伺服系统与工业机器人课件第11章 工业机器人系统

第十一章工业机器人系统李鑫合肥工业大学电气与自动化工程学院第十一章工业机器人系统11.1机器人本体结构11.2末端执行器11.3驱动系统11.4机器人感知系统11.5控制系统总结2024/8/7伺服系统与工业机器人.hfut211.1机器人本体结构32024/8/7伺服系统与工业机器人.hfut机器人本体结构示意图机座：机座是机器人的基础部分，起支撑作用。整个执行机构和驱动装置都安装在基座上。对固定式机器人，直接连接在地面基础上；对移动式机器人，则安装在移动机构上，可分为有轨无轨两种。腰部：腰部是机器人手臂的支撑部分。根据执行机构坐标系的不同，腰部可以与基座制成一体。有时腰部也可以通过导杆或导槽在基座上移动，从而增大工作空间。臂部：臂部是连接机身和手腕的部分，由操作机的动力关节和连接杆件等构成。它是执行结构中的主要运动部件，也称主轴，主要用于改变手腕和末端执行器的空间位置，满足机器人的作业空间，并将各种载荷传递到机座。手腕：手腕是连接末端执行器和手臂的部分，将作业载荷递到臂部，也称次轴，主要用于改变末端执行器的空间姿态。11.2末端执行器42024/8/7伺服系统与工业机器人.hfut一个机器人末端执行器指的是任何一个连接在机器人边缘（关节）具有一定功能的工具。机器人末端执行器通常被认为是机器人的外围设备，机器人的附件，机器人工具，手臂末端工具（EOA）。末端执行器与机器人的作业要求、作业对象密切相关，一般需要由机器人制造厂和用户共同设计与制造。例如，用于装配、搬运、包装的机器人则需要配置吸盘，手爪等用来抓取零件、物品的夹持器；而加工类机器人需要配置用于焊接、切割、打磨等加工的焊枪、铣头、磨头等各种工具或刀具。机器人的手部是最重要的执行机构，从功能和形态上看，它可分为工业机器人的手部和仿人机器人的手部。目前，前者应用较多，也比较成熟。工业机器人的手部是用来握持工件或工具的部件。由于被握持工件的形状、尺寸重量、材质及表面状态的不同，手部结构是多种多样的。大部分的手部结构都是根据特定的工件要求而专门设计的。各种手部的工作原理不同，故其结构形态各异。常用的手部按其握持原理可以分为夹持类和吸附类两大类，还有一些新型的人型机器人末端夹具类似于人的手指，在此也一并作简单介绍。11.2.1气吸式52024/8/7伺服系统与工业机器人.hfut气吸式机器人末端执行器按形成负压的方法有以下几种方法：挤压式吸盘气流负压式吸盘真空泵排气式吸盘气吸式机器人末端执行器如图所示，利用吸盘内产的负压产生的吸力来吸住并移动工件。吸盘就是用的软橡胶或者是塑料制成的皮碗中形成的负压来吸住工件。此种机器人末端执行器适用于吸取大而薄、刚性差的金属或木质板材、纸张、玻璃和弧形壳体等作业零件。根据应用场合不同，末端执行器可以做成单吸盘、双吸盘、多吸盘或特殊形状的吸盘。11.2.2机械夹持式62024/8/7伺服系统与工业机器人.hfut直杆式双气缸平移夹持器结构图直杆式双气缸平移夹持器的结构如图所示，夹持器指端安装在装有指端安装座的直杆上，当压力气体进入单作用式双气缸的两个有杆腔时，两活塞向中间移动，工件被夹紧；当没有压力气体进入时，弹簧推动两个活塞向外伸出，工件被松开。为保证两活塞同步运动，在气缸的进气路上安装分流阀。上下料装配工作站采用的是此种末端执行器。11.2.2机械夹持式72024/8/7伺服系统与工业机器人.hfut仿人手型执行器（1）柔性手可对不同外形物体实施抓取，并使物体表面受力比较均匀。每个手指由多个关节串接而成。手指传动部分由牵引钢丝绳及摩擦滚轮组成，每个手指由两根钢丝绳牵引，一侧为握紧，一侧为放松。这样的结构可抓取凹凸外形并使物体受力较为均匀。（2）多指灵巧手机器人手部和手腕最完美的形式是模仿人手的多指灵巧手，多指灵巧手由多个手指组成，每一个手指有三个回转关节，每一个关节自由度都是独立控制的。这样，各种复杂动作都能模仿。11.3驱动系统82024/8/7伺服系统与工业机器人.hfut工业机器人驱动器分类要使机器人运行起来，需给各个关节即每个运动自由度安置传动装置，这就是驱动系统。驱动系统的作用是提供机器人各部位，各关节动作的原动力。根据能量转换方式，将驱动器划分为液压驱动、气压驱动、电气驱动和混合驱动装置，如下图所示。11.3.1电动驱动92024/8/7伺服系统与工业机器人.hfut步进电动机：在控制电路中，给电动机输入一个脉冲，电动机轴仅旋转一定的角度，称为“一个步长的转动”。这个旋转角的理论值称为步距角。因此，步进电动机轴按照与脉冲频率成正比的速度旋转。当输入脉冲停止时，电动机轴在最后的脉冲位置处停止，并产生相对于外力的一个反作用力。因此，步进电动机的控制较为简单，适用于开环回路驱动器。直流伺服电动机：直流伺服电动机最适合工业机器人的试制阶段或竞技用机器人。直流伺服电动机的运转方式有两种：线性驱动和PWM驱动。线性驱动即给电动机施加的电压以模拟量的形式连续变化，是电动机理想驱动方式，但在电子线路中易产生大量热损耗。实际应用较多的是脉宽调制方法，特点是在低速时转矩大，高速时转矩急速减小。因此，常用于竞技机器人的驱动器。交流伺服电动机：常见的交流伺服电动机有以下三类：笼式感应型电动机、交流整流子型电动机和同步电动机。机器人中采用交流伺服电动机，可以实现精确的速度控制和定位功能。这种电动机还具备直流伺服电动机的基本性质，又可以理解为把电刷和整流子换为半导体元件的装置，所以也称为无刷直流伺服电动机。直接驱动电动机：在齿轮、皮带等减速机构组成的驱动系统中，存在间隙、回差、摩擦等问题。克服这些问题的手段可以借助于直接驱动电动机。该电动机被广泛地应用于装配SCARA机器人、自动装配机、加工机械、检测机器及印刷机械中。对直接驱动电动机的要求是没有减速器，但仍要提供大输出转矩（推力），可控性要好。11.3.2液压驱动102024/8/7伺服系统与工业机器人.hfut液压驱动有以下几个优点：液压容易达到较高的单位面积压力体积较小，可以得较大的推力或转矩气流负压式吸盘。液压系统介质的可压缩性小，工作平稳可靠，并可得到较高的位置精度。液压驱动中，力、速度和方向比较容易实现自动控制。液压系统采用油液作为介质，其有缓蚀性和自洞滑性，可以提高机械效率。液压伺服系统主要由液压源、驱动器、伺服阀、传感器、控制器等构成。通过这些元件的组合，组成反馈控制系统驱动负载。液压源产生一定的压力，通过伺服阀控制液体的压力和流量从而驱动驱动器。位置指令与位置传感器的差被放大后得到的电气信号，然后将其输入伺服阀中驱动液压执行器，直到偏差变为零为止。若传感器信号与位置指令相同，则负载停止运动。液压传动的特点是转矩与惯性比大，也就是单位重量的输出功率高。液压驱动也存在不足之处：油液的黏度随温度变化而变化，影响工作性能，高温容易引起燃烧爆炸等危险。液体的泄漏难以克服，要求液压元件有较高的精度和质量，故造价较高。需要相应的供油系统，尤其是电液伺服系统要求严格的滤油装置，否则会引起液压驱动方式的输出力和功率大，能构成何服机构。11.3.3气动驱动112024/8/7伺服系统与工业机器人.hfut气压驱动有以下几个优点：压缩空气黏度小，容易达到高速(1m/s)。利用工厂集中的空气压缩机站供气，不必添加动力设备。空气介质对环境无污染，使用安全。可直接应用于高温作业。气动元件工作压力低，故制造要求也比液压元件低。气压驱动多用于开关控制和顺序控制的机器人。典型的气压驱动系统由气压发生装置、执行元件、控制元件和辅助元件四个部分组成。气压发生装置简称气源装置，是获得压缩空气的能源装置。执行元件是以压缩空气为工作介质，并将压缩空气的压力能转变为机械能的能量转换装置。控制元件又称为操纵、运算、检测元件，用来控制压缩空气流的压力、流量和流动方向等，以便使执行机构完成预定的运动规律。辅助元件是压缩空气净化、润滑、消声及元件间连接所需要的一些装置。气压驱动也存在不足之处：压缩空气常用压力为4-63Pa，若能获得较大的出力，其结构就要相对增大空气压缩性大，工作平稳性差，速度控制困难，要达到准确的位置控制很图难。压缩空气的除水是一个很重要的问题，处理不当会使钢类零件生锈，导致机器人失灵。此外，排气还会造成噪声污染。11.4机器人感知系统122024/8/7伺服系统与工业机器人.hfut工业机器人传感器分类机器人感觉系统通常由多种机器人传感器或视觉系统组成，第一代具有计算机视觉和触觉能力的工业机器人是由美国斯坦福研究所研制成功的。目前，使用较多的机器人传感器有位移的传感器及其工作原理，并对其使用要求以及各种传感器的选择方法和评价方法加以介绍。11.4.1.1机器人的位置传感器132024/8/7伺服系统与工业机器人.hfut接近开关位置传感器可用来检测位置，反映某种状态的开关，和位移传感器不同，位置传感器有接触式和接近式两种。接触式传感器的触头由两个物体接触挤压而动作，常见的有行程开关、二维矩阵式位置传感器等。接近开关是指当物体与其接近到设定距离时就可以发出“动作”信号的开关，它无需和物体直接接触。接近开关有很多种类，主要有电磁式、光电式、差动变压器式、电涡流式、电容式、干簧管、霍尔式等。霍尔式接近开关是利用霍尔现象制成的传感器。11.4.1.2机器人的角度传感器142024/8/7伺服系统与工业机器人.hfut机器人的角度传感器有旋转编码器和光学编码器。其中应用最多的旋转角度传感器是旋转编码器。旋转编码器又称转轴编码器、回转编码器等，它把连续输入的轴的旋转角度同时进行离散化（样本化）和量化处理后予以输出。把旋转角度的现有值，用1bit的二进制码表示进行输出，这种形式的编码器称为绝对值型；还有一种形式，是每旋转一定角度，就有1bit的脉冲（1和0交替取值）被输出，这种形式的编码器称为相对值型（増量型）。相对值型用计数器对脉冲进行累积计算，从而可以得知从初始角旋转的角度。根据检测方法的不同，可以分为光学式、磁场式和感应式。一般来说，普及型的分辨率能达到2-12的程度，对于高精度型的编码器其分辦率可以达到2-20的程度。光学编码器是一种应用广泛的角位移传感器，其分辦率完全能满足机器人技术要求。这种非接触型传感器可分为绝对型和增量型。对前者，只要电源加到这种传感器的机电系统中，编码器就能给出实际的线性或旋转位置。因此，用绝对型编码器装备的机器人关节不要求校准，通电上，控制器就知道实际的关节位置。而增量型编码器只能提供与某基准点对应的位置信息。所以用增量型编码器的机器人在获得真实位置信息以前，必须首先完成校准程序。线性或旋转编码器都有绝对型和增量型两类，旋转型器件在机器人中的应用特别多，因为机器人的旋转关节远远多于棱柱形关节。直线编码器成本高，甚至以线性方式移动的关节，如球坐标机器人都用旋转编码器。11.4.1.3机器人的姿态传感器152024/8/7伺服系统与工业机器人.hfut姿态传感器是基于MEMS技术的高性能三维运动姿态测量系统。它包含三轴陀螺仪、三轴加速度计，三轴电子罗盘等运动传感器，通过内嵌的低功耗ARM处理器得到经过温度补偿的三维姿态与方位等数据。利用基于四元数的三维算法和特殊数据融合技术，实时输出以四元数、欧拉角表示的零漂移三维姿态方位数据。姿态传感器设置在机器人的躯干部分，它用来检测移动中的姿态和方位变化，保持机器人的正确姿态，并且实现指令要求的方位。除此以外，还有气体速率陀螺仪、光陀螺仪，前者利用了姿态变化时，气流也发生变化这一现象；后者则利用了当环路状光径相对于惯性空间旋转时，沿这种光径传播的光，会因向右旋转而呈现速度变化的现象。姿态传感器11.4.2.1机器人触觉传感器162024/8/7伺服系统与工业机器人.hfut接触觉传感器压觉传感器滑觉传感器力觉传感器11.4.2.2视觉传感器172024/8/7伺服系统与工业机器人.hfut视觉传感器是指利用光学元件和成像装置获取外部环境图像信息的仪器，通常用图像分辨率来描述视觉传感器的性能。视觉传感器是整个机器视觉系统信息的直接来源，主要由一个或者两个图形传感器组成，有时还要配以光投射器及其他辅助设备。视觉传感器可以从一整幅图像中捕获光线的数以千计的像素。图像的清晰和细腻程度通常用分辨率来衡量，以像素数量表示。在捕获图像之后，视觉传感器将其与内存中存储的基准图像进行比较，以做出分析。其精度与分辨率以及同被测物体的检测距离相关，被测物体距离越远，其绝对的位置精度越差。视觉传感器的主要功能是获取足够的机器视觉系统要处理的最原始图像。其工业应用包括检验、计量、测量、定向、瑕疵检测和分捡。视觉传感器分为电荷耦合器件和互补性氧化金属半导体CMOS两种。11.4.2.3机器人距离传感器182024/8/7伺服系统与工业机器人.hfut1.超声波距离传感器超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。2.接近觉传感器探测非常近物体存在的传感器称为接近觉传感器，相同极性的磁铁彼此靠近时斥力与距离的平方成反比，所以探测排斥力就可知道两磁铁的接近程度，这是最为熟知的接近觉传感器。可是作为机器人用的接近觉传感器，由于物体大多数不是磁性体，所以不能利用磁铁的传感器。11.4.2.4机器人听觉传感器192024/8/7伺服系统与工业机器人.hfut听觉传感器是人工智能装置，是机器人中必不可少的部件；它是利用语音信号处理技术制成的。机器人由听觉传感器实现“人—机”对话。一台机器人不仅能听懂人讲的话，且能讲出人能听懂的语言，赋予机器人这些智慧和技术统称语音处理技术，前者为语言识别技术，后者为语音合成技术。具有语音识别功能的传感器称为听觉传感器。听觉传感器是检测出声波（包括超声波）或声音的传感器，用于识别声音的信息传感器。在所有的情况下，都使用话筒等振动检测器作为检测元件。在识别输入的语音时，可以分为特定人说话方式及非特定人说话方式。特定人说话方式的识别率比较高。为了便于存储标准语音波形及选配语音波形，需要对输入的语音波形频带进行适当的分割，将每个采样周期内各频带的语音特征能量抽取出来。11.5.1示教器202024/8/7伺服系统与工业机器人.hfut示教器示意图工业机器人示教器又叫示教编程器（以下简称示教器）是机器人控制系统的核心部件，是一个用来注册和存储机械运动或处理记忆的设备，该设备是由电子系统或计算机系统执行的。它属于人机交互设备的一种，操作者可以通过示教器操作工业机器人运动、完成示教编程、实现对系统的设定、故障诊断等。示教器人机界面11.5.2控制器212024/8/7伺服系统与工业机器人.hfut控制器是用于控制机器人坐标轴位置和运动轨迹的装置，输出运动轴的插补脉冲，其功能与数控系统非常类似。控制器常用的结构图有工业计算机和PLC两种。工业计算机型机器人控制器的主机和通用计算机并无本质区别，但机器人控制器需要增加传感器、驱动器接口等硬件，这种控制器的兼容性好、软件安装方便、网络通信容易。PLC型控制器以类似PLC的CPU模块作为中央处理器，然后通过选配各种PLC功能模块，如测量模块、轴控制模块等，来实现对机器人的控制，这种控制器配置灵活，模块通用性好、可靠性高。