工业机器人技术及关键基础部件
工业机器人技术及关键基础部件分析
等驱动器信号实时采
总线
持 Synqnet
集）
总线
振动抑 速度回路含有陷波 含有各种常 含有各种常规 含有各种常规 含有各种常规滤波器 含有各种常规滤波器
制
滤波器，低通滤波 规滤波器，速 滤波器
滤波器及速度
器，指令平滑滤波，度波动较小。
观测器
编码器信号噪声滤 动态响应能
波
力强
位置回路含有半主 动抑振滤波器（输 入整形滤波器）
（2）机器人关键基础部件国内外发展趋势（技术、产业）；
在机器人高精度谐波减速机方面, 在其齿轮传动中采用双圆弧齿廓，可以有效改善柔轮齿根的应力状 况和传动啮合质量，提高承载能力、扭转刚度和柔轮疲劳寿命，并可降低最小传动比。日本的 IH 齿 形是基于余弦凸轮波发生器开发的双圆弧齿形，由于采用近似方法设计，应用初期出现了齿廓干涉等 问题，但是到 1990 年代初期已经基本完善。目前，日本谐波传动系统有限公司的谐波产品有十几个 类型，二十多个系列，最小传动比为 30，型号中带有字母“S”的，其齿形为双圆弧齿形，产品垄断了 主要国际市场。其中超短杯型号 CSD 和 SHD，其柔轮长度仅有常规谐波传动柔轮的 1/3，既增加传 动刚度，又大幅度减轻了谐波减速器重量。此外，在谐波传动轻量化技术方面，采用铝等轻合金材料 制造波发生器与减速器壳体等方式，减薄刚轮外缘以及改进连接结构等形式，使整机重量大幅度减 轻。 相比于谐波减速机，RV 减速机具有更高的高度和回转精度，目前其发展方向是如何通过对内 部轴承的配置，材料和热处理工艺的改进，增加减速机的扭转刚度，最大抗弯弯矩，以及提高在频繁 加减速等恶劣工况下的使用寿命。
0.25~15KW
力矩特 低速(<100rpm) 低速
低速
工业机器人基础及应用技术
工业机器人基础及应用技术工业机器人是一种用于执行各种自动化任务的电子、机械和计算机技术的综合体。
它能够代替人力完成重复性、繁琐的工作，提高工作效率和准确性。
随着科技的发展和应用的普及，工业机器人已经成为各大工业生产领域的重要工具。
工业机器人基础技术主要包括机器人的控制系统、传动系统、传感器系统、运动规划和编程等。
控制系统通常包括主控制器、电源、机器人臂、末端执行器等组件。
传动系统为机器人提供动力和运动控制，通常由电机、减速器、齿轮、传动带等组件构成。
传感器系统用于检测、测量和判断机器人的状态和环境，包括力传感器、视觉传感器、温度传感器等。
运动规划和编程则是实现机器人自动化的核心技术，决定了机器人的执行能力和效率。
工业机器人的应用技术主要包括装配、搬运、喷涂、焊接、加工等方面。
在装配方面，机器人能够帮助厂商实现高效、准确、一致的产品装配工作。
在搬运方面，机器人能够承担重量大、体积大、危险或昂贵的物品搬运工作。
在喷涂方面，机器人能够完成涂漆等表面涂覆工作，具有高度一致性和高效率的优点。
在焊接方面，机器人能够完成各种类型的焊接工作，包括点焊、焊接线圈、贴合等。
在加工方面，机器人能够根据所需的具体形状和尺寸来切割、钻孔、砂磨等加工工作，同时还能够实现不同材料的加工。
在工业机器人的应用领域中，各种机器人都有其特殊的使用途径和优点。
例如，SCARA机器人的高速度、高精度，适用于装配和喷涂等工作；轨道式机器人的占地面积小、运行轨道固定，适用于搬运和装载等工作；Delta机器人的高速、高精度和大范围，适用于自动化包装工作；并且协作机器人能够协同工作，与人类同事共同完成任务，进一步提高生产效率和质量。
总之，工业机器人的基础和应用技术不断发展，为工业自动化生产领域带来了前所未有的机遇和挑战。
未来，工业机器人将会更加强大和智能化，不断为工业生产领域提供更优质、更高效的服务。
工业机器人的五种关键零部件
工业机器人的五种关键零部件工业机器人是先进制造业的关键支撑装备。
大力发展工业机器人产业，对于打造中国制造新优势，推动工业转型升级，加快制造强国建设具有重要意义。
发展工业机器人，要重点打造六种标志性产品，五种关键零部件，四种基本能力。
本期中发智造为大家介绍五种关键零部件——高精密减速器、高性能机器人专用伺服电机和驱动器、高速高性能控制器、传感器、末端执行器。
一、高精密减速器精密减速器，在机械传动领域是连接动力源和执行机构之间的中间装置，通常它把电动机、内燃机等高速运转的动力通过输入轴上的小齿轮，啮合输出轴上的大齿轮，从而达到降低转速，增加转矩的目的。
没有减速器，机器人关节臂就不能正常运转。
精密减速机根据精度可分为标准精度和高精度；根据用途可分为军用和民用；根据运行的环境可分为标准环境、低温环境、清洁室环境和真空环境。
目前国际上具备大规模生产能力且产品性能可靠的RV减速器制造企业较少，全球绝大多数市场份额已被日本企业占据。
国产减速器价格虽然便宜，供货期短，但产品性能与国外产品存在较大差距。
因此，国产减速器大多只能供给中、低端机器人使用，无法满足高端机器人市场需求。
为此，《机器人发展规划》明确，通过发展高强度耐磨材料技术、加工工艺优化技术、高速润滑技术、高精度装配技术、可靠性，探索寿命检测技术以及新型传动机理，发展适合机器人应用的高效率、低重量、长期免维护的系列化减速器。
二、高性能机器人专用伺服电机和驱动器伺服电机作为控制系统中的执行元件，是影响机器人工作性能的主要因素之一。
机器人伺服系统由伺服电机、伺服驱动器、指令机构三大部分构成，伺服电机是执行机构，就是靠它来实现运动的，伺服驱动器是伺服电机的功率电源，指令机构是发脉冲或者给速度用于配合伺服驱动器正常工作的。
目前，高启动转矩、大转矩、低惯量的交、直流伺服电动机在工业机器人中得到广泛的应用。
国产伺服电机在以下方面仍需突破：一是外形普遍较长，外观粗糙，很难应用在一些高档机器人上面。
工业机器人的系统组成部分及基本结构
工业机器人的系统组成部分及基本结构工业机器人是一种使用于工业生产中的自动化机器。
它由多个组成部分组成，每个部分都起着重要的作用，以确保机器人的正常运行和高效生产。
工业机器人的基本结构包括机械结构、电气控制系统和程序控制系统。
机械结构是工业机器人的基本框架，通常由臂和手构成。
臂部通常由几个可自由移动的关节连接而成，以模拟人类的手臂运动。
手部通常包括夹具、工具或感应器等，用于操作和处理物体。
机械结构的设计使机器人能够执行精确的运动和操作，满足各种生产需求。
电气控制系统是工业机器人的大脑，负责监控和控制机器人的运动。
它包括电机、传感器、执行器和控制器等元件。
电机驱动机械结构的运动，传感器监测环境和物体的状态，执行器控制机械结构的执行动作，而控制器则负责协调和控制各个部件的工作。
电气控制系统的好坏直接影响机器人的运行效果和精度。
程序控制系统是工业机器人的智能部分，负责控制机器人执行特定的任务。
它包括机器人的操作系统、编程界面和算法。
操作系统提供机器人的基本功能和用户界面，编程界面使操作员能够以编程的方式控制和指导机器人的动作，而算法则是根据具体任务要求和机器人能力所设计的一系列算法流程。
程序控制系统的精确性和稳定性决定了机器人的执行能力和任务完成质量。
除了以上三个基本部分，工业机器人还可以配备其他辅助设备，如视觉系统、定位系统、激光测距系统等，以提高机器人的感知和定位能力。
工业机器人的系统组成部分包括机械结构、电气控制系统和程序控制系统。
这些部分相互配合，使机器人能够高效地执行各种任务，提高生产效率和产品质量。
工业机器人的基本组成及技术参数
2
智能传感器的使用提高 了机器人的机动性、适 应性和智能化的水准。 智能传感器的使用提高了 机器人的机动性、适应性 和智能化的水准。
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机器人系统组成分析
驱动系统
机械结构系统 感受系统 机器人－环境交互系统
人机交互系统 控制系统
4、机器人－环境交互系统
1、机器人-环境交互系统是实现工业机器人与外部环境中的设备相 互联系和协调的系统。 2、工业机器人与外部设备集成为一个功能单元
o
o
工作空间（Working space）：机器人 手腕参考点或末端操作器安装点（不 包括末端操作器）所能到达的所有空 间区域，一般不包括末端操作器本身 所能到达的区域。
3．工作范围:
指机器人末端操作器所能到达的区 域。
4．工作速度：
指机器人各个方向的移动速度或 转动速度。这些速度可以相同，可以 不同。
（d）平面型
关节坐标式
习 题
1. 简述工业机器人的定义。
2. 简述工业机器人的主要应用场合。 这些场合有什么特
点？ 3. 说明工业机器人的基本组成及各部分之间的关系。 4. 简述工业机器人各参数的定义: 自由度、 重复定位精 度、工作范围、工作速度、承载能力。 5. 工业机器人按坐标形式分为哪几类? 各有什么特点？
机构运动简图
（a）表示手指（末端执行器）； （b）表示垂直、升降运动； （c）表示水平伸缩运动； （d）表示回转运动； （e）表示俯仰运动。
注意：不同的书上，运动简图的符号表示可能不一样。
直角坐标式
圆柱坐标式
球坐标式
3 6 2 4
3
4 6 5
5
1
2
1
（a）直接驱动型
（b）平行连杆型
工业机器人技术基础工业机器人的组成PPT课件
•
工业机器人的机械结构又称执行机构，也称操作机，通常
由杆件和关节组成。
肘 肩
• 从功能角度，执行机构可分为：
臂
腰
腕
机 座
6
二、机械部分 1.机械结构系统
工业机器人
机械结构 手部 腕部 臂部 腰部 机座
手部：末端执行器，其作用是直接抓取和 放置物件。 腕部：连接手部和臂部的部件，其作用是 调整或改变手部的姿态。
本节主要借鉴论文 《山东海洋渔业资源问题分析及其可持续发展策略》 （傅秀梅 戴桂林 管华诗）和《山东海洋渔业的现代化及其科技发展对策》 （山东海洋经济技术研究会)
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渔业资源利用过程中面临的问题
山东省海洋渔业发展
渔业生态环境恶化
➢ 由于沿海城市工业和生活污水的排放以及养殖自污染,导致海洋生态环境恶 化和海底植被荒漠化； ➢ 近岸局部水域富营养化,赤潮等海洋灾害频发,严重影响了渔业的发展。 ➢ 养殖量大大超过环境容纳量，种质退化，养殖病害不断。
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四、传感部分 1. 感受系统
• 感受系统包括内部检测系统与外部检测系统两部分。 • 内部检测系统的作用就是通过各种检测器，检测执行机
构的运动境况，根据需要反馈给控制系统，与设定值进 • 外行部比检测较系后统对检测执机行器机人所构处进环行境、调外整部以保证其动作符合设计要
物求体。状态或机器人与外部物体的关系。
• 臂部：手臂，用以连接 腰部和腕部，用以带动 腕部运动。
• 腰部：立柱，是支撑手 臂的部件，其作用是带 动臂部运动，与臂部运 动结合，把腕部传递到 需到的工作位置。
• 机座（行走机构）：机 7 座是机器人的支持部分，
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历史上的山东省海洋渔业发展概况
山东省海洋渔业发展
工业机器人的组成和分类
工业机器人的组成和分类工业机器人是由以下几个主要部分组成的：1. 机器体：机器体是机器人的主体部分，通常由金属材料制成，具有足够的强度和刚度来支持机器人的运动和操作。
2. 关节：关节是连接机器体的活动部件，用于实现机器人的多自由度运动。
关节通常由电机、减速器和传动机构组成，可以控制机器人的运动范围和速度。
3. 末端执行器：末端执行器是机器人的“手”，用于实现具体的操作任务。
末端执行器可以是夹持器、焊枪、喷涂枪等工具，也可以是传感器，用于检测和测量物体的属性。
4. 控制系统：控制系统是机器人的大脑，用于控制机器人的运动和操作。
控制系统通常由电脑、控制器和传感器组成，可以接收和处理来自外部的指令，并实时监测机器人的状态和环境。
5. 传感器：传感器是用于感知机器人周围环境的装置，可以获取物体位置、形状、颜色等信息，以及环境的温度、湿度、压力等参数。
传感器的数据可以帮助机器人做出合理的决策和动作。
根据机器人的功能和应用领域，工业机器人可以分为以下几类：1. 搬运机器人：主要用于物料搬运和装卸作业，通常配备有夹持器或吸盘等设备，可以自动将物体从一个位置搬运到另一个位置。
2. 焊接机器人：用于焊接金属零件和构件，可以通过程序控制实现高精度的焊接操作，提高焊接效率和质量。
3. 组装机器人：主要用于产品的组装和安装，可以根据拼装工艺和要求，自动进行零部件的装配。
5. 包装机器人：用于产品的包装和封装，可以自动将产品装入包装盒或袋中，并进行封口和封装操作。
6. 检测机器人：用于对产品进行质量检测和测量，可以通过传感器获取产品的尺寸、重量、外观等数据，并进行分析和比对。
工业机器人根据其功能和应用的不同，可以完成各种各样的工业操作和生产任务，提高生产效率和质量，并减少对人力资源的依赖。
工业机器人组成结构
工业机器人组成结构工业机器人是用于自动化生产的专用机器人，广泛应用于各个领域的生产线上。
它们通常由多个组成结构组成，这些组成结构相互配合，完成各种任务。
本文将从机器人的结构角度，介绍工业机器人的组成。
一、基座和臂部工业机器人的基座是机器人的底座，用于支撑整个机器人的重量。
基座通常由稳固的金属材料构成，以确保机器人的稳定性。
臂部是工业机器人的核心部分，类似于人的手臂，用于完成各种动作。
臂部通常由多个关节和伺服电机组成，通过电动和机械结构实现运动。
二、关节和驱动装置工业机器人的关节是机器人臂部的连接点，通过关节的运动，实现机器人的灵活移动和动作执行。
关节通常由电动机、减速器和传动装置组成，通过不同的控制方式实现精确的运动控制。
驱动装置则是提供动力的装置，通常是电动机，用于驱动关节的运动。
三、末端执行器末端执行器是工业机器人的“手”，用于抓取、搬运、装配等操作。
末端执行器的形式多种多样，根据不同的任务需求，可以使用机械夹具、吸盘、磁铁等不同的装置。
末端执行器通常与机器人的关节相连，通过关节的运动，实现末端执行器的动作。
四、传感器系统工业机器人的传感器系统用于感知周围环境，以实现更加精确的运动控制和操作。
传感器系统包括视觉传感器、力传感器、接触传感器等多种类型，通过感知外部环境的信息，机器人可以根据需要调整自身的运动和操作方式。
五、控制系统控制系统是工业机器人的大脑，用于控制机器人的运动、操作和任务执行。
控制系统通常由计算机、控制器和编程软件组成，通过预先编写的程序和算法，实现机器人的自动化操作。
控制系统可以实现机器人的速度控制、轨迹规划、碰撞检测等功能，确保机器人的安全和高效运行。
六、安全装置工业机器人在操作过程中需要考虑安全问题，以防止对操作人员和设备的伤害。
为此，工业机器人通常配备了各种安全装置，包括急停按钮、光栅传感器、防护罩等。
这些安全装置可以监测和检测机器人周围的环境，及时停止机器人的运动，避免事故的发生。
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工业机器人技术及关键基础部件
1．工业机器人技术及关键基础部件
（1）机器人关键基础部件定义、分类及市场占有率；
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，对机器人性能起到关键影响作用，并具有通用性和模块化的部件单元。
机器人关键基础部件主要分成以下三部分：高精度机器人减速机，高性能交直流伺服电机和驱动器，高性能机器人控制器等。
目前在高精度机器人减速机方面，市场份额的75%均两家日本减速机公司垄断，分别为提供RV摆线针轮减速机的日本Nabtesco和提供高性能谐波减速机的日本Harmonic Drive.包括ABB, FANUC, KUKA,MOTOMAN在内国际主流机器人厂商的减速机均由以上两家公司提供，与国内机器人公司选择的通用机型有所不同的是，国际主流机器人厂商均与上述两家公司签订了战略合作关系，提供的产品大部分为在通用机型基础上根据各厂商的特殊要求进行改进后的专用型号。
国内在高精度摆线针轮减速机方面研究起步较晚，仅在部分院校，研究所有过相关研究。
目前尚无成熟产品应用于工业机器人。
近年来国内部分厂商和院校开始致力高精度摆线针轮减速机的国产化和产业化研究，如浙江恒丰泰，重庆大学机械传动国家重点实验室，天津减速机厂，秦川机床厂，大连铁道学院等。
在谐波减速机方面，国内已有可替代产品，如北京中技克美，北京谐波传动所，但是相应产品在输入转速，扭转高度，传动精度和效率方面与日本产品还存在不小的差距，在工业机器人上的成熟应用还刚刚起步。
在伺服电机和驱动方面，目前欧系机器人的驱动部分主要由伦茨，Lust，博世力士乐等公司提供，这些欧系电机及驱动部件过载能力，动态响应好，驱动器开放性强，且具有总线接口，但是价格昂贵。
而日系品牌工业机器人关键部件主要由安川，松下，三菱等公司提供，其价格相对降低，但是动态响应能力较差，开放性较差，且大部分只具备模拟量和脉冲控制方式。
国内近年来也开展了大功率交流永磁同步电机及驱动部分基础研究和产业化，如哈尔滨工业大学，北京和利时，广州数控等单位，并且具备了一点的生产能力，但是其动态性能，开放性和可靠性还需要更多的实际机器人项目应用进行验证。
在机器人控制器方面，目前国外主流机器人厂商的控制器均为在通用的多轴运动控制器平台基础上进行自主研发。
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加实时系统为核心的软PLC系统，其代表分别是Delta Tau的PMAC卡和Beckhoff的TwinCAT系统。
国内的在运动控制卡方面，固高公司已经开发出相应成熟产品，但是在机器人上的应用还相对较少。
（2）机器人关键基础部件国内外发展趋势（技术、产业）；
在机器人高精度谐波减速机方面, 在其齿轮传动中采用双圆弧齿廓，可以有效改善柔轮齿根的应力状况和传动啮合质量，提高承载能力、扭转刚度和柔轮疲劳寿命，并可降低最小传动比。
日本的IH齿形是基于余弦凸轮波发生器开发的双圆弧齿形，由于采用近似方法设计，应用初期出现了齿廓干涉等问题，但是到1990年代初期已经基本完善。
目前，日本谐波传动系统有限公司的谐波产品有十几个类型，二十多个系列，最小传动比为30，型号中带有字母“S”的，其齿形为双圆弧齿形，产品垄断了主要国际市场。
其中超短杯型号CSD和SHD，其柔轮长度仅有常规谐波传动柔轮的1/3，既增加传动刚度，又大幅度减轻了谐波减速器重量。
此外，在谐波传动轻量化技术方面，采用铝等轻合金材料制造波发生器与减速器壳体等方式，减薄刚轮外缘以及改进连接结构等形式，使整机重量大幅度减轻。
相比于谐波减速机，RV减速机具有更高的高度和回转精度，目前其发展方向是如何通过对内部轴承的配置，材料和热处理工艺的改进，增加减速机的扭转刚度，最大抗弯弯矩，以及提高在频繁加减速等恶劣工况下的使用寿命。
在机器人伺服电机和驱动器方面，机器人专用化的伺服电机和驱动器将成为发展趋势，即在普通通用伺服电机和驱动器的基础上，根据机器人的高速，重载，高精度等应用要求，增加驱动器和电机的瞬
⑤对采用国产机器人的应用工程给予一定时期(3一5年)的减免税优惠，或对典型的应用工程系统，经申请、核准予以经费支持，以扶持整个产业的发展。