工业机器人

工业机器人是一类根据预先编制在存储装置内的操作程序,自动地重复进行作业的机器人,因而也称为重复型机器人(Repeatable Robot)。
一、系统构成
工业机器人的本体主要是一只类似于人的上肢功能的机械手臂,或者是无关节结构,或者是关节式结构。如果要在三维空间对物体进行作业,一般需要六个自由度,即沿笛卡尔坐标三轴的直线移动及绕三个轴的转动。
工业机器人直接操作对象的是机械手末端的手爪(亦称End Effector),它随对象物的形状和材料不同而制成各种各样,例如用以夹持工件的无指手掌,用以抓取棒料的有指手爪(一般为二指,有关节或无关节),用以吸附平板的真空吸盘或电磁吸盘,用以吊挂重物的钩爪等。
早期的工业机器人的示教、记忆、控制装置利用凸轮、挡块、插销板、穿孔纸带、磁鼓、继电器等机电元件构成,而80年代的工业机器人则主要使用微处理机系统综合实现上述装置的功能。驱动装置最为普遍的是伺服电机,大型作业的机器人往往使用液压传动。较为简单的或要求防爆的机器人可采用气动执行机构。
工业机器人的传感器包括外部信息传感器和内部信息传感器。外部信息传感器用以检测、判断工作对象的位置、形状、接触状态等,例如从各种原理的接触开关到完善的视觉、触觉处理系统。内部信息传感器是指机器人驱动系统中的反馈控制信号检测元件。
二、控制方式
使用机器人以前,操作人员通过示教装置把作业内容编成程序,输入到记忆装置。从外部发出启动命令后,机器人从记忆装置中读出信息,并送到控制装置,发出控制信号,由驱动机构控制机械手,(在一定的精度范围内)按照记忆装置中的内容完成给定的动作。如果再次启动,机器人将重复上述作业。
1.控制信息
机器人控制中必须有三种信息。
① 顺序信息,即机器人各种单元动作的先后次序,其中包括机器人对外围设备(如传送带、焊接机等)作业条件的检测、设定等步骤。
② 位置信息,即机器人应达到作业空间各点的坐标值,其中包括手爪在到达点的姿态。
③ 时间信息,即机器人各顺序步所用的时间,这也可表示为机器人完成各动作的速度。
控制过程中的示教、存储和再现都围绕这三种信息进行。
2.示教、存储和再现
① 示教是使机器人按照人的要求进行操作,由人把控制信息分离地或集中地输入到机器人中的过程。示教方法有两种,一种是直接示教方式,即操作人员直接带动机器人的手臂依次通过预定的轨迹,这时,顺序、位置和时间三种信息可以做到综合示教。另一种是间接示教方式,即操作人员通过操作手动控制盒上的按键,编制机器人的动作顺序,确定位置、设定速度或限时。这种方式中三种信息的示教一般是分离进行的。在计算机控制的情况下,用特定的语言编制示教程序,实际上是一种间接示教方式,其中位置信息往往仍需通过手动控制盒设定。
② 存储是指在必要的期限内保存示教的信息。存储容量的大小决定机器人完成作业的复杂程度。存储方式也分为分离存储和集中存储两种。集中存储控制信息适于存储量大的复杂作业。分离存储方式可将三种控制信息单独存放在不同的装置里,它要求分离示教,这使示教复杂,但便于再现时灵活组合控制信息。
③ 再现是指根据需要读出存储信息,向执行机构发出具体指令。相应于集中存储方式,再现时只是“原样照搬”,而对于分离的存储方式,再现时就可根据外部传感器的输出信号或通过人工干预改变动作顺序,这使机器人对于工作环境的变化具有一定的适应性。
④ 操作是根据再现时所发出的一条条指令,驱使机器人的各个自由度产生相应的动作,最终使机器人手爪从空间一点移动到另一点。
三、PUMA机器人
PUMA(Programmable Universal Manipulator for Assembly)系列机器人是一类先进的计算机控制工业机器人。它是美国Unimation公司的最新产品,后转产日本、德国等国家。适用于传送、焊接、装配、堆放等多种作业,畅销于世界。
机器人本体为一台六自由度关节型电动机械手臂。各关节旋转范围分别为:JT1(“腰”),320°;JT2(“肩”),250°;JT3(“肘”),270°;JT4(“腕”1),280°;JT5(“腕”2),200°;JT6(“腕”3),520°。作业空间达0.8m2。负重在动态时为2.5kg,静态时为6kg。最大速度0.5m/s。重复精度为±0.1mm。机械手腕部可配置两指(无关节)气动开闭手爪或其它选件。
PUMA系列机器人的控制器由以集成电路LSI-11为CPU的专用微处理机系统以及各关节的伺服控制电路组成,其中RAM容量为8Kw。PUMA机器人的最大特点是配有一个兼有控制运算与编程语言功能的VAL软件系统,可用以进行离线或联机编程,对机械手进行实时控制。
PUMA机器人的示教控制方式有直接与间接两种方法。使机械臂处于“free”状态后,各关节自由松弛,操作人员可一边带动机械手按需要的轨迹移动,一边按动示教盒上的“Record”按钮,VAL控制系统自动记录按动按钮时机器人手腕的坐标位置,同时,自动编辑运动过程的程序。操作人员也可运用VAL系统的编辑功能间接编制运行程序,经CRT终端键入计算机,随即运行,或存入软盘,需要时输入。但程序中的位置变量一般则是另外通过手动控制机械手实际地设定赋值的,示教盒上有相应的按钮能操纵机器人相对于“Joint”坐标系、“World”坐标系或“Tool”坐标系运动。
VAL系统对于位置控制采用两种轨迹插补方式。关节插补运动(Joint interpolation motion):根据当前位置点与下一位置点间坐标差值,按照一定的算法,给每个关节分配应变化的角度。各关节同时转动,以不同的速度同时到达。机器人手爪端部轨迹为一复杂的曲线。直线插补运动(Straight line motion):实际上是将两点间的直线轨迹分成很小的间隔,然后再对各个关节的角度变量进行复杂的变换运算。其中必须保证各插补点附近轨迹要平滑,即速度和加速度的连续性。对于复杂曲线的连续轨迹要求,可以设定足够多的关键点,再运用直线插补运动得到实现。对于焊接等作业,VAL系统也有专门的指令调用生成圆弧轨迹的子程序。

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