任务3 熟悉工业机器人的基本组成及参数

一、任务导入

在本书中，主要介绍工业机器人的相关知识，对于其他种类的机器人，不做详细分析和学习。

工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器人。工业机器人分为很多种，如移动机器人（AGV）、喷涂机器人、搬运机器人、点焊机器人、弧焊机器人等等。这些机器人，工作环境不一样，工作方式不一样，工作时间也不一样，但是它们也有一些共同点。无论机器人的工作是什么，它们的基本组成是一样的，需要研究的参数也是一样的。那么，工业机器人由哪些部分组成？它们所需要研究的参数又有哪些？

二、机器人的基本组成

工业机器人，功能不同，其结构、外形都不相同。但是，大部分工业机器人的基本组成是一样的。

工业机器人是一种模拟手臂、手腕和手的功能的机电一体化装置。一台通用的工业机器人从体系结构来看，可以分为三大部分：机器人本体、控制器与控制系统以及示教器。如图1-29、图1-30所示。

1.机器人本体

机器人本体是工业机器人的工作主体，是完成各种作业的执行机构，一般包括相互连接的机械臂、驱动与传动装置以及各种内外部传感器。

（1）机械臂 大部分工业机器人为关节型机器人，关节型机器人的机械臂是由若干个机械关节连接在一起的集合体。常用的六关节工业机器人，是由机座、腰部关节、大臂关节、肘部关节、小臂关节、腕部关节和手部关节构成，这些部分构成了机器人的外部结构和机械结构。机座是机器人的承重部分，其内部安装有机器人的执行机构和驱动装置；腰部是机器人机座和大臂的中间连接部分，工作时腰部可以通过关节在机座上转动；大臂和小臂组成了臂部，大小臂都可以通过关节在基座上转动，实现移动或转动；手腕包括手部和腕部，是连接小臂和末端执行器的部分，主要用于改变末端执行器的空间位置。

（2）驱动与传动装置（见图1-31） 工业机器人在运动时，每个关节的运动都是通过驱动装置和传动机构实现的。驱动装置是向机器人各机械臂提供动力和运动的装置。不同的机器人，驱动采用的动力源不同，驱动系统的传动方式也不同。驱动系统的传动方式主要有四种：液压式、气压式、电力式和机械式。电力驱动是现在工业上用得最多的一种，因为电源取用方便、反应灵敏、驱动力大，而且监控方便，控制方式灵活。驱动机器人所用的电机一般为步进电动机或伺服电动机，目前也有部分机器人使用力矩电动机，但是成本较高，操作也复杂。

（3）传感器（见图1-32） 传感器是用来检测作业对象及外界环境的，在工业机器人上安装了各类传感器，如触觉传感器、视觉传感器、力觉传感器、接近觉传感器、超声波传感器和听觉传感器等。这些传感器可以帮助机器人的工作，可以大大改善机器人的工作状况和工作质量，使它们能够高效地完成复杂的任务。

2.控制器与控制系统

控制器是工业机器人的神经中枢，或控制中心，由计算机硬件、软件和一些专用电路、控制器、驱动器等构成（见图1-33）。控制器主要用来处理机器人工作的全部信息，它根据工程师编写的指令以及传感器得到的信息来控制机器人本体完成一定的动作。

为实现对机器人的控制，不仅仅依靠计算机硬件系统，还必须有相应的软件控制系统。目前，世界各大机器人公司都有自己完善的软件控制系统。有了软件控制系统的支持，可以更方便地建立、编辑机器人控制程序。

3.示教器

示教器是人机交互的一个接口，也称示教盒或示教编程器，主要是由液晶屏和可触摸操作按键组成，如图1-34所示。控制者在操作时只需要手持示教器，通过按键将信号传送入控制柜的存储器中，实现对机器人的控制。示教器是机器人控制系统的重要组成部分，操作者可以通过示教器进行手动示教，控制机器人达到不同的位姿，并记录各个位姿点坐标；同时，也可以利用机器人语言进行在线编程，实现程序回放，让机器人可以按照编写好的程序完成指定的动作。

示教器上设有用于对机器人进行示教和编程所需的操作按键和按钮。一般情况下，不同厂家所设计的示教器外观各不相同，但是示教器中都包含中央的液晶显示区、功能按键区、急停按钮和出入线端口。

三、机器人的技术参数

现在已经出现的工业机器人，在功能和外观上虽然有所不同，但是所有的机器人都有其适用的作业范围和要求。目前，工业机器人的主要技术参数有以下几种：自由度、分辨率、定位精度和重复定位精度、作业范围、运动速度和承载能力。

1.自由度

自由度是指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目，不包括末端执行器的开合自由度。一般情况下，机器人的一个自由度对应一个关节，所以自由度与关节的概念是等同的。自由度是表示机器人动作灵活程度的参数，自由度越多，机器人越灵活，但结构也越复杂、控制难度也就越大，所以机器人的自由度要根据其用途设计，一般为3～6个，如图1-35所示。

2.分辨率

机器人的分辨率与现实常用的分辨率概念有一些不同，机器人的分辨率是指每一个关节所能实现的最小移动距离或最小转动角度。工业机器人的分辨率分为编程分辨率和控制分辨率两种。

编程分辨率是指控制程序中可以设定的最小距离，又称为基准分辨率。例如：当机器人的关节电动机转动0.1°，机器人关节端点移动直线距离为0.01mm，其基准分辨率便为0.01mm。

控制分辨率是系统位置反馈回路所能检测到的最小位移，即与机器人关节电动机同轴安装的编码盘发出单个脉冲时电动机所转过的角度。

3.定位精度和重复定位精度

定位精度和重复定位精度是机器人的两种精度指标。定位精度是指机器人末端执行器的实际位置与目标位置之间的偏差，由机械误差、控制算法与系统分辨率等部分组成。典型的工业机器人定位精度一般在（0.02～5）mm范围。

重复定位精度用来评估机器人在同一环境、同一条件、同一目标动作、同一命令之下，连续运动多次时，其动作的精准度。常用重复定位精度这一指标作为衡量工业机器人示教-再现精度水平的重要指标。

4.作业范围

作业范围是机器人运动时手柄末端或手腕中心所能达到的位置范围，也称为机器人的工作区域，如图1-36所示。机器人作业时，由于末端执行器的形状和尺寸是跟随作业需求配置的，所以为真实反应机器人的特征参数，机器人的作业范围是指不安装末端执行器时的工作区域。作业范围的大小不仅与机器人的连杆尺寸有关，而且与机器人的总体结构形式有关。

作业范围的形状和大小是十分重要的，机器人在执行动作时可能会因存在手部不能达到指定位置导致任务不能完成。因此，在选择机器人完成任务时，一定要合理选择符合当前作业范围的机器人。

5.运动速度

运动速度可以影响机器人的工作效率和运动周期。运动速度越高，机器人所承受的动载荷越大，所受的惯性力也越大，从而会影响机器人的工作平稳性和位置精度。所以，机器人所提取的重力和位置精度均有密切的关系。就目前的科技水平而言，通用机器人的最大直线运动速度大多在1000mm/s以下，最大回转速度不超过120°/s。

6.承载能力

承载能力是指机器人在作业范围内的任何位姿上所能承受的最大重量。承载能力不仅取决于负载的重量，也与机器人的运行速度、加速度的大小和方向有关。根据承载能力不同机器人可以大致分为：微型机器人（承载能力1N以下）、小型机器人（承载能力不超过105N）、重型机器人（承载能力为105～106N）、大型机器人（承载能力为106～107N）、重型机器人（承载能力为107N以上）。