工業機器人驅動和傳動系統分析

王翠婷

摘 要：隨著工業自動化技術的發展，可編程控制器PLC逐漸普及，工業機器人的應用越來越廣泛，在工業發展中也貢獻出巨大的力量。本文在論述工業機器人驅動系統的基礎上，分析了工業機器人的傳動控制系統。

關鍵詞：工業機器人；驅動系統；傳動控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.04.022

0 引言

工業機器人可以通過PLC編程實現自動控制，可以完成工業制造過程中的多個操作任務，具有較高的自由度，工業機器人的設計和開發水平，標志著一個國家的整體自動化水平。在科學技術進步的同時，工業機器人正向第三代智能工業機器人發展，將具有更高的自適應性和自學習能力。工業機器人系統中主要包含控制系統、驅動系統、執行系統、感知系統和軟件系統。其中驅動系統是為執行系統提供動力的重要部分。

1 工業機器人的驅動系統

1.1 工業機器人的驅動方式

（1）液壓驅動。在液壓驅動方式中，由發動機帶動液壓泵，液壓泵旋轉產生較高壓力的液流動力，高壓液體通過液壓管路與液壓馬達相連，帶動液壓馬達轉動，形成驅動力。

應用液壓驅動方式，可以為系統提供低速平穩的動力，但是系統特性會受到油性的影響，成本 較高，常將液壓驅動應用于易爆工作環境中。

（2）氣動驅動。與液壓驅動相似，只是傳動介質不同，主要應用氣體的抗擠壓能力實習點驅動動力的傳遞， 采用啟動驅動方式，驅動力較小，噪聲大，很難準確地控制位置和運行速度。但是成本低廉，控制系統簡單，一般應用于驅動力較小的工業環境中[1]。

（3）電動驅動。電動驅動方式中，將電信號轉換成角位移或者線位移，例如利用步進電動機將工作過程中的電脈沖信號轉換為角位移進行驅動。采用電動驅動的方式，系統的調速性能較強，功率較大，成本較低，成為工業機器人的主要驅動方式，可廣泛應用于工業制造領域中，但系統中有些部件需要加強維護，例如換向器。電動驅動的方式不得應用于易爆和多粉塵的環境中。

1.2 驅動系統設計的選用原則

工業機器人驅動系統設計中需要重點考慮控制方式、作業環境要求和機器操作運行速度三方面的內容。在控制方式的選擇中，如果工業要求為低速重負載，可以選用液壓驅動方式，為中等負載時可以選用電動驅動方式，為輕負載時可以選用氣動驅動方式。針對具體的作業環境，例如噴涂作業的工業機器人，工作環境中必須考慮到防爆的因素，一般采用電液伺服驅動系統或者具有防爆功能的交流電動伺服驅動系統。如果工業環境中存在腐蝕性物質、依然易爆氣體或者放射性物質，工業機器人一般采用交流伺服驅動系統，如果工業作業中對環境的清潔要求較高，可以采用電動機直接驅動。針對具體的操縱系統，如果對點位重復精度和運行速度的要求較高，可以采用交流、直流或者步進電動機伺服驅動系統，如果對運行速度和操作精度都較高，大多采用電動機直接驅動系統。

2 工業機器人的運動控制分析

2.1 工業機器人的運動控制原理

圖1為一個典型工業機器人的傳動示意圖。

在圖1所示的機器人系統中，功能更包含三條傳動鏈，不同的驅動鏈負責對一個關節進行驅動。例如關節1實現升降臂的上下移動，電機安裝與底座下方，輸出軸經過減速器相連，減速器將電機的動力傳送到絲桿，通過螺桿穿動機后實現升降臂的上升和下降。關節2實現大臂的旋轉，電機安裝于升降臂的上方，輸出軸經過減速器相連，減速后促使大臂旋轉。關節3主要實現小臂旋轉，電機安裝于大臂左方，輸出軸經過減速器相連，通過齒形帶傳動，帶動小臂旋轉。在這個機器人系統中，不同軸之間的運動時相對獨立的，不同軸之間也可以進行協調運作，實現不同軸的獨立運動。

2.2 工業機器人的運動控制

工業機器人的運動控制是指從末端執行器控制點位移動的過程中，實現運動位置、運動速度和運動加速度的控制。由于關節運動帶動末端操作器，在運動控制的過程中實際上就是實現關節的控制。

工業機器人關節運動控制分為兩步，第一步生成關節運動的伺服指令，將末端執行器在工作空間位置轉變為可以反映出運動特點的時間序列，并將其通過函數反映出來，這一步可以離線完成。第二部是關節運動的伺服控制，對生成的關節變量伺服指令進行可靠的跟蹤，這一步往往需要在線完成[2]。在工業機器人的實際應用中，常見的控制方式有以下幾種。

（1）點位控制方式。對機器人末端執行器在空間中離散點進行控制，控制過程中要求機器人在不同點位之間進行快速準確地運動，對運動精度和運動時間有較高的要求。由于控制方式簡單，一般應用上下料和搬運等工作環境中；（2）連續軌跡控制方式。對機器人末端執行器作業空間中的運動軌跡進行連續控制，要求機器人在預定的軌跡中運行，有較高的精度和速度要求，不同的關節可以實現同步運行，末端執行器可以實現連續的軌跡，這種控制方式一般應用于弧焊、噴漆和檢測作業中；（3）力矩控制方式。在裝配和抓放物體的工作中，需要機器人準確定位，并且要求有適當的力矩，不得損壞產品，這時就需要應用力矩伺服方式，在這種控制方式中，以力矩信號為主要的輸入量和反饋量，系統中包含較多的力矩傳感器。

3 結束語

工業機器人自問世以來，被廣泛地應用于工業領域，成為自動化生產過程中重要的設備。本文在論述工業機器人驅動方式的基礎上，提出了驅動系統設計的選用原則，通過對運動控制原理的分析，提出了常用的運動控制方式，可以為機器人的生產和制造提供理論研究依據。

參考文獻：

[1]王天然，曲道奎.工業機器人控制系統的開放體系結構[J].機器人，2011，24（03）：25.

[2]龔星如，沈建新，田威等.工業機器人的絕對定位誤差模型及其補償算法[J].南京航空航天大學學報，2012，44（z1）：60.