工業(yè)機器人內(nèi)部機構(gòu)深度解析

一、機器人驅(qū)動裝置

概念：要使機器人運行起來, 需給各個關(guān)節(jié)即每個運動自由度安置傳動裝置。

作用：提供機器人各部位、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、諧波齒輪等機械傳動機構(gòu)進行間接驅(qū)動。

1、電動驅(qū)動裝置

電動驅(qū)動裝置的能源簡單，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)伺服電機驅(qū)動和步進電機驅(qū)動。 直流伺服電機電刷易磨損，且易形成火花。無刷直流電機也得到了越來越廣泛的應(yīng)用。步進電機驅(qū)動多為開環(huán)控制，控制簡單但功率不大，多用于低精度小功率機器人系統(tǒng)。

電動上電運行前要作如下檢查：

1）電源電壓是否合適（過壓很可能造成驅(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）控制信號線接牢靠，工業(yè)現(xiàn)場最好要考慮屏蔽問題（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)，運行良好后，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）開始運行的半小時內(nèi)要密切觀察電機的狀態(tài)，如運動是否正常，聲音和溫升情況，發(fā)現(xiàn)問題立即停機調(diào)整。

2、液壓驅(qū)動

通過高精度的缸體和活塞來完成，通過缸體和活塞桿的相對運動實現(xiàn)直線運動。

優(yōu)點：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。

缺點：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)。機械作業(yè)要柔和平順機械作業(yè)應(yīng)避免粗暴，否則必然產(chǎn)生沖擊負(fù)荷，使機械故障頻發(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，如果液壓泵出現(xiàn)“氣蝕”噪聲，經(jīng)排氣后不能消除，應(yīng)查明原因排除故障后才能使用。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)簡單，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位控制機器人。

（1）具有速度快、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，維修方便、價格低等特點。適于在中、小負(fù)荷的機器人中采用。但因難于實現(xiàn)伺服控制，多用于程序控制的機械人中，如在上、下料和沖壓機器人中應(yīng)用較多。

（2）在多數(shù)情況下是用于實現(xiàn)兩位式的或有限點位控制的中、小機器人中的。

（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。

二、直線傳動機構(gòu)

傳動裝置是連接動力源和運動連桿的關(guān)鍵部分，根據(jù)關(guān)節(jié)形式，常用的傳動機構(gòu)形式有直線傳動和旋轉(zhuǎn)傳動機構(gòu)。

直線傳動方式可用于直角坐標(biāo)機器人的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。

直線運動可以通過齒輪齒條、絲杠螺母等傳動元件將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成直線運動，也可以有直線驅(qū)動電機驅(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)運動轉(zhuǎn)換成托板的直線運動。

優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單。

缺點：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：摩擦力小，傳動效率高，無爬行，精度高。

缺點：制造成本高，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。

原因主要是可靠性很差，或加工成本很高；因為直徑與導(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。

三、旋轉(zhuǎn)傳動機構(gòu)

采用旋轉(zhuǎn)傳動機構(gòu)的目的是將電機的驅(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。機器人中應(yīng)用較多的旋轉(zhuǎn)傳動機構(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。工作時相當(dāng)于柔軟的齒輪。

優(yōu)點：無滑動，柔性好，價格便宜，重復(fù)定位精度高。

缺點：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主要零件組成，一般剛性齒輪固定，諧波發(fā)生器驅(qū)動柔性齒輪旋轉(zhuǎn)。

主要特點：

(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。

諧波傳動裝置在機器人技術(shù)比較先進的國家已得到了廣泛的應(yīng)用。僅就日本來說，機器人驅(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個諧波傳動機構(gòu)。

前蘇聯(lián)送入月球的移動式機器人“登月者”，其成對安裝的8個輪子均是用密閉諧波傳動機構(gòu)單獨驅(qū)動的。德國大眾汽車公司研制的ROHREN、GEROT R30型機器人和法國雷諾公司研制的VERTICAL 80型機器人等都采用了諧波傳動機構(gòu)。

四、機器人傳感系統(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)中有意義的信息。

2、智能傳感器的使用提高了機器人的機動性、適應(yīng)性和智能化的水準(zhǔn)。

3、對于一些特殊的信息, 傳感器比人類的感受系統(tǒng)更有效。

五、機器人位置檢測

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，能夠產(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)速計能夠輸出與軸的轉(zhuǎn)速成正比的模擬信號。如果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。

六、機器人力檢測

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。可測量驅(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，這些帶有力覺得手指內(nèi)置了應(yīng)變計，可以測量作用在指尖上的一個到四個分力。

七、機器人－環(huán)境交互系統(tǒng)

1、機器人-環(huán)境交互系統(tǒng)是實現(xiàn)工業(yè)機器人與外部環(huán)境中的設(shè)備相互聯(lián)系和協(xié)調(diào)的系統(tǒng)。

2、工業(yè)機器人與外部設(shè)備集成為一個功能單元，如加工制造單元、焊接單元、裝配單元等；也可以是多臺機器人、多臺機床或設(shè)備、多個零件存儲裝置等集成 。

3、也可以是多臺機器人、多臺機床或設(shè)備、多個零件存儲裝置等集成為一個去執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)的功能單元。

八、人機交互系統(tǒng)

人機交互系統(tǒng)是使操作人員參與機器人控制并與機器人進行聯(lián)系的裝置。 該系統(tǒng)歸納起來分為兩大類: 指令給定裝置和信息顯示裝置。