工业机器人简介.doc

工业机器人第1节 工业机器人简介工业机器人一般指的是在工厂车间环境中，配合自动化生产的需要，代替人来完成材料的搬运、加工、装配等操作的一种机器人。能代替人完成搬运、加工、装配功能的工作可以是各种专用的自动机器，但是使用机器人则是为了利用它的柔性自动化功能，以达到最高的技术经济效益。 有关工业机器人的定义有许多不同说法，从中可以对工业机器人的主功能有更深入的了解。1）美国机器协会（RIA）：机器人是“一种用于移动各种材料零件、工具或专用装置的，通过程序动作来执行各种任务，并具有编程能力的多功能操作机（manipulator）”。2）日本工业机器人协会：工业机器人是“一种装备有记忆装置和末端执行装置的、能够完成各种移动来代替人类劳动的通用机器”。它又分以下两种情况来定义：工业机器人是“一种能够执行与人的上肢类似动作的多功能机器”。智能机器人是“一种具有感觉和识别能力，并能够控制自身行为的机器”。3）国际标准化组织（ISO）：“机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能操作机，这种操作机具有几个轴，能够借助可编程操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行各种任务”。4）国际机器人联合会（IFR）：“工业机器人（manipulating industrial robot）是一种自动控制的，可重复编程的（至少具有三个可重复编程轴）、具有多种用途的操作机”（ISO 8373）。以上定义的工业机器人实际上均指操作型工业机器人。为了达到其功能要求，工业机器人的功能组成中应该有以下部分：1）为了完成作业要求，工业机器人应该具有操作末端执行器的能力，并能正确控制其空间位置、工作姿态及运动程序和轨迹。2）能理解和接受操作指令，并把这种信息化了的指令记忆、存储，并通过其操作臂各关节的相应运动复现出来。3）能和末端执行器（如夹持器或其他操作工具）及其他周边设备（加工设备、工位器具等）协调工作。工业机器人的发展可以追溯到50年前的遥控机械手和数控机床的研究开发。遥控机械手是一种允许操作人员在一定距离外通过遥控完成某一任务的装置。40年代，为处理放射性材料，美国开始研制主从遥控机械手。操作者和被处理的放射性材料用一混凝土墙隔开，墙上有几个观察窗。在墙外的遥控机械手的“主手”由操作者操作，遥控机械手的“从手”在墙内对放射性材料进行操作。主手和从手之间用钢丝绳传动，进行运动连接，实现机械耦合。后来机械耦合的主从机械手的动作加入了力反馈，使操作者能够感受到从手与被操作物之间的力作用。不久，遥控机械手的机械耦合被电动和液压装置所取代。这种机械手是用机械或电动方式在主从手之间传递信息的。与此同时，出于高效研制和生产新型军用飞机需要，美国空军发起了对数控铣床的研制。这项研究工作在于把成熟的伺服技术与当时新发展起来的数字计算机结合起来。麻省理工学院（MIT）辐射实验室于1953年研制出这样的机器。50年代中期，乔治C德沃尔提出了机械手伺服轴技术和数控编程技术结合的“可编程的关节式传送装置”，并获得专利。操作者控制这个装置沿一系列点运动，这些点的位置以数字形式存储起来，然后在再运行中可以再现出位置。这种把运动命令数字化、信息化是对前述机械设计方式的一场革命。在这一专利技术的基础上，德沃尔和约瑟夫F恩格尔伯格进行了更加深入的研究开发工作，从而产生了美国Unimation公司于1959年推出的第一台工业机器人。70年代，出现了更多的机器人商品，并在工业生产中逐步推广应用。这反过来又推动了机器人技术的发展。80年代起，在主要工业国家，工业机器人已成为一种相对成熟的技术。工业机器人产品在工业中开始普及应用。下面对操作型工业机器人的主要功能进行分析。1.控制末端执行器空间位置的功能 末端执行器在空间的位置一般由操作臂运动来完成。最简单的操作臂布置形式是直角坐标型。直角坐标型机器人由三个互相垂直的直线移动关节分别作X向、Y向和Z向移动组成。这三个方向的直线运动的复合就决定了机器人手部在工作空间内的位置。这一结构方案的优点是，各轴线位移分辨率在操作容积内任一点均为恒定，计算容易。缺点是操作灵活性差（图2-7）。圆柱坐标型机器人由一个升降直线运动关节（轴向）、一个圆周旋转运动关节（周向）和一个径向直线运动关节组合而成。这种结构方案的优点是终端效应器可获得较高速度，缺点是终端效应器外伸离柱轴心愈远，其线位移分辨精度愈低。球坐标型机器人由两个回转运动关节和一个直线运动关节分别作为方位旋转关节、俯仰旋转关节和径向直线运动关节组合而成。和圆柱坐标结构相比较，这种结构更为灵活，但采用同一分辨率码盘测量角位移时，伸缩关节的线位移分辨率恒定，但转动关节反映在终端效应器上的线位移分辨率则是个变量。球坐标型机器人也称为极坐标型机器人。图2-7 各种坐标型式的机器人结构及其工作空间垂直关节型机器人由一个回转运动关节作方位运动，加上由两个回转轴线相平行且平行于水平面的回转运动关节组成一个能在垂直平面上作平面运动的连杆机构，组合而成的多关节机器人。这种结构占地面积小，操作容积较大，可获得较高的末端执行器线速度，且操作灵活性较好，能绕过障碍。目前中小型机器人多采用这种结构，它的空间线位移分辨率取决于机器人手臂姿态，要获得高精度运动较为困难。水平多关节型机器人由两个回转轴线垂直于水平面的回转运动关节组成一个能在水平面上作平面运动的连杆机构，加上一个直线运动关节作垂直升降运动组合而成的多关节机器人。这种机器人也称为SCARA机器人，主要用于装配作业。2.控制末端执行器姿态的功能 为了使机器人具有灵活操作能力，对执行器姿态的控制一般由手部完成。因此，在机器人手臂的末端总有一个支承末端执行器、并控制其姿态的手腕。由于姿态实际上就是执行器绕X、Y、Z轴的转向，所以手腕由多个同轴回转副（R）或销轴回转副（B）的关节组成。手腕按需控制的姿态数可有单回转轴、双回转轴，三回转轴三种回转轴配置，型式有B-B-R,B-R-R,R-B-R,R-R-R,R-B-B等五种，见图2-8。图2-8 手腕自由度配置型式三回转手腕的结构型式有偏置结构和球腕结构两类。前者手腕各关节轴相对偏置，这在计算控制上较复杂，后者手腕各关节轴线相交于一点，这在运动分析和计算时可等效于一个高副球腕结构处理。显而易见，后者手腕占得空间小，在有限空间操作时（例如汽车车厢内）运动更灵活。3.控制机器人完成期望作业的功能 工业机器人完成期望的作业，按其功能级别来看，可以有三个层次：第一类工业机器人，主要是指示教再现机器人。即为了让机器人完成期望的作业，首先由操作者对机器人的运行轨迹、作业顺序、作业工艺条件等进行手把手示教、键入指令示教或通过示教盒示教。操作机器人控制系统将示教指令记存起来，应用时根据再现指令逐条取出示教指令，在一定精度范围内复现示教动作。目前国内外工业中机器人，绝大多数属于第一类工业机器人。第二类工业机器人，指带有感觉系统的可离线编程的工业机器人。它在感知系统支持下，具有不同程度感知周围环境和自行修正程序的能力，能完成较复杂的作业，也称为感知机器人。这一类工业机器人已经在实验室内研制成功，并开始得到试用，但由于成本较高，其工业应用和普及还要有一个过程。第三类工业机器人，即智能机器人或高级机器人。这种机器人不仅具有感知功能，还具有决策和规划能力。能根据人的命令在所处的复杂环境中，自行判断，作出决策和规划动作（按任务编程）。第三类机器目前还处于研究开发阶段。以上三个层次的工业机器人的本质区别在于人技术系统的界面。后面两种层次人对机器人的操作质量降到最低，当然机器的自动化程度最高。这三类机器人的控制框图可如图2-9所示。其中，图a为程序控制方式。输出X表示操作机运动的状态，一般指操作机各关节的转角（或位移）以及末端执行器的工作状态（例如夹持器的开、闭等）。该系统的控制程序是在机器人进行作业之前就完全确定下来的。采用这种系统，要求工作条件完全确定下来。图2-9 工业机器人控制框图a）程序控制方式控制框图 b）带有感觉系统的机械人控制框图图2-10所示为工业机器人控制系统框图。通常人对机器人的运动要求，包括其位置、速度、姿态等都是以直角坐标方式描述的。而机器人则以各关节的相应运动来复现。因此，在机器人中，首先要有将笛卡尔坐标内的运动要求转换成关节坐标的功能，然后再由计算机协调控制各关节坐标的运动，这些运动的合成最终实现机器人的操作要求。图2-10 工业机器人控制系统框图图2-11所示为SCARA型焊接机器人。图2-12是对它的机电一体化基本单元分析及信息流描述。该种机器人两个手臂关节、共同组合实现焊枪X-Y平面上的位置。焊枪上下运动则和空间坐标Z轴重合，因此它是一个独立的坐标。该机器人焊枪的姿态由手腕部分的、回转轴控制。由于、轴的转动会影响焊枪的朝向（即姿态），因此在平面位置改变时，为保持焊枪的姿态，需要对轴补偿（显见，补偿量即为）。值得注意的是在该机器人手腕部分结构设计时，应使焊枪在不同姿态时焊点都交于一点。这样，焊枪的姿态变化不会影响空间位置。这就使得该机器人能分别控制位置和姿态，从而大大简化了控制中的计算机工作。图2-11 CARA型焊接机器人第2节 工业机器人的结构 通用工业机器人主要机械结构可划分为基座、臂部、腕部和末端执行器(手爪)。基座起支承作用，固定式机器人的基座直接联接在地面基础上，移动式机器人的基座安装在移动机构上。臂部联接基座和手腕，主要改变末端执行器的空间位置。腕部联接臂部和末端执行器，主要改变末端执行器的空间姿态。末端执行器也称为手爪部份或手部，是机器人的作业工具。如抓取工件的各种抓手、取料器、专用工具的夹持器等，还包括部分专用工具，如拧螺钉螺母机、喷枪、焊枪、切割头、测量头等。本节主要介绍部分机器人手腕和末端执行器的结构。一、手腕机械结构手腕确定末端执行器的作业姿态，一般需要三个自由度，由三个回转关节组合而成，组合方式多样。回转方向分：臂转是绕小臂轴线方向的旋转；手转是使末端执行器绕自身的轴线旋转；腕摆是使手部相对臂部的摆动。1通用手腕结构 腕部结构的设计要满足传动灵活、结构紧凑轻巧，避免干涉。通常将腕部的驱动部分安排在小臂上，几个电动机的运动传递到同轴旋转的心轴和多层套筒上。运动传入腕部后再分别实现各个动作。图4-34和图4-35所示为PT-600型弧焊机器人手腕部结构图和传动简图。图4-34PT-600型弧焊机器人手腕部结构图1-腕摆框 2-腕摆齿形带 3-小臂 4-腕摆带轮 5-腕摆轴 6、12-端盖 7-腕摆谐波减速器 8-联结法兰 9-锥齿轮 10-手转谐波减速器 11-手转轴 13-手转带轮 14-手转齿形带 图 4-35PT-600机器人手腕部传动简图这是一个腕摆、手转二自由度的手腕结构。其传动路线为：腕摆电机通过同步齿形带带动腕摆谐波减速器7，减速器的输出轴带动腕摆框1实现腕摆运动；手转电动机通过同步齿形带带动手转谐波减速器10，减速器的输出通过一对锥齿轮9实现手转运动。注意，当腕摆框摆动而手转电动机不转时，联接手部的锥齿轮在另一锥齿轮上滚动，产生附加的手转运动，控制上要进行修正。图 4-36KUKA IR-662/100型机器人手腕传动结构简图图 4-37KUKA IR-662/100型机器人手腕结构图1-中心轴 2-空心轴 3-手腕壳体 4、18-定轮 5、14-动转 6、7、9、19、26、27-锥齿轮 8、16-柔轮 10、15-波发生器 11-盖 12-腕摆壳体 13-零件 17-法兰盘 20-底座 21-带键轴 22、24、25-带 23-花键轴图4-36所示为KUKA IR-662100型机器人的手腕部传动简图。这是一个三自由度的手腕结构，关节配置形式为臂转、腕摆、手转结构。其传动链分成二部分，一部分在机器人小臂壳内，三个电机的输出通过带传动分别传递到同轴转动的心轴、中间套、外套筒上。另一部分传动链安排在手腕部，图4-37所示为手腕的结构图。其传动路线为：(1)臂转运动 臂部外套筒与手腕壳体7通过端面法兰联接，外套简直接带动整个手腕旋转完成臂转运动。(2)腕摆运动 臂部中间套通过花键与空心轴2联接，空心轴另一端通过一对锥齿轮6、7带动腕摆谐波减速器的波发生器10，波发生器上套有轴承和柔轮8，谐波减速器的定轮4与手腕壳体相联，动轮5通过盖11与腕摆壳体12相固接，当中间套带动空心轴旋转时，腕摆壳体作腕摆运动。(3)手转运动 臂部心轴通过花键与腕部中心轴1联接，中心轴的另一端通过锥齿轮27、26带动花键轴23，花键轴的一端通过同步齿形带传动24、25、22带动带键轴2l，再通过锥齿轮19，9带动手转谐波减速器的波发生器15，波发生器上套有轴承和柔轮16，谐波减速器的定轮18通过底座20与腕摆壳体相联，动轮14通过零件13与联接手部的法兰盘17相固定当臂部心轴带动腕部中心轴旋转时，法兰盘作手转运动。值得注意的是，臂转、腕摆、手转三个传动并不是相互独立的，存在较复杂的干涉现象。当中心轴1和空心轴2固定不转，仅有手腕壳体3作臂转运动时，由于锥齿轮6不转，锥齿轮7在其上滚动，因此有附加的腕转运动输出，同理，锥齿轮26在锥齿轮27上滚动，也产生附加的手转运动。当中心轴1和手腕壳体3固定不转，空心轴2转动使手腕作腕摆运动时，也会产生附加的手转运动。最后通过控制系统进行修正。2柔性手腕结构 柔性手腕是为喷漆作业机器而设计开发的。图4-38所示为一种多节联动万向节式柔性手腕的机构原理图，它由连杆机构，球面齿轮机构和万向联轴器机构组成。当俯仰或偏摆连杆受到作动器的牵连作用时，柔性手腕结构沿相应方向弯曲，连杆件数越多、弯曲的曲率越大。图4-39所示为柔性手腕的结构剖视。其中的球面齿轮是一种较新的传动结构。 图 4-38多节联动万向节式柔性手腕机构简图图 4-39多节联动万向节式柔性手腕结构3柔顺手腕结构 用机器人进行精密装配作业，当被装配零件之间的配合精度相当高，被装配零件的不一致性、工件的定位夹具、机器人手爪的定位精度无法满足装配要求时，会导致装配困难。这就提出了装配动作的柔顺性要求。柔顺装配技术有两种，一种是从检测、控制的角度，采取各种不同的搜索方法，实现边校正边装配。有的手爪上还配有检测元件如视觉传感器(图4-40所示)、力传感器等，这就是所谓主动柔顺装配。另一种是从结构的角度在手腕部配置一个柔顺环节，以满足柔顺装配的需要。这种柔顺装配技术称为“被动柔顺装配”(RCC)。图4-41所示是具有水平和摆动浮动机构的柔顺手腕。水平浮动机构由平面，钢球和弹簧构成实现在二个方向上进行浮动，摆动浮动机构由上、下球面和弹簧构成，实现二个方向的摆动。在装配作业中如遇夹具定位不准或机器人手爪定位不准时可自行校正。其动作过程如图4-42所示，在插入装配中工件局部被卡住时，将会受到阻力，促使柔顺手腕起作用，使手爪有一个微小的修正量，工件便能顺利地插人。图4-43所示是另一种结构形式的柔顺手腕，其工作原理与上述柔顺手腕相似。图4-44所示是采用板弹簧作为柔性元件组成的柔顺手腕，在基座上通过板弹簧1、2联接框架，框架另二个侧面上通过板弹簧3、4联接平板和轴。装配时通过4块板弹簧的变形实现柔顺性装配。图4-45所示是采用数根钢丝弹簧并联组成的温柔手腕。图 4-40带检测元件的手腕图 4-41移动摆动柔顺手腕图 4-42柔顺手腕动作过程图 4-43柔顺手腕图 4-44板弹簧柔顺手腕图 4-45钢丝弹簧柔顺手腕主动柔顺手腕需配传感器，价格较贵，由于反馈控制响应能力的限制，装配速度较慢；但是，主动柔顺手腕可以在较大范围内进行对中校正，装配间隙可少至几个微米，并可实现无倾角孔的插入，通用性强。被动柔顺手腕结构比较简单，价格较便宜；装配速度比主动式要快；但是，它要求装配件要有倾角，允许的校正补偿量受到倾角的限制；轴孔间隙不能太小，否则插入阻力较大。为了扬长补短，近年来综合上述两种柔顺手腕优点的主被动柔顺手腕正在发展中。二、末端夹持器末端夹持器种类繁多，主要介绍下列几种。(一)气吸式吸盘 吸盘主要用在搬运体积大、重量轻的如像冰箱壳体、汽车壳体等零件；也广泛用于需要小心搬运的如显象管、平板玻璃等物体。真空吸盘对工件表面要求平整光滑、干燥清洁、能气密。气吸式与钳爪式手部相比较，气吸式手部具有结构简单，重量轻等优点。按形成负压(或真空)的方法，气吸式手部可分为真空式、气流负压式和挤压排气吸盘。气吸式吸盘选用要素如下：1)应具有足够的吸力。由于吸力的大小与吸盘直径大小，气压强弱和气体流有关系，并与工件形状和表面不平度有关，为了保证吸力一定，可在气路中增设减压阀以便调节吸力大小。2)应根据被抓取对象的要求确定吸盘形状和数量。3)选用多个吸盘时，应合理布局，确保工件在传递过程中的平衡及平稳。下面介绍气流负压式吸盘。气流负压式吸盘按形成负压的方法可分成；喷射式负压吸盘和扩散式负压吸盘。下面主要讨论喷射式负压吸盘。其工作原理如图4-46所示。图 4-46喷射气流原理图根据流体力学，气体在稳定流动状态下，单位时间内气体经过喷嘴的每一个截面的气体质量均相等。因此在最简单的情况下，低流速(高压强)截面的喷嘴应当具有大面积，而高流速(低压强)截面的喷嘴应有小面积。所以压缩空气由喷嘴进口处A进入后，喷嘴开始一段由大到小逐渐收缩，而气流速度逐渐增大，沿气流流动方向截面收缩到最小处K时(即临界面积)，流速达到临界速度即音速，此时压力近似为喷嘴进口处的压力之半，即A0.5P1。为了使喷嘴出口处的压力P2低于Pk，必须在喷嘴临界面以后再加一段渐扩段，这样可以在喷嘴出口处获得比音速还要大的流速即超音速，并在该处建立低压区域，使C处的气体不断地被高速流体卷带走，如C处形成密封空腔，就可使腔内压力下降而形成负压。当在C处连接橡胶皮碗吸盘，即可吸住工件。图447为喷射式负压吸盘的结构图。由上述分析可知，从一般的气体流速增速到超音速而建立低压区，必须使管道截面积的变化规律先收缩到某一最小截面Smin，然后再扩大，这种喷嘴称为“收缩喷嘴”，或称为“拉伐尔喷嘴”。为了使喷嘴更有效地工作，喷嘴口与喷嘴套之间应有适当的间隙，以便将被抽气体带走，如图4-48所示。当间隙太小时，喷射气流和被抽气体将由于与套壁的摩擦而使速度降低，因而降低了抽气速率；当间隙太大时，离喷射气体越远的气体被带着向前运动的速度就愈低，同时间隙过大，从喷嘴套出口处反流回来的气体亦愈多，这就使抽气速率大大地降低。因此，间隙要适宜，最好使喷嘴与喷嘴套之间的间隙可以调节，以便喷嘴有效地工作。图4-49为可调的喷射式负压吸盘的结构图，喷嘴5与喷嘴套6的相对位置是可以调节的，以便改变问隙的大小。图 4-47喷射负压吸盘结构1-吸盘 2-压盖 3-芯座 4、6-螺母 5-喷嘴套 7-喷嘴座 8-喷嘴 9-密封垫图 4-48喷嘴与喷嘴套的安装间隙图 4-49可调喷射式负压吸盘结构1-橡胶吸盘 2-吸盘芯子 3-通气螺钉 4-吸盘体 5-喷嘴 6-喷嘴套挤压排气式吸盘对于轻小片状工件，还可以采用橡胶吸盘紧压工件表面，靠挤压力作用使吸盘内的空气被挤出，造成负压将工件吸住。图450所示为挤压排气式吸盘。由吸盘1与工件相接触并将吸盘内的空气挤出造成负压而吸住工件。当吸盘架3运动时，若碰到挡块(或受外力作用)将压盖2抬起，这时吸盘内腔经8孔通大气，压差消失即放下工件。图4-51带电磁铁的挤压排气式吸盘。弹簧2使阀杆3始终在下端位置堵住通气孔，当手臂向下移动吸盘1紧压工件时，将吸盘内的空气挤出而吸住工件。若手臂移动到规定的位置时，碰行程开关发信号，靠电磁铁的衔铁4吸动阀杆3，使吸盘内腔与大气相通而放下工件。图 4-50挤压排气式吸盘1-吸盘 2-压盖 3-吸盘架图 4-51带电磁铁挤压排气式吸盘1-吸盘 2-螺母 3-阀杆 4-衔铁 (二)手爪手爪的设计和选用最主要是满足功能上的要求，具体来说要在下面几个方面进行调查，提出设计参数和要求。 l被抓握的对象物 手爪的设计和选用首先要考虑的是什么样的工件要被抓握。因此，必须充分了解工件的几何形状、机械特性。(1)几何参数有：工件尺寸可能给予抓握表面的数目可能给予抓握表面的位置和方向夹持表面之间的距离夹持表面的几何形状(2)机械特性有以下方面：质量材料固有稳定性表面质量和品质表面状态工作温度2物料馈送器或储存装置 与机械手配合工作的零件馈送器或储存装置对手爪必需的最小和最大爪钳之间的距离以及必需的夹紧力都有要求，同时，还应了解其它可能的不确定的因素对手爪工作的影响。3机械手作业顺序 一台机械手在齿轮箱装配作业中需要搬动齿轮和轴，并进行装配，虽然手部可以既抓握齿轮也可以夹持轴，但是不同零件所需的夹紧力和爪钳张开距离是不同的，手部设计上要考虑到被夹持对象物的顺序。在必需的时候，可采用多指手爪，以增加手部作业的柔性。 4手爪和机械手匹配 手爪一般用法兰式机械接口与手腕相连接，手爪自重增加了机械臂的载荷，这两个问题必须给予仔细考虑。手爪是可以更换的，手爪形式可以不同，但是与手腕的机械接口必须相同，这就是接口匹配。手爪自重不能太大，机械手能抓取工件的重量是机械手承载能力减去手爪重量。手爪自重要与机械手承载能力匹配。5环境条件 在作业区域内的环境状况很重要，比如高温、水、油等环境会影响手爪工作。一个锻压机械手要从高温炉内取出红热的锻件坯必须保证手爪的开合，驱动在高温环境中均能正常工作。6手爪间应具有一定的开闭角 两手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角，手指的开闭角应保证工件能顺利进入或脱开。若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑。对于移动型手指只有开闭幅度的要求。 7应保证工件准确定位 为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取工件的形状，选择相应的手指形状。例如圆柱型工件采用带“V”型面的手指，以便自动定心。8应考虑手指的多用性 手指是专用性较强的部件，为适应小批量多品种工件的不同形状和尺寸的要求，可制成组合式的手指如图452所示。对于这种手指的要求结构简单，安装维修方便，更换迅速准确，以便扩大机械手的使用范围。图 4-52组合式手指结构1-杠杆 2-连杆 3-活塞杆 4-调整垫 5-可换手指此外有采用速换手部装置，而不采用万能手指，因后者比前者复杂，图4-53为手部速换装置图。若须更换手部时可停止供应手部卡紧用的压缩空气，使卡紧套1靠弹簧作用左移，滚珠2被卡人凹槽内即放松可换手部3，从而实现迅速的更换手部。图 4-53速换手部结构1-卡紧套 2-滚珠 3-可换手部机械式手爪结构的种类很多。图4-54为与机械结合的气动手爪。图 1手动气爪1-锥齿轮 2-齿条 3-活塞 4-气缸 5-爪钳 (三)多指灵巧手简单的卡爪式取料手不能适应物体外形的变化，不能使物体表面承受比较均匀的夹持力，因此无法满足对复杂形状，不同材质的物体实施夹持和操作。为了提高机器人手爪和手腕的操作能力、灵活性和快速反应能力，使机器人能像人手一样进行各种复杂的作业，如装配作业、维修作业、设备操作以及机器人模特儿的礼仪手势等，就必需有一个运动灵活、动作多样的灵巧手。近年来国内外对灵巧手的研究十分重视。多指灵巧手的开创性工作是ETL手，它的出色的机构设计为以后所开发的许多多指灵巧手所采用。图4-55分别为ETL手部的外形和各部分的详细结构图。手指自由度是这样构成的，相当于人手拇指的手指有3个自由度，其余的两个手指和人的手指一样有4个自由度。各关节通过约1m长的柔管-钢丝绳动力传递系统和带减速器的22W直流伺服电动机驱动，减速器的减速比为194.3。这里每个关节只有一个驱动器，所以预先必须使钢丝绳有足够的初始张力。图 4-55ETL手部如图4-56所示。分别为StanfordJPL三指灵巧手的UtahMIT四指灵巧手。他们的每一个手指有三个回转关节，每一个关节自由度都是独立控制。这样，几乎人手能完成的各种复杂动作它都能模仿。图 4-56多指灵巧手a）Stanford/JPL三指手 b）Utah/MIT四指手StanfordJPL三指灵巧手的每个手指有3个自由度，而每个手指用四台电动机驱动，各电动机根据安装在手腕部分的张力传感器和电动机侧的位置传感器的输出同时控制钢丝绳的张力和位置。它与一个电动机控制一个关节的方法相比，电动机的数量多了一个。但它却没有必要担心钢丝绳会松弛。该手部不需要进行很麻烦的初始张力的调节，但是它也有缺点，那就是各个轴的运动相互之间存在耦合。UtahMIT四指灵巧手各个手指都有4个自由度，除了没有小指以外，其结构是非常接近于人手的。图4-57是为驱动手指而开发的压力控制型双重结构气 压式驱动器的外形图和原理图。图 4-57Utah/M.I.T手部的驱动器a） 外形图 b）原理图每个手指关节用两个驱动器控制。每个驱动器的控制是以力伺服控制为基础，通过图4-58所示安装在手部手腕部分的张力传感器的输出反馈而构成的。另外各个手指关节处还装有特殊试制的利用霍尔效应元件的角度变化传感器(图4-59)。这个传感器的线形度在095范围为5。开发这个手部不仅为了用于特定作业，而且希望能作为通用型手部末端执行器来进行各种各样的实验。图 4-58安装在手腕处的张力传感器图 4-59使用霍尔效应的关节角度传感器 第3节 机器人检测控制系统机器人因其执行的主功能不同，品种多样，为其服务的检测控制系统的组成也千差万别。下面将分别介绍各种不同类型机器人的检测控制系统。 一、爬壁清洗机器人测控系统简介爬壁清洗作业要求控制系统工作可靠，体积小、重量轻，并能随时移动。 1.控制系统方案 控制系统采用二级微机控制方式，如图5-5所示。其中上位机由AST-486微型计算机系统担任，它主要完成机器人实时行走路径规划、实时动画监视、控制命令产生、人机通信等任务。下位机采用日本RORZE公司的步进控制驱动系统，它主要完成行走机构的各动作控制。上下位机之间通信既可采用射频无线形式，也可采用电缆传输方式，实现数据和命令的交换。图5-5 制系统简图 2.控制系统硬件组成 下位机系统是RORZE系列新型步进控制和驱动系统，该系统由多模块组成。包括输入输出主控器、步进电机驱动器、主控连接器等。其特点是体积小、重量轻、抗振动、防湿性好、可靠性高。图5-6示出了系统硬件配置及通信联系。图5-6 统硬件配置及通信联系 3. 控制系统软件方案 控制软件按照模块化原则设计，由五大模块构成：环境模块生成模块、离线仿真模块、在线控制模块、实时图形显示模块和故障停机处理模块。由于上、下位机的信息交换采用查询方式，上位机在任意时刻都需查询下位机系统的状态，故各模块之间既相互独立，又有着信息传递关系，各控制软件模块的详细机构如图5-7所示 图5-7 制系统软件的模块组成 4. 感知系统 SR-IV型壁面行走机器人的工作环境是高层壁面。玻璃面间连接处的窗框，偶尔开启的窗户将成为机器人行走的障碍。另外，由于机械传动误差及机械变形引起行走时的运动误差和自身姿态偏差，以及由此引起的累积，若不设法检测和校正将严重影响由路径规划形成的任务的完成。因此自身状态和环境状态的感知系统显得尤其重要，有了它们，才能提高机器人的智能化水平。SRIV型壁面行走机器人使用的内部传感器是光电编码器，电子气泡水平姿态仪和行程开关等。外部传感器有光电位置传感器、CCD摄像机等。2、 上下料机器人检测系统简介对于上下料机器人，要求机器人要有可靠的动作和精度，以保证主动能的实现，根据不同的测控任务要求，可有各种传感器适用于这种控制系统。下文介绍机器人常用传感器。机器人传感器可以分为内部和外部两类。所谓内部传感器是完成机器人运动所必需的那些传感器，如位置、速度传感器等。外部传感器取决于机器人所完成的任务，需要与工件有接触的一些作业，如打磨、装配等就需要有力（腕力）传感器。常用的外部传感器有力觉传感器、触觉传感器、接近传感器、视觉传感器等。上下料机机器人一般执行搬运任务，目前尚不具有感觉能力，它们只能在指定的位置上拾取确定的零件，因此常用行程开关和接近觉传感器。在机器人拾取零件以前，除了需要给机器人定位以外，还需要采用某种辅助设备或工艺措施，把被拾取的零件准确定位和定向，这就使得加工工序或设备更加复杂。如果搬运机器人具有感觉力，就会改善这种状况。搬运机器人所需要的感觉能力有视觉、触觉和力觉等。视觉系统主要用于被拾取零件的粗定位，使机器人能够根据需要，寻找应该拾取的零件，并把该零件的大致位置告诉机器人。触觉传感器的作用包括三个方面：感知被拾取零件的存在，确定该零件的准确位置，确定该零件的方向。触觉传感器有助于机器人更加可靠地拾取零件。力觉传感器主要用于控制搬运机器人的夹持力，防止机器人手爪损坏被拾取的零件。1. 行程开关 行程开关又称限位开关，主要用于将机械位移转变为电信号，控制驱动电动机的运行状态，或控制有关电磁阀的动作，从而实现机器人的定位或进行行程控制。行程开关由微型开关、操作机构（撞头、推杆）及外壳组成，通常是将它与固定式或可调式挡块配合使用，利用装在机器人运动部件上的挡块，触动操作机构，使微型开关触头闭合或断开。2.接近觉传感器 接近觉传感器通常只有二值输出，表明在一规定的距离范围内是否有物体存在。一般地说，接近觉传感器主要用于物体抓取或避障这类近距离工作场合。下面将介绍几种基本的接近觉传感方法并讨论这类传感器的基本工作特性。（1）感应传感器 使用得最为广泛的工业接近觉传感器靠的是金属物体引起电感的变化。这种传感器的原理可用图5-8和图5-9解释。图5-8a所示为一感应传感器的原理图，其组成部分包括放在一简单框架内的永久磁铁以及靠近该磁铁的绕制的线圈。当传感器接近一铁磁铁时将引起永久磁铁磁力线形状发生变化，具有情形如图5-8b和c所示。在静止状态下，没有磁通量的变化，因此在线圈中没有感应电流。但当磁铁靠近或远离磁场时，所引起的磁通量的变化将感应一个电流脉冲，其幅值和形状正比于磁通的变化率。 图5-8 应传感器原理a）感应传感器 b）未出现铁磁体时磁力线的形状1磁铁 2外壳 3线圈 4树脂 5连接器 1线圈 2磁铁 3磁通线c）当一铁磁体接近传感器时磁力线的形状1钢或铁体 2磁通线在线圈的输出端观测到的电压波形可以作为接近觉传感的有效信息。图5-9a说明了在线圈两端所测量的电压是如何随着铁磁铁进入磁场的速度而变化的。传感器输出地电压极性取决于物体进入磁场还是离开磁场。图5-9b给出的是电压幅值与传感器及物体间距离的关系。图5-9 应传感器对速度及距离的响应a）对速度的响应 b）对于距离的响应由图中可以看出，随着距离的增加，灵敏度急剧下降，传感器的有效作用距离仅为几分之一毫米。因为这种传感器只有在存在相对运动时才会产生输出波形，因此对输出波形积分便可产生二值信号。当积分值小于一特定的阈值时，二值输出为低电平；当超过该阈值时，二值输出为高电平（表示接近某一物体）。（2） 霍尔效应传感器 霍尔效应指的是磁场中的导体或半导体材料二点间会产生电压。当霍尔传感器本身单独使用时，只能检测有磁性物体。然而，当永久磁体与图5-10所示的结构形式联合使用时，可以用来检测所有的铁磁物体。在这种情况下，若在该器件附近没有铁磁物体（图5-10a），则霍尔效应器件感受到一个强大磁场。当一铁磁物体靠近该器件时，由于磁力线被铁磁物体旁路（如图5-10b所示），传感器感受的磁场将减弱。霍尔效应传感器的工作依赖作用于在磁场中运动的带电粒子上的洛伦兹力。该力作用在由带电粒子的运动方向和磁场方向形成平面的垂直轴线上，即洛伦兹力，可表示为。其中q为电荷，v为速度矢量，B为磁场矢量，而“”表示矢量叉乘。假定电流通过置于磁场中渗杂n型半导体（如图5-11所示）。在n型半导体中，电子是多数载流子，因此电流方向应与电子运动方向相反，由此可知，作用在载有负电荷的运动粒子上的力将具有图5-11所示的反向。这个力作用在电子上，使得电子汇聚在物体的底部，因此在物体上产生一电压，顶部为正。若将铁磁体靠近这个半导体和磁铁组成的器件，将会使磁场强度降低，因而使洛伦兹力下降，使半导体两端的电压也减小。这种电压的降低是霍尔传感器感知接近程度的关键，对传感器设置一电压阈值便可以做出是否有物体存在的二值判定。 图5-10 尔效应传感器与永久 图5-11 尔电压的产生磁铁组合使用的工作原理 1通常电流 2电子流1霍尔效应传感器 2磁铁体需要指出的是，使用半导体（例如硅）有若干优点，例如体积小、耐用、抗电气干扰性好等。此外，使用半导体材料可以把用于放大和检测的电路直接集成在传感器上，减少传感器的体积，降低成本。(3)电容传感器 与只能检测铁磁材料的感应型和霍尔传感器不同，电容传感器能够（具有不同的灵敏度）检测所有固体和液体材料。正如名字本身所表示的那样，电容传感器工作的基础在于检测物体表面靠近传感器元件引起的电容变化。图5-12所示为电容传感器的基本构成。敏感元件为一电容器，它由传感电极和参考电极组成。举例来说，可以利用一个金属盘和一个金属环并在二者中间加入绝缘材料构成这种电容器。通常在电容元件后面放置干燥空气腔体作为隔离。传感器的组成部分还包括电路，它可以作为器件的一部分，用树脂封装在传感器内。图5-12 电容接近觉传感器1参考电极 2敏感电极 3电介质 4干燥空气 5密封树脂 6外壳 7印制电路 根据电容的变化检测接近程度的电子学方法有若干种。其中最简单的一种是将电容器作为振荡电路的一部分，设计成只有在传感器的电容值超过某一预定阈值时才产生振荡。然后，将其转换成一个输出电压，用以表示物体的出现。这种方法给出二值输出，其触发灵敏度取决于阈值。 另一种较复杂的方法把