第十一章工業機器人系統李鑫合肥工業大學電氣與自動化工程學院第十一章工業機器人系統11.1機器人本體結構11.2末端執行器11.3驅動系統11.4機器人感知系統11.5控制系統總結2024/8/7伺服系統與工業機器人.hfut211.1機器人本體結構32024/8/7伺服系統與工業機器人.hfut機器人本體結構示意圖機座：機座是機器人的基礎部分，起支撐作用。整個執行機構和驅動裝置都安裝在基座上。對固定式機器人，直接連接在地面基礎上；對移動式機器人，則安裝在移動機構上，可分為有軌無軌兩種。腰部：腰部是機器人手臂的支撐部分。根據執行機構坐標系的不同，腰部可以與基座制成一體。有時腰部也可以通過導桿或導槽在基座上移動，從而增大工作空間。臂部：臂部是連接機身和手腕的部分，由操作機的動力關節和連接桿件等構成。它是執行結構中的主要運動部件，也稱主軸，主要用于改變手腕和末端執行器的空間位置，滿足機器人的作業空間，并將各種載荷傳遞到機座。手腕：手腕是連接末端執行器和手臂的部分，將作業載荷遞到臂部，也稱次軸，主要用于改變末端執行器的空間姿態。11.2末端執行器42024/8/7伺服系統與工業機器人.hfut一個機器人末端執行器指的是任何一個連接在機器人邊緣（關節）具有一定功能的工具。機器人末端執行器通常被認為是機器人的外圍設備，機器人的附件，機器人工具，手臂末端工具（EOA）。末端執行器與機器人的作業要求、作業對象密切相關，一般需要由機器人制造廠和用戶共同設計與制造。例如，用于裝配、搬運、包裝的機器人則需要配置吸盤，手爪等用來抓取零件、物品的夾持器；而加工類機器人需要配置用于焊接、切割、打磨等加工的焊槍、銑頭、磨頭等各種工具或刀具。機器人的手部是最重要的執行機構，從功能和形態上看，它可分為工業機器人的手部和仿人機器人的手部。目前，前者應用較多，也比較成熟。工業機器人的手部是用來握持工件或工具的部件。由于被握持工件的形狀、尺寸重量、材質及表面狀態的不同，手部結構是多種多樣的。大部分的手部結構都是根據特定的工件要求而專門設計的。各種手部的工作原理不同，故其結構形態各異。常用的手部按其握持原理可以分為夾持類和吸附類兩大類，還有一些新型的人型機器人末端夾具類似于人的手指，在此也一并作簡單介紹。11.2.1氣吸式52024/8/7伺服系統與工業機器人.hfut氣吸式機器人末端執行器按形成負壓的方法有以下幾種方法：擠壓式吸盤氣流負壓式吸盤真空泵排氣式吸盤氣吸式機器人末端執行器如圖所示，利用吸盤內產的負壓產生的吸力來吸住并移動工件。吸盤就是用的軟橡膠或者是塑料制成的皮碗中形成的負壓來吸住工件。此種機器人末端執行器適用于吸取大而薄、剛性差的金屬或木質板材、紙張、玻璃和弧形殼體等作業零件。根據應用場合不同，末端執行器可以做成單吸盤、雙吸盤、多吸盤或特殊形狀的吸盤。11.2.2機械夾持式62024/8/7伺服系統與工業機器人.hfut直桿式雙氣缸平移夾持器結構圖直桿式雙氣缸平移夾持器的結構如圖所示，夾持器指端安裝在裝有指端安裝座的直桿上，當壓力氣體進入單作用式雙氣缸的兩個有桿腔時，兩活塞向中間移動，工件被夾緊；當沒有壓力氣體進入時，彈簧推動兩個活塞向外伸出，工件被松開。為保證兩活塞同步運動，在氣缸的進氣路上安裝分流閥。上下料裝配工作站采用的是此種末端執行器。11.2.2機械夾持式72024/8/7伺服系統與工業機器人.hfut仿人手型執行器（1）柔性手可對不同外形物體實施抓取，并使物體表面受力比較均勻。每個手指由多個關節串接而成。手指傳動部分由牽引鋼絲繩及摩擦滾輪組成，每個手指由兩根鋼絲繩牽引，一側為握緊，一側為放松。這樣的結構可抓取凹凸外形并使物體受力較為均勻。（2）多指靈巧手機器人手部和手腕最完美的形式是模仿人手的多指靈巧手，多指靈巧手由多個手指組成，每一個手指有三個回轉關節，每一個關節自由度都是獨立控制的。這樣，各種復雜動作都能模仿。11.3驅動系統82024/8/7伺服系統與工業機器人.hfut工業機器人驅動器分類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。驅動系統的作用是提供機器人各部位，各關節動作的原動力。根據能量轉換方式，將驅動器劃分為液壓驅動、氣壓驅動、電氣驅動和混合驅動裝置，如下圖所示。11.3.1電動驅動92024/8/7伺服系統與工業機器人.hfut步進電動機：在控制電路中，給電動機輸入一個脈沖，電動機軸僅旋轉一定的角度，稱為“一個步長的轉動”。這個旋轉角的理論值稱為步距角。因此，步進電動機軸按照與脈沖頻率成正比的速度旋轉。當輸入脈沖停止時，電動機軸在最后的脈沖位置處停止，并產生相對于外力的一個反作用力。因此，步進電動機的控制較為簡單，適用于開環回路驅動器。直流伺服電動機：直流伺服電動機最適合工業機器人的試制階段或競技用機器人。直流伺服電動機的運轉方式有兩種：線性驅動和PWM驅動。線性驅動即給電動機施加的電壓以模擬量的形式連續變化，是電動機理想驅動方式，但在電子線路中易產生大量熱損耗。實際應用較多的是脈寬調制方法，特點是在低速時轉矩大，高速時轉矩急速減小。因此，常用于競技機器人的驅動器。交流伺服電動機：常見的交流伺服電動機有以下三類：籠式感應型電動機、交流整流子型電動機和同步電動機。機器人中采用交流伺服電動機，可以實現精確的速度控制和定位功能。這種電動機還具備直流伺服電動機的基本性質，又可以理解為把電刷和整流子換為半導體元件的裝置，所以也稱為無刷直流伺服電動機。直接驅動電動機：在齒輪、皮帶等減速機構組成的驅動系統中，存在間隙、回差、摩擦等問題。克服這些問題的手段可以借助于直接驅動電動機。該電動機被廣泛地應用于裝配SCARA機器人、自動裝配機、加工機械、檢測機器及印刷機械中。對直接驅動電動機的要求是沒有減速器，但仍要提供大輸出轉矩（推力），可控性要好。11.3.2液壓驅動102024/8/7伺服系統與工業機器人.hfut液壓驅動有以下幾個優點：液壓容易達到較高的單位面積壓力體積較小，可以得較大的推力或轉矩氣流負壓式吸盤。液壓系統介質的可壓縮性小，工作平穩可靠，并可得到較高的位置精度。液壓驅動中，力、速度和方向比較容易實現自動控制。液壓系統采用油液作為介質，其有緩蝕性和自洞滑性，可以提高機械效率。液壓伺服系統主要由液壓源、驅動器、伺服閥、傳感器、控制器等構成。通過這些元件的組合，組成反饋控制系統驅動負載。液壓源產生一定的壓力，通過伺服閥控制液體的壓力和流量從而驅動驅動器。位置指令與位置傳感器的差被放大后得到的電氣信號，然后將其輸入伺服閥中驅動液壓執行器，直到偏差變為零為止。若傳感器信號與位置指令相同，則負載停止運動。液壓傳動的特點是轉矩與慣性比大，也就是單位重量的輸出功率高。液壓驅動也存在不足之處：油液的黏度隨溫度變化而變化，影響工作性能，高溫容易引起燃燒爆炸等危險。液體的泄漏難以克服，要求液壓元件有較高的精度和質量，故造價較高。需要相應的供油系統，尤其是電液伺服系統要求嚴格的濾油裝置，否則會引起液壓驅動方式的輸出力和功率大，能構成何服機構。11.3.3氣動驅動112024/8/7伺服系統與工業機器人.hfut氣壓驅動有以下幾個優點：壓縮空氣黏度小，容易達到高速(1m/s)。利用工廠集中的空氣壓縮機站供氣，不必添加動力設備。空氣介質對環境無污染，使用安全。可直接應用于高溫作業。氣動元件工作壓力低，故制造要求也比液壓元件低。氣壓驅動多用于開關控制和順序控制的機器人。典型的氣壓驅動系統由氣壓發生裝置、執行元件、控制元件和輔助元件四個部分組成。氣壓發生裝置簡稱氣源裝置，是獲得壓縮空氣的能源裝置。執行元件是以壓縮空氣為工作介質，并將壓縮空氣的壓力能轉變為機械能的能量轉換裝置。控制元件又稱為操縱、運算、檢測元件，用來控制壓縮空氣流的壓力、流量和流動方向等，以便使執行機構完成預定的運動規律。輔助元件是壓縮空氣凈化、潤滑、消聲及元件間連接所需要的一些裝置。氣壓驅動也存在不足之處：壓縮空氣常用壓力為4-63Pa，若能獲得較大的出力，其結構就要相對增大空氣壓縮性大，工作平穩性差，速度控制困難，要達到準確的位置控制很圖難。壓縮空氣的除水是一個很重要的問題，處理不當會使鋼類零件生銹，導致機器人失靈。此外，排氣還會造成噪聲污染。11.4機器人感知系統122024/8/7伺服系統與工業機器人.hfut工業機器人傳感器分類機器人感覺系統通常由多種機器人傳感器或視覺系統組成，第一代具有計算機視覺和觸覺能力的工業機器人是由美國斯坦福研究所研制成功的。目前，使用較多的機器人傳感器有位移的傳感器及其工作原理，并對其使用要求以及各種傳感器的選擇方法和評價方法加以介紹。11.4.1.1機器人的位置傳感器132024/8/7伺服系統與工業機器人.hfut接近開關位置傳感器可用來檢測位置，反映某種狀態的開關，和位移傳感器不同，位置傳感器有接觸式和接近式兩種。接觸式傳感器的觸頭由兩個物體接觸擠壓而動作，常見的有行程開關、二維矩陣式位置傳感器等。接近開關是指當物體與其接近到設定距離時就可以發出“動作”信號的開關，它無需和物體直接接觸。接近開關有很多種類，主要有電磁式、光電式、差動變壓器式、電渦流式、電容式、干簧管、霍爾式等。霍爾式接近開關是利用霍爾現象制成的傳感器。11.4.1.2機器人的角度傳感器142024/8/7伺服系統與工業機器人.hfut機器人的角度傳感器有旋轉編碼器和光學編碼器。其中應用最多的旋轉角度傳感器是旋轉編碼器。旋轉編碼器又稱轉軸編碼器、回轉編碼器等，它把連續輸入的軸的旋轉角度同時進行離散化（樣本化）和量化處理后予以輸出。把旋轉角度的現有值，用1bit的二進制碼表示進行輸出，這種形式的編碼器稱為絕對值型；還有一種形式，是每旋轉一定角度，就有1bit的脈沖（1和0交替取值）被輸出，這種形式的編碼器稱為相對值型（増量型）。相對值型用計數器對脈沖進行累積計算，從而可以得知從初始角旋轉的角度。根據檢測方法的不同，可以分為光學式、磁場式和感應式。一般來說，普及型的分辨率能達到2-12的程度，對于高精度型的編碼器其分辦率可以達到2-20的程度。光學編碼器是一種應用廣泛的角位移傳感器，其分辦率完全能滿足機器人技術要求。這種非接觸型傳感器可分為絕對型和增量型。對前者，只要電源加到這種傳感器的機電系統中，編碼器就能給出實際的線性或旋轉位置。因此，用絕對型編碼器裝備的機器人關節不要求校準，通電上，控制器就知道實際的關節位置。而增量型編碼器只能提供與某基準點對應的位置信息。所以用增量型編碼器的機器人在獲得真實位置信息以前，必須首先完成校準程序。線性或旋轉編碼器都有絕對型和增量型兩類，旋轉型器件在機器人中的應用特別多，因為機器人的旋轉關節遠遠多于棱柱形關節。直線編碼器成本高，甚至以線性方式移動的關節，如球坐標機器人都用旋轉編碼器。11.4.1.3機器人的姿態傳感器152024/8/7伺服系統與工業機器人.hfut姿態傳感器是基于MEMS技術的高性能三維運動姿態測量系統。它包含三軸陀螺儀、三軸加速度計，三軸電子羅盤等運動傳感器，通過內嵌的低功耗ARM處理器得到經過溫度補償的三維姿態與方位等數據。利用基于四元數的三維算法和特殊數據融合技術，實時輸出以四元數、歐拉角表示的零漂移三維姿態方位數據。姿態傳感器設置在機器人的軀干部分，它用來檢測移動中的姿態和方位變化，保持機器人的正確姿態，并且實現指令要求的方位。除此以外，還有氣體速率陀螺儀、光陀螺儀，前者利用了姿態變化時，氣流也發生變化這一現象；后者則利用了當環路狀光徑相對于慣性空間旋轉時，沿這種光徑傳播的光，會因向右旋轉而呈現速度變化的現象。姿態傳感器11.4.2.1機器人觸覺傳感器162024/8/7伺服系統與工業機器人.hfut接觸覺傳感器壓覺傳感器滑覺傳感器力覺傳感器11.4.2.2視覺傳感器172024/8/7伺服系統與工業機器人.hfut視覺傳感器是指利用光學元件和成像裝置獲取外部環境圖像信息的儀器，通常用圖像分辨率來描述視覺傳感器的性能。視覺傳感器是整個機器視覺系統信息的直接來源，主要由一個或者兩個圖形傳感器組成，有時還要配以光投射器及其他輔助設備。視覺傳感器可以從一整幅圖像中捕獲光線的數以千計的像素。圖像的清晰和細膩程度通常用分辨率來衡量，以像素數量表示。在捕獲圖像之后，視覺傳感器將其與內存中存儲的基準圖像進行比較，以做出分析。其精度與分辨率以及同被測物體的檢測距離相關，被測物體距離越遠，其絕對的位置精度越差。視覺傳感器的主要功能是獲取足夠的機器視覺系統要處理的最原始圖像。其工業應用包括檢驗、計量、測量、定向、瑕疵檢測和分撿。視覺傳感器分為電荷耦合器件和互補性氧化金屬半導體CMOS兩種。11.4.2.3機器人距離傳感器182024/8/7伺服系統與工業機器人.hfut1.超聲波距離傳感器超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是一種振動頻率高于聲波的機械波，由換能晶片在電壓的激勵下發生振動產生的，它具有頻率高、波長短、繞射現象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點。超聲波對液體、固體的穿透本領很大，尤其是在陽光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質或分界面會產生顯著反射形成回波，碰到活動物體能產生多普勒效應。因此超聲波檢測廣泛應用在工業、國防、生物醫學等方面。2.接近覺傳感器探測非常近物體存在的傳感器稱為接近覺傳感器，相同極性的磁鐵彼此靠近時斥力與距離的平方成反比，所以探測排斥力就可知道兩磁鐵的接近程度，這是最為熟知的接近覺傳感器。可是作為機器人用的接近覺傳感器，由于物體大多數不是磁性體，所以不能利用磁鐵的傳感器。11.4.2.4機器人聽覺傳感器192024/8/7伺服系統與工業機器人.hfut聽覺傳感器是人工智能裝置，是機器人中必不可少的部件；它是利用語音信號處理技術制成的。機器人由聽覺傳感器實現“人—機”對話。一臺機器人不僅能聽懂人講的話，且能講出人能聽懂的語言，賦予機器人這些智慧和技術統稱語音處理技術，前者為語言識別技術，后者為語音合成技術。具有語音識別功能的傳感器稱為聽覺傳感器。聽覺傳感器是檢測出聲波（包括超聲波）或聲音的傳感器，用于識別聲音的信息傳感器。在所有的情況下，都使用話筒等振動檢測器作為檢測元件。在識別輸入的語音時，可以分為特定人說話方式及非特定人說話方式。特定人說話方式的識別率比較高。為了便于存儲標準語音波形及選配語音波形，需要對輸入的語音波形頻帶進行適當的分割，將每個采樣周期內各頻帶的語音特征能量抽取出來。11.5.1示教器202024/8/7伺服系統與工業機器人.hfut示教器示意圖工業機器人示教器又叫示教編程器（以下簡稱示教器）是機器人控制系統的核心部件，是一個用來注冊和存儲機械運動或處理記憶的設備，該設備是由電子系統或計算機系統執行的。它屬于人機交互設備的一種，操作者可以通過示教器操作工業機器人運動、完成示教編程、實現對系統的設定、故障診斷等。示教器人機界面11.5.2控制器212024/8/7伺服系統與工業機器人.hfut控制器是用于控制機器人坐標軸位置和運動軌跡的裝置，輸出運動軸的插補脈沖，其功能與數控系統非常類似。控制器常用的結構圖有工業計算機和PLC兩種。工業計算機型機器人控制器的主機和通用計算機并無本質區別，但機器人控制器需要增加傳感器、驅動器接口等硬件，這種控制器的兼容性好、軟件安裝方便、網絡通信容易。PLC型控制器以類似PLC的CPU模塊作為中央處理器，然后通過選配各種PLC功能模塊，如測量模塊、軸控制模塊等，來實現對機器人的控制，這種控制器配置靈活，模塊通用性好、可靠性高。