陈令 李铁成 杨贺
上汽通用五菱汽车股份有限公司青岛分公司 山东青岛 266555
【摘要】：本文主要对工业机器人的基本构成以及工作原理进行简单的介绍。通过介绍了解工业机器人未来的发展方向以及应用范围。
【关键词】：工业机器人；构成；工作原理
1.工业机器人介绍
1.1联合国标准化组织采用的美国机器人协会的定义：工业机器人是一种可重复编程和多功能的、用来搬运物料、零件、工具的机械手，或能执行不同任务而具有可改变的和可编程动作的专门系统。工业机器人的发展大致可分为三代：
第一代机器人，即目前广泛使用的示教再现型工业机器人，这类机器人对环境的变化没有应变或适应能力。
第二代机器人，即在示教再现机器人上加感觉系统，如视觉、力觉、触觉等。它具有对环境变化的适应能力， 目前已有部分传感机器人投入实际应用。
第三代机器人，即智能机器人，它能以一定方式理解人的命令，感知周围的环境、识别操作的对象，并自行规划操作顺序以完成赋予的任务，这种机器人更接近人的某些智能行为。目前尚处实验室研究阶段。
2.工业机器人的工作过程
现在广泛应用的焊接机器人都属于第一代工业机器人，它的基本工作原理是示教再现。示教也称导引，即由用户导引机器人，一步步按实际任务操作一遍，机器人在导引过程中自动记忆示教的每个动作的位置、姿态、运动参数、工艺参数等，并自动生成一个连续执行全部操作的程序。完成示教后，只需给机器人一个启动命令，机器人将精确地按示教动作，一步步完成全部操作。
3.工业机器人的系统构成及工作原理
机器人的系统结构，按其功能划分，一般由 3 个相互关连的部分组成：机器人总成、控制器、示教系统。
3.1工业机器人机械手的结构虽然多种多样，但都是由常用的机构组合而成。按照结构形式主要分为如下3种形式：
（1）机床式 这种机械手结构类似机床。其达到3个空间坐标系位置的运动 (x 、 y 、 z) ，是由直线运动构成，其末端操作器的姿态由旋转运动构成，这种形式的机械手优点是运动学模型简单，控制精度容易提高；缺点是机构较庞大，占地面积大、工作空间小。简易和专用焊接机器人常采用这种形式。
（2） 全关节式 这种机械手的结构具有仿人结构，其位置和姿态全部由旋转运动实现。这是工业机器人机械手最普遍的结构形式。其特点是机构紧凑、灵活性好、占地面积小、工作空间大，缺点是精度高、控制难度大。目前焊接机器人主要采用全关节式机器人结构。
（3）平面关节式 这种机械手的机构特点是上下运动由直线运动构成，其他运动均由旋转运动构成。这种结构在垂直方向刚度大，水平方向又十分灵活，较适合以插装为主的装配作业，所以被装配机器人广泛采用，又称为 SCARA 型机械手。
3.2由于焊接机器人大多采用伺服电动机驱动。??工业机器人的驱动器布置都采用一个关节一个驱动器。一个驱动器的基本组成为：电源、功率放大板、伺服控制板、电机、测角器、测速器和制动器。它的功能不仅能提供足够的功率驱动机械手各关节，而且要实现快速而频繁起停，精确地到位和运动。因此必须采用位置闭环、速度闭环、加速度闭环。为了保护电动机和电路，还要有电流闭环。为适应机器人的频繁起停和高的动态品质要求，一般都采用低惯量电动机，因此，机器人的驱动器是一个要求很高的驱动系统。 为了实现上述 3 个运动闭环，在机械手驱动器中都装有高精度测角、测速传感器。测速传感器一般都采用测速发电机，测角传感器一般都采用精密电位计或光电码盘，尤其是光电码盘。光电码盘与电动机同轴安装，在电动机旋转时，带有细分刻槽的码盘同速旋转，固定光源射向光电管的光束则时通时断，因而输出电脉冲。实际的码盘是输出两路脉冲，由于在码盘内布置了两对光电管，它们之间有一定角度差，因此两路脉冲也有固定的相位差，电动机正反转时，其输出脉冲的相位差不同，从而可判断电动机的旋转方向。
工业机器人目前采用的电动机驱动器可分为 4 类：
（1）?步进电动机驱动器 它采用步进电动机，特别是细分步进电动机为驱动源，由于这类系统一般都是开环控制，因此大多用于经济型工业机器人。
（2）直流伺服电动机系统 它采用直流伺服电动机系统，由于它能实现位置、速度、加速度 3 个闭环控制。具有精度高、变速范围大、动态性能好的优点。因此是目前工业机器人的主要驱动方式。
（3）交流电动机伺服系统驱动器 它采用交流伺服电动机系统，这种系统具有直流伺服系统的全部优点，而且取消了换相炭刷，不需要定期更换碳刷，大大延长了机器人的维修周期。这种驱动方式正在机器人中推广。
（4）直接驱动电动机驱动器 这是最新发展的机器人驱动器，直接驱动电动机有大于 1 万的调速比，在低速下仍能输出稳定的功率和高的动态品质，在机械手上可直接驱动关节，取消了减速机构，简化了机构又提高了效率，是机器人驱动的发展方向。
3.3机器人控制器是机器人的核心部件，它对机器人的全部信息进行处理并控制机械手的运动。工业机器人控制器大多采用二级计算机结构，第一级计算机的任务是规划和管理。机器人在示教状态时，接受示教系统送来的各示教点位置和姿态信息、运动参数和工艺参数，并通过计算把各点的示教坐标值转换成直角坐标值，存入计算机内存。机器人在再现状态时，从内存中逐点取出其位置和姿态坐标值，按一定的采样周期对它进行圆弧或直线插补运算，算出各插补点的位置和姿态坐标值，这就是路径规划生成。然后逐点的把各插补点的位置和姿态坐标值转换成关节坐标值，分送至各个关节。
第二级计算机是执行计算机，它的任务是进行伺服电动机闭环控制。它接收了第一级计算机送来的各关节下一步预期达到的位置和姿态后，又做一次均匀细分，以求运动轨迹更为平滑。然后将各关节的下一细步期望值逐点送给驱动电动机，同时检测光电码盘信号，直到其准确到位。以上均为实时过程，上述大量运算都必须在控制过程中完成。
3.4示教器是人对机器人示教的人机交互接口，目前人对机器人示教有 3 种方式：
（1）手把手示教 又称全程示教，即由人握住机器人机械臂末端，带动机器人按实际任务操作一遍。在此过程中，机器人控制器的计算机逐点记下各关节的位置和姿态值，而不作坐标转换，再现时，再逐点取出，这种示教方式需要很大的计算机内存、而且由于机构的阻力，示教精度不可能很高。
（2）示教器示教 即由人通过示教器操纵机器人进行示教，这是最常用的机器人示教方式，目前焊接机器人都采用这种方式。
（3）离线编程示教 即无需人操作机器人进行现场示教，而可根据图样，在计算机上进行编程，然后输给机器人控制器。它具有不占机器人工时，便于优化和更为安全的优点，所以是今后发展的方向。
?示教器本身是一台专用计算机，它不断扫描示教器上的功能和数字键、操纵杆，并把信息和命令送给控制器。各厂家的机器人示教器都不相同，但其追求的目标都是为方便操作者。示教器主要作用：点动机器人、编写机器人程序、试运行程序、生产运行、查阅机器人的状态等。
4.结束语
基于上述可知，随着国家人口结构的变化以及科技的日益发展，工业机器人将会在制造行业进行大范围应用，随着工业机器人在各行各业的广泛应用，机器人应用集成人才将会是市场急需的人才。相信随着我国的不断发展，我国的机器人产业也将会崛起。
参考文献
【1】FANUC机器人相关技术手册
【2】机器人技术及其应用 朱世强 王宣银 浙江大学出版社（2001）
【3】工业机器人应用技术 郭洪红 科学出版社
【4】工业机器人 肖南峰 机械工业出版社
【5】机器人技术及其应用 芮延年 化学工业出版社