工业机器人的分类方式多种多样，比较常见的有按作业用途分类、按运动自由度数分类及按控制系统的控制方式分类等。工业机器人的自由度数一般为2～7个，按运动自由度数分类可分为简易型和复杂型。按照机器人具有的运动自由度数分类的方式也适用于非工业机器人，自由度数越多，机器人的柔性越大，结构和控制也就越复杂。......
2023-06-23
工业机器人简介
【摘要】：工业机器人可以在工业生产线中自动完成点焊、弧焊、喷漆、切割、装配、搬运、包装、码垛等作业。大部分工业机器人为关节型机器人，关节型机器人的机械臂是由若干个机械关节连接在一起的集合体。图5-31工业机器人的基本组成1—示教器；2—控制器；3—机器人本体图5-32典型六关节工业机器人①机座。
1.工业机器人概念
工业机器人（Industrial Robot，IR）是用于工业生产环境的机器人总称。我国的GB/T 12643—2013标准参照ISO（国际标准化组织）、RIA（美国机器人协会）的相关标准，将其定义为：工业机器人是一种“能够自动定位控制，可重复编程的、多功能的、多自由度的操作机，能搬运材料、零件或操持工具，用于完成各种作业”。
用工业机器人代替人工操作，不仅可保障人身安全、改善劳动环境、减轻劳动强度、提高劳动生产率，而且还能够起到提高产品质量、节约原材料消耗及降低生产成本等多方面作用。因而，它在工业生产各领域的应用也越来越广泛。工业机器人可以在工业生产线中自动完成点焊、弧焊、喷漆、切割、装配、搬运、包装、码垛等作业。工业机器人的主要特点如下：
（1）能高强度地、持久地在各种生产和工作环境中从事单调重复的劳动；
（2）对工作环境有很强的适应能力，能代替人在有害和危险场所工作；
（3）动作准确性高，可保证产品质量的稳定性；
（4）具有很广泛的通用性和独特的柔性，比一般自动化设备有更广的用途，既能满足大批量生产的需要，也可以灵活、迅速地实现多品种、小批量的生产；
（5）能显著地提高生产率和大幅降低产品成本。
2.工业机器人的基本组成
工业机器人是一种模拟人手臂、手腕和手功能的机电一体化装置。一台通用的工业机器人从体系结构来看，可以分为三大部分：机器人本体、控制器与控制系统（包括示教器），具体结构如图5-31所示。
1）机器人本体
（1）机械臂。
大部分工业机器人为关节型机器人，关节型机器人的机械臂是由若干个机械关节连接在一起的集合体。图5-32所示为典型的六关节工业机器人，由机座、腰部（关节1）、大臂（关节2）、肘部（关节3）、小臂（关节4）、腕部（关节5）和手部（关节6）构成。
图5-31 工业机器人的基本组成
1—示教器；2—控制器；3—机器人本体
图5-32 典型六关节工业机器人
①机座。
机座是机器人的支承部分，内部安装有机器人的执行机构和驱动装置。
②腰部。
腰部是连接机器人机座和大臂的中间支承部分。工作时，腰部可以通过关节1在机座上转动。
③臂部。
六关节机器人的臂部一般由大臂和小臂构成，大臂通过关节2与腰部相连，小臂通过肘关节3与大臂相连。工作时，大、小臂各自通过关节电动机转动，实现移动或转动。
④手腕。
手腕包括手部和腕部，是连接小臂和末端执行器的部分，主要用于改变末端执行器的空间位姿，联合机器人的所有关节实现机器人的动作和状态。
（2）驱动与传动装置。
工业机器人的机座、腰部关节、大臂关节、肘部关节、小臂关节、腕部关节和手部关节构成了机器人的外部结构或机械结构。机器人运动时，每个关节的运动通过驱动装置和传动机构实现。图5-33所示为机器人运动关节的组成，要构成多关节机器人，其每个关节的驱动及传动装置缺一不可。
图5-33 机器人运动关节的组成
驱动装置是向机器人各机械臂提供动力和运动的装置；传动装置则是向机器人各机械臂提供扭矩和转速的装置。不同类型的机器人，采用的动力源不同，驱动系统的传动方式也不同。驱动系统的传动方式主要有液压式、气压式、电力式和机械式四种。其中，电力驱动是目前使用最多的一种驱动方式，其特点是电源取用方便，响应快，驱动力大以及信号传递、检测、处理方便，并可以采用多种灵活的控制方式。驱动电动机一般采用步进电动机或伺服电动机，目前也有采用力矩电动机的案例，但是造价较高，控制也较为复杂。和电动机相配的减速器一般采用谐波减速器、摆线针轮减速器或行星轮减速器。
为了检测作业对象及工作环境，研制人员在工业机器人上安装了诸如触觉传感器、视觉传感器、力觉传感器、接近传感器、超声波传感器和听觉传感器等设备。这些传感器可以大大改善机器人的工作状况和工作质量，使它能充分地完成复杂的工作。
2）控制器及控制系统
控制系统是工业机器人的神经中枢，由计算机硬件、软件和一些专用电路、控制器、驱动器等构成。工作时，机器人本体根据控制系统中编写的指令以及传感信息的内容，完成一定的动作或路径。因此，控制系统主要用于处理机器人工作的全部信息。控制柜内部结构如图5-34所示。
要实现对机器人的控制，除了需要计算机硬件系统外，还必须有相应的软件控制系统。通过软件控制系统，我们可以方便地建立、编辑机器人控制程序。目前，世界各大机器人公司都已经拥有自己完善的软件控制系统。
图5-34 控制柜内部结构
3）示教器
示教器是人机交互的一个端口，也称示教盒或示教编程器，主要由液晶屏和可供触摸的操作按键组成。操作时由控制者手持设备，通过按键将需要控制的全部信息通过与控制器连接的电缆送入控制柜的存储器中，实现对机器人的控制。示教器是机器人控制系统的重要组成部分，操作者不仅可以通过示教器进行手动示教，控制机器人到达不同位姿，并记录各位姿点的坐标；还可以利用机器人编程语言进行在线编程，实现程序回放，让机器人按照编写好的程序完成轨迹运动。
示教器上设有对机器人进行示教和编程所需的操作键和按钮。一般情况下，不同机器人厂商的示教器的外观各不相同，但一般都包含中间的液晶显示区、功能按键区、急停按钮和出入线口。图5-35所示为某品牌机器人的示教器外观。
图5-35 某品牌机器人的示教器外观
（a）正面；（b）背面
3.工业机器人的分类
工业机器人的种类很多，其功能、特征、驱动方式、应用场合等参数不尽相同。目前，国际上还没有形成机器人的统一划分标准。一般通过机器人的结构特征、控制方式、驱动方式等几个方面对机器人进行分类。
1）按结构特征划分
机器人的结构形式多种多样，机器人的典型运动特征是通过其坐标特性来描述的。按结构特征来分，工业机器人通常可以分为直角坐标机器人、圆柱坐标机器人、球面坐标机器人、关节型机器人和并联机器人，如图5-36～图5-40所示。
图5-36 直角坐标机器人
图5-37 圆柱坐标机器人
图5-38 球面坐标机器人
图5-39 关节型机器人
图5-40 并联机器人
（1）直角坐标机器人：具有空间上相互垂直的多个直线移动轴，通过直角坐标方向的3个独立自由度确定其手部的空间位置，其动作空间为一长方体。
（2）圆柱坐标机器人：主要由旋转基座、垂直移动轴和水平移动轴构成，具有一个回转和两个平移自由度，其动作空间呈圆柱形。
（3）球面坐标机器人：空间位置分别由旋转、摆动和平移3个自由度确定，动作空间形成球面的一部分。
（4）柱面坐标机器人：主要由旋转基座、垂直移动轴和水平移动轴构成，具有一个回转和两个平移自由度，其动作空间呈圆柱形。地面的腰部旋转轴，带动小臂旋转的肘部旋转轴度，其动作空间呈圆柱形。
（5）并联机器人：因其形似八脚蜘蛛又被称为蜘蛛手机器人，是近些年来发展起来的。它是一种由固定机座和若干自由度的末端执行器，以不少于两条独立运动链连接形成的新型机器人。
2）按控制方式划分
工业机器人根据控制方式的不同，可以分为伺服控制机器人和非伺服控制机器人两种。机器人运动控制系统最常见的方式就是伺服系统。伺服系统是指精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。在很多情况下，机器人伺服系统的作用是驱动机器人的机械手准确地跟随系统输出位移指令，达到位置的精确控制和轨迹的准确跟踪。
伺服控制机器人又可细分为连续轨迹控制机器人和点位控制机器人。点位控制机器人的运动为空间中点到点之间的直线运动。连续轨迹控制机器人的运动轨迹则可以是空间的任意连续曲线。
3）按驱动方式划分
根据能量转换方式的不同，工业机器人驱动类型可以划分为气压驱动、液压驱动、电力驱动和新型驱动四种类型。
（1）气压驱动。
气压驱动机器人是以压缩空气来驱动执行机构的，这种驱动方式的优点是：空气来源方便，动作迅速，结构简单。其缺点是：工作的稳定性与定位精度不高，抓力较小，所以常用于负载较小的场合。
（2）液压驱动。
液压驱动是使用液体油液来驱动执行机构的。与气压驱动相比，液压驱动机器人具有大得多的负载能力，其结构紧凑，传动平稳，但液体容易泄漏，不宜在高温或低温场合作业。
（3）电力驱动。
电力驱动是指利用电动机产生的力矩驱动执行机构的。目前，越来越多的机器人采用电力驱动的驱动方式，电力驱动易于控制，运动精度高，成本低。
电力驱动又可分为步进电动机驱动、直流伺服电动机驱动及无刷伺服电动机驱动等方式。
（4）新型驱动。
伴随着机器人技术的发展，出现了利用新的工作原理制造的新型驱动器，如静电驱动器、压电驱动器、形状记忆合金驱动器、人工肌肉及光驱动器等。
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