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“工业机器人”详解我们从工业机器人的发展背景说起(值得收藏)
工业机器人广泛使用在产业制造上，汽车制造、电器、食品等，能替代反复机器式操纵工作，是靠本身动力和控制才能来实现种种功用的一种机器。它能够承受人类指挥，也能够按照事先编排的程序运转。如今我们讲讲工业机器人基本主要构成部分。
一、工业机器人的发展背景
1920年，捷克剧作家卡里洛·奇别克在其科幻剧本《罗萨姆万能机器人制造公司》（Rossum's Universal Robots）首次使用了ROBOT这个名词，之后便成为机器人的代名词。
1938年3月，The Meccano Magazine报道了一款搬运机器人模型，这是最早的关于以工业应用为目标的机器人模型的报道。它由GriffithP．Taylor于1935年设计，可以通过一个电动机实现5个轴的运动。到了1954年，美国的G.C.Devol设计出第一台电子可编程序的工业机器人。而1960年美国AMF公司生产了柱坐标型Versatran机器人，可进行点位和轨迹控制，这是世界上第一种应用于工业生产的机器人。
在1974年，Cincinnati Milacron公司成功开发了多关节机器人。到了1979年，Unimation公司推出PUMA机器人，它是一种多关节、全电机驱动、多CPU二级控制的机器人，采用VAL专用语言，可配视觉、触觉、力觉传感器，在当时是技术最先进的工业机器人。现在的工业机器人在结构上大体都以此为基础。这一时期的机器人属于“示教再现”（Teach-in/Playback）型机器人，只具有记忆、存储能力，按相应程序重复作业，对周围环境基本没有感知与反馈控制能力。
进入80年代，随着传感技术，包括视觉传感器、非视觉传感器以及信息处理技术的发展，出现了第二代机器人——有感觉的机器人。它能够获得作业环境和作业对象的部分相关信息，进行一定的实时处理，引导机器人进行作业。第二代机器人已在工业生产中得到了广泛应用。
目前各国正在研究的“智能机器人”，它不仅具有比第二代机器人更加优秀的环境感知能力，而且还具有逻辑思维、判断和决策能力，可根据作业要求与环境信息自主地进行工作。
二、工业机器人的应用场景
自从20世纪60年代初人类创造了第一台工业机器人以后，机器人就显示出它极大的生命力，在短短50多年的时间中，机器人技术得到了迅速的发展，在众多制造业领域中，工业机器人应用最广泛的领域是汽车及汽车零部件制造业，并且正在不断地向其他领域拓展，如机械加工行业、电子电气行业、橡胶及塑料工业、食品工业、木材与家具制造业等领域中。在工业生产中，焊接机器人、磨抛加工机器人、焊接机器人、激光加工机器人、喷涂机器人、搬运机器人、真空机器人等工业机器人都已被大量采用。下面是对工业机器人的应用场景及技术特点的一些介绍。
工业机器人的应用场景
三、工业机器人现状
伴随着工业机器人的日渐兴起，“机器换人”将成为趋势。富士康此前曾宣布，将在三年内购置百万台机器人，预计到2016年将在山西晋城建成“世界最大智能化机器人生产基地”。
汽车、电子、食品、化工、塑胶橡胶、金属制品六大制造行业，被看做是当前应用工业机器人的主要领域，机构预测未来会有100万～200万台的年需求量，占中国工业机器人市场需求的七成左右。
截至今年9月份，整个中国机器人企业已达近420多家。另外，目前中国各地正在建设逾30个机器人产业园。
工业机器人之所以能在中国市场异军突起，首先是因为在成本上，机器人通常仅为人工成本的四分之一;其次，机器人在质量、效率、管理等方面还能带来很多新的附加值。所以，在机器人技术快速提升、价格大幅下降、人工短缺、人力成本上升等因素的综合作用下，中国的工业机器人产业正处于一个井喷时代。
四、工业机器人关键技术
1.机器人基本系统构成
工业机器人由3大部分6个子系统组成。3大部分是机械部分、传感部分和控制部分。6个子系统可分为机械结构系统、驱动系统、感知系统、机器人环境交互系统、人机交互系统和控制系统。
工业机器人系统构成
1)工业机器人的机械结构系统由机座、手臂、末端操作器三大部分组成，每一个大件都有若干个自由度的机械系统。若基座具备行走机构，则构成行走机器人;若基座不具备行走及弯腰机构，则构成单机器人臂。手臂一般由上臂、下臂和手腕组成。末端操作器是直接装在手腕上的一个重要部件，它可以是二手指或多手指的手抓，也可以是喷漆枪、焊具等作业工具。
2)驱动系统，要使机器人运作起来，需要在各个关节即每个运动自由度上安置传动装置，这就是驱动系统。驱动系统可以是液压传动、气压传动、电动传动、或者把它们结合起来应用综合系统，可以是直接驱动或者通过同步带、链条、轮系、谐波齿轮等机械传动机构进行间接传动。
3)感知系统由内部传感器模块和外部传感器模块组成，用以获得内部和外部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、适应性和智能化的水准。人类的感受系统对感知外部世界信息是极其灵巧的，然而，对于一些特殊的信息，传感器比人类的感受系统更有效。
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互换联系和协调的系统。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、装配单元等。当然，也可以是多台机器人、多台机床或设备、多个零件存储装置等集成为一个去执行复杂任务的功能单元。
5)人机交换系统是操作人员与机器人控制并与机器人联系的装置，例如，计算机的标准终端，指令控制台，信息显示板，危险信号报警器等。该系统归纳起来分为两大类：指令给定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作业指令程序以及传感器反馈回来的信号支配机器人的执行机构去完成规定的运动和功能。假如工业机器人不具备信息反馈特征，则为开环控制系统;若具备信息反馈特征，则为闭环控制系统。根据控制原理，控制系统可分为程序控制系统、适应性控制系统和人工智能控制系统。根据控制运行的形式，控制系统可分为点位控制和轨迹控制。点位型只控制执行机构由一点到另一点的准确定位，适用于机床上下料、点焊和一般搬运、装卸等作业;连续轨迹型可控制执行机构按给定轨迹运动，适用于连续焊接和涂装等作业。
控制系统的任务是根据机器人的作业指令程序以及传感器反馈回来的信号支配机器人的执行机构去完成规定的运动和功能。假如工业机器人不具备信息反馈特征，则为开环控制系统;若具备信息反馈特征，则为闭环控制系统。根据控制原理，控制系统可分为程序控制系统、适应性控制系统和人工智能控制系统。根据控制运行的形式，控制系统可分为点位控制和轨迹控制。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/抓手、外围设备PLC控制柜、示教器/示教盒。
工业机器人设备
下面重点对机器人的驱动系统、感知系统作出介绍。
2.机器人的驱动系统
工业机器人的驱动系统，按动力源分为液压，气动和电动三大类。根据需要也可由这三种基本类型组合成复合式的驱动系统。这三类基本驱动系统的各有自己的特点。
液压驱动系统：由于液压技术是一种比较成熟的技术。它具有动力大、力(或力矩)与惯量比大、快速响应高、易于实现直接驱动等特点。适于在承载能力大，惯量大以及在防焊环境中工作的这些机器人中应用。但液压系统需进行能量转换(电能转换成液压能)，速度控制多数情况下采用节流调速，效率比电动驱动系统低。液压系统的液体泄泥会对环境产生污染，工作噪声也较高。因这些弱点，近年来，在负荷为100kg以下的机器人中往往被电动系统所取代。
青岛华东工程机械有限公司研制的全液压重载机器人如图所示。其大跨度的承载可达到2000kg，机器人的活动半径可达到近6m，应用在铸锻行业。
全液压重载机器人
气压驱动具有速度快、系统结构简单、维修方便、价格低等优点。但是由于气压装置的工作压强低，不易精确定位，一般仅用于工业机器人末端执行器的驱动。气动手抓、旋转气缸和气动吸盘作为末端执行器可用于中、小负荷的工件抓取和装配。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一种主流驱动方式，分为4大类电机：直流伺服电机、交流伺服电机、步进电机和直线电机。直流伺服电机和交流伺服电机采用闭环控制，一般用于高精度、高速度的机器人驱动;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，已具有传统传动装置无法比拟的优越性能，例如适应非常高速和非常低速应用、高加速度，高精度，无空回、磨损小、结构简单、无需减速机和齿轮丝杠联轴器等。鉴于并联机器人中有大量的直线驱动需求，因此直线电机在并联机器人领域已经得到了广泛应用。
3.机器人的感知系统
机器人感知系统把机器人各种内部状态信息和环境信息从信号转变为机器人自身或者机器人之间能够理解和应用的数据、信息，除了需要感知与自身工作状态相关的机械量，如位移、速度、加速度、力和力矩外，视觉感知技术是工业机器人感知的一个重要方面。
视觉伺服系统将视觉信息作为反馈信号，用于控制调整机器人的位置和姿态。这方面的应用主要体现在半导体和电子行业。机器视觉系统还在质量检测、识别工件、食品分拣、包装的各个方面得到了广泛应用。
通常，机器人视觉伺服控制是基于位置的视觉伺服或者基于图像的视觉伺服，它们分别又称为三维视觉伺服和二维视觉伺服，这两种方法各有其优点和适用性，同时也存在一些缺陷，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，利用摄像机的参数来建立图像信息与机器人末端执行器的位置/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。末端执行器位置与姿态误差由实时拍摄图像中提取的末端执行器位置信息与定位目标的几何模型来估算，然后基于位置与姿态误差，得到各关节的新位姿参数。基于位置的视觉伺服要求末端执行器应始终可以在视觉场景中被观测到，并计算出其三维位置姿态信息。消除图像中的干扰和噪声是保证位置与姿态误差计算准确的关键。
二维视觉伺服通过摄像机拍摄的图像与给定的图像(不是三维几何信息)进行特征比较，得出误差信号。然后，通过关节控制器和视觉控制器和机器人当前的作业状态进行修正，使机器人完成伺服控制。相比三维视觉伺服，二维视觉伺服对摄像机及机器人的标定误差具有较强的鲁棒性，但是在视觉伺服控制器的设计时，不可避免地会遇到图像雅克比矩阵的奇异性以及局部极小等问题。
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。它将摄像机平动位移与旋转的闭环控制解耦，基于图像特征点，重构物体三维空间中的方位及成像深度比率，平动部分用图像平面上的特征点坐标表示。这种方法能成功地把图像信号和基于图像提取的位姿信号进行有机结合，并综合他们产生的误差信号进行反馈，很大程度上解决了鲁棒性、奇异性、局部极小等问题。但是，这种方法仍存在一些问题需要解决，如怎样确保伺服过程中参考物体始终位于摄像机视野之内，以及分解单应性矩阵时存在解不唯一等问题。
在建立视觉控制器模型时，需要找到一种合适的模型来描述机器人的末端执行器和摄像机的映射关系。图像雅克比矩阵的方法是机器人视觉伺服研究领域中广泛使用的一类方法。图像的雅克比矩阵是时变的，所以，需要在线计算或估计。
4.机器人关键基础部件
1.主体
主体机械即机座和实行机构，包括大臂、小臂、腕部和手部，构成的多自由度的机械系统。有的机器人另有行走机构。工业机器人有6个自由度乃至更多腕部通俗有1～3个活动自由度。
图片来源 易观智库
2.驱动系统
工业机器人的驱动系统，按动力源分为液压，气动和电动三大类。依据需求也可由这三种范例组合并复合式的驱动系统。或者通过同步带、轮系、齿轮等机械传动机构来间接驱动。驱动系统有动力装置和传动机构，用以实行机构发生相应的动作，这三类根本驱动系统的各有特点，现在主流的是电动驱动系统。
由于低惯量，大转矩交、直流伺服电机及其配套的伺服驱动器(交换变频器、直流脉冲宽度调制器)的普遍接纳。这类系统不需能量转换，运用方便，控制灵敏。大多数电机后面需安装精细的传动机构：减速器。其齿运用齿轮的速率转换器，将电机的反转数减速到所要的反转数，并得到较大转矩的装置，从而降低转速，添加转矩,当负载较大时，一味提升伺服电机的功率是很不划算的，能够在适宜的速率范畴内通过减速器来进一步输出扭矩。伺服电机在低频运转下容易发热和出现低频振动，长时间和重复性的工作不利于确保其准确性、牢靠地运转。精细减速电机的存在使伺服电机在一个适宜的速率下运转，加强机器体刚性的同时输出更大的力矩。如今主流的减速器有两种：谐波减速器和RV减速
3.控制系统
机器人控制系统是机器人的大脑，是决定机器人功用和功能的主要要素。控制系统是按照输入的程序对驱动系统和实行机构收回指令信号，并进行控制。工业机器人控制技术的主要任务便是控制工业机器人在工作空间中的活动范围、姿势和轨迹、动作的时间等。具有编程简单、软件菜单操纵、友好的人机交互界面、在线操纵提示和运用方便等特点。
控制器系统是机器人的中心，外国有关公司对我国实验紧密封闭。连年来随着微电子技术的开展，微处置器的功能越来越高，而价钱则越来越便宜，现在市集上曾经出现了1-2美金的32位微处置器。高性价比的微处置器为机器人控制器带来了新的开展机会，使开辟低本钱、高功能的机器人控制器成为可能。为了使系统具有充足的运算与存储能力，现在机器人控制器多接纳较强的ARM系列、DSP系列、POWERPC系列、Intel系列等芯片构成。
由于已有的通用芯片功用及功能上不可以完全满足有些机器人系统在价钱、功能、集成度和接口等方面的要求，这就萌生了机器人系统对SoC（Systemon Chip）技能的需求，将特定的处置器与所需求的接口集成在一同，可简化系统外围电路的设计，减少系统尺寸，并低低成本。比方，Actel公司将NEOS或ARM7的处置器内核集成在其FPGA产品上，构成了一个完整的SoC系统。在机器人技术控制器方面，其研讨主要会合在美国和日本，并有成熟的成品，如美国DELTATAU公司、日本朋立株式会社等。其运动控制器以DSP技术为核心，采用基于PC的开放式结构。
4.感知系统
它是内部传感器模块和外部传感器模块的构成，获取内部和外部的环境状态中有意义的信息。机器人能够具备类似人类的知觉功能和反应能力的关键，正是由于传感器技术的应用。那么，一台精密的工业机器人身上拥有哪些传感器呢？
内部传感器：用来检测机器人本身状态（如手臂间的角度）的传感器，多为检测位置和角度的传感器。具体有：位置传感器、角度传感器等。
外部传感器：用来检测机器人所处环境（如检测物体，距离物体的距离）及状况（如检测抓取的物体是否滑落）的传感器。具体有距离传感器、视觉传感器、力觉传感器等。
智能传感系统的使用提高了机器人的机动性，实用性和智能化的标准，人类的感知系统对外部世界信息是机器人灵巧的，然而，对于一些特许的信息，传感器比人的系统更加有效。
视觉传感器
视觉传感器就像是机器人的眼睛，机器人在工作时通过视觉传感器对环境物体获取信息、识别物体、检测物体定位，让机器人获取目标位置。视觉一般包括三个过程：图像获取、图像处理和图像理解。目前，视觉传感器全球市场中的主流品牌有SICK、倍加福、西门子、欧姆龙、RENYWELL等。
扭矩传感器
扭矩传感器可以说是机器人中的核心部件，它可以让机器人感知力量，同时监控机械手臂上的力，根据数据分析，对机器人接下来行为作出指导，实现工业机器人的触停、示教或力控打磨。目前，高端市场中的扭矩传感器主要以欧美品牌为主，如霍尼韦尔、Futek等。
测距传感器
当机器人在完成一个抓取需要垂直的深入要抓取的位置，视觉系统通常会被遮挡无法完成识别，这就需要测距传感器来辅助定位，引导机器人完成正确抓取。
压力传感器
压力传感器可以感知动态压力。在机器人抓取物件时，要控制好力度，避免破坏物品，这时就需要压力传感器的反馈，实现机器人的触觉感知。
接近度传感器
机器人在工作过程中还需要感知周围物体的位置，并与他们保持安全的距离，才可以保证操作过程的安全。接近度传感器用于检测物体接近程度，分一般为超声波接近度传感器及红外线接近度传感器，超声波接近度传感器测距范围较大，可用在移动机器人及大型机器人的机械夹手上；红外线接近度传感器的体积较小，通常用于机器人夹手。
5.末端执行器
末端执行器连接在机械手最后一个关节上的部件，它一般用来抓取物体，与其他机构连接并执行需要的任务。机器人制造上一般不设计或出售末端执行器，多数情况下，他们只提供一个简单的抓持器。通常末端执行器安装在机器人6轴的法兰盘上以完成给定环境中的任务，如焊接，喷漆，涂胶以及零件装卸等就是需要机器人来完成的任务。
伺服电机的概述
伺服驱动器又称为“伺服控制器”、“伺服放大器”，是用来控制伺服电机的一种控制器，其作用类似于变频器作用于普通交流马达，属于伺服系统的一部分。一般是通过位置、速度和力矩三种方式对伺服电机进行控制，实现高精度的传动系统定位。
一、伺服电机的分类
分为直流和交流伺服电动机两大类，交流伺服电动机又分为异步伺服电动机和同步伺服电动机，目前交流系统正在逐渐代替直流系统。与直流系统相比，交流伺服电机具有高可靠性、散热好、转动惯量小、能工作于高压状态下等优点。因为无电刷和转向器，故交流私服系统也成为无刷伺服系统，用于其中的电机是无刷结构的笼型异步电机和永磁同步型电机。
1）直流伺服电机分为有刷和无刷电机
①有刷电机成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，需要维护，但维护方便（换碳刷），产生电磁干扰，对使用环境有要求，通常用于对成本敏感的普通工业和民用场合；
②无刷电机体积小重量轻，出力大响应快，速度高惯量小，力矩稳定转动平滑，控制复杂，智能化，电子换相方式灵活，可以方波或正弦波换相，电机免维护，高效节能，电磁辐射小，温升低寿命长，适用于各种环境。
二、不同类型伺服电机的特点
1）直流伺服电机的优点和缺点
优点：速度控制精确，转矩速度特性很硬，控制原理简单，使用方便，价格便宜。
缺点：电刷换向，速度限制，附加阻力，产生磨损微粒（无尘易爆环境不宜）
2）交流伺服电机的优点和缺点
优点：速度控制特性良好，在整个速度区内可实现平滑控制，几乎无振荡，90%以上的高效率，发热少，高速控制，高精确度位置控制（取决于编码器精度），额定运行区域内，可实现恒力矩，惯量低，低噪音，无电刷磨损，免维护（适用于无尘、易爆环境）。
缺点：控制较复杂，驱动器参数需要现场调整PID参数确定，需要更多的连线。
目前主流的伺服驱动器均采用数字信号处理器（DSP）作为控制核心，可以实现比较复杂的控制算法，实现数字化、网络化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模块（IPM）为核心设计的驱动电路,IPM内部集成了驱动电路,同时具有过电压、过电流、过热、欠压等故障检测保护电路,在主回路中还加入软启动电路,以减小启动过程对驱动器的冲击。功率驱动单元首先通过三相全桥整流电路对输入的三相电或者市电进行整流，得到相应的直流电。经过整流好的三相电或市电，再通过三相正弦PWM电压型逆变器变频来驱动三相永磁式同步交流伺服电机。功率驱动单元的整个过程可以简单的说就是AC-DC-AC的过程。整流单元（AC-DC）主要的拓扑电路是三相全桥不控整流电路。
三、伺服系统接线图
1.驱动器接线
伺服驱动器主要有控制回路电源、主控制回路电源、伺服输出电源、控制器输入CN1、编码器接口CN2、连接起CN3。控制回路电源是单相AC电源，输入电源可单相、三相，但是必须是220v，就是说三相输入时，咱们的三相电源必须经过变压器变压才能接，对于功率较小的驱动器，可单相直接驱动，单相接法必须接R、S端子。伺服电机输出U、V、W切记千万不能与主电路电源连接，有可能烧毁驱动器。CN1端口主要用于上位机控制器的连接，提供输入、输出、编码器ABZ三相输出、各种监控信号的模拟量输出。
2 编码器接线
从上图看出九个端子我们只使用了5个，一个屏蔽线、电源线两根、串行通讯信号(+-)两根，与我们普通的编码器接线差不多。
03 通讯端口
驱动器通过CN3端口与电脑PLC、HMI等上位机相连接，采用MODBUS通讯来控制驱动器，可使用RS232、RS485进行通讯。
四、伺服驱动器市场
机器人对关节驱动电机的要求非常严格，交流伺服电机在工业机器人中得到广泛应用。目前国内高端市场主要被国外名企占据，主要来自日本和欧美，未来国产替代空间大。目前国外品牌占据了中国交流伺服市场近80%的市场份额，主要来自日本和欧美。其中，日系产品以约50%的市场份额居首，其著名品牌包括松下、三菱电机、安川、三洋、富士等，其产品特点是技术和性能水平比较符合中国用户的需求，以良好的性价比和较高的可靠性获得了稳定且持续的客户源，在中小型OEM市场上尤其具有垄断优势。
精密减速器
最近看了一则新闻：机器人产业要破除“卡脖子”难题，感触挺深。随着人工成本的提高，工业机器人替换人已成为趋势。工业机器人作为智能制造的基石，但核心零部件却制约着我国机器人产业的发展，据相关调查显示目前国内机器人减速器普通依赖进口。机器人产业在中国要成气候，必须下决心解决核心零部件的问题。
下面介绍工业机器人核心精密零部件：
减速器，与通用减速器相比，机器人用减速器要求具有传动链短、体积小、功率大、质量轻和易于控制等特点。减速器行业，我们不得不提这行业两巨头是
Nabtesco（帝人，也叫纳博特斯克）和Hamonica Drive（哈默纳科），业界俗称（RV减速器和谐波减器）。他们几乎垄断了全球的机器人用减速器。这两种减速器都是微米级的加工精度，光这一条在量产阶段可靠性高就很难了，更别说几千转的高速运转，而且还要高寿命。目前市面上的大量应用在工业机器人上的减速器主要有两类：RV减速器和谐波减速器。
RV减速器：是少齿差啮合，但相对于谐波减速器，RV减速器通常用的是摆线针轮，RV减速器由摆线针轮和行星支架组成。相比谐波减速器，RV减速器的关键在于加工工艺和装配工艺。RV减速器具有更高的疲劳强度、刚度和寿命，不像谐波传动那样随着使用时间增长，运动精度会显著降低，其缺点是重量重，外形尺寸较大。RV减速器用于转矩大的机器人腿部腰部和肘部三个关节，负载大的工业机器人，一二三轴都是用RV减速器。
它较机器人中常用的谐波传动具有高得多的疲劳强度、刚度和寿命，而且回差精度稳定，不像谐波传动那样随着使用时间增长运动精度就会显著降低，故世界上许多国家高精度机器人传动多采用RV减速器，因此，该种RV减速器在先进机器人传动中有逐渐取代谐波减速器的发展趋势。
RV减速器分解图
谐波减速器：用的也是少齿差啮合，谐波里的一种关键齿轮是柔性的，它需要反复的高速变形，所以它比较脆弱，承载力和寿命都有限。
谐波减速器是谐波传动装置的一种，谐波传动装置包括谐波加速器和谐波减速器。谐波减速器主要包括：刚轮、柔轮、和径向变形的波发生器三者组成。它是利用柔性齿轮产生可控制的弹性变形波，引起刚轮与柔轮的齿间相对错齿来传递动力和运动。这种传动与一般的齿轮传递具有本质上的差别，在啮合理论、集合计算和结构设计方面具有特殊性。谐波齿轮减速器具有高精度、高承载力等优点，和普通减速器相比，由于使用的材料要少50%，其体积及重量至少减少1/3。所以谐波减速机主用于小型机器人，特点是体积小、重量轻、承载能力大、运动精度高，单级传动比大。一般用于负载小的工业机器人或大型机器人末端几个轴。
谐波减速器分解图
日本纳博特斯克公司从1980年代初提出RV型设计到1986年RV减速器研究获得实质性突破，花了6-7年时间；而国内率先拿出结果的南通振康和恒丰泰花费时间也为6-8年。是不是意味着我国本土企业就没什么机会了呢！可喜的是中国企业布局若干年后，终于取得一些突破。国产主要由南通振康、秦川机床、武汉精华、浙江恒丰泰和浙江双环传动提供。据说南通振康产量已经突破万台，秦川机床生产线已经打通，产量正在逐步上升。秦川机床的是国家进口替代项目，秦川机床9万套工业机器人关节减速器技术改造项目、工业机器人关节减速器生产线两项合计投资3.14亿元。
控制系统
机器人控制系统是机器人的大脑，是决定机器人功用和功能的主要要素。控制系统是按照输入的程序对驱动系统和实行机构收回指令信号，并进行控制。下面文章主要介绍机器人控制系统。
1、机器人的控制系统
1、工业机器人控制系统硬件结构
控制器是机器人系统的核心，国外有关公司对我国实行严密封锁。近年来随着微电子技术的发展，微处理器的性能越来越高，而价格则越来越便宜，目前市场上已经出现了1-2美金的32位微处理器。高性价比的微处理器为机器人控制器带来了新的发展机遇，使开发低成本、高性能的机器人控制器成为可能。为了保证系统具有足够的计算与存储能力，目前机器人控制器多采用计算能力较强的ARM系列、DSP系列、POWERPC系列、Intel系列等芯片组成。
此外，由于已有的通用芯片在功能和性能上不能完全满足某些机器人系统在价格、性能、集成度和接口等方面的要求，这就产生了机器人系统对SoC（Systemon Chip）技术的需求，将特定的处理器与所需要的接口集成在一起，可简化系统外围电路的设计，缩小系统尺寸，并降低成本。
例如，Actel公司将NEOS或ARM7的处理器内核集成在其FPGA产品上，形成了一个完整的SoC系统。在机器人运动控制器方面，其研究主要集中在美国和日本，并有成熟的产品，如美国DELTATAU公司、日本朋立株式会社等。其运动控制器以DSP技术为核心，采用基于PC的开放式结构。
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2、工业机器人控制系统体系结构
在控制器体系结构方面，其研究重点是功能划分和功能之间信息交换的规范。在开放式控制器体系结构研究方面，有两种基本结构，一种是基于硬件层次划分的结构，该类型结构比较简单，在日本，体系结构以硬件为基础来划分，如三菱重工株式会社将其生产的PA210可携带式通用智能臂式机器人的结构划分为五层结构；另一种是基于功能划分的结构，它将软硬件一同考虑，其是机器人控制器体系结构研究和发展的方向。
3、控制软件开发环境
在机器人软件开发环境方面，一般工业机器人公司都有自己独立的开发环境和独立的机器人编程语言，如日本Motoman公司、德国KUKA公司、美国的Adept公司、瑞典的ABB公司等。
很多大学在机器人开发环境(Robot Development Environment)方面已有大量研究工作，提供了很多开放源码，可在部分机器人硬件结构下进行集成和控制操作，目前已在实验室环境下进行了许多相关实验。国内外现有的机器人系统开发环境有Team Bots，v.2.0e、ARIA，V.2.4.1、Player/Stage，v.1.6.5.1.6.2、Pyro.v.4.6.0、CARMEN.v.1.1.1、Mission Lab.v.6.0、ADE.V.1.0beta、Miro.v.CVS-March17.2006、MARIE.V.0.4.0、Flow Designer.v.0.9.0、Robot Flow.v.0.2.6等等。
从机器人产业发展来看，对机器人软件开发环境有两方面的需求。一方面是来自机器人最终用户，他们不仅使用机器人，而且希望能够通过编程的方式赋予机器人更多的功能，这种编程往往是采用可视化编程语言实现的，如乐高Mind Storms NXT的图形化编程环境和微软Robotics Studio提供的可视化编程环境。
4、机器人专用操作系统
（1）VxWorks，VxWorks操作系统是美国Wind River公司于1983年设计开发的一种嵌入式实时操作系统（RTOS），是Tornado嵌入式开发环境的关键组成部分。VxWorks具有可裁剪微内核结构；高效的任务管理；灵活的任务间通信；微秒级的中断处理；支持POSIX1003．1b实时扩展标准；支持多种物理介质及标准的、完整的TCP/IP网络协议等。
（2）Windows CE，Windows CE与Windows系列有较好的兼容性，无疑是WindowsCE推广的一大优势。WindowsCE为建立针对掌上设备、无线设备的动态应用程序和服务提供了一种功能丰富的操作系统平台，它能在多种处理器体系结构上运行，并且通常适用于那些对内存占用空间具有一定限制的设备。
（3）嵌入式Linux，由于其源代码公开，人们可以任意修改，以满足自己的应用。其中大部分都遵从GPL，是开放源代码和免费的。可以稍加修改后应用于用户自己的系统。有庞大的开发人员群体，无需专门的人才，只要懂Unix/Linux和C语言即可。支持的硬件数量庞大。嵌入式Linux和普通Linux并无本质区别，PC上用到的硬件嵌入式Linux几乎都支持。而且各种硬件的驱动程序源代码都可以得到，为用户编写自己专有硬件的驱动程序带来很大方便。
（4）μC/OS-Ⅱ，μC/OS-Ⅱ是着名的源代码公开的实时内核，是专为嵌入式应用设计的，可用于8位，16位和32位单片机或数字信号处理器（DSP）。它的主要特点是公开源代码、可移植性好、可固化、可裁剪性、占先式内核、可确定性等。
（5）DSP/BIOS，DSP/BIOS是TI公司特别为其TMS320C6000TM，TMS320C5000TM和TMS320C28xTM系列DSP平台所设计开发的一个尺寸可裁剪的实时多任务操作系统内核，是TI公司的CodeComposerStudioTM开发工具的组成部分之一。DSP/BIOS主要由三部分组成：多线程实时内核；实时分析工具；芯片支持库。利用实时操作系统开发程序，可以方便快速的开发复杂的DSP程序。
5、机器人伺服通信总线技术
目前国际上还没有专用于机器人系统中的伺服通信总线，在实际应用过程中，通常根据系统需求，把常用的一些总线，如以太网、CAN、1394、SERCOS、USB、RS-485等用于机器人系统中。当前大部分通信控制总线可以归纳为两类，即基于RS-485和线驱动技术的串行总线技术和基于实时工业以太网的高速串行总线技术。
智能机器人控制系统
1.开放性模块化的控制系统体系结构：采用分布式CPU计算机结构，分为机器人控制器(RC)，运动控制器(MC)，光电隔离I/O控制板、传感器处理板和编程示教盒等。机器人控制器(RC)和编程示教盒通过串口/CAN总线进行通讯。机器人控制器(RC)的主计算机完成机器人的运动规划、插补和位置伺服以及主控逻辑、数字I/O、传感器处理等功能，而编程示教盒完成信息的显示和按键的输入。
2.模块化层次化的控制器软件系统：软件系统建立在基于开源的实时多任务操作系统Linux上，采用分层和模块化结构设计，以实现软件系统的开放性。整个控制器软件系统分为三个层次：硬件驱动层、核心层和应用层。三个层次分别面对不同的功能需求，对应不同层次的开发，系统中各个层次内部由若干个功能相对对立的模块组成，这些功能模块相互协作共同实现该层次所提供的功能。
3.机器人的故障诊断与安全维护技术：通过各种信息，对机器人故障进行诊断，并进行相应维护，是保证机器人安全性的关键技术。
4.网络化机器人控制器技术：目前机器人的应用工程由单台机器人工作站向机器人生产线发展，机器人控制器的联网技术变得越来越重要。控制器上具有串口、现场总线及以太网的联网功能。可用于机器人控制器之间和机器人控制器同上位机的通讯，便于对机器人生产线进行监控、诊断和管理。
“控制”的目的是指被控对象会按照者所期望的方式产生行为。 “控制”的基本条件是了解被控对象的特性。
“实质”是对驱动器输出力矩的控制。
机器人的控制系统
2、机器人的基本工作原理工作原理是示教再现；示教也称导引示教，既是人工导引机器人，一步步按实际需求动作流程操作一遍，机器人在导引过程中自动记忆示教的每个动作的姿态、位置、工艺参数、运动参数等，并自动生成一个连续执行的程序。完成示教后，只需要给机器人一个启动命令，机器人将会地自动按照示教好的动作，完成全部流程；
3、机器人控制的分类
1）按照有无反馈分为：开环控制、闭环控制、
开环精确控制的条件：精确地知道被控对象的模型，并且这一模型在控制过程中保持不变。
2）按照期望控制量分为：力控制、位置控制、混合控制这三种。
位置控制分为：单关节位置控制（位置反馈，位置速度反馈，位置速度加速度反馈）、多关节位置控制
多关节位置控制分为分解运动控制、集中控制力控制分为：直接力控制、阻抗控制、力位混合控制
3）智能化的控制方式
模糊控制、自适应控制、最优控制、神经网络控制、模糊神经网络控制 、专家控制
4、控制系统硬件配置及结构 .电气硬件 .软件架构
由于机器人的控制过程中涉及大量的坐标变换和插补运算以及较低层的实时控制。所以，目前市面上机器人控制系统在结构上大部分采用分层结构的微型计算机控制系统，通常采用的是两级计算机伺服控制系统。
1）具体流程：
主控计算机接到工作人员输入的作业指令后，首先分析解释指令，确定手的运动参数。 然后进行运动学、动力学和插补运算，最后得出机器人各个关节的协调运动参数。 这些参数经过通信线路输出到伺服控制级，作为各个关节伺服控制系统的给定信号。 关节上的伺服驱动器将此信号D/A转换后驱动各个关节产生协调运动。
传感器将各个关节的运动输出信号反馈回伺服控制级计算机形成局部闭环控制，达到精确的控制机器人在空间的运动。
2）基于PLC的运动控制 两种控制方式：
①利用PLC的输出端口使用脉冲指令来产生脉冲驱动电机，同时使用通用I/O或者计数零部件来实现伺服电机的闭环位置控制
②使用PLC外部扩展的位置控制模块来实现电机的闭环位置控制，这种方式主要是以发高速脉冲控制，属于位置控制方式，位置控制一般都是点到点的位置控制方式较多。
机器人重要参数
本文重点介绍工业机器人技术参数，图文描述非常详细。
机器人的技术参数反映了机器人可胜任的工作、具有的最高操作性能等情况，是设计、应用机器人必须考虑的问题。机器人的主要技术参数有自由度、分辨率、工作空间、工作速度、工作载荷等。
1、自由度
.是指机器人具有的独立运动的坐标轴数量。
.机器人的自由度是指确定机器人手部在空间的位置和姿态时所需要的独立运动参数的数量。 机器人的自由度数一般等于关节数量。
.常见机器人自由度数一般有5～6个。有些机器人还附带有外部轴。
2、关节（Joint）
即运动副，允许机器人手臂各零件之间发生相对运动的机构。
3、工作范围
工业机器人手臂或手部安装点所能达到的所有空间范围。
其形状取决于机器人的自由度数和各运动关节的类型与配置。 机器人的工作范围一般有：图解法和解析法这两种方法表示。
4、速度
机器人在工作过程中带载荷条件下、匀速运动过程时，机械接口中心或工具中心点在单位时间内所移动的距离或转动的角度。
5、工作负载
是指机器人手腕前端安装负荷在工作范围内任何位置上所能承受的最大重量，一般用质量、力矩、惯性矩表示。
还和运行速度和加速度大小等参数有关，工作负载一般用高速运行时机器人所能抓取的工件重量作为负载承受能力为指标。
搬运机器人的负荷重量，必须考虑抓手和工件的合计。
6、分辨率
是指机器人能够实现的最小移动距离或最小转动角度 。
7、精度
重复性或重复定位精度：指机器人重复到达某一目标位置的差异性。比如你要求一个轴走 100 mm 结果 第一次 实际上他走了 100.01 重复一次同样的动作 他走了99.99 这之间的误差 0.02 就是重复定位精度。它是衡量一列误差值的集中程度，即重复度。机器人精度机不单取决与关节减速机及传动装置，且对机械装配工艺存在很大关系，很多由于装配不到位导致机器人重复定位精度下降。