任務1.3 工業(yè)機器人的基本結構認知

學習任務描述

學習工業(yè)機器人的外圍設備構成，工業(yè)機器人系統(tǒng)的定義和工業(yè)機器人的分類、組成，正確認識工業(yè)機器人，明確學習課程的意義。

學習任務實施

1.3.1 工業(yè)機器人的分類

1.按結構特征劃分

機器人的結構形式多種多樣，典型機器人的運動特征用其坐標特性來描述。按結構特征來分，工業(yè)機器人通常可以分為直角坐標機器人、柱面坐標機器人、球面坐標機器人、多關節(jié)機器人和并聯(lián)機器人。

（1）直角坐標機器人

直角坐標機器人是指在工業(yè)應用中，能夠實現(xiàn)自動控制的，可重復編程的，在空間上具有相互垂直關系的三個獨立自由度的多用途機器人，如圖1-11所示。

機器人在空間坐標系中有三個相互垂直的移動關節(jié)，每個關節(jié)都可以在獨立的方向移動。

直角坐標機器人的特點是直線運動，控制簡單。缺點是靈活性差，自身占據(jù)空間較大。主要應用在各種自動化生產(chǎn)線中，可以完成焊接、搬運、上下料、包裝、碼垛、檢測、裝配、噴涂等一系列工作。

（2）柱面坐標機器人

柱面坐標機器人是指能夠形成圓柱坐標系的機器人。其結構主要由一個旋轉機座形成的轉動關節(jié)和垂直、水平移動的兩個移動關節(jié)構成。

柱面坐標機器人具有空間結構小，工作范圍大，末端執(zhí)行器速度高、控制簡單、運動靈活等優(yōu)點。缺點是工作時，必須有沿Y軸線前后方向的移動空間，空間利用率低。目前柱面坐標系主要用于重物的卸載、搬運等工作。

（3）球面坐標機器人

球面坐標機器人一般由兩個回轉關節(jié)和一個移動關節(jié)構成。其軸線按極坐標配置。這種機器人運動所形成的軌跡表面是半球面，所以稱為球面坐標機器人。

球面坐標機器人同樣占用空間小，操作靈活且范圍大，但運動學模型較復雜，難以控制。

（4）多關節(jié)機器人

關節(jié)機器人也稱為關節(jié)手臂機器人或關節(jié)機械手臂，是當今工業(yè)領域中應用最為廣泛的一種機器人。多關節(jié)機器人按照關節(jié)的構型不同，又可分為垂直多關節(jié)機器人和水平多關節(jié)機器人。

垂直多關節(jié)機器人主要由機座和多關節(jié)臂組成，目前常見的關節(jié)臂數(shù)是3~6個。ABB六關節(jié)臂機器人的結構如圖1-12所示。

垂直多關節(jié)機器人由多個旋轉和擺動關節(jié)組成，其結構緊湊，工作空間大，工作接近人類，工作時能繞過機座周圍的一些障礙物，對裝配、噴涂、焊接等多種作業(yè)都有良好的適應性，且適合電動機驅動，關節(jié)密封、防塵比較容易。

水平多關節(jié)機器人也稱為SCARA機器人，如圖1-13所示。水平多關節(jié)機器人一般具有四個軸和四個自由度，它的第一、二、四軸具有轉動特性，第三軸具有線性移動特性，并且第三軸和第四軸可以根據(jù)工作需要的不同，制造出多種不同的形態(tài)。

水平多關節(jié)機器人的特點在于作業(yè)空間與占地面積比很大，使用起來方便；在垂直升降方面剛性好，尤其適合平面裝配作業(yè)。目前主要應用在電子產(chǎn)品行業(yè)、汽車工業(yè)、塑料工業(yè)等領域，用以完成裝配、搬取、噴涂和焊接等操作。

（5）并聯(lián)機器人

并聯(lián)機器人是近年來發(fā)展起來的一種由固定機座和具有若干自由度的末端執(zhí)行器、以不少于兩條獨立運動鏈連接形成的新型機器人，如圖1-14所示。

和串聯(lián)機器人相比，并聯(lián)機器人具有以下特點：

1）無累計誤差，精度較高。

2）驅動裝置可置于定平臺上或接近定平臺的位置，運動部分重量輕、速度高、動態(tài)響應好。

3）結構緊湊、剛度高、承載能力大。

4）具有較好的各向同性。

5）工作空間小。

并聯(lián)機器人廣泛應用在裝配、搬運、上下料、分揀、打磨等需要高精度、高剛度或者大載荷而無需很大工作空間的場合。

2.按驅動方式劃分

根據(jù)能量轉換方式的不同，工業(yè)機器人驅動類型可以劃分為氣壓驅動、液壓驅動、電力驅動和新型驅動四種類型。

1）氣壓驅動。氣壓驅動機器人是以壓縮空氣來驅動執(zhí)行機構的。這種驅動方式的特點是空氣來源方便、動作迅速、結構簡單；缺點是工作的穩(wěn)定性與定位精度不高、抓力較小，所以常用于負載較小的場合。

2）液壓驅動。液壓驅動是使用液體油液驅動執(zhí)行機構的。與氣壓驅動機器人相比，液壓驅動機器人具有更大的負載能力，其結構緊湊，傳動平穩(wěn)，但液體容易泄露，不宜在高溫或低溫場合作業(yè)。

3）電力驅動。電力驅動是利用電動機產(chǎn)生的力矩驅動執(zhí)行機構。目前，越來越多的機器人采用電力驅動方式，電力驅動易于控制，運動精度高，成本低。

4）新型驅動。伴隨著機器人技術的發(fā)展，出現(xiàn)了利用新的工作原理制造的新型驅動器，如靜電驅動器、壓電驅動器、形狀記憶合金驅動器、人工肌肉及光電驅動器。

1.3.2 工業(yè)機器人的基本組成及技術參數(shù)

1.工業(yè)機器人的外圍設備

所有不包括在工業(yè)機器人系統(tǒng)內的設備統(tǒng)稱為外圍設備，如工具、保護裝置、皮帶傳送裝置、傳感器等。

2.工業(yè)機器人系統(tǒng)

工業(yè)機器人系統(tǒng)把工業(yè)機器人本體、控制器、控制軟件和應用軟件與機器人外圍設備結合起來，應用于焊接、搬運、插裝、噴涂、機床上下料等工業(yè)自動化領域。

3.工業(yè)機器人的技術參數(shù)

雖然工業(yè)機器人的種類、用途不盡相同，但任一工業(yè)機器人都具有使其使用的作業(yè)范圍和要求。目前，工業(yè)機器人的主要技術參數(shù)有自由度、分辨率、定位精度、重復定位精度、作業(yè)范圍、運動速度和承載能力。

（1）自由度

自由度是指機器人所具有的獨立坐標軸運動的數(shù)目，不包括末端執(zhí)行器的開合自由度，如圖1-15和圖1-16所示。

一般情況下，機器人的一個自由度對應一個關節(jié)，所以自由度與關節(jié)的概念是等同的。自由度是表示機器人動作靈活程度的參數(shù)，自由度越多，機器人就越靈活，但結構也越復雜。一般機器人自由度為3~6個。

（2）分辨率

分辨率是指機器人每個關節(jié)所能實現(xiàn)的最小移動距離或最小轉動角度，工業(yè)機器人的分辨率分為編程分辨率和控制分辨率兩種。

（3）定位精度和重復定位精度

定位精度和重復定位精度是機器人的兩個精度指標。定位精度是指機器人末端執(zhí)行器的實際位置與目標位置之間的偏差，由機械誤差，控制算法與系統(tǒng)分辨率等部分組成。重復定位精度是指在同一環(huán)境、同一條件、同一目標動作、同一命令之下，機器人連續(xù)重復運動若干次，其位置的分散情況，是關于精度的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，如圖1-17所示。

（4）作業(yè)范圍

作業(yè)范圍是機器人運動時手臂末端或手腕中心所能到達的位置點的集合，也稱為機器人的工作區(qū)域。由于末端執(zhí)行器的形狀和尺寸是隨作業(yè)需求配置的，所以為真實反映機器人的特征參數(shù)，機器人作業(yè)范圍是指不安裝末端執(zhí)行器時的工作區(qū)域，如圖1-18所示。

（5）運動速度

運動速度影響機器人的工作效率和運動周期，它與機器人所提取的重力和位置精度均有密切關系。運動速度提高，機器人所承受的動載荷增大，必將承受加減速時較大的慣性力，從而影響機器人的工作平穩(wěn)性和位置精度。工業(yè)機器人的運動速度如圖1-19所示。

（6）承載能力

承載能力是指機器人在作業(yè)范圍內的任何位置上所能承受的最大重量。