工业机器人组成及应用分析

国际标准化组织（ISO）对工业机器人的定义：工业机器人是一种多用途的、可重复编程的自动控制操作机，具有三个或更多可编程的轴，用于工业自动化领域。为了适应不同的用途，机器人最后一个轴的机械接口，通常是一个连接法兰，可接装不同工具或称末端执行器。

工业机器人通常由执行机构、驱动装置、控制系统和智能系统四部分组成，如图10-47所示。这些部分之间的相互作用可用图10-48所示的框图表示。

图10-47 工业机器人的组成

图10-48 机器人各组成部分之间的关系

1.执行机构

执行机构（也称操作机）是机器人赖以完成工作任务的实体，通常由杆件和关节组成。从功能的角度，执行机构可分为：手部、腕部、臂部、腰部和基座等，如图10-49所示。

（1）手部 手部又称末端执行器，是工业机器人直接迸行工作的部分，可以是各种夹持器。有时人们也常把焊枪、油漆喷头等划作机器人的手部。

（2）腕部 腕部与手部相连，通常有3个自由度，多为轮系结构，主要功用是带动手部完成预定姿态，是操作机中结构最为复杂的部分。

（3）臂部 臂部用以连接腰部和腕部，通常由两个臂杆（小臂和大臂）组成，用以带动腕部作平面运动。

（4）腰部 腰部是连接臂和基座的部件，通常是回转部件，腰部的回转运动再加上臂部的平面运动，就能使腕部作空间运动。腰部是执行机构的关键部件，它的制造误差、运动精度和平稳性，对机器人的定位精度有决定性的影响。

（5）基座 基座是整个机器人的支持部分，有固定式和移动式两种。该部件必须具有足够的刚度和稳定性。

图10-49 执行机构

1—手部 2—腕部 3—臂部 4—腰部 5—基座

2.驱动-传动装置

工业机器人的驱动-传动装置包括驱动器和传动机构两个部分，它们通常与执行机构连成一体。传动机构常用的有谐波减速器、滚珠丝杠、链、带以及各种齿轮轮系。驱动器通常有电动机（直流伺服电动机、步迸电动机、交流伺服电动机）、液动或气动装置，目前使用最多的是交流伺服电动机。

3.控制系统

控制系统一般由控制计算机和伺服控制器组成。前者发出指令协调各关节驱动器之间的运动，同时还要完成编程、示教/再现以及和其他环境状况（传感器信息）、工艺要求、外部相关设备（如电焊机）之间的信息传递和协调工作。后者控制各关节驱动器，使各杆按一定的速度、加速度和位置要求迸行运动。图10-50是MOTOMAN机器人的控制系统（YASNAC-ERC）。该系统由两部分组成。HIB是人机接口部分，它有一个CPU，可供人机交换信息，还有CRT（显示器）、示教盒、键盘。它可和个人计算机连接，又可与车间控制计算机联网。TIB是轨迹控制部分，它有一运动控制CPU，可根据不同机种迸行轨迹规划。该部分可与工作中的各种传感器（如摄像机）相连，有I/O控制接口，可以控制该部分的供操作机用的6个运动轴（自由度）的数宇伺服器以及机器人工作时周边设备的2×3个运动轴的数宇伺服控制器。HIB和TIB之间有双向存储器，用以交换信息，存储数据。图10-51是TIB部分的数宇伺服系统框图。该系统是由一台单片机组成的三闭环位控系统，它采用了软件伺服、交流伺服电动机和绝对式光码盘。(www.xing528.com)

4.智能系统

智能系统是目前机器人系统中一个不够完善但发展很快的子系统。它可分为两个部分：感知系统和分析-决策智能系统。前者主要靠硬件（各类传感器）实现；后者主要靠软件（如专家系统）实现。目前已用于商品生产的有六维力感觉传感器，如图10-52所示。它可装于机器人的手部，以感知手部3个方向的力和3个方向的力矩。在装配作业中，这种力感觉是很重要的信息。机器人的控制系统可以根据这一组力感，调整手部位姿，以顺利完成装配作业。在弧焊机器人系统中已运用了焊缝跟踪系统，用以感知焊丝与焊缝之间的偏差。当倍差超过一定值时，控制系统便会自动调整焊丝的位置，使焊接能够顺利地迸行。

图10-50 MOTOMAN机器人的控制系统

图10-51 YASNAC-ERC的数宇伺服系统

机器人的工作范围是指其工作机构移动的空间容积。工作范围＜0.01m³者，适用于专门细小和精确的操作。工作范围=0.01～1.0m³者，工人可坐着操作。工作范围=1.0～10m³者，工人必须站着操作，属于大型机器人系统。工作范围＞10m²者，已超出了人的活动能力，属于巨型机器人。

机器人工作机构活动的空间轨迹，取决于主坐标系的形式，机器人主体机构的运动及其工作空间轨迹。分别示于图10-53及图10-54。在两图中有四种类型的机器人。

1）a型：有三个直线运动，是典型的直角坐标系，其空间轨迹是矩形六面体。

图10-52 六维力感觉传感器

2）b型：有两个直线运动加一个旋转运动，是圆柱坐标系，其空间轨迹是一圆柱体。

3）c型：有一个直线运动和两个旋转运动，是球面坐标系，其空间轨迹为一球体。

图10-53 机器人主体机构的运动机构图

图10-54 机器人活动空间轨迹

4）d型：有三个旋转运动，其主体机构之间全部为铰接，其空间轨迹为类似球形体。

后面三种运动轨迹的中空部分，是机器人本体机构所占用的空间。一般说来，整个空间范围越大，本体所占空间越小。则机器人的性能越好。人们总是希望所用机器人具有适当的起重量、工作区域（空间范围）、运动速度，刚度和精度足够大。外形尺寸则越小越好。