圖1.13 機器人系統(tǒng)組成

 

6個子系統(tǒng)的作用分述如下:

 

 

要使機器人運行起來, 需給各個關(guān)節(jié)即每個運動自由度安置傳動裝置, 這就是驅(qū)動系統(tǒng)。驅(qū)動系統(tǒng)可以是液壓傳動、氣動傳動、電動傳動, 或者把它們結(jié)合起來應(yīng)用的綜合系統(tǒng); 可以是直接驅(qū)動或者是通過同步帶、鏈條、輪系、諧波齒輪等機械傳動機構(gòu)進(jìn)行間接驅(qū)動。

 

 

工業(yè)機器人的機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)由基座、手臂、末端操作器三大件組成, 如圖1.14所示。每一大件都有若干自由度, 構(gòu)成一個多自由度的機械系統(tǒng)。若基座具備行走機構(gòu), 則構(gòu)成行走機器人; 若基座不具備行走及腰轉(zhuǎn)機構(gòu), 則構(gòu)成單機器人臂(SingleRobotArm)。手臂一般由上臂、下臂和手腕組成。末端操作器是直接裝在手腕上的一個重要部件, 它可以是二手指或多手指的手爪, 也可以是噴漆槍、焊具等作業(yè)工具。

 

圖1.14 工業(yè)機器人的機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

 

 

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。智能傳感器的使用提高了機器人的機動性、適應(yīng)性和智能化的水準(zhǔn)。人類的感受系統(tǒng)對感知外部世界信息是極其靈巧的, 然而,對于一些特殊的信息, 傳感器比人類的感受系統(tǒng)更有效。

 

 

機器人-環(huán)境交互系統(tǒng)是實現(xiàn)工業(yè)機器人與外部環(huán)境中的設(shè)備相互聯(lián)系和協(xié)調(diào)的系統(tǒng)。工業(yè)機器人與外部設(shè)備集成為一個功能單元, 如加工制造單元、焊接單元、裝配單元等。當(dāng)然, 也可以是多臺機器人、多臺機床或設(shè)備、多個零件存儲裝置等集成為一個去執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)的功能單元。

 

 

人機交互系統(tǒng)是使操作人員參與機器人控制并與機器人進(jìn)行聯(lián)系的裝置，例如, 計算機的標(biāo)準(zhǔn)終端, 指令控制臺, 信息顯示板, 危險信號報警器等。該系統(tǒng)歸納起來分為兩大類: 指令給定裝置和信息顯示裝置。

 

 

控制系統(tǒng)的任務(wù)是根據(jù)機器人的作業(yè)指令程序以及從傳感器反饋回來的信號支配機器人的執(zhí)行機構(gòu)去完成規(guī)定的運動和功能。假如工業(yè)機器人不具備信息反饋特征, 則為開環(huán)控制系統(tǒng);若具備信息反饋特征, 則為閉環(huán)控制系統(tǒng)。根據(jù)控制原理,控制系統(tǒng)可分為程序控制系統(tǒng)、適應(yīng)性控制系統(tǒng)和人工智能控制系統(tǒng)。根據(jù)控制運動的形式,控制系統(tǒng)可分為點位控制和軌跡控制。

 

圖1.15為三菱裝配機器人系統(tǒng)的基本構(gòu)成。該機器人由機器人主體、控制器、示教盒和PC機構(gòu)成?？捎檬窘痰姆绞胶陀肞C機編程的方式來控制機器人的動作。

 

圖1.15 三菱裝配機器人系統(tǒng)

 

 

工業(yè)機器人的技術(shù)參數(shù)是各工業(yè)機器人制造商在產(chǎn)品供貨時所提供的技術(shù)數(shù)據(jù)。表1.2和表1.3為兩種工業(yè)機器人的主要技術(shù)參數(shù)。盡管各廠商提供的技術(shù)參數(shù)不完全一樣, 工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)、用途等有所不同, 且用戶的要求也不同, 但工業(yè)機器人的主要技術(shù)參數(shù)一般應(yīng)有自由度、重復(fù)定位精度、工作范圍、最大工作速度和承載能力等。

 

表1.2 三菱裝配機器人Movemaster EX RV-M1的主要技術(shù)參數(shù)

 

表1.3 PUMA 562機器人的主要技術(shù)參數(shù)

 

表1.4 BR-210 并聯(lián)機器人的主要技術(shù)參數(shù)

 

 

自由度是指機器人所具有的獨立坐標(biāo)軸運動的數(shù)目,不應(yīng)包括手爪(末端操作器)的開合自由度。在三維空間中描述一個物體的位置和姿態(tài)(簡稱位姿)需要六個自由度。但是, 工業(yè)機器人的自由度是根據(jù)其用途而設(shè)計的, 可能小于六個自由度, 也可能大于六個自由度。例如, A4020裝配機器人具有四個自由度, 可以在印刷電路板上接插電子器件; PUMA 562機器人具有六個自由度, 如圖1.16所示,可以進(jìn)行復(fù)雜空間曲面的弧焊作業(yè)。從運動學(xué)的觀點看, 在完成某一特定作業(yè)時具有多余自由度的機器人, 就叫做冗余自由度機器人。例如, PUMA 562機器人去執(zhí)行印刷電路板上接插電子器件的作業(yè)時就成為冗余自由度機器人。利用冗余自由度可以增加機器人的靈活性、躲避障礙物和改善動力性能。人的手臂(大臂、小臂、手腕)共有七個自由度, 所以工作起來很靈巧,手部可回避障礙而從不同方向到達(dá)同一個目的點。

 

圖1.16 PUMA 562工業(yè)機器人

 

 

工業(yè)機器人精度是指定位精度和重復(fù)定位精度。定位精度是指機器人手部實際到達(dá)位置與目標(biāo)位置之間的差異。重復(fù)定位精度是指機器人重復(fù)定位其手部于同一目標(biāo)位置的能力, 可以用標(biāo)準(zhǔn)偏差這個統(tǒng)計量來表示, 它是衡量一列誤差值的密集度(即重復(fù)度), 如圖1.17所示。

 

圖1.17 工業(yè)機器人定位精度和重復(fù)定位精度的典型情況

 

(a) 重復(fù)定位精度的測量；(b) 合理定位精度，良好重復(fù)定位精度；

 

(c) 良好定位精度, 很差重復(fù)定位精度；(d) 很差定位精度，良好重復(fù)定位精度

 

 

工作范圍是指機器人手臂末端或手腕中心所能到達(dá)的所有點的集合, 也叫工作區(qū)域。因為末端操作器的尺寸和形狀是多種多樣的, 為了真實反映機器人的特征參數(shù), 所以, 這里是指不安裝末端操作器時的工作區(qū)域。工作范圍的形狀和大小是十分重要的, 機器人在執(zhí)行作業(yè)時可能會因為存在手部不能到達(dá)的作業(yè)死區(qū)(Dead Zone)而不能完成任務(wù)。圖1.18 和圖1.19所示分別為PUMA機器人和A4020機器人的工作范圍。

 

圖1.18 PUMA機器人工作范圍

 

(a) 頂視圖; (b) 側(cè)視圖

 

圖1.19 A4020型SCARA機器人工作范圍

 

 

速度和加速度是表明機器人運動特性的主要指標(biāo)。說明書中通常提供了主要運動自由度的最大穩(wěn)定速度,但在實際應(yīng)用中單純考慮最大穩(wěn)定速度是不夠的。這是因為,由于驅(qū)動器輸出功率的限制,從啟動到達(dá)最大穩(wěn)定速度或從最大穩(wěn)定速度到停止, 都需要一定時間。如果最大穩(wěn)定速度高, 允許的極限加速度小, 則加減速的時間就會長一些,對應(yīng)用而言的有效速度就要低一些; 反之, 如果最大穩(wěn)定速度低,允許的極限加速度大, 則加減速的時間就會短一些, 這有利于有效速度的提高。但如果加速或減速過快, 有可能引起定位時超調(diào)或振蕩加劇, 使得到達(dá)目標(biāo)位置后需要等待振蕩衰減的時間增加, 則也可能使有效速度反而降低。所以, 考慮機器人運動特性時, 除注意最大穩(wěn)定速度外, 還應(yīng)注意其最大允許的加減速度。

 

 

承載能力是指機器人在工作范圍內(nèi)的任何位姿上所能承受的最大質(zhì)量。承載能力不僅決定于負(fù)載的質(zhì)量, 而且還與機器人運行的速度和加速度的大小和方向有關(guān)。為了安全起見, 承載能力這一技術(shù)指標(biāo)是指高速運行時的承載能力。通常, 承載能力不僅指負(fù)載, 而且還包括了機器人末端操作器的質(zhì)量。

 

機器人有效負(fù)載的大小除受到驅(qū)動器功率的限制外, 還受到桿件材料極限應(yīng)力的限制, 因而它又和環(huán)境條件(如地心引力)、運動參數(shù)(如運動速度、加速度以及它們的方向)有關(guān)。如加拿大手臂,它的額定可搬運質(zhì)量為15 000 kg, 在運動速度較低時能達(dá)到30 000 kg。然而，這種負(fù)荷能力只是在太空中失重條件下才有可能達(dá)到，在地球上, 該手臂本身的重量達(dá)450 kg, 它連自重引起的臂桿變形都無法承受, 更談不上搬運質(zhì)量了。

 

圖1.20三菱裝配機器人不帶電動手爪時的承載能力　

 

圖1.21三菱裝配機器人帶電動手爪時的承載能力

 

 

如圖1.22所示, 工業(yè)機器人的坐標(biāo)形式有直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型、球坐標(biāo)型、關(guān)節(jié)坐標(biāo)型和平面關(guān)節(jié)型。

 

圖1.22 工業(yè)機器人的幾種坐標(biāo)形式

 

1. 直角坐標(biāo)／笛卡兒坐標(biāo)／臺架型(3P)

 

這種機器人由3個線性關(guān)節(jié)組成, 這3個關(guān)節(jié)用來確定末端操作器的位置, 通常還帶有附加的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，用來確定末端操作器的姿態(tài)。這種機器人在x、y、z軸上的運動是獨立的, 運動方程可獨立處理, 且方程是線性的, 因此很容易通過計算機控制實現(xiàn); 它可以兩端支撐, 對于給定的結(jié)構(gòu)長度,剛性最大; 它的精度和位置分辨率不隨工作場合而變化, 容易達(dá)到高精度。但是, 它的操作范圍小,手臂收縮的同時又向相反的方向伸出, 既妨礙工作, 又占地面積大, 運動速度低, 密封性不好。

 

圖1.23虛線所示為直角坐標(biāo)機器人的工作空間示意圖，它是一個立方體形狀。

 

圖1.23 直角坐標(biāo)機器人的工作空間示意圖

 

2. 圓柱坐標(biāo)型(R2P)

 

圓柱坐標(biāo)機器人由兩個滑動關(guān)節(jié)和一個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)來確定部件的位置, 再附加一個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)來確定部件的姿態(tài)。這種機器人可以繞中心軸旋轉(zhuǎn)一個角,工作范圍可以擴大,且計算簡單; 直線部分可采用液壓驅(qū)動,可輸出較大的動力; 能夠伸入型腔式機器內(nèi)部。但是，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)動部分難以密封、防塵; 后臂工作時, 手臂后端會碰到工作范圍內(nèi)的其它物體。圓柱坐標(biāo)機器人的工作范圍呈圓柱形狀, 如圖1.24所示。

 

圖1.24 圓柱坐標(biāo)機器人的工作范圍

 

3. 球坐標(biāo)型(2RP)

 

球坐標(biāo)機器人采用球坐標(biāo)系, 它用一個滑動關(guān)節(jié)和兩個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)來確定部件的位置, 再用一個附加的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)確定部件的姿態(tài)。這種機器人可以繞中心軸旋轉(zhuǎn), 中心支架附近的工作范圍大,兩個轉(zhuǎn)動驅(qū)動裝置容易密封, 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)動裝置仍存在密封及工作死區(qū)的問題。球坐標(biāo)機器人的工作范圍呈球缺狀, 如圖1.25所示。

 

圖1.25 球坐標(biāo)機器人的工作范圍

 

4. 關(guān)節(jié)坐標(biāo)型/擬人型(3R)

 

關(guān)節(jié)機器人的關(guān)節(jié)全都是旋轉(zhuǎn)的, 類似于人的手臂, 是工業(yè)機器人中最常見的結(jié)構(gòu)。它的工作范圍較為復(fù)雜, 圖1.18所示為PUMA機器人的工作范圍。

 

5. 平面關(guān)節(jié)型

 

這種機器人可看做是關(guān)節(jié)坐標(biāo)式機器人的特例, 它只有平行的肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié),關(guān)節(jié)軸線共面。如SCARA(Selective Compliance Assembly Robot Arm)機器人有兩個并聯(lián)的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié), 可以使機器人在水平面上運動, 此外, 再用一個附加的滑動關(guān)節(jié)做垂直運動。SCARA機器人常用于裝配作業(yè), 最顯著的特點是它們在x-y平面上的運動具有較大的柔性, 而沿z軸具有很強的剛性, 所以, 它具有選擇性的柔性。這種機器人在裝配作業(yè)中獲得了較好的應(yīng)用。平面關(guān)節(jié)機器人的工作空間如圖1.26所示。

 

圖1.26 平面關(guān)節(jié)機器人的工作空間

 

 

機器人可以相對于不同的坐標(biāo)系運動, 在每一種坐標(biāo)系中的運動都不相同。通常, 機器人的運動在以下三種坐標(biāo)系中完成(如圖1.27所示)。

 

圖1.27 機器人的參考坐標(biāo)系

 

(a) 全局參考坐標(biāo)系; (b) 關(guān)節(jié)參考坐標(biāo)系; (c) 工具參考坐標(biāo)系

 

1. 全局參考坐標(biāo)系

 

全局參考坐標(biāo)系是一種通用坐標(biāo)系, 由x、y和z軸所定義。在此情況下, 通過機器人各關(guān)節(jié)的同時運動來產(chǎn)生沿三個主軸方向的運動。在這種坐標(biāo)系中, 無論手臂在哪里,x軸的正向運動就總是在x軸的正方向。這一坐標(biāo)系通常用來定義機器人相對于其他物體的運動、與機器人通信的其他部件以及運動路徑。

 

2. 關(guān)節(jié)參考坐標(biāo)系

 

關(guān)節(jié)參考坐標(biāo)系用來描述機器人每一個獨立關(guān)節(jié)的運動。假設(shè)希望將機器人的手運動到一個特定的位置, 可以每次只運動一個關(guān)節(jié), 從而把手引導(dǎo)到期望的位置上。在這種情況下, 每一個關(guān)節(jié)單獨控制, 從而每次只有一個關(guān)節(jié)運動。由于所用關(guān)節(jié)的類型(移動、旋轉(zhuǎn)型)不同, 因此,機器人手的動作也各不相同。例如, 如果為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)運動, 則機器人手將繞著關(guān)節(jié)的軸旋轉(zhuǎn)。

 

3. 工具參考坐標(biāo)系

 

工具參考坐標(biāo)系描述機器人手相對于固連在手上的坐標(biāo)系的運動。固連在手上的x′、y′和z′軸定義了手相對于本地坐標(biāo)系的運動。與通用的全局參考坐標(biāo)系不同, 本地的工具參考坐標(biāo)系隨機器人一起運動。假設(shè)機器人手的指向如圖1.27所示, 相對于本地的工具參考坐標(biāo)系x′軸的正向運動意味著機器人手沿工具參考坐標(biāo)系x′軸方向運動。如果機器人的手指向別處, 那么同樣沿著工具參考坐標(biāo)系x′軸的運動將完全不同于前面的運動。如果x′軸指向上, 那么沿+x′軸的運動便是向上的; 反之, 如果x′軸指向下,那么沿+x′軸的運動便是向下的。

 

 

并聯(lián)機器人又稱并聯(lián)機構(gòu)（PM, Parallel Mechanism），一般結(jié)構(gòu)如圖1.28所示。并聯(lián)機器人可以定義為動平臺和定平臺兩種形式, 二者通過至少兩個獨立的運動鏈相連接，機構(gòu)具有兩個或兩個以上自由度，且以并聯(lián)方式驅(qū)動的一種閉環(huán)機構(gòu)。

 

這種機器人有以下幾個特點：

 

(1) 無累積誤差，精度較高；

 

(2) 驅(qū)動裝置可置于定平臺上或接近定平臺的位置，這樣運動部分重量輕，速度高，動態(tài)響應(yīng)好；

 

(3) 結(jié)構(gòu)緊湊，剛度高，承載能力大；

 

(4) 完全對稱的并聯(lián)機構(gòu)具有較好的各向同性；

 

(5) 工作空間較小。

 

因為這些特點，并聯(lián)機器人在需要高剛度、高精度或者大載荷而無需很大工作空間的領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用，主要應(yīng)用于以下幾個方面：

(1) 運動模擬器。并聯(lián)機器人用作運動模擬器如圖1.29所示。

 

圖1.28 并聯(lián)機器人結(jié)構(gòu)

 

圖 1.29 并聯(lián)機器人

 

(2) 并聯(lián)機床。

 

并聯(lián)機床具有承載能力強、響應(yīng)速度快、精度高、機械結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性好等優(yōu)點，是一種“硬件” 簡單、“軟件”復(fù)雜、 技術(shù)附加值高的產(chǎn)品。 并聯(lián)機床如圖1.30所示。

 

圖 1.30 并聯(lián)機床

 

(3) 微操作機器人。

 

微操作機器人如圖1.31所示, 經(jīng)常用于安裝印刷電路板上的電子元件。

 

圖 1.31 微操作機器人

 

并聯(lián)機器人可按并聯(lián)機構(gòu)的自由度數(shù)分類：

 

(1) 2 自由度并聯(lián)機構(gòu)。 2 自由度并聯(lián)機構(gòu)， 如5-R、 3-R、 2-P平面5桿機構(gòu)是最典型的2自由度并聯(lián)機構(gòu)， 這類機構(gòu)一般具有2 個移動運動。

 

(2) 3 自由度并聯(lián)機構(gòu)。 3 自由度并聯(lián)機構(gòu)種類較多， 形式較復(fù)雜，一般有以下幾個形式： 平面3自由度并聯(lián)機構(gòu)， 如3-RPR 機構(gòu)，它們具有2個轉(zhuǎn)動和1個移動； 球面3自由度并聯(lián)機構(gòu)， 如3-RRR 球面機構(gòu)、 3-UPS-1-S 球面機構(gòu)，3-RRR 球面機構(gòu)所有運動副的軸線匯交空間一點，這點稱為機構(gòu)的中心， 而3-UPS-1-S 球面機構(gòu)則以S的中心點為機構(gòu)的中心，機構(gòu)上的所有點的運動都是繞該點的轉(zhuǎn)動運動； 3 維純移動機構(gòu)， 如Star Like 并聯(lián)機構(gòu)、 Tsai 并聯(lián)機構(gòu)和DELTA 機構(gòu)，該類機構(gòu)的運動學(xué)正反解都很簡單， 是一種應(yīng)用很廣泛的3維移動空間機構(gòu)?？臻g3自由度并聯(lián)機構(gòu)，如典型的3-RPS 機構(gòu)，這類機構(gòu)屬于欠秩機構(gòu)， 在工作空間內(nèi)不同的點的運動形式不同是其最顯著的特點， 由于這種特殊的運動特性，阻礙了該類機構(gòu)在實際中的廣泛應(yīng)用； 還有一類是增加輔助桿件和運動副的空間機構(gòu)， 如德國漢諾威大學(xué)研制的并聯(lián)機床采用的3-UPS-1-PU 球坐標(biāo)式3 自由度并聯(lián)機構(gòu)， 由于輔助桿件和運動副的制約， 使得該機構(gòu)的運動平臺具有1 個移動和2 個轉(zhuǎn)動的運動(也可以說是3個移動運動)。

 

(3) 4 自由度并聯(lián)機構(gòu)。 4 自由度并聯(lián)機構(gòu)大多不是完全并聯(lián)機構(gòu)， 如2-UPS-1-RRRR 機構(gòu)， 運動平臺通過3 個支鏈與定平臺相連， 有2個運動鏈?zhǔn)窍嗤模?各具有1 個虎克鉸U ， 1 個移動副P ， 其中P 和1 個R 是驅(qū)動副， 因此這種機構(gòu)不是完全并聯(lián)機構(gòu)。

 

(4) 5 自由度并聯(lián)機構(gòu)。 現(xiàn)有的5 自由度并聯(lián)機構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 如韓國Lee的5自由度并聯(lián)機構(gòu)具有雙層結(jié)構(gòu)(2 個并聯(lián)機構(gòu)的結(jié)合)。

 

(5) 6 自由度并聯(lián)機構(gòu)。 6 自由度并聯(lián)機構(gòu)是并聯(lián)機器人機構(gòu)中的一大類， 是國內(nèi)外學(xué)者研究得最多的并聯(lián)機構(gòu)，廣泛應(yīng)用在飛行模擬器、 6維力與力矩傳感器和并聯(lián)機床等領(lǐng)域。 但這類機構(gòu)有很多關(guān)鍵性技術(shù)沒有或沒有完全得到解決，比如其運動學(xué)正解、 動力學(xué)模型的建立以及并聯(lián)機床的精度標(biāo)定等。 從完全并聯(lián)的角度出發(fā)， 這類機構(gòu)必須具有6個運動鏈。但現(xiàn)有的并聯(lián)機構(gòu)中， 也有擁有3 個運動鏈的6 自由度并聯(lián)機構(gòu)，如3-PRPS 和3-URS 等機構(gòu)， 還有在3 個分支的每個分支上附加1個5桿機構(gòu)作驅(qū)動機構(gòu)的6自由度并聯(lián)機構(gòu)等。

 

 

為了簡化機器人機構(gòu)的表達(dá)過程， 常用特定的圖形符號來表示機器人的各種機構(gòu)運動副， 常用的工業(yè)機器人的各種圖形符號如表1.5所示。

 

表1.5 工業(yè)機器人的各種圖形符號

 

圖 1.32 幾種常用坐標(biāo)型機器人機構(gòu)簡圖

 

(a) 直角坐標(biāo)型; (b) 圓柱坐標(biāo)型; (c) 球坐標(biāo)型; (d) 關(guān)節(jié)坐標(biāo)型