1.1　工业机器人概述

自从20世纪60年代初世界上第一台工业机器人在美国问世以后，机器人展示出了其极强的生命力。特别是近年来，随着我国经济结构的调整和升级，我国已经成为全球第一大工业机器人市场，“机器换人”至少会持续10年。在工业生产中，焊接机器人、磨抛加工机器人、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，如图1-1～图1-4所示。

1.1.1　工业机器人基本构成

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，见图1-5。

（1）机械结构系统

工业机器人的机械结构系统由机座、手臂、末端执行器三大部分组成，每一个机械组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，则构成固定机械臂。手臂一般由腰、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爪，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驱动装置，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的混合驱动系统，可以是直接驱动或者通过同步带、链条、轮系、谐波齿轮减速器、RV减速器等机械传动机构进行间接传动。

（3）感知系统

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、适应性和智能化的程度。人类的感知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，传感器比人类的感知系统更有效。

（4）机器人—环境交互系统

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信息和协调工作的系统。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执行复杂任务的功能单元。

（5）人机交互系统

人机交互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）控制系统

机器人控制系统是机器人的大脑，是决定机器人功能和性能的主要因素。它的主要任务就是控制工业机器人在工作空间中的运动位置、姿态和轨迹、操作顺序及动作的时间等。模块化、层次化的控制器软件系统、机器人的故障诊断与安全维护技术、网络化机器人控制器技术等关键技术直接影响到工业机器人的速度、控制精度与可靠性。目前，机器人控制系统将向着基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化，伺服驱动技术的数字化和分散化，多传感器融合技术的实用化，以及工作环境设计的优化和作业的柔性化。

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。

1.1.2　工业机器人的分类

工业机器人按操作机坐标形式分以下5类，见图1-6。

（1）直角坐标型工业机器人

直角坐标型工业机器人的运动部分由三个相互垂直的直线移动副（即PPP）组成，其工作空间图形为长方形。它在各个轴向的移动距离，可在各个坐标轴上直接读出，直观性强，易于位置和姿态的编程计算，定位精度高，控制无偶合，结构简单，但机体所占空间体积大，动作范围小，灵活性差，难与其他工业机器人协调工作。

（2）圆柱坐标型工业机器人

圆柱坐标型工业机器人的运动形式是通过一个转动副和两个移动副组成的运动系统来实现的，其工作空间图形为圆柱。与直角坐标型工业机器人相比，在相同的工作空间条件下，机体所占体积小，而运动范围大，其位置精度仅次于直角坐标型机器人，难与其他工业机器人协调工作。

（3）球坐标型工业机器人

球坐标型工业机器人又称极坐标型工业机器人，其手臂的运动由两个转动副和一个直线移动副（即RRP，一个回转、一个俯仰和一个伸缩运动）所组成，其工作空间为一球体，它可以做上下俯仰动作，并能抓取地面上或较低位置的协调工件，其位置精度高，位置误差与臂长成正比。

（4）多关节型工业机器人

多关节型工业机器人又称回转坐标型工业机器人，这种工业机器人的手臂与人体上肢类似，其前三个关节是回转副（即RRR）。该工业机器人一般由立柱和大小臂组成，立柱与大臂间形成肩关节，大臂和小臂间形成肘关节，可使大臂做回转运动和俯仰摆动，小臂做仰俯摆动。其结构最紧凑，灵活性大，占地面积最小，能与其他工业机器人协调工作，但位置精度较低，有平衡性，控制耦合等问题，这种工业机器人应用越来越广泛。

（5）平面关节型工业机器人

它采用一个移动关节和两个回转关节（即PRR）。移动关节实现上下运动，而两个回转关节则控制前后、左右运动。这种形式的工业机器人又称（SCARA，Seletive Compliance Assembly Robot Arm）装配机器人。在水平方向具有柔顺性，而在垂直方向则有较大的刚性。它结构简单，动作灵活，多用于装配作业中，特别适合小规格零件的插接装配，如在电子工业的插接、装配中应用广泛，见图1-7。

工业机器人按机械结构可分为串联机器人和并联机器人。

①串联机器人　其特点是：一个轴的运动会改变另一个轴的坐标原点，在位置求解上，串联机器人的正解容易，但反解十分困难。

②并联机器人　采用并联机构，其一个轴的运动不会改变另一个轴的坐标原点。并联机器人具有刚度大、结构稳定、承载能力大、微动精度高、运动负荷小的优点。其正解困难，反解却非常容易。