下面重點(diǎn)對(duì)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、感知系統(tǒng)作出介紹。

　　2.機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

    工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，按動(dòng)力源分為液壓，氣動(dòng)和電動(dòng)三大類(lèi)。根據(jù)需要也可由這三種基本類(lèi)型組合成復(fù)合式的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。這三類(lèi)基本驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的各有自己的特點(diǎn)。

    液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：由于液壓技術(shù)是一種比較成熟的技術(shù)。它具有動(dòng)力大、力(或力矩)與慣量比大、快速響應(yīng)高、易于實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)等特點(diǎn)。適于在承載能力大，慣量大以及在防焊環(huán)境中工作的這些機(jī)器人中應(yīng)用。但液壓系統(tǒng)需進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換(電能轉(zhuǎn)換成液壓能)，速度控制多數(shù)情況下采用節(jié)流調(diào)速，效率比電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)低。液壓系統(tǒng)的液體泄泥會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染，工作噪聲也較高。因這些弱點(diǎn)，近年來(lái)，在負(fù)荷為100kg以下的機(jī)器人中往往被電動(dòng)系統(tǒng)所取代。

    青島華東工程機(jī)械有限公司研制的全液壓重載機(jī)器人如圖所示。其大跨度的承載可達(dá)到2000kg，機(jī)器人的活動(dòng)半徑可達(dá)到近6m，應(yīng)用在鑄鍛行業(yè)。

全液壓重載機(jī)器人

    氣壓驅(qū)動(dòng)具有速度快、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維修方便、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。但是由于氣壓裝置的工作壓強(qiáng)低，不易精確定位，一般僅用于工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)。氣動(dòng)手抓、旋轉(zhuǎn)氣缸和氣動(dòng)吸盤(pán)作為末端執(zhí)行器可用于中、小負(fù)荷的工件抓取和裝配。氣動(dòng)吸盤(pán)和氣動(dòng)機(jī)器人手爪如圖所示。

氣動(dòng)吸盤(pán)和氣動(dòng)機(jī)器人手爪

    電機(jī)驅(qū)動(dòng)是現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人的一種主流驅(qū)動(dòng)方式，分為4大類(lèi)電機(jī)：直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和直線(xiàn)電機(jī)。直流伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)采用閉環(huán)控制，一般用于高精度、高速度的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)；步進(jìn)電機(jī)用于精度和速度要求不高的場(chǎng)合，采用開(kāi)環(huán)控制；直線(xiàn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)在技術(shù)上已日趨成熟，已具有傳統(tǒng)傳動(dòng)裝置無(wú)法比擬的優(yōu)越性能，例如適應(yīng)非常高速和非常低速應(yīng)用、高加速度，高精度，無(wú)空回、磨損小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)需減速機(jī)和齒輪絲杠聯(lián)軸器等。鑒于并聯(lián)機(jī)器人中有大量的直線(xiàn)驅(qū)動(dòng)需求，因此直線(xiàn)電機(jī)在并聯(lián)機(jī)器人領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。

　　3.機(jī)器人的感知系統(tǒng)

    機(jī)器人感知系統(tǒng)把機(jī)器人各種內(nèi)部狀態(tài)信息和環(huán)境信息從信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)器人自身或者機(jī)器人之間能夠理解和應(yīng)用的數(shù)據(jù)、信息，除了需要感知與自身工作狀態(tài)相關(guān)的機(jī)械量，如位移、速度、加速度、力和力矩外，視覺(jué)感知技術(shù)是工業(yè)機(jī)器人感知的一個(gè)重要方面。

    視覺(jué)伺服系統(tǒng)將視覺(jué)信息作為反饋信號(hào)，用于控制調(diào)整機(jī)器人的位置和姿態(tài)。這方面的應(yīng)用主要體現(xiàn)在半導(dǎo)體和電子行業(yè)。機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)還在質(zhì)量檢測(cè)、識(shí)別工件、食品分揀、包裝的各個(gè)方面得到了廣泛應(yīng)用。

    通常，機(jī)器人視覺(jué)伺服控制是基于位置的視覺(jué)伺服或者基于圖像的視覺(jué)伺服，它們分別又稱(chēng)為三維視覺(jué)伺服和二維視覺(jué)伺服，這兩種方法各有其優(yōu)點(diǎn)和適用性，同時(shí)也存在一些缺陷，于是有人提出了2.5維視覺(jué)伺服方法。

    基于位置的視覺(jué)伺服系統(tǒng)，利用攝像機(jī)的參數(shù)來(lái)建立圖像信息與機(jī)器人末端執(zhí)行器的位置/姿態(tài)信息之間的映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人末端執(zhí)行器位置的閉環(huán)控制。末端執(zhí)行器位置與姿態(tài)誤差由實(shí)時(shí)拍攝圖像中提取的末端執(zhí)行器位置信息與定位目標(biāo)的幾何模型來(lái)估算，然后基于位置與姿態(tài)誤差，得到各關(guān)節(jié)的新位姿參數(shù)?；谖恢玫囊曈X(jué)伺服要求末端執(zhí)行器應(yīng)始終可以在視覺(jué)場(chǎng)景中被觀測(cè)到，并計(jì)算出其三維位置姿態(tài)信息。消除圖像中的干擾和噪聲是保證位置與姿態(tài)誤差計(jì)算準(zhǔn)確的關(guān)鍵。

    二維視覺(jué)伺服通過(guò)攝像機(jī)拍攝的圖像與給定的圖像（不是三維幾何信息）進(jìn)行特征比較，得出誤差信號(hào)。然后，通過(guò)關(guān)節(jié)控制器和視覺(jué)控制器和機(jī)器人當(dāng)前的作業(yè)狀態(tài)進(jìn)行修正，使機(jī)器人完成伺服控制。相比三維視覺(jué)伺服，二維視覺(jué)伺服對(duì)攝像機(jī)及機(jī)器人的標(biāo)定誤差具有較強(qiáng)的魯棒性，但是在視覺(jué)伺服控制器的設(shè)計(jì)時(shí)，不可避免地會(huì)遇到圖像雅克比矩陣的奇異性以及局部極小等問(wèn)題。

    針對(duì)三維和二維視覺(jué)伺服方法的局限性，F(xiàn).Chaumette等人提出了2.5維視覺(jué)伺服方法。它將攝像機(jī)平動(dòng)位移與旋轉(zhuǎn)的閉環(huán)控制解耦，基于圖像特征點(diǎn)，重構(gòu)物體三維空間中的方位及成像深度比率，平動(dòng)部分用圖像平面上的特征點(diǎn)坐標(biāo)表示。這種方法能成功地把圖像信號(hào)和基于圖像提取的位姿信號(hào)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，并綜合他們產(chǎn)生的誤差信號(hào)進(jìn)行反饋，很大程度上解決了魯棒性、奇異性、局部極小等問(wèn)題。但是，這種方法仍存在一些問(wèn)題需要解決，如怎樣確保伺服過(guò)程中參考物體始終位于攝像機(jī)視野之內(nèi)，以及分解單應(yīng)性矩陣時(shí)存在解不唯一等問(wèn)題。

    在建立視覺(jué)控制器模型時(shí)，需要找到一種合適的模型來(lái)描述機(jī)器人的末端執(zhí)行器和攝像機(jī)的映射關(guān)系。圖像雅克比矩陣的方法是機(jī)器人視覺(jué)伺服研究領(lǐng)域中廣泛使用的一類(lèi)方法。圖像的雅克比矩陣是時(shí)變的，所以，需要在線(xiàn)計(jì)算或估計(jì)。

　　4.機(jī)器人關(guān)鍵基礎(chǔ)部件

    機(jī)器人共4大組成部分，本體成本占22%，伺服系統(tǒng)占24%，減速器占36%，控制器占12%。機(jī)器人關(guān)鍵基礎(chǔ)部件是指構(gòu)成機(jī)器人傳動(dòng)系統(tǒng)，控制系統(tǒng)和人機(jī)交互系統(tǒng)，對(duì)機(jī)器人性能起到關(guān)鍵影響作用，并具有通用性和模塊化的部件單元。機(jī)器人關(guān)鍵基礎(chǔ)部件主要分成以下三部分：高精度機(jī)器人減速機(jī)，高性能交直流伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器，高性能機(jī)器人控制器等。

　　1）減速機(jī)

    減速機(jī)是機(jī)器人的關(guān)鍵部件，目前主要使用兩種類(lèi)型的減速機(jī)：諧波齒輪減速機(jī)和RV減速機(jī)。

減速機(jī)應(yīng)用在機(jī)器人關(guān)節(jié)處

    諧波傳動(dòng)方法由美國(guó)發(fā)明家C.WaltMusser于20世紀(jì)50年代中期發(fā)明。諧波齒輪減速機(jī)主要由波發(fā)生器、柔性齒輪和剛性齒輪3個(gè)基本構(gòu)件組成，依靠波發(fā)生器使柔性齒輪產(chǎn)生可控彈性變形，并與剛性齒輪相嚙合來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，單級(jí)傳動(dòng)速比可達(dá)70～1000，借助柔輪變形可做到反轉(zhuǎn)無(wú)側(cè)隙嚙合。與一般減速機(jī)比較，輸出力矩相同時(shí)，諧波齒輪減速機(jī)的體積可減小2/3，重量可減輕1/2。柔輪承受較大的交變載荷，因而其材料的抗疲勞強(qiáng)度、加工和熱處理要求較高，制造工藝復(fù)雜，柔輪性能是高品質(zhì)諧波齒輪減速機(jī)的關(guān)鍵。

諧波齒輪減速機(jī)傳動(dòng)原理

    德國(guó)人LorenzBaraen于1926年提出擺線(xiàn)針輪行星齒輪傳動(dòng)原理，日本帝人株式會(huì)社（TEIJINSEIKICo.，Ltd）于20世紀(jì)80年代率先開(kāi)發(fā)了RV減速機(jī)。RV減速機(jī)由一個(gè)行星齒輪減速機(jī)的前級(jí)和一個(gè)擺線(xiàn)針輪減速機(jī)的后級(jí)組成。相比于諧波齒輪減速機(jī)，RV減速機(jī)具有更好的回轉(zhuǎn)精度和精度保持性。

減速機(jī)

    陳仕賢發(fā)明了活齒傳動(dòng)技術(shù)。第四代活齒傳動(dòng)——全滾動(dòng)活齒傳動(dòng)（oscillatory roller transmission，ORT）已成功地應(yīng)用到多種工業(yè)產(chǎn)品中。在ORT基礎(chǔ)上提出的復(fù)式滾動(dòng)活齒傳動(dòng)（compound oscillatory roller transmission，CORT）不但具有RV傳動(dòng)類(lèi)似的優(yōu)點(diǎn)，而且克服了RV傳動(dòng)曲軸軸承受力大、壽命低的缺點(diǎn)，進(jìn)一步提高了使用壽命和承載能力；CORT的結(jié)構(gòu)使其在同樣的精度指標(biāo)下回差更小，運(yùn)動(dòng)精度和剛度更高，緩解了RV傳動(dòng)要求制造精度高的缺陷，可相對(duì)降低加工要求，減少制造成本。CORT是我國(guó)自主開(kāi)發(fā)的，擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。鞍山耐磨合金研究所和浙江恒豐泰減速機(jī)制造有限公司均開(kāi)發(fā)成功了機(jī)器人用CORT減速機(jī)。

ORT減速機(jī)

CORT減速機(jī)

    目前在高精度機(jī)器人減速機(jī)方面，市場(chǎng)份額的75%均兩家日本減速機(jī)公司壟斷，分別為提供RV擺線(xiàn)針輪減速機(jī)的日本Nabtesco和提供高性能諧波減速機(jī)的日本Harmonic Drive。包括 ABB, FANUC, KUKA,MOTOMAN在內(nèi)國(guó)際主流機(jī)器人廠(chǎng)商的減速機(jī)均由以上兩家公司提供，與國(guó)內(nèi)機(jī)器人公司選擇的通用機(jī)型有所不同的是，國(guó)際主流機(jī)器人廠(chǎng)商均與上述兩家公司簽訂了戰(zhàn)略合作關(guān)系，提供的產(chǎn)品大部分為在通用機(jī)型基礎(chǔ)上根據(jù)各廠(chǎng)商的特殊要求進(jìn)行改進(jìn)后的專(zhuān)用型號(hào)。國(guó)內(nèi)在高精度擺線(xiàn)針輪減速機(jī)方面研究起步較晚，僅在部分院校，研究所有過(guò)相關(guān)研究。目前尚無(wú)成熟產(chǎn)品應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人。近年來(lái)國(guó)內(nèi)部分廠(chǎng)商和院校開(kāi)始致力高精度擺線(xiàn)針輪減速機(jī)的國(guó)產(chǎn)化和產(chǎn)業(yè)化研究，如浙江恒豐泰，重慶大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津減速機(jī)廠(chǎng)，秦川機(jī)床廠(chǎng)，大連鐵道學(xué)院等。在諧波減速機(jī)方面，國(guó)內(nèi)已有可替代產(chǎn)品，如北京中技克美，北京諧波傳動(dòng)所，但是相應(yīng)產(chǎn)品在輸入轉(zhuǎn)速，扭轉(zhuǎn)高度，傳動(dòng)精度和效率方面與日本產(chǎn)品還存在不小的差距，在工業(yè)機(jī)器人上的成熟應(yīng)用還剛剛起步。