搬运机器人

一、常见的运动学构成

1.笛卡尔机械手

优点:易于计算机控制实现，精度高。缺点:干扰工作，占地面积大，移动速度慢，密封性能差。

①焊接、搬运、装卸、包装、码垛、开箱、测试、探伤、分类、组装、贴标、喷码、编码、(软仿)喷涂、目标跟随、起爆等一系列工作。

(2)特别适合多品种、多批次的柔性作业，对稳定、提高产品质量、提高劳动生产率、改善劳动条件、快速升级产品起着非常重要的作用。

2.铰接机械手(铰接式)

关节型机器人的关节都是旋转的，类似于人的手臂，是工业机器人中最常见的结构。它的工作范围更复杂。

①汽车零部件、模具、钣金零件、塑料制品、运动器材、玻璃制品、陶瓷、航空等的快速检测和产品开发。

②车身装配、一般机械装配等制造质量控制的三坐标测量和误差检测。

(3)古董、艺术品、雕塑、动漫人物、人像产品的快速成型。

④整车现场测量检测。

⑤体型测量、骨骼等医疗器械制作、体型制作、医疗美容手术等。

3.操纵臂

机器人经常用于装配作业。最显著的特点是它们在x-y平面内的运动具有很大的灵活性，而沿Z轴的刚性很强，因此具有选择性的灵活性。这种机器人在装配工作中得到了很好的应用。

①广泛用于组装印刷电路板和电子元件。

②移动和拿取物体，如集成电路板等。

广泛应用于塑料行业、汽车行业、电子产品行业、医药行业和食品行业。

(4)移动零件和装配工作。

4.球面坐标机械手

特点:中心支架附近工作范围大，两个旋转驱动装置易于密封，覆盖工作空间大。但坐标复杂，难以控制，直线驱动装置存在密封问题。

5.圆柱坐标机械手

优点:计算简单；直线部分可以用液压驱动，可以输出大功率；可以延伸到腔机内。缺点:其手臂能触及的空间有限，无法触及靠近立柱或靠近地面的空间；

直线驱动部分难以密封防尘；后臂工作时，臂的后端会碰到工作范围内的其他物体。

6.裁员机构

通常，空间定位需要6个自由度，这可以通过使用附加关节来帮助实现。机构避免奇怪的配置。下图显示了7自由度机械手的配置。

7.闭环结构

可以改进闭环结构机构刚度，但会减少关节活动范围和工作空间。

①运动模拟器；

②并联机床；

③微操作机器人；

④力传感器；

⑤生物医学工程中的细胞操作机器人，可以实现细胞注射和分割；

⑥显微外科机器人；

⑦大型射电天文望远镜姿态调整装置；

⑧混合设备，如SMT。公司串并联机械手模块基于并联连接。机构单元模块化设计的成功范例。

工业机器人的几种常见结构形式(图)

二、机器人的主要技术参数

机器人的技术参数反映了机器人能够胜任的工作和最高的操作性能，在机器人的设计和应用中必须加以考虑。机器人的主要技术参数有自由度、分辨率、工作空间、工作速度、工作负载等。

1.自由度

机器人具有的独立坐标轴运动的数量。机器人的自由度是指确定机器人手在空间的位置和姿态所需的独立运动参数的个数。一般不包括手指的开合和手指关节的自由度。机器人的自由度一般等于关节的数量。机器人常用的自由度一般不超过5 ~ 6。

2、接头()

也就是运动副，它允许机器人手臂各部分之间的相对运动。机构。

3.工作空间

机器人手臂或手安装点可以到达的所有空间区域。它的形状取决于机器人的自由度和每个运动关节的类型和配置。机器人的工作空间通常用图解法和解析法表示。

4.工作速度

机器人在工作载荷下匀速运动时，单位时间内机械接口中心或刀具中心点的距离或旋转角度。

5.工作负荷

指机器人在工作范围内任意位置所能承受的最大载荷，一般用质量、力矩和惯性矩表示。还与跑步速度和加速度的方向有关。一般将高速下能抓取的工件重量规定为承载能力指标。

6.解决

可以达到的最小移动距离或最小旋转角度。

7.准确(性)

重复性或重复定位精度:指机器人重复到达某一目标位置的差异程度。或者在同一位置指令下，机器人连续重复几次其位置的分散。它是一系列误差值的密度的度量，即重复。

第三，机器人常用材料

1)碳素结构钢和合金结构钢强度好，尤其是合金结构钢，强度提高4 ~ 5倍，弹性模量E大，抗变形能力强，是应用最广泛的材料。

2)铝、铝合金等轻合金材料的共同特点是重量轻，弹性模量E低，但材料密度低，所以E/ρ的比值仍可与钢相比。一些稀有昂贵的铝合金质量得到了更明显的提高。例如，含3.2%(重量)锂的铝合金的弹性模量和E/ρ比分别提高了14%和16%。

3)纤维增强合金，如硼纤维增强铝合金和石墨纤维增强镁合金，E/ρ比值分别为11.4×107和8.9×107。这种纤维增强金属材料具有非常高的E/ρ比，但是价格价格昂贵。

4)陶瓷材料质量好，但易碎，加工困难。日本已经试制出用于小型高精度机器人的陶瓷机械臂样品。

5)纤维增强复合材料具有优异的E/ρ比，同时还具有大阻尼的突出优点。传统的金属材料不可能有这么大的阻尼，所以复合材料应用于高速机器人的例子越来越多。

6)用粘弹性大阻尼材料增加机器人连杆的阻尼是改善机器人动态特性的有效方法。目前增加结构材料阻尼的方法有很多种，其中最适合机器人的一种方法是使用阻尼大的粘弹性材料对原有部件进行阻尼。

四、机器人的主要结构

一、机器人驱动装置

概念:为了使机器人运行，需要为每个关节，即每个运动自由度安装传动装置，为机器人的各个部位和关节的动作提供原动力。

驱动系统:可以是液压驱动、气动驱动、电动驱动，也可以是它们结合的综合系统；可以直接驱动，也可以通过同步带、链条、齿轮系、谐波齿轮机械驱动。机构间接驱动。

1.电力驱动装置

本发明具有能源简单、变速范围宽、效率高、速度和位置精度高的优点。但是大部分都是连接减速装置的，很难直接驱动。

电动驱动装置可分为DC、交流伺服电机驱动和步进电机驱动。DC伺服电机的电刷容易磨损和打火。无刷DC电机也得到了广泛应用。步进电机驱动多为开环控制，控制简单但功耗低，多用于低精度、低功耗的机器人系统。

通电操作前，进行如下检查:

1)电源电压是否合适(过压容易造成驱动模块损坏)；DC输入的正负极性一定不能错，驱动控制器上的电机型号或电流设定值是否合适(一开始不要太大)；

2)控制信号线连接牢固，最好考虑工业现场的屏蔽问题(如使用双绞线)；

3)不要一开始就把所有需要连接的线都连接起来，只连接成最基本的系统，运行好了再一步步连接。

4)一定要搞清楚接地方式，或者采用浮接。

5)运转开始后半小时内，密切观察电机的状态，如动作是否正常，声音、温升等，发现问题立即停机调整。

2.液压传动

由高精度气缸和活塞完成，通过气缸和活塞杆的相对运动实现直线运动。

优点:功率大，不需要减速器与从动杆直接连接，结构紧凑，刚性好，响应快，伺服驱动精度高。

缺点:需要加液压源，容易造成液体泄漏，不适合高低温场合。因此，目前超高功率机器人系统多采用液压驱动。

选择合适的液压油。防止固体杂质混入液压系统，防止空气和水侵入液压系统。机械运行要柔和平稳，避免粗暴操作，否则必然产生冲击载荷，造成机械故障频繁，使用寿命大大缩短。注意空化和溢流噪音。在操作过程中，随时注意液压泵和溢流阀的声音。如果液压泵的“气蚀”噪声在排气后仍不能消除，应在查明原因并排除故障后再使用。保持适当的油温。液压系统的工作温度一般控制在30 ~ 80℃之间。

3.气动驱动

气动驱动结构简单、干净、灵敏，并具有缓冲作用。但与液压驱动装置相比，它具有功率低、刚性差、噪音大、速度控制困难等优点，所以多用于精度不高的点控机器人。

(1)速度快，系统结构简单，维护方便，价格低特性。适用于中小负载的机器人。但由于伺服控制的困难，多用于程序控制的机器人，如装卸、冲压机器人。

(2)多数情况下用于实现两位置或有限点控制的中小型机器人。

(3)目前大多数控制设备都是可编程控制器(PLC控制器)。在易燃易爆的情况下，气动逻辑元件可用于构成控制装置。

(二)线性驱动机构。

传动装置是连接动力源和运动连杆的关键部件。按照联合形式，共同传递机构有直线传动和旋转传动。机构。

直线驱动方式可用于笛卡尔机器人的X、Y、Z方向驱动，柱坐标结构的径向驱动和垂直升降驱动，球坐标结构的径向伸缩驱动。

直线运动可以通过齿轮齿条、螺母等传动元件从旋转运动转化为直线运动。也可以由直线驱动电机驱动，也可以由气缸或液压缸的活塞直接产生。

1.齿条齿轮装置

通常机架是固定的。齿轮的旋转运动被转换成托盘的线性运动。

2.滚珠丝杠

滚珠嵌入丝杠螺母的螺旋槽中，滚珠可以通过螺母中的导向槽不断循环。

自锁问题:理论上滚珠丝杠副也可以自锁，但这种自锁在实际应用中并不多见，主要是可靠性差或者加工成本高；因为径导比很大，通常要加一套蜗轮蜗杆等自锁装置。

(三)旋转传动机构

采用旋转传动机构本文的目的是将电机驱动源输出的较高转速转化为较低的转速，获得较大的扭矩。旋转传动广泛应用于机器人。机构有齿轮链，同步带和谐波齿轮。

1.齿轮链

(1)速度关系

(2)力矩关系

2、同步带

同步带是一种具有许多齿形齿的带，它与具有相同齿形齿的同步带轮相啮合。它像一个软齿轮一样工作。

3、谐波齿轮

谐波齿轮由三个主要部分组成:刚性齿轮、谐波发生器和柔性齿轮。一般刚性齿轮是固定的，谐波发生器带动柔性齿轮转动。主要特点:

(1)传动比大，单级50-300。

(2)传动平稳，承载能力高。

(3)传动效率高，可达70%-90%。

(4)传动精度高，比普通齿轮传动高3-4倍。

(5)返回误差小，可小于3’。

(6)得不到中间输出，柔轮刚度低。

谐波传动装置在机器人技术发达的国家已经得到广泛应用。就日本而言，60%的机器人驱动采用谐波驱动。

美国送上月球的机器人，所有关节都用谐波传动，其中一个上臂用了30个谐波传动。机构。

前苏联将移动机器人“Moonlander”送上月球，其成对安装的8个轮子全部由封闭谐波驱动。机构单独驱动。德国大众汽车公司公司R30机器人由法国雷诺公司研制公司研制的80型机器人采用谐波传动。机构。

四、工业机器人传感系统

1.感觉系统由内部传感器模块和外部传感器模块组成，用于在内部和外部环境条件下获取有意义的信息。

2.智能传感器的使用提高了机器人的机动性、适应性和智能性。

3.智能传感器的使用提高了机器人的机动性、适应性和智能性。

4.对于一些特殊的信息，传感器比人类的感知系统更有效。

(5)机器人位置检测

旋转光学编码器是最常用的位置反馈装置。光电探测器将光脉冲转换成二进制波形。通过计数脉冲数获得轴的旋转角度，通过两个方波信号的相对相位确定旋转方向。

感应同步器输出两个模拟信号&轴角的正弦信号和余弦信号。轴的旋转角度通过这两个信号的相对幅度来计算。感应同步器一般比编码器更可靠，但分辨率较低。

电位计是最直接的位置检测形式。它连接在一个电桥中，可以产生与轴旋转角度成比例的电压信号。然而，由于分辨率低、线性差以及对噪声的敏感性。

转速表可以输出与轴转速成比例的模拟信号。如果没有这样的速度传感器，速度反馈信号可以通过检测到的位置和时间之间的差异获得。

(6)机器人力检测

力传感器通常安装在操作臂的以下三个位置:

1、安装在联合传动上。它可以测量驱动器/减速器本身的扭矩或力输出。但是它不能很好地检测末端执行器与环境之间的接触力。

2.它安装在机械手的末端执行器和末端关节之间，可称为腕力传感器。通常，可以测量施加到末端执行器的三到六个力/扭矩分量。

3.安装在末端执行器的指尖上。通常，这些带感觉手指有一个内置的应变仪，可以测量作用在指尖上的力的一到四个分量。

㈦机器人-环境互动系统

1.机器人-环境交互系统是实现工业机器人与外部环境中的设备进行交互和协调的系统。

2.工业机器人和外部设备被集成到一个功能单元中，例如制造单元、焊接单元和装配单元。也可以是多个机器人、多个机床或设备、多个零件存储装置的集成。

3.也可以是集成多个机器人、多个机床或设备、多个零件存储设备来执行复杂任务的功能单元。

(八)人机交互系统

人机交互系统是使操作者能够参与机器人控制并与机器人交流的装置。该系统可分为两类:指令给出装置和信息显示装置。

五、机器人控制系统

1、机器人控制系统

“控制”的目的是使被控对象产生控制者所期望的行为。“控制”的基本条件是知道被控制对象的特性。“本质”是对驱动器输出扭矩的控制。

2、机器人教学原理

机器人的基本工作原理是示教再现；示教也叫引导，即用户引导机器人按照实际任务一步步进行操作。在引导过程中，机器人自动记忆每个被教动作的位置、姿态、运动参数/过程参数，并自动生成程序连续执行所有操作。完成示教后，只需给机器人一个开始指令，机器人就会准确地跟随示教动作，按部就班地完成所有操作；

3、机器人控制的分类:

1)根据有无反馈，分为开环控制和闭环控制；

开环精确控制的条件:被控对象的模型是精确已知的，并且这个模型在控制过程中保持不变。

2)根据期望的控制量，分为位置控制、力控制和混合控制；

位置控制分为:单关节位置控制(位置反馈、位置速度反馈、位置速度加速度反馈)，多关节位置控制和多关节位置控制分为分解运动控制和集中控制；力控制分为:直接力控制、阻抗控制和混合力与势控制；

3)智能控制模式:模糊控制、自适应控制、最优控制、神经网络控制、模糊神经网络控制、专家控制等；

4.控制系统的硬件配置和结构:

由于机器人控制过程涉及大量的坐标变换和插补运算以及较低层的实时控制，目前的机器人控制系统大多采用分层的微机控制系统，通常采用两级计算机伺服控制系统。

1)具体流程:

主控计算机收到工作人员输入的操作指令后，首先对指令进行分析和解释，确定手的运动参数。

然后进行运动学、动力学和插值运算，最终得到机器人各关节的协调运动参数。这些参数通过通信线路作为每个关节伺服控制系统的给定信号输出到伺服控制级。关节驱动器将该信号进行D/A转换，并驱动每个关节产生协调运动。传感器将各关节的运动输出信号反馈给伺服控制计算机，形成局部闭环控制，从而更精确地控制机器人手在空间的运动。

2)基于PLC的运动控制的两种控制方式:

1.PLC的一些输出端口利用脉冲输出命令产生脉冲驱动电机，同时利用通用I/O或计数元件实现电机的闭环位置控制。

2.利用PLC外部扩展的位置控制模块，主要通过发送高速脉冲来实现电机的闭环位置控制，属于位置控制方式。一般来说，有许多点对点的位置控制模式。

九中九机器人有限公司公司在自动焊接机器人和半自动焊接机器人领域，普通工人的焊接将被焊机和自动焊接设备取代，焊接夹具和机器人的编程和调试将不断发展。产品主要包括机器人气体保护焊机、数控切割机和机械加工。