工業(yè)機器人第4章 工業(yè)機器人的基本結(jié)構(gòu)

工業(yè)機器人的基本結(jié)構(gòu)工業(yè)機器人是一種廣泛應(yīng)用于制造業(yè)的自動化設(shè)備。它們由各種互連的機械部件和電子控制系統(tǒng)組成,具有靈活的運動能力和智能化的控制功能。了解工業(yè)機器人的基本結(jié)構(gòu)特點,有助于更好地設(shè)計和使用這類先進設(shè)備。ＯabyＯＯＯＯＯＯＯＯＯ4.1工業(yè)機器人的組成機械臂:執(zhí)行各種物理操作的手臂裝置,由關(guān)節(jié)和連桿組成。控制系統(tǒng):根據(jù)指令控制機器人動作,包括計算機控制和伺服控制。傳感器:檢測機器人環(huán)境參數(shù)并反饋給控制系統(tǒng),包括位置傳感器、力/力矩傳感器和視覺傳感器。4.1.1機械臂工業(yè)機器人的機械臂是用于完成各種工作任務(wù)的關(guān)鍵部件。它由一系列可旋轉(zhuǎn)的關(guān)節(jié)組成,可實現(xiàn)多自由度的運動,如伸縮、旋轉(zhuǎn)和扭轉(zhuǎn)等動作。通過各個關(guān)節(jié)的精確控制,機械臂可以模仿人類手臂的靈活性,在狹小空間內(nèi)完成復(fù)雜的操作。4.1.2控制系統(tǒng)工業(yè)機器人的控制系統(tǒng)是其"大腦"所在,負(fù)責(zé)對機器人的各個部件進行精確協(xié)調(diào)和控制?？刂葡到y(tǒng)由計算機控制、伺服控制和傳感反饋系統(tǒng)三大組成部分構(gòu)成,能夠?qū)崿F(xiàn)機器人自動化運行和智能化操作。4.1.3傳感器傳感器是工業(yè)機器人不可或缺的重要組成部分。它們用于檢測機器人的位置、速度、力量等相關(guān)信息,為機器人的控制系統(tǒng)提供實時反饋。常見的傳感器包括位置傳感器、力/力矩傳感器和視覺傳感器等。這些傳感器通過電子或機械的方式,將物理量轉(zhuǎn)換為電信號,輸入到控制系統(tǒng)進行處理和分析。執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行機構(gòu)是工業(yè)機器人的核心組件之一,其主要功能是將電、液壓或氣壓能量轉(zhuǎn)換為機械能,從而驅(qū)動機械臂進行各種動作。常見的執(zhí)行機構(gòu)包括夾持器、工具夾持裝置和工件定位裝置等。夾持器用于抓取和固定工件,常見的類型有機械夾持器、磁性夾持器和真空吸盤等。工具夾持裝置可以快速更換端執(zhí)行器,提高工作靈活性。工件定位裝置則用于固定和調(diào)節(jié)工件的位置,確保加工精度。驅(qū)動系統(tǒng)工業(yè)機器人的驅(qū)動系統(tǒng)是指驅(qū)動機械臂各關(guān)節(jié)運動的動力系統(tǒng)。常見的驅(qū)動方式包括電動驅(qū)動、液壓驅(qū)動和氣動驅(qū)動。每種驅(qū)動方式都有其特點和應(yīng)用場景,需要根據(jù)具體的工況和要求進行選擇。機械臂的結(jié)構(gòu)工業(yè)機器人的機械臂通常由多個連桿組成,可實現(xiàn)多自由度運動。機械臂的結(jié)構(gòu)包括關(guān)節(jié)、連桿和末端執(zhí)行器等,通過這些部件實現(xiàn)不同的功能。機械臂的運動范圍和靈活性取決于其結(jié)構(gòu)設(shè)計,如自由度數(shù)量、關(guān)節(jié)類型等。工作空間工業(yè)機器人的工作空間是指機器人末端執(zhí)行器(如機械手)可以到達(dá)的三維區(qū)域。工作空間的大小和形狀取決于機器人的機械結(jié)構(gòu)、自由度以及各個關(guān)節(jié)的運動范圍。工作空間的幾何形狀通常是一個復(fù)雜的立體圖形,受工廠環(huán)境的限制而存在一些局限性。4.2.2自由度軸數(shù)機器人的自由度由其機械臂的軸數(shù)決定。常見的有6軸、7軸等。軸數(shù)越多,意味著機器人的活動范圍和靈活性越強。運動學(xué)每個軸的運動自由度都會影響整個機械臂的工作空間和活動能力。精確的運動學(xué)分析對于確定機器人的自由度至關(guān)重要。幾何結(jié)構(gòu)機械臂的幾何結(jié)構(gòu),如關(guān)節(jié)角度范圍、臂長等,也決定了其自由度。結(jié)構(gòu)設(shè)計時要兼顧自由度、工作空間和負(fù)載能力。4.2.3關(guān)節(jié)類型旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)可以繞一個軸旋轉(zhuǎn)的關(guān)節(jié),常見于機械臂的各個連桿之間。提供可調(diào)節(jié)的角度,讓機械臂能夠?qū)崿F(xiàn)靈活多變的運動。滑動關(guān)節(jié)可沿直線方向移動的關(guān)節(jié),可以實現(xiàn)機械臂的伸縮。通常與旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)配合使用,擴展工作范圍。球面關(guān)節(jié)可在三維空間內(nèi)旋轉(zhuǎn)的球形關(guān)節(jié),允許機械臂在多個方向上自由活動。提供更大的工作空間和靈活性。萬向節(jié)由兩個互相垂直的轉(zhuǎn)軸組成的特殊關(guān)節(jié),能提供兩個自由度,增加了機械臂的靈活性。4.3控制系統(tǒng)的組成計算機控制系統(tǒng)：負(fù)責(zé)運算、邏輯控制、程序控制等功能,是機器人控制的核心部分。伺服控制系統(tǒng)：執(zhí)行具體的位置、速度、加速度控制指令,實現(xiàn)機械臂的精密運動控制。傳感反饋系統(tǒng)：收集機械臂各關(guān)節(jié)的位置、力矩等信息,為控制系統(tǒng)提供反饋數(shù)據(jù)。計算機控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)是工業(yè)機器人的核心部件之一。它負(fù)責(zé)對機器人各部分的運動進行精確的控制和協(xié)調(diào)。該系統(tǒng)由微處理器、存儲器、接口電路等組成,可根據(jù)預(yù)先設(shè)定的程序和傳感器反饋信息,自動或遙控地控制機器人的運動。伺服控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)是工業(yè)機器人的核心部件之一。它通過檢測反饋信號來實時調(diào)整執(zhí)行機構(gòu)的位置、速度和力矩,實現(xiàn)精確的運動控制。伺服控制系統(tǒng)可以高度重復(fù)定位,提高機器人的運行精度和穩(wěn)定性。伺服控制系統(tǒng)包括伺服驅(qū)動器、伺服電機和位置反饋裝置等核心部件,通過閉環(huán)反饋控制實現(xiàn)高精度的運動控制。傳感反饋系統(tǒng)傳感反饋系統(tǒng)是工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的重要組成部分。它通過各種傳感器獲取機器人各關(guān)節(jié)和工具的位置、速度、力等信息,并反饋給控制系統(tǒng),以實現(xiàn)閉環(huán)控制,提高機器人的定位精度和動態(tài)性能。傳感反饋系統(tǒng)包括各種位置傳感器、力/力矩傳感器以及視覺傳感器等,能實時監(jiān)測機器人的運行狀態(tài),為控制系統(tǒng)提供精確的反饋數(shù)據(jù)。4.4傳感器的類型位置傳感器：檢測機械臂關(guān)節(jié)角度或位置的傳感器，如編碼器、光電傳感器等，為機器人運動控制提供反饋信息。力/力矩傳感器：檢測機械臂末端施加的力或力矩的傳感器，用于控制機器人的動作和接觸力。視覺傳感器：為機器人提供視覺信息，通過相機等設(shè)備感知周圍環(huán)境，配合圖像處理算法進行目標(biāo)識別和位置跟蹤。4.4.1位置傳感器位置傳感器是工業(yè)機器人中不可或缺的一類重要傳感器。它們可以精確測量機器人關(guān)節(jié)的位置和角度,為控制系統(tǒng)提供反饋信息,確保機器人能夠精準(zhǔn)地執(zhí)行所需的運動軌跡。常見的位置傳感器包括編碼器、光學(xué)傳感器和磁性傳感器等。它們各有特點,適用于不同的場合。力/力矩傳感器力/力矩傳感器是機器人關(guān)鍵的感知組件之一,用于檢測和測量機械臂的施加力或轉(zhuǎn)矩。這類傳感器通常采用壓縮應(yīng)變或拉伸應(yīng)變的原理,將受力或扭力轉(zhuǎn)換為電信號輸出,為控制系統(tǒng)提供反饋信息。視覺傳感器高分辨率攝像頭工業(yè)機器人通常配備高分辨率的智能攝像頭,可以提供清晰的圖像數(shù)據(jù),用于精確識別和定位物體。3D掃描傳感器3D激光掃描傳感器能快速獲取工件的三維空間信息,為機器人提供精確的位置和形狀數(shù)據(jù)。觸覺傳感器機器人手爪上配備的觸覺傳感器,能感知物體的形狀、質(zhì)地和力度,幫助機器人精準(zhǔn)抓取和操作。4.5執(zhí)行機構(gòu)的分類夾持器：用于抓取和操縱工件的夾持設(shè)備。包括機械夾爪、氣動夾爪和電動夾爪等。工具夾持裝置：可以快速更換不同種類的工具，以執(zhí)行不同的加工或操作任務(wù)。工件定位裝置：用于固定和定位工件,確保工件在加工過程中保持穩(wěn)定和精確的位置。夾持器夾持器是工業(yè)機器人末端執(zhí)行機構(gòu)的一種重要組成部分。它用于抓取和操作各種工件,起到夾持、移動和放置的作用。夾持器通常由夾爪、夾持驅(qū)動機構(gòu)和控制系統(tǒng)組成,能夠根據(jù)工件的形狀和重量進行精確的抓取和放置。工具夾持裝置工業(yè)機器人需要配備精密的工具夾持裝置，以牢固地夾持各種尺寸和形狀的工具。這種夾持裝置采用金屬材質(zhì)制造，具有優(yōu)秀的承載能力和可靠的夾緊效果。精細(xì)的機械設(shè)計確保夾持穩(wěn)定可靠，適用于復(fù)雜的加工任務(wù)。4.5.3工件定位裝置工件定位裝置是工業(yè)機器人執(zhí)行機構(gòu)的重要組成部分,用于穩(wěn)定地固定或支撐工件,確保機器人能夠精確地對工件進行抓取、搬運和加工。這類裝置通常采用機械夾持、真空吸附或磁力吸附等方式,確保工件不發(fā)生位置偏移。合理設(shè)計的定位裝置可以提高機器人作業(yè)的重復(fù)精度和靈活性。4.6驅(qū)動系統(tǒng)的選擇電動驅(qū)動：利用電機提供驅(qū)動力,控制簡單,定位精度高,但能耗較大。適用于工業(yè)機器人的常見選擇。液壓驅(qū)動：利用液壓油缸產(chǎn)生大推力,適用于重載機器人。系統(tǒng)構(gòu)造復(fù)雜,但功率密度高,可承受大負(fù)載。氣動驅(qū)動：利用壓縮空氣推動氣缸,結(jié)構(gòu)簡單、成本低,但精度和力度較弱,多用于輕型操作。電動驅(qū)動1高效可靠電動驅(qū)動系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率高,操作穩(wěn)定可靠,廣泛應(yīng)用于工業(yè)機器人領(lǐng)域。2響應(yīng)迅速采用電機驅(qū)動,控制精度高,機械臂運動響應(yīng)速度快,能滿足高速運轉(zhuǎn)的需求。3結(jié)構(gòu)簡單電動驅(qū)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相對簡單,維護方便,易于實現(xiàn)自動化控制。液壓驅(qū)動1原理液壓驅(qū)動利用液體壓力將動力傳遞至執(zhí)行機構(gòu),可產(chǎn)生大推力和高精度。通過液壓泵、液壓缸等元件驅(qū)動機器人關(guān)節(jié)運動。2優(yōu)勢液壓驅(qū)動系統(tǒng)力矩大、響應(yīng)快、可實現(xiàn)高速運轉(zhuǎn),在工業(yè)機器人中廣泛應(yīng)用。但需要泵站、管路等輔助設(shè)備,結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。3應(yīng)用常見于裝配、焊接、搬運等需要大推力和高精度的