【视频】一文搞懂工业机器人的内部机构

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【视频】一文搞懂工业机器人的内部机构

CCAI2019

2018-08-04 09:29:24

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德国KUKA工业机器人的主要内部结构

一、驱动装置

要使机器人运作，必须为各个关节安装传动装置，提供各部位、各关节动作的原动力。驱动系统可以是液压、气动或电动传动，也可以是结合这些方式的综合系统，还可以通过同步带、链条、轮系、谐波齿轮等机械传动机构间接驱动。

1. 电动驱动装置

电动驱动装置的优点包括能源简单、速度变化范围大、效率高，但通常需要与减速装置配合使用。电动驱动装置可以分为直流伺服电机、无刷直流电机和步进电机驱动。直流伺服电机容易磨损并产生火花，而无刷直流电机应用越来越广泛。步进电机驱动多为开环控制，适用于低精度小功率的机器人系统。

在电动驱动装置上电运行前，需要进行以下检查： 1. 确认电源电压是否合适，防止过压损坏驱动模块。 2. 控制信号线要接牢靠，最好考虑屏蔽问题。 3. 开始时只连接最基本的系统，运行良好后再逐步增加其他部件。 4. 注意接地方法，避免短路。 5. 开始运行的半小时内要密切观察电机状态，如运动是否正常、声音和温升情况，发现问题立即停机调整。

2. 液压驱动

液压驱动通过高精度的缸体和活塞实现直线运动。其优点在于功率大、结构紧凑、响应快，适合特大功率的机器人系统。缺点包括需要增设液压源、易产生泄漏、不适合高温和低温环境。

选择合适的液压油，防止固体杂质混入液压系统，保持适宜的油温，液压系统的工作温度一般控制在30～80℃之间。

3. 气压驱动

气压驱动的结构简单、清洁、动作灵敏，但功率较小、刚度差、噪音大、速度不易控制，多用于精度不高的点位控制机器人。控制装置多数选用可编程控制器(PLC控制器)，在易燃易爆场合可采用气动逻辑元件组成控制装置。

二、直线传动机构

直线传动方式常用于直角坐标机器人的X、Y、Z向驱动，圆柱坐标结构的径向驱动和垂直升降驱动，以及球坐标结构的径向伸缩驱动。直线运动可以通过齿轮齿条、丝杠螺母等传动元件将旋转运动转换成直线运动，也可以由气缸或液压缸的活塞产生。

1. 齿轮齿条装置

齿轮齿条装置通过齿轮的旋转运动转换成托板的直线运动，结构简单但回差较大。

2. 滚珠丝杠

滚珠丝杠在丝杠和螺母的螺旋槽内嵌入滚珠，通过螺母中的导向槽使滚珠能连续循环。其优点包括摩擦力小、传动效率高、无爬行现象和精度高，但制造成本高、结构复杂。理论上滚珠丝杠副可以自锁，但由于可靠性差和加工成本高，实际应用中很少使用这一特性。

三、旋转传动机构

旋转传动机构的目的是将电机的较高转速转换成较低转速，并获得较大的力矩。机器人中应用较多的旋转传动机构有齿轮链、同步皮带和谐波齿轮。

1. 齿轮链

齿轮链可以改变转速和力矩关系，是一种常见的传动方式。

2. 同步皮带

同步带与同步皮带轮相啮合，工作时相当于柔软的齿轮。优点包括无滑动、柔性好、价格便宜、重复定位精度高，但具有一定的弹性变形。

3. 谐波齿轮

谐波齿轮由刚性齿轮、谐波发生器和柔性齿轮组成。谐波齿轮的主要特点是传动比大、传动平稳、效率高、精度高、回差小。谐波传动装置已在机器人技术较先进的国家广泛应用，例如日本60%的机器人驱动装置都采用了谐波传动。

四、传感系统

机器人传感系统由内部传感器模块和外部传感器模块组成，用于获取内部和外部环境状态中有意义的信息。智能传感器的使用提高了机器人的机动性、适应性和智能化水平。传感器在某些特殊信息的获取方面比人类的感受系统更有效。

五、位置检测

旋转光学编码器是最常用的位置反馈装置，光电探测器将光脉冲转化为二进制波形。轴的转角通过计算脉冲数得到，转动方向由两个方波信号的相对相位决定。感应同步器输出两个模拟信号，轴的转角由这两个信号的相对幅值计算得到。电位计是最直接的位置检测形式，但分辨率低、线性不好且对噪声敏感。转速计可以输出与轴转速成正比的模拟信号。

六、力检测

力传感器通常安装在关节驱动器、末端执行器与操作臂的终端关节之间或末端执行器的“指尖”上。关节驱动器上的力传感器可以测量驱动器/减速器自身的力矩或力的输出，但不能很好地检测末端执行器与环境之间的接触力。末端执行器与操作臂的终端关节之间的力传感器可以测量施加于末端执行器上的三个到六个力/力矩分量。末端执行器“指尖”的力传感器通常内置应变计，可以测量作用在指尖上的一个到四个分力。