工业机器人的机械机构和运动控制_中科伺服

工业机器人的机械结构和运动控制2015/3/16Page2工业机器人的机械结构和运动控制1、工业机器人的系统组成2、工业机器人的技术指标3、工业机器人的运动控制2015/3/16Page3工业机器人的机械结构和运动控制提及机器人，大家更多的可能是想到那些具有人类形态、拟人化的机器人。但事实上，除部分场所中的服务机器人外，大多数机器人都不具有基本的人类形态更多的是以机械手的形式存在，这点在工业机器人身上表现明显。下面将简明扼要地阐述有关工业机器人系统的进本组成、技术参数及运动控制等基础性问题。2015/3/16Page4工业机器人的机械结构和运动控制机器人市场潜力巨大，随着人力成本的上升和高级技工的缺乏，越来越多的企业开始注重设备更新，增加自动化的工业机器人。“如果机器人能做的事就让机器去做，人类应该从事富有创造性的活动。”50多年前，自动化技术的先驱者欧姆龙公司提出了这一口号。如今，这一梦想已经快要成为现实，但这对中国这样一个人口大国来说，其效应是多方面的。2015/3/16Page5工业机器人的机械结构和运动控制众所周知，中国机器人产业由于先天因素，在单体与核心零部件仍然落后于日、美、韩等发达国家。虽然中国机器人产业经过30年的发展，形成了较为完善的产业基础，但与发达国家相比，仍存在较大差距，产业基础依然薄弱，关键零部件严重依赖进口。2015/3/16Page6工业机器人的机械结构和运动控制整个机器人产业链主要分为上游核心零部件（主要是机器人三大核心零部件——伺服电动机、减速器和控制系统，相当于机器人的“大脑”）、中游机器人本体（机器人的“身体”）和下游系统集成商（国内95%的企业都集中在这个环节上）三个层面。2015/3/16Page7工业机器人的机械结构和运动控制减速器用来将电动机的高速运转降低至机器人适用的速度，占到机器人成本的30%以上。全球75%的市场被日本两家企业占据，纳博特斯克（Nabtesco）生产的RV减速器约占60%，哈默纳科（Harmonica）生产的谐波减速器约占15%。目前，国内还没有能够规模化且性能可靠的精密减速器生产企业，苏州绿的谐波传动科技有限公司生产的谐波减速器接近国外水平。精密减速器成为制约降低国产工业机器人成本的第一因素。2015/3/16Page8工业机器人的机械结构和运动控制相对于减速机，伺服电动机和控制系统市场未形成主要厂商垄断现象，而且几大国际厂商在中国也建立了分工厂，供应充足，产品价格相对合理。伺服电动机的主流供应商有日系的松下、安川和欧美的倍福、伦茨等，中国的汇川技术、广州数控、中科伺服等公司也占据一定的市场份额。控制系统的主流供应商包括美国的DeltaTau和Gail、英国的TRIO和中国的固高等公司。2015/3/16Page91、工业机器人的系统组成（1）、操作机（2）、控制器（3）、示教器2015/3/16Page101、工业机器人的系统组成工业机器人是一种模拟人手臂、手腕和手功能的机电一体化装置，可对物体运动的位置、速度和加速度进行精确控制，从而完成某一工业生产的作业要求。当前工业中应用最多的第一代工业机器人主要由以下几个部分组成：操作机、控制器和示教器。对于第二代及第三代工业机器人还包括感知系统和分析决策系统，它们分别由传感器及软件实现。2015/3/16Page111.1操作机操作机（或称机器人本体）是工业机器人的机械主体，是用来完成各种作业的执行机构。它主要由机械臂、驱动装置、传动单元及内部传感器等部分组成。由于机器人需要实现快速而频繁的启停、精确地到位和运动，因此必须采用位置传感器、速度传感器等检测元件实现位置、速度和加速度闭环控制。为适应不同的用途，机器人操作机最后一个轴的机械接口通常为一个连接法兰，可接装不同的机械操作装置（习惯上称末端执行器），如夹紧爪、吸盘、焊枪等。末端执行器是安装在机器人手腕上用来进行某种操作或作业的附加装置。机器人末端执行器的种类很多，以适应机器人的不同作业及操作要求。末端执行器可分为搬运用、加工用和测量用等。搬运用末端执行器是指各种加持装置，用来抓取或吸附被搬运的物体；加工用末端执行器是带有喷枪、焊枪、砂轮、铣刀等加工工具的机器人附加装置，用来进行相应的加工作业；测量用末端执行器是装有测量头或传感器的附加装置，用来进行测量及检验作业。2015/3/16Page121.1.1操作机—机械臂（1）机械臂关节型工业机器人的机械臂是由关节连在一起的许多机械连杆的集合体。它本质上是一个拟人手臂的空间开链式机构，一端固定在基座上，另一端可自由运动。关节通常是移动关节和旋转关节。移动关节允许连杆作直线移动，旋转关节仅允许连杆之间发生旋转运动。由关节--连杆结构所构成的机械臂大体可分为基座、腰部、臂部（大臂和小臂）和手腕4个部分，由4个独立旋转“关节”（腰关节、肩关节、肘关节和腕关节）串联而成，它们可在各个方向运动，这些运动就是机器人在“做工”。2015/3/16Page131.1.1操作机—机械臂1）基座基座是机器人的基础部分，起支撑作用。整个执行机构和驱动装置都安装在基座上。对固定式机器人，直接连接在地面基础上；对移动式机器人，则安装在移动机构上，可分为有轨和无轨两种。2）腰部腰部是机器人手臂的支撑部分。根据执行机构坐标系的不同，腰部可以在基座上转动，也可以和基座制成一体。有时腰部也可以通过导杆或导槽在基座上移动，从而增大工作空间。2015/3/16Page141.1.1操作机—机械臂3）手臂手臂是连接机身和手腕的部分，由操作机的动力关节和连接杆件等构成。它是执行结构中的主要运动部件，也称主轴，主要用于改变手腕和末端执行器的空间位置，满足机器人的作业空间，并将各种载荷传递到基座。4）手腕手腕是连接末端执行器和手臂的部分，将作业载荷传递到臂部，也称次轴，主要用于改变末端执行器的空间姿态。2015/3/16Page151.1.2操作机—驱动装置（2）驱动装置驱使工业机器人机械臂运动的机构。按照控制系统发出的指令信号，借助于动力元件使机器人产生动作，相当于人的肌肉、筋络。机器人常用的驱动方式主要有液压驱动、气压驱动和电气驱动三种类型。目前，除个别运动精度不高、重负载或有防爆要求的机器人采用液压、气压驱动外，工业机器人大多采用电气驱动，而其中交流伺服电动机应用最广，且驱动器布置大都采用一个关节一个驱动器。2015/3/16Page161.1.3操作机—传动单元（3）传动单元驱动装置的受控运动必须通过传动单元带动机械臂产生运动，以精确的保证末端执行器所要求的位置、姿态和实现其运动。目前工业机器人广泛采用的机械传动单元是减速器，与通用减速器相比，机器人关节减速器要求具有传动链短、体积小、功率大、质量轻和易于控制等特点。大量应用在关节型机器人上的减速器主要有两类：RV减速器和谐波减速器。精密减速器使机器人伺服电动机在一个合适的速度下运转，并精确地将转速降到工业机器人各部位需要的速度，在提高机械本体刚性的同时输出更大的转矩。一般将RV减速器放置在基座、腰部、大臂等重负载位置（主要用于20kg以下的机器人关节）。此外，机器人还采用齿轮传动、链条（带）传动、直线运动单元等。2015/3/16Page171.1.3操作机—传动单元1）谐波减速器同行星齿轮传动一样，谐波齿轮传动（简称谐波传动）通常由3个基本构件组成，包括一个有内齿的刚轮，一个工作时可产生径向弹性变形并带有外齿的柔轮和一个装在柔轮内部、呈椭圆形、外圈带有柔性滚动轴承的波发生器。在这3个基本构件中可任意固定一个，其余一个为主动件一个为从动件（如刚轮固定不变，波发生器为主动件，柔轮为从动件）。当波发生器装入柔轮后，迫使柔轮的剖面由原先的圆形变成椭圆形，其长轴两端附近的齿与刚轮的齿完全啮合，而短轴两端附近的齿则与刚轮完全脱开，周长上其他区段的齿处于啮合和脱离的过渡状态。当波发生器沿某一方向连续转动时，柔轮的变形不断改变，使柔轮与刚轮的啮合状态也不断改变，啮入、啮合、啮出、脱开、再啮入……，周而复使地进行，柔轮的外齿数少于刚轮的内齿数，从而实现柔轮相对刚轮沿波发生器相反方向的缓慢旋转。2015/3/16Page191.1.3操作机—传动单元2）RV减速器与谐波传动相比，RV传动具有较高的疲劳强度和刚度以及较长的寿命，而且回差精度稳定，不像谐波传动，随着使用时间的增长，运动精度就会显著降低，故高精度机器人传动多采用RV减速器，且有逐渐取代谐波减速器的趋势。RV减速器主要由太阳轮（中心轮）、行星轮、转臂（曲柄轴）、转臂轴承、摆线轮（RV齿轮）、针齿、刚性盘与输出盘等零部件组成。RV传动装置是由第一级渐开线圆柱齿轮行星减速机构和第二级摆线针轮行星减速机构两部分组成，是一封闭差动轮系。执行电动机的旋转运动由齿轮轴或太阳轮传递给两个渐开线行星轮，进行第一级减速；行星轮的旋转通过曲柄轴带动相距180。的摆线轮，从而生成摆线轮的公转。同时，由于摆线轮在公转过程中会受到固定于针齿壳上针齿的作用力而形成与摆线轮公转方向相反的力矩，进而造成摆线轮的自转运动，完成第二级减速。运动的输出通过两个曲柄轴使摆线轮与刚性盘构成平行四边形的等角度输出机构，将摆线轮的转动等速传递给刚性盘及输出盘。2015/3/16Page201、工业机器人的系统组成（1）、操作机（2）、控制器（3）、示教器2015/3/16Page211.2控制器如果说操作机是机器人的“肢体”，那么控制器则是机器人的“大脑”和“心脏”。机器人控制器是根据指令以及传感器信息控制机器人完成一定动作或作业任务的装置，是决定机器人功能和性能的主要因素，也是机器人系统中更新和发展最快的部分。它通过各种控制电路中硬件和软件的结合来操纵机器人，并协调机器人与周边设备的关系，其基本功能如下：示教功能包括在线示教和离线示教两种方式。记忆功能存储作业顺序、运动路径和方式及与生产工艺有关的信息等。位置伺服功能机器人多轴联动、运动控制、速度和加速度控制、动态补偿等。2015/3/16Page221.2控制器坐标设定功能可在关节、直角、工具等常见坐标系之间进行切换。与外围设备联系功能包括输入/输出接口、通信接口、网络接口等。传感器接口位置检测、视觉、触觉、力觉等。故障诊断安全保护功能运行时的状态监视、故障下的安全保护和自诊断。2015/3/16Page232.1控制器（1）集中式控制器利用一台微型计算机实现系统的全部控制功能，早期机器人常采用这种结构。集中式控制器的优点是硬件成本较低，便于信息的采集和分析，易于实现系统的最优控制，整体性与协调性较好，基于PC的系统硬件扩展较为方便。但其缺点也显而易见：系统控制缺乏灵活性，控制危险容易集中，一旦出现故障，其影响面广，后果严重；由于工业机器人的实时性要求很高，当系统进行大量数据计算时，会降低系统实时性，系统对多任务的响应能力也会与系统的实时性相冲突；此外，系统连线复杂，会降低系统的可靠性。2015/3/16Page242.1控制器（2）分布式控制器其主要思想是“分散控制，集中管理”，即系统对其总体目标和任务可以进行综合协调和分配，并通过子系统的协调工作来完成控制任务，整个系统在功能、逻辑和物理等方面都是分散的。子系统是由控制器和不同被控对象或设备构成的，各个子系统之间通过网络等进行相互通信。分布式控制结构提供了一个开放、实时、精确的机器人控制系统。分布式系统中常采用两级控制方式，由上位机和下位机组成。上位机负责整个系统管理以及运动学计算、轨迹规划等，下位机由多CPU组成，每个CPU控制一个关节运动。上、下位机通过通信总线（如RS-232、RS-485、CAN总线、以太网等）相互协调工作。分布式控制系统的优点在于系统灵活性好，控制系统的危险性降低，采用多处理器的分散控制，有利于系统功能的并行执行，提高系统的处理效率，缩短响应时间。2015/3/16Page251.2控制器ABB第五代机器人控制器IRC5就是一个典型的模块化分布设计。是由一个控制模块和一个驱动模块组成，可选增一个过程模块以容纳订制设备和接口如点焊、弧焊和胶合