2.2 工业机器人

工业机器人是一种装备，是有记忆装置和末端执行装置的、能够完成各种移动或工艺来代替人类劳动的通用机器，如图2.2.1所示。通常在生产中能代替工人做某些单调、频繁和重复的长时间作业，或者是危险、恶劣环境下的作业。

2.2.1 工业机器人技术

工业机器人关键技术如表2.2.1所示。

1．工业机器人的结构和技术参数

工业机器人的几种常用结构形式比较如表2.2.2所示。

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，如表2.2.3所示。

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。它还和运行速度和加速度大小及方向有关，一般规定高速运行时所能抓取的工件质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，是指机器人重复到达某一目标位置的差异程度，或者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。

2．机器人的机械结构

机器人主要组成如图2.2.2所示。工业机器人的核心零部件包括减速器、伺服和控制器。机器人的控制过程是由控制器发指令给伺服驱动，驱动伺服电动机旋转，通过减速机执行动作。其中，技术门槛最高的是减速机，其次是伺服电动机和驱动，再次是控制器。三大核心零部件的减速器、伺服和控制器成本分别占机器人成本的30%～50%、20%～30%、10%～20%。

（1）驱动装置

驱动装置：可以是液压驱动、气压驱动、电驱动，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电驱动装置，多与减速装置相连，直接驱动比较困难。

电驱动装置又可分为直流（DC）、交流（AC）伺服电动机驱动和步进电动机驱动。直流伺服电动机电刷易磨损，且易形成火花。无刷直流电动机得到了越来越广泛的应用。步进电动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。

②液压驱动装置，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。

③气压驱动装置，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，噪声大，速度不易控制，所以多用于精度不高的点位控制机器人。

（2）传动装置

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，常用的传动形式有直线传动和旋转传动。

①直线传动，可用于直角坐标机器人的X、Y、Z方向驱动，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，也可以由直线驱动电动机驱动，还可以直接由汽缸或液压缸的活塞产生。

②旋转传动，采用旋转传动的目的是将电动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的机构有齿轮链、同步皮带和谐波齿轮。

③减速器是工业机器人中成本占比最高，毛利最大，同时难度也是最大的核心零部件，如图2.2.3所示。减速器市场占有率情况：日本的Harmonic Drive公司几乎垄断了整个工业机器人谐波减速器领域，目前全球市场占有率高达80%。

3．机器人的控制系统

控制系统是不同品牌机器人在技术层面的核心竞争力。控制系统硬件部分占机器人本体成本的10%～20%，但软件部分却承担着机器人“大脑”的职责。不同品牌的机器人对零部件的驾驭设计与控制算法，是机器人在技术层面的核心竞争力。

（1）机器人的控制系统概述

“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”是对驱动器输出电压（电动机转速和力矩）的控制。

机器人的控制系统框图如图2.2.4所示。它包括位置控制、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。智能化的控制方式有模糊控制、自适应控制、最优控制、神经网络控制、模糊神经网络控制、专家控制及其他。

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。具体流程如下。

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到伺服控制级计算机，形成局部闭环控制。

（2）编程

示教编程器如图2.2.5所示，示教编程器控制机器人一步步按实际任务操作一遍，机器人在示教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。各家机器人的示教编程器可谓五花八门，操作不一样，编程指令也不一样。目前，大部分机器人应用仍采用示教编程方式，并且主要集中在搬运、码垛、焊接等领域，特点是轨迹简单，但过程烦琐、效率低。

离线编程：软件主要有RobotArt、RobotMaster、RobotWorks、RobotStudio等。

（3）机器人的位置检测

①旋转光学编码器：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。

②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。

③电位计：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，它分辨率低、线性不好及对噪声敏感。

④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。

（4）机器人的力检测

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，可称为腕力传感器。通常，它可以测量施加于末端执行器上的3～6个力/力矩分量。

③安装在末端执行器的“指尖”上。通常，这些带有力觉的手指内置了应变计，可以测量作用在指尖上的1～4个分力。

2.2.2 工业机器人实训

1．拆装实训

首先学习机器人的结构类型，观看六轴机器人工作视频，再了解智能机器人关键技术。按表2.2.4所示的顺序单击按钮，观看动画，拆卸和装配机器人。单击“保存”按钮，记录打分。

2．示教编程实训

进行SCARA搬运机器人和关节型安装机器人的示教编程，如图2.2.6所示。

①在虚拟场景中，操作示教盒（先按功能键，再按移动或旋转键），按表2.2.5所示的顺序，控制机器人运动，记录各轴坐标。

②单击“启动”按钮，按示教程式进行运动仿真，检查示教程式的正确性。

③单击“确定”按钮，存储数据库，并打分。

2.2.3 整机总装机器人应用实训

1．装配工艺流程选择设计

按表2.2.6所示的装配工艺流程顺序正确选择设备，并记录打分。

2．机器人选择

按表2.2.6所示的装配工艺流程顺序正确选择机器人，并记录打分。

3．生产线布置

按表2.26所示的装配工艺流程顺序，拖动框中的功能钮，拖到系统框图的正确方框中，并记录打分。

4．总装线虚拟监控

①人行走在虚拟车间，生产线运行，如图2.2.7所示。

②RFID控制器报警（按表2.2.7所示的步骤顺序报警）。

③漫游找到故障设备，单击进入，按示教盒上的“停止”按钮，停机；再按“启动”按钮，运行。

④退出，再行走。