工業機器人(rén)廣泛使用(yòng)在産業制造上，汽車制造、電器、食品等，能替代反複機器式操縱工作，是靠本身動力和(hé)控制才能來(lái)實現種種功用(yòng)的(de)一種機器。它能夠承受人(rén)類指揮，也(yě)能夠按照(zhào)事先編排的(de)程序運轉。今天我們講講工業機器人(rén)基本主要構成部分(fēn)。
主體機械即機座和(hé)實行機構，包括大(dà)臂、小臂、腕部和(hé)手部，構成的(de)多(duō)自由度的(de)機械系統。有的(de)機器人(rén)另有行走機構。工業機器人(rén)有6個(gè)自由度乃至更多(duō)腕部通(tōng)俗有1～3個(gè)活動自由度。工業機器人(rén)的(de)驅動系統，按動力源分(fēn)爲液壓，氣動和(hé)電動三大(dà)類。依據需求也(yě)可(kě)由這(zhè)三種範例組合并複合式的(de)驅動系統。或者通(tōng)過同步帶、輪系、齒輪等機械傳動機構來(lái)間接驅動。驅動系統有動力裝置和(hé)傳動機構，用(yòng)以實行機構發生相應的(de)動作，這(zhè)三類根本驅動系統的(de)各有特點，現在主流的(de)是電動驅動系統。由于低慣量，大(dà)轉矩交、直流伺服電機及其配套的(de)伺服驅動器(交換變頻(pín)器、直流脈沖寬度調制器)的(de)普遍接納。這(zhè)類系統不需能量轉換，運用(yòng)方便，控制靈敏。大(dà)多(duō)數電機後面需安裝精細的(de)傳動機構：減速器。其齒運用(yòng)齒輪的(de)速率轉換器，将電機的(de)反轉數減速到所要的(de)反轉數，并得(de)到較大(dà)轉矩的(de)裝置，從而降低轉速，添加轉矩,當負載較大(dà)時(shí)，一味提升伺服電機的(de)功率是很不劃算(suàn)的(de)，能夠在适宜的(de)速率範疇内通(tōng)過減速器來(lái)進步輸出扭矩。伺服電機在低頻(pín)運轉下(xià)容易發熱(rè)和(hé)出現低頻(pín)振動，長(cháng)時(shí)間和(hé)重複性的(de)工作不利于确保其準确性、牢靠地運轉。精細減速電機的(de)存在使伺服電機在一個(gè)适宜的(de)速率下(xià)運轉，加強機器體剛性的(de)同時(shí)輸出更大(dà)的(de)力矩。如今主流的(de)減速器有兩種：諧波減速器和(hé)RV減速機器人(rén)控制系統是機器人(rén)的(de)大(dà)腦(nǎo)，是決定機器人(rén)功用(yòng)和(hé)功能的(de)主要要素。控制系統是按照(zhào)輸入的(de)程序對(duì)驅動系統和(hé)實行機構收回指令信号，并進行控制。工業機器人(rén)控制技術的(de)主要任務便是控制工業機器人(rén)在工作空間中的(de)活動範圍、姿勢和(hé)軌迹、動作的(de)時(shí)間等。具有編程簡單、軟件菜單操縱、友好的(de)人(rén)機交互界面、在線操縱提示和(hé)運用(yòng)方便等特點。控制器系統是機器人(rén)的(de)中心，外國有關公司對(duì)我國實驗緊密封閉。連年來(lái)随著(zhe)微電子技術的(de)開展，微處置器的(de)功能越來(lái)越高(gāo)，而價錢則越來(lái)越便宜，現在市集上曾經出現了(le)1-2美(měi)金的(de)32位微處置器。高(gāo)性價比的(de)微處置器爲機器人(rén)控制器帶來(lái)了(le)新的(de)開展機會，使開辟低本錢、高(gāo)功能的(de)機器人(rén)控制器成爲可(kě)能。爲了(le)使系統具有充足的(de)運算(suàn)與存儲能力，現在機器人(rén)控制器多(duō)接納較強的(de)ARM系列、DSP系列、POWERPC系列、Intel系列等芯片構成。由于已有的(de)通(tōng)用(yòng)芯片功用(yòng)及功能上不可(kě)以完全滿足有些機器人(rén)系統在價錢、功能、集成度和(hé)接口等方面的(de)要求，這(zhè)就萌生了(le)機器人(rén)系統對(duì)SoC（Systemon Chip）技能的(de)需求，将特定的(de)處置器與所需求的(de)接口集成在一同，可(kě)簡化(huà)系統外圍電路的(de)設計，減少系統尺寸，并低低成本。比方，Actel公司将NEOS或ARM7的(de)處置器内核集成在其FPGA産品上，構成了(le)一個(gè)完整的(de)SoC系統。在機器人(rén)技術控制器方面，其研討(tǎo)主要會合在美(měi)國和(hé)日本，并有成熟的(de)成品，如美(měi)國DELTATAU公司、日本朋立株式會社等。其運動控制器以DSP技術爲核心，采用(yòng)基于PC的(de)開放式結構。它是内部傳感器模塊和(hé)外部傳感器模塊的(de)構成，獲取内部和(hé)外部的(de)環境狀态中有意義的(de)信息。内部傳感器：用(yòng)來(lái)檢測機器人(rén)本身狀态（如手臂間的(de)角度）的(de)傳感器，多(duō)爲檢測位置和(hé)角度的(de)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(yòng)來(lái)檢測機器人(rén)所處環境（如檢測物(wù)體，距離物(wù)體的(de)距離）及狀況（如檢測抓取的(de)物(wù)體是否滑落）的(de)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(de)使用(yòng)提高(gāo)了(le)機器人(rén)的(de)機動性，實用(yòng)性和(hé)智能化(huà)的(de)标準，人(rén)類的(de)感知系統對(duì)外部世界信息是機器人(rén)靈巧的(de)，然而，對(duì)于一些特許的(de)信息，傳感器比人(rén)的(de)系統更加有效。末端執行器連接在機械手最後一個(gè)關節上的(de)部件，它一般用(yòng)來(lái)抓取物(wù)體，與其他(tā)機構連接并執行需要的(de)任務。機器人(rén)制造上一般不設計或出售末端執行器，多(duō)數情況下(xià)，他(tā)們隻提供一個(gè)簡單的(de)抓持器。通(tōng)常末端執行器安裝在機器人(rén)6軸的(de)法蘭盤上以完成給定環境中的(de)任務，如焊接，噴漆，塗膠以及零件裝卸等就是需要機器人(rén)來(lái)完成的(de)任務。伺服驅動器又稱爲“伺服控制器”、“伺服放大(dà)器”，是用(yòng)來(lái)控制伺服電機的(de)一種控制器，其作用(yòng)類似于變頻(pín)器作用(yòng)于普通(tōng)交流馬達，屬于伺服系統的(de)一部分(fēn)。一般是通(tōng)過位置、速度和(hé)力矩三種方式對(duì)伺服電機進行控制，實現高(gāo)精度的(de)傳動系統定位。分(fēn)爲直流和(hé)交流伺服電動機兩大(dà)類，交流伺服電動機又分(fēn)爲異步伺服電動機和(hé)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(gāo)可(kě)靠性、散熱(rè)好、轉動慣量小、能工作于高(gāo)壓狀态下(xià)等優點。因爲無電刷和(hé)轉向器，故交流****系統也(yě)成爲無刷伺服系統，用(yòng)于其中的(de)電機是無刷結構的(de)籠型異步電機和(hé)永磁同步型電機。1）直流伺服電機分(fēn)爲有刷和(hé)無刷電機①有刷電機成本低，結構簡單，啓動轉矩大(dà)，調速範圍寬，控制容易，需要維護，但維護方便（換碳刷），産生電磁幹擾，對(duì)使用(yòng)環境有要求，通(tōng)常用(yòng)于對(duì)成本敏感的(de)普通(tōng)工業和(hé)民用(yòng)場(chǎng)合；②無刷電機體積小重量輕，出力大(dà)響應快(kuài)，速度高(gāo)慣量小，力矩穩定轉動平滑，控制複雜(zá)，智能化(huà)，電子換相方式靈活，可(kě)以方波或正弦波換相，電機免維護，高(gāo)效節能，電磁輻射小，溫升低壽命長(cháng)，适用(yòng)于各種環境。優點：速度控制精确，轉矩速度特性很硬，控制原理(lǐ)簡單，使用(yòng)方便，價格便宜。缺點：電刷換向，速度限制，附加阻力，産生磨損微粒（無塵易爆環境不宜）優點：速度控制特性良好，在整個(gè)速度區(qū)内可(kě)實現平滑控制，幾乎無振蕩，90%以上的(de)高(gāo)效率，發熱(rè)少，高(gāo)速控制，高(gāo)精确度位置控制（取決于編碼器精度），額定運行區(qū)域内，可(kě)實現恒力矩，慣量低，低噪音(yīn)，無電刷磨損，免維護（适用(yòng)于無塵、易爆環境）。缺點：控制較複雜(zá)，驅動器參數需要現場(chǎng)調整PID參數确定，需要更多(duō)的(de)連線。目前主流的(de)伺服驅動器均采用(yòng)數字信号處理(lǐ)器（DSP）作爲控制核心，可(kě)以實現比較複雜(zá)的(de)控制算(suàn)法，實現數字化(huà)、網絡化(huà)和(hé)智能化(huà)。功率器件普遍采用(yòng)以智能功率模塊（IPM）爲核心設計的(de)驅動電路,IPM内部集成了(le)驅動電路,同時(shí)具有過電壓、過電流、過熱(rè)、欠壓等故障檢測保護電路,在主回路中還(hái)加入軟啓動電路,以減小啓動過程對(duì)驅動器的(de)沖擊。功率驅動單元首先通(tōng)過三相全橋整流電路對(duì)輸入的(de)三相電或者市電進行整流，得(de)到相應的(de)直流電。經過整流好的(de)三相電或市電，再通(tōng)過三相正弦PWM電壓型逆變器變頻(pín)來(lái)驅動三相永磁式同步交流伺服電機。功率驅動單元的(de)整個(gè)過程可(kě)以簡單的(de)說就是AC-DC-AC的(de)過程。整流單元（AC-DC）主要的(de)拓撲電路是三相全橋不控整流電路。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(kě)單相、三相，但是必須是220v，就是說三相輸入時(shí)，咱們的(de)三相電源必須經過變壓器變壓才能接，對(duì)于功率較小的(de)驅動器，可(kě)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(kě)能燒毀驅動器。CN1端口主要用(yòng)于上位機控制器的(de)連接，提供輸入、輸出、編碼器ABZ三相輸出、各種監控信号的(de)模拟量輸出。從上圖看出九個(gè)端子我們隻使用(yòng)了(le)5個(gè)，一個(gè)屏蔽線、電源線兩根、串行通(tōng)訊信号(+-)兩根，與我們普通(tōng)的(de)編碼器接線差不多(duō)。驅動器通(tōng)過CN3端口與電腦(nǎo)PLC、HMI等上位機相連接，采用(yòng)MODBUS通(tōng)訊來(lái)控制驅動器，可(kě)使用(yòng)RS232、RS485進行通(tōng)訊。機器人(rén)對(duì)關節驅動電機的(de)要求非常嚴格，交流伺服電機在工業機器人(rén)中得(de)到廣泛應用(yòng)。目前國内高(gāo)端市場(chǎng)主要被國外名企占據，主要來(lái)自日本和(hé)歐美(měi)，未來(lái)國産替代空間大(dà)。目前國外品牌占據了(le)中國交流伺服市場(chǎng)近80%的(de)市場(chǎng)份額，主要來(lái)自日本和(hé)歐美(měi)。其中，日系産品以約50%的(de)市場(chǎng)份額居首，其著名品牌包括松下(xià)、三菱電機、安川、三洋、富士等，其産品特點是技術和(hé)性能水(shuǐ)平比較符合中國用(yòng)戶的(de)需求，以良好的(de)性價比和(hé)較高(gāo)的(de)可(kě)靠性獲得(de)了(le)穩定且持續的(de)客戶源，在中小型OEM市場(chǎng)上尤其具有壟斷優勢。最近看了(le)一則新聞：機器人(rén)産業要破除“卡脖子”難題，感觸挺深。随著(zhe)人(rén)工成本的(de)提高(gāo)，工業機器人(rén)替換人(rén)已成爲趨勢。工業機器人(rén)作爲智能制造的(de)基石，但核心零部件卻制約著(zhe)我國機器人(rén)産業的(de)發展，據相關調查顯示目前國内機器人(rén)減速器普通(tōng)依賴進口。機器人(rén)産業在中國要成氣候，必須下(xià)決心解決核心零部件的(de)問題。
下(xià)面介紹工業機器人(rén)核心精密零部件：減速器，與通(tōng)用(yòng)減速器相比，機器人(rén)用(yòng)減速器要求具有傳動鏈短、體積小、功率大(dà)、質量輕和(hé)易于控制等特點。減速器行業，我們不得(de)不提這(zhè)行業兩巨頭是Nabtesco（帝人(rén)，也(yě)叫納博特斯克）和(hé)Hamonica Drive（哈默納科），業界俗稱（RV減速器和(hé)諧波減器）。他(tā)們幾乎壟斷了(le)全球的(de)機器人(rén)用(yòng)減速器。這(zhè)兩種減速器都是微米級的(de)加工精度，光(guāng)這(zhè)一條在量産階段可(kě)靠性高(gāo)就很難了(le)，更别說幾千轉的(de)高(gāo)速運轉，而且還(hái)要高(gāo)壽命。目前市面上的(de)大(dà)量應用(yòng)在工業機器人(rén)上的(de)減速器主要有兩類：RV減速器和(hé)諧波減速器。RV減速器：是少齒差齧合，但相對(duì)于諧波減速器，RV減速器通(tōng)常用(yòng)的(de)是擺線針輪，RV減速器由擺線針輪和(hé)行星支架組成。相比諧波減速器，RV減速器的(de)關鍵在于加工工藝和(hé)裝配工藝。RV減速器具有更高(gāo)的(de)疲勞強度、剛度和(hé)壽命，不像諧波傳動那樣随著(zhe)使用(yòng)時(shí)間增長(cháng)，運動精度會顯著降低，其缺點是重量重，外形尺寸較大(dà)。RV減速器用(yòng)于轉矩大(dà)的(de)機器人(rén)腿部腰部和(hé)肘部三個(gè)關節，負載大(dà)的(de)工業機器人(rén)，一二三軸都是用(yòng)RV減速器。它較機器人(rén)中常用(yòng)的(de)諧波傳動具有高(gāo)得(de)多(duō)的(de)疲勞強度、剛度和(hé)壽命，而且回差精度穩定，不像諧波傳動那樣随著(zhe)使用(yòng)時(shí)間增長(cháng)運動精度就會顯著降低，故世界上許多(duō)國家高(gāo)精度機器人(rén)傳動多(duō)采用(yòng)RV減速器，因此，該種RV減速器在先進機器人(rén)傳動中有逐漸取代諧波減速器的(de)發展趨勢。諧波減速器：用(yòng)的(de)也(yě)是少齒差齧合，諧波裏的(de)一種關鍵齒輪是柔性的(de)，它需要反複的(de)高(gāo)速變形，所以它比較脆弱，承載力和(hé)壽命都有限。諧波減速器是諧波傳動裝置的(de)一種，諧波傳動裝置包括諧波加速器和(hé)諧波減速器。諧波減速器主要包括：剛輪、柔輪、和(hé)徑向變形的(de)波發生器三者組成。它是利用(yòng)柔性齒輪産生可(kě)控制的(de)彈性變形波，引起剛輪與柔輪的(de)齒間相對(duì)錯齒來(lái)傳遞動力和(hé)運動。這(zhè)種傳動與一般的(de)齒輪傳遞具有本質上的(de)差别，在齧合理(lǐ)論、集合計算(suàn)和(hé)結構設計方面具有特殊性。諧波齒輪減速器具有高(gāo)精度、高(gāo)承載力等優點，和(hé)普通(tōng)減速器相比，由于使用(yòng)的(de)材料要少50%，其體積及重量至少減少1/3。所以諧波減速機主用(yòng)于小型機器人(rén)，特點是體積小、重量輕、承載能力大(dà)、運動精度高(gāo)，單級傳動比大(dà)。一般用(yòng)于負載小的(de)工業機器人(rén)或大(dà)型機器人(rén)末端幾個(gè)軸。日本納博特斯克公司從1980年代初提出RV型設計到1986年RV減速器研究獲得(de)實質性突破，花了(le)6-7年時(shí)間；而國内率先拿出結果的(de)南(nán)通(tōng)振康和(hé)恒豐泰花費時(shí)間也(yě)爲6-8年。是不是意味著(zhe)我國本土企業就沒什(shén)麽機會了(le)呢(ne)！可(kě)喜的(de)是中國企業布局若幹年後，終于取得(de)一些突破。國産主要由南(nán)通(tōng)振康、秦川機床、武漢精華、浙江恒豐泰和(hé)浙江雙環傳動提供。據說南(nán)通(tōng)振康産量已經突破萬台，秦川機床生産線已經打通(tōng)，産量正在逐步上升。秦川機床的(de)是國家進口替代項目，秦川機床9萬套工業機器人(rén)關節減速器技術改造項目、工業機器人(rén)關節減速器生産線兩項合計投資3.14億元。機器人(rén)控制系統是機器人(rén)的(de)大(dà)腦(nǎo)，是決定機器人(rén)功用(yòng)和(hé)功能的(de)主要要素。控制系統是按照(zhào)輸入的(de)程序對(duì)驅動系統和(hé)實行機構收回指令信号，并進行控制。下(xià)面文章(zhāng)主要介紹機器人(rén)控制系統。“控制”的(de)目的(de)是指被控對(duì)象會按照(zhào)者所期望的(de)方式産生行爲。“控制”的(de)基本條件是了(le)解被控對(duì)象的(de)特性。“實質”是對(duì)驅動器輸出力矩的(de)控制。2、機器人(rén)的(de)基本工作原理(lǐ)工作原理(lǐ)是示教再現；示教也(yě)稱導引示教，既是人(rén)工導引機器人(rén)，一步步按實際需求動作流程操作一遍，機器人(rén)在導引過程中自動記憶示教的(de)每個(gè)動作的(de)姿态、位置、工藝參數、運動參數等，并自動生成一個(gè)連續執行的(de)程序。完成示教後，隻需要給機器人(rén)一個(gè)啓動命令，機器人(rén)将會地自動按照(zhào)示教好的(de)動作，完成全部流程；1）按照(zhào)有無反饋分(fēn)爲：開環控制、閉環控制、開環精确控制的(de)條件：精确地知道被控對(duì)象的(de)模型，并且這(zhè)一模型在控制過程中保持不變。2）按照(zhào)期望控制量分(fēn)爲：力控制、位置控制、混合控制這(zhè)三種。位置控制分(fēn)爲：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(duō)關節位置控制多(duō)關節位置控制分(fēn)爲分(fēn)解運動控制、集中控制力控制分(fēn)爲：直接力控制、阻抗控制、力位混合控制模糊控制、自适應控制、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(rén)的(de)控制過程中涉及大(dà)量的(de)坐(zuò)标變換和(hé)插補運算(suàn)以及較低層的(de)實時(shí)控制。所以，目前市面上機器人(rén)控制系統在結構上大(dà)部分(fēn)采用(yòng)分(fēn)層結構的(de)微型計算(suàn)機控制系統，通(tōng)常采用(yòng)的(de)是兩級計算(suàn)機伺服控制系統。主控計算(suàn)機接到工作人(rén)員(yuán)輸入的(de)作業指令後，首先分(fēn)析解釋指令，确定手的(de)運動參數。然後進行運動學、動力學和(hé)插補運算(suàn)，最後得(de)出機器人(rén)各個(gè)關節的(de)協調運動參數。這(zhè)些參數經過通(tōng)信線路輸出到伺服控制級，作爲各個(gè)關節伺服控制系統的(de)給定信号。關節上的(de)伺服驅動器将此信号D/A轉換後驅動各個(gè)關節産生協調運動。
傳感器将各個(gè)關節的(de)運動輸出信号反饋回伺服控制級計算(suàn)機形成局部閉環控制，達到精确的(de)控制機器人(rén)在空間的(de)運動。①利用(yòng)PLC的(de)輸出端口使用(yòng)脈沖指令來(lái)産生脈沖驅動電機，同時(shí)使用(yòng)通(tōng)用(yòng)I/O或者計數零部件來(lái)實現伺服電機的(de)閉環位置控制②使用(yòng)PLC外部擴展的(de)位置控制模塊來(lái)實現電機的(de)閉環位置控制，這(zhè)種方式主要是以發高(gāo)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(de)位置控制方式較多(duō)。
機器人(rén)的(de)技術參數反映了(le)機器人(rén)可(kě)勝任的(de)工作、具有的(de)最高(gāo)操作性能等情況，是設計、應用(yòng)機器人(rén)必須考慮的(de)問題。機器人(rén)的(de)主要技術參數有自由度、分(fēn)辨率、工作空間、工作速度、工作載荷等。是指機器人(rén)具有的(de)獨立運動的(de)坐(zuò)标軸數量。機器人(rén)的(de)自由度是指确定機器人(rén)手部在空間的(de)位置和(hé)姿态時(shí)所需要的(de)獨立運動參數的(de)數量。機器人(rén)的(de)自由度數一般等于關節數量。常見機器人(rén)自由度數一般有5～6個(gè)。有些機器人(rén)還(hái)附帶有外部軸。即運動副，允許機器人(rén)手臂各零件之間發生相對(duì)運動的(de)機構。工業機器人(rén)手臂或手部安裝點所能達到的(de)所有空間範圍。其形狀取決于機器人(rén)的(de)自由度數和(hé)各運動關節的(de)類型與配置。機器人(rén)的(de)工作範圍一般有：圖解法和(hé)解析法這(zhè)兩種方法表示。
機器人(rén)在工作過程中帶載荷條件下(xià)、勻速運動過程時(shí)，機械接口中心或工具中心點在單位時(shí)間内所移動的(de)距離或轉動的(de)角度。是指機器人(rén)手腕前端安裝負荷在工作範圍内任何位置上所能承受的(de)最大(dà)重量，一般用(yòng)質量、力矩、慣性矩表示。還(hái)和(hé)運行速度和(hé)加速度大(dà)小等參數有關，工作負載一般用(yòng)高(gāo)速運行時(shí)機器人(rén)所能抓取的(de)工件重量作爲負載承受能力爲指标。搬運機器人(rén)的(de)負荷重量，必須考慮抓手和(hé)工件的(de)合計。是指機器人(rén)能夠實現的(de)最小移動距離或最小轉動角度 。重複性或重複定位精度：指機器人(rén)重複到達某一目标位置的(de)差異性。比如你要求一個(gè)軸走 100 mm 結果 第一次 實際上他(tā)走了(le) 100.01 重複一次同樣的(de)動作 他(tā)走了(le)99.99 這(zhè)之間的(de)誤差 0.02 就是重複定位精度。它是衡量一列誤差值的(de)集中程度，即重複度。機器人(rén)精度機不單取決與關節減速機及傳動裝置，且對(duì)機械裝配工藝存在很大(dà)關系，很多(duō)由于裝配不到位導緻機器人(rén)重複定位精度下(xià)降。
