【文章內(nèi)容簡介】 ，可在機座上安 ? 裝滾輪、軌道等行走機構，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可分為有軌的和無軌的兩種。驅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)行機構的各部件和驅動系統(tǒng)均安裝于機座上，故起支撐和連接的作用。 ? 驅動系統(tǒng)是驅動工業(yè)機械手執(zhí)行機構運動的動力裝置，通常由動力源、控制調節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅動系統(tǒng)有電傳動、液壓傳動、氣壓傳動和機械傳動。 表 11 常用驅動方式性能比較 驅動 指標 液壓 氣動 電動 功率 /質量比 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）驅動器的選擇： ? ①驅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，可采用液壓驅動器。 ? ②對于驅動器來說，最重要的是要求起動力矩大，調速范圍寬，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）驅動器的安裝 ? 底座安裝 —— 較大體積的驅動器。 ? 法蘭安裝 —— 中小型驅動器。 ? 卡箍安裝 —— 微小型驅動器。 ? 臨時安裝 —— 微小型驅動器。 （３）電動驅動 ? 電動驅動是利用各種電動機產(chǎn)生的力或力矩，直接或經(jīng)過減速機構去驅動機器人的關節(jié)，以獲得所要求的位置，速度和加速度。電動機驅動可分為普通交流電機驅動，交、直流伺服電動機驅動和步進電動機驅動。 ? 普通交、直流電機驅動需加減速裝置，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）步進電機驅動 ? 步進電機是一種將電脈沖信號轉換成相應的角位移或直線位移的數(shù)字 /模擬裝置。步進電機有回轉式步進電機和直線式步進電機，對于旋轉式步進電機而言，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動，且步進電機轉過的角度與輸入脈沖個數(shù)成嚴格比例關系，能方便地實現(xiàn)正、反轉控制及調速和定位。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”特性又和驅動器的性能好壞密切相關。 脈沖分配器是根據(jù)指令把脈沖信號按一定的邏輯關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、反轉。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)正反轉和啟、?？刂?，啟停時間短。 ? ③輸出轉角的精度高，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，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速直流電動機，盡量提高轉矩，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：啟動轉矩大，體積小，重量輕，轉速易控制，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）無刷伺服電動機驅動 ? 直流電動機在結構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，轉速低（通常低于 2023r/min），功率體積比不高等。將直流電動機的定子和轉子互換位置，形成無刷電動機。轉子由永磁鐵組成，定子繞有通電線圈，并安裝用于檢測轉子位置的霍爾元件、光碼盤或旋轉編碼器。無刷電動機的檢測元件檢測轉子的位置，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，就可以控制轉子的轉速：在轉子到達指定位置時，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，因而它有更高轉速?？朔箅娏髟跈C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，告訴運算芯片（如 DSP）和先進的控制理論，如矢量控制，直接轉矩控制等。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、諧波齒輪機構和滾珠絲杠等元件的質量較高，一般其摩擦力都很小，在驅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化為驅動信號，驅動伺服電動機，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節(jié)的運動是連續(xù)的，也可以是離散的，通過各個關節(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覺的研究尚處