一文讀懂工業(yè)機(jī)器人的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　　一、機(jī)器人驅(qū)動(dòng)裝置

　　概念：要使機(jī)器人運(yùn)行起來(lái),需給各個(gè)關(guān)節(jié)即每個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度安置傳動(dòng)裝置作用：提供機(jī)器人各部位、各關(guān)節(jié)動(dòng)作的原動(dòng)力。

　　驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：可以是液壓傳動(dòng)、氣動(dòng)傳動(dòng)、電動(dòng)傳動(dòng),或者把它們結(jié)合起來(lái)應(yīng)用的綜合系統(tǒng);可以是直接驅(qū)動(dòng)或者是通過(guò)同步帶、鏈條、輪系、諧波齒輪等機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行間接驅(qū)動(dòng)。

　　1、電動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置

　　電動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的能源簡(jiǎn)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(dòng)比較困難。

　　電動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置又可分為直流(DC)、交流(AC)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。直流伺服電機(jī)電刷易磨損，且易形成火花。無(wú)刷直流電機(jī)也得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)多為開環(huán)控制，控制簡(jiǎn)單但功率不大，多用于低精度小功率機(jī)器人系統(tǒng)。

　　電動(dòng)上電運(yùn)行前要作如下檢查：

　　1）電源電壓是否合適（過(guò)壓很可能造成驅(qū)動(dòng)模塊的損壞）；對(duì)于直流輸入的+/-極性一定不能接錯(cuò)，驅(qū)動(dòng)控制器上的電機(jī)型號(hào)或電流設(shè)定值是否合適（開始時(shí)不要太大）；

　　2）控制信號(hào)線接牢靠，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)最好要考慮屏蔽問(wèn)題（如采用雙絞線）；

　　3）不要開始時(shí)就把需要接的線全接上，只連成最基本的系統(tǒng)，運(yùn)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(yùn)行的半小時(shí)內(nèi)要密切觀察電機(jī)的狀態(tài)，如運(yùn)動(dòng)是否正常，聲音和溫升情況，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題立即停機(jī)調(diào)整。

　　2、液壓驅(qū)動(dòng)

　　通過(guò)高精度的缸體和活塞來(lái)完成，通過(guò)缸體和活塞桿的相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)。

　　優(yōu)點(diǎn)：功率大，可省去減速裝置直接與被驅(qū)動(dòng)的桿件相連，結(jié)構(gòu)緊湊，剛度好，響應(yīng)快，伺服驅(qū)動(dòng)具有較高的精度。

　　缺點(diǎn)：需要增設(shè)液壓源，易產(chǎn)生液體泄漏，不適合高、低溫場(chǎng)合，故液壓驅(qū)動(dòng)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(shí)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(dòng)

　　氣壓驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，清潔，動(dòng)作靈敏，具有緩沖作用。.但與液壓驅(qū)動(dòng)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。

　?。?）具有速度快、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修方便、價(jià)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(shí)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。

　?。?）在多數(shù)情況下是用于實(shí)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(chǎng)合下可采用氣動(dòng)邏輯元件組成控制裝置。

　　二、直線傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

　　傳動(dòng)裝置是連接動(dòng)力源和運(yùn)動(dòng)連桿的關(guān)鍵部分，根據(jù)關(guān)節(jié)形式，常用的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)形式有直線傳動(dòng)和旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。

　　直線傳動(dòng)方式可用于直角坐標(biāo)機(jī)器人的X、Y、Z向驅(qū)動(dòng)，圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)的徑向驅(qū)動(dòng)和垂直升降驅(qū)動(dòng)，以及球坐標(biāo)結(jié)構(gòu)的徑向伸縮驅(qū)動(dòng)。

　　直線運(yùn)動(dòng)可以通過(guò)齒輪齒條、絲杠螺母等傳動(dòng)元件將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，也可以有直線驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，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(dòng)轉(zhuǎn)換成托板的直線運(yùn)動(dòng)。

　　優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

　　缺點(diǎn)：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(guò)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(dòng)效率高，無(wú)爬行，精度高

　　缺點(diǎn)：制造成本高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

　　自鎖問(wèn)題：理論上滾珠絲杠副也可以自鎖,但是實(shí)際應(yīng)用上沒有使用這個(gè)自鎖的,原因主要是：可靠性很差，或加工成本很高；因?yàn)橹睆脚c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(dòng)機(jī)構(gòu)

　　采用旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的目的是將電機(jī)的驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)構(gòu)有齒輪鏈、同步皮帶和諧波齒輪。

　　1、齒輪鏈

　?。?）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(shí)相當(dāng)于柔軟的齒輪。

　　優(yōu)點(diǎn)：無(wú)滑動(dòng)，柔性好，價(jià)格便宜，重復(fù)定位精度高。

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

　　主要特點(diǎn)：

　　(1)、傳動(dòng)比大，單級(jí)為50—300。

　　(2)、傳動(dòng)平穩(wěn)，承載能力高。

　　(3)、傳動(dòng)效率高,可達(dá)70%—90%。

　　(4)、傳動(dòng)精度高,比普通齒輪傳動(dòng)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(dòng)裝置在機(jī)器人技術(shù)比較先進(jìn)的國(guó)家已得到了廣泛的應(yīng)用。僅就日本來(lái)說(shuō)，機(jī)器人驅(qū)動(dòng)裝置的60％都采用了諧波傳動(dòng)。

　　美國(guó)送到月球上的機(jī)器人，其各個(gè)關(guān)節(jié)部位都采用諧波傳動(dòng)裝置，其中一只上臂就用了30個(gè)諧波傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。

　　前蘇聯(lián)送入月球的移動(dòng)式機(jī)器人“登月者”，其成對(duì)安裝的8個(gè)輪子均是用密閉諧波傳動(dòng)機(jī)構(gòu)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)的。德國(guó)大眾汽車公司研制的ROHREN、GEROTR30型機(jī)器人和法國(guó)雷諾公司研制的VERTICAL80型機(jī)器人等都采用了諧波傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。

　　四、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)中有意義的信息。

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

　　4、對(duì)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(jī)器人位置檢測(cè)

　　旋轉(zhuǎn)光學(xué)編碼器是最常用的位置反饋裝置。光電探測(cè)器把光脈沖轉(zhuǎn)化成二進(jìn)制波形。軸的轉(zhuǎn)角通過(guò)計(jì)算脈沖數(shù)得到，轉(zhuǎn)動(dòng)方向由兩個(gè)方波信號(hào)的相對(duì)相位決定。

　　感應(yīng)同步器輸出兩個(gè)模擬信號(hào)——軸轉(zhuǎn)角的正弦信號(hào)和余弦信號(hào)。軸的轉(zhuǎn)角由這兩個(gè)信號(hào)的相對(duì)幅值計(jì)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(jì)是最直接的位置檢測(cè)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(hào)。但是，由于分辨率低、線性不好以及對(duì)噪聲敏感。

　　轉(zhuǎn)速計(jì)能夠輸出與軸的轉(zhuǎn)速成正比的模擬信號(hào)。如果沒有這樣的速度傳感器，可以通過(guò)對(duì)檢測(cè)到的位置相對(duì)于時(shí)間的差分得到速度反饋信號(hào)。

　　六、機(jī)器人力檢測(cè)

　　力傳感器通常安裝在操作臂下述三個(gè)位置：

　　1、安裝在關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器上?？蓽y(cè)量驅(qū)動(dòng)器/減速器自身的力矩或者力的輸出。但不能很好地檢測(cè)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(cè)量施加于末端執(zhí)行器上的三個(gè)到六個(gè)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(jì)，可以測(cè)量作用在指尖上的一個(gè)到四個(gè)分力。

　　七、機(jī)器人－環(huán)境交互系統(tǒng)

　　1、機(jī)器人-環(huán)境交互系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)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(jī)器人與外部設(shè)備集成為一個(gè)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(tái)機(jī)器人、多臺(tái)機(jī)床或設(shè)備、多個(gè)零件存儲(chǔ)裝置等集成。

　　3、也可以是多臺(tái)機(jī)器人、多臺(tái)機(jī)床或設(shè)備、多個(gè)零件存儲(chǔ)裝置等集成為一個(gè)去執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)的功能單元。

　　八、人機(jī)交互系統(tǒng)

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