工业机器人的构造

第二节　工业机器人的构造

机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。

工业机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力。从某种意义上说它也是机器进化的产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备，特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。因此，工业机器人在构造和控制上有着自身的特点。

一、工业机器人的机械结构

目前使用的工业机器人从机械结构上看可分为以下四种类型:

1.直角坐标系机器人

直角坐标系机器人具有相互正交的二根或三根直线移动轴结构(图12-5)。其优点是结构简单、精度高;缺点是在同样的动作范围内机器人的占地面积大，设备的空间因数较差。主要用于印刷电路基板的元件插入，紧固螺丝等。

图12-5　直角坐标系机器人的机械构成

2.圆柱坐标系机器人

从结构上圆柱坐标系机器人配置有在某一平面上旋转的旋转轴、在旋转平面垂直方向上的直线轴和前后方向直线轴(图12-6)。其优点是结构简单、刚性好，其缺点是在机器人动作范围内，必须有前后方向轴线的后退空间，因此空间利用较差。主要用于重物的装卸等。

图12-6　圆柱坐标系机器人的机械构成

3.水平多关节机器人

此种机器人在结构上具有串联配置的二个能够在水平面内旋转的手臂(图12-7)。其优点是在垂直方向上的刚性好，是一种用来代替专用装配机械的常用自动化机械，可以根据用途选择2～3个自由度，常用于VTR(磁带录像机)、盒式录音机等的装配流水线上。

水平多关节机器人的机械构成

4.垂直多关节机器人

该种机器人模拟了人类的手臂功能，由垂直于地面的腰部旋转轴(相当于大臂旋转的肩部旋转轴)带动小臂旋转的肘部旋转轴以及小臂前端的手腕等构成(图12-8)。手腕通常由2～3个自由度构成。其优点是可以自由地实现三维空间的各种姿势，可以生成各种复杂形状的轨迹。相对机器人的安装面积，其动作范围很宽。其缺点是结构刚度较低，动作的绝对位置精度较低。它广泛应用于代替人完成装配作业、货物搬运、电弧焊接、喷涂、点焊等场合。

图12-8　垂直多关节机器人的机械构成

二、工业机器人的组成

按组成系统分类，工业机器人由操作机(机械本体)、控制器、伺服驱动系统和人工智能系统构成，如图12-9所示。是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。

目前，除少数智能机器人外，应用于生产实际的多数是那些具有执行系统、驱动系统和控制系统的工业机器人。

1.执行系统

执行系统是工业机器人完成握取工件(或工具)实现所需的各种运动的机械部件，包括以下几个部分:

(1)手部是工业机器人直接与工件或工具接触用来完成握持工件(或工具)的部件。有些工业机器人直接将工具(如焊枪、喷枪、容器)装在手部位置，而不再设置手部。

(2)腕部是工业机器人中连接手部与臂部，主要用来确定手部工作位置并扩大臂部动作范围的部件。有一些专用机器人没有手腕部件，而是直接将手部安装在手臂部件的端部。

(3)臂部是工业机器人用来支承腕部和手部实现较大运动范围的部件。

(4)机身是工业机器人用来支承手臂部件，并安装驱动装置及其他装置的部件。专用机械手一般将臂部装在主机上，成为主机的附属装置。

(5)行走机构是工业机器人用来扩大活动范围的机构，有的是专门的行走装置，有的是轨道、滚轮机构。

2.驱动系统

驱动系统是向执行系统各部件提供动力的装置。采用的动力源下同，驱动系统的传动方式也不同。驱动系统的传动方式有四种:液压式、气压式、电气式和机械式。

(1)液压式其驱动系统由油缸、电磁阀、油泵和油箱等组成。其特点是操作力大、体积小、动作平稳、耐冲击、耐振动。但漏油对系统的工作性能影响大，成本较高。

图12-9　工业机器人的组成

(2)气压式其驱动系统由汽缸、气阀、空气压缩机(或由气压站直接供给)和储气罐等组成。其特点是气源方便、维修简单，易于获得高速度、成本低、防火防爆，漏气对环境无影响。但操作力小、体积大。又由于空气的压缩性大、速度不易控制、响应慢、动作不平稳、有冲击，臂力一般不超过300牛顿。

(3)电气式其驱动系统一般是由电机驱动。优点是电源方便，信号传递运算容易、响应快、驱动力较大，适用于中小型工业机器人。但是必须使用减速机构(如齿轮减速器、谐波齿轮减速器等)，所需要的电机有步进电机、DC伺服电机和AC伺服电机等。

(4)机械式其驱动系统由电机、凸轮、齿轮齿条、连杆等机械装置组成，传动可靠。适用于专一简单的机械手。这种方式结构比较庞大。

3.控制系统

控制系统是工业机器人或机械手的指挥系统，它控制驱动系统，让执行机构按照规定的要求进行工作，并检测其正确与否。一般常见的为电气与电子回路控制。随着计算机技术和信息技术的发展，计算机控制系统也不断增多。以控制的运动轨迹来分，原则上分为两种:

(1)点位控制主要控制空间两点或有限多个点的空间位置，而对其运动路径没有要求。专用机械手和绝大多数工业机器人均采用这种点位控制方式。

(2)连续轨迹控制是用连续的信息对运动轨迹的任意位置进行控制，其运动路径是连续的。对运动轨迹有要求的工业机器人需要连续轨迹控制，如电弧焊、切割等。