工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)與技術(shù)參數(shù)

工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)與技術(shù)參數(shù)工業(yè)機(jī)器人是集機(jī)械、電子、控制、計算機(jī)、傳感器、人工智能等多學(xué)科先進(jìn)技術(shù)于一體的現(xiàn)代制造業(yè)重要的自動化裝備。自從1962年美國研制出世界上第一臺工業(yè)機(jī)器人以來，機(jī)器人技術(shù)及其產(chǎn)品發(fā)展不久，已成為柔性制造系統(tǒng)(FMS)、自動化工廠(FA)、計算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)的自動化工具。廣泛采用工業(yè)機(jī)器人，不僅可提高產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)量，并且對保障人身安全，改善勞動環(huán)境，減輕勞動強(qiáng)度，提高勞動生產(chǎn)率，節(jié)約原材料消耗以及減少生產(chǎn)成本，有著十分重要的意義。和計算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)同樣，工業(yè)機(jī)器人的廣泛應(yīng)用正在日益改變著人類的生產(chǎn)和生活方式。一、常用運(yùn)動學(xué)構(gòu)形1、笛卡爾操作臂優(yōu)點(diǎn)：很容易通過計算機(jī)控制實現(xiàn)，容易達(dá)成高精度。缺陷：妨礙工作,且占地面積大,運(yùn)動速度低,密封性不好。①焊接、搬運(yùn)、上下料、包裝、碼垛、拆垛、檢測、探傷、分類、裝配、貼標(biāo)、噴碼、打碼、(軟仿型)噴涂、目的跟隨、排爆等一系列工作。②特別合用于多品種，便批量的柔性化作業(yè)，對于穩(wěn)定，提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高勞動生產(chǎn)率，改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代有著十分重要的作用。2、鉸鏈型操作臂(關(guān)節(jié)型)關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)全都是旋轉(zhuǎn)的，類似于人的手臂,工業(yè)機(jī)器人中最常見的結(jié)構(gòu)。它的工作范圍較為復(fù)雜。①汽車零配件、模具、鈑金件、塑料制品、運(yùn)動器材、玻璃制品、陶瓷、航空等的快速檢測及產(chǎn)品開發(fā)。②車身裝配、通用機(jī)械裝配等制造質(zhì)量控制等的三坐標(biāo)測量及誤差檢測。③古董、藝術(shù)品、雕塑、卡通人物造型、人像制品等的快速原型制作。④汽車整車現(xiàn)場測量和檢測。⑤人體形狀測量、骨骼等醫(yī)療器材制作、人體外形制作、醫(yī)學(xué)整容等。3、SCARA操作臂SCARA機(jī)器人常用于裝配作業(yè),最顯著的特點(diǎn)是它們在x-y平面上的運(yùn)動具有較大的柔性,而沿z軸具有很強(qiáng)的剛性,所以,它具有選擇性的柔性。這種機(jī)器人在裝配作業(yè)中獲得了較好的應(yīng)用。①大量用于裝配印刷電路板和電子零部件②搬動和取放物件，如集成電路板等③廣泛應(yīng)用于塑料工業(yè)、汽車工業(yè)、電子產(chǎn)品工業(yè)、藥品工業(yè)和食品工業(yè)等領(lǐng)域.④搬取零件和裝配工作。4、球面坐標(biāo)型操作臂特點(diǎn)：中心支架附近的工作范圍大,兩個轉(zhuǎn)動驅(qū)動裝置容易密封,覆蓋工作空間較大。但該坐標(biāo)復(fù)雜,難于控制,且直線驅(qū)動裝置存在密封的問題。5、圓柱面坐標(biāo)型操作臂優(yōu)點(diǎn)：且計算簡樸;直線部分可采用液壓驅(qū)動,可輸出較大的動力;可以伸入型腔式機(jī)器內(nèi)部。缺陷：它的手臂可以到達(dá)的空間受到限制,不能到達(dá)近立柱或近地面的空間;直線驅(qū)動部分難以密封、防塵;后臂工作時,手臂后端會碰到工作范圍內(nèi)的其它物體。6、冗余機(jī)構(gòu)通?？臻g定位需要6個自由度，運(yùn)用附加的關(guān)節(jié)可以幫助機(jī)構(gòu)避開奇異位形。下圖為7自由度操作臂位形7、閉環(huán)結(jié)構(gòu)閉環(huán)結(jié)構(gòu)可以提高機(jī)構(gòu)剛度，但會減小關(guān)節(jié)運(yùn)動范圍，工作空間有一定減小。①運(yùn)動模擬器;②并聯(lián)機(jī)床;③微操作機(jī)器人;④力傳感器;⑤生物醫(yī)學(xué)工程中的細(xì)胞操作機(jī)器人、可實現(xiàn)細(xì)胞的注射和分割;⑥微外科手術(shù)機(jī)器人;⑦大型射電天文望遠(yuǎn)鏡的姿態(tài)調(diào)整裝置;⑧混聯(lián)裝備等，如SMT公司的Tricept混聯(lián)機(jī)械手模塊是基于并聯(lián)機(jī)構(gòu)單元的模塊化設(shè)計的成功典范。工業(yè)機(jī)器人的幾種常用結(jié)構(gòu)形式(圖)二、機(jī)器人的重要技術(shù)參數(shù)機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)反映了機(jī)器人可勝任的工作、具有的最高操作性能等情況，是設(shè)計、應(yīng)用機(jī)器人必須考慮的問題。機(jī)器人的重要技術(shù)參數(shù)有自由度、分辨率、工作空間、工作速度、工作載荷等。1、自由度機(jī)器人具有的獨(dú)立坐標(biāo)軸運(yùn)動的數(shù)目。機(jī)器人的自由度是指擬定機(jī)器人手部在空間的位置和姿態(tài)時所需要的獨(dú)立運(yùn)動參數(shù)的數(shù)目。手指的開、合，以及手指關(guān)節(jié)的自由度一般不涉及在內(nèi)。.機(jī)器人的自由度數(shù)一般等于關(guān)節(jié)數(shù)目。機(jī)器人常用的自由度數(shù)一般不超過5～6個。2、關(guān)節(jié)(Joint)即運(yùn)動副，允許機(jī)器人手臂各零件之間發(fā)生相對運(yùn)動的機(jī)構(gòu)。3、工作空間機(jī)器人手臂或手部安裝點(diǎn)所能達(dá)成的所有空間區(qū)域。其形狀取決于機(jī)器人的自由度數(shù)和各運(yùn)動關(guān)節(jié)的類型與配置。機(jī)器人的工作空間通常用圖解法和解析法兩種方法進(jìn)行表達(dá)。4、工作速度機(jī)器人在工作載荷條件下、勻速運(yùn)動過程中，機(jī)械接口中心或工具中心點(diǎn)在單位時間內(nèi)所移動的距離或轉(zhuǎn)動的角度。5、工作載荷指機(jī)器人在工作范圍內(nèi)任何位置上所能承受的最大負(fù)載，一般用質(zhì)量、力矩、慣性矩表達(dá)。還和運(yùn)營速度和加速度大小方向有關(guān)，一般規(guī)定高速運(yùn)營時所能抓取的工件重量作為承載能力指標(biāo)。6、分辨率可以實現(xiàn)的最小移動距離或最小轉(zhuǎn)動角度。7、精度反復(fù)性或反復(fù)定位精度：指機(jī)器人反復(fù)到達(dá)某一目的位置的差異限度。或在相同的位置指令下，機(jī)器人連續(xù)反復(fù)若干次其位置的分散情況。它是衡量一列誤差值的密集限度，即反復(fù)度。三、機(jī)器人常用材料1)碳素結(jié)構(gòu)鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼這類材料強(qiáng)度好，特別是合金結(jié)構(gòu)鋼，其強(qiáng)度增大了4～5倍，彈性模量E大，抗變形能力強(qiáng)，是應(yīng)用最廣泛的材料。2)鋁、鋁合金及其他輕合金材料這類材料的共同特點(diǎn)是重量輕，彈性模量E并不大，但是材料密度小，故E/ρ之比仍可與鋼材相比。有些稀貴鋁合金的品質(zhì)得到了更明顯的改善，例如添加3.2%(重量比例)鋰的鋁合金，彈性模量增長了14%，E/ρ比增長了16%。3)纖維增強(qiáng)合金這類合金如硼纖維增強(qiáng)鋁合金、石墨纖維增強(qiáng)鎂合金等，其E/ρ比分別達(dá)成11.4×107和8.9×107。這種纖維增強(qiáng)金屬材料具有非常高的E/ρ比，但價格昂貴。4)陶瓷陶瓷材料具有良好的品質(zhì)，但是脆性大，不易加工，日本已經(jīng)試制了在小型高精度機(jī)器人上使用的陶瓷機(jī)器人臂樣品。5)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料這類材料具有極好的E/ρ比，并且還具有十分突出的大阻尼的優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)金屬材料不也許具有這么大的阻尼，所以在高速機(jī)器人上應(yīng)用復(fù)合材料的實例越來越多。6)粘彈性大阻尼材料增大機(jī)器人連桿件的阻尼是改善機(jī)器人動態(tài)特性的有效方法。目前有許多方法用來增長結(jié)構(gòu)件材料的阻尼，其中最適合機(jī)器人采用的一種方法是用粘彈性大阻尼材料對原構(gòu)件進(jìn)行約束層阻尼解決。四、機(jī)器人重要結(jié)構(gòu)㈠、機(jī)器人驅(qū)動裝置概念：要使機(jī)器人運(yùn)營起來,需給各個關(guān)節(jié)即每個運(yùn)動自由度安頓傳動裝置作用：提供機(jī)器人各部位、各關(guān)節(jié)動作的原動力。驅(qū)動系統(tǒng)：可以是液壓傳動、氣動傳動、電動傳動,或者把它們結(jié)合起來應(yīng)用的綜合系統(tǒng);可以是直接驅(qū)動或者是通過同步帶、鏈條、輪系、諧波齒輪等機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)進(jìn)行間接驅(qū)動。1、電動驅(qū)動裝置電動驅(qū)動裝置的能源簡樸，速度變化范圍大，效率高，速度和位置精度都很高。但它們多與減速裝置相聯(lián)，直接驅(qū)動比較困難。電動驅(qū)動裝置又可分為直流(DC)、交流(AC)伺服電機(jī)驅(qū)動和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動。直流伺服電機(jī)電刷易磨損，且易形成火花。無刷直流電機(jī)也得到了越來越廣泛的應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動多為開環(huán)控制，控制簡樸但功率不大，多用于低精度小功率機(jī)器人系統(tǒng)。電動上電運(yùn)營前要作如下檢查：1)電源電壓是否合適(過壓很也許導(dǎo)致驅(qū)動模塊的損壞);對于直流輸入的+/-極性一定不能接錯，驅(qū)動控制器上的電機(jī)型號或電流設(shè)定值是否合適(開始時不要太大);2)控制信號線接牢固，工業(yè)現(xiàn)場最佳要考慮屏蔽問題(如采用雙絞線);3)不要開始時就把需要接的線全接上，只連成最基本的系統(tǒng)，運(yùn)營良好后，再逐步連接。4)一定要搞清楚接地方法，還是采用浮空不接。5)開始運(yùn)營的半小時內(nèi)要密切觀測電機(jī)的狀態(tài)，如運(yùn)動是否正常，聲音和溫升情況，發(fā)現(xiàn)問題立即停機(jī)調(diào)整。2、液壓驅(qū)動通過高精度的缸體和活塞來完畢，通過缸體和活塞桿的相對運(yùn)動實現(xiàn)直線運(yùn)動。優(yōu)點(diǎn)：功率大，可省去減速裝置直接與被驅(qū)動的桿件相連，結(jié)構(gòu)緊湊，剛度好，響應(yīng)快，伺服驅(qū)動具有較高的精度。缺陷：需要增設(shè)液壓源，易產(chǎn)生液體泄漏，不適合高、低溫場合，故液壓驅(qū)動目前多用于特大功率的機(jī)器人系統(tǒng)。選擇適合的液壓油。防止固體雜質(zhì)混入液壓系統(tǒng)，防止空氣和水入侵液壓系統(tǒng)。機(jī)械作業(yè)要柔和平順機(jī)械作業(yè)應(yīng)避免粗暴，否則必然產(chǎn)生沖擊負(fù)荷，使機(jī)械故障頻發(fā)，大大縮短使用壽命。要注意氣蝕和溢流噪聲。作業(yè)中要時刻注意液壓泵和溢流閥的聲音，假如液壓泵出現(xiàn)“氣蝕”噪聲，經(jīng)排氣后不能消除，應(yīng)查明因素排除故障后才干使用。保持適宜的油溫。液壓系統(tǒng)的工作溫度一般控制在30～80℃之間為宜。3、氣壓驅(qū)動氣壓驅(qū)動的結(jié)構(gòu)簡樸，清潔，動作靈敏，具有緩沖作用。.但與液壓驅(qū)動裝置相比，功率較小，剛度差，噪音大，速度不易控制，所以多用于精度不高的點(diǎn)位控制機(jī)器人。(1)具有速度快、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡樸，維修方便、價格低等特點(diǎn)。適于在中、小負(fù)荷的機(jī)器人中采用。但因難于實現(xiàn)伺服控制，多用于程序控制的機(jī)械人中，如在上、下料和沖壓機(jī)器人中應(yīng)用較多。(2)在多數(shù)情況下是用于實現(xiàn)兩位式的或有限點(diǎn)位控制的中、小機(jī)器人中的。(3)控制裝置目前多數(shù)選用可編程控制器(PLC控制器)。在易燃、易爆場合下可采用氣動邏輯元件組成控制裝置。㈡、直線傳動機(jī)構(gòu)。傳動裝置是連接動力源和運(yùn)動連桿的關(guān)鍵部分，根據(jù)關(guān)節(jié)形式，常用的傳動機(jī)構(gòu)形式有直線傳動和旋轉(zhuǎn)傳動機(jī)構(gòu)。直線傳動方式可用于直角坐標(biāo)機(jī)器人的X、Y、Z向驅(qū)動，圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)的徑向驅(qū)動和垂直升降驅(qū)動，以及球坐標(biāo)結(jié)構(gòu)的徑向伸縮驅(qū)動。直線運(yùn)動可以通過齒輪齒條、絲杠螺母等傳動元件將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動，也可以有直線驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動，也可以直接由氣缸或液壓缸的活塞產(chǎn)生。1、齒輪齒條裝置通常齒條是固定的。齒輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換成托板的直線運(yùn)動。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡樸。缺陷：回差較大。2、滾珠絲杠在絲杠和螺母的螺旋槽內(nèi)嵌入滾珠，并通過螺母中的導(dǎo)向槽使?jié)L珠能連續(xù)循環(huán)。優(yōu)點(diǎn)：摩擦力小，傳動效率高，無爬行，精度高缺陷：制導(dǎo)致本高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。自鎖問題：理論上滾珠絲杠副也可以自鎖,但是實際應(yīng)用上沒有使用這個自鎖的,因素重要是：可靠性很差，或加工成本很高;由于直徑與導(dǎo)程比非常大，一般都是再加一套蝸輪蝸桿之類的自鎖裝置。㈢、旋轉(zhuǎn)傳動機(jī)構(gòu)采用旋轉(zhuǎn)傳動機(jī)構(gòu)的目的是將電機(jī)的驅(qū)動源輸出的較高轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成較低轉(zhuǎn)速，并獲得較大的力矩。機(jī)器人中應(yīng)用較多的旋轉(zhuǎn)傳動機(jī)構(gòu)有齒輪鏈、同步皮帶和諧波齒輪。1、齒輪鏈(1)轉(zhuǎn)速關(guān)系(2)力矩關(guān)系2、同步皮帶同步帶是具有許多型齒的皮帶，它與同樣具有型齒的同步皮帶輪相嚙合。工作時相稱于柔軟的齒輪。優(yōu)點(diǎn)：無滑動，柔性好，價格便宜，反復(fù)定位精度高。缺陷：具有一定的彈性變形。3、諧波齒輪諧波齒輪由剛性齒輪、諧波發(fā)生器和柔性齒輪三個重要零件組成，一般剛性齒輪固定，諧波發(fā)生器驅(qū)動柔性齒輪旋轉(zhuǎn)。重要特點(diǎn)：(1)、傳動比大，單級為50—300。(2)、傳動平穩(wěn)，承載能力高。(3)、傳動效率高,可達(dá)70%—90%。(4)、傳動精度高,比普通齒輪傳動高3—4倍。(5)、回差小，可小于3’。(6)、不能獲得中間輸出，柔輪剛度較低。諧波傳動裝置在機(jī)器人技術(shù)比較先進(jìn)的國家已得到了廣泛的應(yīng)用。僅就日本來說，機(jī)器人驅(qū)動裝置的60%都采用了諧波傳動。美國送到月球上的機(jī)器人，其各個關(guān)節(jié)部位都采用諧波傳動裝置，其中一只上臂就用了30個諧波傳動機(jī)構(gòu)。前蘇聯(lián)送入月球的移動式機(jī)器人“登月者”，其成對安裝的8個輪子均是用密閉諧波傳動機(jī)構(gòu)單獨(dú)驅(qū)動的。.德國大眾汽車公司研制的ROHREN、GEROTR30型機(jī)器人和法國雷諾公司研制的VERTICAL80型機(jī)器人等都采用了諧波傳動機(jī)構(gòu)。㈣、機(jī)器人傳感系統(tǒng)1、感受系統(tǒng)由內(nèi)部傳感器模塊和外部傳感器模塊組成,用以獲取內(nèi)部和外部環(huán)境狀態(tài)中故意義的信息。2、智能傳感器的使用提高了機(jī)器人的機(jī)動性、適應(yīng)性和智能化的水準(zhǔn)。3、智能傳感器的使用提高了機(jī)器人的機(jī)動性、適應(yīng)性和智能化的水準(zhǔn)。4、對于一些特殊的信息,傳感器比人類的感受系統(tǒng)更有效。㈤、機(jī)器人位置檢測旋轉(zhuǎn)光學(xué)編碼器是最常用的位置反饋裝置。光電探測器把光脈沖轉(zhuǎn)化成二進(jìn)制波形。軸的轉(zhuǎn)角通過計算脈沖數(shù)得到，轉(zhuǎn)動方向由兩個方波信號的相對相位決定。感應(yīng)同步器輸出兩個模擬信號——軸轉(zhuǎn)角的正弦信號和余弦信號。軸的轉(zhuǎn)角由這兩個信號的相對幅值計算得到。感應(yīng)同步器一般比編碼器可靠，但它的分辨率較低。電位計是最直接的位置檢測形式。它連接在電橋中，可以產(chǎn)生與軸轉(zhuǎn)角成正比的電壓信號。但是，由于分辨率低、線性不好以及對噪聲敏感。轉(zhuǎn)速計可以輸出與軸的轉(zhuǎn)速成正比的模擬信號。假如沒有這樣的速度傳感器，可以通過對檢測到的位置相對于時間的差分得到速度反饋信號。㈥、機(jī)器人力檢測力傳感器通常安裝在操作臂下述三個位置：1、安裝在關(guān)節(jié)驅(qū)動器上?？蓽y量驅(qū)動器/減速器自身的力矩或者力的輸出。但不能很好地檢測末端執(zhí)行器與環(huán)境之間的接觸力。2、安裝在末端執(zhí)行器與操作臂的終端關(guān)節(jié)之間，可稱腕力傳感器。通常，可以測量施加于末端執(zhí)行器上的三個到六個力/力矩分量。3、安裝在末端執(zhí)行器的“指尖”上。通常，