第一章工業(yè)機器人

1、第1章工業(yè)機器人及其發(fā)展1.1工業(yè)機器人的發(fā)展歷史回顧“機器人”（Robota）一詞最早出現(xiàn)在本世紀(jì)初的科幻小說中，是劇作家筆下的具有人的外表、特征和功能的機器，是一種人造的勞動力。在我國采用的是意譯，而實際上的機器人特別是工業(yè)機器在外型上很少與人相似之處。 現(xiàn)代機器人的研究始于20世紀(jì)中期，其技術(shù)背景是計算機和自動化的發(fā)展以及原子能的開發(fā)和利用。 自1946年第一臺數(shù)字電子計算機（ENIAC）研制成功以來，計算機取得了驚人的進步，目前正向高速、大容量、低價格的方向發(fā)展。 省力化和大批量生產(chǎn)等的迫切要求，推動了自動化技術(shù)的進展，其結(jié)果之一便是1952年數(shù)控機床的誕生。 另一方面，原子能實驗室的

2、惡劣環(huán)境要求某種操作機械代替人處理放射性物質(zhì)，在這一背景下，美國原子能委員會的爾貢研究所于1941年開發(fā)了遙控機械手，1946年又開發(fā)了機械式的主從機械手。 1954年美國George .Devol最早提出了工業(yè)機器人的思想,發(fā)明了一種可編程序的關(guān)節(jié)型搬運裝置,并申請了專利,該專利的要點是借助于伺服技術(shù)控制機器人的關(guān)節(jié),利用人手對機器人進行示教,機器人能實現(xiàn)動作的記錄和再現(xiàn),這就是所謂的示教再現(xiàn)機器人。在此基礎(chǔ)上，1958年美國的CONSOLIDATEEL公司制造了第一臺工業(yè)機器人；作為機器人產(chǎn)業(yè)出售的最早實用機器人是1962年美國AMF公司推出的“VERSTRAN”和“UNIMATION”公

3、司推出的“UNIMATE”，這些工業(yè)機器人的控制方式與NC機床大致相同，但外形特征迥異，主要由類似人的手和臂組成。由于歷史條件和技術(shù)水平的關(guān)系，60年代機器人發(fā)展較慢。70年代后，焊接、噴漆機器人相繼在工業(yè)中得到應(yīng)用和推廣。隨著計算機技術(shù)、控制技術(shù)、人工智能的發(fā)展，機器人技術(shù)也得到了迅速發(fā)展，出現(xiàn)了更為先進的可配視覺、觸覺的機器人。80年代，為了適應(yīng)市場多變的需要，制造業(yè)在生產(chǎn)方式上產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍，多品種、小批量概念誕生，出現(xiàn)了適應(yīng)此種生產(chǎn)模式的以NC機床、加工中心和工業(yè)機器人為代表的柔性制造系統(tǒng)FMS。FMS是現(xiàn)代制造業(yè)革命進入歷史新紀(jì)元的里程碑。工業(yè)機器人作為現(xiàn)代制造業(yè)的柔性設(shè)備受到人們的

4、普遍重視。到80年代中期，世界工業(yè)機器人年增長率達(dá)到30%，迎來了工業(yè)機器人的大發(fā)展階段,也因此80年被認(rèn)為是機器人元年。 進入90年代以來，如何利用技術(shù)提供的可能性，抓住用戶的心理，滿足用戶的愿望及要求，加速新產(chǎn)品的構(gòu)思及概念的形成，并在最短的時間內(nèi)開發(fā)出高質(zhì)量及較低價格的新產(chǎn)品，成為市場競爭的新焦點。在現(xiàn)代制造自動化系統(tǒng)中，傳統(tǒng)機械的機器人化以及新一代的機器人化機器，成為重要的發(fā)展方向，機器人再次受到青睞。 據(jù)國際機器人聯(lián)合會1994年的統(tǒng)計，在全世界已投入運行的61萬臺工業(yè)機器人中，絕大多數(shù)用于制造業(yè)。例如，日本擁有世界機器人總數(shù)的60%，約37萬臺，用于制造業(yè)的機器人占日本世界機器人總

5、數(shù)的96%?，F(xiàn)在每萬名制造業(yè)職工擁有機器人約350臺，日本汽車制造業(yè)職工大約使用811臺機器人，機器人成為現(xiàn)代制造業(yè)的主力軍。 各國制造企業(yè)家已取得共識,即提高勞動生產(chǎn)率，增加產(chǎn)量主要依靠機器人，而不是增加就業(yè)人數(shù)。據(jù)國際機器人聯(lián)合會（IFR）1995年統(tǒng)計，機器人的銷售增長較快，1995年比1994年增長了22%。預(yù)計1995年到1998年世界機器人銷售的平均增長率為19%，到2000年，世界機器人的安裝總數(shù)將增加到100萬臺。從應(yīng)用領(lǐng)域來看，機器人主要集中在制造業(yè)的焊接、裝配、機加工、電子、精密機械等領(lǐng)域。隨著機器人的普及應(yīng)用，工業(yè)機器人技術(shù)也取得較快發(fā)展。 近年來，工業(yè)機器人的傳感器技術(shù)

6、、控制技術(shù)、主體結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵技術(shù)也進展較快，目前已研制出各種新型機器人傳感器。因此，下一世紀(jì)將是傳感器發(fā)生革命性變化的時代。超小型化、高可靠性及廉價的新型傳感器的出現(xiàn)，將從根本上改變機器人編程及控制系統(tǒng)的設(shè)計。 機器人新材料及彈性臂的研究，可能出現(xiàn)負(fù)載自重比為1/2的輕型機器人。在驅(qū)動單元研究方面，出現(xiàn)了傳感器與驅(qū)動器一體化的趨勢。 工業(yè)機器人的編程語言和編程方式也取得了較大進展，機器人語言將會象計算機語言一樣規(guī)范化，機器人的編程也可望與機床的數(shù)控設(shè)備一樣，完全實現(xiàn)離線編程。 由于工業(yè)機器人的應(yīng)用范圍不斷擴大，機器人已從當(dāng)初的柔性上下料裝置變?yōu)榭删幊痰母叨热嵝詥卧伞安考l(fā)展方式”向“系統(tǒng)發(fā)展

7、方式”轉(zhuǎn)移。21世紀(jì)的制造業(yè)將進入一個新的階段，由面向市場多變生產(chǎn)轉(zhuǎn)向面向顧客生產(chǎn)，敏捷制造企業(yè)（AGIENT ENTERPRISE）將是未來企業(yè)的主導(dǎo)模式，以機器人為核心的可重組的加工和裝配系統(tǒng)，已成為工業(yè)機器人和敏捷制造業(yè)的重要發(fā)展方向。1.2我國機器人技術(shù)研究發(fā)展概況 我國機器人學(xué)研究起步較晚，但進步較快，已經(jīng)在工業(yè)機器人、特種機器人和智能機器人各個方面區(qū)的了明顯的成就，為我國機器人學(xué)的發(fā)展打下了堅實的基礎(chǔ)。我國工業(yè)機器人起步于20世紀(jì)70年代初，經(jīng)過20多年的發(fā)展，大致可分為三個階段：70年代的萌芽期，80年代的開發(fā)期，90年代的實用化期。在第一臺機械手出現(xiàn)后20年，我國于1972年開

8、始研制工業(yè)機器人，由上海起，接著天津，吉林，哈爾濱，廣州，昆明等十幾個研究單位和院校分別開發(fā)了固定程序、結(jié)合式、液壓伺服型同用機器人，并開始了機構(gòu)學(xué)（包括步行機構(gòu)）、計算機控制和應(yīng)用技術(shù)的研究，這些機器人大約有1/3用于生產(chǎn)。在該技術(shù)的推動下，隨著改革開放方針的實施，我國機器人技術(shù)的發(fā)展得到政府的重視和支持，在80年代中期，國家組織了對工業(yè)機器人的需求的行業(yè)的調(diào)研，結(jié)果表明，對第二代工業(yè)機器人的需求主要集中于汽車行業(yè)（占總需要的60%70%）。在眾多的專家的建議和規(guī)劃下，于“七五”期間，由機電部主持，中央各部委，中科院及地方十幾所科研院所和大學(xué)參加，國家投入相當(dāng)?shù)馁Y金，進行了工業(yè)機器人基礎(chǔ)技術(shù)

9、，基礎(chǔ)元器件，幾類工業(yè)機器人整機及應(yīng)用工程的開發(fā)研究，完成了示教再現(xiàn)式工業(yè)機器人成套技術(shù)（包括機械手、控制系統(tǒng)、驅(qū)動傳動單元、測試系統(tǒng)的設(shè)計、制造、應(yīng)用和小批量生產(chǎn)的工藝技術(shù)等）的開發(fā)，研制出噴涂、弧焊、點焊和搬運等作業(yè)機器人整機，幾類專用和通用控制系統(tǒng)及幾類關(guān)鍵元部件如交、直流伺服馬達(dá)驅(qū)動單元機器人專用薄壁軸承、諧波傳動系統(tǒng)、焊接電源和變壓器等，并在生產(chǎn)中經(jīng)過實用考核，其主要性能指標(biāo)達(dá)到80年代初國際同類產(chǎn)品的水平，且形成小批量生產(chǎn)能力。在應(yīng)用方面，在第二汽車廠建立的我國第一條采用國產(chǎn)機器人的生產(chǎn)線東風(fēng)系列駕駛室多品種混流機器人噴涂生產(chǎn)線，該線由7臺國產(chǎn)PJ系列噴涂機器人和PM系列噴涂機器人

10、和周邊設(shè)備構(gòu)成，已運行十年，完成噴涂20萬輛東風(fēng)系列駕駛室的生產(chǎn)任務(wù)，成為國產(chǎn)機器人應(yīng)用的一個窗口；此外，還建立了幾個弧焊和點焊機器人工作站。與此同時，還研制了幾種SCARA型裝配機器人樣機，并進行了試應(yīng)用。在基礎(chǔ)技術(shù)研究方面，解剖了國外10余種先進的機型，并進行了機構(gòu)學(xué)，控制編程，驅(qū)動傳動方式，檢測等基礎(chǔ)理論與技術(shù)的系統(tǒng)研究。開發(fā)出具有國際先進水平的測量系統(tǒng)，編制了我國工業(yè)機器人標(biāo)準(zhǔn)體系和12項國標(biāo)，行標(biāo)。為了跟蹤國外高技術(shù)，80年代在國家高技術(shù)計劃中，安排了智能機器人的研究開發(fā)，包括水下無纜機器人，高功能裝配機器人（DD驅(qū)動）和各類特種機器人，進行了智能機器人體系結(jié)構(gòu)，機構(gòu)控制，人工智能機

11、器視覺，高性能傳感器及新材料的應(yīng)用研究已取得一批成果。這些技術(shù)的實用化將加速我國第二代機器人的發(fā)展。經(jīng)過80年代尤其是后50年的努力，吸引了160多個單位從事機器人及其相關(guān)技術(shù)的研究力量，形成了京津、東北、華東、華南等機器人技術(shù)地區(qū)和十幾家優(yōu)勢單位，培養(yǎng)了一支2000多人的工業(yè)機器人設(shè)計、研制、應(yīng)用隊伍，造就了一批機器人專家，使我國的工業(yè)機器人技術(shù)發(fā)展基本上可以立足于國內(nèi)。 90年代初期，我國主要開發(fā)下列機器人及其相關(guān)技術(shù)：1 噴涂機器人 根據(jù)用戶多方面的需求，開發(fā)了交流伺服離線編程機器人，噴涂機器人（頂噴、側(cè)噴、仿形噴）小型馬達(dá)器等系列產(chǎn)品，但還未達(dá)到產(chǎn)品的定型，從需求出發(fā)開發(fā)了汽車噴涂生產(chǎn)

12、線，馬達(dá)，箱體，陶瓷等生產(chǎn)線的機器人應(yīng)用工程，共完成20條生產(chǎn)線及工作站。2 焊接機器人 進行了新機構(gòu)的探索和焊縫跟蹤、工裝、變位機等的研究，近幾年汽車行業(yè)和工程機械行業(yè)大量引進點焊、弧焊機器人，提出了許多應(yīng)用工程和維修技術(shù)問題需要解決。3 搬運機器人 根據(jù)用戶需求，一些單位開發(fā)了碼垛換力機器人，已在多條生產(chǎn)線上應(yīng)用。4 裝配機器人及視覺、力覺等傳感器技術(shù)得到高技術(shù)計劃的支持，研制了高檔樣機，開始了應(yīng)用工程。在90年代中期，國家已選擇以焊接機器人的工程應(yīng)用為重點進行開發(fā)研究，從而迅速掌握焊接機器人應(yīng)用工程成套開發(fā)技術(shù)、關(guān)鍵設(shè)備制造、工程配套、現(xiàn)場運行等技術(shù)，即以機器人焊接工藝為龍頭，開展焊裝線

13、總體設(shè)計、線體總控及多機通訊，新型焊接機器人用焊接電源、送絲機構(gòu)、焊縫跟蹤系統(tǒng)、機電精度、控制技術(shù)等開發(fā)及完善化，以及幾條焊裝生產(chǎn)線的全套應(yīng)用及其可靠性作為主攻目標(biāo)。90年代后期是實現(xiàn)國產(chǎn)機器人的商品化，為產(chǎn)業(yè)化奠定基礎(chǔ)的時期。國內(nèi)一些機器人專家認(rèn)為：應(yīng)繼續(xù)開發(fā)和完善噴涂、點焊、弧焊、搬運等機器人系統(tǒng)應(yīng)用成套技術(shù)，完成交鑰匙工程。在掌握機器人開發(fā)技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)的基礎(chǔ)上，進一步開拓市場，擴大應(yīng)用領(lǐng)域，從汽車制造業(yè)逐漸擴展到其他制造業(yè)并滲透到非制造業(yè)領(lǐng)域，開發(fā)第二代工業(yè)機器人及各類適合我國國情的經(jīng)濟型機器人以滿足不同行業(yè)多層次的需求，開展機器人柔性裝配系統(tǒng)的研究，充分發(fā)揮工業(yè)機器人在CIMS（計算

14、機集成制造系統(tǒng)）中的核心技術(shù)作用。在此過程中，嫁接國外技術(shù)，促進國際合作，促使我國工業(yè)機器人得到進一步發(fā)展，為21世紀(jì)機器人產(chǎn)業(yè)奠定更堅實的基礎(chǔ)。經(jīng)過20年的改革開放，隨著對商品高質(zhì)量和多樣化的要求普遍提高，生產(chǎn)過程的柔性自動化要求日益迫切，在電子、家電、汽車、輕工業(yè)等行業(yè)，工業(yè)機器人的應(yīng)用日趨廣泛，隨著我國加入WTO后國際競爭更加激烈，對工業(yè)機器人的需求會越來越大。我國的工業(yè)機器人將在21世紀(jì)得到普及，隨我國加入世界貿(mào)易組織（WTO），我國的工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)將面臨新的發(fā)展機遇和來自國外的挑戰(zhàn)，我們要把握這一機遇，迎接挑戰(zhàn)，為我國躋身于機器人強國之列而努力奮斗。 第二章工業(yè)機器人技術(shù)21工業(yè)機器

15、人的定義和基本構(gòu)成雖然機器人的概念在人類的想象中已有數(shù)十年的歷史，但將機器人作為專有名詞加以引用則是近30年的事。為促進機器人的發(fā)展，有關(guān)國家和組織曾給機器人下過多種定義，但由于各國家機器人的研究，發(fā)展?fàn)顩r不盡相同，對機器人的理解各有側(cè)重，至今尚無被各方一致接受的統(tǒng)一的定義。1984年，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)通過的定義是：機器人是一種自動控制下的通過編程可完成某些操作或移動作業(yè)的機器。 在我國1989年的國標(biāo)草案中，工業(yè)機器人被定義為：一種自動定位控制，可重復(fù)編程的多功能的，多自由度的操作機。操作機被定義為：具有和人手臂相似的動作功能，可在空間抓取物體或進行其他操作的機械裝置。由此可見，工業(yè)

16、機器人是一種機電系統(tǒng)，操作機是它的執(zhí)行機構(gòu)，該機構(gòu)與電子器件密切相關(guān)，它的靈活程度和動態(tài)特性直接影響到機器人系統(tǒng)的工作質(zhì)量。 工業(yè)機器人系統(tǒng)如圖所示，主要由機器人本體、機器人控制部分(控制器、示教盒、再現(xiàn)操作盒)等組成。22機器人的本體技術(shù)機器人本體是機器人的執(zhí)行機構(gòu)，它的任務(wù)是精確地保證末端執(zhí)行器所需要的位置、姿態(tài)和實現(xiàn)其運動。機器人本體通常它的基本結(jié)構(gòu)是將機構(gòu)學(xué)中的桿件和運動副相互聯(lián)接而成構(gòu)成的開式運動鏈。桿件也可以成為手臂。運動副在機器人中稱作關(guān)節(jié)，根據(jù)運動形態(tài)可分為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和平移關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)有一個或幾個自由度，但通常為一個。機器人能獨立運動的關(guān)節(jié)(包括回轉(zhuǎn)和平移)的數(shù)目,就是該機器人的運

17、動自由度(degree of freedom of motion)。在三維空間的無約束物體，可以做平行于各軸的平移運動，還可以做圍繞各軸的旋轉(zhuǎn)運動，因此它有與位置有關(guān)的三個自由度和與姿態(tài)有關(guān)的三個自由度，共六個自由度。機器人手臂為了能任意操縱物體的位置和姿態(tài)，必須最少有六個自由度。 如圖中所示的關(guān)節(jié)性機器人，它包括機座、立柱、大臂、小臂和手腕等部件，有時為了增加機器人的工作空間，在機座處裝有行走機構(gòu)。機座與大臂、大臂與小臂、小臂與手腕有三個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，以保證達(dá)到工作空間的任意位置，手腕中又有三個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)：腕轉(zhuǎn)、腕曲、腕擺，以實現(xiàn)末端操作器的任意空間姿態(tài)，手腕的端部為一法蘭，以連接末端操作器。21

18、2機器人本體的主要構(gòu)成要素1 機器人本體的伺服機構(gòu)驅(qū)動裝置在機器人系統(tǒng)中占有重要地位，它的性能在很大程度上決定了機器人的運動性能指標(biāo)，應(yīng)該說機器人技術(shù)的進步依存于驅(qū)動裝置的發(fā)展。在機器人的發(fā)展歷史上，曾經(jīng)出現(xiàn)過多種驅(qū)動形式，如氣動、液壓驅(qū)動、電動等。由于氣動和液壓驅(qū)動的局限，除了特殊場合下，已不再占主要地位，隨著伺服馬達(dá)和控制技術(shù)的發(fā)展，目前工業(yè)機器人中主要采用伺服馬達(dá)驅(qū)動。伺服機構(gòu)在日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JIS中被定義為“以物體的位置、方位、姿勢等為控制量，組成能跟蹤目標(biāo)的任意變化的控制系統(tǒng)?！彼欧C構(gòu)在由指令部輸入目標(biāo)值（位置、速度等）時，就能檢測當(dāng)前值（位置、速度等），并與目標(biāo)值相比較，經(jīng)常進行著

19、使其差值變小的控制。工業(yè)機器人的伺服機構(gòu)包括：驅(qū)動放大器、驅(qū)動馬達(dá)、和檢測器組成。（1）伺服馬達(dá)伺服馬達(dá)分交流伺服馬達(dá)（AC）和直流伺服馬達(dá)（DC）兩種，交流伺服馬達(dá)分成兩種類型：同步馬達(dá)（SM Synchonous motor）和異步馬達(dá)（IM Induction motor）。直流伺服馬達(dá)曾經(jīng)占據(jù)了很長的一段歷史，在1980年以前，人們提到伺服馬達(dá)通常指的是直流伺服馬達(dá)，直到1984年以后，隨著以微處理器為代表的電子器件的發(fā)展，復(fù)雜的控制實現(xiàn)了高速且廉價，伺服馬達(dá)向不需要維護、馬達(dá)生產(chǎn)率高的AC伺服馬達(dá)發(fā)展。為了適應(yīng)機器人的頻繁起停和高的動態(tài)品質(zhì)要求,一般都采用低慣量的SM馬達(dá)。IM型馬達(dá)

20、結(jié)構(gòu)堅固，容易適應(yīng)大型化、高速化，變?yōu)榇笕萘浚β室搽S之提高，所以IM型主要用于7.5KW以上的馬達(dá)。各種馬達(dá)的結(jié)構(gòu)和特征如下表所示。 伺服馬達(dá)的動作原理：所有馬達(dá)的動作原理都是相同的。根據(jù)“弗來明左手定則”，給磁場中的導(dǎo)體通電，力就會作用于導(dǎo)體，就會產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。SM型AC伺服馬達(dá)，在轉(zhuǎn)子上配置永久磁鐵、定子上配置通電線圈，在定子線圈上流過對應(yīng)轉(zhuǎn)子動作（轉(zhuǎn)速、方向、輸出轉(zhuǎn)矩）的電流。馬達(dá)線圈，是通過放大器的晶體管ON-OFF，給垂直于轉(zhuǎn)子磁鐵的線圈通電。外加電壓可在數(shù)KHz轉(zhuǎn)換，流動電流被線圈的電抗平滑為正弦波。線圈電壓的正負(fù)區(qū)間是根據(jù)接在馬達(dá)軸上的檢測器指示的 磁極位置檢測信號進行判斷。由于磁

21、通和電流被控制成垂直狀態(tài)，所以不存在象普通同步馬達(dá)那樣的失步現(xiàn)象。產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩T為T=K1·F·Ia與線圈電流成正比，轉(zhuǎn)速為N=與外加電壓成正比.符號說明： T：轉(zhuǎn)矩 Ia：電流 N：轉(zhuǎn)速 K1、K2：常數(shù) V：外加電壓 F：磁通 Z：線圈電阻近年來交流伺服馬達(dá)及其伺服放大器在性能上有了較大發(fā)展，伺服馬達(dá)向體積小型化、重量輕量化、高速、高精度、低噪音等方向發(fā)展。伺服放大器驅(qū)動器已經(jīng)由原來的模擬伺服控制發(fā)展為數(shù)字伺服控制。（2）伺服放大器工業(yè)機器人中的驅(qū)動器裝置的功能不僅能提供足夠的功率驅(qū)動機械手各關(guān)節(jié),而且要實現(xiàn)快速起停,精確到位和運動。因此必須采用位置閉環(huán)、速度閉環(huán)和加速度

22、閉環(huán)。為了保護馬達(dá)和電路，還要有電流閉環(huán)。伺服放大器用來驅(qū)動伺服馬達(dá)，下面用框圖表示伺服放大器的基本功能和動作原理。該框圖是以三菱AC伺服系統(tǒng)MR-J系列為例。伺服放大器主要包括兩個部分。（a） 主回路部分主回路的基本功能是利用整流器（二極管電橋、電容器）對商用電源（三相）進行整流、平滑，由輸出模塊（IGBT）將受正弦波PWM控制的任意電壓·頻率的三相電流供給馬達(dá)，控制馬達(dá)的速度和轉(zhuǎn)矩。（b） 控制回路部分利用16位微機，根據(jù)指令值（目標(biāo)值）和當(dāng)前值高速高精確地計算控制量（位置、速度和電流），實現(xiàn)快速響應(yīng)和高精度的伺服控制，同時，實行對控制內(nèi)容監(jiān)視和單元保護。2編碼器在機器人伺服控制

23、系統(tǒng)中，編碼器用來實現(xiàn)馬達(dá)位置和速度的檢測。根據(jù)信號的輸出形式編碼器分為增量式（incremental）編碼器和絕對式（absolute）編碼器。增量式（incremental）編碼器對應(yīng)每個單位位移輸出一個脈沖；絕對式旋轉(zhuǎn)編碼器根據(jù)讀出的碼盤上的編碼，檢測絕對位置。根據(jù)檢測原理，編碼器可分為光學(xué)式、磁式、感應(yīng)式和電容式。下面介紹在工業(yè)機器人中目前使用較多的光學(xué)編碼器的原理。增量式光學(xué)式旋轉(zhuǎn)碼盤的結(jié)構(gòu)如下圖所示。/光電碼盤與馬達(dá)同軸安裝，在帶有明暗方格的碼盤兩側(cè)，安裝發(fā)光元件和光敏元件。隨著碼盤的旋轉(zhuǎn)，光敏元件接收的光通亮與方格的間隔同步變化。光敏元件輸出的波形經(jīng)過整形后變成脈沖。根據(jù)脈沖計數(shù)

24、，可以知道固定在碼盤上的轉(zhuǎn)軸的角位移。在碼盤上有Z相標(biāo)志信號，每轉(zhuǎn)一圈輸出一個脈沖。此外，為了判斷旋轉(zhuǎn)方向，并得到提高系統(tǒng)分辨率所需要的插補信號，實際的碼盤是輸出二路脈沖，由于在碼盤內(nèi)布置了二對光電管，它們之間有一定偏差，因此二路脈沖也有固定的相位差（908），如圖所示，A、B兩相信號中，當(dāng)A相信號上升時，觀測B相信號的電平，就可以根據(jù)哪個信號的相位超前來判定碼盤的旋轉(zhuǎn)方向。另外將A、B兩相進行異或運算就得到頻率為原信號頻率2倍的信號C，進而將C和C上升時的觸發(fā)信號Cr和Cr進行異或運算就得到頻率為原信號頻率2倍的信號D。這樣可以通過電學(xué)的手段進一步提高物理角度的分辨率。絕對式光學(xué)編碼器的結(jié)構(gòu)

25、如圖所示。在絕對位置檢測系統(tǒng)中，由于需要判斷電源接通時的旋轉(zhuǎn)位置，所以將圖中的絕對位置信號（該圖中為7bit）迭加在上述的增量信號（A、B）上輸出。絕對位置檢測系統(tǒng)框圖如下圖所示。在絕對位置編碼器中，除了上述增量信號（A、B相）外，還有馬達(dá)轉(zhuǎn)一周的絕對位置檢測、從原點開始的馬達(dá)轉(zhuǎn)數(shù)計數(shù)。所有的數(shù)據(jù)都存儲在存儲器中，若一次用原點復(fù)位定位，即使電源OFF，伺服放大器和控制器也能知道碼盤的位置。因此，當(dāng)再次接通電源時，即使不進行原點復(fù)位，也能照樣進行位置、速度控制。在目前工業(yè)機器人中使用最多的為旋轉(zhuǎn)變壓器和光電式編碼器。一般在歐洲國家的點焊機器人中主要使用旋轉(zhuǎn)變壓器，而在日本光電式碼盤器使用的較多。

26、下面以光電式碼盤器為例，來說明一下編碼器的功能和動作原理。2、減速器減速器是為了增大馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)矩，改善機器人的加速性能和提高伺服性能而使用的。常用的減速器中有齒輪、諧波減速器、滾珠絲杠等。滾珠絲杠利用螺絲的旋轉(zhuǎn)變換成直線運動的原理，讓滾珠環(huán)讓繞絲杠旋轉(zhuǎn)槽旋轉(zhuǎn)，使磨擦變小。諧波減速器靠稱做圓形齒的內(nèi)齒齒輪和稱做橢圓形齒的有可動性的外齒齒輪的齒數(shù)差，實現(xiàn)減速作用。輸入轉(zhuǎn)軸一周，橢圓型齒僅旋轉(zhuǎn)幾個齒（通常為2齒）。設(shè)圓形齒的齒數(shù)為200，則減速比為1/100。減速機構(gòu)常用的有：諧波減速器、RV減速器、擺線減速器、滾珠絲杠、蝸輪蝸桿等。傳動方式有：桿傳動、鏈條傳動、齒輪傳動等。其技術(shù)關(guān)鍵是保證傳動雙

27、向無間隙。1.直角坐標(biāo)型機器人如圖1.1所示。這種機器人具有三個互相垂直的移動軸線，它們通過手臂的上下左右移動和前后伸縮構(gòu)成一個直角坐標(biāo)系，其手腕能擺動和旋轉(zhuǎn)。這種形式的機器人以IBM RS-1型為代表，機器人的機械結(jié)構(gòu)和控制方式比較簡單，位置精度較高，但操作范圍小，運行速度較低，靈活性差，難以與其它機器人協(xié)調(diào)，且占地較大。圖1.1直角坐標(biāo)機器人 1.2 圓柱坐標(biāo)型機器人2.圓柱坐標(biāo)型機器人如圖1.2所示。這種機器人機座上有一個水平轉(zhuǎn)臺，在轉(zhuǎn)臺上裝有立柱和水平臂，水平臂能上下移動和前后伸縮，并能繞立柱旋轉(zhuǎn)，在空間構(gòu)成部分圓柱面。VERSATRAN機器人是其代表。其操作范圍較大，并能獲得較高速度

28、，控制簡單，避障性好，但結(jié)構(gòu)龐大，難以與其它機器人協(xié)調(diào)工作。3.極坐標(biāo)型機器人（球面坐標(biāo)）如圖1.3所示。這種機器人的手臂能上下俯仰、前后伸縮，并能繞立柱回轉(zhuǎn)，在空間構(gòu)成部分球面。UNIMATE機器人是其代表。這類機器人占地面積較小，結(jié)構(gòu)緊湊，比圓柱坐標(biāo)型更為靈活，操作范圍更大，能與其它機器人協(xié)調(diào)工作，重量較輕，但避障性差，有平衡問題，位置誤差與臂長成正比。圖1.3 極坐標(biāo)型機器人 圖1.4關(guān)節(jié)坐標(biāo)型機器人 4.關(guān)節(jié)坐標(biāo)型機器人 如圖1.4所示。這種機器人有三個主要回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)：腰回轉(zhuǎn)（關(guān)節(jié)1）、肩回轉(zhuǎn)（關(guān)節(jié)2）和肘回轉(zhuǎn)（關(guān)節(jié)3），另外還有手腕的旋轉(zhuǎn)（關(guān)節(jié)4、6）和彎曲（關(guān)節(jié)5）關(guān)節(jié)。這種機器人的

29、典型產(chǎn)品有美國的UNIMATION公司生產(chǎn)的PUMA型機器人、瑞士ASEA公司生產(chǎn)的IRB型機器人，以及德國KUKA公司生產(chǎn)的IR型機器人等。其結(jié)構(gòu)最緊湊，靈活性大，占地面積最小，工作空間最大，能與其它機器人協(xié)調(diào)工作，避障性好，位置精度較低，有平衡問題。 5.SCARA型水平關(guān)節(jié)機器人 如圖1.5所示。這種機器人是日本日立公司生產(chǎn)的，其臂部和肘部可繞垂直軸在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，末端工作部分可沿垂直軸上下移動。該產(chǎn)品主要用于電子產(chǎn)品中異型元器件的裝配，如小型馬達(dá)、電器、泵類等的裝配工作。它的定位精度比較高，其設(shè)計指標(biāo)為±0.1mm。圖1.5 SCARA型水平關(guān)節(jié)機器人機器人本體的選擇方法1機

30、器人類型的選擇機器人類型的選擇主要取決于機器人的目標(biāo)作業(yè)類型，如汽車底盤的點焊用四自由度的點焊機器人就夠了，復(fù)雜工件的焊接一般需要六自由度機器人。2手腕的容許載荷選擇機器人時首先要考慮機器人的最大承載能力，如對于OTC公司生產(chǎn)的DR-4000機器人其最大承載能力為6公斤，如下圖表示。當(dāng)安裝標(biāo)準(zhǔn)焊槍時不會產(chǎn)生任何問題，但當(dāng)用于搬運或其它類似的目的時，還應(yīng)保證各腕部軸所承受的扭矩和轉(zhuǎn)動慣量滿足手冊中規(guī)定的要求。3動作范圍的確定機器人的種類確定后，還要檢查其動作范圍是否滿足作業(yè)的要求。機器人的動作范圍一般指腕部軸的回轉(zhuǎn)中心（P點）的動作范圍。如圖所示DR-4000機器人的動作范圍。在實際作業(yè)時由于裝

31、有焊接工具，其作業(yè)范圍將發(fā)生變化，因而需要進一步對其作業(yè)范圍進行確認(rèn)。1·2機器人的控制技術(shù) 機器人控制器是機器人的核心部件，是機器人的神經(jīng)中樞，它實施機器人的全部信息處理和對機器人本體的運動控制。工業(yè)機器人控制器具有如下主要功能：1、 作業(yè)點及作業(yè)內(nèi)容的示教為了讓機器人完成某項作業(yè)，把完成該項作業(yè)內(nèi)容的實現(xiàn) 方法及機器人的位置進行示教。作業(yè)內(nèi)容包括包括讓機器人產(chǎn)生應(yīng)有的動作，也包括機器人周邊裝置的控制和通訊等方面的內(nèi)容。2、軌跡生成 接受示教系統(tǒng)送來的各示教點位置和姿態(tài)信息、運動參數(shù)和工藝參數(shù)，并通過計算把各點的示教（關(guān)節(jié)）坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換成直角坐標(biāo)值存入計算機內(nèi)存，機器人在再現(xiàn)狀態(tài)時，

32、從內(nèi)存中逐點取出其位置和姿態(tài)坐標(biāo)值，按一定的時間節(jié)拍（又稱采樣周期）對它進行圓弧或直線插補運算，算出各插補點的位置和姿態(tài)坐標(biāo)值，這就是路徑規(guī)劃生成。然后逐點地把各插補點的位置和姿態(tài)坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換成關(guān)節(jié)坐標(biāo)值，分送各個關(guān)節(jié)。為了控制機器人在被示教的作業(yè)點之間按照機器人語言所描述的指定軌跡運動，必須計算配置在機器人各關(guān)節(jié)處馬達(dá)的控制量。3、伺服控制 把從軌跡生成部分輸出的控制量作為指令值，再把這個指令值與位置和速度等傳感器來的信號進行比較，用比較后的指令值控制馬達(dá)的轉(zhuǎn)動。4、 作業(yè)設(shè)備的輸入/輸出控制。5、 基于傳感器下的軌跡修正控制 圖1.8為控制器的工作原理圖。工業(yè)機器人的控制器大都采用二級計算機

33、結(jié)構(gòu)。虛線框內(nèi)為第一級計算機，它的任務(wù)是規(guī)劃和管理機器人在示教狀態(tài)時，接受示教系統(tǒng)送來的各示教點位置和姿態(tài)信息、運動參數(shù)和工藝參數(shù)，并通過計算把各點的示教（關(guān)節(jié)）坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換成直角坐標(biāo)值存入計算機內(nèi)存，機器人在再現(xiàn)狀態(tài)時，從內(nèi)存中逐點取出其位置和姿態(tài)坐標(biāo)值，按一定的時間節(jié)拍（又稱采樣周期）對它進行圓弧或直線插補運算，算出各插補點的位置和姿態(tài)坐標(biāo)值，這就是路徑規(guī)劃生成。然后逐點地把各插補點的位置和姿態(tài)坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換成關(guān)節(jié)坐標(biāo)值，分送各個關(guān)節(jié)。這就是第一級計算機的規(guī)劃全過程。圖1.8為控制器的工作原理圖 第二級計算機是執(zhí)行計算機，它的任務(wù)是進行伺服馬達(dá)閉環(huán)控制。它接收了第一級計算機送來的各關(guān)節(jié)下一步期望

34、達(dá)到的位置和姿態(tài)后，又作一次均勻細(xì)分，以求運動軌跡更為平滑。然后將各關(guān)節(jié)下一細(xì)步期望值逐點送給驅(qū)動馬達(dá)，同時檢測光電碼盤信號，直到其準(zhǔn)確到位。 以上均為實時過程，上述大量運算都必須在控制過程中完成。機器人控制器是使機器人等機構(gòu)進行人所期望的運動的一種控制裝置。工業(yè)機器人控制器具有如下主要功能。1） 作業(yè)點及作業(yè)內(nèi)容的示教為了讓機器人完成某項作業(yè)，把完成該項作業(yè)內(nèi)容的實現(xiàn)方法及機器人的位置進行示教。作業(yè)內(nèi)容包括包括讓機器人產(chǎn)生應(yīng)有的動作，也包括機器人周邊裝置的控制和通訊等方面的內(nèi)容。2） 軌跡生成接受示教系統(tǒng)送來的各示教點位置和姿態(tài)信息、運動參數(shù)和工藝參數(shù)，并通過計算把各點的示教（關(guān)節(jié)）坐標(biāo)值轉(zhuǎn)

35、換成直角坐標(biāo)值存入計算機內(nèi)存，機器人在再現(xiàn)狀態(tài)時，從內(nèi)存中逐點取出其位置和姿態(tài)坐標(biāo)值，按一定的時間節(jié)拍（又稱采樣周期）對它進行圓弧或直線插補運算，算出各插補點的位置和姿態(tài)坐標(biāo)值，這就是路徑規(guī)劃生成。然后逐點地把各插補點的位置和姿態(tài)坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換成關(guān)節(jié)坐標(biāo)值，分送各個關(guān)節(jié)。為了控制機器人在被示教的作業(yè)點之間按照機器人語言所描述的指定軌跡運動，必須計算配置在機器人各關(guān)節(jié)處馬達(dá)的控制量。3） 伺服控制把從軌跡生成部分輸出的控制量作為指令值，再把這個指令值與位置和速度等傳感器來的信號進行比較，用比較后的指令值控制馬達(dá)的轉(zhuǎn)動。機器人控制器裝置目前工業(yè)上普遍使用的是示教再現(xiàn)型機器人。示教也稱導(dǎo)引，即由用戶導(dǎo)引

36、機器人，一步步按實際任務(wù)操作一遍，機器人在導(dǎo)引過程中自動記憶示教的每個動作的位置、姿態(tài)、運動參數(shù)、工藝參數(shù)等，并自動生成一個連續(xù)執(zhí)行全部操作的程序，完成示教后，只需給機器人一個啟動命令，機器人將精確地按示教動作一步步完成全部操作，這就是示教和再現(xiàn)?？刂破魇菣C器人的神經(jīng)中樞。它由計算機硬件、軟件和一些專用電路組成。機器人系統(tǒng)的軟件：其軟件機器人軟件的類型大致有以下三種：1伺服控制級軟件，用于對驅(qū)動器的控制與驅(qū)動2機器人運動控制級軟件，用于對機器人進行軌跡控制、插補和坐標(biāo)變換。3周邊裝置控制級軟件 包括控制器系統(tǒng)軟件、機器人專用語言、機器人運算、動力學(xué)軟件、機器人控制軟件、機器人自診斷、自保護功能軟件等，它處理機器人工作過程中的全部信息和控制其全部動作。機器人控制器是機器人的核心部件，它實施機器人的全部信息處理和對機械手的運動控制。圖1.8為控制器的工作原理圖。工業(yè)機