工業機器人的基本組成及技術參數

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工業機器人的基本組成

工業機器人由3大部分6個子系統組成。3大部分是機械部分、感測部分和控制部分。6個子系統是驅動系統、機械結構系統、感受系統、機器人-環境交互系統、人機交互系統和控制系統,可用圖1.13來表示。

圖1.13機器人系統組成

6個子系統的作用分述如下:

1.驅動系統

要使機器人運行起來,需給各個關節即每個運動自由度安置傳動裝置,這就是驅動系統。驅動系統可以是液壓傳動、氣動傳動、電動傳動,或者把它們結合起來應用的綜合系統;可以是直接驅動或者是通過同步帶、鏈條、輪系、諧波齒輪等機械傳動機構進行間接驅動。

2.機械結構系統

工業機器人的機械結構系統由基座、手臂、末端操作器三大件組成,如圖1.14所示。每一大件都有若干自由度,構成一個多自由度的機械系統。若基座具備行走機構,則構成行走機器人;若基座不具備行走及腰轉機構,則構成單機器人臂(SingleRobotArm)。手臂一般由上臂、下臂和手腕組成。末端操作器是直接裝在手腕上的一個重要部件,它可以是二手指或多手指的手爪,也可以是噴漆槍、焊具等作業工具。

圖1.14工業機器人的機械結構系統

3.感受系統

感受系統由內部感測器模塊和外部感測器模塊組成,用以獲取內部和外部環境狀態中有意義的信息。智能感測器的使用提高了機器人的機動性、適應性和智能化的水準。人類的感受系統對感知外部世界信息是極其靈巧的,然而,對於一些特殊的信息,感測器比人類的感受系統更有效。

4.機器人-環境交互系統

機器人-環境交互系統是實現工業機器人與外部環境中的設備相互聯繫和協調的系統。工業機器人與外部設備集成為一個功能單元,如加工製造單元、焊接單元、裝配單元等。當然,也可以是多台機器人、多台機床或設備、多個零件存儲裝置等集成為一個去執行複雜任務的功能單元。

5.人機交互系統

人機交互系統是使操作人員參與機器人控制並與機器人進行聯繫的裝置，例如,計算機的標準終端,指令控制台,信息顯示板,危險信號報警器等。該系統歸納起來分為兩大類:指令給定裝置和信息顯示裝置。

6.控制系統

控制系統的任務是根據機器人的作業指令程序以及從感測器反饋回來的信號支配機器人的執行機構去完成規定的運動和功能。假如工業機器人不具備信息反饋特徵,則為開環控制系統;若具備信息反饋特徵,則為閉環控制系統。根據控制原理,控制系統可分為程序控制系統、適應性控制系統和人工智慧控制系統。根據控制運動的形式,控制系統可分為點位控制和軌跡控制。

圖1.15為三菱裝配機器人系統的基本構成。該機器人由機器人主體、控制器、示教盒和PC機構成。可用示教的方式和用PC機編程的方式來控制機器人的動作。

圖1.15三菱裝配機器人系統

工業機器人的技術參數

工業機器人的技術參數是各工業機器人製造商在產品供貨時所提供的技術數據。表1.2和表1.3為兩種工業機器人的主要技術參數。儘管各廠商提供的技術參數不完全一樣,工業機器人的結構、用途等有所不同,且用戶的要求也不同,但工業機器人的主要技術參數一般應有自由度、重複定位精度、工作範圍、最大工作速度和承載能力等。

表1.2三菱裝配機器人Movemaster EX RV-M1的主要技術參數

表1.3 PUMA 562機器人的主要技術參數

表1.4 BR-210並聯機器人的主要技術參數

1.自由度(Degrees of Freedom)

自由度是指機器人所具有的獨立坐標軸運動的數目,不應包括手爪(末端操作器)的開合自由度。

在三維空間中描述一個物體的位置和姿態(簡稱位姿)需要六個自由度。但是,工業機器人的自由度是根據其用途而設計的,可能小於六個自由度,也可能大於六個自由度。例如, A4020裝配機器人具有四個自由度,可以在印刷電路板上接插電子器件; PUMA 562機器人具有六個自由度,如圖1.16所示,可以進行複雜空間曲面的弧焊作業。

從運動學的觀點看,在完成某一特定作業時具有多餘自由度的機器人,就叫做冗餘自由度機器人。例如, PUMA 562機器人去執行印刷電路板上接插電子器件的作業時就成為冗餘自由度機器人。利用冗餘自由度可以增加機器人的靈活性、躲避障礙物和改善動力性能。

人的手臂(大臂、小臂、手腕)共有七個自由度,所以工作起來很靈巧,手部可迴避障礙而從不同方向到達同一個目的點。

圖1.16 PUMA 562工業機器人

2.定位精度(Positioning Accuracy)

工業機器人精度是指定位精度和重複定位精度。定位精度是指機器人手部實際到達位置與目標位置之間的差異。重複定位精度是指機器人重複定位其手部於同一目標位置的能力,可以用標準偏差這個統計量來表示,它是衡量一列誤差值的密集度(即重複度),如圖1.17所示。

圖1.17工業機器人定位精度和重複定位精度的典型情況

(a)重複定位精度的測量；(b)合理定位精度，良好重複定位精度；

(c)良好定位精度,很差重複定位精度；(d)很差定位精度，良好重複定位精度

3.工作範圍(Work Space)

工作範圍是指機器人手臂末端或手腕中心所能到達的所有點的集合,也叫工作區域。因為末端操作器的尺寸和形狀是多種多樣的,為了真實反映機器人的特徵參數,所以,這裡是指不安裝末端操作器時的工作區域。

工作範圍的形狀和大小是十分重要的,機器人在執行作業時可能會因為存在手部不能到達的作業死區(Dead Zone)而不能完成任務。圖1.18和圖1.19所示分別為PUMA機器人和A4020機器人的工作範圍。

圖1.18 PUMA機器人工作範圍(a)頂視圖; (b)側視圖

圖1.19 A4020型SCARA機器人工作範圍

4.速度(Speed)和加速度

速度和加速度是表明機器人運動特性的主要指標。說明書中通常提供了主要運動自由度的最大穩定速度,但在實際應用中單純考慮最大穩定速度是不夠的。這是因為,由於驅動器輸出功率的限制,從啟動到達最大穩定速度或從最大穩定速度到停止, 都需要一定時間。如果最大穩定速度高, 允許的極限加速度小, 則加減速的時間就會長一些,對應用而言的有效速度就要低一些; 反之, 如果最大穩定速度低,允許的極限加速度大, 則加減速的時間就會短一些, 這有利於有效速度的提高。但如果加速或減速過快, 有可能引起定位時超調或振蕩加劇, 使得到達目標位置後需要等待振蕩衰減的時間增加, 則也可能使有效速度反而降低。所以, 考慮機器人運動特性時, 除注意最大穩定速度外, 還應注意其最大允許的加減速度。

5.承載能力(Payload)

承載能力是指機器人在工作範圍內的任何位姿上所能承受的最大質量。承載能力不僅決定於負載的質量,而且還與機器人運行的速度和加速度的大小和方向有關。為了安全起見,承載能力這一技術指標是指高速運行時的承載能力。通常,承載能力不僅指負載,而且還包括了機器人末端操作器的質量。

機器人有效負載的大小除受到驅動器功率的限制外,還受到桿件材料極限應力的限制,因而它又和環境條件(如地心引力)、運動參數(如運動速度、加速度以及它們的方向)有關。如加拿大手臂,它的額定可搬運質量為15 000 kg,在運動速度較低時能達到30 000 kg。然而，這種負荷能力只是在太空中失重條件下才有可能達到，在地球上,該手臂本身的重量達450 kg,它連自重引起的臂桿變形都無法承受,更談不上搬運質量了。

圖1.20三菱裝配機器人不帶電動手爪時的承載能力

圖1.21三菱裝配機器人帶電動手爪時的承載能力

1.3.3工業機器人的坐標

如圖1.22所示,工業機器人的坐標形式有直角坐標型、圓柱坐標型、球坐標型、關節坐標型和平面關節型。

圖1.22工業機器人的幾種坐標形式

1.直角坐標／笛卡兒坐標／台架型(3P)

這種機器人由3個線性關節組成,這3個關節用來確定末端操作器的位置,通常還帶有附加的旋轉關節，用來確定末端操作器的姿態。這種機器人在x、y、z軸上的運動是獨立的,運動方程可獨立處理,且方程是線性的,因此很容易通過計算機控制實現;它可以兩端支撐,對於給定的結構長度,剛性最大;它的精度和位置解析度不隨工作場合而變化,容易達到高精度。但是,它的操作範圍小,手臂收縮的同時又向相反的方向伸出,既妨礙工作,又佔地面積大,運動速度低,密封性不好。

圖1.23虛線所示為直角坐標機器人的工作空間示意圖，它是一個立方體形狀。

圖1.23直角坐標機器人的工作空間示意圖

2.圓柱坐標型(R2P)

圓柱坐標機器人由兩個滑動關節和一個旋轉關節來確定部件的位置,再附加一個旋轉關節來確定部件的姿態。這種機器人可以繞中心軸旋轉一個角,工作範圍可以擴大,且計算簡單;直線部分可採用液壓驅動,可輸出較大的動力;能夠伸入型腔式機器內部。但是，它的手臂可以到達的空間受到限制,不能到達近立柱或近地面的空間;直線驅動部分難以密封、防塵;後臂工作時,手臂後端會碰到工作範圍內的其它物體。圓柱坐標機器人的工作範圍呈圓柱形狀,如圖1.24所示。

圖1.24圓柱坐標機器人的工作範圍

3.球坐標型(2RP)

球坐標機器人採用球坐標系,它用一個滑動關節和兩個旋轉關節來確定部件的位置,再用一個附加的旋轉關節確定部件的姿態。這種機器人可以繞中心軸旋轉,中心支架附近的工作範圍大,兩個轉動驅動裝置容易密封,覆蓋工作空間較大。但該坐標複雜,難於控制,且直線驅動裝置仍存在密封及工作死區的問題。球坐標機器人的工作範圍呈球缺狀,如圖1.25所示。

圖1.25球坐標機器人的工作範圍

4.關節坐標型/擬人型(3R)

關節機器人的關節全都是旋轉的,類似於人的手臂,是工業機器人中最常見的結構。它的工作範圍較為複雜,圖1.18所示為PUMA機器人的工作範圍。

5.平面關節型

這種機器人可看做是關節坐標式機器人的特例,它只有平行的肩關節和肘關節,關節軸線共面。如SCARA(Selective Compliance Assembly Robot Arm)機器人有兩個並聯的旋轉關節,可以使機器人在水平面上運動,此外,再用一個附加的滑動關節做垂直運動。

SCARA機器人常用於裝配作業,最顯著的特點是它們在x-y平面上的運動具有較大的柔性,而沿z軸具有很強的剛性,所以,它具有選擇性的柔性。這種機器人在裝配作業中獲得了較好的應用。平面關節機器人的工作空間如圖1.26所示。

圖1.26平面關節機器人的工作空間

1.3.4工業機器人的參考坐標系

機器人可以相對於不同的坐標系運動,在每一種坐標系中的運動都不相同。通常,機器人的運動在以下三種坐標系中完成(如圖1.27所示)。

圖1.27機器人的參考坐標系

(a)全局參考坐標系; (b)關節參考坐標系; (c)工具參考坐標系

1.全局參考坐標系

全局參考坐標系是一種通用坐標系,由x、y和z軸所定義。在此情況下,通過機器人各關節的同時運動來產生沿三個主軸方向的運動。在這種坐標系中,無論手臂在哪裡,x軸的正向運動就總是在x軸的正方向。這一坐標系通常用來定義機器人相對於其他物體的運動、與機器人通信的其他部件以及運動路徑。

2.關節參考坐標系

關節參考坐標系用來描述機器人每一個獨立關節的運動。假設希望將機器人的手運動到一個特定的位置,可以每次只運動一個關節,從而把手引導到期望的位置上。在這種情況下,每一個關節單獨控制,從而每次只有一個關節運動。由於所用關節的類型(移動、旋轉型)不同,因此,機器人手的動作也各不相同。例如,如果為旋轉關節運動,則機器人手將繞著關節的軸旋轉。

3.工具參考坐標系

工具參考坐標系描述機器人手相對於固連在手上的坐標系的運動。固連在手上的x′、y′和z′軸定義了手相對於本地坐標系的運動。與通用的全局參考坐標系不同,本地的工具參考坐標系隨機器人一起運動。假設機器人手的指向如圖1.27所示,相對於本地的工具參考坐標系x′軸的正向運動意味著機器人手沿工具參考坐標系x′軸方向運動。如果機器人的手指向別處,那麼同樣沿著工具參考坐標系x′軸的運動將完全不同於前面的運動。如果x′軸指向上,那麼沿+x′軸的運動便是向上的;反之,如果x′軸指向下,那麼沿+x′軸的運動便是向下的。

1.3.5並聯機器人

並聯機器人又稱並聯機構（PM, Parallel Mechanism），一般結構如圖1.28所示。並聯機器人可以定義為動平台和定平台兩種形式,二者通過至少兩個獨立的運動鏈相連接，機構具有兩個或兩個以上自由度，且以並聯方式驅動的一種閉環機構。

這種機器人有以下幾個特點：

(1)無累積誤差，精度較高；

(2)驅動裝置可置於定平台上或接近定平台的位置，這樣運動部分重量輕，速度高，動態響應好；

(3)結構緊湊，剛度高，承載能力大；

(4)完全對稱的並聯機構具有較好的各向同性；

(5)工作空間較小。

因為這些特點，並聯機器人在需要高剛度、高精度或者大載荷而無需很大工作空間的領域內得到了廣泛應用，主要應用於以下幾個方面：

(1)運動模擬器。並聯機器人用作運動模擬器如圖1.29所示。

圖1.28並聯機器人結構

圖 1.29 並聯機器人

(2)並聯機床。

並聯機床具有承載能力強、響應速度快、精度高、機械結構簡單、適應性好等優點，是一種「硬體」簡單、「軟體」複雜、技術附加值高的產品。並聯機床如圖1.30所示。

圖 1.30 並聯機床

(3)微操作機器人。

微操作機器人如圖1.31所示, 經常用於安裝印刷電路板上的電子元件。

圖 1.31 微操作機器人

並聯機器人可按並聯機構的自由度數分類：

(1) 2 自由度並聯機構。 2 自由度並聯機構，如5-R、 3-R、 2-P平面5桿機構是最典型的2自由度並聯機構，這類機構一般具有2 個移動運動。

(2) 3自由度並聯機構。 3 自由度並聯機構種類較多，形式較複雜，一般有以下幾個形式：平面3自由度並聯機構，如3-RPR 機構，它們具有2個轉動和1個移動；球面3自由度並聯機構，如3-RRR 球面機構、 3-UPS-1-S 球面機構，3-RRR 球面機構所有運動副的軸線匯交空間一點，這點稱為機構的中心，而3-UPS-1-S 球面機構則以S的中心點為機構的中心，機構上的所有點的運動都是繞該點的轉動運動； 3 維純移動機構，如Star Like 並聯機構、 Tsai 並聯機構和DELTA 機構，該類機構的運動學正反解都很簡單，是一種應用很廣泛的3維移動空間機構。空間3自由度並聯機構，如典型的3-RPS 機構，這類機構屬於欠秩機構，在工作空間內不同的點的運動形式不同是其最顯著的特點，由於這種特殊的運動特性，阻礙了該類機構在實際中的廣泛應用；還有一類是增加輔助桿件和運動副的空間機構，如德國漢諾威大學研製的並聯機床採用的3-UPS-1-PU 球坐標式3 自由度並聯機構，由於輔助桿件和運動副的制約，使得該機構的運動平台具有1 個移動和2 個轉動的運動(也可以說是3個移動運動)。

(3) 4自由度並聯機構。 4 自由度並聯機構大多不是完全並聯機構，如2-UPS-1-RRRR 機構，運動平台通過3 個支鏈與定平台相連，有2個運動鏈是相同的，各具有1 個虎克鉸U ， 1 個移動副P ，其中P 和1 個R 是驅動副，因此這種機構不是完全並聯機構。

(4) 5 自由度並聯機構。現有的5 自由度並聯機構結構複雜，如韓國Lee的5自由度並聯機構具有雙層結構(2 個並聯機構的結合)。

(5) 6自由度並聯機構。 6 自由度並聯機構是並聯機器人機構中的一大類，是國內外學者研究得最多的並聯機構，廣泛應用在飛行模擬器、 6維力與力矩感測器和並聯機床等領域。但這類機構有很多關鍵性技術沒有或沒有完全得到解決，比如其運動學正解、動力學模型的建立以及並聯機床的精度標定等。從完全並聯的角度出發，這類機構必須具有6個運動鏈。但現有的並聯機構中，也有擁有3 個運動鏈的6 自由度並聯機構，如3-PRPS 和3-URS 等機構，還有在3 個分支的每個分支上附加1個5桿機構作驅動機構的6自由度並聯機構等。

1.3.6工業機器人的機構表示方式

為了簡化機器人機構的表達過程，常用特定的圖形符號來表示機器人的各種機構運動副，常用的工業機器人的各種圖形符號如表1.5所示。

表1.5 工業機器人的各種圖形符號