工业机器人的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种工业机器人，其结构包括；机械臂和手持编程器。机械臂具有6个旋转轴，采用串联结构，每一个旋转轴都由步进电机、精密减速机、精密轴承构成；机械臂前端设有电磁吸盘接口，可以自动换装各种末端执行机构；采用嵌入式处理器构成运动控制器，可以做转轴运动、直线运动、圆弧运动等，支持外部轴，重复定位精度小于0.1毫米；运动控制器与电机功率驱动电路可以做到完全嵌入机械臂内部，不需要外置的控制柜；机械臂与手持编程器接连线简单，只要电源线和串行数据总线即可。12-24伏低压供电，特别适合装备到野外移动设备或水下工作环境使用。
【专利说明】
工业机器人
技术领域
[0001]本发明涉及一种工业机器人。
【背景技术】
[0002]工业机器人在制造业广泛应用，工作性能在各个方面均超过人工，已成为工业生产不可或缺的工具。但是现在的工业机器人仍有一些问题限制其更广泛的应用，例如采用伺服电机需要200V高压，户外运行安全性差，且不适合电池供电；伺服控制系统复杂昂贵，难以做到微型化，难以嵌入到机械臂内；学习、编程、操作过程复杂等。这些都是由于过于追求伺服电机的完美性能，而产生的额外负担，因而限制了通用型工业机器人的应用领域和应用范围。例如在以电池供电的野外移动机器人上装备的机械臂动作只能简单又笨拙，而动作灵巧性能高超的工业机器人则因高电压不能耐雨水潮湿、耗电大不能持久而难以安装。
【发明内容】
[0003]本发明设计实现了一个由步进电机驱动的高性能6转轴工业机器人。步进电机具有结构简单、性能稳定可靠、精度高的特点，步进电机驱动器同样稳定可靠，而且能够微型化嵌入电机内部。机器人机械臂用12-24伏低压供电，重复定位精度高，可以达到0.1到
0.01毫米。机器人的重复定位精度由各转轴机械零件精度决定。
[0004]机器人结构:为六转轴串联式机械臂，其中腰关节1、肩关节2和肘关节3都由步进电机8、精密减速机9构成；手腕部是第四五六关节4、5、6，由步进电机8、精密减速机9、传动机构构成。手腕部前端装有一个电磁吸盘接口 7，用以连接末端执行机构。
[0005]高速嵌入式电脑构成的运动控制器控制机械臂运动，可以实现转轴运动、直线运动、圆弧运动等，并能够输出多路开关量及4路PffM信号。
[0006]示教编程使用手持编程器进行操作，可以键盘14控制及摇杆12、13控制。使用键盘14或摇杆12、13进行示教操作时可以通过转轴运动或者直线运动定位示教轨迹。示教编程的数据由信息处理器以文件形式存储在SD卡上。
[0007]操控机器人的摇杆为三维电位器结构并带一个按钮开关15、16，输出的电压信号经A/D转换获得控制量，执行机构按此控制量进行调速。摇杆释放后有自动回位功能，回位后控制量为0，此时机械臂保持当前姿态，静止不动。在转轴运动状态下摇杆12控制机械臂第1、2、3轴转动，摇杆13控制第4、5、6轴转动；当通过状态按钮转换到直线运动状态时，摇杆12控制机械臂在3维直角坐标系直线运动，摇杆13控制手腕关节(第4、5、6轴)的姿态。机械臂运动速度与摇杆的控制量成比例。三维摇杆操控简单直观，不需学习即可操作使用机器人。
[0008]控制系统由信息处理器、运动控制器、数据总线、状态显示控制器、人机操作控制器构成。其中运动控制器嵌入到机械臂内部，机械臂不需要单独的控制柜；信息处理器、状态显示控制器和人机操作控制器装入手持编程器。手持编程器与机械臂之间可以采用串行数据线或无线串行通信连接。
[0009]本发明的有益效果是:除了具有传统工业机器人的动作灵巧迅速、重复定位精度高、可示教编程及离线编程等优势外，通过采用步进电机取代伺服电机，可以使用12-24V低电压驱动；控制及驱动系统完全嵌入机械臂内部，不需要电器控制柜，机械臂可以设计得更加精巧；示教编程简单易学，适合非专业人员操作；成本大大降低，可以更加广泛的用于装配、焊接、喷涂等传统工业生产，还可以用于实验室、办公桌室面等的新领域；在野外环境、水下环境，以及需要电池供电的移动装置条件下，以步进电机驱动的灵巧机械臂有特殊优势，从而使工业机器人的应用范围和应用行业大大拓展。
【附图说明】
[0010]以下附图中所包含的机械结构图都属于示意性质，用于说明本发明的工作原理，机械结构的尺寸、安装结构、连接方式等都可以灵活设计，本发明不受图示机械传动结构的限制。
[0011]图1:工业机器人机械臂结构图
[0012]图2:手持编程器结构图；
【具体实施方式】
[0013]工业机器人的具体实施需要通过系统控制软件和手持编程器软件来实现。机器人内部采用一种实时的集散控制系统(DCS)，每一个功能部件都具有一个专用嵌入式控制器，通过数据总线实时接收指令、执行动作、发送数据。各功能部件之间并行工作，互不干扰。
[0014]机器人信息处理器综合控制全体部件的运行。信息处理器从数据总线接收各功能部件发出的数据，经分析处理后转发指令到数据总线，或显示输出。全部运行信息、故障信息通过显示处理器连接IXDll显示综合运行状态。信息处理器接有SD卡存储器，当用手持编程器进行示教操作时，所产生的数据以文件形势存储在信息处理器的SD卡中。在进行重复再现运动时，信息处理器将读出数据并通过数据总线发送到机械臂运动控制器。
[0015]机械臂运动控制器通过数据总线接收运动指令，进行插值计算，然后输出给六路步进驱动器控制信号，驱动机械臂的六个转轴联动，使机械臂按照指令规定的速度定位到目标点。此运动控制器算法精确高效，通过编码器保证步进电机8没有丢步误差。也可以不必要编码器10的反馈数据，而采用可靠技术保证机械臂的重复定位精度。运动控制器实时返回位置信息到数据总线。运动控制器可以输出4路PffM信号及多路开关量信号，通过功率驱动电路控制末端执行器工作。
[0016]机器人可以直接控制三个外部轴，也可通过扩展指令系统控制更多外部轴。外部轴需要单独的运动控制器和驱动器。通过引入由外部轴构成的变位器，可以使工业机器人完成极其复杂的加工过程。
[0017]人机操作控制器管理键盘14和摇杆12、13。在人工操作或示教编程时形成的键盘和摇杆数据，通过总线发到信息处理器，信息处理器形成指令发给运动控制器。
[0018]本发明的工业机器人控制系统结构先进合理，性能稳定可靠，系统功能扩展能力强，功能部件模块化嵌入式设计，完全融入机械臂内部。机器人的尺寸大小可以灵活设计，机械臂的负载能力可以根据需要设计成不同等级。
【主权项】
1.工业机器人结构包括:腰关节1，肩关节2，肘关节3，腕关节4、5、6，六个旋转轴是串联结构，机械臂外端6连接电磁吸盘接口 7，手持编程器。2.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于:机械臂六个旋转关节都使用步进电机提供动力，12到24伏低电压驱动。3.根据权利要求2所述的机械臂，其特征在于:转轴1、2、3由步进电机、精密减速机、精密轴承构成，转轴4、5、6由步进电机、精密减速机、传动机构构成。4.根据权利要求2所述的机械臂，其特征在于:腕关节转轴6连接一个电磁吸盘接口I。5.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于:嵌入式电脑构成的运动控制器控制机械臂六轴联动，按指令规定的速度稳速运行，通过插值计算实现转轴运动、直线运动、圆弧运动。6.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于:机器人可以通过扩展运动控制器接多个外部轴，外部轴可以构成与机械臂联动的多轴变位器。7.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于:机器人控制系统包括机器人信息处理器、数据总线、人机操作控制器、运动控制器、运行状态显示器、功率驱动电路。8.根据权利要求6所述的控制系统，其特征在于:采用一种实时集散控制系统(DCS)，控制系统由信息处理器、各功能部件处理器及数据总线构成，各功能部件模块化设计，使得各个部件相互独立，性能稳定可靠。9.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于:手持编程器包括人机操作控制器和信息处理器，手持编程器发送控制指令，接收并显示机器人的各种数据信息，机械臂由摇杆12、13操作，并有键盘14、按钮开关实现全部功能，示教编程过程由信息处理器管理，并将示教信息存储为数据文件，也可读取离线编程的数据文件驱动机械臂工作。10.根据权利要求8所述的手持编程器，其特征在于:人机操作控制器包括控制器、键盘14、三维摇杆12、13。11.根据权利要求8所述的手持编程器，通过功能切换按钮15、16，摇杆可以操控机械臂做转轴运动或直线运动，运动速度与摇杆控制量成比例。12.根据权利要求8所述的手持编程器，其特征在于:信息处理器包括处理器、SD卡存储器、IXD显示器11。
【文档编号】B25J18/00GK105881533SQ201410840416
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2014年12月30日
【发明人】杨雷, 杨文光, 赵楠
【申请人】赵楠, 杨文光, 杨雷