【文章內(nèi)容簡介】 ，可在機(jī)座上安 ? 裝滾輪、軌道等行走機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)械手的整機(jī)運(yùn)動(dòng)。滾滾輪輪式式布行走機(jī)構(gòu)可分為有軌的和無軌的兩種。驅(qū)動(dòng)滾輪運(yùn)動(dòng)則應(yīng)另外增設(shè)機(jī)械傳動(dòng)裝置。 （ 6）機(jī)座 ? 機(jī)座是機(jī)械手的基礎(chǔ)部分，機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各部件和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)均安裝于機(jī)座上，故起支撐和連接的作用。 ? 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)工業(yè)機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力裝置，通常由動(dòng)力源、控制調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有電傳動(dòng)、液壓傳動(dòng)、氣壓傳動(dòng)和機(jī)械傳動(dòng)。 表 11 常用驅(qū)動(dòng)方式性能比較 驅(qū)動(dòng) 指標(biāo) 液壓 氣動(dòng) 電動(dòng) 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(yīng)靈敏 精度較低 低速不易控制 精度高 系統(tǒng)較復(fù)雜 維護(hù)與應(yīng)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(yùn)行成本 較高 /高 低 /低 高 /較低 應(yīng)用范圍 低速、重型 快速、小型 通用 （１）驅(qū)動(dòng)器的選擇： ? ①驅(qū)動(dòng)器的選擇應(yīng)以作業(yè)要求、生產(chǎn)環(huán)境為先決條件，以價(jià)格高低、技術(shù)水平為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。 ? 一般說來，目前負(fù)荷為 100 kg以下的 ,可優(yōu)先考慮電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器，并根據(jù)機(jī)器人的用途選擇合適的電機(jī)。 ? 只須點(diǎn)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(dòng)驅(qū)動(dòng)器。 ? 負(fù)荷較大或機(jī)器人周圍已有液壓源的場合，可采用液壓驅(qū)動(dòng)器。 ? ②對于驅(qū)動(dòng)器來說，最重要的是要求起動(dòng)力矩大，調(diào)速范圍寬，慣量小，尺寸小，同時(shí)還要有性能好的、與之配套的數(shù)字控制系統(tǒng)。 （２）驅(qū)動(dòng)器的安裝 ? 底座安裝 —— 較大體積的驅(qū)動(dòng)器。 ? 法蘭安裝 —— 中小型驅(qū)動(dòng)器。 ? 卡箍安裝 —— 微小型驅(qū)動(dòng)器。 ? 臨時(shí)安裝 —— 微小型驅(qū)動(dòng)器。 （３）電動(dòng)驅(qū)動(dòng) ? 電動(dòng)驅(qū)動(dòng)是利用各種電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的力或力矩，直接或經(jīng)過減速機(jī)構(gòu)去驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的關(guān)節(jié)，以獲得所要求的位置，速度和加速度。電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)可分為普通交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，交、直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。 ? 普通交、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jī)器人。 ? 伺服電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸出力矩相對小，控制性能好，可實(shí)現(xiàn)速度和位置的精確控制，適用于中小型機(jī)器人。 ? 交、直流伺服電動(dòng)機(jī)一般用于閉環(huán)控制系統(tǒng)，而步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng) ? 步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或直線位移的數(shù)字 /模擬裝置。步進(jìn)電機(jī)有回轉(zhuǎn)式步進(jìn)電機(jī)和直線式步進(jìn)電機(jī)，對于旋轉(zhuǎn)式步進(jìn)電機(jī)而言，每當(dāng)輸入一個(gè)電脈沖后，步進(jìn)電機(jī)輸出軸就轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，如果不斷地輸入電脈沖信號，步進(jìn)電機(jī)就一步步地轉(zhuǎn)動(dòng)，且步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過的角度與輸入脈沖個(gè)數(shù)成嚴(yán)格比例關(guān)系，能方便地實(shí)現(xiàn)正、反轉(zhuǎn)控制及調(diào)速和定位。步進(jìn)電機(jī)不同于通用的直流和交流電動(dòng)機(jī)，它必須與驅(qū)動(dòng)器和直流電源組成系統(tǒng)才能工作，通常我們所說的步進(jìn)電機(jī)，一般是指步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器的成套裝置，步進(jìn)電機(jī)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(dòng)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(shí)間導(dǎo)通和切斷，并根據(jù)指令使電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)。實(shí)現(xiàn)確定的運(yùn)行方式。 ? 特點(diǎn)： ? ① 輸出角與輸入脈沖嚴(yán)格成比例，且在時(shí)間上同步。步進(jìn)電機(jī)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(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)和啟、?？刂疲瑔⑼r(shí)間短。 ? ③輸出轉(zhuǎn)角的精度高，無積累誤差。步進(jìn)電機(jī)世紀(jì)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(dāng)步進(jìn)電機(jī)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(jì)算機(jī)接口方便。 ? ⑤維修方便，壽命長。 2）直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng) ? 在 20 世紀(jì) 80年代以前，機(jī)器人廣泛采用永磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，近年來，直流伺服電機(jī)受到無刷電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)還是常常使用的。 ? 20世紀(jì) 70年代研制了大慣量寬調(diào)速直流電動(dòng)機(jī)，盡量提高轉(zhuǎn)矩，改善動(dòng)態(tài)特性，既具有一般直流伺服電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，又具有小慣量直流伺服動(dòng)機(jī)的快速響應(yīng)性能，易與大慣量負(fù)載匹配，能較好地滿足伺服驅(qū)動(dòng)的要求，因而在高精度數(shù)控機(jī)床和工業(yè)機(jī)器人等機(jī)電一體化產(chǎn)品中得到了廣泛應(yīng)用。 ? 優(yōu)點(diǎn)：啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，體積小，重量輕，轉(zhuǎn)速易控制，效率高。 ? 缺點(diǎn)：有電刷和換向器，需要定期維修、更換電刷，電動(dòng)機(jī)使用壽命短、噪聲大。 3）無刷伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng) ? 直流電動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)上存在機(jī)械換向器和電刷，使它具有一些難以克服的固有缺點(diǎn)，如維護(hù)困難，壽命短，轉(zhuǎn)速低（通常低于 2023r/min），功率體積比不高等。將直流電動(dòng)機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子互換位置，形成無刷電動(dòng)機(jī)。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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)在運(yùn)行過程中要進(jìn)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(dá)指定位置時(shí)，霍爾元件檢測到該位置并改變定子導(dǎo)通相，實(shí)現(xiàn)定子磁場改變，從而實(shí)現(xiàn)無接觸換向。同直流電動(dòng)機(jī)相比，無刷電動(dòng)機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)： ? 無刷電動(dòng)機(jī)沒有電刷，不需要定期維護(hù)，可靠性更高。沒有機(jī)械換向裝置，因而它有更高轉(zhuǎn)速?？朔箅娏髟跈C(jī)械式換向器換向時(shí)易產(chǎn)生火花，電蝕，因而可以制造更大容量的電動(dòng)機(jī)。 ? 無刷直流電動(dòng)機(jī)迅速推廣應(yīng)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(jìn)步，特別是無刷直流電機(jī)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(jī)器人中，交流伺服電電機(jī)正在取代傳統(tǒng)的直流伺服電動(dòng)機(jī)。 ? 交流伺服電電機(jī)的發(fā)展速度取決于 PWM控制技術(shù)，告訴運(yùn)算芯片（如 DSP）和先進(jìn)的控制理論，如矢量控制，直接轉(zhuǎn)矩控制等。電機(jī)控制系統(tǒng)通過引入微處理芯片實(shí)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(jìn)了各種現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用，非線性解耦控制，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，自適應(yīng)控制、模糊控制等控制策略紛紛引入電機(jī)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(fù)雜的算法也能實(shí)現(xiàn)，原來由硬件實(shí)現(xiàn)的任務(wù)在通過算法實(shí)現(xiàn)，不僅提高了可靠度，還降低了成本。 4）制動(dòng)器 ? 許多機(jī)器人的機(jī)械臂都需要愛各關(guān)節(jié)處安裝制動(dòng)器，其作用是：在機(jī)器人停止工作時(shí)，保持機(jī)械臂的位置不變，在電源發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)機(jī)械臂和它周圍的物體不發(fā)生碰撞。 ? 例如，齒輪、諧波齒輪機(jī)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(dòng)器停止工作的時(shí)候，它們是不能承受負(fù)載的。如果不采用如制動(dòng)器、加緊器或止擋等裝置，一旦電源關(guān)閉，機(jī)器人的各個(gè)部件就會在重力的作用下滑落。 ? 制動(dòng)器通常是按失效抱閘方式工作的，即要放松制動(dòng)器就必須接通電源，否則，各關(guān)節(jié)不能產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)。它的主要目的是在電源出現(xiàn)故障時(shí)起保護(hù)作用。其缺點(diǎn)是在工作期間要不斷花費(fèi)電力使制動(dòng)器放松。 ? 為了使關(guān)節(jié)定位準(zhǔn)確，制動(dòng)器必須有足夠的定位精度，制動(dòng)器應(yīng)當(dāng)盡可能地放在系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)輸入端，這樣利用傳動(dòng)鏈速比，能夠減小制動(dòng)器的輕微滑動(dòng)所引起的系統(tǒng)移動(dòng)，保證了在承載條件下具有較多的定位精度。 圖 112 機(jī)器人控制系統(tǒng) ? 機(jī)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(jī)、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、編碼器）、示教器、 PC機(jī)、人機(jī)交互設(shè)備（觸摸屏等）、現(xiàn)場數(shù)字量輸出設(shè)備及安防系統(tǒng)。如圖 112所示。 ? 工業(yè)機(jī)器人的控制器在要求完成特定作業(yè)時(shí)，需要做下述幾件事： ? 示教：通過計(jì)算機(jī)來接受機(jī)器人將要去完成什么作業(yè)。也就是給機(jī)器人的作業(yè)命令，這個(gè)命令實(shí)質(zhì)上是人發(fā)出的。 ? 計(jì)算：這一部分實(shí)際上就是機(jī)器人控制系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)來完成的，它通過獲得的示教信息要形成一個(gè)控制策略，然后再根據(jù)這個(gè)策略（也稱之為作業(yè)軌跡的規(guī)劃）細(xì)化成各軸的伺服運(yùn)動(dòng)的控制的策略。同時(shí)計(jì)算機(jī)還要擔(dān)負(fù)起對整個(gè)機(jī)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(dòng)：就是通過機(jī)器人控制器的不同的控制算法將機(jī)器人控制策略轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)信號，驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的高速、高精度運(yùn)動(dòng)，去完成指定的作業(yè)。 ? 反饋：機(jī)器人控制中的傳感器對機(jī)器人完成作業(yè)過程中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、位置、姿態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)地反饋，把這些信息反饋給控制計(jì)算機(jī)，使控制計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況，及時(shí)做出各種決策。 圖 113 機(jī)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(yùn)動(dòng)方式、控制系統(tǒng)信號類型、控制機(jī)器人的數(shù)目以及人機(jī)的相互關(guān)系等分類。 ? （ 1）、按控制運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行分類可分為程序控制系統(tǒng)、自適應(yīng)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(jī)器人是屬于這種控制系統(tǒng)，主要用于搬運(yùn)、裝配、點(diǎn)焊等點(diǎn)位控制，以及弧焊、噴涂機(jī)器人的輪廓控制。 ? 程序控制可以使各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)是連續(xù)的，也可以是離散的，通過各個(gè)關(guān)節(jié)的連續(xù)運(yùn)動(dòng)的合成，實(shí)現(xiàn)輪廓控制，也可用點(diǎn)位控制，用不連續(xù)的點(diǎn)位實(shí)現(xiàn)連續(xù)輪廓控制。 ? 自適應(yīng)控制系統(tǒng)：自適應(yīng)是根據(jù)環(huán)境的變化，不斷地給出后續(xù)運(yùn)動(dòng)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(gè)決策是控制系統(tǒng)中的核心問題。要有很復(fù)雜的計(jì)算方法。對環(huán)境的感知是實(shí)時(shí)的，要求是高精度和高速度的運(yùn)算處理。硬件邏輯復(fù)雜。 ? 這一類控制系統(tǒng)也是以程序控制為基礎(chǔ)，僅是根據(jù)外界環(huán)境的變化來及時(shí)修改原有的程序。目前對于這一類智能機(jī)器人的各種感覺的研究尚處