導讀：你了解工業機器人嗎？本文詳細的介紹了工業機器人系統、分類、特點等等，看完整篇文章，你就知道了！

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主體

主體機械即機座和實行機構，包括大臂、小臂、腕部和手部，構成的多自由度的機械系統。有的機器人另有行走機構。工業機器人有6個自由度乃至更多腕部通常有1～3個活動自由度。



02

驅動系統



工業機器人的驅動系統，按動力源分為液壓，氣動和電動類。依據需求也可由這三種范例組合并復合式的驅動系統，或者通過同步帶、輪系、齒輪等機械傳動機構來間接驅動。

驅動系統有動力裝置和傳動機構，用以實行機構發生相應的動作，這三類根本驅動系統的各有特點，現在主流的是電動驅動系統。

由于低慣量，大轉矩交、直流伺服電機及其配套的伺服驅動器(交換變頻器、直流脈沖寬度調制器)的普遍接納。這類系統不需能量轉換，運用方便，控制靈敏。

大多數電機后面需安裝精細的傳動機構：減速器。其齒運用齒輪的速率轉換器，將電機的反轉數減速到所要的反轉數，并得到較大轉矩的裝置，從而降低轉速，添加轉矩,當負載較大時，一味提升伺服電機的功率是很不劃算的，能夠在適宜的速率范疇內通過減速器來進一步輸出扭矩。

伺服電機在低頻運轉下容易發熱和出現低頻振動，長時間和重復性的工作不利于確保其準確性、牢靠地運轉。精細減速電機的存在使伺服電機在一個適宜的速率下運轉，加強機器體剛性的同時輸出更大的力矩。如今主流的減速器有兩種：諧波減速器和rv減速。



03

控制系統

機器人控制系統是機器人的大腦，是決定機器人功用和功能的主要要素。控制系統是按照輸入的程序對驅動系統和實行機構收回指令信號，并進行控制。

工業機器人控制技術的主要任務便是控制工業機器人在工作空間中的活動范圍、姿勢和軌跡、動作的時間等。具有編程簡單、軟件菜單操縱、友好的人機交互界面、在線操縱提示和運用方便等特點。

控制器系統是機器人的中心，外國有關公司對我國實驗緊密封閉。連年來隨著微電子技術的開展，微處置器的功能越來越高，而價錢則越來越便宜，現在市集上曾經出現了1-2美金的32位微處置器。

高性價比的微處置器為機器人控制器帶來了新的開展機會，使開辟低成本、高功能的機器人控制器成為可能。為了使系統具有充足的運算與存儲能力，現在機器人控制器多接納較強的arm系列、dsp系列、powerpc系列、intel系列等芯片構成。

由于已有的通用芯片功用及功能上不可以完全滿足有些機器人系統在價錢、功能、集成度和接口等方面的要求，這就萌生了機器人系統對soc（systemonchip）技能的需求。

將特定的處置器與所需求的接口集成在一同，可簡化系統外圍電路的設計，減少系統尺寸，并降低成本。比方，actel公司將neos或arm7的處置器內核集成在其fpga產品上，構成了一個完整的soc系統。

在機器人技術控制器方面，其研討主要集中在美國和日本，并有成熟的成品，如美國deltatau公司、日本朋立株式會社等。其運動控制器以dsp技術為核心，采用基于pc的開放式結構。



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感知系統

它是內部傳感器模塊和外部傳感器模塊的構成，獲取內部和外部的環境狀態中有意義的信息。

內部傳感器：用來檢測機器人本身狀態（如手臂間的角度）的傳感器，多為檢測位置和角度的傳感器。具體有：位置傳感器、位置傳感器、角度傳感器等。

外部傳感器：用來檢測機器人所處環境（如檢測物體，距離物體的距離）及狀況（如檢測抓取的物體是否滑落）的傳感器。具體有距離傳感器、視覺傳感器、力覺傳感器等。

智能傳感系統的使用提高了機器人的機動性，實用性和智能化的標準，人類的感知系統對外部世界信息是機器人靈巧的，然而，對于一些特許的信息，傳感器比人的系統更加有效。



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末端執行器

末端執行器連接在機械手最后一個關節上的部件，它一般用來抓取物體，與其他機構連接并執行需要的任務。

機器人制造方面一般不設計或出售末端執行器，多數情況下，他們只提供一個簡單的抓持器。

通常末端執行器安裝在機器人6軸的法蘭盤上以完成給定環境中的任務，如焊接，噴漆，涂膠以及零件裝卸等就是需要機器人來完成的任務。



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伺服電機的概述

伺服驅動器又稱為“伺服控制器”、“伺服放大器”，是用來控制伺服電機的一種控制器，其作用類似于變頻器作用于普通交流馬達，屬于伺服系統的一部分。一般是通過位置、速度和力矩三種方式對伺服電機進行控制，實現高精度的傳動系統定位。


一、伺服電機的分類

分為直流和交流伺服電動機兩大類，交流伺服電動機又分為異步伺服電動機和同步伺服電動機。

目前交流系統正在逐漸代替直流系統，與直流系統相比，交流伺服電機具有高可靠性、散熱好、轉動慣量小、能工作于高壓狀態下等優點。

因為無電和轉向器，故交流伺服系統也成為無伺服系統，用于其中的電機是無結構的籠型異步電機和永磁同步型電機。

直流伺服電機分為有和無電機。

①有電機成本低，結構簡單，啟動轉矩大，調速范圍寬，控制容易，需要維護，但維護方便（換碳），產生電磁干擾，對使用環境有要求，通常用于對成本敏感的普通工業和民用場合；

②無電機體積小重量輕，出力大響應快，速度高慣量小，力矩穩定轉動平滑，控制復雜，智能化，電子換相方式靈活，可以方波或正弦波換相，電機免維護，高效節能，電磁輻射小，溫升低壽命長，適用于各種環境。


二、不同類型伺服電機的特點

1）直流伺服電機的優點和缺點

優點：速度控制精確，轉矩速度特性很硬，控制原理簡單，使用方便，價格便宜。

缺點：電換向，速度限制，附加阻力，產生磨損微粒（無塵易爆環境不宜）

2）交流伺服電機的優點和缺點

優點：速度控制特性良好，在整個速度區內可實現平滑控制，幾乎無振蕩，90%以上的高效率，發熱少，高速控制，高精確度位置控制（取決于編碼器精度），額定運行區域內，可實現恒力矩，慣量低，低噪音，無電磨損，免維護（適用于無塵、易爆環境）。

缺點：控制較復雜，驅動器參數需要現場調整pid參數確定，需要更多的連線。

目前主流的伺服驅動器均采用數字信號處理器（dsp）作為控制核心，可以實現比較復雜的控制算法，實現數字化、網絡化和智能化。

功率器件普遍采用以智能功率模塊（ipm）為核心設計的驅動電路,ipm內部集成了驅動電路,同時具有過電壓、過電流、過熱、欠壓等故障檢測保護電路,在主回路中還加入軟啟動電路,以減小啟動過程對驅動器的沖擊。

功率驅動單元首先通過三相全橋整流電路對輸入的三相電或者市電進行整流，得到相應的直流電。經過整流好的三相電或市電，再通過三相正弦pwm電壓型逆變器變頻來驅動三相永磁式同步交流伺服電機。功率驅動單元的整個過程可以簡單的說就是ac-dc-ac的過程。整流單元（ac-dc）主要的拓撲電路是三相全橋不控整流電路。



三、伺服系統接線圖

1.驅動器接線


伺服驅動器主要有控制回路電源、主控制回路電源、伺服輸出電源、控制器輸入cn1、編碼器接口cn2、連接起cn3。

控制回路電源是單相ac電源，輸入電源可單相、三相，但是必須是220v，就是說三相輸入時，咱們的三相電源必須經過變壓器變壓才能接，對于功率較小的驅動器，可單相直接驅動。

單相接法必須接r、s端子。伺服電機輸出u、v、w切記千萬不能與主電路電源連接，有可能燒毀驅動器。cn1端口主要用于上位機控制器的連接，提供輸入、輸出、編碼器abz三相輸出、各種監控信號的模擬量輸出。

2.編碼器接線


從上圖看出九個端子我們只使用了5個，一個屏蔽線、電源線兩根、串行通訊信號(+-)兩根，與我們普通的編碼器接線差不多。


3.通訊端口



驅動器通過cn3端口與電腦plc、hmi等上位機相連接，采用modbus通訊來控制驅動器，可使用rs232、rs485進行通訊。


四、伺服驅動器市場

機器人對關節驅動電機的要求非常嚴格，交流伺服電機在工業機器人中得到廣泛應用。目前國內高端市場主要被國外名企占據，主要來自日本和歐美，未來國產替代空間大。

目前國外品牌占據了中國交流伺服市場近80%的市場份額，主要來自日本和歐美。其中，日系產品約以50%的市場份額居首，其著名品牌包括松下、三菱電機、安川、三洋、富士等，其產品特點是技術和性能水平比較符合中國用戶的需求，以良好的性價比和較高的可靠性獲得了穩定且持續的客戶源，在中小型oem市場上尤其具有壟斷優勢。

*精密減速器



最近看了一則新聞：機器人產業要破除“卡脖子”難題，感觸挺深。隨著人工成本的提高，工業機器人替換人已成為趨勢。工業機器人作為智能制造的基石，但核心零部件卻制約著我國機器人產業的發展，據相關顯示目前國內機器人減速器普通依賴進口。機器人產業在中國要成氣候，必須下決心解決核心零部件的問題。



*控制系統



機器人控制系統是機器人的大腦，是決定機器人功用和功能的主要要素。控制系統是按照輸入的程序對驅動系統和實行機構收回指令信號，并進行控制。下面文章主要介紹機器人控制系統。



1、機器人的控制系統

“控制”的目的是指被控對象會按照者所期望的方式產生行為。“控制”的基本條件是了解被控對象的特性。

“實質”是對驅動器輸出力矩的控制。



機器人的控制系統


2、機器人的基本工作原理

工作原理是示教再現；示教也稱導引示教，既是人工導引機器人，一步步按實際需求動作流程操作一遍，機器人在導引過程中自動記憶示教的每個動作的姿態、位置、工藝參數、運動參數等，并自動生成一個連續執行的程序。完成示教后，只需要給機器人一個啟動命令，機器人將會地自動按照示教好的動作，完成全部流程。


3、機器人控制的分類

1）按照有無反饋分為：開環控制、閉環控制、

開環精確控制的條件：精確地知道被控對象的模型，并且這一模型在控制過程中保持不變。



2）按照期望控制量分為：力控制、位置控制、混合控制這三種。

位置控制分為：單關節位置控制（位置反饋，位置速度反饋，位置速度加速度反饋）、多關節位置控制

多關節位置控制分為分解運動控制、集中控制力控制分為：直接力控制、阻抗控制、力位混合控制


3）智能化的控制方式

模糊控制、自適應控制、最優控制、神經網絡控制、模糊神經網絡控制、專家控制


4、控制系統硬件配置及結構.電氣硬件.軟件架構

由于機器人的控制過程中涉及大量的坐標變換和插補運算以及較低層的實時控制。所以，目前市面上機器人控制系統在結構上大部分采用分層結構的微型計算機控制系統，通常采用的是兩級計算機伺服控制系統。



1）具體流程：

主控計算機接到工作人員輸入的作業指令后，首先分析解釋指令，確定手的運動參數。然后進行運動學、動力學和插補運算，最后得出機器人各個關節的協調運動參數。

這些參數經過通信線路輸出到伺服控制級，作為各個關節伺服控制系統的給定信號。關節上的伺服驅動器將此信號d/a轉換后驅動各個關節產生協調運動。

傳感器將各個關節的運動輸出信號反饋回伺服控制級計算機形成局部閉環控制，達到精確的控制機器人在空間的運動。



2）基于plc的運動控制兩種控制方式：

①利用plc的輸出端口使用脈沖指令來產生脈沖驅動電機，同時使用通用i/o或者計數零部件來實現伺服電機的閉環位置控制

②使用plc外部擴展的位置控制模塊來實現電機的閉環位置控制，這種方式主要是以發高速脈沖控制，屬于位置控制方式，位置控制一般都是點到點的位置控制方式較多。



07

機器人重要參數


機器人的技術參數反映了機器人可勝任的工作、具有的操作性能等情況，是設計、應用機器人必須考慮的問題。機器人的主要技術參數有自由度、分辨率、工作空間、工作速度、工作載荷等。


1、自由度

是指機器人具有的獨立運動的坐標軸數量。

機器人的自由度是指確定機器人手部在空間的位置和姿態時所需要的獨立運動參數的數量。機器人的自由度數一般等于關節數量。

常見機器人自由度數一般有5～6個。有些機器人還附帶有外部軸。


2、關節（joint）

即運動副，允許機器人手臂各零件之間發生相對運動的機構。


3、工作范圍

工業機器人手臂或手部安裝點所能達到的所有空間范圍。

其形狀取決于機器人的自由度數和各運動關節的類型與配置。機器人的工作范圍一般有：圖解法和解析法這兩種方法表示。

4、速度

機器人在工作過程中帶載荷條件下、勻速運動過程時，機械接口中心或工具中心點在單位時間內所移動的距離或轉動的角度。



5、工作負載

是指機器人手腕前端安裝負荷在工作范圍內任何位置上所能承受的重量，一般用質量、力矩、慣性矩表示。

還和運行速度和加速度大小等參數有關，工作負載一般用高速運行時機器人所能抓取的工件重量作為負載承受能力為指標。

搬運機器人的負荷重量，必須考慮抓手和工件的合計。


6、分辨率

是指機器人能夠實現的最小移動距離或最小轉動角度。


7、精度

重復性或重復定位精度：指機器人重復到達某一目標位置的差異性。比如你要求一個軸走100mm結果次實際上他走了100.01重復一次同樣的動作他走了99.99這之間的誤差0.02就是重復定位精度。它是衡量一列誤差值的集中程度，即重復度。機器人精度機不單取決與關節減速機及傳動裝置，且對機械裝配工藝存在很大關系，很多由于裝配不到位導致機器人重復定位精度下降。