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工业机器人认知 工业机器人技术王建博微信 wangjianboxx电话要求 1 可以带早饭 但是不能在教室吃2 座位第一排开始坐满 不够后边往前补3 可以请假 以辅导员为准 不能迟到早退4 手机 左边第一 二列 手机专用位 5 上课带笔记本 这门课 不需要课本6 我想到再补充 游戏规则 必须遵守 学习目标 1 掌握机器人的特征和分类 2 了解机器人的历史 现状和发展 3 熟悉工业机器人的结构和原理 4 了解工业机器人工作过程 能进行示教基本操作 5 了解工业机器人编程方式和语言特征 一 工业机器人的基本概念 机器人是自动执行工作的机器装置 它既可以接受人类指挥 又可以运行预先编排的程序 也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动 它的任务是协助或取代人类工作的工作 例如生产业 建筑业 或是危险的工作 机器人是高级整合控制论 机械电子 计算机 材料和仿生学的产物 目前在工业 医学 农业 军事 甚至日常生活等领域中均等有重要用途 机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器 联合国标准化组织采纳了美国机器人协会给机器人下的定义 一种可编程和多功能的操作机 或是为了执行不同的任务而具有可用电脑改变和可编程动作的专门系统 工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器装置 它能自动执行工作 是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器 它可以接受人类指挥 也可以按照预先编排的程序运行 现代的工业机器人还可以根据人工智能技术制定的原则纲领行动 二 工业机器人的特点 1 可编程 生产自动化的进一步发展是柔性自动化 工业机器人可随其工作环境变化的需要而再编程 因此它在小批量多品种具有均衡高效率的柔性制造过程中能发挥很好的功用 是柔性制造系统中的一个重要组成部分 2 拟人化 工业机器人在机械结构上有类似人的行走 腰转 大臂 小臂 手腕 手爪等部分 在控制上有电脑 此外 智能化工业机器人还有许多类似人类的 生物传感器 如皮肤型接触传感器 力传感器 负载传感器 视觉传感器 声觉传感器 语言功能等 传感器提高了工业机器人对周围环境的自适应能力 3 通用性 除了专门设计的专用的工业机器人外 一般工业机器人在执行不同的作业任务时具有较好的通用性 比如 更换工业机器人手部末端操作器 手爪 工具等 便可执行不同的作业任务 4 工业机器技术涉及的学科相当广泛 归纳起来是机械学和微电子学的结合 也就是机电一体化技术 第三代智能机器人不仅具有获取外部环境信息的各种传感器 而且还具有记忆能力 语言理解能力 图像识别能力 推理判断能力等人工智能 这些都是微电子技术的应用 特别是计算机技术的应用密切相关 因此 机器人技术的发展必将带动其他技术的发展 机器人技术的发展和应用水平也可以验证一个国家科学技术和工业技术的发展水平 三 工业机器人的历史 现状与发展 1 机器人发展的历史机器人的发展大致经历了三个成长阶段 也即三个时代 第一代为简单个体机器人 第二代为群体劳动机器人 第三代为类似人类的智能机器人 它的未来发展方向是有知觉 有思维 能与人对话 第一代机器人属于示教再现型 第二代则具备了感觉能力 第三代机器人是智能机器人 它不仅具有感觉能力 而且还具有独立判断和行动的能力 1959年美国英格伯格和德沃尔制造出世界上第一台工业机器人 机器人的历史才真正开始 英格伯格在大学攻读伺服理论 这是一种研究运动机构如何才能更好地跟踪控制信号的理论 德沃尔曾于1946年发明了一种系统 可以 重演 所记录的机器的运动 1954年 德沃尔又获得可编程机械手专利 这种机械手臂按程序进行工作 可以根据不同的工作需要编制不同的程序 因此具有通用性和灵活性 英格伯格和德沃尔都在研究机器人 认为汽车工业最适于用机器人干活 因为是用重型机器进行工作 生产过程较为稳定 此后英格伯格和德沃尔成立了 尤尼梅逊 公司 兴办了世界上第一家机器人制造工厂 第一批工业机器人被称为 尤尼梅特 意思是 万能自动 他们因此被称为机器人之父 1962年美国机械与铸造公司也制造出工业机器人 称为 沃尔萨特兰 意思是 万能搬动 尤尼梅特 和 沃尔萨特兰 就成为世界上最早的 至今仍在使用的工业机器人 英格伯格和德沃尔制造的工业机器人是第一代机器人 属于示教再现型 即人手把着机械手 把应当完成的任务做一遍 或者人用 示教控制盒 发出指令 让机器人的机械手臂运动 一步步完成它应当完成的各个动作 图1 1尤尼梅特 第二代是有感觉的机器人 它们对外界环境有一定感知能力 并具有听觉 视觉 触觉等功能 机器人工作时 根据感觉器官 传感器 获得的信息 灵活调整自己的工作状态 保证在适应环境的情况下完成工作 如 有触觉的机械手可轻松自如地抓取鸡蛋 具有嗅觉的机器人能分辨出不同饮料和酒类 排爆机器人属于第二代机器人 20世纪70年代 第二代机器人开始有了较大发展 第二代机器人则对外界环境实用阶段 并开始普及 2007年9月28日 在西班牙的巴塞罗那 第二代 阿西莫 双脚步行机器人亮相并表演踢足球和上楼梯 图1 2排爆机器人 图1 3阿西莫 第三代机器人是智能机器人 它不仅具有感觉能力 而且还具有独立判断和行动的能力 并具有记忆 推理和决策的能力 因而能够完成更加复杂的动作 如机器人下棋 第三代机器人的中央电脑控制手臂和行走装置 使机器人的手完成作业 脚完成移动 机器人能够用自然语言与人对话 智能机器人在发生故障时 通过自我诊断装置能自我诊断出故障部位 并能自我修复 今天 智能机器人的应用范围大大地扩展了 除工农业生产外 机器人应用到各行各业 机器人已具备了人类的特点 机器人向着智能化 拟人化方向发展的道路 是没有止境的 图1 4机器人下棋 机器人虽然外表可能不像人 也不以人类的方式操作 但可以代替人力自动工作的机器 从机器人的用途来分 可以分为两大类 军用机器人和民用机器人 当今工业机器人技术正逐渐向着具有行走能力 具有多种感知能力 具有较强的对作业环境的自适应能力的方向发展 智能机器人的功能与人更接近了 但是它与人相比还相差很远 人有智力 情感和意识 目前最高级机器人的智力也只相当于小孩子的智力 但没有感情和意识 有的机器人有表情 但还没有感情 2 工业机器人应用现状 目前工业生产中应用的机器人大多还是第一代机器人 有资料显示我国在用的工业机器人的比例分配如图1 5所示 全球工业机器人的四大家族是ABB 库卡 KUKA 德国 发那科 FANUC 日本 和安川电机 YASKAWA 日本 此外还有松下 Panasonic 日本 川崎 Kawasakirobot 日本 那智不二越 NACHI 日本 现代 HYUNDAI 韩国 史陶比尔 STAUBIL 法国 艾默生 Emerson 美国 优傲 UniversalRobots 丹麦 等国外机器人具有较高的知名度 ABB AseaBrownBoveri 是一家瑞士 瑞典的跨国公司 专长于重电机 能源 自动化等领域 在全球一百多国设有分公司或办事处 总公司设于瑞士的苏黎世 ABB的股票分别在苏黎世 斯德哥尔摩及纽约的股票市场上上市买卖 ABB是机器人技术的开拓者和领导者 ABB拥有当今最多种类的机器人产品 技术和服务 目前 ABB机器人业务部的全球装机量已超过16万台 是全球装机量最大的工业机器人供应商 德国的库卡公司1973年公司研发了其名为FAMULUS第一台工业机器人 1995年库卡机器人技术脱离库卡焊接及机器人有限公司独立成立有限公司 现今库卡专注于向工业生产过程提供先进的自动化解决方案 库卡机器人可用于物料搬运 加工 堆垛 点焊和弧焊 涉及到自动化 金属加工 食品和塑料等行业 库卡工业机器人的用户包括 通用汽车 克莱斯勒 福特 保时捷 宝马 奥迪 奔驰 大众 法拉利 哈雷戴维森 一汽 大众 波音 西门子 宜家 施华洛世奇 沃尔玛 百威啤酒 BSNMedical 可口可乐等等 中国制造2025策略中十大领域包括高档数控机床和工业机器人领域 近几年国内的机器人产业取得了长足的发展 新松机器人机器人产品线涵盖工业机器人 洁净 真空 机器人 移动机器人 特种机器人及智能服务机器人五大系列 其中工业机器人产品填补多项国内空白 创造了中国机器人产业发展史上88项第一的突破 洁净 真空 机器人多次打破国外技术垄断与封锁 大量替代进口 移动机器人产品综合竞争优势在国际上处于领先水平 被美国通用等众多国际知名企业列为重点采购目标 特种机器人在国防重点领域得到批量应用 在高端智能装备方面已形成智能物流 自动化成套装备 洁净装备 激光技术装备 轨道交通 节能环保装备 能源装备 特种装备产业群组化发展 国内机器人的发展存在着的瓶颈是精密减速器和伺服系统的成本过高 3 工业机器人的应用领域 随着技术的进步 工业机器人应用领域也在快速扩张 其应用的主要领域如图1 6所示 图1 6工业机器人在中国应用的主要领域 在中国61 的工业机器人应用于汽车制造业 其中24 为零部件工业 在发达国家 汽车工业机器人占机器人总保有量的53 以上 据统计 世界各大汽车制造厂 年产每万辆汽车所拥有的机器人数量为10台以上 随着机器人技术的不断发展和日臻完善 工业机器人必将对汽车制造业的发展起到极大的促进作用 而中国正由制造大国向制造强国迈进 需要提升加工手段 提高产品质量 增加企业竞争力 这一切都预示机器人的发展前景巨大 电子电气行业 电子类的IC 贴片元器件 工业机器人在这些领域的应用均较普遍 目前世界工业界装机最多的工业机器人是SCARA型四轴机器人 第二位的是串联关节型垂直6轴机器人 在手机生产领域 视觉机器人 例如分拣装箱 撕膜系统 激光塑料焊接 高速四轴码垛机器人等适用于触摸屏检测 擦洗 贴膜等一系列流程的自动化系统的应用 专区内机器人均由国内生产商根据电子生产行业需求所特制 小型化 简单化的特性实现了电子组装高精度 高效的生产 满足了电子组装加工设备日益精细化的需求 而自动化加工更是大大提升生产效益 据有关数据表明 产品通过机器人抛光 成品率可从87 提高到93 因此无论 机器手臂 还是更高端的机器人 投入使用后都会使生产效率大幅提高 图1 10Fe Fe3C相图 塑料工业的合作紧密而且专业化程度高 塑料的生产 加工和机械制造紧密相连 即使在将来 这一行业也将是一重要的经济部门并确保众多的工作岗位 因为塑料几乎无处不在 从汽车和电子工业到消费品和食品工业 机械制造作为联系生产和加工的工艺技术在此发挥着至关重要的作用 原材料通过注塑机和工具被加工成用于精加工的创新型精细耐用的成品或半成品 通过采用自动化解决方案 生产工艺更高效 经济可靠 化工行业是工业机器人主要应用领域之一 目前应用于化工行业的主要洁净机器人及其自动化设备有大气机械手 真空机械手 洁净镀膜机械手 洁净AGV RGV及洁净物流自动传输系统等 4 工业机器人的发展 随着制造业对机器人应用的扩展 工业机器人亟须满足高速度 高精度 重载荷 智能化 多机协调等要求 以适应更加复杂 精细 可靠 快节拍的作业 工业机器人与制造工艺 制造过程的融合 辅助系统的配合 也极大影响着制造系统的整体性能 同时 工业机器人从大规模生产线上封闭的工作站延伸到人和机器人紧密协作的共用开放作业空间时 人机协作和安全问题成为近年来新的热点 目前智能机器人根据其智能程度的不同 又可分为三种 1 传感型机器人 机器人的本体上没有智能单元只有执行机构和感应机构 它具有利用传感信息 包括视觉 听觉 触觉 接近觉 力觉和红外 超声及激光等 进行传感信息处理 实现控制与操作的能力 2 交互型机器人 机器人通过计算机系统与操作员或程序员进行人 机对话 实现对机器人的控制与操作 虽然具有了部分处理和决策功能 能够独立地实现一些诸如轨迹规划 简单的避障等功能 但是还要受到外部的控制 3 自主型机器人 自主型机器人的本体上具有感知 处理 决策 执行等模块 可以就像一个自主的人一样独立地活动和处理问题 机器人世界杯的中型组比赛中使用的机器人就属于这一类型 全自主移动机器人的最重要的特点在于它的自主性和适应性 智能机器人的最终目标是仿人 这就要求人体医学 生物学 和仿生学的发展 目前 智能机器人具有较好的运动能力 而心理活动方面技术的发展较难 目前 人类对智能机器人的研究在第三代的阶段 第四代处于概念设计阶段 真正意义上的第四代具有学习 思考 情感的智能机器人 而基础学科的发展还没有能力提供这样的技术 因而 第四代机器人人还在概念设计阶段 要使机器人成为我们生活中无处不在的东西 必须在下列方面取得技术进步 一是缩短实时系统的响应的总时间 以增强机器人的性能 二是具有先进的人工智能以增强自主决策能力 三是传感器和执行器更为小巧和轻便以减小机器人的体积并提高能效 四是具有能量监测和发电能力以延长自主工作时间 美国著名科普作家艾萨克 阿西莫夫为机器人提出了三条原则 即 机器人三定律 第一定律 机器人不得伤害人 或任人受到伤害而无所作为 第二定律 机器人应服从人的一切命令 但命令与第一定律相抵触时例外 第三定律 机器人必须保护自身的安全 但不得与第一 第二定律相抵触 这些 定律 构成了支配机器人行为的道德标准 机器人必须按人的指令行事 为人类生产和生活服务 四 工业机器人的组成和原理 机械手是模仿着人手的部分动作 按给定程序 轨迹和要求实现自动抓取 搬运或操作的自动机械装置 机械手主要由执行机构 驱动系统 控制系统以及位置检测装置等所组成 各系统相互之间的关系如机器人组成模型图1 7所示 图1 7机器人组成模型图 1 自动控制基本概念 1 伺服与伺服系统机器人是集控制 驱动 执行于一体的伺服系统 伺服 词源于希腊语 奴隶 的意思 把 伺服机构 当个得心应手的驯服工具 服从控制信号的要求而动作 在信号来到之前 被控对象静止不动 信号来到之后 被控对象立即动作 当信号消失 被控对象能即时自行停止 由于它的 伺服 性能 因此而得名 伺服系统 2 控制系统分类伺服系统是一种自动控制系统 自动控制系统分开环系统 闭环系统 开环控制系统 不将控制的结果反馈回来影响当前控制的系统 举例 打开灯的开关 按下开关后的一瞬间 控制活动已经结束 灯是否亮起已对按开关的这个活动没有影响 投篮 篮球出手后就无法再继续对其控制 无论球进与否 球出手的一瞬间控制活动即结束反馈环节一个没有反馈环节 闭环控制系统 闭环控制是根据控制对象输出反馈来进行校正的控制方式 它是在测量出实际与计划发生偏差时 按定额或标准来进行纠正的 闭环控制 从输出量变化取出控制信号作为比较量反馈给输入端控制输入量 一般这个取出量和输入量相位相反 所以叫负反馈控制 自动控制通常是闭环控制 比如家用空调温度的控制 达到预调温度时自动停止 图1 9机器人组成模型图是闭环控制系统 执行机构的执行情况通过位置检测装置判断的结果通知控制系统如何调整驱动系统来纠正执行机构的动作 2 机械手的组成 一般机械手有机械手本体 控制柜 示教器以及连接线缆组成 如图1 8所示 机械手本体既包括执行机构 手爪 手腕 手臂 也包括位置检测装置和驱动系统 电机 减速器 控制柜是系统的控制中枢 示教器是发令装置 图1 8机器人组成实物图 3 执行机构 包括手部 手爪 手腕 手臂 大臂 小臂 和立柱等部件组成的机械手本体 有的还增设行走机构 1 手部 即与物件接触的部件 该组件可以模拟手部动作 搭配夹具 焊枪或吸盘等完成工作流程 机器人通过安装传感器 能对周围环境做出反应 如可以按照预设程序从多个零部件中抓取特定的零部件 由于与物件接触的形式不同 可分为夹持式和吸附式手部 夹持式手部由手指 或手爪 和传力机构所构成 手指是与物件直接接触的构件 图1 9夹持式手爪 手指结构取决于被抓取物件的表面形状 被抓部位 是外廓或是内孔 和物件的重量及尺寸 常用的指形有平面的 V形面的和曲面的 手指有外夹式和内撑式 指数有双指式 多指式和双手双指式等 而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务 传力机构型式较多 常用的有 滑槽杠杆式 连杆杠杆式 斜面杠杆式 齿轮齿条式 丝杠螺母弹簧式和重力式等 吸附式手部主要由吸盘等构成 它是靠吸附力 如吸盘内形成负压或产生电磁力 吸附物件 相应的吸附式手部有负压吸盘和电磁盘两类 图1 10负压吸盘 对于轻小片状零件 光滑薄板材料等 通常用负压吸盘吸料 造成负压的方式有气流负压式和真空泵式 对于导磁性的环类和带孔的盘类零件 以及有网孔状的板料等 通常用电磁吸盘吸料 电磁吸盘是一种用电磁原理 通过使内部线圈通电产生磁力 经过导磁面板 将接触在面板表面的工件紧紧吸住的 通过线圈断电 磁力消失实现退磁 取下工件 电磁吸盘的吸力由直流电磁铁和交流电磁铁产生 用负压吸盘和电磁吸盘吸料 其吸盘的形状 数量 吸附力大小 根据被吸附的物件形状 尺寸和重量大小而定 此外 根据特殊需要 手部还有勺式 如浇铸机械手的浇包部分 托式 如冷齿轮机床上下料机械手的手部 等型式 2 手腕 手腕是连接手部和手臂的部件 并可用来调整被抓取物件的方位 即姿势 为了使手部能处于空间任意方向 要求腕部能实现对空间三个坐标轴X Y Z的旋转运动 这便是腕部运动的三个自由度 分别称为翻转R Roll 俯仰P Pitch 和偏转Y Yaw 图1 11手腕坐标系与手腕动作 注意 并不是所有的手腕都必须具备三个自由度 而是根据实际使用的工作性能要求来确定 3 手臂 手臂是支承被抓物件 手部 手腕的重要部件 手臂的作用是带动手指去抓取物件 并按预定要求将其搬运到指定的位置 工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件 如齿轮齿条机构 连杆机构 螺旋机构和凸轮机构 油缸 气缸 等 与驱动源 如电机 液压 气压等 相配合 以实现手臂的各种运动 手臂可能实现的运动如下 手臂在进行伸缩或升降运动时 为了防止绕其轴线的转动 都需要有导向装置 以保证手指按正确方向运动 此外 导向装置还能承担手臂所受的弯曲力矩和扭转力矩以及手臂回转运动时在启动 制动瞬间产生的惯性力矩 使运动部件受力状态简单 导向装置结构形式 常用的有 单圆柱 双圆柱 四圆柱和V形槽 燕尾槽等导向型式 4 立柱 立柱是支承手臂的部件 立柱也可以是手臂的一部分 手臂的回转运动和升降 或俯仰 运动均与立柱有密切的联系 机械手的立往通常为固定不动的 但因工作需要 有时也可作横向移动 即称为可移式立柱 5 行走机构 当工业机械手需要完成较远距离的操作 或扩大使用范围时 可在机座上安装滚轮 轨道等行走机构 以实现工业机械手的整机运动 滚滚轮轮式式布行走机构可分为有轨的和无轨的两种 驱动滚轮运动则应另外增设机械传动装置 6 机座 机座是机械手的基础部分 机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上 故起支撑和连接的作用 4 驱动系统 驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的动力装置 通常由动力源 控制调节装置和辅助装置组成 常用的驱动系统有电传动 液压传动 气压传动和机械传动 表1 1常用驱动方式性能比较 驱动器的选择 驱动器的选择应以作业要求 生产环境为先决条件 以价格高低 技术水平为评价标准 一般说来 目前负荷为100kg以下的 可优先考虑电动驱动器 并根据机器人的用途选择合适的电机 只须点位控制且功率较小者 或有防暴 清洁等特殊要求者 可采用气动驱动器 负荷较大或机器人周围已有液压源的场合 可采用液压驱动器 对于驱动器来说 最重要的是要求起动力矩大 调速范围宽 惯量小 尺寸小 同时还要有性能好的 与之配套的数字控制系统 2020 3 16 55 可编辑 驱动器的安装 底座安装 较大体积的驱动器 法兰安装 中小型驱动器 卡箍安装 微小型驱动器 临时安装 微小型驱动器 电动驱动 电动驱动是利用各种电动机产生的力或力矩 直接或经过减速机构去驱动机器人的关节 以获得所要求的位置 速度和加速度 电动机驱动可分为普通交流电机驱动 交 直流伺服电动机驱动和步进电动机驱动 普通交 直流电机驱动需加减速装置 输出力矩大 但控制性能差 惯性大 适用于中型或重型机器人 伺服电动机和步进电动机输出力矩相对小 控制性能好 可实现速度和位置的精确控制 适用于中小型机器人 交 直流伺服电动机一般用于闭环控制系统 而步进电机主要用于开环控制系统 一般用于速度和位置精度要求不高的场合 1 步进电机驱动 步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移或直线位移的数字 模拟装置 步进电机有回转式步进电机和直线式步进电机 对于旋转式步进电机而言 每当输入一个电脉冲后 步进电机输出轴就转动一定角度 如果不断地输入电脉冲信号 步进电机就一步步地转动 且步进电机转过的角度与输入脉冲个数成严格比例关系 能方便地实现正 反转控制及调速和定位 步进电机不同于通用的直流和交流电动机 它必须与驱动器和直流电源组成系统才能工作 通常我们所说的步进电机 一般是指步进电机和驱动器的成套装置 步进电机的性能在很大程度取决于 矩 频 特性 而 矩 频 特性又和驱动器的性能好坏密切相关 脉冲分配器是根据指令把脉冲信号按一定的逻辑关系加到功率放大器上 使各相绕组按一定的顺序和时间导通和切断 并根据指令使电机正转 反转 实现确定的运行方式 特点 输出角与输入脉冲严格成比例 且在时间上同步 步进电机的步距角不受各种干涉因素 如电压的大小 电流的数值 波形等影响 转子的速度主要取决于脉冲信号的频率 总的位移量则取决于总脉冲数 容易实现正反转和启 停控制 启停时间短 输出转角的精度高 无积累误差 步进电机世纪步距角与理论步距角总有一定的误差 且误差可以累加 但当步进电机转过一周后 总的误差又回到零 直接用数字信号控制 与计算机接口方便 维修方便 寿命长 2 直流伺服电机驱动 在20世纪80年代以前 机器人广泛采用永磁式直流伺服电动机作为执行机构 近年来 直流伺服电机受到无刷电动机的挑战和冲击 但在中小功率的系统中 永磁式直流伺服电动机还是常常使用的 20世纪70年代研制了大惯量宽调速直流电动机 尽量提高转矩 改善动态特性 既具有一般直流伺服电动机的优点 又具有小惯量直流伺服动机的快速响应性能 易与大惯量负载匹配 能较好地满足伺服驱动的要求 因而在高精度数控机床和工业机器人等机电一体化产品中得到了广泛应用 优点 启动转矩大 体积小 重量轻 转速易控制 效率高 缺点 有电刷和换向器 需要定期维修 更换电刷 电动机使用寿命短 噪声大 3 无刷伺服电动机驱动 直流电动机在结构上存在机械换向器和电刷 使它具有一些难以克服的固有缺点 如维护困难 寿命短 转速低 通常低于2000r min 功率体积比不高等 将直流电动机的定子和转子互换位置 形成无刷电动机 转子由永磁铁组成 定子绕有通电线圈 并安装用于检测转子位置的霍尔元件 光码盘或旋转编码器 无刷电动机的检测元件检测转子的位置 决定电流的换向 无刷直流电动机在运行过程中要进行转速和换向两种控制 控制提供给定子线圈的电流 就可以控制转子的转速 在转子到达指定位置时 霍尔元件检测到该位置并改变定子导通相 实现定子磁场改变 从而实现无接触换向 同直流电动机相比 无刷电动机具有以下优点 无刷电动机没有电刷 不需要定期维护 可靠性更高 没有机械换向装置 因而它有更高转速 克服大电流在机械式换向器换向时易产生火花 电蚀 因而可以制造更大容量的电动机 无刷直流电动机迅速推广应用的重要因素之一是近10多年来大功率集成电路的技术进步 特别是无刷直流电机专用的控制集成电路出现 缓解了良好控制性能和昂贵成本的矛盾 近年来 在机器人中 交流伺服电电机正在取代传统的直流伺服电动机 交流伺服电电机的发展速度取决于PWM控制技术 告诉运算芯片 如DSP 和先进的控制理论 如矢量控制 直接转矩控制等 电机控制系统通过引入微处理芯片实现模拟控制向数字控制的转变 数字控制系统促进了各种现代控制理论的应用 非线性解耦控制 人工神经网络 自适应控制 模糊控制等控制策略纷纷引入电机控制中 由于微处理器的处理速度和存储容量都有大幅度的提高 一些复杂的算法也能实现 原来由硬件实现的任务在通过算法实现 不仅提高了可靠度 还降低了成本 4 制动器 许多机器人的机械臂都需要爱各关节处安装制动器 其作用是 在机器人停止工作时 保持机械臂的位置不变 在电源发生故障时 保护机械臂和它周围的物体不发生碰撞 例如 齿轮 谐波齿轮机构和滚珠丝杠等元件的质量较高 一般其摩擦力都很小 在驱动器停止工作的时候 它们是不能承受负载的 如果不采用如制动器 加紧器或止挡等装置 一旦电源关闭 机器人的各个部件就会在重力的作用下滑落 制动器通常是按失效抱闸方式工作的 即要放松制动器就必须接通电源 否则 各关节不能产生相对运动 它的主要目的是在电源出现故障时起保护作用 其缺点是在工作期间要不断花费电力使制动器放松 为了使关节定位准确 制动器必须有足够的定位精度 制动器应当尽可能地放在系统的驱动输入端 这样利用传动链速比 能够减小制动器的轻微滑动所引起的系统移动 保证了在承载条件下具有较多的定位精度 5 控制系统 图1 12机器人控制系统 机器人控制系统包括控制柜 电源模块 中央处理器CPU 接口模块 数字量模块 模拟量模块 位置控制模块 通信模块等 伺服系统 伺服电机 伺服电机驱动器 编码器 示教器 PC机 人机交互设备 触摸屏等 现场数字量输出设备及安防系统 如图1 12所示 工业机器人的控制器在要求完成特定作业时 需要做下述几件事 示教 通过计算机来接受机器人将要去完成什么作业 也就是给机器人的作业命令 这个命令实质上是人发出的 计算 这一部分实际上就是机器人控制系统中的计算机来完成的 它通过获得的示教信息要形成一个控制策略 然后再根据这个策略 也称之为作业轨迹的规划 细化成各轴的伺服运动的控制的策略 同时计算机还要担负起对整个机器人系统的管理 采集并处理各种信息 因此 这一部分是非常重要的核心部分 伺服驱动 就是通过机器人控制器的不同的控制算法将机器人控制策略转化为驱动信号 驱动伺服电动机 实现机器人的高速 高精度运动 去完成指定的作业 反馈 机器人控制中的传感器对机器人完成作业过程中的运动状态 位置 姿态进行实时地反馈 把这些信息反馈给控制计算机 使控制计算机实时监控整个系统的运行情况 及时做出各种决策 图1 13机器人控制基本原理图 控制系统可以有四种不同分类方法 按控制运动方式 控制系统信号类型 控制机器人的数目以及人机的相互关系等分类 1 按控制运动方式进行分类可分为程序控制系统 自适应控制系统和组合控制系统 程序控制系统 绝大多数商品机器人是属于这种控制系统 主要用于搬运 装配 点焊等点位控制 以及弧焊 喷涂机器人的轮廓控制 程序控制可以使各关节的运动是连续的 也可以是离散的 通过各个关节的连续运动的合成 实现轮廓控制 也可用点位控制 用不连续的点位实现连续轮廓控制 自适应控制系统 自适应是根据环境的变化 不断地给出后续运动轨迹的控制 环境的变化是通过传感器来感知 也就是根据检测到的信息来决策 这个决策是控制系统中的核心问题 要有很复杂的计算方法 对环境的感知是实时的 要求是高精度和高速度的运算处理 硬件逻辑复杂 这一类控制系统也是以程序控制为基础 仅是根据外界环境的变化来及时修改原有的程序 目前对于这一类智能机器人的各种感觉的研究尚处于探索阶段 特别是视觉 要求灵敏度高的视觉装置且可对图象处理和识别能力 组合控制系统 它兼有程序控制和自适应控制两种功能 它具有利用已知的基本上由工作性质和环境条件决定的信息实现程序控制 还可以在执行过程中根据工作条件的变化而改变控制过程并保证最佳的控制品质 所以 这是应用最广的控制系统 2 按控制系统的信号形式分类 可分为连续控制系统和离散控制系统 连续控制系统贯穿系统各环节的输入 输出信号量是时间的连续函数 离散控制系统全部或部分信号是以离散形式出现和产生所需要的控制 通常系统既有连续又有离散的信息 根据一个一定的阀值来进行两类信号的转换实现这种控制 例如 a弧焊控制 对焊接电流的控制是连续控制 当发生短路时 立刻切断电源这又是离散控制 b生产线加工部件由传送带送到固定加工位置 同时发出到位信号 用来启动机器人控制程序的连续控制 从而由离散到连续 一般离散信号是继电器的动作 脉冲或数字信号 3 根据控制机器人的数目分类 可分为单机系统和群控系统 单机就是指控制系统仅对本机进行自主的控制 集中或分散的或两者结合的 同时控制多个机器人的控制系统称之为群控系统 群控系统也容许每个机器人有自己独立的控制系统 但每一个机器人的控制系统要接受总的控制系统的命令 或在系统之间有通信 以便能使所有机器人协调工作 实际上群控系统是一个多级系统 每一级系统或者模块要接受上一级系统下达的指令与任务命令 使本级机器人执行上述的命令 并要向上一级反馈执行的结果的信息 4 按人机关系分类 自动控制系统完全自治操作 操作人员不必干予 但有一些系统要求部分控制功能由操作人员来完成 6 位置检测装置 控制机械手执行机构的运动位置 并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统 并与设定的位置进行比较 然后通过控制系统进行调整 从而使执行机构以一定的精度达到设定位置 位置检测装置实时检测机器人的运动及工作情况 根据需要反馈给控制系统 与设定信息进行比较后 对执行机构进行调整 以保证机器人的动作符合预定的要求 作为检测装置的传感器大致可以分为两类 一类是内部信息传感器 用于检测机器人各部分的内部状况 如各关节的位置 速度 加速度等 并将所测得的信息作为反馈信号送至控制器 形成闭环控制 一类是外部信息传感器 用于获取有关机器人的作业对象及外界环境等方面的信息 以使机器人的动作能适应外界情况的变化 使之达到更高层次的自动化 甚至使机器人具有某种 感觉 向智能化发展 例如视觉 声觉等外部传感器给出工作对象 工作环境的有关信息 利用这些信息构成一个大的反馈回路 从而将大大提高机器人的工作精度 7 伺服系统 1 伺服系统的作用一是以小功率指令信号去控制大功率负载 二是在没有机械连接的情况下 由输入轴控制位于远处的输出轴 实现远距同步传动 三是使输出机械位移精确地跟踪电信号 如记录和指示仪表等 2 伺服系统分类从系统组成元件的性质来看 有电气伺服系统 液压伺服系统和电气 液压伺服系统及电气 电气伺服系统等 从系统输出量的物理性质来看 有速度或加速度伺服系统和位置伺服系统等 从系统中所包含的元件特性和信号作用特点来看 有模拟式伺服系统和数字式伺服系统 从系统的结构特点来看 有单回伺服系统 多回伺服系统和开环伺服系统 闭环伺服系统 伺服系统按其驱动元件划分 有步进式伺服系统 直流电动机 简称直流电机 伺服系统 交流电动机 简称交流电机 伺服系统 按控制方式划分 有开环伺服系统 闭环伺服系统和半闭环伺服系统等 3 伺服系统基本要求对伺服系统的基本要求有稳定性 精度和快速响应性 稳定性好 作用在系统上的扰动消失后 系统能够恢复到原来的稳定状态下运行或者在输入指令信号作用下 系统能够达到新的稳定运行状态的能力 在给定输入或外界干扰作用下 能在短暂的调节过程后到达新的或者回复到原有平衡状态 精度高 伺服系统的精度是指输出量能跟随输入量的精确程度 快速响应性好 有两方面含义 一是指动态响应过程中 输出量随输入指令信号变化的迅速程度 二是指动态响应过程结束的迅速程度 快速响应性是伺服系统动态品质的标志之一 即要求跟踪指令信号的响应要快 一方面要求过渡过程时间短 一般在200ms以内 甚至小于几十毫秒 另一方面 为满足超调要求 要求过渡过程的前沿陡 即上升率要大 节能高 由于伺服系统的快速相应 能够根据自身的需要对供给进行快速的调整 能够有效提高机器人的电能的利用率 从而达到高效节能 4 伺服系统的组成伺服系统主要由三部分组成 控制器 功率驱动装置 反馈装置和电动机 控制器按照机器人系统的给定值和通过反馈装置检测的实际运行值的差 调节控制量 功率驱动装置作为系统的主回路 一方面按控制量的大小将电网中的电能作用到电动机之上 调节电动机转矩的大小 另一方面按电动机的要求把恒压恒频的电网供电转换为电动机所需的交流电或直流电 电动机则按供电大小拖动机械运转 8 机器人传动系统 驱动器与传动装置的连接机器人操作机有两种运动关节 转动关节和移 直 动关节 对电动系统来说 常见的驱动 传动形式如图1 14所示 a一转动系统b一移 直 动系统1一码盘2一测速机3一电机4一联轴器5 传动装量6一转动关节7一杆8一电机9一联轴器10一螺旋副11 移动关节 12一电位器 或光栅尺 图1 14驱动 传动系统的组成 在系统中 驱动器通过联轴器带动传动装置 一般为减速器 再通过关节轴带动杆件运动 为了进行使置和速度控制 驱动系统中还包括位置和速度检测元件 检测元件类型很多 但都要求有合适的精度 连接方式以及有利于控制的输出方式 对于伺服电机 检测元件常与电机直接相联 对于液压驱动 则常通过联轴器或销轴与被驱动的杆件相联 机器人专用减速器 谐波传动谐波传动是利用一个构件的可控制的弹性变形来实现机械运动的传递 谐波传动通常由三个基本构件 俗称三大件 组成 如图1 15所示 包括一个有内齿的刚轮 一个工作时可产生径向弹性变形并带有外齿的柔轮和一个装在柔轮内部 呈椭圆形 外圈带有滚动轴承的波发生器 柔轮的外齿Zg少于刚轮的内齿Zb 在波发生器转动时 相应于长轴方向的柔轮外齿正好完全啮入刚轮的内齿 在短轴方向 则外齿全脱开内齿 当刚轮固定 波发生器转动时 柔轮的外齿将依次啮入和啮出刚轮的内齿 柔轮齿圈上的任一点的径向位移将呈近似于余弦波形的变化 所以这种传动称作谐波传动 图1 15谐波传动 可以看出 由于Zg Zb 故当波发生器转过一周时 柔轮相对刚轮反方向转过 Z Zg周 Z Zg Zb 如果波发生器与主动轴 电机 相联 柔轮与从动轴相连 在刚轮固定时 就可得到减速比为i Z Zg的减速传动 由于 Z很小 通常为2 4 故i很大 一般为50 300 减速效果可与少齿行星传动相媲美 若柔轮固定 刚轮主动 则波发生器可得到i Zb Z的同向增速运动 同样 若刚轮固定 柔轮主动 波发生器也可得到增速运动 但增速运动常需一个最小的转动力矩 这一转矩与构件之间的摩擦以及三大件和轮齿的几何参数有关 只有参数适当 且很好地跑合之后才能降低这一转矩 对于手把手示教的机器人 必须充分注意这一特性 如果最小的反力距太大 就很难实现手把手示教 在商品化生产中 还有用三大件制成的各类减速器 有单级 双级 卧式 立式等 供设计者选用 与一股齿轮传动相比 谐波传动有如下主要特点 传动比大 单叔传动比可为50 300 双级传动比可达2 106 传动乎稳 承载能力高 在传动时同时参与啮合的齿数多 故传动平稳 承载能力高 传递单位扭矩的体积和重量小 在相同的工作条件下 体积可减小20 50 齿面磨损小而均匀 传动效率高 若正确选择啮合参数 则齿面的相对滑动速度很低 因此磨损小 效率高 当结构合理 润滑良好时 对i 100的传动 效率 可达0 85 对i 75的传动 效率 可达0 92 传动效率随着扭矩的增加而增加 而当传递的扭矩比额定值小20 时 效率很快降低 传动精度高 在制造精度相同的情况下 谐波传动的精度可比普通齿轮传动高一级 若齿面经过很好的研磨 则谐波齿轮传动的传动精度要比普通齿轮传动高4倍 回差小 精密谐波传动的回差一般可小于3 1 甚至可以实现无回差传动 可以通过密封壁传递运动 当采用长杯式柔轮固定传动时 可实现向密封箱内传递运动 这是其他传动机构很难实现的 谐波传动不能获得中间输出 并且杯式柔轮刚度较低 2 RV摆线针轮传动 RV减速机由一个行星齿轮减速机的前级和一个摆线针轮减速机的后级组成 RV减速器具有结构紧凑 传动比大 以及在一定条件下具有自锁功能的传动机械 是最常用的减速机之一而且振动小 噪音低 能耗低 如图1 17所示 RV传动是新兴起的一种传动 它是在传统针摆行星传动的基础上发展出来的 不仅克服了一般针摆传动的缺点 而且因为具有体积小 重量轻 传动比范围大 寿命长 精度保持稳定 效率高 传动平稳等一系列优点 日益受到国内外的广泛关注 RV减速器是由摆线针轮和行星支架组成以其体积小 抗冲击力强 扭矩大 定位精度高 振动小 减速比大等诸多优点被广泛应用于工业机器人 机床 医疗检测设备 卫星接收系统等领域 它较机器人中常用的谐波传动具有高得多的疲劳强度 刚度和寿命 而且回差精度稳定 不像谐波传动那样随着使用时间增长运动精度就会显著降低 故世界上许多国家高精度机器人传动多采用RV减速器 因此 该种RV减速器在先进机器人传动中有逐渐取代谐波减速器的发展趋势 图1 16RV减速器 RV减速机的传动装置是由第一级渐开线圆柱齿轮行星减速机构和第二级摆线针轮行星减速机构两部分组成 为一封闭差动轮系如图1 17为其结构示意图 主动的太阳轮1与输入轴相连 如果渐开线中心轮1顺时针方向旋转 它将带动三个呈120 布置的行星轮2在绕中心轮轴心公转的同时还有逆时针方向自转 三个曲柄轴3与行星轮2相固连而同速转动 两片相位差180 的摆线轮4铰接在三个曲柄轴上 并与固定的针轮相啮合 在其轴线绕针轮轴线公转的同时 还将反方向自转 即顺时针转动 输出机构 即行星架 6由装在其上的三对曲柄轴支撑轴承来推动 把摆线轮上的自转矢量以1 1的速比传递出来 图1 17RV加速器结构示意图 3 滚动螺旋传动 滚动螺旋传动是在具有螺旋槽的丝杠与螺母之间放入适当的滚珠 使丝杠与螺母之间由滑动摩擦变为滚动摩擦的一种螺旋传动 如图1 18所示 滚珠在工作过程中顺螺旋槽 滚道 滚动 故必须设置滚珠的返回通道 才能循环使用 内循环是在螺母体内返回 外循环最常见的 图1 18外循环滚珠丝杠 滚动螺旋传动主要有以下一些特点 摩擦小 效率高 一般情况下 滚动螺旋传动的效率在90 以上 在同样的负荷下 驱动权矩较滑动螺旋传动减少2 3 3 4 滚动螺旋传动的逆传动效率也很高 接近于正传动效率 故可作为直线运动变旋转运动的传动装置 也正是这 原因 该种传动不能自锁 必须有防止逆转的制动或自锁机构才能安全地用于有自重下降的场合 灵敏度高 传动乎稳 由于是滚动摩擦 动 静摩擦系数相差极小 无论是静止 还是高 低速传动 摩擦权矩几乎不变 故灵敏度高 传动乎稳 磨损少 寿命长 滚珠螺旋副中的主要零件均经热处理 并有很高的表面光洁度 再加上滚动摩擦的磨损很小 因而有良好的耐磨性 可消除油向间隙 提高铀向刚度 由于该种传动效率高 预紧后仍能轻快地工作 所以可以通过预紧完全消除间隙 使反向时无空行程 并可通过预紧施加一定的预应力来提高传动刚度 波动螺旋传动最怕落入灰尘 铁屑 砂粒 通常 螺母两端必须密封 丝杠的外露部分必须用 风箱 套或钢带卷套加以密封 3 驱动 传动系统的动态特性 驱动 传动系统是驱动器和传动装置两子系统的合成 下面分别讨论其动态特性 1 电驱动器的动态特性电动操作机的每个主动关节都有伺服电机驱动 现以直流水磁电机为例进行讨论 该类电机的特点是 1 力矩 功率比高 平滑 低速运转 力矩 速度持性是线性的 时间常数小 2 采用永磁磁场和直流供电 能以最小的输入功率提供最大的力矩 3 电机电感很小 电气时间常数很低 2 液压驱动系统的动态特性 1962年比现的第一台工业机器人就是采用液压驱动的 由于液压驱动结构简单 省去了各种减速传动装置 便于控制 在机器人发展的最初年代里 液压驱动系统得到了广泛的应用 后来 由于随着直 交流伺服系统的迅猛发展 才使液压驱动系统在工业机器人中处于次要地位 但目前液压驱动在大负荷的操作机以及喷涂作业用机器人中仍占有较大的比例 工业机器人用液压驱动系统有点位程序控制和电 液伺服控制两大类别 前者多用于简单的搬运机器人或某些专用机器人中 后者用于既要点位控制又要连续轨迹控制功能的机器人 特别是大负荷 5000N 机器人 9 机器人主要部件及成本 工业机器人成本结构大致如下 本体22 伺服系统25 减速器38 控制系统10 其他5 简单拆分国内6轴工业机器人成本 总成本25万元 可以看出减速器和伺服电机两项成本接近13万元 10 工业机器人的分类 按工业机器人按臂部的运动形式 图1 19所示 分为四种 直角坐标型 臂部可沿三个直角坐标移动 圆柱坐标型 臂部可作升降 回转和伸缩动作 球坐标型 臂部能回转 俯仰和伸缩 关节型 臂部有多个转动关节 2 按工业机器人按执行机构运动的控制机能 又可分点位型和连续轨迹型 点位型 只控制执行机构由一点到另一点的准确定位 适用于机床上下料 点焊和一般搬运 装卸等作业 图1 19机械手运动 连续轨迹型 可控制执行机构按给定轨迹运动 适用于连续焊接和涂装等作业 3 按程序输入方式区分有编程输入型和示教输入型两类 编程输入型是将计算机上已编好的作业程序文件 通过RS232串口或者以太网等通信方式传送到机器人控制柜 示教输入型的示教方法有两种 一种是由操作者用手动控制器 示教操纵盒 将指令信号传给驱动系统 使执行机构按要求的动作顺序和运动