第三节 工业机器人
世界上机器人工业萌芽于50年代，经过半个世纪的发展，已被不断地应用人类社会很多领域。如通用机械、汽车及零部件、电子和电气、电力电站、石油与采矿、化工与纺织、建筑建材、家电与家具、医疗及护理、食品与家庭自动化、海洋、空间、军事等。我国机器人技术发展已有20多年的历史，开发了PJ系列喷涂机器人、GJR-G1/G2焊接及搬运机器人、ZHS-R005弧焊机器人、CR80-1冲压机器人、水下机器人、爬壁机器人、码垛机器人等具有代表性的产品。
工业机器人是典型的机电一体化高技术产品。在许多生产领域，它对于提高生产自动化水平，提高劳动生产率、产品质量和经济效益，改善工人劳动条件的作用日见显著，不少劳动条件恶劣、生产要求苛刻的场合，工业机器人代替人力劳动已是必然的趋势。
图15-9 工业机器人结构
1—驱动系统 2—控制系统 3—执行机构
1．工业机器人的定义
关于机器人的定义有多种，国际标准化组织（ISO）的定义是“机器人是一种自动的、位置可控的、具有可编程能力的多功能机械手，这种机械手具有几个轴，能够借助于可编程序操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行种种任务”。
2．工业机器人的组成
工业机器人一般由执行机构、控制系统、驱动系统三部分组成，如图15-9所示。
⑴ 执行机构
执行机构是一种具有和人手臂相似的动作功能，可在空间抓放物体或执行其他操作的机械装置，通常包括机座、手臂、手腕和末端执行器。
① 末端执行器 末端执行器（或称手部）是机器人直接执行工作的装置，可安装夹持器、工具、传感器等。夹持器可分为机械夹紧、真空抽吸、液压夹紧、磁力吸附等。
② 手腕 手腕是联接手臂与末端执行器的部件，用以调整末端执行器的方位和姿态。
③ 手臂 手臂是支承手腕与末端执行器的部件。它由动力关节和连杆组成，用来改变末端执行器的空间位置。
④ 机座 机座是工业机器人的基础部件，并承受相应的载荷，机座分为固定式和移动式。
⑵ 控制系统
控制系统用来控制工业机器人按规定要求动作。可分为开环控制系统和闭环控制系统。大多
数工业机器人采用计算机控制，这类控制系统分为决策级、策略级和执行级三级：决策级的功能是识别环境、建立模型、将作业任务分解为基本动作序列；策略级将基本动作变为关节坐标协调变化的规律，分配给各关节的伺服系统；执行级给出各关节伺服系统的具体指令。
⑶ 驱动系统
驱动系统是按照控制系统发出的控制指令将信号放大，驱动执行机构运动的传动装置。
除此之外，机器人可以配置多种传感器（如位置、力、触角、视觉等传感器），用以检测其运动位置和工作状态。
3．工业机器人的分类
机器人的分类方法很多，这里仅介绍按驱动方式、信息输入方式、坐标形式三种分类。
⑴ 按信息输入方式分
① 人操作机械手 是一种由操作人员直接进行操作的具有几个自由度的机械手。
② 固定程序机器人 按预先规定的顺序、条件和位置，逐步地重复执行给定作业任务的机械手。
③ 可编程序机器人 它与固定程序机器人基本相同，但其工作次序等信息易于修改。
④ 程序控制机器人 它的作业任务指令是由计算机程序向机器人提供的，其控制方式与数控机床一样。
⑤ 示教机器人 这类机器人能够按照记忆装置存储的信息来复现由人示教的动作，其示教动作可自动地重复执行。
⑥ 智能机器人 采用传感器来感知工作环境或工作条件的变化，并借助其自身的决策能力，完成相应的工作任务。
⑵ 按驱动方式分
① 电力驱动 电力驱动是目前采用最多的一种。早期多采用步进电动机驱动，后来发展了直流伺服电动机，现在交流伺服电动机的应用也得到了迅速发展。这类驱动单元可以直接驱动机构运动，也可以通过谐波减速器装置减速后驱动机构，结构简单紧凑。
② 液压驱动 液压驱动的机器人具有很大的抓取能力，可抓取质量上百公斤的物体，油压可达7MPa，液压传动平稳，动作灵敏，但对密封性要求较高，不宜在高温或低温现场工作，需要配备一套液压系统。
③ 气动驱动 气压驱动的机器人结构简单，动作迅速、价格低廉，由于空气可压缩性，导致工作速度稳定性差，气源压力一般为0.7 MPa，因此抓取力小，只能抓取重量为几公斤到几十公斤的物体。
⑶ 按坐标形式分
坐标形式是指执行机构的手臂在运动时所取的参考坐标系的形式。如图15-10所示。
图15-10 各种坐标形式的工业机器人
①直角坐标机器人 这种机器人的手部在空间三个相互垂直的方向X、Y、Z上作移动
运动，运动是独立的。其控制简单，运动直观性强，易达到高精度，但操作灵活性差，运动的速度较低，操作范围小而占据的空间相对较大。如图15-10（a） 所示。
②柱面坐标机器人 这类机器人在水平转台上装有立柱，水平臂可沿着立柱上下运动并可在水平方法伸缩。其工作范围较大，运动速度较高，但随着水平臂沿水平方向伸长，其线位移分辨精度越来越低。如图15-10（b） 所示。
③球面坐标机器人 这种机器人不仅可绕垂直轴旋转，还可绕水平轴作俯仰运动，且能沿手臂轴线作伸缩运动。其操作比柱面坐标更为灵活，并能扩大机器人的工作空间。如图15-10（c） 所示。
④关节式机器人 这种机器人由多个关节联结的机座、大臂、小臂和手腕等构成，大小臂既可在垂直于机座的平面内运动，也可实现绕垂直轴的转动。其操作灵活性最好，运动速度较高，操作范围较大，但精度受手臂位姿的影响，实现高精度运动较困难。如图15-10（d） 所示。
