1章 绪论

工业机器人的定义

定义,四个共同特征

共同特征:结构化、通用性、智能化

工业机器人的分类

按技术水平分类的三代机器人及其特点,按构型分类的机器人类别及特点

表格 1按工业机器人的技术等级划分

n代工业机器人

分类

特点

1

示教再现型机器人

(计算智能型)

第一代工业机器人主要采取示教-再现编程方式,能够按照人类预先示教的轨迹、行为、顺序和速度重复作业,示教可由操作员手把手进行或通过示教器完成。工业机器人的传统使用方式,当前主流。

2

感知型机器人

(感知智能型)

第二代工业机器人具有环境感知装置,能在一定程度度上适应环境的变化,具有对某些外界信息进行反馈调整的能力,构成人--物控制闭环。目前已经进入应用阶段。

3

智能型机器人

(认知智能型)

第三代工业机器人具有发现问题,并且能自主地解决问题的能力,具有高度的适应性和自治能力,尚处于实验研究阶段。

 

按工业机器人的应用领域划分

工业机器人的发展现状和趋势

两条路径,三种模式,国外四大,国产机器人和国外机器人相比的差距所在

国内四大机器人企业:

  • 沈阳新松(SIASUN
  • 广州数控(GSK
  • 芜湖埃夫特(Efort
  • 南京埃斯顿(Estun

 

国产机器人与进口机器人尚有差距:

1)自主创新能力不强,缺乏核心零部件研发技术;

2)中低端技术水平,高端很少,集成为主;

3)产业链条亟待充实与规范。民营为主,企业成本压力大,产能规模和应用平台受限;

4)自主品牌认可度不高;

5)专业人才流失严重。

图表 1 工业机器人企业的人才需求

2章 机电一体化结构

工业机器人产业链组成

上中下游划分,核心部件组成

中游操作机(本体)

机器人组成的三大件,本体组成,手臂构型分类及特点,手腕构型分类

上游核心零部件(驱动和传动)

驱动方式分类,气液电三种驱动的特点和比较,不同电机的比较

图表 1三种驱动方式特点比较

图表 1不同电机的比较

交流电机

一般无刷,散热性能好,有额定转速(与频率相关)

直流有刷电机

价格更贵,由于刷的原因寿命低,惯性大,有盘式和空心杯两种

直流无刷电机

开关直流波形(PWM调速,转速和占空比有关),平均电压低。应用非常广泛

步进电机

²  将数字脉冲转化为机械位移,一个脉冲信号对应一个步进,因此机械位移和脉冲数量严格对应;

²  开环控制,无需反馈(伺服),整步/半步调速,寿命长,价格低,但除桌面机器人外很少用于工业机器人;

²  低速时振动大,噪声大;负载过大或转速超限时丢步。

舵机

舵机即低端伺服电机。主要是由外壳、电路板、无核心马达、齿轮与位置检测器所构成。其工作原理是由接收机发出讯号给舵机,经由电路板上的IC判断转动方向,再驱动无核心马达开始转动,透过减速齿轮将动力传至摆臂,同时由位置检测器送回讯号,判断是否已经到达定位。多用于小型或玩具机器人。

直线电机

把电能直接转化为直线机械运动能量的装置。电机是一种执行装置,是执行器的一种。

伺服电机vs. 步进电机

²  伺服电机包括交流电机、有/无刷直流电机等,通过提供位置和速度反馈,为闭环控制,可提高控制精度

²  步进电机无反馈,为开环控制,易丢步,精度低,可靠差

减速机概念和作用,谐波、RV两种常用机器人减速机的特点、用途和比较

减速机两大作用:

  • 将高转速、低扭矩的电机侧输入转化为低转速、大扭矩的连杆侧输出,即: 

  • 在减速同时降低负载的惯量,惯量减少为减速比的平方。

 

常见减速器分类:

  • 谐波减速器(Harmonic reducer)
  • RV减速器(RV reducer)
  • 行星齿轮减速器(Planetary gear reducer)
  • 蜗轮蜗杆减速器(NMRV)
  • 摆线针轮减速器(Cycloidal gear reducer)

 

特点

结构

工作原理

品牌

谐波减速器

体积小,重量轻,减速比大(70~500),传动效率大(70%以上),但刚度不够,惯量大。多用于搬运等中小型机器人。

柔轮的齿数比钢轮的齿数少两个齿。随着谐波发生器的转动,柔轮与钢轮的齿依次啮合,从转过相同齿数的中心角来说,柔轮比钢轮大,于是柔轮相对于钢轮沿着谐波发生器的反方向作微小的转动。例如,齿数为100的钢轮与齿数为98的柔轮组合,每一周会产生2/100的转动差,从而得到大的减速比。

波发生器转动一周时,柔轮向相反方向转过两个齿的角度

²  国外:日本哈默纳克(Harmonic Drive, HD),德国Harmonic Drive PolymerGmbH);

 

²  国内:苏州绿的、北京谐波研究所、中技克美、众合天成

RV减速器

在传统针摆行星传动的基础上发展出来,较谐波传动具有高得多的疲劳强度、刚度和寿命,且回差精度稳定,高精度传动(特别是大型的焊接或搬运机器人)多采用RV减速器,有逐渐取代谐波减速器的趋势。

由一级行星轮系再串联一级摆线针轮减速器组合而成。输入轴转动一周,摆线轮移动了1个齿,摆线轮的齿数就是速比。

 

²  国外:日本Nabtesco(纳博特斯克,原帝人),日本住友,村田机械;

 

²  国内:秦川机床、浙江恒丰泰。

RV减速机目前是工业机器人上应用的主流减速机类型,其次是谐波减速机!!

末端执行器机构

末端执行器分类,TCP概念及特点

图表 2 末端执行器按用途分类

TCP标定问题

默认工业机器人工具手坐标系的原点位于法兰中心,对于接装了不同末端执行器的工业机器人,在使用中首先需要进行TCP(Tool center point, 工具手中心点)标定,即确定新的工具坐标系相对于世界坐标系的变换关系。

工业机器人的技术指标

几大技术指标的定义、内涵和特点

技术指标:自由度、工作空间、额定负载、最大工作速度、最大工作范围、精度。