一、工業(yè)機器人的基本組成

如圖所示, 工業(yè)機器人系統(tǒng)由三大部分六個子系統(tǒng)組成。三大部分是: 機械部分、傳感部分、控制部分。六個子系統(tǒng)是: 驅動系統(tǒng)、機械結構系統(tǒng)、感受系統(tǒng)、機器人-環(huán)境交互系統(tǒng)、人-機交互系統(tǒng)、控制系統(tǒng)。下面將分述六個子系統(tǒng)。

工業(yè)機器人的基本組成

工業(yè)機器人三大構件

1. 驅動系統(tǒng)

要使機器人運行 起來, 就需 給各個關節(jié)即每 個運動自由度安 置傳動 裝置, 這就是 驅動系統(tǒng)。驅動系統(tǒng)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(tǒng); 可以直接驅動或者通過同步帶、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(tǒng)

工業(yè)機器人的機械結構系統(tǒng)由機身、手臂、末端操作器三大件組成, 如圖所示。每一大 件都有若干自由度, 構成一個多自由度的機械系統(tǒng)。若機身具備行走機構便構成行走機器人;若機身不具備行走及腰轉機構, 則構成單機器人臂( Singl e R obot Arm) 。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(yè)工具。

3. 感受系統(tǒng)

它由內部傳感器 模塊和外部傳 感器模 塊組成, 獲取內部和外部環(huán) 境狀 態(tài)中有意義的信息。智能傳感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(tǒng)對感知外部世界信息是極其靈巧的。然而, 對于一些特殊的信息, 傳感器比人類的感受系統(tǒng)更有效。

4. 機器人-環(huán)境交互系統(tǒng)

工業(yè)機器人環(huán)境 交互系 統(tǒng)是實現(xiàn)工業(yè)機 

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器人與外部環(huán)境中的設備相互聯(lián)系和協(xié) 調的系統(tǒng)。工業(yè)機器人與外部設備集成為一個功能單元, 如加工制造單元、焊接單元、裝配單元等。當然, 也可以是多臺機器人, 多臺機床或設備, 多個零件存儲裝置等集成一個去執(zhí)行復雜任務的功能單元。

5. 人-機交互系統(tǒng)

人-機交互系統(tǒng)是使操作人員參與機器人控制與機器人進行聯(lián)系的裝置。例如, 計算機的標準終端, 指令控制臺, 信息顯示板, 危險信號報警器等。歸納起來為兩大類: 指令給定裝置和信息顯示裝置。

6. 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)的任務是根據(jù)機器人的作業(yè)指令程序以及從傳感器反饋回來的信號支配機器人的執(zhí)行機構去完成規(guī)定的運動和功能。假如工業(yè)機器人不具備信息反饋特征, 則為開環(huán)控制系統(tǒng); 若具備信息反饋特征, 則為閉環(huán)控制系統(tǒng)。根據(jù)控制原理可分為程序控制系統(tǒng), 適應性控制系統(tǒng)和人工智能控制系統(tǒng)。根據(jù)控制運動的形式可分為點位控制和軌跡控制。

二、工業(yè)機器人技術參數(shù)

技術參數(shù) 是各工 業(yè)機器人 制造商在產(chǎn)品供 貨時所提供的技術數(shù)據(jù), 表 1-1 提供的 幾種工業(yè)機器人的主要技術參數(shù)是從國內外工業(yè)機器人產(chǎn)品樣本中摘錄出來的, 僅供參考。盡管各廠商所提 供的技 術參數(shù)項目是不 完全一樣的, 工業(yè)機 器人的 結構、用途等 有所不同, 且用戶的要求也不同, 但是, 工業(yè)機器人 的主要技術參數(shù)一般都應有: 自由度、重復定位精度、工作范圍、最大工作速度、承載能力等。

1. 自由度

自由度是 指機器人所具有 的獨立坐標軸運 動的數(shù)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(tài)( 簡稱位姿) 需要 6 個自由度。但是, 工業(yè)機器人的自由度是根據(jù)其用途而設計的, 可能小于 6 個自由度, 也可能大于 6 個自由度。例如,A 4020 裝配機器人具有 4 個自由度, 可以在印電路板上接插電子器件; PUMA 562 機器人具 有 6 個自由度, 如圖 所示, 可以進行復雜空間曲面的弧焊作業(yè)。從運動學的觀點看, 在完成某一特定作業(yè)時具有多余自由度的 機器人, 就叫做冗余自由度 機器人, 亦可簡稱冗余 度機器人。例如, PUMA562 機器人去執(zhí) 行印電 路板上 接插電子 器件的 作業(yè)時就 成為冗余 度機器人。利用冗余的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 7 個自 由度, 所以工作起來很靈巧, 手部可回避障礙物從不同方向到達同一個目的點。

PUMA562機器人

2. 重復定位精度

工業(yè)機器人精度是指定位精度和重復定位精度。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。重復定位精度是指機器人重復定位其手部于同一目標位置的能力, 可以用標準偏差這個統(tǒng)計量來表示, 它是衡量一列誤差值的密集度, 即重復度, 如圖所示。

3. 工作范圍

工作范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, 也叫做工作區(qū)域。因為末端操作器的形狀和尺寸是多種多樣的, 為了真實反映機器人的特征參數(shù), 所以是指不安裝末端操作器時的工作區(qū)域。工作范圍的形狀和大小是十分重要的, 機器人在執(zhí)行某作業(yè)時可能會因為存在手部不能到達的作業(yè)死區(qū)( dead zone) 而不能完成任務。圖1-6 和圖1-7 所示分別為P UMA 機器人和 A 4020 機器人的工作范圍。

PUMA機器人工作范圍

4. 最大工作速度

最大工作速度, 有的廠家指工業(yè)機器人主要自由度上最大的穩(wěn)定 速度, 有的 廠家指手臂末端最大的合成速度, 通常都在技術參數(shù)中加以說明。很明顯, 工作速度愈高, 工作效率愈高。但是, 工作速度愈高就要花費更多的時間去升速或 降速, 或者 對工業(yè)機器人的最大加速度率或最大減速度率的要求更高。

A4020裝配機器人工作范圍

5. 承載能力

承載能力是指機 器人在工作范 圍內的 任何位 置上所能承受的 最大質 量。承載 能力不 僅決定于負載 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。

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