工业机器人主要构成部分

工业机器人在产业制造中广泛应用，如汽车制造、电器生产和食品加工等领域。它们可以替代重复性的手动操作，依靠自身动力和控制能力完成各种任务。本文将详细介绍工业机器人的一些基本组成部分。

主体

主体机械即机座和执行机构，包括大臂、小臂、腕部和手部，形成一个多自由度的机械系统。有的机器人还配有行走机构。工业机器人通常有6个自由度甚至更多，而腕部通常有1至3个活动自由度。

驱动系统

工业机器人的驱动系统根据动力源可分为液压、气动和电动三大类。也可以结合这三种方式，或者通过同步带、轮系、齿轮等机械传动机构直接驱动。驱动系统包括动力装置和传动机构，用以实现机构的动作。这三类驱动系统各有特点，目前主流的是电动驱动系统。

由于低惯量和大转矩的交流伺服电机及其配套的伺服驱动器（如交流变频器、直流脉冲宽度调制器）的广泛应用，这种系统无需能量转换，使用方便，控制灵敏。大多数电机需要安装精细的传动机构，如减速器。减速器通过齿轮的速率转换，将电机的转速降低到所需的转速，并增加转矩。当负载较大时，通过减速器可以在合适的转速范围内提高输出扭矩。伺服电机在低频运转下容易发热和振动，长时间和重复性工作会影响其准确性。因此，精密减速电机的使用可以使伺服电机在一个适当的转速下运行，增强机器的刚性并输出更大的力矩。目前主流的减速器有两种：谐波减速器和RV减速器。

控制系统

机器人控制系统是机器人的大脑，是决定机器人功能和性能的主要因素。控制系统按照输入的程序对驱动系统和执行机构发出指令，并进行控制。工业机器人控制技术的主要任务是在工作空间中控制机器人的动作范围、姿势和轨迹、动作时间等。控制系统具有编程简单、软件菜单操作、友好的人机交互界面、在线操作提示和使用方便等特点。

控制器系统是机器人的核心，国外公司对我国的技术封锁十分严格。近年来，随着微电子技术的发展，微处理器的功能不断提高，价格也越来越便宜。市场上已经出现了价格仅为1-2美元的32位微处理器。高性价比的微处理器为机器人控制器带来了新的发展机遇，使得开发低成本、高性能的机器人控制器成为可能。目前，机器人控制器多采用强大的ARM系列、DSP系列、POWERPC系列和Intel系列等芯片构成。

由于现有的通用芯片在功能和性能上无法完全满足某些机器人系统在价格、功能、集成度和接口等方面的要求，因此产生了对SoC（片上系统）技术的需求。SoC技术将特定的处理器与所需接口集成在一起，简化了系统外围电路的设计，减少了系统尺寸，并降低了成本。例如，Actel公司将NEOS或ARM7的处理器内核集成在其FPGA产品上，形成了一个完整的SoC系统。在机器人技术方面，其研究主要集中在欧美，已有成熟的产品，如美国DELTATAU公司和日本朋立株式会社的产品。这些运动控制器以DSP技术为核心，采用基于PC的开放式结构。

感知系统

感知系统由内部传感器模块和外部传感器模块组成，用于获取内部和外部环境中的有意义信息。

内部传感器：用于检测机器人自身状态（如手臂间的角度）的传感器，多为位置和角度传感器。常见的有位置传感器、角度传感器等。

外部传感器：用于检测机器人所处环境（如检测物体、距离物体的距离）及状况（如检测抓取的物体是否滑落）的传感器。常见的有距离传感器、视觉传感器、力觉传感器等。

智能传感系统的使用提高了机器人的灵活性、实用性和智能化标准。尽管人类的感知系统对外部世界的信息处理非常出色，但在某些特定信息的处理上，传感器系统更为有效。

末端执行器

末端执行器连接在机械手最后一个关节上，通常用于抓取物体或其他机构连接并执行任务。机器人制造企业通常不设计或销售末端执行器，而是提供简单的抓持器。末端执行器通常安装在机器人6轴的法兰盘上，用于完成特定环境中的任务，如焊接、喷漆、涂胶和零件装卸等。

伺服电机

伺服驱动器又称“伺服控制器”或“伺服放大器”，用于控制伺服电机。其功能类似于变频器对普通交流马达的作用，是伺服系统的一部分。伺服驱动器一般通过位置、速度和力矩三种方式控制伺服电机，实现高精度的传动系统定位。

伺服电机的分类

伺服电机分为直流和交流两大类，交流伺服电机又分为异步伺服电机和同步伺服电机。目前交流系统正在逐渐替代直流系统。交流伺服电机具有高可靠性、散热好、转动惯量小、能在高压状态下工作的优点。由于没有电刷和换向器，交流伺服系统也被称为无刷伺服系统，电机是无刷结构的笼型异步电机和永磁同步型电机。

直流伺服电机

有刷电机：成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，但需要维护（换碳刷），会产生电磁干扰，对使用环境有要求，通常用于成本敏感的普通工业和民用场合。

无刷电机：体积小、重量轻、出力大、响应快、速度高、惯量小、力矩稳定、转动平滑，控制复杂，智能化，电子换相方式灵活，可以采用方波或正弦波换相，免维护，高效节能，电磁辐射小，温升低，寿命长，适用于各种环境。

伺服电机的特点

直流伺服电机：

• 优点：速度控制精确，转矩速度特性硬，控制原理简单，使用方便，价格便宜。
• 缺点：电刷换向，速度受限，附加阻力，产生磨损微粒（不适合无尘易爆环境）。

交流伺服电机：

• 优点：速度控制特性良好，整个速度区内可实现平滑控制，几乎无振荡，90%以上的高效率，发热少，高速控制，高精度位置控制（取决于编码器精度），在额定运行区域内可实现恒力矩，惯量低，低噪音，无电刷磨损，免维护（适用于无尘易爆环境）。
• 缺点：控制较复杂，驱动器参数需要现场调整PID参数确定，需要更多的连线。

目前主流的伺服驱动器采用数字信号处理器（DSP）作为控制核心，可以实现复杂的控制算法，实现数字化、网络化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模块（IPM）为核心设计的驱动电路。IPM内部集成了驱动电路，并具有过电压、过电流、过热、欠压等故障检测保护电路。在主回路中还加入了软启动电路，以减小启动过程对驱动器的冲击。功率驱动单元首先通过三相全桥整流电路对输入的三相电或市电进行整流，得到相应的直流电。经过整流的三相电或市电，再通过三相正弦PWM电压型逆变器变频来驱动三相永磁式同步交流伺服电机。整个过程可以简单地说是AC-DC-AC的过程。整流单元（AC-DC）主要采用三相全桥不控整流电路。

伺服系统接线图

驱动器接线

伺服驱动器主要包含控制回路电源、主控制回路电源、伺服输出电源、控制器输入CN1、编码器接口CN2、连接起CN3。控制回路电源是单相AC电源，输入电源可单相、三相，但必须是220V。对于功率较小的驱动器，可以直接单相驱动，单相接法必须接R、S端子。伺服电机输出U、V、W切记不能与主电路电源连接，否则可能会烧毁驱动器。CN1端口主要用于上位机控制器的连接，提供输入、输出、编码器ABZ三相输出、各种监控信号的模拟量输出。

编码器接线

从图中可以看出，九个端子中我们只使用了五个：一个屏蔽线、电源线两根、串行通讯信号（+-）两根，与普通的编码器接线类似。

通讯端口

驱动器通过CN3端口与电脑PLC、HMI等上位机连接，采用MODBUS通讯来控制驱动器，可使用RS232、RS485进行通讯。

伺服驱动器市场

机器人对关节驱动电机的要求非常高，交流伺服电机在工业机器人中得到广泛应用。目前国内高端市场主要被国外知名企业占据，主要来自日本和欧美。未来国产替代空间巨大。目前国外品牌占据了中国交流伺服市场近80%的市场份额，主要来自日本和欧美。其中，日系产品以约50%的市场份额居首，包括松下、三菱电机、安川、三洋、富士等知名品牌。这些产品具有技术和性能水平符合中国用户需求、性价比高、可靠性高等特点，在中小型OEM市场上尤其具有垄断优势。

精密减速器

最近看了一则新闻，感触颇深：机器人产业要破解“卡脖子”难题，随着人工成本的提高，工业机器人替换人力已成为趋势。工业机器人作为智能制造的基础，但核心零部件制约着我国机器人产业的发展。据统计，国内机器人减速器大多依赖进口。要在中国机器人产业形成气候，必须下决心解决核心零部件的问题。

精密减速器介绍

工业机器人核心精密零部件之一是减速器。与通用减速器相比，机器人用减速器要求具有传动链短、体积小、功率大、质量轻和易于控制等特点。在减速器行业中，不得不提到两个巨头：Nabtesco（帝人，也叫纳博特斯克）和Harmonic Drive（哈默纳科）。这两个品牌几乎垄断了全球的机器人用减速器市场。这两种减速器都是微米级的加工精度，这在量产阶段具有很高的可靠性，更不用说高速运转和高寿命了。

RV减速器

RV减速器是一种少齿差啮合，通常使用摆线针轮。RV减速器由摆线针轮和行星支架组成。相比谐波减速器，RV减速器的关键在于加工工艺和装配工艺。RV减速器具有更高的疲劳强度、刚度和寿命，不像谐波传动那样随着使用时间增长，运动精度会显著降低。缺点是重量重、外形尺寸较大。RV减速器用于转矩大的机器人腿部、腰部和肘部三个关节，负载大的工业机器人，一二三轴都是用RV减速器。

谐波减速器

谐波减速器也是一种少齿差啮合，但使用的是柔性的关键齿轮，需要反复高速变形，因此比较脆弱，承载力和寿命有限。谐波减速器具有高精度、高承载力等优点，由于使用的材料比普通减速器少50%，其体积及重量至少减少1/3。谐波减速器主要用于小型机器人，特点是体积小、重量轻、承载能力强、运动精度高，单级传动比大。一般用于负载小的工业机器人或大型机器人末端几个轴。

国内企业在精密减速器领域的突破令人振奋。南通振康、秦川机床、武汉精华、浙江恒丰泰和浙江双环传动等企业已经在这一领域取得了一些进展。据报道，南通振康的产量已经突破万台，秦川机床的生产线已经打通，产量正在逐步上升。秦川机床是国家进口替代项目的一部分，投资3.14亿元用于工业机器人关节减速器技术改造项目。

控制系统

机器人控制系统是机器人的大脑，是决定机器人功能和性能的主要因素。控制系统按照输入的程序对驱动系统和执行机构发出指令，并进行控制。下面是关于机器人控制系统的一些重要信息。

机器人的控制系统

“控制”的目的是指被控对象会按照预期的方式产生行为。“控制”的基本条件是了解被控对象的特性。机器人控制系统的核心是对驱动器输出力矩的控制。

机器人的基本工作原理

工作原理是示教再现。示教也称为导引示教，即人工引导机器人，按实际需求的操作流程一步步操作一遍。机器人在导引过程中自动记忆示教的每个动作姿态、位置、工艺参数、运动参数等，并自动生成一个连续执行的程序。完成示教后，只需给机器人一个启动命令，机器人便会自动按照示教好的动作，完成整个流程。

机器人控制的分类

1. 按有无反馈分类：开环控制、闭环控制。
   • 开环控制的条件是精确地知道被控对象的模型，并且这一模型在控制过程中保持不变。
2. 按期望控制量分类：力控制、位置控制、混合控制。
   • 位置控制：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。
     • 多关节位置控制：分解运动控制、集中控制。
   • 力控制：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。

控制系统硬件配置及结构

由于机器人控制过程中涉及大量的坐标变换和插补运算以及较低层的实时控制，目前市面上机器人控制系统在结构上大多采用分层结构的微型计算机控制系统，通常采用两级计算机伺服控制系统。

具体流程： 1. 主控计算机接到工作人员输入的作业指令后，首先分析解释指令，确定手的运动参数。 2. 然后进行运动学、动力学和插补运算，最后得出机器人各个关节的协调运动参数。 3. 这些参数经过通信线路输出到伺服控制级，作为各个关节伺服控制系统的给定信号。 4. 关节上的伺服驱动器将此信号D/A转换后驱动各个关节产生协调运动。 5. 传感器将各个关节的运动输出信号反馈回伺服控制级计算机形成局部闭环控制，达到精确控制机器人在空间中的运动。

基于PLC的运动控制：两种控制方式 1. 利用PLC的输出端口使用脉冲指令来产生脉冲驱动电机，同时使用通用I/O或者计数零部件来实现伺服电机的闭环位置控制。 2. 使用PLC外部扩展的位置控制模块来实现电机的闭环位置控制，这种方式主要是以发高速脉冲控制，属于位置控制方式，位置控制一般都是点到点的位置控制方式较多。

机器人的重要参数

本文重点介绍了工业机器人的技术参数，希望能对大家有所帮助。

机器人的技术参数反映了机器人可胜任的工作、具有的最高操作性能等情况，是设计、应用机器人必须考虑的问题。机器人的主要技术参数包括自由度、分辨率、工作空间、工作速度、工作负载等。

自由度

自由度是指机器人具有的独立运动的坐标轴数量。机器人自由度的数量一般等于关节的数量，常见机器人自由度数一般有5至6个。有些机器人还附带有外部轴。

关节（Joint）

关节即运动副，允许机器人手臂各零件之间发生相对运动的机构。

工作范围

工作范围是指工业机器人手臂或手部安装点所能达到的所有空间范围。其形状取决于机器人的自由度数和各运动关节的类型与配置。机器人的工作范围可以用图解法和解析法表示。

速度

速度是指机器人在工作过程中带载荷条件下、匀速运动过程时，机械接口中心或工具中心点在单位时间内所移动的距离或转动的角度。

工作负载

工作负载是指机器人手腕前端安装负荷在工作范围内任何位置上所能承受的最大重量，一般用质量、力矩、惯性矩表示。它还与运行速度和加速度大小等参数有关。工作负载通常用高速运行时机器人所能抓取的工件重量作为负载承受能力的指标。搬运机器人的负荷重量，必须考虑抓手和工件的合计。

分辨率

分辨率是指机器人能够实现的最小移动距离或最小转动角度。

精度

重复性或重复定位精度是指机器人重复到达某一目标位置的差异性。例如，要求一个轴走100毫米，第一次实际上走了100.01毫米，重复一次同样的动作走了99.99毫米，两次误差0.02毫米就是重复定位精度。它是衡量误差值集中程度的指标，即重复度。机器人精度不仅取决于关节减速机及传动装置，还与机械装配工艺密切相关，很多情况下由于装配不到位导致机器人重复定位精度下降。

本文整理自机器人网，转载请注明出处。