BASICKNOWLEDGEOFINDUSTRIALROBOT工業機器人基礎知識

01工業機器人概況工業機器人組成與分類位置檢測原理020403常用的驅動裝置CONTENTS目錄01工業機器人概況一、機器人三定律1942年，美國科幻家阿西莫夫在他的科幻小說《我，機器人》中提出了“機器人三定律”。雖然是科幻小說里的創造，但后來成為學術界默認的機器人研發原則：

1.第一定律：機器人不得傷害人類個體，或者目睹人類個體將遭受危險而袖手不管。2.第二定律：機器人必須服從人給予它的命令，當該命令與第一定律沖突時例外。3.第三定律：機器人在不違反第一、第二定律的情況下要盡可能保護自己的生存。二、工業機器人產生及發展

1954年，美國發明家喬治·德沃爾向美國政府提出專利申請，要求生產一種用于工業生產的“重復性作用的機器人”，該專利在1961年通過。之后，恩格爾伯格成立美國聯合控制公司，將德沃爾的發明投入應用，以生產取代人力勞動的機器人，成為世界上第一家機器人生產公司。二、工業機器人產生及發展

2019年我國機器人密度140國內機器人銷售量和增速，2018年15.6萬臺二、工業機器人產生及發展當前，對全球機器人技術的發展最有影響的國家是美國和日本。美國在工業機器人技術的綜合研究水平上仍處于領先地位，尤其在特種機器人研究方面處于全球領先。而日本生產的工業機器人在數量、種類方面則居世界首位，全球一度有60%的工業機器人都來自日本。在國外，工業機器人技術已逐漸成熟，成為一種標準設備而被各行業廣泛采用，形成了一批有影響力的工業機器人公司。ABBFANUCKUKAYaskawa全球四大工業機器人生產商二、工業機器人產生及發展工業機器人核心技術伺服電動機及驅動減速器機器人本體機器人控制器視覺與傳感器技術三、工業機器人典型應用搬運、碼垛機器人碼垛機器人在生產中有著相當廣泛的應用，它大大節省了勞動力，節省空間。碼垛機器人運作靈活精準、快速高效、穩定性高，作業效率高。三、工業機器人典型應用上下料機器人上下料機器人能滿足“快速/大批量加工節拍”、“節省人力成本”、“提高生產效率”等要求，成為越來越多工廠的理想選擇。上下料機器人系統具有高效率和高穩定性,結構簡單更易于維護,可以滿足不同種類產品的生產,對用戶來說,可以很快進行產品結構的調整和擴大產能,并且可以大大降低產業工人的勞動強度。三、工業機器人典型應用焊接機器人焊接機器人具有性能穩定、工作空間大、運動速度快和負荷能力強等特點，焊接質量明顯優于人工焊接，大大提高了點焊作業的生產率。在汽車零部件的生產焊接中，涉及機器人系統優化集成技術、協調控制技術、精確焊縫軌跡跟蹤技術等。三、工業機器人典型應用多機器人協作系統人們希望機器人能夠完成更復雜的作業，這些復雜的作業由單一機器人很難完成，因此需要多機器人相互協調與合作共同完成。目前，由幾十臺甚至上百臺機器人組成的自動化生產線已屢見不鮮。02工業機器人組成與分類一、工業機器人組成

工業機器人系統組成一般包括機械系統、驅動系統、控制系統和感知系統四大組成部分，四個部分密切結合，構成一套閉環控制系統，其原理框圖如圖所示。工業機器人系統組成框圖1.工業機器人機械系統

工業機器人機械系統一般由基座、臂部、腕部、手部（也稱為末端執行器）組成，機器人機械系統也稱為機器人本體。工業機器人機械系統組成2.工業機器人伺服系統

工業機器人的伺服驅動系統是將電能或其他形式的能轉換為機械能的動力裝置，根據驅動源的不同，伺服驅動系統可以分為液壓驅動、氣壓驅動和電氣驅動三種。

電氣驅動。是目前工業機器人中普遍采用的驅動形式，它通過減速器減速后驅動運動機構，結構簡單緊湊。根據驅動電機的不同，可以分為步進電機驅動、直流伺服電機驅動和交流伺服電機驅動三種。液壓驅動。系統動力大，負載能力強，適用于重載搬運和零部件抓取的機器人。氣壓驅動。是利用氣壓動力驅動工業機器人系統運動，一般由活塞和控制閥組成，適于中小負荷的機器人使用。其結構簡單、響應速度快、價格低、維護方便，但氣體具有壓縮性，其工作時穩定性較差。3.工業機器人感知系統工業機器人感知系統是由內部傳感器和外部傳感器組成，他們將機器人各種內部狀態信息及外部環境信息轉換為機器人能夠識別的數據，提供給控制系統做出決策。

內部傳感器。要用于測量和反饋內部變量，如速度傳感器、位置傳感器、力覺傳感器等。外部傳感器。用于檢測機器人周圍的環境狀態，如視覺傳感器、接近程度傳感器、觸覺傳感器、溫度傳感器等。外部傳感器使機器人具有一定自校正能力及適應環境變化的能力，賦予機器人一定的智能。4.工業機器人控制系統

工業機器人控制系統是工業機器人的核心裝置，是機器人的指揮調度機構。控制系統的主要任務是根據機器人的作業指令程序以及從感知系統反饋回來的信號，控制機器人執行機構完成規定的運動和動作，包括運動中的位置控制、姿態控制、軌跡控制及操作順序等。控制系統一般應包括以下功能：示教功能記憶功能坐標設置功能位置控制功能通信功能傳感器接口故障診斷及保護功能人機交互功能

工業機器人控制系統按照控制方式可分為集控式、主從式、分散式三種。分散式控制系統的結構如圖所示：控制系統分散式結構圖分散式系統控制分為幾個模塊，每個模塊各有不同的控制任務和控制策略，各模塊之間可以是主從關系，也可以是并行關系。這種方式實時性好，能夠實現高速、高精度控制，易于擴展，是目前工業機器人系統普遍采用的結構。二、工業機器人的坐標形式工業機器人坐標形式有直角坐標式（PPP）、圓柱坐標式（PPR）、球坐標式(PRR)、關節坐標式(RRR)及SCARA型機器人。實際采用哪一種結構形式，可以根據不同的工作任務性質進行選擇，進行移動關節和轉動關節的組合。工業機器人的關節為單自由度主運動副，典型的自由度種類及圖形符號如圖所示。典型的自由度種類及其圖形符號1.直角坐標機器人直角坐標機器人運動部分由三個相互垂直的直線移動（即PPP）組成，3個關節均為移動關節,如圖1-5所示，軸線相互垂直，相當于笛卡爾坐標系的X軸、Y軸和Z軸，其工作空間圖形為長方形。它在各個軸向的移動距離，可在各個坐標軸上直接讀出，直觀性強，易于位置和姿態的編程計算，定位精度高，控制無耦合，結構簡單，穩定性好，適合大負載的搬運，但機體所占空間體積大，動作范圍小，靈活性差，難與其他工業機器人協調工作，如圖所示。直角坐標機器人2.圓柱坐標機器人圓柱坐標機器人運動形式是通過1個轉動關節和2個移動關節組成的運動系統來實現的，如圖所示，其工作空間圖形為圓柱，與直角坐標型工業機器人相比，在相同的工作空間條件下，機體所占體積小，而運動范圍大，控制簡單，其位置精度僅次于直角坐標型機器人，但難與其他工業機器人協調工作且不能抓取靠近機身的物體。圓柱坐標機器人3.球坐標機器人球坐標機器人又稱極坐標型工業機器人，其手臂的運動由2個轉動關節和1個直線移動關節（一個回轉，一個俯仰和一個伸縮運動）所組成，如圖所示，其工作空間為一球體，它可以作上下俯仰動作并能抓取地面上或較低位置的工件，其優點是動作靈活、結構緊湊、占地面積小、位置誤差與臂長成正比。球坐標機器人4.關節坐標機器人關節坐標機器人又稱回轉坐標型工業機器人，這種工業機器人的手臂與人體上肢類似，有3個轉動關節，其中1個為轉動關節，2個為俯仰關節，如圖所示。該工業機器人一般由立柱和大小臂組成，立柱與大臂間形成肩關節，大臂和小臂間形成肘關節，可使大臂做回轉運動和俯仰擺動，小臂做仰俯擺動，工作范圍為球形。其結構最緊湊，靈活性大，占地面積最小，能與其他工業機器人協調工作，但位置精度較低，有平衡問題，控制耦合問題，這種工業機器人應用越來越廣泛。關節坐標機器人5.SCARA型機器人SCARA型機器人采用1個移動關節和3個轉動關節，移動關節實現Z方向上下運動，用于完成手抓在垂直平面內的抓取。3個轉動關節軸線相互平行，可在平面內進行定位和定向，如圖所示，這種形式的工業機器人又稱（SCARA(SeletiveComplianceAssemblyRobotArm)裝配機器人，在水平方向則具有柔順性，而在垂直方向則有較大的剛性。它結構簡單，動作靈活，速度快，定位精度高，多用于裝配作業中，特別適合小規格零件的插接裝配，如在電子工業的插接、裝配中應用廣泛。SCARA型機器人三、工業機器人的技術參數工業機器人的技術參數反映了工業機器人能夠勝任的工作，是選擇、設計、應用機器人時必須要考慮的數據。工業機器人的主要技術參數包括自由度、定位精度、重復定位精度、工作空間、最大工作速度及承載能力等。一般工業機器人的技術參數是由工業機器人制造商在產品供貨時所提供的技術數據。自由度。自由度是指機器人所具有的獨立坐標軸運動的數目，不包括手抓（末端操作器）的開合自由度。定位精度。指機器人手部（末端操作器）實際到達的位置與目標位置的差異，由機械誤差、控制誤差與系統分辨率等組成。重復定位精度。機器人重復定位其手部于同一目標位置的能力，描述工業機器人在同一環境、同一目標動作、同一命令下連續重復運動若干次，其位置的分散程度，是關于機器人的統計數據。速度和加速度。速度和加速度是表明機器人運動特性的主要指標。承載能力。指機器人在工作范圍內的任何位姿上所能承受的最大質量。03常用的驅動裝置一、步進電機及其驅動控制系統步進電機是開環伺服系統(又稱步進式伺服系統)的驅動元件。步進電動機是一種將脈沖信號變換成角位移(或線位移)的電磁裝置。其轉子的轉角(或位移)與輸入的電脈沖數成正比，速度與脈沖頻率成正比，而運動方向是由步進電動機的各相通電順序來決定，并且保持電動機各相通電狀態就能使電動機自鎖。1.步進電機的分類按相數。有二、三、四、五、六相等幾種，相數越多，步距角越小，而且采用多相通電，可以提高步進電機的輸出轉矩。力矩產生的原理。分為反應式和永磁反應式(也稱混合式)。2.步進電機的結構及工作原理以三相反應式步進電機為例，其結構如圖所示，步進電動機包括定子和轉子兩部分。定子有六個均勻分布的磁極，每兩個相對的磁極上繞有一相控制繞組，轉子是一個帶齒的鐵心，轉子沒有繞組。圖中的轉子可看作是一個兩齒的鐵心，實際的轉子鐵心外圓周有很多小齒。三相反應式步進電機結構正轉通電。A—B—C—A—B—C┅┅反轉通電。C—B—A—C—B—A┅┅通電方式。

（1）單三拍A—B—C—A—B—C┅┅

（2）雙三拍AB—BC—CA—AB—BC—CA┅┅

（3）三相六拍A—AB—B—BC—C—CA—A—AB┅┅3.步進電機的主要參數步角距。步進電機定子繞組的通電狀態每改變一次，轉子轉過的角度，它取決于電機結構和控制方式。步距角α可按下式計算：最大靜態轉矩。代表電機承載能力的重要指標，最大靜態轉矩越大，電機帶負載的能力越強，運行的快速性和穩定性越好。起動頻率和起動時的慣頻特性。運行矩頻特性。步進電機起動后，其運行速度能跟蹤指令脈沖頻率連續上升而不丟步的最高工作頻率，稱為連續運行頻率，其值遠大于起動頻率。運行矩頻特性加、減速特性。步進電機的加減速特性是描述步進電機由靜止到工作頻率和由工作頻率到靜止的加、減速過程中，定子繞組通電狀態的變化頻率與時間的關系。加減速特性曲線步進電機的驅動控制。步進式伺服驅動系統主要由驅動控制線路和步進電機兩部分組成。驅動控制線路接收來自機器人控制器的進給脈沖信號，并把此信號轉換為控制步進電機各相定子繞組依次通電、斷電信號，使步進電機運轉。一個完整的步進電機的驅動控制線路應該包括加減速電路、環形脈沖分配器、功率放大器，如圖所示。步進電機驅動線路構成二、直流電機及其控制方法直流伺服電動機根據結構有一般電樞式、無槽電樞式、印刷電樞式、繞線盤式和空心杯電樞式等。為避免電刷換向器的接觸，還有無刷直流伺服電動機。根據控制方式，直流伺服電動機可分為磁場控制方式和電樞控制方式。永磁直流伺服電動機只能采用電樞控制方式，一般電磁式直流伺服電動機大多也用電樞控制方式。1.直流電機調速原理直流電機由磁極(定子)、電樞(轉子)和電刷與換向片三部分組成。以他勵式直流伺服電動機為例，研究直流電機的機械特性。直流電機是基于電流切割磁力線，產生電磁轉矩來進行工作的，如圖所示。工作原理等效電路由以上可得出他勵式直流伺服電動機的轉速與轉矩之間的關系式：該式稱為直流電機的固有機械特性曲線。直流電機的轉速與轉矩的關系稱機械特性，機械特性是電機的靜態特性，是穩定運行時帶動負載的性能，此時，電磁轉矩與外負載相等。當電機帶動負載時，電機轉速與理想轉速產生轉速差，它反映了電機機械特性的硬度，越小，表明機械特性越硬。2.直流電機調速方式晶閘管(可控硅semiconductorcontrolrectifier，SCR)調速系統。晶體管脈寬調制(pulsewidthmodulation，PWM)調速系統。（1）晶體管脈寬調制原理就是使功率晶體管工作于開關狀態，開關頻率保持恒定，用改變開關導通時間的方法來調整晶體管的輸出，使電機兩端得到寬度隨時間變化的電壓脈沖。當開關在每一周期內的導通時間隨時間發生連續變化時，電機電樞得到的電壓的平均值也隨時間連續地發生變化，而由于內部的續流電路和電樞電感的濾波作用，電樞上的電流則連續地改變，從而達到調節電機轉速的目的。當電路中開關功率晶體管關斷時，由二極管VD續流，電機便可以得到連續電流。下圖為PWM脈寬調制原理圖。PWM脈寬調制原理圖（2）晶體管脈寬調制系統的組成原理脈寬調制系統原理三、交流電機及其控制方法在工業機器人上應用的交流電機一般都為三相交流伺服電動機，分為異步型交流伺服電動機和同步型交流伺服電動機。1.永磁式交流同步電機的工作原理永磁式交流同步電機由定子、轉子和檢測元件三部分組成，其工作過程如圖所示，當定子三相繞組通以交流電后，產生一旋轉磁場，這個旋轉磁場以同步轉速旋轉。永磁式交流同步電機的工作原理2.永磁式交流同步電機的調速由電機學基本原理可知，交流電機的同步轉速為：因此對電機的調速可以采用變頻調速和變極對數調速。變極對數調速只能獲得有級調速，它是通過對定子繞組接線的切換以改變磁極對數調速的。變頻調速是通過平滑改變定子供電電壓頻率而使轉速平滑變化的調速方法，這是交流電動機的一種先進的調速方法。3.變頻調速類型變頻調速的主要作用是為電動機提供頻率可變的交流電源，從而達到改變交流電動機轉速的目的。變頻器可分為交-交變頻和交-直-交變頻兩種。交-交變頻交-直-交變頻交-交變頻，利用可控硅整流器直接將工頻交流電(頻率50Hz)變成頻率較低的脈動交流電，這個脈動交流電的基波就是所需的變頻電壓。交-直-交變頻，是先將交流電整流成直流電，然后將直流電壓變成矩形脈沖波電壓，這個矩形脈沖波的基波就是所需的變頻電壓。4.

SPWM逆變器的原理與正弦波等效的矩形脈沖正弦脈寬調制SPWM（SinusoidalPulseWidthModulation）逆變器是用來產生正弦脈寬調制波，如圖所示，正弦波的形成原理是把一個正弦半波分成N等分，然后把每一等分的正弦曲線與橫坐標所包圍的面積都用一個與此面積相等的高矩形脈沖來代替，這樣可得到N個等高而不等寬的脈沖。這N個脈沖對應著一個正弦波的半周。對正弦波的負半周也采取同樣處理，得到相應的2N個脈沖，這就是與正弦波等效的正弦脈寬調制波，即SPWM波。5.三角波調制原理三角波調制法原理

SPWM波形可采用模擬電路、以“調制”方法實現。SPWM調制是用脈沖寬度不等的一系列矩形脈沖去逼近一個所需要的電壓信號，它是利用三角波電壓與正弦參考電壓相比較，以確定各分段矩形脈沖的寬度。三相SPWM控制電路框圖6.三相電壓型