【文章內(nèi)容簡介】 圖 26 六軸關(guān)節(jié)機器人的腕部結(jié)構(gòu) 湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)生畢業(yè)設(shè)計 9 機器人的腕部結(jié)構(gòu)常見有如下幾種結(jié)構(gòu) : 圖 27 RBR型機器人腕部結(jié)構(gòu) 圖 28 BBR型機器人腕部結(jié)構(gòu) 圖 29 3R型機器人腕部結(jié)構(gòu) 湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)生畢業(yè)設(shè)計 10 圖 2 圖 2 圖 25所說的 三種手腕部的結(jié)構(gòu)中 ,以第一種 (RBR 型 )結(jié) 構(gòu)應(yīng)用最為廣泛 ,它適應(yīng)于各種工作場合 ,后兩種結(jié)構(gòu)應(yīng)用范圍相對較窄 ,比如說 3R 型的手腕結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用在噴涂行業(yè)等 . 六軸關(guān)節(jié)機器人的研發(fā)設(shè)計及制造已經(jīng)有好幾十年的歷史了 ,整個工業(yè)機器人的研發(fā)制造體系較為完善 ,他們的技術(shù)相對來說比較成熟 ,他們在相互競爭中可以相互模仿、改善、不斷推陳出新 ,他們的技術(shù)對于國內(nèi)來說 ,近乎完美 .而國內(nèi)目前這個行業(yè)還處在黎明前的黑暗階段 ,雖然有不少公司有這個研發(fā)意圖 ,或者正在研發(fā)途中 ,不管怎么說 ,浮出水面公布自己正在研發(fā)或者研發(fā)成功的公司應(yīng)該說是極少數(shù) ,即使宣布自己研發(fā)成功 ,也只是初 步試驗成功 。 六軸關(guān)節(jié)機器人的腕部關(guān)節(jié)設(shè)計較為復(fù)雜 ,因為在腕部同時集成了三種運動 .小型的六軸關(guān)節(jié)機器人的腕部關(guān)節(jié)主要采用諧波減速器 .圖 210為常見的六軸關(guān)節(jié)機器人的腕部結(jié)構(gòu) 圖 。 圖 210 常見的六軸關(guān)節(jié)機器人的機械 減速 結(jié)構(gòu) 圖 210的腕部關(guān)節(jié)用到了兩個諧波減速器 ,兩個同步齒型帶傳動輸入 ,中間還用到了一對錐齒輪副傳動。 6軸型機械手的機械手坐標系 垂直 6 軸型的機械手在第 4關(guān)節(jié)、第 6關(guān) 節(jié)同軸的點上，即使將第 4 關(guān)節(jié)、第 6 關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn) 360度，也可以實現(xiàn)相同的位臵姿勢。 作為用于區(qū)別像這樣點的點屬性，有 J4Flag 和 J6Flag。指定 J4Flag 時，請記述斜杠（ /）和其后的 J4F0 （ 180J4 關(guān)節(jié)角度 =180）、或 J4F1（ J4 關(guān)節(jié)角度 = 180 或 80 J4 關(guān)節(jié)角度）。 湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)生畢業(yè)設(shè)計 11 指定 J6Flag 時，請記述斜杠（ /）和其后的 J6F0 （ 180J6 關(guān)節(jié)角度 =180）、或 J6F1 （ 360 J6 關(guān)節(jié)角度 = 180 或 180 J6 關(guān)節(jié)角度 = 360 ）、或 J6Fn 圖 211 垂直 6軸型機械手坐標系結(jié)構(gòu) 湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)生畢業(yè)設(shè)計 12 機器人的工作原理 機器人的工作原理 從最基本的層面來看，人體包括五個主要組成部分： 身體結(jié)構(gòu) 肌肉系統(tǒng)，用來移動身體結(jié)構(gòu) 感官系統(tǒng)，用來接收有關(guān)身體和周圍環(huán)境的信息 能量。 身體結(jié)構(gòu)。 肌肉系統(tǒng)，用來移動身體結(jié) 構(gòu)。 感官系統(tǒng)，用來接收有關(guān)身體和周圍環(huán)境的信息。 能量源，用來給肌肉和感官提供能量。 大腦系統(tǒng)，用來處理感官信息和指揮肌肉運動。 機器人的組成部分與人類極為類似。一個典型的機器人有一套可移動的身體結(jié)構(gòu)、一部類似于馬達的裝置、一套傳感系統(tǒng)、一個電源和一個用來控制所有這些要素的計算機“大腦”。從本質(zhì)上講，機器人是由人類制造的“動物”，它們是模仿人類和動物行為的機器。機器人是“能自動工作的機器”，它們有的功能比較簡單，有的就非常復(fù)雜，但必須具備以下三個特征： 身體 是一種物理狀態(tài)， 具有一定的形態(tài)，機器人的外形究竟是什么樣子，這取決于人們想讓它做什么樣的工作，其功能設(shè)定決定了機器人的大小、形狀、材質(zhì)和特征等等。 大腦 就是控制機器人的程序或指令組，當機器人接收到傳感器的信息后，能夠遵循人們編寫的程序指令，自動執(zhí)行并完成一系列的動作。控制程序主要取決于下面幾種因素：使用傳感器的類型和數(shù)量，傳感器的安裝位置，可能的外部激勵以及需要達到的活動效果。 動作 就是機器人的活動，有時即使它根本不動，這也是它的一種動作表現(xiàn)，任何機器人在程序的指令下要執(zhí)行某項工作，必定是靠動作來完成的。 簡單地說：機器人的原理就是模仿人的各種肢體動作、思維方式和控制決策能力。 不同類型的機器人其機械、電氣和控制結(jié)構(gòu)也不相同，通常情況下，一個機器人系統(tǒng)由三部分、六個子系統(tǒng)組成。這三部分是機械部分、傳感部分、控制部分；六個子系統(tǒng)是驅(qū)動系統(tǒng)、機械系統(tǒng)、感知系統(tǒng)、人機交互系統(tǒng)、機器人環(huán)境交互系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等。 機器人（ Robot）是自動執(zhí)行工作的機器裝置。它既可以接受人類指揮，又可以運行預(yù)先編排的程序，也可以根據(jù)以人工智能技術(shù)制定的原則綱領(lǐng)行動。它的任務(wù)是協(xié)助或取代人類工作的工作，例如生產(chǎn)業(yè)、建筑業(yè)， 或是危險的工作。 機器人系統(tǒng)實際上是一個典型的機電一體化系統(tǒng)，其工作原理為：控制系統(tǒng)發(fā)出動作指令，控制驅(qū)動器動作，驅(qū)動器帶動機械系統(tǒng)運動，使末端操作器到達空間某一位置和實現(xiàn)某一姿態(tài)，實施一定的作業(yè)任務(wù)。末端操作器在空間的實時位姿由感知系統(tǒng)反饋給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)把實際位姿與目標位姿相比較，發(fā)出下一個動作指令，如此循環(huán)，直到完成作業(yè)任務(wù)為止。 湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)生畢業(yè)設(shè)計 13 從技術(shù)上說，機器人可以認為是一種通用的機械平臺，就好像電腦是通用的計算設(shè)備，而計算器只能計算一樣。 機器人系統(tǒng)通過安裝具有通用性功能的感知設(shè)備（也就是 傳感器，如攝像頭，測距儀等等），通過處理，可以對各種場景（術(shù)語是非機構(gòu)化的，也就是說不是特意搭出來的簡單實驗環(huán)境）進行識別；在此基礎(chǔ)上，利用認知技術(shù)，可以對場景進行理解，比如通過攝像機判斷哪些是人，哪些是茶杯（當然，這些技術(shù)實際上是屬于圖像識別的研究范疇，但機器人是集成學(xué)科，各個學(xué)科的成果都要拿來用）；通過對場景的理解，機器人使用通用性的機構(gòu)（比如仿人手的機械手，這種東西工業(yè)上不用的，因為無論干那個具體工作，都可以有針對性的執(zhí)行器使用，但機器人更多考慮的是通用性，就是不應(yīng)定最適合某一個工作，但要能很多工作都 可以干），去完成指令。 如果再往一個低一些的層面說，就是機器人內(nèi)部有臺計算機，通過讀取各個傳感器的信息，做出判斷，并且調(diào)用電機實現(xiàn)相關(guān)的動作。 值得說明的一點是，機器人是集成學(xué)科，具體的某一個技術(shù)基本上都有學(xué)科單獨研究，機器人研究的是如何把很多已有的功能拼起來。所以不要對機器人有什么幻想性的東西，他里面每個單獨的部分，拿出來都有其他產(chǎn)品的。 另外你可能很疑惑的是人工智能，其實這個領(lǐng)域，電腦游戲行業(yè)做得比機器人行業(yè)還高級，除了最頂尖的機器人，其他的和游戲里面的 AI 水平差不多的。 工業(yè)機 器人專門用來在受控環(huán)境下反復(fù)執(zhí)行完全相同的工作。例如，某部機器人可能會負責(zé)給裝配線上傳送的花生醬罐子擰上蓋子。為了教機器人如何做這項工作，程序員會用一只手持控制器來引導(dǎo)機器臂完成整套動作。機器人將動作序列準確地存儲在內(nèi)存中，此后每當裝配線上有新的罐子傳送過來時，它就會反復(fù)地做這套動作。 人類手臂的作用是將手移動到不同的位置。類似地，機器臂的作用則是移動末端執(zhí)行器。您可以在機器臂上安裝適用于特定應(yīng)用場景的各種末端執(zhí)行器。有一種常見的末端執(zhí)行器能抓握并移動不同的物品，它是人手的簡化版本。機器手往往有內(nèi)置的 壓力傳感器，用來將機器人抓握某一特定物體時的力度告訴計算機。這使機器人手中的物體不致掉落或被擠破。其他末端執(zhí)行器還包括噴燈、鉆頭和噴漆器。 大多數(shù)工業(yè)機器人在汽車裝配線上工作，負責(zé)組裝汽車。在進行大量的此類工作時，機器人的效率比人類高得多，因為它們非常精確。無論它們已經(jīng)工作了多少小時，它們?nèi)阅茉谙嗤奈恢勉@孔，用相同的力度擰螺釘。制造類機器人在計算機產(chǎn)業(yè)中也發(fā)揮著十分重要的作用。它們無比精確的巧手可以將一塊極小的微型芯片組裝起來。 湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)生畢業(yè)設(shè)計 14 機器人的裝配 裝配機器人是柔性自動化裝配系統(tǒng)的核心設(shè)備，由機器人操作機、控制器、末端執(zhí)行器和傳感系統(tǒng)組成。其中操作機的結(jié)構(gòu)類型有水平關(guān)節(jié)型、直角坐標型、多關(guān)節(jié)型和圓柱坐標型等；控制器一般采用多 CPU 或多級計算機系統(tǒng)，實現(xiàn)運動控制和運動編程；末端執(zhí)行器為適應(yīng)不同的裝配對象而設(shè)計成各種手爪和手腕等；傳感系統(tǒng)又來獲取裝配機器人與環(huán)境和裝配對象之間相互作用的信息。 愛普生機器人在裝配的工藝與流程方面不斷的做了改進如圖 212 所示： 圖 212 愛普生機器人的裝配發(fā)展 裝配機器人是柔性自動化裝配系統(tǒng)的核心設(shè)備，由機器人操作機、控制器、末端執(zhí)行器和傳感系統(tǒng)組成。其中操作機的結(jié)構(gòu)類型有水平關(guān)節(jié)型、直角坐標型、多關(guān)節(jié)型和圓柱坐標型等；控制器一般采用多 CPU 或多級計算機系統(tǒng)，實現(xiàn)運動控制和運動編程；末端執(zhí)行器為適應(yīng)不同的裝配對象而設(shè)計成各種手爪和手腕等；傳感系統(tǒng)又來獲取裝配機器人與環(huán)境和裝配對象之間相互作用的信息。常用的裝配機器人主要有可編程通用裝配操作手 即 PUMA 機器人（最早出現(xiàn)于 1978年，工業(yè)機器人的祖始）和平面雙關(guān)節(jié)型機器人 即機器人兩種類型。與一般工業(yè)機器人相 比，裝配機器人具有精度高、柔順性好、工作范圍小、能與其他系統(tǒng)配套使用等特點，主要用于各種電器的制造行業(yè)。 機器人大量的裝配作業(yè)是垂直向下的 ,它要求手爪的水平 (X， Y)移動有較大的柔順性，以補償位置誤差。而垂直 (Z)移動以及繞水平軸轉(zhuǎn)動則有較大的剛性 ,以便準確有力地裝配。另外還要求繞 Z 軸轉(zhuǎn)動有較大的柔順性，以便于鍵或花鍵配合。日本山梨大學(xué)研制出 SCARA 機器人 ,它的結(jié)構(gòu)特點滿足了上述要求，其 湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)生畢業(yè)設(shè)計 15 控制系統(tǒng)也比較簡單 ,如 SR3000 機器人采用微處理機對 θ 1,θ 2,Z 三軸（直流伺服電機）實現(xiàn)半閉環(huán)控制， 對 s 軸（步進電機）進行開環(huán)控制。編程語言采用與 BASIC 相近的 SERF。最新版本 Level4 具有坐標變換、直線和圓弧插補、任意速度設(shè)定、以文字命名的子程序以及檢錯等功能。 SCARA 機器人是目前應(yīng)用較多的類型之一。 機器人一般 采用多層線路板， 32 位高性能的 CPU 和超大規(guī)?？删幊唐骷? RC+，系統(tǒng)的整個工藝采用表貼元器件，從而使整套系統(tǒng)更為緊湊； 采用自主研發(fā)的 AFDX05 運動控制芯片，多達 20級的運動指令緩沖區(qū)，特別適合高速小線段加工； 6 軸聯(lián)動，可擴展到 24軸； 執(zhí)行 ISO 國際標準 G 代碼； 32 路輸入， 32路輸出接口； 全光耦隔離，抗干擾性強，運行穩(wěn)定； 可通過鍵盤或示教盒對機械手進行操作； 在示教編程的基礎(chǔ)上，指揮六個步進 /伺服電機完成指定的動作； 系統(tǒng)界面簡潔大方，提供豐富的顯示及監(jiān)控信息，機械手的當前狀態(tài)信息、 I/O 信息、軸的速度、位置都可實時查詢和監(jiān)控； 機械手各軸參數(shù)可設(shè)置，更好大限度的提高機械手的整機性能； 示教編程過程支持絕對位置、相對位置、延時、等待任意 IO 口輸入信號、控制任意 IO口輸出信號、程序段循環(huán)調(diào)用等等。 下面介紹愛普生機械手一些裝配流程示范，如圖 213 所示 : 圖 213 機器人裝配流程圖 裝配機器人的大量作業(yè)是軸與孔的裝配，為了在軸與孔存在誤差的情況下進行裝配，應(yīng)使機器人具有柔順性。主動柔順性是根據(jù)傳感器反饋的信息而從動柔順心則利用不帶動力的機構(gòu)來控制手爪的運動以補償其位置誤差。例如美國 湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)生畢業(yè)設(shè)計 16 Draper 實驗室研制的遠心柔順裝置 RCC(Remote Center Compliance device)（圖3） ,一部分允許軸作側(cè)向移動而不轉(zhuǎn)動 ,另一部分允許軸繞遠心（通常位于離手爪最遠的軸端）轉(zhuǎn)動而不移動，分別補償側(cè)向誤差和角度誤差，實現(xiàn)軸孔裝配。 愛普生機器人與控制器之間的裝配示意圖： PLC 系統(tǒng) 以可編程控制器為基礎(chǔ)來構(gòu)筑系統(tǒng)如圖 214 所示： 圖 214 PLC 與 RC180的控制系統(tǒng) RB 控制器系統(tǒng) 僅用機器人控制器來構(gòu)筑系統(tǒng)如圖 215 所示： 湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)生畢業(yè)設(shè)計 17