工业机器人涉及哪些技术？
工业机器人系统的组成1)工业机器人的机械结构系统由底座、手臂和末端机械手三部分组成，每一大块都有一个多自由度的机械系统。如果在底座上安装行走机构，则构成行走机器人；如果基座没有行走和弯曲机构，则形成单个机器人臂。手臂一般由上臂、下臂和手腕组成。末端机械手是直接安装在手腕上的重要部件。可以用两个或两个以上的手指握住，也可以是喷漆枪、焊接工具等工作工具。2)驱动系统，为了使机器人工作，需要在各个关节，也就是各个运动自由度上安装传动装置，这就是驱动系统。驱动系统可以是液压驱动、气动驱动、电动驱动或它们组合的综合系统，并可以由机械传动机构如同步带、链条、齿轮系和谐波齿轮直接驱动或间接驱动。3)感知系统由内部传感器模块和外部传感器模块组成，用于获取内外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、适应性和智能性。人类的感觉系统对外界信息的感知极其灵敏。然而，对于一些特殊的信息，传感器比人类的感觉系统更有效。4)机器人环境交换系统是现代工业机器人与外部环境中的设备进行交换和协调的系统。工业机器人与外部设备集成为一个功能单元，如加工单元、焊接单元和装配单元。当然，也可以将多个机器人、多个机床或设备以及多个零件存储设备集成到一个功能单元中，以执行复杂的任务。5)人机交换系统是操作者控制和联系机器人的装置，如计算机的标准终端、指挥控制台、信息显示板、危险信号报警器等。该系统可分为两类:指令给出装置和信息显示装置。6)机器人控制系统是机器人的大脑，是决定机器人功能和性能的主要因素。控制系统的任务是根据机器人的操作指令程序和传感器反馈的信号，控制机器人的执行机构完成规定的动作和功能。如果工业机器人不具备信息反馈特性，则为开环控制系统；如果它具有信息反馈特性，则它是一个闭环控制系统。根据控制原理，控制系统可分为程序控制系统、自适应控制系统和人工智能控制系统。根据控制操作的形式，控制系统可分为点控制和轨迹控制。点式只控制执行机构从一点到另一点的精确定位，适用于机床装卸、点焊、一般搬运、装卸等。连续轨迹型可以控制执行机构按照给定的轨迹运动，适用于连续的焊接和涂装作业。控制系统的任务是根据机器人的操作指令程序和传感器反馈的信号，控制机器人的执行机构完成规定的动作和功能。如果工业机器人不具备信息反馈特性，则为开环控制系统；如果它具有信息反馈特性，则它是一个闭环控制系统。根据控制原理，控制系统可分为程序控制系统、自适应控制系统和人工智能控制系统。根据控制操作的形式，控制系统可分为点控制和轨迹控制。一套完整的工业机器人包括机器人本体、系统软件、控制柜、外围机械设备、CCD视觉、夹具/手爪、外围设备PLC控制柜、示教器/示教盒。
工业机器人设备下面重点介绍机器人的驱动系统和传感系统。2.机器人的驱动系统工业机器人的驱动系统按动力源可分为三类:液压、气动和电动。根据需要，这三种基本类型还可以组合成复合传动系统。这三种基本驱动系统各有其特点。液压驱动系统:因为液压技术是一项成熟的技术。它具有功率大、力(或力矩)惯性比大、快速响应高、易于直接驱动等特点。适用于这些承载能力大、惯性大、在防焊环境下工作的机器人。但是液压系统需要能量转换(电能转换成液压能)。大多数情况下，速度控制采用节流调速，效率低于电传动系统。液压系统的液泥排放会污染环境，工作噪音大。因为这些弱点，近年来，负载在100kg以下的机器人往往被电动系统所取代。青岛华东工程机械有限公司研发的全液压重型机器人如图。其大跨度载荷可达2000kg，机器人移动半径可达近6m，用于铸锻行业。
全液压重型机器人
气动驱动具有速度快、系统结构简单、维护方便、价格低廉等优点。但由于气动装置的工作压力较低，不易精确定位，一般只用于驱动工业机器人的末端执行器。气动手爪、旋转气缸和气动吸盘可用作抓取和装配中、小载荷工件的末端执行器。气动吸盘和气动机器人手爪如图所示。
气动吸盘和气动机器人手爪电机驱动是现代工业机器人的主流驱动方式，可分为四大类:DC伺服电机、交流伺服电机、步进电机和直线电机。DC伺服电机和交流伺服电机采用闭环控制，一般用于高精度、高速的机器人驱动。步进电机用于精度和速度要求不高的场合，采用开环控制；直线电机及其驱动控制系统在技术上已日趋成熟，具有传统传动装置无法比拟的优越性能，如适应极高速和极低速应用、高加速度、高精度、无空回、磨损小、结构简单、无需减速器和齿轮螺杆联轴器等。鉴于并联机器人大量的直线驱动需求，直线电机在并联机器人领域得到了广泛的应用。3.机器人感知系统将机器人的各种内部状态信息和环境信息从信号转化为机器人自身或机器人之间能够理解和应用的数据和信息。视觉传感技术除了感知与其工作状态相关的机械量，如位移、速度、加速度、力和扭矩等，还是工业机器人传感的一个重要方面。视觉伺服系统以视觉信息作为反馈信号来控制和调整机器人的位置和姿态。这种应用主要体现在半导体和电子行业。机器视觉系统也广泛应用于质量检测、工件识别、食品分拣和包装。通常机器人视觉伺服控制是基于位置的视觉伺服或基于图像的视觉伺服，也分别称为三维视觉伺服和二维视觉伺服。这两种方法各有优点和适用性，但也存在一些缺陷，于是有人提出了2.5维视觉伺服方法。基于位置的视觉伺服系统利用摄像机的参数建立图像信息与机器人末端执行器位置/姿态信息之间的映射关系，实现机器人末端执行器位置的闭环控制。通过从实时拍摄图像中提取的末端执行器的位置信息和定位目标的几何模型来估计末端执行器的位置和姿态误差，然后基于位置和姿态误差获得各关节新的位置和姿态参数。基于位置的视觉伺服要求在视觉场景中始终能观察到末端执行器，并能计算出其三维位置和姿态信息。消除图像中的干扰和噪声是保证精确计算位置和姿态误差的关键。二维视觉伺服将摄像机拍摄的图像的特征与给定的图像(不是三维几何信息)进行比较，得到误差信号。然后，通过关节控制器、视觉控制器和机器人当前的工作状态，完成机器人的伺服控制。与三维视觉伺服相比，二维视觉伺服对摄像机和机器人标定误差具有更强的鲁棒性，但在视觉伺服控制器的设计中，不可避免地会遇到图像雅可比矩阵奇异和局部极小等问题。针对三维和二维视觉伺服方法的局限性，F.Chaumette等人提出了2.5维视觉伺服方法。它解耦了摄像机平移位移和旋转的闭环控制，基于图像特征点重建物体在三维空间中的方位和成像深度比，平移部分用特征点在图像平面上的坐标表示。该方法成功地将基于图像提取的图像信号和姿态信号结合起来，并合成它们的误差信号进行反馈，很大程度上解决了鲁棒性、奇异性和局部极小值问题。但是这种方法还存在一些问题需要解决，比如如何保证伺服过程中参考物体始终在摄像机的视场内，以及在分解单应矩阵时解不是唯一的。在建立视觉控制器模型时，需要找到一个合适的模型来描述机器人末端执行器和摄像机之间的映射关系。图像雅可比矩阵法广泛应用于机器人视觉伺服研究领域。图像的雅可比矩阵是时变的，需要在线计算或估计。4.机器人***4，机器人的关键基础部件，占车身成本的22%，占伺服系统的24%，占减速器的36%，占控制器的12%。机器人关键基础部件是指构成机器人传动系统、控制系统和人机交互系统的通用、模块化的部件单元，对机器人的性能起关键作用。机器人的关键基础部件主要分为以下三部分:高精度机器人减速器、高性能交流和DC伺服电机及驱动器、高性能机器人控制器等。1)减速器减速器是机器人的关键部件。目前主要使用两种减速器:谐波齿轮减速器和RV减速器。
谐波传动法是美国发明家C.WaltMusser在50年代中期发明的。谐波齿轮减速器主要由三个基本部件组成:波发生器、柔性齿轮和刚性齿轮。借助波浪发生器，柔性齿轮可以产生可控的弹性变形，与刚性齿轮啮合传递运动和动力。单级传动速比可达70 ~ 1000，并借助柔性齿轮变形，实现无侧隙反向啮合。与一般减速器相比，输出扭矩相同时，谐波齿轮减速器的体积可减小2/3，重量可减轻1/2。柔轮承受较大的交变载荷，其材料对疲劳强度、加工和热处理要求高，制造工艺复杂。柔轮的性能是高质量谐波齿轮减速器的关键。
谐波齿轮减速器的传动原理德国人LorenzBaraen在1926提出了摆线针轮行星齿轮传动原理，TEIJINSEIKICo。80年代率先开发RV减速器。RV减速器由前级行星齿轮减速器和后级摆线针轮减速器组成。与谐波齿轮减速器相比，RV减速器具有更好的回转精度和精度保持能力。
减速器陈仕贤发明了活齿传动技术。第四代活齿传动——全滚动活齿传动已成功应用于许多工业产品中。复合振子y滚子传动(CORT)在ORT的基础上，不仅具有与RV传动相似的优点，而且克服了RV传动承载能力大、使用寿命短的缺点，进一步提高了使用寿命和承载能力。CORT的结构使其在相同精度指标下，回程误差更小，运动精度和刚度更高，缓解了RV传动对制造精度要求高的缺陷，可以相对降低加工要求和制造成本。CORT由中国自主研发，拥有自主知识产权。鞍山耐磨合金研究所和浙江恒丰泰减速机制造有限公司都成功开发了机器人用CORT减速机。
ORT减速器CORT减速器目前，高精度机器人减速器75%的市场份额被两家日本减速器公司垄断，分别是提供RV摆线齿轮减速器的日本Nabtesco公司和提供高性能谐波减速器的日本谐波传动公司。包括ABB、FANUC、库卡和Motoman在内的国际主流机器人制造商的减速器均由上述两家公司提供。与国内机器人公司选择的通用型号不同，国际主流机器人厂商都与上述两家公司签订了战略合作关系，提供的产品大多是在通用型号的基础上根据各厂商的特殊要求改进的专用型号。我国对高精度摆线针轮减速器的研究起步较晚，相关研究仅在部分高校进行。目前还没有成熟的产品应用于工业机器人。近年来，国内一些厂家和院校开始研究高精度摆线针轮减速器的国产化和产业化，如浙江恒丰泰、重庆大学机械传动国家重点实验室、天津减速器厂、秦川机床厂、大连铁道学院等。在谐波减速器方面，国内已经有替代产品，如北京中技科美、北京谐波传动研究所等，但相应产品在输入速度、扭转高度、传动精度、效率等方面与日本产品仍有较大差距，在工业机器人上的成熟应用才刚刚起步。国内外工业机器人用主流高精度谐波减速器的性能对比如下表所示。
表1主流高精度谐波减速器性能对比注:上表对比数据来自同类机型:HD: CSF-17-100中技科美:XB1-40-100传动效率测试条件:输入转速1000r/min。
表2主流高精度RV摆线针轮减速器性能对比注:上表对比数据来自同类机型:RV: 100 CCYCLO: F2CF-C35传动效率测试条件:输出转速15r/min，额定扭矩2)伺服电机在伺服电机和驱动方面，欧洲机器人的驱动部分主要由伦茨、卢斯、博世力士乐等公司提供。这些欧洲系统，日本品牌工业机器人的关键部件主要由安川、松下、三菱等公司提供，价格相对低廉，但动态响应能力差，开放性差，大多只有模拟和脉冲控制方式。近年来，我国也开展了大功率交流永磁同步电机及其驱动部分的基础研究和产业化，如哈工大、北京和利时、广州数控等单位，并有了一点生产能力，但其动态性能、开放性和可靠性还需要更多实际的机器人项目应用来验证。
3)控制器在机器人控制器方面，目前国外主流机器人厂商的控制器都是在通用多轴运动控制器平台的基础上自主研发的。目前通用的多轴控制器平台主要分为以嵌入式处理器(DSP、POWER PC)为核心的运动控制卡和以工控机和实时系统为核心的PLC系统，其代表有台达Tau的PMAC卡和倍福的TwinCAT系统。在国内运动控制卡方面，高古公司已经开发了相应的成熟产品，但是在机器人方面的应用还比较少。5.机器人操作系统(robot operating system)通用机器人操作系统(ROS)是一个为机器人设计的标准化构建平台，它使每一个机器人设计者能够使用相同的操作系统来开发机器人软件。ROS将推动机器人产业朝着软硬件独立的方向发展。硬件和软件的独立开发模式极大地推动了PC、笔记本电脑和智能手机技术的发展和快速进步。ROS的开发比电脑操作系统更难。计算机只需要处理一些定义明确的数学运算任务，而机器人需要面对更复杂的实际运动运算。ROS提供标准的操作系统服务，包括硬件抽象、底层设备控制、通用功能实现、进程间消息和数据包管理。ROS分为两层，下层是操作系统层，上层是机器人为实现不同功能由用户组贡献的各类软件包。现有的机器人操作系统架构主要包括基于linux的Ubuntu开源操作系统。此外，斯坦福大学、麻省理工学院、慕尼黑大学等机构也开发了各种ROS系统。微软机器人开发团队也在2007年推出了“Windows机器人版”。6.机器人的运动规划为了提高工作效率，使机器人能够在最短的时间内完成特定的任务，需要有合理的运动规划。离线运动规划分为路径规划和轨迹规划。路径规划的目标是使路径与障碍物的距离尽可能远，路径长度尽可能短；轨迹规划的主要目的是使机器人在关节空间运动时，运行时间尽可能短或能量尽可能小。轨迹规划是在路径规划的基础上增加时间序列信息来规划机器人执行任务时的速度和加速度，以满足平稳性和速度可控性的要求。示教再现是实现路径规划的方法之一。通过操作空间进行教学，教学结果被记录下来，在工作过程中被再现。现场示教直接对应机器人需要完成的动作，路径直观清晰。缺点是需要有经验的操作人员，耗费大量时间，路径也不一定优化。为了解决上述问题，可以建立机器人的虚拟模型，通过虚拟可视化操作完成作业任务的路径规划。路径规划可以在关节空间中进行。Gasparetto以五次B样条作为关节轨迹的插值函数，以加加速度的平方相对于运动时间的积分作为目标函数进行优化，从而保证各个关节的运动平滑。刘采用五次B样条插值机器人关节轨迹，机器人各关节的速度和加速度端点值可根据光滑度要求任意配置。另外，关节空间的轨迹规划可以避免操作空间的奇异性。霍等设计了关节轨迹优化算法，避免了关节空间的奇异性。利用六自由度弧焊机器人任务过程中关节函数的冗余性，以机器人奇异性和关节限制为约束，采用TWA法进行优化计算。与操作空间中的路径规划相比，关节空间路径规划具有以下优点:①避免了机器人在操作空间中的奇异性问题；②由于机器人的运动由关节电机的运动控制，避免了关节空间中大量的正运动学和逆运动学计算；③关节空间中各关节的轨迹便于控制的优化。
动词 （verb的缩写）工业机器人的分类
根据不同的方法，工业机器人可分为以下几种类型:
工业机器人的分类是1。从机械结构上可以分为串联机器人和并联机器人。1)串联机器人的特点是一个轴的运动改变了另一个轴的坐标原点。在位置求解中，串联机器人的正向求解容易，而逆向求解非常困难。2)并联机器人采用并联机构，一个轴的运动不会改变另一个轴的坐标原点。该并联机器人具有刚度高、结构稳定、承载能力大、微动精度高、运动载荷小的优点。它的正解很难，但它的逆解很容易。图中显示了串联机器人和并联机器人。
串联机器人和并联机器人2。工业机器人根据机械手的坐标形式分为以下几类:(坐标形式是指机械手手臂运动时所采取的参考坐标系的形式。)1)笛卡尔工业机器人的运动部分由三个相互垂直的直线运动组成(即PPP)，其工作空间图形为矩形。其各轴向的移动距离可在各坐标轴上直接读出，直观，易于编程计算位置和姿态，定位精度高，控制解耦，结构简单。但机体占用空间大，动作范围小，灵活性差，难以与其他工业机器人协调。2)柱坐标工业机器人的运动形式是由一个转动和两个运动组成的运动系统实现的，其工作空间是一个圆柱体。与直角坐标工业机器人相比，在相同的工作空间条件下，其机身占用体积小，运动范围大，位置精度仅次于直角坐标机器人，难以与其他工业机器人协调。3)球坐标工业机器人球坐标工业机器人又叫极坐标工业机器人。它的手臂运动包括两次旋转和一次线性运动(即RRP、一次旋转、一次俯仰和一次伸缩运动)。它的工作空间是一个球体，可以上下俯仰，抓取地面上协调的工件，或者示教低位。其位置精度高，位置误差与臂长成正比。4)多关节工业机器人又称旋转坐标工业机器人。这个工业机器人的手臂类似于人类的上肢，它的前三个关节是旋转副(RRR)。这种工业机器人一般由立柱和大臂组成。立柱和大臂形成肩关节，大臂和小臂形成肘关节，可以使大臂做旋转运动和俯仰摆动，小臂做俯仰摆动。它的结构最紧凑，最灵活，占地面积最小。它可以与其他工业机器人协同工作，但其位置精度低，存在平衡问题和控制耦合。这种工业机器人的应用越来越广泛。5)平面关节工业机器人采用一个移动关节和两个转动关节(PRR)，移动关节实现上下运动，两个转动关节控制前后、左右运动。这种形式的工业机器人也被称为装配机器人。在水平方向上，它具有柔性，而在垂直方向上，它具有很大的刚性。结构简单，动作灵活，多用于装配作业，特别适用于小尺寸零件的插接装配，如电子行业的插接装配。3.工业机器人按程序输入方式可分为两种:编程输入型和示教输入型:1)编程输入型是通过RS232串口或以太网将计算机上编制好的操作程序文件传输到机器人控制柜。2)示教输入型的示教方式有示教盒示教和操作者直接引导执行机构示教两种。示教盒由操作者使用手动控制器(示教盒)示教，将指令信号传递给驱动系统，使执行器按照要求的动作顺序和轨迹执行一次。使用示教盒进行教学的工业机器人被广泛使用。工业机器人一般都配有示教盒的示教功能。但是在工作轨迹复杂的情况下，用示教盒进行示教并不能达到理想的效果，比如用于喷涂复杂曲面的喷涂机器人。
机器人示教盒由操作者直接驱动执行机构进行示教，按照要求的动作顺序和轨迹进行。在示教的同时，工作程序的信息自动存储在程序存储器中。当机器人自动工作时，控制系统从程序存储器中检测相应的信息，并将指令信号传递给驱动机构，使执行机构再现示教的各种动作。
六、工业机器人性能评价指标表示机器人特性的基本参数和性能指标主要包括工作空间、自由度、有效载荷、运动精度、运动特性和动态特性。