制简单但功率不大，多用于低精度小功率机器人系统。

电动上电运行前要作如下检查：

电源电压是否合适（过压很可能造成驱动模块的损坏）；对于直流输入的+/-极性一定不能接错，驱动控制器上的电机型号或电流设定值是否合适（开始时不要太大）；
控制信号线接牢靠，工业现场最好要考虑屏蔽问题（如采用双绞线）；
不要开始时就把需要接的线全接上，只连成最基本的系统，运行良好后，再逐步连接。
一定要搞清楚接地方法，还是采用浮空不接。
开始运行的半小时内要密切观察电机的状态，如运动是否正常，声音和温升情况，发现问题立即停机调整。

2)液压驱动

通过高精度的缸体和活塞来完成，通过缸体和活塞杆的相对运动实现直线运动。

优点：功率大，可省去减速装置直接与被驱动的杆件相连，结构紧凑，刚度好，响应快，伺服驱动具有较高的精度。

缺点：需要增设液压源，易产生液体泄漏，不适合高、低温场合，故液压驱动目前多用于特大功率的机器人系统。

选择适合的液压油。防止固体杂质混入液压系统，防止空气和水入侵液压系统。机械作业要柔和平顺机械作业应避免粗暴，否则必然产生冲击负荷，使机械故障频发，大大缩短使用寿命。要注意气蚀和溢流噪声。作业中要时刻注意液压泵和溢流阀的声音，如果液压泵出现“气蚀”噪声，经排气后不能消除，应查明原因排除故障后才能使用。保持适宜的油温。液压系统的工作温度一般控制在30～80℃之间为宜。

3)气压驱动

气压驱动的结构简单，清洁，动作灵敏，具有缓冲作用。 .但与液压驱动装置相比，功率较小，刚度差，噪音大，速度不易控制，所以多用于精度不高的点位控制机器人。

（1）具有速度快、系统结构简单，维修方便、价格低等特点。适于在中、小负荷的机器人中采用。但因难于实现伺服控制，多用于程序控制的机械人中，如在上、下料和冲压机器人中应用较多。

（2）在多数情况下是用于实现两位式的或有限点位控制的中、小机器人中的。

（3）控制装置目前多数选用可编程控制器(PLC控制器)。在易燃、易爆场合下可采用气动逻辑元件组成控制装置。

2、直线传动机构

传动装置是连接动力源和运动连杆的关键部分，根据关节形式，常用的传动机构形式有直线传动和旋转传动机构。

直线传动方式可用于直角坐标机器人的X、Y、Z向驱动，圆柱坐标结构的径向驱动和垂直升降驱动，以及球坐标结构的径向伸缩驱动。

直线运动可以通过齿轮齿条、丝杠螺母等传动元件将旋转运动转换成直线运动，也可以有直线驱动电机驱动，也可以直接由气缸或液压缸的活塞产生。

1)齿轮齿条装置

通常齿条是固定的。齿轮的旋转运动转换成托板的直线运动。

优点：结构简单。
缺点：回差较大。

2）滚珠丝杠

在丝杠和螺母的螺旋槽内嵌入滚珠，并通过螺母中的导向槽使滚珠能连续循环。

优点：摩擦力小，传动效率高，无爬行，精度高
缺点：制造成本高，结构复杂。

自锁问题：理论上滚珠丝杠副也可以自锁,但是实际应用上没有使用这个自锁的,原因主要是：可靠性很差，或加工成本很高；因为直径与导程比非常大，一般都是再加一套蜗轮蜗杆之类的自锁装置。

3、旋转传动机构

采用旋转传动机构的目的是将电机的驱动源输出的较高转速转换成较低转速，并获得较大的力矩。机器人中应用较多的旋转传动机构有齿轮链、同步皮带和谐波齿轮。

1）齿轮链

（1）转速关系

（2）力矩关系

2）同步皮带

同步带是具有许多型齿的皮带，它与同样具有型齿的同步皮带轮相啮合。工作时相当于柔软的齿轮。

优点：无滑动，柔性好，价格便宜，重复定位精度高。
缺点：具有一定的弹性变形。

3）谐波齿轮

谐波齿轮由刚性齿轮、谐波发生器和柔性齿轮三个主要零件组成，一般刚性齿轮固定，谐波发生器驱动柔性齿轮旋转。主要特点：

(1)、传动比大，单级为50—300。

(2)、传动平稳，承载能力高。

(3)、传动效率高,可达70%—90%。

(4)、传动精度高,比普通齿轮传动高3—4倍。

(5)、回差小，可小于3’。

(6)、不能获得中间输出，柔轮刚度较低。

谐波传动装置在机器人技术比较先进的国家已得到了广泛的应用。仅就日本来说，机器人驱动装置的60％都采用了谐波传动。

美国送到月球上的机器人，其各个关节部位都采用谐波传动装置，其中一只上臂就用了30个谐波传动机构。

前苏联送入月球的移动式机器人“登月者”，其成对安装的8个轮子均是用密闭谐波传动机构单独驱动的。 .德国大众汽车公司研制的ROHREN、GEROT R30型机器人和法国雷诺公司研制的VERTICAL 80型机器人等都采用了谐波传动机构。

4、机器人传感系统

1、感受系统由内部传感器模块和外部传感器模块组成, 用以获取内部和外部环境状态中有意义的信息。

2、智能传感器的使用提高了机器人的机动性、适应性和智能化的水准。

3、智能传感器的使用提高了机器人的机动性、适应性和智能化的水准。

4、对于一些特殊的信息, 传感器比人类的感受系统更有效。

5、机器人位置检测

旋转光学编码器是最常用的位置反馈装置。光电探测器把光脉冲转化成二进制波形。轴的转角通过计算脉冲数得到，转动方向由两个方波信号的相对相位决定。

感应同步器输出两个模拟信号——轴转角的正弦信号和余弦信号。轴的转角由这两个信号的相对幅值计算得到。感应同步器一般比编码器可靠，但它的分辨率较低。

电位计是最直接的位置检测形式。它连接在电桥中，能够产生与轴转角成正比的电压信号。但是，由于分辨率低、线性不好以及对噪声敏感。

转速计能够输出与轴的转速成正比的模拟信号。如果没有这样的速度传感器，可以通过对检测到的位置相对于时间的差分得到速度反馈信号。

6、机器人力检测

力传感器通常安装在操作臂下述三个位置：

1、安装在关节驱动器上。可测量驱动器/减速器自身的力矩或者力的输出。但不能很好地检测末端执行器与环境之间的接触力。

2、安装在末端执行器与操作臂的终端关节之间，可称腕力传感器。通常，可以测量施加于末端执行器上的三个到六个力/力矩分量。

3、安装在末端执行器的“指尖”上。通常，这些带有力觉得手指内置了应变计，可以测量作用在指尖上的一个到四个分力。

7、机器人－环境交互系统

1、机器人-环境交互系统是实现工业机器人与外部环境中的设备相互联系和协调的系统。

2、工业机器人与外部设备集成为一个功能单元，如加工制造单元、焊接单元、装配单元等。也可以是多台机器人、多台机床或设备、多个零件存储装置等集成。

3、也可以是多台机器人、多台机床或设备、多个零件存储装置等集成为一个去执行复杂任务的功能单元。

8、人机交互系统

人机交互系统是使操作人员参与机器人控制并与机器人进行联系的装置。该系统归纳起来分为两大类: 指令给定装置和信息显示装置。

五、机器人的控制系统

1、机器人的控制系统

“控制”的目的是使被控对象产生控制者所期望的行为方式。 .“控制”的基本条件是了解被控对象的特性。 “实质”是对驱动器输出力矩的控制。

2、机器人示教原理

机器人的基本工作原理是示教再现；示教也称导引，即由用户导引机器人，一步步按实际任务操作一遍，机器人在导引过程中自动记忆示教的每个动作的位置、姿态、运动参数/工艺参数等，并自动生成一个连续执行全部操作的程序。完成示教后，只需给机器人一个启动命令，机器人将精确地按示教动作，一步步完成全部操作；

3、机器人控制的分类

1）按照有无反馈分为：开环控制、闭环控制；

开环精确控制的条件：精确地知道被控对象的模型，并且这一模型在控制过程中保持不变。

2）按照期望控制量分为：位置控制，力控制，混合控制；

位置控制分为：单关节位置控制（位置反馈，位置速度反馈，位置速度加速度反馈）、多关节位置控制、多关节位置控制分为分解运动控、集中控制；力控制分为：直接力控制、阻抗控制、力位混合控制；

3）智能化的控制方式：模糊控制、自适应控制、最优控制、神经网络控制、模糊神经网络控制、专家控制以及其他；

4、控制系统硬件配置及结构

由于机器人的控制过程中涉及大量的坐标变换和插补运算以及较低层的实时控制，所以，目前的机器人控制系统在结构上大多数采用分层结构的微型计算机控制系统，通常采用的是两级计算机伺服控制系统。

1）具体流程：

主控计算机接到工作人员输入的作业指令后，首先分析解释指令，确定手的运动参数。

然后进行运动学、动力学和插补运算，最后得出机器人各个关节的协调运动参数。这些参数经过通信线路输出到伺服控制级，作为各个关节伺服控制系统的给定信号。关节驱动器将此信号D/A转换后驱动各个关节产生协调运动。传感器将各个关节的运动输出信号反馈回伺服控制级计算机形成局部闭环控制，从而更加精确的控制机器人手部在空间的运动。

2）基于PLC的运动控制两种控制方式：

1、利用PLC的某些输出端口使用脉冲输出指令来产生脉冲驱动电机，同时使用通用I/O或者计数部件来实现电机的闭环位置控制。

2、使用PLC外部扩展的位置控制模块来实现电机的闭环位置控制主要是以发高速脉冲方式控制，属于位置控制方式，一般点到点的位置控制方式较多。

文章来源：机器人网

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