機器人發展到現在越來越受到人們的歡迎和重視，現在很多傳統行業都在生產作業中引入了工業機器人，隨著機器人的改進和優化，工業機器人在傳統加工制造行業地位的重要性也越來越明顯。

那么，什么是工業機器人？內部結構是什么樣的？.....相信看完這篇文章，您就會對工業機器人技術有一個系統而全面的了解！

工業機器人科普 ? ?

工業機器人的分類 ? ?

移動機器人

移動機器人(AGV)是工業機器人的一種類型，它可廣泛應用于機械、電子、紡織、卷煙、醫療、食品、造紙等行業的柔性搬運、傳輸等功能，也用于自動化立體倉庫、柔性加工系統、柔性裝配系統(以AGV作為活動裝配平臺)；同時可在車站、機場、郵局的物品分撿中作為運輸工具。

點焊機器人

焊接機器人具有性能穩定、工作空間大、運動速度快和負荷能力強等特點，焊接質量明顯優于人工焊接，大大提高了點焊作業的生產率。

弧焊機器人

弧焊機器人主要應用于各類汽車零部件的焊接生產。在該領域，國際大型工業機器人生產企業主要以向成套裝備供應商提供單元產品為主。

激光加工機器人

激光加工機器人是將機器人技術應用于激光加工中，通過高精度工業機器人實現更加柔性的激光加工作業。系統可以進行在線操作，也可通過離線方式進行編程。

機器人通過對加工工件的自動檢測，產生加工件的模型，繼而生成加工曲線，也可以利用CAD數據直接加工。可用于工件的激光表面處理、打孔、焊接和模具修復等。

真空機器人

真空機器人是一種在真空環境下工作的機器人，主要應用于半導體工業中，實現晶圓在真空腔室內的傳輸。真空機械手難進口、受限制、用量大、通用性強，其成為制約了半導體裝備整機的研發進度和整機產品競爭力的關鍵部件。

潔凈機器人

潔凈機器人是一種在潔凈環境中使用的工業機器人。隨著生產技術水平不斷提高，其對生產環境的要求也日益苛刻，很多現代工業產品生產都要求在潔凈環境進行，潔凈機器人是潔凈環境下生產需要的關鍵設備。

工業機器人的內部結構 ? ?

一、機器人驅動裝置

概念：要使機器人運行起來, 需給各個關節即每個運動自由度安置傳動裝置。作用：提供機器人各部位、各關節動作的原動力。

驅動系統：可以是液壓傳動、氣動傳動、電動傳動, 或者把它們結合起來應用的綜合系統；可以是直接驅動或者是通過同步帶、鏈條、輪系、諧波齒輪等機械傳動機構進行間接驅動。

1、電動驅動裝置

電動驅動裝置的能源簡單，速度變化范圍大，效率高，速度和位置精度都很高。但它們多與減速裝置相聯，直接驅動比較困難。

電動驅動裝置又可分為直流(DC)、交流(AC)伺服電機驅動和步進電機驅動。直流伺服電機電刷易磨損，且易形成火花。無刷直流電機也得到了越來越廣泛的應用。步進電機驅動多為開環控制，控制簡單但功率不大，多用于低精度小功率機器人系統。

電動上電運行前要作如下檢查：

1）電源電壓是否合適（過壓很可能造成驅動模塊的損壞）；對于直流輸入的+/-極性一定不能接錯，驅動控制器上的電機型號或電流設定值是否合適（開始時不要太大）；

2）控制信號線接牢靠，工業現場最好要考慮屏蔽問題（如采用雙絞線）；

3）不要開始時就把需要接的線全接上，只連成最基本的系統，運行良好后，再逐步連接。

4）一定要搞清楚接地方法，還是采用浮空不接。

5）開始運行的半小時內要密切觀察電機的狀態，如運動是否正常，聲音和溫升情況，發現問題立即停機調整。

2、液壓驅動

通過高精度的缸體和活塞來完成，通過缸體和活塞桿的相對運動實現直線運動。 優點：功率大，可省去減速裝置直接與被驅動的桿件相連，結構緊湊，剛度好，響應快，伺服驅動具有較高的精度。 ? 缺點：需要增設液壓源，易產生液體泄漏，不適合高、低溫場合，故液壓驅動目前多用于特大功率的機器人系統。 ? 選擇適合的液壓油。防止固體雜質混入液壓系統，防止空氣和水入侵液壓系統 。 ? 機械作業要柔和平順機械作業應避免粗暴，否則必然產生沖擊負荷，使機械故障頻發，大大縮短使用壽命。要注意氣蝕和溢流噪聲。作業中要時刻注意液壓泵和溢流閥的聲音，如果液壓泵出現“氣蝕”噪聲，經排氣后不能消除，應查明原因排除故障后才能使用。保持適宜的油溫。液壓系統的工作溫度一般控制在30～80℃之間為宜。

3、氣壓驅動

氣壓驅動的結構簡單，清潔，動作靈敏，具有緩沖作用。.但與液壓驅動裝置相比，功率較小，剛度差，噪音大，速度不易控制，所以多用于精度不高的點位控制機器人。

（1）具有速度快、系統結構簡單，維修方便、價格低等特點。適于在中、小負荷的機器人中采用。但因難于實現伺服控制，多用于程序控制的機械人中，如在上、下料和沖壓機器人中應用較多。

（2）在多數情況下是用于實現兩位式的或有限點位控制的中、小機器人中的。

（3）控制裝置目前多數選用可編程控制器(PLC控制器)。在易燃、易爆場合下可采用氣動邏輯元件組成控制裝置。

二、直線傳動機構

傳動裝置是連接動力源和運動連桿的關鍵部分，根據關節形式，常用的傳動機構形式有直線傳動和旋轉傳動機構。

直線傳動方式可用于直角坐標機器人的X、Y、Z向驅動，圓柱坐標結構的徑向驅動和垂直升降驅動，以及球坐標結構的徑向伸縮驅動。

直線運動可以通過齒輪齒條、絲杠螺母等傳動元件將旋轉運動轉換成直線運動，也可以有直線驅動電機驅動，也可以直接由氣缸或液壓缸的活塞產生。

1、齒輪齒條裝置

通常齒條是固定的。齒輪的旋轉運動轉換成托板的直線運動。

優點：結構簡單。

缺點：回差較大。

2、滾珠絲杠

在絲杠和螺母的螺旋槽內嵌入滾珠，并通過螺母中的導向槽使滾珠能連續循環。

優點：摩擦力小，傳動效率高，無爬行，精度高；

缺點：制造成本高，結構復雜。

自鎖問題：理論上滾珠絲杠副也可以自鎖,但是實際應用上沒有使用這個自鎖的,原因主要是：可靠性很差，或加工成本很高；因為直徑與導程比非常大，一般都是再加一套蝸輪蝸桿之類的自鎖裝置。

三、旋轉傳動機構

采用旋轉傳動機構的目的是將電機的驅動源輸出的較高轉速轉換成較低轉速，并獲得較大的力矩。機器人中應用較多的旋轉傳動機構有齒輪鏈、同步皮帶和諧波齒輪。

1、齒輪鏈

（1）轉速關系

（2）力矩關系

2、同步皮帶

同步帶是具有許多型齒的皮帶，它與同樣具有型齒的同步皮帶輪相嚙合。工作時相當于柔軟的齒輪。

優點：無滑動，柔性好，價格便宜，重復定位精度高。

缺點：具有一定的彈性變形。

3、諧波齒輪

諧波齒輪由剛性齒輪、諧波發生器和柔性齒輪三個主要零件組成，一般剛性齒輪固定，諧波發生器驅動柔性齒輪旋轉。

主要特點：

(1)傳動比大，單級為50—300。

(2)傳動平穩，承載能力高。

(3)傳動效率高,可達70%—90%。

(4)傳動精度高,比普通齒輪傳動高3—4倍。

(5)回差小，可小于3’。

(6)不能獲得中間輸出，柔輪剛度較低。

諧波傳動裝置在機器人技術比較先進的國家已得到了廣泛的應用。僅就日本來說，機器人驅動裝置的60％都采用了諧波傳動。

美國送到月球上的機器人，其各個關節部位都采用諧波傳動裝置，其中一只上臂就用了30個諧波傳動機構。

蘇聯送入月球的移動式機器人“登月者”，其成對安裝的8個輪子均是用密閉諧波傳動機構單獨驅動的。德國大眾汽車公司研制的ROHREN、GEROT R30型機器人和法國雷諾公司研制的VERTICAL 80型機器人等都采用了諧波傳動機構。

四、機器人傳感系統

1、感受系統由內部傳感器模塊和外部傳感器模塊組成, 用以獲取內部和外部環境狀態中有意義的信息。

2、智能傳感器的使用提高了機器人的機動性、適應性和智能化的水準。

3、智能傳感器的使用提高了機器人的機動性、適應性和智能化的水準。

4、對于一些特殊的信息, 傳感器比人類的感受系統更有效。

五、機器人位置檢測

旋轉光學編碼器是最常用的位置反饋裝置。光電探測器把光脈沖轉化成二進制波形。軸的轉角通過計算脈沖數得到，轉動方向由兩個方波信號的相對相位決定。

感應同步器輸出兩個模擬信號——軸轉角的正弦信號和余弦信號。軸的轉角由這兩個信號的相對幅值計算得到。感應同步器一般比編碼器可靠，但它的分辨率較低。

電位計是最直接的位置檢測形式。它連接在電橋中，能夠產生與軸轉角成正比的電壓信號。但是，由于分辨率低、線性不好以及對噪聲敏感。

轉速計能夠輸出與軸的轉速成正比的模擬信號。如果沒有這樣的速度傳感器，可以通過對檢測到的位置相對于時間的差分得到速度反饋信號。

六、機器人力檢測

力傳感器通常安裝在操作臂下述三個位置：

1、安裝在關節驅動器上。可測量驅動器/減速器自身的力矩或者力的輸出。但不能很好地檢測末端執行器與環境之間的接觸力。

2、安裝在末端執行器與操作臂的終端關節之間，可稱腕力傳感器。通常，可以測量施加于末端執行器上的三個到六個力/力矩分量。

3、安裝在末端執行器的“指尖”上。通常，這些帶有力覺得手指內置了應變計，可以測量作用在指尖上的一個到四個分力。

七、機器人－環境交互系統

1、機器人-環境交互系統是實現工業機器人與外部環境中的設備相互聯系和協調的系統。

2、工業機器人與外部設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。也可以是多臺機器人、多臺機床或設備、多個零件存儲裝置等集成 。

3、也可以是多臺機器人、多臺機床或設備、多個零件存儲裝置等集成為一個去執行復雜任務的功能單元。

八、人機交互系統

人機交互系統是使操作人員參與機器人控制并與機器人進行聯系的裝置。該系統歸納起來分為兩大類: 指令給定裝置和信息顯示裝置。

機器人控制系統相關知識 ? ?

什么是機器人控制系統

如果僅僅有感官和肌肉，人的四肢還是不能動作。一方面是因為來自感官的信號沒有器官去接收和處理，另一方面也是因為沒有器官發出神經信號，驅使肌肉發生收縮或舒張。同樣，如果機器人只有傳感器和驅動器，機械臂也不能正常工作。原因是傳感器輸出的信號沒有起作用，驅動電動機也得不到驅動電壓和電流，所以機器人需要有一個控制器，用硬件坨和軟件組成一個的控制系統。

機器人控制系統的功能是接收來自傳感器的檢測信號，根據操作任務的要求，驅動機械臂中的各臺電動機就像我們人的活動需要依賴自身的感官一樣，機器人的運動控制離不開傳感器。機器人需要用傳感器來檢測各種狀態。機器人的內部傳感器信號被用來反映機械臂關節的實際運動狀態，機器人的外部傳感器信號被用來檢測工作環境的變化。

所以機器人的神經與大腦組合起來才能成一個完整的機器人控制系統。

機器人的運動控制系統包含哪些方面？

執行機構——伺服電機或步進電機；

驅動機構——伺服或者步進驅動器；

控制機構——運動控制器，做路徑和電機聯動的算法運算控制；

控制方式——有固定執行動作方式的，那就編好固定參數的程序給運動控制器；如果有加視覺系統或者其他傳感器的，根據傳感器信號，就編好不固定參數的程序給運動控制器。

機器人控制系統的基本功能

控制機械臂末端執行器的運動位置（ 即控制末端執行器經過的點和移動路徑）；

控制機械臂的運動姿態（即控制相鄰兩個活動構件的相對位置）；

控制運動速度（即控制末端執行器運動位置隨時間變化的規律）；

控制運動加速度（即控制末端執行器在運動過程中的速度變化）；

控制機械臂中各動力關節的輸出轉矩：（即控制對操作對象施加的作用力）；

具備操作方便的人機交互功能，機器人通過記憶和再現來完成規定的任務；

使機器人對外部環境有檢測和感覺功能。工業機器人配備視覺、力覺、觸覺等傳感器進行測量、識別，判斷作業條件的變化。

工業機器人控制系統

1、工業機器人控制系統硬件結構

控制器是機器人系統的核心，國外有關公司對我國實行嚴密封鎖。近年來隨著微電子技術的發展，微處理器的性能越來越高，而價格則越來越便宜，目前市場上已經出現了1~2美金的32位微處理器。高性價比的微處理器為機器人控制器帶來了新的發展機遇，使開發低成本、高性能的機器人控制器成為可能。為了保證系統具有足夠的計算與存儲能力，目前機器人控制器多采用計算能力較強的ARM系列、DSP系列、POWERPC系列、Intel系列等芯片組成。　　

此外，由于已有的通用芯片在功能和性能上不能完全滿足某些機器人系統在價格、性能、集成度和接口等方面的要求，這就產生了機器人系統對SoC（SystemonChip）技術的需求，將特定的處理器與所需要的接口集成在一起，可簡化系統外圍電路的設計，縮小系統尺寸，并降低成本。例如，Actel公司將NEOS或ARM7的處理器內核集成在其FPGA產品上，形成了一個完整的SoC系統。在機器人運動控制器方面，其研究主要集中在美國和日本，并有成熟的產品，如美國DELTATAU公司、日本朋立株式會社等。其運動控制器以DSP技術為核心，采用基于PC的開放式結構。

2、工業機器人控制系統體系結構

在控制器體系結構方面，其研究重點是功能劃分和功能之間信息交換的規范。在開放式控制器體系結構研究方面，有兩種基本結構，一種是基于硬件層次劃分的結構，該類型結構比較簡單，在日本，體系結構以硬件為基礎來劃分，如三菱重工株式會社將其生產的PA210可攜帶式通用智能臂式機器人的結構劃分為五層結構；另一種是基于功能劃分的結構，它將軟硬件一同考慮，其是機器人控制器體系結構研究和發展的方向。　　

3、控制軟件開發環境

在機器人軟件開發環境方面，一般工業機器人公司都有自己獨立的開發環境和獨立的機器人編程語言，如日本Motoman公司、德國KUKA公司、美國的Adept公司、瑞典的ABB公司等。很多大學在機器人開發環境(RobotDevelopmentEnvironment)方面已有大量研究工作，提供了很多開放源碼，可在部分機器人硬件結構下進行集成和控制操作，目前已在實驗室環境下進行了許多相關實驗。國內外現有的機器人系統開發環境有TeamBots，v.2.0e、ARIA，V.2.4.1、Player/Stage，v.1.6.5.1.6.2、Pyro.v.4.6.0、CARMEN.v.1.1.1、MissionLab.v.6.0、ADE.V.1.0beta、Miro.v.CVS-March17.2006、MARIE.V.0.4.0、FlowDesigner.v.0.9.0、RobotFlow.v.0.2.6等等。從機器人產業發展來看，對機器人軟件開發環境有兩方面的需求。一方面是來自機器人最終用戶，他們不僅使用機器人，而且希望能夠通過編程的方式賦予機器人更多的功能，這種編程往往是采用可視化編程語言實現的，如樂高MindStormsNXT的圖形化編程環境和微軟RoboticsStudio提供的可視化編程環境。　　

4、機器人專用操作系統

（1）VxWorks，VxWorks操作系統是美國WindRiver公司于1983年設計開發的一種嵌入式實時操作系統（RTOS），是Tornado嵌入式開發環境的關鍵組成部分。VxWorks具有可裁剪微內核結構；高效的任務管理；靈活的任務間通信；微秒級的中斷處理；支持POSIX1003．1b實時擴展標準；支持多種物理介質及標準的、完整的TCP/IP網絡協議等。　　

（2）WindowsCE，WindowsCE與Windows系列有較好的兼容性，無疑是WindowsCE推廣的一大優勢。WindowsCE為建立針對掌上設備、無線設備的動態應用程序和服務提供了一種功能豐富的操作系統平臺，它能在多種處理器體系結構上運行，并且通常適用于那些對內存占用空間具有一定限制的設備。　

（3）嵌入式Linux，由于其源代碼公開，人們可以任意修改，以滿足自己的應用。其中大部分都遵從GPL，是開放源代碼和免費的。可以稍加修改后應用于用戶自己的系統。有龐大的開發人員群體，無需專門的人才，只要懂Unix/Linux和C語言即可。支持的硬件數量龐大。嵌入式Linux和普通Linux并無本質區別，PC上用到的硬件嵌入式Linux幾乎都支持。而且各種硬件的驅動程序源代碼都可以得到，為用戶編寫自己專有硬件的驅動程序帶來很大方便。

（4）μC/OS-Ⅱ，μC/OS-Ⅱ是著名的源代碼公開的實時內核，是專為嵌入式應用設計的，可用于8位，16位和32位單片機或數字信號處理器（DSP）。它的主要特點是公開源代碼、可移植性好、可固化、可裁剪性、占先式內核、可確定性等。

（5）DSP/BIOS，DSP/BIOS是TI公司特別為其TMS320C6000TM，TMS320C5000TM和TMS320C28xTM系列DSP平臺所設計開發的一個尺寸可裁剪的實時多任務操作系統內核，是TI公司的CodeComposerStudioTM開發工具的組成部分之一。DSP/BIOS主要由三部分組成：多線程實時內核；實時分析工具；芯片支持庫。利用實時操作系統開發程序，可以方便快速的開發復雜的DSP程序。　

5、機器人伺服通信總線技術

目前國際上還沒有專用于機器人系統中的伺服通信總線，在實際應用過程中，通常根據系統需求，把常用的一些總線，如以太網、CAN、1394、SERCOS、USB、RS-485等用于機器人系統中。當前大部分通信控制總線可以歸納為兩類，即基于RS-485和線驅動技術的串行總線技術和基于實時工業以太網的高速串行總線技術。

智能機器人控制系統

(1)開放性模塊化的控制系統體系結構：采用分布式CPU計算機結構，分為機器人控制器(RC)，運動控制器(MC)，光電隔離I/O控制板、傳感器處理板和編程示教盒等。機器人控制器(RC)和編程示教盒通過串口/CAN總線進行通訊。機器人控制器(RC)的主計算機完成機器人的運動規劃、插補和位置伺服以及主控邏輯、數字I/O、傳感器處理等功能，而編程示教盒完成信息的顯示和按鍵的輸入。

(2)模塊化層次化的控制器軟件系統：軟件系統建立在基于開源的實時多任務操作系統Linux上，采用分層和模塊化結構設計，以實現軟件系統的開放性。整個控制器軟件系統分為三個層次：硬件驅動層、核心層和應用層。三個層次分別面對不同的功能需求，對應不同層次的開發，系統中各個層次內部由若干個功能相對對立的模塊組成，這些功能模塊相互協作共同實現該層次所提供的功能。

(3)機器人的故障診斷與安全維護技術：通過各種信息，對機器人故障進行診斷，并進行相應維護，是保證機器人安全性的關鍵技術。

(4)網絡化機器人控制器技術：目前機器人的應用工程由單臺機器人工作站向機器人生產線發展，機器人控制器的聯網技術變得越來越重要。控制器上具有串口、現場總線及以太網的聯網功能。可用于機器人控制器之間和機器人控制器同上位機的通訊，便于對機器人生產線進行監控、診斷和管理。

機器人控制架構

如果說驅動子系統是機器人的肌肉，能源子系統是機器人的心臟，那么控制和決策子系統就是機器人的大腦。這是機器人最重要、最復雜的一個子系統。

機器人是一種高度復雜的自動化裝置。其控制子系統也是直接來源于自動化領域的其他應用，例如工廠自動化領域中所用到的處理器、電路以及標準。本章僅僅列舉并對比了幾種常見的、典型的控制系統拓撲結構，然后分析了幾個典型的機器人控制子系統的構成，特別是詳細說明了“創意之星”機器人的控制架構。

典型的幾種機器人控制架構(ARCHITECHURE)

這里我們不討論傳統的工業機器人，主要關注的是自主移動機器人、仿生機器人等新形態的機器人。通常，機器人的架構是指如何把感知、建模、規劃、決策、行動等多種模塊有機地結合起來，從而在動態環境中，完成目標任務的一個或多個機器人的結構框架。總的說來，當前自主機器人的控制架構可分為下述幾類：

1. 程控架構，又稱規劃式架構，即根據給定初始狀態和目標狀態規劃器給出一個行為動作的序列，按部就班地執行。較復雜的程控模型也會根據傳感器的反饋對控制策略進行調整，例如在程序的序列中采用“條件判斷+跳轉”這樣的方法。

2. 包容式架構和基于行為的控制模型，又稱為反應式模型，復雜任務被分解成為一系列相對簡單的具體特定行為，這些行為均基于傳感器信息并針對綜合目標的一個方面進行控制。基于行為的機器人系統對周圍環境的變化能作出快速的響應，實時性好，但它沒有對任務做出全局規劃，因而不能保證目標的實現是最優的。

3. 混合式架構，是規劃和基于行為的集成體系，不僅對環境的變化敏感，而且能確保目標的實現效率。通常混合式架構有兩種模式：一種模式是，決策系統的大框架是基于規劃的，在遇到動態情況時再由行為模型主導；另一種模式是，決策系統的大框架基于行為，在具體某些行為中采用規劃模型。總之，混合式架構的設計目的是盡可能綜合程控架構和包容式架構的優點，避免其缺點。

編輯：黃飛

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