工业机器人实验报告 - 工业机器人初识

《工业机器人》课程实验报告

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图 1 工业机器人

2.工业机器人组成部分

2.1机械结构

2.1.1关节的分类

机器人有许多不同类型的关节，有线性的、旋转的.滑动的或球型的。虽然球关节在许多系统中使用很普遍，但是由于拥有多个自由度且难以控制，所以在机器人中除了用于研究外并不常用。大多数机器人关节是线性或旋转型关节。

（1）滑动关节(Prismatic joint): 与关节相连的两连杆只能沿滑动轴做直线位移运动，移动的距离是滑动关节的主要变量，滑动轴一般和杆的轴线重合或平行。

图 2 滑动关节

（2）转动关节(Revolute joint): 与关节相连的两连杆只能绕关节轴做相对旋转运动，其转动角度是关节的主要变量，转动轴的方向通常与轴线重合或垂直。

图 3 转动关节

2.1.2传动机构

工业机器人的驱动源通过传动部件来驱动关节的移动或转动，从而实现机身、手臂和手腕的运动。因此，传动部件是构成工业机器人的重要部件。根据传动类型的不同，传动部件可以分为两大类:直线传动机构和旋转传动机构。

（1）直线传动机构

工业机器人常用的直线传动机构可以直接由汽缸或液压缸和活塞产生，也可以采啮轮齿条、滚珠丝杠螺母等传动元件由旋转运动转换得到。

1）移动关节导轨

在运动过程中移动关节导轨可以起到保证位置精度和导向的作用。移动关节导轨有五种:普通滑动导轨、液压动压滑动导轨、液压静压滑动导轨、气浮导轨和滚动导轨。

图 4 移动关节导轨

2)齿轮齿条装置

齿轮齿条装置中，如果齿条固定不动，当齿轮转动时，齿轮轴连同拖板沿条方向做直线运动。

图 5 齿轮齿条装置

3)滚珠丝杠与螺母

在工业机器人中经常采用滚珠丝杠，这是因为滚珠丝杠的摩擦力很小且运动响应速度快。

图 6 滚珠丝杠与螺母

4）液(气)压缸

液(气)压缸是将液压泵 (空压机)输出的压力能转换为机械能、做直线往复运动的执行元件，使用液(气)压缸可以容易地实现直线运动。

图7 液（气）压缸

（2）旋转传动机构

一般电动机都能够直接产生旋转运动，但其输出力矩比所要求的力矩小，转速比要求的转速高，因此需要采用齿轮、皮带传送装置或其他运动传动机构，把较高的转速转换成较低的转速，并获得较大的力矩。运动的传递和转换必须高效率地完成。并且不能有损于机器人系统所需要的特性，包括定位精度、重复定位精度和可靠性等。通过下列传动机构可以实现运动的传递和转换。

1）齿轮副

齿轮副不但可以传递运动角位移和角速度，而且可以传递力和力矩，如图所示，一个齿轮装在输入轴上，另一个齿轮装在输出轴上。

图8 齿轮副

2）同步带传动装置

同步带传动装置在工业机器人中同步带传动主要用来传递平行轴间的运动。同步传送带和带轮的接触面都制成相应的齿形,靠啮合传递功率,其传动原理如图所示。

图9 同步带传动装置

3）谐波齿轮

目前工业机器人的旋转关节有60%~70%都使用谐波齿轮传动。谐波齿轮传动由刚性齿轮、谐波发生器和柔性齿轮三个主要零件组成,如图所示。

图10 谐波齿轮

4）摆线针轮传动减速器

摆线针轮传动是在针摆传动基础上发展起来的一种新型传动方式,20世纪80年代日本研制出了用于机器人关节的摆线针轮传动减速器,图所示为摆线针轮传动简图。

图11摆线针轮传动减速器

2.2驱动器

驱动器在机器人中的作用相当于人体的肌肉,如果把连杆以及关节想象为机器人的骨骼.那么驱动器就起肌肉的作用，它通过移动或转动连杆来改变机器人的构型:驱动器必须有足够的功率对连杆进行加/减速并带动负载，同时，驱动器自身必须轻便、经济、精确、灵敏、可靠且便于维护。

日前已有许多实用的驱动器。毫无疑问,今后还将有更多的驱动器。以下几种驱动

器备受大家的关注

（1）电动机

伺服电机

伺服电机是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补充马达间接变速装置，它将电压信号转化为转矩和转速，以驱动控制对象，可使控制速度、位臵精度非常准确，是工业机器人的动力系统以及机器人运动的“心脏”。

图12 伺服电机

步进电机

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制电机，是现代数字程序控制系统中的主要执行元件，应用极为广泛。

图13 步进电机

直接驱动电机

直接驱动电机是伺服技术发展的产物。除延续了伺服电机的特性外，因为其低速大扭矩、高精度定位、高响应速度、结构简单，减小机械损耗、低噪声、少维护等独有的特点，被广泛应用于各行各业。

图14 直接驱动电机

（2）液压驱动器

液压驱动的优点是功率大，可省去减速装置而直接与被驱动的杆件相连，结构紧凑，刚度好，响应快，伺服驱动具有较高的精度。但需要增设液压源，易产生液体泄漏，不适合高、低温场合，故液压驱动目前多用于特大功率的机器人系统。

图15 液压驱动器

（3）气动驱动器

在气动系统中，气动执行元件是-种将压缩空气的能量转化为机械能,实现直线,摆动或回转运动的传动装置.

气压驱动的结构简单，清洁，动作灵敏，具有缓冲作用。但与液压驱动器相比，功率较小，刚度差，噪音大，速度不易控制，所以多用于精度不高的点位控制机器人。

图16轴向伸长型、摆动型、气爪型气压驱动器

（4）形状记忆合金驱动器

形状记忆合金是一种特殊的合金，一旦使它记忆了任何形状，即使产生变形，但当加热到某一适当温度时，它就能恢复到变形前的形状。利用这种驱动器的技术即为形状记忆合金驱动技术。形状记忆合金有3个特点：变形量大;变位方向自由度大;变位可急剧发生。因此，它具有位移较大、功率重量比高、变位迅速、方向自由的特点。特别适用于小负载高速度、高精度的机器人装配作业、显微镜内样品移动装置、反应堆驱动装置、医用内窥镜、人工心脏、探测器、保护器等产品上。

图17记忆合金肌肉驱动器Driver V5

（5）磁致伸缩驱动器

当一片称做Trfenol-D的材料放在磁铁附近时，这种特殊的稀土金属材料将产生微小的形变,这种现象称做磁致伸缩效应,这一现象已用于制造具有微英寸量级位移能力的直线电机。为使这种驱动器工作,要将被磁性线圈覆盖的磁致伸缩小棒的两端固定在两个架子上，当磁场改变时，会导致小棒收缩或仲展,这样其中-个架子就会相对于另一个架子产生运动。一个与此类似的概念是用压电晶体来制造具有毫微英寸量级位移的直线电机。

图18磁致伸缩驱动器

（6）减速器