【文章內(nèi)容簡介】 用范圍時，可在機座上安 ? 裝滾輪、軌道等行走機構(gòu)，以實現(xiàn)工業(yè)機械手的整機運動。滾滾輪輪式式布行走機構(gòu)可分為有軌的和無軌的兩種。驅(qū)動滾輪運動則應另外增設機械傳動裝置。 （ 6）機座 ? 機座是機械手的基礎部分，機械手執(zhí)行機構(gòu)的各部件和驅(qū)動系統(tǒng)均安裝于機座上，故起支撐和連接的作用。 ? 驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動工業(yè)機械手執(zhí)行機構(gòu)運動的動力裝置，通常由動力源、控制調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅(qū)動系統(tǒng)有電傳動、液壓傳動、氣壓傳動和機械傳動。 表 11 常用驅(qū)動方式性能比較 驅(qū)動 指標 液壓 氣動 電動 功率 /質(zhì)量比 大 小 較大 綜合功率 2030% 10% 6070% 控制性能 精度較高 反應靈敏 精度較低 低速不易控制 精度高 系統(tǒng)較復雜 維護與應用 方便，對油溫要求高 方便，對氣壓要求高 方便 對環(huán)境影響 漏油 噪聲 基本沒有 投資 /運行成本 較高 /高 低 /低 高 /較低 應用范圍 低速、重型 快速、小型 通用 （１）驅(qū)動器的選擇： ? ①驅(qū)動器的選擇應以作業(yè)要求、生產(chǎn)環(huán)境為先決條件，以價格高低、技術(shù)水平為評價標準。 ? 一般說來，目前負荷為 100 kg以下的 ,可優(yōu)先考慮電動驅(qū)動器，并根據(jù)機器人的用途選擇合適的電機。 ? 只須點位控制且功率較小者，或有防暴、清潔等特殊要求者，可采用氣動驅(qū)動器。 ? 負荷較大或機器人周圍已有液壓源的場合，可采用液壓驅(qū)動器。 ? ②對于驅(qū)動器來說，最重要的是要求起動力矩大，調(diào)速范圍寬，慣量小，尺寸小，同時還要有性能好的、與之配套的數(shù)字控制系統(tǒng)。 （２）驅(qū)動器的安裝 ? 底座安裝 —— 較大體積的驅(qū)動器。 ? 法蘭安裝 —— 中小型驅(qū)動器。 ? 卡箍安裝 —— 微小型驅(qū)動器。 ? 臨時安裝 —— 微小型驅(qū)動器。 （３）電動驅(qū)動 ? 電動驅(qū)動是利用各種電動機產(chǎn)生的力或力矩，直接或經(jīng)過減速機構(gòu)去驅(qū)動機器人的關(guān)節(jié)，以獲得所要求的位置，速度和加速度。電動機驅(qū)動可分為普通交流電機驅(qū)動，交、直流伺服電動機驅(qū)動和步進電動機驅(qū)動。 ? 普通交、直流電機驅(qū)動需加減速裝置，輸出力矩大，但控制性能差，慣性大，適用于中型或重型機器人。 ? 伺服電動機和步進電動機輸出力矩相對小，控制性能好，可實現(xiàn)速度和位置的精確控制，適用于中小型機器人。 ? 交、直流伺服電動機一般用于閉環(huán)控制系統(tǒng)，而步進電機主要用于開環(huán)控制系統(tǒng)，一般用于速度和位置精度要求不高的場合。 1）步進電機驅(qū)動 ? 步進電機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應的角位移或直線位移的數(shù)字 /模擬裝置。步進電機有回轉(zhuǎn)式步進電機和直線式步進電機，對于旋轉(zhuǎn)式步進電機而言，每當輸入一個電脈沖后，步進電機輸出軸就轉(zhuǎn)動一定角度，如果不斷地輸入電脈沖信號，步進電機就一步步地轉(zhuǎn)動，且步進電機轉(zhuǎn)過的角度與輸入脈沖個數(shù)成嚴格比例關(guān)系，能方便地實現(xiàn)正、反轉(zhuǎn)控制及調(diào)速和定位。步進電機不同于通用的直流和交流電動機，它必須與驅(qū)動器和直流電源組成系統(tǒng)才能工作，通常我們所說的步進電機，一般是指步進電機和驅(qū)動器的成套裝置，步進電機的性能在很大程度取決于“矩 — 頻”特性，而“矩 — 頻”特性又和驅(qū)動器的性能好壞密切相關(guān)。 脈沖分配器是根據(jù)指令把脈沖信號按一定的邏輯關(guān)系加到功率放大器上，使各相繞組按一定的順序和時間導通和切斷，并根據(jù)指令使電機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)。實現(xiàn)確定的運行方式。 ? 特點： ? ① 輸出角與輸入脈沖嚴格成比例，且在時間上同步。步進電機的步距角不受各種干涉因素，如電壓的大小，電流的數(shù)值，波形等影響，轉(zhuǎn)子的速度主要取決于脈沖信號的頻率，總的位移量則取決于總脈沖數(shù)。 ? ②容易實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)和啟、?？刂?，啟停時間短。 ? ③輸出轉(zhuǎn)角的精度高，無積累誤差。步進電機世紀步距角與理論步距角總有一定的誤差，且誤差可以累加，但當步進電機轉(zhuǎn)過一周后，總的誤差又回到零。 ? ④直接用數(shù)字信號控制，與計算機接口方便。 ? ⑤維修方便，壽命長。 2）直流伺服電機驅(qū)動 ? 在 20 世紀 80年代以前，機器人廣泛采用永磁式直流伺服電動機作為執(zhí)行機構(gòu)，近年來，直流伺服電機受到無刷電動機的挑戰(zhàn)和沖擊，但在中小功率的系統(tǒng)中，永磁式直流伺服電動機還是常常使用的。 ? 20世紀 70年代研制了大慣量寬調(diào)速直流電動機，盡量提高轉(zhuǎn)矩，改善動態(tài)特性，既具有一般直流伺服電動機的優(yōu)點，又具有小慣量直流伺服動機的快速響應性能，易與大慣量負載匹配，能較好地滿足伺服驅(qū)動的要求，因而在高精度數(shù)控機床和工業(yè)機器人等機電一體化產(chǎn)品中得到了廣泛應用。 ? 優(yōu)點：啟動轉(zhuǎn)矩大，體積小，重量輕，轉(zhuǎn)速易控制，效率高。 ? 缺點：有電刷和換向器，需要定期維修、更換電刷，電動機使用壽命短、噪聲大。 3）無刷伺服電動機驅(qū)動 ? 直流電動機在結(jié)構(gòu)上存在機械換向器和電刷，使它具有一些難以克服的固有缺點，如維護困難，壽命短，轉(zhuǎn)速低（通常低于 2022r/min），功率體積比不高等。將直流電動機的定子和轉(zhuǎn)子互換位置，形成無刷電動機。轉(zhuǎn)子由永磁鐵組成，定子繞有通電線圈，并安裝用于檢測轉(zhuǎn)子位置的霍爾元件、光碼盤或旋轉(zhuǎn)編碼器。無刷電動機的檢測元件檢測轉(zhuǎn)子的位置，決定電流的換向。 ? 無刷直流電動機在運行過程中要進行轉(zhuǎn)速和換向兩種控制，控制提供給定子線圈的電流，就可以控制轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速：在轉(zhuǎn)子到達指定位置時，霍爾元件檢測到該位置并改變定子導通相，實現(xiàn)定子磁場改變，從而實現(xiàn)無接觸換向。同直流電動機相比，無刷電動機具有以下優(yōu)點： ? 無刷電動機沒有電刷，不需要定期維護，可靠性更高。沒有機械換向裝置，因而它有更高轉(zhuǎn)速。克服大電流在機械式換向器換向時易產(chǎn)生火花，電蝕，因而可以制造更大容量的電動機。 ? 無刷直流電動機迅速推廣應用的重要因素之一是近 10多年來大功率集成電路的技術(shù)進步，特別是無刷直流電機專用的控制集成電路出現(xiàn)，緩解了良好控制性能和昂貴成本的矛盾。 ? 近年來，在機器人中，交流伺服電電機正在取代傳統(tǒng)的直流伺服電動機。 ? 交流伺服電電機的發(fā)展速度取決于 PWM控制技術(shù)，告訴運算芯片（如 DSP）和先進的控制理論，如矢量控制，直接轉(zhuǎn)矩控制等。電機控制系統(tǒng)通過引入微處理芯片實現(xiàn)模擬控制向數(shù)字控制的轉(zhuǎn)變，數(shù)字控制系統(tǒng)促進了各種現(xiàn)代控制理論的應用，非線性解耦控制，人工神經(jīng)網(wǎng)絡，自適應控制、模糊控制等控制策略紛紛引入電機控制中，由于微處理器的處理速度和存儲容量都有大幅度的提高，一些復雜的算法也能實現(xiàn)，原來由硬件實現(xiàn)的任務在通過算法實現(xiàn)，不僅提高了可靠度，還降低了成本。 4）制動器 ? 許多機器人的機械臂都需要愛各關(guān)節(jié)處安裝制動器，其作用是：在機器人停止工作時，保持機械臂的位置不變，在電源發(fā)生故障時，保護機械臂和它周圍的物體不發(fā)生碰撞。 ? 例如，齒輪、諧波齒輪機構(gòu)和滾珠絲杠等元件的質(zhì)量較高，一般其摩擦力都很小，在驅(qū)動器停止工作的時候，它們是不能承受負載的。如果不采用如制動器、加緊器或止擋等裝置，一旦電源關(guān)閉，機器人的各個部件就會在重力的作用下滑落。 ? 制動器通常是按失效抱閘方式工作的，即要放松制動器就必須接通電源，否則，各關(guān)節(jié)不能產(chǎn)生相對運動。它的主要目的是在電源出現(xiàn)故障時起保護作用。其缺點是在工作期間要不斷花費電力使制動器放松。 ? 為了使關(guān)節(jié)定位準確，制動器必須有足夠的定位精度，制動器應當盡可能地放在系統(tǒng)的驅(qū)動輸入端，這樣利用傳動鏈速比，能夠減小制動器的輕微滑動所引起的系統(tǒng)移動，保證了在承載條件下具有較多的定位精度。 圖 112 機器人控制系統(tǒng) ? 機器人控制系統(tǒng)包括控制柜（電源模塊、中央處理器 CPU、接口模塊、數(shù)字量模塊、模擬量模塊、位置控制模塊、通信模塊等）、伺服系統(tǒng)（伺服電機、伺服電機驅(qū)動器、編碼器）、示教器、 PC機、人機交互設備（觸摸屏等）、現(xiàn)場數(shù)字量輸出設備及安防系統(tǒng)。如圖 112所示。 ? 工業(yè)機器人的控制器在要求完成特定作業(yè)時，需要做下述幾件事： ? 示教：通過計算機來接受機器人將要去完成什么作業(yè)。也就是給機器人的作業(yè)命令，這個命令實質(zhì)上是人發(fā)出的。 ? 計算：這一部分實際上就是機器人控制系統(tǒng)中的計算機來完成的，它通過獲得的示教信息要形成一個控制策略，然后再根據(jù)這個策略（也稱之為作業(yè)軌跡的規(guī)劃）細化成各軸的伺服運動的控制的策略。同時計算機還要擔負起對整個機器人系統(tǒng)的管理，采集并處理各種信息。因此，這一部分是非常重要的核心部分。 ? 伺服驅(qū)動：就是通過機器人控制器的不同的控制算法將機器人控制策略轉(zhuǎn)化為驅(qū)動信號，驅(qū)動伺服電動機，實現(xiàn)機器人的高速、高精度運動，去完成指定的作業(yè)。 ? 反饋：機器人控制中的傳感器對機器人完成作業(yè)過程中的運動狀態(tài)、位置、姿態(tài)進行實時地反饋，把這些信息反饋給控制計算機，使控制計算機實時監(jiān)控整個系統(tǒng)的運行情況，及時做出各種決策。 圖 113 機器人控制基本原理圖 ? 控制系統(tǒng)可以有四種不同分類方法：按控制運動方式、控制系統(tǒng)信號類型、控制機器人的數(shù)目以及人機的相互關(guān)系等分類。 ? （ 1）、按控制運動方式進行分類可分為程序控制系統(tǒng)、自適應控制系統(tǒng)和組合控制系統(tǒng)。 ? 程序控制系統(tǒng)：絕大多數(shù)商品機器人是屬于這種控制系統(tǒng)，主要用于搬運、裝配、點焊等點位控制，以及弧焊、噴涂機器人的輪廓控制。 ? 程序控制可以使各關(guān)節(jié)的運動是連續(xù)的，也可以是離散的，通過各個關(guān)節(jié)的連續(xù)運動的合成，實現(xiàn)輪廓控制，也可用點位控制，用不連續(xù)的點位實現(xiàn)連續(xù)輪廓控制。 ? 自適應控制系統(tǒng)：自適應是根據(jù)環(huán)境的變化，不斷地給出后續(xù)運動軌跡的控制。環(huán)境的變化是通過傳感器來感知，也就是根據(jù)檢測到的信息來決策。這個決策是控制系統(tǒng)中的核心問題。要有很復雜的計算方法。對環(huán)境的感知是實時的，要求是高精度和高速度的運算處理。硬件邏輯復雜。 ? 這一類控制系統(tǒng)也是以程序控制為基礎，僅是根據(jù)外界環(huán)境的變化來及時修改原有的程序。目前對于這一類智能機器人的各種感