工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)分析

　　此文將工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)及技術(shù)指標(biāo)描述很為詳盡，值得細(xì)看！

　　一、常用運(yùn)動(dòng)學(xué)構(gòu)形

　　1.笛卡爾操作臂

　　優(yōu)點(diǎn)：很容易通過(guò)計(jì)算機(jī)控制實(shí)現(xiàn)，容易達(dá)到高精度。缺點(diǎn)：妨礙工作， 且占地面積大， 運(yùn)動(dòng)速度低， 密封性不好。

　　焊接、搬運(yùn)、上下料、包裝、碼垛、拆垛、檢測(cè)、探傷、分類(lèi)、裝配、貼標(biāo)、噴碼、打碼、（軟仿型）噴涂、目標(biāo)跟隨、排爆等一系列工作；

　　特別適用于多品種，便批量的柔性化作業(yè)，對(duì)于穩(wěn)定，提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，改善勞動(dòng)條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代有著十分重要的作用。

　　2.鉸鏈型操作臂（關(guān)節(jié)型）

　　關(guān)節(jié)機(jī)器人的關(guān)節(jié)全都是旋轉(zhuǎn)的， 類(lèi)似于人的手臂，工業(yè)機(jī)器人中最常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)。它的工作范圍較為復(fù)雜。

　　汽車(chē)零配件、模具、鈑金件、塑料制品、運(yùn)動(dòng)器材、玻璃制品、陶瓷、航空等的快速檢測(cè)及產(chǎn)品開(kāi)發(fā)；

　　車(chē)身裝配、通用機(jī)械裝配等制造質(zhì)量控制等的三坐標(biāo)測(cè)量及誤差檢測(cè)；

　　古董、藝術(shù)品、雕塑、卡通人物造型、人像制品等的快速原型制作；

　　汽車(chē)整車(chē)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和檢測(cè)；

　　人體形狀測(cè)量、骨骼等醫(yī)療器材制作、人體外形制作、醫(yī)學(xué)整容等。

　　3.SCARA操作臂

　　SCARA機(jī)器人常用于裝配作業(yè)， 最顯著的特點(diǎn)是它們?cè)趚-y平面上的運(yùn)動(dòng)具有較大的柔性， 而沿z軸具有很強(qiáng)的剛性， 所以， 它具有選擇性的柔性。這種機(jī)器人在裝配作業(yè)中獲得了較好的應(yīng)用。

　　大量用于裝配印刷電路板和電子零部件；

　　搬動(dòng)和取放物件，如集成電路板等；

　　廣泛應(yīng)用于塑料工業(yè)、汽車(chē)工業(yè)、電子產(chǎn)品工業(yè)、藥品工業(yè)和食品工業(yè)等領(lǐng)域；

　　搬取零件和裝配工作。

　　4.球面坐標(biāo)型操作臂

　　特點(diǎn)：中心支架附近的工作范圍大，兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置容易密封，覆蓋工作空間較大。但該坐標(biāo)復(fù)雜， 難于控制，且直線驅(qū)動(dòng)裝置存在密封的問(wèn)題。

　　5.圓柱面坐標(biāo)型操作臂

　　優(yōu)點(diǎn)：且計(jì)算簡(jiǎn)單;直線部分可采用液壓驅(qū)動(dòng)，可輸出較大的動(dòng)力; 能夠伸入型腔式機(jī)器內(nèi)部。

　　缺點(diǎn)：它的手臂可以到達(dá)的空間受到限制， 不能到達(dá)近立柱或近地面的空間;直線驅(qū)動(dòng)部分難以密封、防塵; 后臂工作時(shí)， 手臂后端會(huì)碰到工作范圍內(nèi)的其它物體。

　　6.冗余機(jī)構(gòu)

　　通?？臻g定位需要6個(gè)自由度，利用附加的關(guān)節(jié)可以幫助機(jī)構(gòu)避開(kāi)奇異位形。下圖為7自由度操作臂位形。

　　7.閉環(huán)結(jié)構(gòu)

　　閉環(huán)結(jié)構(gòu)可以提高機(jī)構(gòu)剛度，但會(huì)減小關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍，工作空間有一定減小。

　　運(yùn)動(dòng)模擬器；

　　并聯(lián)機(jī)床；

　　微操作機(jī)器人；

　　力傳感器；

　　生物醫(yī)學(xué)工程中的細(xì)胞操作機(jī)器人、可實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的注射和分割；

　　微外科手術(shù)機(jī)器人；

　　大型射電天文望遠(yuǎn)鏡的姿態(tài)調(diào)整裝置；

　　混聯(lián)裝備等，如SMT公司的Tricept混聯(lián)機(jī)械手模塊是基于并聯(lián)機(jī)構(gòu)單元的模塊化設(shè)計(jì)的成功典范。

　　工業(yè)機(jī)器人的幾種常用結(jié)構(gòu)形式（圖）：

　　二、機(jī)器人的主要技術(shù)參數(shù)

　　機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)反映了機(jī)器人可勝任的工作、具有的最高操作性能等情況，是設(shè)計(jì)、應(yīng)用機(jī)器人必須考慮的問(wèn)題。機(jī)器人的主要技術(shù)參數(shù)有自由度、分辨率、工作空間、工作速度、工作載荷等。

　　1.自由度

　　機(jī)器人具有的獨(dú)立坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)的數(shù)目。 機(jī)器人的自由度是指確定機(jī)器人手部在空間的位置和姿態(tài)時(shí)所需要的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)參數(shù)的數(shù)目。手指的開(kāi)、合，以及手指關(guān)節(jié)的自由度一般不包括在內(nèi)。。機(jī)器人的自由度數(shù)一般等于關(guān)節(jié)數(shù)目。 機(jī)器人常用的自由度數(shù)一般不超過(guò)5～6個(gè)。

　　2.關(guān)節(jié)（Joint）

　　即運(yùn)動(dòng)副，允許機(jī)器人手臂各零件之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)。

　　3.工作空間

　　機(jī)器人手臂或手部安裝點(diǎn)所能達(dá)到的所有空間區(qū)域。其形狀取決于機(jī)器人的自由度數(shù)和各運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)的類(lèi)型與配置。機(jī)器人的工作空間通常用圖解法和解析法兩種方法進(jìn)行表示。

　　4.工作速度

　　機(jī)器人在工作載荷條件下、勻速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，機(jī)械接口中心或工具中心點(diǎn)在單位時(shí)間內(nèi)所移動(dòng)的距離或轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。

　　5.工作載荷

　　指機(jī)器人在工作范圍內(nèi)任何位置上所能承受的最大負(fù)載，一般用質(zhì)量、力矩、慣性矩表示。 還和運(yùn)行速度和加速度大小方向有關(guān)，一般規(guī)定高速運(yùn)行時(shí)所能抓取的工件重量作為承載能力指標(biāo)。

　　6.分辨率

　　能夠?qū)崿F(xiàn)的最小移動(dòng)距離或最小轉(zhuǎn)動(dòng)角度。

　　7.精度

　　重復(fù)性或重復(fù)定位精度：指機(jī)器人重復(fù)到達(dá)某一目標(biāo)位置的差異程度?；蛟谙嗤奈恢弥噶钕?，機(jī)器人連 續(xù)重復(fù)若干次其位置的分散情況。它是衡量一列誤差值的密集程度，即重復(fù)度。

　　三、機(jī)器人常用材料

　　1.碳素結(jié)構(gòu)鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼 這類(lèi)材料強(qiáng)度好，特別是合金結(jié)構(gòu)鋼，其強(qiáng)度增大了4～5倍，彈性模量E大，抗變形能力強(qiáng)，是應(yīng)用最廣泛的材料。

　　2.鋁、鋁合金及其他輕合金材料 這類(lèi)材料的共同特點(diǎn)是重量輕，彈性模量E并不大，但是材料密度小，故E/ρ之比仍可與鋼材相比。有些稀貴鋁合金的品質(zhì)得到了更明顯的改善，例如添加3.2％（重量百分比）鋰的鋁合金，彈性模量增加了14％，E/ρ比增加了16％。

　　3.纖維增強(qiáng)合金 這類(lèi)合金如硼纖維增強(qiáng)鋁合金、石墨纖維增強(qiáng)鎂合金等，其E/ρ比分別達(dá)到11.4×107和8.9×107。這種纖維增強(qiáng)金屬材料具有非常高的E/ρ比，但價(jià)格昂貴。

　　4.陶瓷 陶瓷材料具有良好的品質(zhì)，但是脆性大，不易加工，日本已經(jīng)試制了在小型高精度機(jī)器人上使用的陶瓷機(jī)器人臂樣品。

　　5.纖維增強(qiáng)復(fù)合材料 這類(lèi)材料具有極好的E/ρ比，而且還具有十分突出的大阻尼的優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)金屬材料不可能具有這么大的阻尼，所以在高速機(jī)器人上應(yīng)用復(fù)合材料的實(shí)例越來(lái)越多。

　　6.粘彈性大阻尼材料 增大機(jī)器人連桿件的阻尼是改善機(jī)器人動(dòng)態(tài)特性的有效方法。目前有許多方法用來(lái)增加結(jié)構(gòu)件材料的阻尼，其中最適合機(jī)器人采用的一種方法是用粘彈性大阻尼材料對(duì)原構(gòu)件進(jìn)行約束層阻尼處理。

　　四、機(jī)器人主要結(jié)構(gòu)

　　機(jī)器人驅(qū)動(dòng)裝置

　　概念：要使機(jī)器人運(yùn)行起來(lái)， 需給各個(gè)關(guān)節(jié)即每個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度安置傳動(dòng)裝置 作用：提供機(jī)器人各部位、各關(guān)節(jié)動(dòng)作的原動(dòng)力。

　　驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：可以是液壓傳動(dòng)、氣動(dòng)傳動(dòng)、電動(dòng)傳動(dòng)， 或者把它們結(jié)合起來(lái)應(yīng)用的綜合系統(tǒng); 可以是直接驅(qū)動(dòng)或者是通過(guò)同步帶、鏈條、輪系、諧波齒輪等機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行間接驅(qū)動(dòng)。

　　1.電動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置

　　電動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的能源簡(jiǎn)單，速度變化范圍大，效率高，速度和位置精度都很高。但它們多與減速裝置相聯(lián)，直接驅(qū)動(dòng)比較困難。

　　電動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置又可分為直流（DC）、交流（AC）伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。 直流伺服電機(jī)電刷易磨損，且易形成火花。無(wú)刷直流電機(jī)也得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)多為開(kāi)環(huán)控制，控制簡(jiǎn)單但功率不大，多用于低精度小功率機(jī)器人系統(tǒng)。

　　電動(dòng)上電運(yùn)行前要作如下檢查：

　　電源電壓是否合適（過(guò)壓很可能造成驅(qū)動(dòng)模塊的損壞）； 對(duì)于直流輸入的+/-極性一定不能接錯(cuò)，驅(qū)動(dòng)控制器上的電機(jī)型號(hào)或電流設(shè)定值是否合適（開(kāi)始時(shí)不要太大）；

　　控制信號(hào)線接牢靠，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)最好要考慮屏蔽問(wèn)題（如采用雙絞線）；

　　一定要搞清楚接地方法，還是采用浮空不接。

　　開(kāi)始運(yùn)行的半小時(shí)內(nèi)要密切觀察電機(jī)的狀態(tài)，如運(yùn)動(dòng)是否正常，聲音和溫升情況，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題立即停機(jī)調(diào)整。

　　2.液壓驅(qū)動(dòng)

　　通過(guò)高精度的缸體和活塞來(lái)完成，通過(guò)缸體和活塞桿的相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)。

　　優(yōu)點(diǎn)：功率大，可省去減速裝置直接與被驅(qū)動(dòng)的桿件相連，結(jié)構(gòu)緊湊，剛度好，響應(yīng)快，伺服驅(qū)動(dòng)具有較高的精度。

　　缺點(diǎn)：需要增設(shè)液壓源，易產(chǎn)生液體泄漏，不適合高、低溫場(chǎng)合，故液壓驅(qū)動(dòng)目前多用于特大功率的機(jī)器人系統(tǒng)。

　　選擇適合的液壓油。 防止固體雜質(zhì)混入液壓系統(tǒng)，防止空氣和水入侵液壓系統(tǒng) 。機(jī)械作業(yè)要柔和平順機(jī)械作業(yè)應(yīng)避免粗暴，否則必然產(chǎn)生沖擊負(fù)荷，使機(jī)械故障頻發(fā)，大大縮短使用壽命。要注意氣蝕和溢流噪聲。作業(yè)中要時(shí)刻注意液壓泵和溢流閥的聲音，如果液壓泵出現(xiàn)“氣蝕”噪聲，經(jīng)排氣后不能消除，應(yīng)查明原因排除故障后才能使用。 保持適宜的油溫。液壓系統(tǒng)的工作溫度一般控制在30～80℃之間為宜。

　　3.氣壓驅(qū)動(dòng)

　　氣壓驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，清潔，動(dòng)作靈敏，具有緩沖作用。 。但與液壓驅(qū)動(dòng)裝置相比，功率較小，剛度差，噪音大，速度不易控制，所以多用于精度不高的點(diǎn)位控制機(jī)器人。

　　具有速度快、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修方便、價(jià)格低等特點(diǎn)。適于在中、小負(fù)荷的機(jī)器人中采用。但因難于實(shí)現(xiàn)伺服控制，多用于程序控制的機(jī)械人中，如在上、下料和沖壓機(jī)器人中應(yīng)用較多。

　　在多數(shù)情況下是用于實(shí)現(xiàn)兩位式的或有限點(diǎn)位控制的中、小機(jī)器人中的。

　　控制裝置目前多數(shù)選用可編程控制器（PLC控制器）。在易燃、易爆場(chǎng)合下可采用氣動(dòng)邏輯元件組成控制裝置。

　　直線傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

　　傳動(dòng)裝置是連接動(dòng)力源和運(yùn)動(dòng)連桿的關(guān)鍵部分，根據(jù)關(guān)節(jié)形式，常用的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)形式有直線傳動(dòng)和旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。

　　直線傳動(dòng)方式可用于直角坐標(biāo)機(jī)器人的X、Y、Z向驅(qū)動(dòng)，圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)的徑向驅(qū)動(dòng)和垂直升降驅(qū)動(dòng)，以及球坐標(biāo)結(jié)構(gòu)的徑向伸縮驅(qū)動(dòng)。

　　直線運(yùn)動(dòng)可以通過(guò)齒輪齒條、絲杠螺母等傳動(dòng)元件將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，也可以有直線驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，也可以直接由氣缸或液壓缸的活塞產(chǎn)生。

　　1.齒輪齒條裝置

　　通常齒條是固定的。齒輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成托板的直線運(yùn)動(dòng)。

　　優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

　　缺點(diǎn)：回差較大。

　　2.滾珠絲杠

　　在絲杠和螺母的螺旋槽內(nèi)嵌入滾珠，并通過(guò)螺母中的導(dǎo)向槽使?jié)L珠能連續(xù)循環(huán)。

　　優(yōu)點(diǎn)：摩擦力小，傳動(dòng)效率高，無(wú)爬行，精度高

　　缺點(diǎn)：制造成本高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

　　自鎖問(wèn)題：理論上滾珠絲杠副也可以自鎖，但是實(shí)際應(yīng)用上沒(méi)有使用這個(gè)自鎖的，原因主要是：可靠性很差，或加工成本很高；因?yàn)橹睆脚c導(dǎo)程比非常大，一般都是再加一套蝸輪蝸桿之類(lèi)的自鎖裝置。

　　旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

　　采用旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的目的是將電機(jī)的驅(qū)動(dòng)源輸出的較高轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成較低轉(zhuǎn)速，并獲得較大的力矩。機(jī)器人中應(yīng)用較多的旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有齒輪鏈、同步皮帶和諧波齒輪。

　　1.齒輪鏈

　　轉(zhuǎn)速關(guān)系

　　力矩關(guān)系

　　2.同步皮帶

　　同步帶是具有許多型齒的皮帶，它與同樣具有型齒的同步皮帶輪相嚙合。工作時(shí)相當(dāng)于柔軟的齒輪。

　　優(yōu)點(diǎn)：無(wú)滑動(dòng)，柔性好，價(jià)格便宜，重復(fù)定位精度高。

　　缺點(diǎn)：具有一定的彈性變形。

　　3.諧波齒輪

　　諧波齒輪由剛性齒輪、諧波發(fā)生器和柔性齒輪三個(gè)主要零件組成，一般剛性齒輪固定，諧波發(fā)生器驅(qū)動(dòng)柔性齒輪旋轉(zhuǎn)。 主要特點(diǎn)：

　　傳動(dòng)比大，單級(jí)為50—300。

　　傳動(dòng)平穩(wěn)，承載能力高。

　　傳動(dòng)效率高，可達(dá)70%—90%。

　　傳動(dòng)精度高，比普通齒輪傳動(dòng)高3—4倍。

　　回差小，可小于3’。

　　不能獲得中間輸出，柔輪剛度較低。

　　諧波傳動(dòng)裝置在機(jī)器人技術(shù)比較先進(jìn)的國(guó)家已得到了廣泛的應(yīng)用。僅就日本來(lái)說(shuō)，機(jī)器人驅(qū)動(dòng)裝置的60％都采用了諧波傳動(dòng)。

　　美國(guó)送到月球上的機(jī)器人，其各個(gè)關(guān)節(jié)部位都采用諧波傳動(dòng)裝置，其中一只上臂就用了30個(gè)諧波傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。

　　前蘇聯(lián)送入月球的移動(dòng)式機(jī)器人“登月者”，其成對(duì)安裝的8個(gè)輪子均是用密閉諧波傳動(dòng)機(jī)構(gòu)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)的。 。德國(guó)大眾汽車(chē)公司研制的ROHREN、GEROT R30型機(jī)器人和法國(guó)雷諾公司研制的VERTICAL 80型機(jī)器人等都采用了諧波傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。

　　機(jī)器人傳感系統(tǒng)

　　1.感受系統(tǒng)由內(nèi)部傳感器模塊和外部傳感器模塊組成， 用以獲取內(nèi)部和外部環(huán)境狀態(tài)中有意義的信息。

　　2.智能傳感器的使用提高了機(jī)器人的機(jī)動(dòng)性、適應(yīng)性和智能化的水準(zhǔn)。

　　3.智能傳感器的使用提高了機(jī)器人的機(jī)動(dòng)性、適應(yīng)性和智能化的水準(zhǔn)。

　　4.對(duì)于一些特殊的信息， 傳感器比人類(lèi)的感受系統(tǒng)更有效。

　　機(jī)器人位置檢測(cè)

　　旋轉(zhuǎn)光學(xué)編碼器是最常用的位置反饋裝置。光電探測(cè)器把光脈沖轉(zhuǎn)化成二進(jìn)制波形。軸的轉(zhuǎn)角通過(guò)計(jì)算脈沖數(shù)得到，轉(zhuǎn)動(dòng)方向由兩個(gè)方波信號(hào)的相對(duì)相位決定。

　　感應(yīng)同步器輸出兩個(gè)模擬信號(hào)——軸轉(zhuǎn)角的正弦信號(hào)和余弦信號(hào)。軸的轉(zhuǎn)角由這兩個(gè)信號(hào)的相對(duì)幅值計(jì)算得到。感應(yīng)同步器一般比編碼器可靠，但它的分辨率較低。

　　電位計(jì)是最直接的位置檢測(cè)形式。它連接在電橋中，能夠產(chǎn)生與軸轉(zhuǎn)角成正比的電壓信號(hào)。但是，由于分辨率低、線性不好以及對(duì)噪聲敏感。

　　轉(zhuǎn)速計(jì)能夠輸出與軸的轉(zhuǎn)速成正比的模擬信號(hào)。如果沒(méi)有這樣的速度傳感器，可以通過(guò)對(duì)檢測(cè)到的位置相對(duì)于時(shí)間的差分得到速度反饋信號(hào)。