全面解读工业机器人基本主要构成部分

来源：半岛在线登录官网    发布时间：2024-07-21 04:27:57

  广泛使用在产业制造上，汽车制造、电器、食品等，能替代反复机器式操纵工作，是靠本身动力和控制才能来实现种种功用的一种机器。它可承受人类指挥，也能够按照事先编排的程序运转。今天我们讲讲基本主要构成部分。

  主体机械即机座和实行机构，包括大臂、小臂、腕部和手部，构成的多自由度的机械系统。有的机器人另有行路机构。工业机器人有6个自由度乃至更多腕部通俗有1～3个活动自由度。

  工业机器人的驱动系统，按动力源分为液压，气动和电动三大类。依照需求也可由这三种范例组合并复合式的驱动系统。或者通过同步带、轮系、齿轮等物理运动机构来间接驱动。驱动系统有动力装置和传动机构，用以实行机构发生相应的动作，这三类根本驱动系统的各有特点，现在主流的是电动驱动系统。 由于低惯量，大转矩交、直流伺服电机及其配套的伺服驱动器(交换变频器、直流脉冲宽度调制器)的普遍接纳。这类系统不需能量转换，运用方便，控制灵敏。大多数电机后面需安装精细的传动机构：减速器。其齿运用齿轮的速率转换器，将电机的反转数减速到所要的反转数，并得到较大转矩的装置，以此来降低转速，添加转矩,当负载较大时，一味提升伺服电机的功率是很不划算的，能够在适宜的速率范畴内通过减速器来进步输出扭矩。伺服电机在低频运转下容易发热和出现低频振动，长时间和重复性的工作不利于确保其准确性、牢靠地运转。精细减速电机的存在使伺服电机在一个适宜的速率下运转，加强机器体刚性的同时输出更大的力矩。如今主流的减速器有两种：谐波减速器和RV减速

  机器人控制管理系统是机器人的大脑，是决定机器人功用和功能的主要要素。控制管理系统是按照输入的程序对驱动系统和实行机构收回指令信号，并来控制。工业机器人控制技术的主要任务便是控制工业机器人在工作空间中的活动范围、姿势和轨迹、动作的时间等。具有编程简单、软件菜单操纵、友好的人机交互界面、在线操纵提示和运用方便等特点。控制器系统是机器人的中心，外国有关公司对我国实验紧密封闭。连年来随微电子技术的开展，微处置器的功能慢慢的升高，而价钱则越来越便宜，现在市集上曾经出现了1-2美金的32位微处置器。

  高性价比的微处置器为机器人控制器带来了新的开展机会，使开辟低本钱、高功能的机器人控制器成为可能。为了使系统具有充足的运算与存储能力，现在机器人控制器多接纳较强的ARM系列、DSP系列、POWERPC系列、Intel系列等芯片构成。 由于已有的通用芯片功用及功能上不可以完全满足有些机器人系统在价钱、功能、集成度和接口等方面的要求，这就萌生了机器人系统对SoC（Systemon Chip）技能的需求，将特定的处置器与所需求的接口集成在一同，可简化系统外围电路的设计，减少系统尺寸，并低低成本。比方，Actel公司将NEOS或ARM7的处置器内核集成在其上，构成了一个完整的SoC系统。在机器人技术控制器方面，其研讨主要会合在美国和日本，并有成熟的成品，如美国DELTATAU公司、日本朋立株式会社等。其运动控制器以DSP技术为核心，采用基于PC的开放式结构。

  它是内部传感器模块和外部传感器模块的构成，获取内部和外部的环境状态中有意义的信息。 内部传感器：用来检测机器人本身状态（如手臂间的角度）的传感器，多为检测位置和角度的传感器。具体有：位置传感器、位置传感器、角度传感器等。 外部传感器：用来检测机器人所处环境（如检测物体，距离物体的距离）及状况（如检测抓取的物体是否滑落）的传感器。具体有距离传感器、视觉传感器、力觉传感器等。智能传感系统的使用提高了机器人的机动性，实用性和智能化的标准，人类的感知系统对外部世界信息是机器人灵巧的，然而，对于一些特许的信息，传感器比人的系统更加有效。

  末端执行器连接在机械手最后一个关节上的部件，它一般用来抓取物体，与其他机构连接并执行需要的任务。机器人制造上一般不设计或出售末端执行器，多数情况下，他们只提供一个简单的抓持器。通常末端执行器安装在机器人6轴的法兰盘上以完成给定环境中的任务，如焊接，喷漆，涂胶以及零件装卸等就是需要机器人来完成的任务。

  伺服驱动器又称为“伺服控制器”、“伺服放大器”，是用来控制伺服电机的一种控制器，其作用类似于变频器作用于普通交流马达，属于伺服系统的一部分。一般是通过位置、速度和力矩三种方式对伺服电机来控制，实现高精度的传动系统定位。

  分为直流和交流伺服电动机两大类，交流伺服电动机又分为异步伺服电动机和同步伺服电动机，目前交流系统正在逐渐代替直流系统。与直流系统相比，交流伺服电机具有高可靠性、散热好、转动惯量小、能工作于高压状态下等优点。因为无电刷和转向器，故交流私服系统也成为无刷伺服系统，用于其中的电机是无刷结构的笼型异步电机和永磁同步型电机。 1）直流伺服电机分为有刷和无刷电机①有刷电机成本低，结构相对比较简单，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，要维护，但维护方便（换碳刷），产生电磁干扰，对使用环境有要求，通常用于对成本敏感的普通工业和民用场合； ②无刷电机体积小重量轻，出力大响应快，速度高惯量小，力矩稳定转动平滑，控制复杂，智能化，电子换相方式灵活，可以方波或正弦波换相，电机免维护，高效率节约能源，电磁辐射小，温升低寿命长，适用于各种环境。

  1）直流伺服电机的优点和缺点 优点：速度控制精确，转矩速度特性很硬，控制原理简单，使用起来更便捷，价格实惠公道。 缺点：电刷换向，速度限制，附加阻力，产生磨损微粒（无尘易爆环境不宜） 2）交流伺服电机的优点和缺点 优点：速度控制特性良好，在整个速度区内可实现平滑控制，几乎无振荡，90%以上的高效率，发热少，高速控制，高精确度位置控制（取决于编码器精度），额定运行区域内，可实现恒力矩，惯量低，低噪音，无电刷磨损，免维护（适用于无尘、易爆环境）。

  缺点：控制较复杂，驱动器参数需要现场调整PID参数确定，需要更加多的连线。 目前主流的伺服驱动器均采用（DSP）作为控制核心，能轻松实现很复杂的控制算法，实现数字化、网络化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模块（IPM）为核心设计的驱动电路,IPM内部集成了驱动电路,同时具有过电压、过电流、过热、欠压等故障检验测试保护电路,在主回路中还加入软启动电路,以减小启动过程对驱动器的冲击。功率驱动单元首先通过三相全桥整流电路对输入的三相电或者市电进行整流，得到相应的直流电。经过整流好的三相电或市电，再通过三相正弦PWM电压型逆变器变频来驱动三相永磁式同步交流伺服电机。功率驱动单元的整一个完整的过程可以简单的说就是ACDC-AC的过程。整流单元（AC-DC）主要的拓扑电路是三相全桥不控整流电路。

  端子。伺服电机输出U、V、W切记绝对不可以与主电路电源连接，有可能烧毁驱动器。CN1端口大多数都用在上位机控制器的连接，提供输入、输出、编码器ABZ三相输出、各种监控信号的模拟量输出。 2. 编码器接线

  机器人对关节驱动电机的要求很严格，交流伺服电机在工业机器人中得到普遍应用。目前国内高端市场主要被国外名企占据，大多数来源于日本和欧美，未来国产替代空间大。目前国外品牌

  松下、三菱电机、安川、三洋、富士等，其产品特点是技术和性能水平比较符合中国用户的需求，以良好的性价比和较高的可靠性获得了稳定且持续的客户源，在中小型OEM市场上尤其具有垄断优势。 精密减速器   最近看了一则新闻：机器人产业要破除“卡脖子”难题，感触挺深。随着人力成本的提高，工业机器人替换人已成为趋势。工业机器人作为人机一体化智能系统的基石，但核心零部件却制约着我国机器人产业的发展，据相关调查显示目前国内机器人减速器普通依赖进口。机器人产业在中国要成气候，必须下决心解决核心零部件的问题。

  ica Drive（哈默纳科），业界俗称（RV减速器和谐波减器）。他们几乎垄断了全球的机器人用减速器。这两种减速器都是微米级的加工精度，光这一条在量产阶段可靠性高就很难了，更别说几千转的高速运转，而且还要高寿命。目前市面上的大量应用在工业机器人上的减速器主要有两类：RV减速器和谐波减速器。RV减速器：是少齿差啮合，但相对于谐波减速器，RV减速器通常用的是摆线针轮，RV减速器由摆线针轮和行星支架组成。相比谐波减速器，RV减速器的重点是加工工艺和装配工艺。RV减速器具有更高的疲劳强度、刚度和寿命，不像谐波传动那样随着使用时间增长，运动精度会明显降低，其缺点是重量重，外观尺寸较大。RV减速器用于转矩大的机器人腿部腰部和肘部三个关节，负载大的工业机器人，一二三轴都是用RV减速器。 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明显降低，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。

  RV减速器分解图   谐波减速器：用的也是少齿差啮合，谐波里的一种关键齿轮是柔性的，它需要反复的高速变形，所以它比较脆弱，承载力和寿命都有限。 谐波减速器是谐波传动装置的一种，谐波传动装置包含谐波加速器和谐波减速器。谐波减速器最重要的包含：刚轮、柔轮、和径向变形的波发生器三者组成。它是利用柔性齿轮产生可控制的弹性变形波，引起刚轮与柔轮的齿间相对错齿来传递动力和运动。这种传动与一般的齿轮传递具有本质上的差别，在啮合理论、集合计算和结构设计方面具有特殊性。谐波齿轮减速器具有高精度、高承载力等优点，和普通减速器相比，由于使用的材料要少50%，其体积及重量至少减少1/3。所以谐波减速机主用于小型机器人，特点是体积小、重量轻、承载能力大、运动精度高，单级传动比大。通常用于负载小的工业机器人或大型机器人末端几个轴。

  谐波减速器分解图   日本纳博特斯克公司从1980年代初提出RV型设计到1986年RV减速器研究获得实质性突破，花了6-7年时间；而国内率先拿出结果的南通振康和恒丰泰花费时间也为6-8年。是不是意味着我国本土企业就没什么机会了呢！可喜的是中国企业布局若干年后，终于取得一些突破。国产主要由南通振康、秦川机床、武汉精华、浙江恒丰泰和浙江双环传动提供。据说南通振康产量已经突破万台，秦川机床生产线已经打通，产量正在慢慢地上升。秦川机床的是国家进口替代项目，秦川机床9万套工业机器人关节减速器技术改造项目、工业机器人关节减速器生产线亿元。 控制管理系统   机器人控制管理系统是机器人的大脑，是决定机器人功用和功能的主要要素。控制系统是按照输入的程序对驱动系统和实行机构收回指令信号，并来控制。下面文章主要介绍机器人控制管理系统。

  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：力控制、位置控制、混合控制这三种。 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制、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、

  硬件配置及结构 .电气硬件 .软件架构 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，目前市面上机器人控制管理系统在结构上大部分采用分层结构的微型计算机控制系统，一般会用的是两级计算机伺服控制系统。

  2）基于PLC的运动控制 两种控制方式： ①利用PLC的输出端口使用脉冲指令来产生脉冲驱动电机，同时使用通用I/O或者计数零部件来实现伺服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，这样的形式主要是以发高速脉冲控制，属于位置控制方式，位置控制一般都是点到点的位置控制方式较多。 机器人重要参数

  1、自由度   是指机器人具有的独立运动的坐标轴数量。   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量。机器人的自由度数一般等于关节数量。   常见机器人自由度数一般有5～6个。有些机器人还附带有外部轴。   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。

  4、速度   机器人在工作过程中带载荷条件下、匀速运动过程时，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、工作负载   是指机器人手腕前端安装负荷在工作范围内任何位置上所能承受的最大重量，一般用质量、力矩、惯性矩表示。   还和工作速度和加速度大小等参数有关，工作负载一般用高速运行时机器人所能抓取的工件重量作为负载承受能力为指标。   搬运机器人的负荷重量，一定要考虑抓手和工件的合计。

  是指机器人可以在一定程度上完成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性。比如你要求一个轴走 100 mm 结果 第一次 实际上他走了 100.01 重复一次同样的动作 他走了99.99 这之间的误差 0.02 就是重复定位精度。它是衡量一列误差值的集中程度，即重复度。机器人精度机不单取决与关节减速机及传动装置，且对机械装配工艺存在很大关系，很多由于装配不到位导致机器人重复定位精度下降。

  视觉为核心，将机械、气动、运动控制、变频调速、PLC控制技术有机地进行整合，结构

  目录概述行走轴模型拆分行走轴模型导入仿真软件创建行走轴机械装置外部轴配置向导插件安装虚拟

  联合会（International Federation of Robotics；简称IFR）定义，

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  以压缩空气来驱动操作机，其优点是空气来源方便，动作迅速，结构相对比较简单造价低，无污染，缺点是空气具有可压缩性，导致工作速度的稳定性较差，又因气源压力一般只有6kPa左右

  ），抓取重达一吨的物体，伸展也可达三四米。这样的性能虽不一定可以轻易完成苹果手机上一些“疯狂”的加工要求，但对绝大

  等部门中，完成对身体有害物料的搬运或工艺操作。据了解，应用在工程机械制造领域的

  开展焊接技术培养和训练，可满足学生动手能力的强化训练，还可作为高级工、技师能力提升的实训设备，能为解决在

  技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。

  一般由主构架（手臂）、手腕、驱动系统、测量系统、控制器及传感器等组成。 1图是

  为了追求纤细紧凑的外表，采用了将4、5、6三轴电机内置在小臂内部的方式。其实就传统

  的差别在于5轴和6轴的布置方式，外资品牌借助于深厚的设计功底和强大的定制能力，普遍采用齿轮或者

  》，蒋刚编著的。无论新手老手，相信都能用得上。 随机械、电子、控制理论与技术的快速发展，

  不同于其他机电设施，是一种实现某种工艺过程的柔性平台，工艺种类完全由其所安装的末端执行器和配套的周边设备决定。对于基础教学

  效率;（3）进步产品质量；（4）削减生产的全部过程的原材料、能源损耗。众所周知，

  总体任务进度的中央处理器发出位置变化请求时开始的。导航系统通过制定行程计划或轨迹以开始执行位置变化请求。行程计划需考虑可用路径、已知障碍位置、

  有以下目的：用以代替人类从事危险、有害和恶劣环境、超净环境下的工作；把

  的常见机械系统，对其机座、臂部、腕部、末端执行器及传动机构均做了比较详细的介绍；第3章

  可以在高速运行时承担较高负载，非常适用于需要更大工作范围或更高有效负载同时拥高速度、低价格的应用。

  是动作功能)、有独立的控制管理系统、能改变工作程序和编程的多用途自动操作装置。

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