工业机器人的驱动方式.资料

题目1、工业串联机器人常用的驱动方式、传动系统、传感器类型比较

2、智能移动机器人的驱动方式、传动系统、传感器类型比较

3、现在机器人的控制系统、控制结构

概述

机器人问世已有几十年但没有一个统一的意见。原因之一是机器人还在发

展另一原因主要是因为机器人涉及到了人的概念成为一个难以回答的哲学问

题。也许正是由于机器人定义的模糊才给了人们充分的想象和创造空间。

美国机器人协会RIA)一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置的

通过程序动作来执行各种任务并具有编程能力的多功能操作机。

美国家标准局一种能够进行编程并在自动控制下完成某些操作和移动作业

任务或动作的机械装置。

1987年国际标准化组织(ISO)对工业机器人的定义“工业机器人是一种具

有自动控制的操作和移动功能能完成各种作业的可编程操作机。

日本工业标准局一种机械装置在自动控制下能够完成某些操作或者动

作功能。

英国貌似人的自动机具有智力的和顺从于人的但不具有人格的机器。

中国我国科学家对机器人的定义是“机器人是一种自动化的机器这种

机器具备一些与人或生物相似的智能能力如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力是一种具有高度灵活性的自动化机器”。

尽管各国定义不同但基本上指明了作为“机器人”所具有的二个共同点(1) 是一种自动机械装置可以在无人参与下自动完成多种操作或动作功

能即具有通用性。

(2)可以再编程程序流程可变即具有柔性(适应性。

机器人是20世纪人类伟大的发明比尔?盖茨预言机器人即将重复PC机

崛起的道路彻底改变这个时代的生活方式。

机器人学集中了机械工程、材料科学、电子技术、计算机技术、自动控制理

论及人工智能等多学科的最新研究成果代表了机电一体化的最高成就是当代

科学技术发展最活跃的领域之一。

概述

驱动方式

现代工业机器人的驱动方式主要有三种气动驱动、液压驱动和电动驱动。

气动驱动

机器人气动驱动系统以压缩空气为动力源。气动驱动机器人具有气源方便系统结构简单动作快速灵活不污染环境以及维护方便、价格便宜、适合在恶劣工况高温、有毒、多粉尘条件下工作等特点。常用于冲床上下料小零件装配、食品包装及电子元件输送等作业中。由于气体可压缩遇阻时具有容让性因此也常用作机器人手爪的驱动源。

气动驱动系统的组成

1气源气动机器人可直接使用工厂压缩空气站的气源或自行设置气源

一般气体压力约0.5~0.7MPa流量200~500L/h。

2控制调节元件包括气动阀、快速排气阀、调压器、制动器、限位器等3辅助元件与装置包括分水过滤器以及油雾器和调压器做成组装式结构称

为气动三联件。

4气动动力机构机器人中用的是直线气缸和摆动气缸。

5制动器由于气缸活塞的速度较高因此要求机器人准确定位时需采用制

动器。制动方式有反压制动。制动装置制动。

6限位器包括限位开关接触式和非接触式及限位挡块式锁紧结构。

液压驱动

在机器人的发展过程中液压驱动是较早被采用的驱动方式。世界上首先问世的商品化机器人尤尼美特就是液压机器人。液压驱动主要用于中大型机器人和有防爆要求的机器人。

液压驱动的组成

1.油源通常把油箱、滤油器、压力表等构成单元称为油源。通过电机带动油泵

把油箱中的低压油变成高压油供给液压执行机构。机器人液压系统的油液工作压力一般是7~14MPa。

2.执行机构液压系统的执行机构分为直线油箱和回转油箱。机器人运动部件的直线运动和回转运动绝大多数都是直接用直线缸和回转缸驱动产生叫做直接驱

动方式有时由于结构安排的需要也可以用转换产生回转或直线运动

3.控制调节原件有溢流阀电磁阀单向阀节流阀等。

4.辅助元件蓄能器等。

电动驱动系统

1.电动驱动系统的组成

电动驱动系统的主要组成部分有位置比较控制器速度比较控制器,信号和功率放大器,驱动电机,减速器,以及构成闭环伺服驱动系统不可缺少的位置和速度检测反馈部分,对于采用步进电机的驱动系统, 则没有反馈环节,构成的是开环

系统。

2.机器人常用驱动电抓的特点和应用范围

工业机器人常用驱动电机分为三大类直流伺服电机, 交流伺服电机, 步进电机。直流伺服电机的控制电路较简单, 系统价格较低廉, 但电机电刷有磨损, 需定时调整及更换, 既麻烦又影响性能, 电刷还能产生火花, 易引爆可燃物质如

漆雾、粉尘等 ,有时不够安全。交流伺服电机结构较简单, 无电刷,运行安全可靠, 但控制电路较复杂, 系统价格较高,步进电机是以电脉冲便其转子产生转

角, 控制电路较简单, 也不需要检测反馈环节, 因此价格较低廉, 但步进电机的功率不大、不适用于大负荷的机器人。

工业机器人驱动电机功率的远择要考虑两方面的因素一是在最高速度、最大负荷条件下所需的动力, 二是在规定时间内能使负荷加、减速至规定值所需的动力, 通常更多的是根据后者来选定。

传动机构

机器人传动机构的基本要求

(1) 结构紧凑即同比体积最小、重量最轻

(2) 传动刚度大即承受扭矩时角度变形要小以提高整机的

固有领率降低整机的低频振动

(3) 回差小即由正转到反转时空行程要小以得到较高的位

置控制精度

(4) 寿命长、价格低。

类型

齿轮传动、谐波传动、行星传动RV、涡轮传动、链传动、齿形带传动、钢带

传动、钢绳传动、连杆及摇块传动、滚动螺旋传动、齿轮齿条传动等

其中腰关节最常用谐波传动、齿轮/蜗轮传动臂关节最常用谐波传动、RV摆线针轮行星传动和滚动螺旋传动。腕关节最常用齿轮传动、谐波传动、同步带传动和纲绳传动。

1.齿轮传动齿轮传动是利用两齿轮的轮齿相互啮合传递动力和运动的机械传动。按齿轮轴线的相对位置分平行轴圆柱齿轮传动、相交轴圆锥齿轮传动和交错轴螺旋齿轮传动。具有结构紧凑、效率高、寿命长等特点。

2.谐波传动谐波传动是利用一个构建的可控制的弹性变形来实现机械运动的传

递。谐波传动通常由三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。柔轮的外齿数扫与刚轮的内齿数。在波发生器转动时

相应与长轴方向的柔轮外齿正好完全啮入刚轮的内齿在短轴方向则外齿全脱

开内齿。当刚轮固定波发生器发生转动时柔轮的外齿将依次啮入和啮出刚轮的内齿柔轮齿圈上的任意一点的径向位移将呈近似于余弦波形的变化所以这

种传动称为谐波传动。

3.行星传动行星齿轮传动的主要特点是体积小承载能力大工作平稳但大

功率高速行星齿轮传动结构较复杂要求制造精度高。行星齿轮传动中有些类型

效率高但传动比不大。另一些类型则传动比可以很大但效率较低用它们作减速器时其效率随传动比的增大而减小作增速器时则有可能产生自锁。常见行星齿轮传动的类型和性能见附表[常见行星齿轮传动的类型和性能]。差动轮系可以把两个给定运动合成起来也可把一个给定运动按照要求分解成两个基本件

的运动。汽车差速器就是分解运动的例子。行星齿轮传动应用广泛并可与无级变速器、液力耦合器和液力变矩器等联合使用进一步扩大使用范围。

4.涡轮传动蜗杆传动由蜗杆和蜗轮组成一般蜗杆为主动件。蜗杆和螺纹一样有右旋和左旋之分分别称为右旋蜗杆和左旋蜗杆。蜗杆上只有一条螺旋线的称为单头蜗杆即蜗杆转一周蜗轮转过一齿若蜗杆上有两条螺旋线就称为双

头蜗杆即蜗杆转一周蜗轮转过两个齿。

5.链传动链传动是通过链条将具有特殊齿形的主动链轮的运动和动力传递到具

有特殊齿形的从动链轮的一种传动方式。

6.齿形带传动带传动是利用张紧在带轮上的柔性带进行运动或动力传递的一种

机械传动。根据传动原理的不同有靠带与带轮间的摩擦力传动的摩擦型带传动

也有靠带与带轮上的齿相互啮合传动的同步带传动。

6.钢带传动刚带传动具有运动准确、耐高温、耐冲击、无噪音寿命持久结构简单使用方便价格便宜等一系列优点

7.钢绳传动钢丝绳传动是简单有效的传动方式。其典型的应用是采用多股钢丝绳缠绕在两个传动轮上钢丝绳端部固定在大轮上应用多股钢丝绳传递转矩。

8.螺旋传动利用螺杆和螺母的啮合来传递动力和运动的机械传动。主要用于将旋转运动转换成直线运动将转矩转换成推力。

传感器

目前机器人只具有视觉、听觉、和触觉这些感觉是通过相应的传感器得到的。传感器按一定的规律实现信号检测并将被测量通过变送器变成另外一种物理量。传感器一般由敏感元件、转换元件、基本转换电路组成。如图

机器人用的传感器可分为检测内部状态信息传感器和检测外部对象和外部环境状态的外部信息传感器。内部信息传感器包括检测位置、速度、力、力矩、温度以及异常变化的传感器。外部信息传感器包括视觉传感器、触觉传感器、力觉传

感器接近觉传感器家、角度传感器等。

1.电位器

电位器是一种典型的位置传感器可分直线型测量位移和旋转性测量角度。

电位器由环状或棒状电阻丝和滑动片组成。分为导电塑料、线绕式混合式等滑片型和磁阻式、光标式等非接触式。

2.测速发电机

测速发电机是一种检测机械转速的电磁装置。他利用发电机原理把机械转速变换成电压信号其输出电压与输入的转速成正比关系。

3.光学编码器

光学编码器是一种通过广电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或者数字量的传感器。光电编码器是一种在伺服控制系统中应用非常广泛的高精度的位移传感器。通常分为增量式和绝对式。

4.触觉传感器

用于机器人中模仿触觉功能的传感器。按照所采用的敏感元件的不同可分为压阻、电容、按照功能大致可分为触觉传感器、力-力矩传感器、压觉传感器和滑觉传感器

5.力-力矩传感器

力和力矩传感器是用来检测设备内部力或与外部环境相互作用力为目的的。力不是直接可测量的物理量而是通过其他物理量间接测量出来的。其测试方法包括

a通过检测物体弹性变形测量力。

b通过检测物体压电效应测量力。

c通过检测物体压磁效应测量力。

d采用电动机、液压马达驱动的设备可以通过检测电动机电流及液压马达油压等方法测量力或转矩。

e装有速度加速度传感器装置的设备可以通过速度与加速度的测量推出测量力。

6.滑觉传感器

滑觉传感器是检测垂直加压方向力和位移的传感器如图1

用用手爪抓取处于水平位置的物体时手爪对物体施加水平压力如果压力较小

垂直方向作用的重力会克服这个压力使物体下滑。

7.接近传感器

机器人应用的接近传感器主要有磁力式、红外线式、超声波式等类型的测距传感器。

8.视觉传感器

机器人视觉系统的重要特点是数据量大且要求处理速度快。实用的机器人视觉系统由硬件和软件两部分组成。

硬件部分包括景物和距离传感器、照明和光学系统、视频信号数字化设备、视频信号快速处理器、计算机及其外设、机器人或机械手及其控制器。

软件部分包括计算机系统软件、机器人视觉处理算法、机器人控制软件。

控制系统和控制结构

1.基本功能

机器人控制系统是机器人的重要组成部分用于对操作机的控制以完成特定的

工作任务其基本功能如下

(1)记忆功能存储作业顺序、运动路径、运动方式、运动速度和与生产工艺有关的信息。

(2)示教功能离线编程在线示教间接示教。在线示教包括示教盒和导引示教两种。

(3)与外围设备联系功能输入和输出接口、通信接口、网络接口、同步接口。

(4)坐标设置功能有关节、绝对、工具、用户自定义四种坐标系。

(5)人机接口示教盒、操作面板、显示屏。

(6)传感器接口位置检测、视觉、触觉、力觉等。

(7)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。

(8)故障诊断安全保护功能运行时系统状态监视、故障状态下的安全保护和故障自诊断。

2. 机器人控制系统的组成

1控制计算机控制系统的调度指挥机构。一般为微型机、微处理器有32位、

64位等如奔腾系列CPU以及其他类型CPU。

2示教盒示教机器人的工作轨迹和参数设定以及所有人机交互操作拥有

自己独立的CPU以及存储单元与主计算机之间以串行通信方式实现信息交互。

3操作面板由各种操作按键、状态指示灯构成只完成基本功能操作。

4硬盘和软盘存储存储机器人工作程序的外围存储器。

5数字和模拟量输入输出各种状态和控制命令的输入或输出。

6打印机接口记录需要输出的各种信息。

7传感器接口用于信息的自动检测实现机器人柔顺控制一般为力觉、触

觉和视觉传感器。

8轴控制器完成机器人各关节位置、速度和加速度控制。

9辅助设备控制用于和机器人配合的辅助设备控制如手爪变位器等。

10通信接口实现机器人和其他设备的信息交换一般有串行接口、并行接

口等。

11网络接口

3. 机器人控制系统分类

(1)程序控制系统给每一个自由度施加一定规律的控制作用机器人就可实现要求的空间轨迹。

(2)自适应控制系统当外界条件变化时为保证所要求的品质或为了随着经验的积累而自行改善控制品质其过程是基于操作机的状态和伺服误差的观察

再

调整非线性模型的参数一直到误差消失为止。这种系统的结构和参数能随时间和条件自动改变。

(3)人工智能系统事先无法编制运动程序而是要求在运动过程中根据所获得的周围状态信息实时确定控制作用。

4. 机器人控制系统结构

机器人控制系统按其控制方式可分为三类。

(1)集中控制方式用一台计算机实现全部控制功能结构简单成本低但实时性差难以扩展其构成框图如图2所示。

(2)主从控制方式采用主、从两级处理器实现系统的全部控制功能。主CPU实现管理、坐标变换、轨迹生成和系统自诊断等从CPU实现所有关节的动作控制。其构成框图如图3所示。主从控制方式系统实时性较好适于高精度、高速度控制但其系统扩展性较差维修困难。

(3)分散控制方式按系统的性质和方式将系统控制分成几个模块每一个模块各有不同的控制任务和控制策略各模式之间可以是主从关系也可以是平等关

系。这种方式实时性好易于实现高速、高精度控制易于扩展可实现智能控制是目前流行的方式其控制框图如图4所示。