工業機器人基本組成及技術參數

如圖所示, 工業機器人系統由三大部分六個子系統組成。三大部分是: 機械部分、傳感部分、控制部分。六個子系統是: 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、控制系統。下面将分述六個子系統。

工業機器人的基本組成

工業機器人三大構件

1. 驅動系統

要使機器人運行 起來, 就需 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; 可以直接驅動或者通過同步帶、鍊條、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 件都有若幹自由度, 構成一個多自由度的機械系統。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、焊具等作業工具。

3. 感受系統

它由内部傳感器 模塊和外部傳 感器模 塊組成, 獲取内部和外部環 境狀 态中有意義的信息。智能傳感器的使用提高了機器人的機動性、适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, 對于一些特殊的信息, 傳感器比人類的感受系統更有效。

4. 機器人-環境交互系統

工業機器人環境 交互系 統是實現工業機 器人與外部環境中的設備相互聯系和協 調的系統。工業機器人與外部設備集成為一個功能單元, 如加工制造單元、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與機器人進行聯系的裝置。例如, 計算機的标準終端, 指令控制台, 信息顯示闆, 危險信号報警器等。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

控制系統的任務是根據機器人的作業指令程序以及從傳感器反饋回來的信号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征, 則為開環控制系統; 若具備信息反饋特征, 則為閉環控制系統。根據控制原理可分為程序控制系統, 适應性控制系統和人工智能控制系統。根據控制運動的形式可分為點位控制和軌迹控制。

技術參數 是各工 業機器人 制造商在産品供 貨時所提供的技術數據, 表 1-1 提供的 幾種工業機器人的主要技術參數是從國内外工業機器人産品樣本中摘錄出來的, 僅供參考。盡管各廠商所提 供的技 術參數項目是不 完全一樣的, 工業機 器人的 結構、用途等 有所不同, 且用戶的要求也不同, 但是, 工業機器人 的主要技術參數一般都應有: 自由度、重複定位精度、工作範圍、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 的獨立坐标軸運 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态( 簡稱位姿) 需要 6 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, 可以在印刷電路闆上接插電子器件; 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, 亦可簡稱冗餘 度機器人。例如, PUMA562 機器人去執 行印刷電 路闆上 接插電子 器件的 作業時就 成為冗餘 度機器人。利用冗餘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. 重複定位精度

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标位置之間的差異。重複定位精度是指機器人重複定位其手部于同一目标位置的能力, 可以用标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, 如圖所示。

3. 工作範圍

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, 也叫做工作區域。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, 所以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, 機器人在執行某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1-6 和圖1-7 所示分别為P UMA 機器人和 A 4020 機器人的工作範圍。

PUMA機器人工作範圍

4. 最大工作速度

最大工作速度, 有的廠家指工業機器人主要自由度上最大的穩定 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裝配機器人工作範圍

5. 承載能力

承載能力是指機 器人在工作範 圍内的 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 能力這一技術指标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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