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導(dǎo)讀：你了解工業(yè)機(jī)器人嗎？本文詳細(xì)的介紹了工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)、分類、特點(diǎn)等等，看完整篇文章，你就知道了！

01

主體

主體機(jī)械即機(jī)座和實(shí)行機(jī)構(gòu)，包括大臂、小臂、腕部和手部，構(gòu)成的多自由度的機(jī)械系統(tǒng)。有的機(jī)器人另有行走機(jī)構(gòu)。工業(yè)機(jī)器人有6個(gè)自由度乃至更多腕部通常有1～3個(gè)活動自由度。

02

驅(qū)動系統(tǒng)

工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動系統(tǒng)，按動力源分為液壓，氣動和電動類。依據(jù)需求也可由這三種范例組合并復(fù)合式的驅(qū)動系統(tǒng)，或者通過同步帶、輪系、齒輪等機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)來間接驅(qū)動。

驅(qū)動系統(tǒng)有動力裝置和傳動機(jī)構(gòu)，用以實(shí)行機(jī)構(gòu)發(fā)生相應(yīng)的動作，這三類根本驅(qū)動系統(tǒng)的各有特點(diǎn)，現(xiàn)在主流的是電動驅(qū)動系統(tǒng)。

由于低慣量，大轉(zhuǎn)矩交、直流伺服電機(jī)及其配套的伺服驅(qū)動器(交換變頻器、直流脈沖寬度調(diào)制器)的普遍接納。這類系統(tǒng)不需能量轉(zhuǎn)換，運(yùn)用方便，控制靈敏。

大多數(shù)電機(jī)后面需安裝精細(xì)的傳動機(jī)構(gòu)：減速器。其齒運(yùn)用齒輪的速率轉(zhuǎn)換器，將電機(jī)的反轉(zhuǎn)數(shù)減速到所要的反轉(zhuǎn)數(shù)，并得到較大轉(zhuǎn)矩的裝置，從而降低轉(zhuǎn)速，添加轉(zhuǎn)矩,當(dāng)負(fù)載較大時(shí)，一味提升伺服電機(jī)的功率是很不劃算的，能夠在適宜的速率范疇內(nèi)通過減速器來進(jìn)一步輸出扭矩。

伺服電機(jī)在低頻運(yùn)轉(zhuǎn)下容易發(fā)熱和出現(xiàn)低頻振動，長時(shí)間和重復(fù)性的工作不利于確保其準(zhǔn)確性、牢靠地運(yùn)轉(zhuǎn)。精細(xì)減速電機(jī)的存在使伺服電機(jī)在一個(gè)適宜的速率下運(yùn)轉(zhuǎn)，加強(qiáng)機(jī)器體剛性的同時(shí)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。

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控制系統(tǒng)

機(jī)器人控制系統(tǒng)是機(jī)器人的大腦，是決定機(jī)器人功用和功能的主要要素。控制系統(tǒng)是按照輸入的程序?qū)︱?qū)動系統(tǒng)和實(shí)行機(jī)構(gòu)收回指令信號，并進(jìn)行控制。

工業(yè)機(jī)器人控制技術(shù)的主要任務(wù)便是控制工業(yè)機(jī)器人在工作空間中的活動范圍、姿勢和軌跡、動作的時(shí)間等。具有編程簡單、軟件菜單操縱、友好的人機(jī)交互界面、在線操縱提示和運(yùn)用方便等特點(diǎn)。

控制器系統(tǒng)是機(jī)器人的中心，外國有關(guān)公司對我國實(shí)驗(yàn)緊密封閉。連年來隨著微電子技術(shù)的開展，微處置器的功能越來越高，而價(jià)錢則越來越便宜，現(xiàn)在市集上曾經(jīng)出現(xiàn)了1-2美金的32位微處置器。

高性價(jià)比的微處置器為機(jī)器人控制器帶來了新的開展機(jī)會，使開辟低成本、高功能的機(jī)器人控制器成為可能。為了使系統(tǒng)具有充足的運(yùn)算與存儲能力，現(xiàn)在機(jī)器人控制器多接納較強(qiáng)的arm系列、dsp系列、powerpc系列、intel系列等芯片構(gòu)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(jī)器人系統(tǒng)在價(jià)錢、功能、集成度和接口等方面的要求，這就萌生了機(jī)器人系統(tǒng)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(tǒng)外圍電路的設(shè)計(jì)，減少系統(tǒng)尺寸，并降低成本。比方，actel公司將neos或arm7的處置器內(nèi)核集成在其fpga產(chǎn)品上，構(gòu)成了一個(gè)完整的soc系統(tǒng)。

在機(jī)器人技術(shù)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(yùn)動控制器以dsp技術(shù)為核心，采用基于pc的開放式結(jié)構(gòu)。

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感知系統(tǒng)

它是內(nèi)部傳感器模塊和外部傳感器模塊的構(gòu)成，獲取內(nèi)部和外部的環(huán)境狀態(tài)中有意義的信息。

內(nèi)部傳感器：用來檢測機(jī)器人本身狀態(tài)（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(jī)器人所處環(huán)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(tǒng)的使用提高了機(jī)器人的機(jī)動性，實(shí)用性和智能化的標(biāo)準(zhǔn)，人類的感知系統(tǒng)對外部世界信息是機(jī)器人靈巧的，然而，對于一些特許的信息，傳感器比人的系統(tǒng)更加有效。

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末端執(zhí)行器

末端執(zhí)行器連接在機(jī)械手最后一個(gè)關(guān)節(jié)上的部件，它一般用來抓取物體，與其他機(jī)構(gòu)連接并執(zhí)行需要的任務(wù)。

機(jī)器人制造方面一般不設(shè)計(jì)或出售末端執(zhí)行器，多數(shù)情況下，他們只提供一個(gè)簡單的抓持器。

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

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伺服電機(jī)的概述

伺服驅(qū)動器又稱為“伺服控制器”、“伺服放大器”，是用來控制伺服電機(jī)的一種控制器，其作用類似于變頻器作用于普通交流馬達(dá)，屬于伺服系統(tǒng)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(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)高精度的傳動系統(tǒng)定位。

一、伺服電機(jī)的分類

分為直流和交流伺服電動機(jī)兩大類，交流伺服電動機(jī)又分為異步伺服電動機(jī)和同步伺服電動機(jī)。

目前交流系統(tǒng)正在逐漸代替直流系統(tǒng)，與直流系統(tǒng)相比，交流伺服電機(jī)具有高可靠性、散熱好、轉(zhuǎn)動慣量小、能工作于高壓狀態(tài)下等優(yōu)點(diǎn)。

因?yàn)闊o電和轉(zhuǎn)向器，故交流伺服系統(tǒng)也成為無伺服系統(tǒng)，用于其中的電機(jī)是無結(jié)構(gòu)的籠型異步電機(jī)和永磁同步型電機(jī)。

直流伺服電機(jī)分為有和無電機(jī)。

①有電機(jī)成本低，結(jié)構(gòu)簡單，啟動轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍寬，控制容易，需要維護(hù)，但維護(hù)方便（換碳），產(chǎn)生電磁干擾，對使用環(huán)境有要求，通常用于對成本敏感的普通工業(yè)和民用場合；

②無電機(jī)體積小重量輕，出力大響應(yīng)快，速度高慣量小，力矩穩(wěn)定轉(zhuǎn)動平滑，控制復(fù)雜，智能化，電子換相方式靈活，可以方波或正弦波換相，電機(jī)免維護(hù)，高效節(jié)能，電磁輻射小，溫升低壽命長，適用于各種環(huán)境。

二、不同類型伺服電機(jī)的特點(diǎn)

1）直流伺服電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：速度控制精確，轉(zhuǎn)矩速度特性很硬，控制原理簡單，使用方便，價(jià)格便宜。

缺點(diǎn)：電換向，速度限制，附加阻力，產(chǎn)生磨損微粒（無塵易爆環(huán)境不宜）

2）交流伺服電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：速度控制特性良好，在整個(gè)速度區(qū)內(nèi)可實(shí)現(xiàn)平滑控制，幾乎無振蕩，90%以上的高效率，發(fā)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(yùn)行區(qū)域內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)恒力矩，慣量低，低噪音，無電磨損，免維護(hù)（適用于無塵、易爆環(huán)境）。

缺點(diǎn)：控制較復(fù)雜，驅(qū)動器參數(shù)需要現(xiàn)場調(diào)整pid參數(shù)確定，需要更多的連線。

目前主流的伺服驅(qū)動器均采用數(shù)字信號處理器（dsp）作為控制核心，可以實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的控制算法，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)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(shè)計(jì)的驅(qū)動電路,ipm內(nèi)部集成了驅(qū)動電路,同時(shí)具有過電壓、過電流、過熱、欠壓等故障檢測保護(hù)電路,在主回路中還加入軟啟動電路,以減小啟動過程對驅(qū)動器的沖擊。

功率驅(qū)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(jìn)行整流，得到相應(yīng)的直流電。經(jīng)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(qū)動三相永磁式同步交流伺服電機(jī)。功率驅(qū)動單元的整個(gè)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?fù)潆娐肥侨嗳珮虿豢卣麟娐贰?/span>

三、伺服系統(tǒng)接線圖

1.驅(qū)動器接線

伺服驅(qū)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(shí)，咱們的三相電源必須經(jīng)過變壓器變壓才能接，對于功率較小的驅(qū)動器，可單相直接驅(qū)動。

單相接法必須接r、s端子。伺服電機(jī)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(qū)動器。cn1端口主要用于上位機(jī)控制器的連接，提供輸入、輸出、編碼器abz三相輸出、各種監(jiān)控信號的模擬量輸出。

2.編碼器接線

從上圖看出九個(gè)端子我們只使用了5個(gè)，一個(gè)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(qū)動器通過cn3端口與電腦plc、hmi等上位機(jī)相連接，采用modbus通訊來控制驅(qū)動器，可使用rs232、rs485進(jìn)行通訊。

四、伺服驅(qū)動器市場

機(jī)器人對關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)的要求非常嚴(yán)格，交流伺服電機(jī)在工業(yè)機(jī)器人中得到廣泛應(yīng)用。目前國內(nèi)高端市場主要被國外名企占據(jù)，主要來自日本和歐美，未來國產(chǎn)替代空間大。

目前國外品牌占據(jù)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(chǎn)品約以50%的市場份額居首，其著名品牌包括松下、三菱電機(jī)、安川、三洋、富士等，其產(chǎn)品特點(diǎn)是技術(shù)和性能水平比較符合中國用戶的需求，以良好的性價(jià)比和較高的可靠性獲得了穩(wěn)定且持續(xù)的客戶源，在中小型oem市場上尤其具有壟斷優(yōu)勢。

*精密減速器

最近看了一則新聞：機(jī)器人產(chǎn)業(yè)要破除“卡脖子”難題，感觸挺深。隨著人工成本的提高，工業(yè)機(jī)器人替換人已成為趨勢。工業(yè)機(jī)器人作為智能制造的基石，但核心零部件卻制約著我國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，據(jù)相關(guān)顯示目前國內(nèi)機(jī)器人減速器普通依賴進(jìn)口。機(jī)器人產(chǎn)業(yè)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(tǒng)

機(jī)器人控制系統(tǒng)是機(jī)器人的大腦，是決定機(jī)器人功用和功能的主要要素?？刂葡到y(tǒng)是按照輸入的程序?qū)︱?qū)動系統(tǒng)和實(shí)行機(jī)構(gòu)收回指令信號，并進(jìn)行控制。下面文章主要介紹機(jī)器人控制系統(tǒng)。

1、機(jī)器人的控制系統(tǒng)

“控制”的目的是指被控對象會按照者所期望的方式產(chǎn)生行為?！翱刂啤钡幕緱l件是了解被控對象的特性。

“實(shí)質(zhì)”是對驅(qū)動器輸出力矩的控制。

機(jī)器人的控制系統(tǒng)

2、機(jī)器人的基本工作原理

工作原理是示教再現(xiàn)；示教也稱導(dǎo)引示教，既是人工導(dǎo)引機(jī)器人，一步步按實(shí)際需求動作流程操作一遍，機(jī)器人在導(dǎo)引過程中自動記憶示教的每個(gè)動作的姿態(tài)、位置、工藝參數(shù)、運(yùn)動參數(shù)等，并自動生成一個(gè)連續(xù)執(zhí)行的程序。完成示教后，只需要給機(jī)器人一個(gè)啟動命令，機(jī)器人將會地自動按照示教好的動作，完成全部流程。

3、機(jī)器人控制的分類

1）按照有無反饋分為：開環(huán)控制、閉環(huán)控制、

開環(huán)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(guān)節(jié)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(guān)節(jié)位置控制

多關(guān)節(jié)位置控制分為分解運(yùn)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(yīng)控制、最優(yōu)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家控制

4、控制系統(tǒng)硬件配置及結(jié)構(gòu).電氣硬件.軟件架構(gòu)

由于機(jī)器人的控制過程中涉及大量的坐標(biāo)變換和插補(bǔ)運(yùn)算以及較低層的實(shí)時(shí)控制。所以，目前市面上機(jī)器人控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上大部分采用分層結(jié)構(gòu)的微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，通常采用的是兩級計(jì)算機(jī)伺服控制系統(tǒng)。

1）具體流程：

主控計(jì)算機(jī)接到工作人員輸入的作業(yè)指令后，首先分析解釋指令，確定手的運(yùn)動參數(shù)。然后進(jìn)行運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)和插補(bǔ)運(yùn)算，最后得出機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)運(yùn)動參數(shù)。

這些參數(shù)經(jīng)過通信線路輸出到伺服控制級，作為各個(gè)關(guān)節(jié)伺服控制系統(tǒng)的給定信號。關(guān)節(jié)上的伺服驅(qū)動器將此信號d/a轉(zhuǎn)換后驅(qū)動各個(gè)關(guān)節(jié)產(chǎn)生協(xié)調(diào)運(yùn)動。

傳感器將各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動輸出信號反饋回伺服控制級計(jì)算機(jī)形成局部閉環(huán)控制，達(dá)到精確的控制機(jī)器人在空間的運(yùn)動。

2）基于plc的運(yùn)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(chǎn)生脈沖驅(qū)動電機(jī)，同時(shí)使用通用i/o或者計(jì)數(shù)零部件來實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)的閉環(huán)位置控制

②使用plc外部擴(kuò)展的位置控制模塊來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的閉環(huán)位置控制，這種方式主要是以發(fā)高速脈沖控制，屬于位置控制方式，位置控制一般都是點(diǎn)到點(diǎn)的位置控制方式較多。

07

機(jī)器人重要參數(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

是指機(jī)器人具有的獨(dú)立運(yùn)動的坐標(biāo)軸數(shù)量。

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)動參數(shù)的數(shù)量。機(jī)器人的自由度數(shù)一般等于關(guān)節(jié)數(shù)量。

常見機(jī)器人自由度數(shù)一般有5～6個(gè)。有些機(jī)器人還附帶有外部軸。

2、關(guān)節(jié)（joint）

即運(yùn)動副，允許機(jī)器人手臂各零件之間發(fā)生相對運(yùn)動的機(jī)構(gòu)。

3、工作范圍

工業(yè)機(jī)器人手臂或手部安裝點(diǎn)所能達(dá)到的所有空間范圍。

其形狀取決于機(jī)器人的自由度數(shù)和各運(yùn)動關(guān)節(jié)的類型與配置。機(jī)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(jī)器人在工作過程中帶載荷條件下、勻速運(yùn)動過程時(shí)，機(jī)械接口中心或工具中心點(diǎn)在單位時(shí)間內(nèi)所移動的距離或轉(zhuǎn)動的角度。

5、工作負(fù)載

是指機(jī)器人手腕前端安裝負(fù)荷在工作范圍內(nèi)任何位置上所能承受的重量，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等參數(shù)有關(guān)，工作負(fù)載一般用高速運(yùn)行時(shí)機(jī)器人所能抓取的工件重量作為負(fù)載承受能力為指標(biāo)。

搬運(yùn)機(jī)器人的負(fù)荷重量，必須考慮抓手和工件的合計(jì)。

6、分辨率

是指機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)的最小移動距離或最小轉(zhuǎn)動角度。

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)位置的差異性。比如你要求一個(gè)軸走100mm結(jié)果次實(shí)際上他走了100.01重復(fù)一次同樣的動作他走了99.99這之間的誤差0.02就是重復(fù)定位精度。它是衡量一列誤差值的集中程度，即重復(fù)度。機(jī)器人精度機(jī)不單取決與關(guān)節(jié)減速機(jī)及傳動裝置，且對機(jī)械裝配工藝存在很大關(guān)系，很多由于裝配不到位導(dǎo)致機(jī)器人重復(fù)定位精度下降。