模塊1 工業(yè)機(jī)器人認(rèn)知

工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)模塊一工業(yè)機(jī)器人認(rèn)知工業(yè)機(jī)器人是在20世紀(jì)60年代逐漸發(fā)展起來的一種用于代替?zhèn)鹘y(tǒng)勞動力的工業(yè)設(shè)備。工業(yè)機(jī)器人技術(shù)是一門多學(xué)科綜合的自動化技術(shù)，涉及機(jī)械、電子、數(shù)學(xué)、運(yùn)動學(xué)、力學(xué)、控制理論、傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及人機(jī)工程。到今天，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)已成為工業(yè)生產(chǎn)、智能制造等領(lǐng)域不可或缺的中堅(jiān)力量。目錄單元1工業(yè)機(jī)器人概述單元2工業(yè)機(jī)器人的分類單元3工業(yè)機(jī)器人的性能參數(shù)單元1工業(yè)機(jī)器人概述單元1工業(yè)機(jī)器人概述工業(yè)機(jī)器人是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度的機(jī)器裝置，它能自動執(zhí)行工作，是靠自身動力和控制能力來實(shí)現(xiàn)各種功能的一種機(jī)器，如圖1－1－1所示。它可以接受人類指揮，也可以按照預(yù)先編制的程序運(yùn)行，現(xiàn)代的工業(yè)機(jī)器人還可以根據(jù)人工智能技術(shù)制定的原則綱領(lǐng)行動。一、工業(yè)機(jī)器人的定義單元1工業(yè)機(jī)器人概述美國機(jī)器人協(xié)會（RIA）對工業(yè)機(jī)器人的定義是：“一種用于移動各種材料、零件、工具或?qū)Ｓ醚b置的，通過可編程的動作來執(zhí)行各種任務(wù)的，具有編程能力的多功能機(jī)械手?！泵绹鴩覙?biāo)準(zhǔn)局（NBS）對工業(yè)機(jī)器人的定義是：“一種能夠進(jìn)行編程并在自動控制下執(zhí)行某些操作和移動作業(yè)任務(wù)的機(jī)械裝置。”美國機(jī)器人工業(yè)協(xié)會（U.S.RIA）提出的工業(yè)機(jī)器人定義是：“工業(yè)機(jī)器人是用來進(jìn)行搬運(yùn)材料、零件、工具等可再編程的多功能機(jī)械手，或通過不同程序的調(diào)用來完成各種工作任務(wù)的特種裝置?！?/p>

1987年國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）對工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行了定義：“工業(yè)機(jī)器人是一種具有自動控制的操作和移動功能，能完成各種作業(yè)的可編程操作機(jī)?！本C上所述，工業(yè)機(jī)器人是一種按實(shí)際工況自動控制精確運(yùn)動并作業(yè)的可編程機(jī)電一體化智能設(shè)備。一、工業(yè)機(jī)器人的定義單元1工業(yè)機(jī)器人概述已知最早的工業(yè)機(jī)器人是1937年由格里菲斯·P·泰勒完成，并發(fā)布在1938年3月的專業(yè)雜志上。這臺機(jī)器人幾乎完全是用吊車狀裝置建成的，動力由單個電動機(jī)提供，可實(shí)現(xiàn)五軸運(yùn)動。自動化方面是用穿孔紙帶通電螺線管——這有利于用起重機(jī)的控制桿操作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動功能。該機(jī)器人可以在預(yù)先設(shè)定的圖案上堆積木，第一次操作時需要將每個運(yùn)動馬達(dá)的轉(zhuǎn)數(shù)繪制在坐標(biāo)紙上，然后把這個信息轉(zhuǎn)移到紙帶上，從而推動機(jī)器人的單個馬達(dá)運(yùn)動。

1954年，喬治·德沃爾申請了一個“可編程關(guān)節(jié)式轉(zhuǎn)移物體裝置”的專利，具備了現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人的雛形。二、工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展史單元1工業(yè)機(jī)器人概述真正意義上的工業(yè)機(jī)器人出現(xiàn)在1959年。當(dāng)時，美國人約瑟夫·恩格爾伯格和喬治·德沃爾制造出了世界上第一臺工業(yè)機(jī)器人Unimate，意思是“萬能自動”，如圖1－1－2所示。這臺機(jī)器人外形像一個坦克的炮塔，基座上有一個可轉(zhuǎn)動的大機(jī)械臂，大臂上又伸出一個可以伸縮和轉(zhuǎn)動的小機(jī)械臂，能進(jìn)行一些簡單的操作，代替人做一些諸如抓放零件的工作。約瑟夫·恩格爾伯格也因此被稱為“機(jī)器人之父”。二、工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展史單元1工業(yè)機(jī)器人概述與美國勞動力充沛不同，日本戰(zhàn)后的勞動力匱乏已對快速發(fā)展的經(jīng)濟(jì)造成了阻礙。1969年，日本業(yè)界把約瑟夫·恩格爾伯格請到東京演講，指導(dǎo)日本廠商研發(fā)機(jī)器人。通過知識產(chǎn)權(quán)輸出等方式，Unimation公司與日本川崎等公司建立了聯(lián)系。借此，川崎重工引進(jìn)Unimation機(jī)器人，并把開發(fā)能節(jié)省勞動力的機(jī)器人系統(tǒng)作為一項(xiàng)重要任務(wù)來完成，而后成功開發(fā)了KawasakiUnimate2000機(jī)器人（如圖1－1－3所示），這是日本生產(chǎn)的第一臺工業(yè)機(jī)器人，川崎重工隨后也成了日本工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域的先驅(qū)。二、工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展史單元1工業(yè)機(jī)器人概述

20世紀(jì)70年代之前，工業(yè)機(jī)器人基本是Unimation的天下，Unimation把機(jī)器人賣給各家公司，甚至遠(yuǎn)銷歐洲、日本，大大提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率。隨后，工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域開始了高速發(fā)展。

1971年，日本機(jī)器人協(xié)會成立，這是世界上第一個國家機(jī)器人協(xié)會。

1973年，第一臺機(jī)電驅(qū)動的六軸機(jī)器人面世，如圖1－1－4所示。德國庫卡公司將其使用的Unimate機(jī)器人改造成第一臺產(chǎn)業(yè)機(jī)器人，命名為Famulus，這是世界上第一臺機(jī)電驅(qū)動的六軸機(jī)器人。二、工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展史單元1工業(yè)機(jī)器人概述

1974年，瑞典通用電機(jī)公司（ASEA，ABB公司的前身）開發(fā)出世界上第一臺全電力驅(qū)動、由微處理器控制的五軸工業(yè)機(jī)器人IRB6，主要應(yīng)用于工件的取放和物料的搬運(yùn)，如圖1－1－5所示。首臺IRB6運(yùn)行于瑞典南部的一家小型機(jī)械工程公司。IRB6采用擬人化設(shè)計(jì)，其動作模仿人類的手臂，可承受6千克載荷。IRB6的S1控制器第一個使用英特爾8位微處理器，內(nèi)存容量為16kB，有16個數(shù)字I/O接口，通過16個按鍵編程，并具有四位數(shù)的LED顯示屏。二、工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展史單元1工業(yè)機(jī)器人概述

1978年，美國Unimation公司推出通用工業(yè)機(jī)器人，應(yīng)用于通用汽車裝配線（圖1－1－6），這標(biāo)志著工業(yè)機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)完全成熟。二、工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展史單元1工業(yè)機(jī)器人概述

1984年，瑞典ABB公司生產(chǎn)出當(dāng)時速度最快的裝配機(jī)器人IRB1000（圖1－1－7），這是一個配備了垂直手臂的鐘擺式機(jī)器人。IRB1000機(jī)器人工作的時候，不需要來回移動就可以快速穿越較大面積的工作場合，速度比傳統(tǒng)的手臂機(jī)器人快50%以上。二、工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展史單元1工業(yè)機(jī)器人概述

1992年，瑞典ABB公司推出開放式控制系統(tǒng)S4（圖1－1－8）。S4控制器的設(shè)計(jì)改善了人機(jī)界面，并提升了機(jī)器人的技術(shù)性能。二、工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展史單元1工業(yè)機(jī)器人概述

2008年，日本發(fā)那科公司推出了新的重型機(jī)器人M2000iA，有效載荷達(dá)1200千克（圖1－1－9）。M2000iA系列是當(dāng)時世界上規(guī)模最大、實(shí)力最強(qiáng)的六軸機(jī)器人，可搬運(yùn)超重物體，具有兩種型號，分別為一次可舉起900千克載荷的M2000iA/900L和一次可舉起1200千克載荷的M2000iA/1200，能夠做到更快速、更穩(wěn)定、更精確地移動大型部件。二、工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展史單元1工業(yè)機(jī)器人概述

2009年9月，瑞典ABB公司推出了世界上最小的多用途工業(yè)機(jī)器人IRB120，也是速度最快的六軸機(jī)器人（圖1－1－10）。IRB120是一款新型機(jī)器人，質(zhì)量僅為25千克，荷重3千克（垂直腕為4千克），工作范圍達(dá)580毫米。IRB120的問世使ABB第四代新型機(jī)器人產(chǎn)品系列得到進(jìn)一步延伸，具有卓越的經(jīng)濟(jì)性與可靠性。二、工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展史單元1工業(yè)機(jī)器人概述工業(yè)機(jī)器人的出現(xiàn)將人類從繁重單一的勞動中解放出來，它能夠從事一些不適合人類甚至超越人類的勞動，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的自動化，避免工傷事故并且提高生產(chǎn)效率。自1959年工業(yè)機(jī)器人誕生后，經(jīng)過近70年的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在裝備制造、新材料、生物醫(yī)藥、智慧新能源等高新產(chǎn)業(yè)，工業(yè)機(jī)器人的分類也越來越細(xì)化。它與人工智能技術(shù)、先進(jìn)制造技術(shù)和移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融合發(fā)展，大大推動了人類社會生活方式的變革。工業(yè)機(jī)器人對于我國制造業(yè)提質(zhì)增效、轉(zhuǎn)型升級、推動產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)邁向中高端具有重要作用。二、工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展史單元1工業(yè)機(jī)器人概述喬治·德沃爾提出的工業(yè)機(jī)器人有以下特點(diǎn)：將數(shù)控機(jī)床的伺服軸與遙控操縱器的連桿機(jī)構(gòu)連接在一起，預(yù)先設(shè)定的機(jī)械手動作經(jīng)編程輸入后，系統(tǒng)就可以離開人的輔助而獨(dú)立運(yùn)行。這種機(jī)器人還可以接受示教而完成各種簡單的重復(fù)動作，示教過程中，機(jī)械手可依次通過工作任務(wù)的各個位置，這些位置序列全部記錄在存儲器內(nèi)，任務(wù)的執(zhí)行過程中，機(jī)器人的各個關(guān)節(jié)在伺服驅(qū)動下依次再現(xiàn)上述位置，故這種機(jī)器人的主要技術(shù)功能被稱為“可編程”和“示教再現(xiàn)”。

1962年，美國推出的一些工業(yè)機(jī)器人的控制方式與數(shù)控機(jī)床大致相似，但外形主要由類似人的手臂組成。此后，逐漸出現(xiàn)了具有視覺傳感器的、能識別與定位的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)。三、工業(yè)機(jī)器人的特點(diǎn)單元1工業(yè)機(jī)器人概述工業(yè)機(jī)器人最顯著的特點(diǎn)有以下幾個：（一）可編程生產(chǎn)自動化的進(jìn)一步發(fā)展是柔性自動化。工業(yè)機(jī)器人可隨其工作環(huán)境變化的需要進(jìn)行再編程，因此在小批量、多品種、高效率的柔性制造過程中能發(fā)揮很好的功用，是柔性制造系統(tǒng)中的重要組成部分。（二）擬人化工業(yè)機(jī)器人在機(jī)械結(jié)構(gòu)上有類似人的行走、腰轉(zhuǎn)動作，具有類似大臂、小臂、手腕、手爪的部分，由電腦控制。此外，智能化工業(yè)機(jī)器人還有許多類似人類的“生物傳感器”，如皮膚型接觸傳感器、力傳感器、負(fù)載傳感器、視覺傳感器、聲覺傳感器、語言功能等。傳感器提高了工業(yè)機(jī)器人對應(yīng)用環(huán)境的適應(yīng)能力。（三）通用性除了專門設(shè)計(jì)的專用工業(yè)機(jī)器人外，一般工業(yè)機(jī)器人在執(zhí)行不同作業(yè)任務(wù)時具有較好的通用性，比如更換工業(yè)機(jī)器人手部末端操作器（手爪、工具等）便可執(zhí)行不同的作業(yè)任務(wù)。三、工業(yè)機(jī)器人的特點(diǎn)單元1工業(yè)機(jī)器人概述四、工業(yè)機(jī)器人的優(yōu)勢當(dāng)今工業(yè)機(jī)器人技術(shù)正逐漸向著具有行走能力，具有多種感知能力，對作業(yè)環(huán)境具有較強(qiáng)的自適應(yīng)能力的方向發(fā)展。當(dāng)前，對全球機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展最有影響的國家是美國和日本。美國在工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的綜合研究水平方面處于領(lǐng)先地位，而日本生產(chǎn)的工業(yè)機(jī)器人在數(shù)量、種類方面居世界首位。工業(yè)機(jī)器人技術(shù)涉及的學(xué)科相當(dāng)廣泛，歸納起來是機(jī)械學(xué)和微電子學(xué)的結(jié)合——機(jī)電一體化技術(shù)。第三代智能機(jī)器人不僅具有獲取外部環(huán)境信息的各種傳感器，而且還具有記憶能力、語言理解能力、圖像識別能力、推理判斷能力等人工智能，這些都與微電子技術(shù)的應(yīng)用，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用密切相關(guān)。因此，機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展必將帶動其他技術(shù)的發(fā)展，其發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀也可以反映一個國家科學(xué)和工業(yè)的水平。（一）工業(yè)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的優(yōu)勢工業(yè)機(jī)器人集精密化、柔性化、智能化、軟件應(yīng)用開發(fā)等先進(jìn)制造技術(shù)于一體，通過對過程實(shí)施檢測、控制、優(yōu)化、調(diào)度、管理和決策，實(shí)現(xiàn)增加產(chǎn)量、提高質(zhì)量、降低成本、減少資源消耗和環(huán)境污染，是工業(yè)自動化水平的最高體現(xiàn)。三、工業(yè)機(jī)器人的特點(diǎn)單元1工業(yè)機(jī)器人概述（二）技術(shù)升級的趨勢工業(yè)機(jī)器人與自動化成套裝備具備精細(xì)制造、精細(xì)加工以及柔性生產(chǎn)等技術(shù)特點(diǎn)，是繼動力機(jī)械和計(jì)算機(jī)之后出現(xiàn)的全面延伸人的體力和智力的新一代生產(chǎn)工具，是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)字化、自動化、網(wǎng)絡(luò)化以及智能化的重要手段。（三）應(yīng)用領(lǐng)域廣泛工業(yè)機(jī)器人與自動化成套裝備是生產(chǎn)過程的關(guān)鍵設(shè)備，可用于制造、安裝、檢測、物流等生產(chǎn)環(huán)節(jié)，并廣泛應(yīng)用于汽車整車及汽車零部件、工程機(jī)械、軌道交通、低壓電器、電力、IC裝備、軍工、煙草、金融、醫(yī)藥、冶金及印刷出版等眾多行業(yè)，應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。（四）技術(shù)綜合性強(qiáng)工業(yè)機(jī)器人與自動化成套技術(shù)集中并融合了多項(xiàng)學(xué)科，涉及多項(xiàng)技術(shù)領(lǐng)域，包括工業(yè)機(jī)器人控制技術(shù)、機(jī)器人動力學(xué)及仿真、機(jī)器人構(gòu)建有限元分析、激光加工技術(shù)、模塊化程序設(shè)計(jì)、智能測量、建模加工一體化、工廠自動化以及精細(xì)物流等先進(jìn)制造技術(shù)，技術(shù)綜合性強(qiáng)。三、工業(yè)機(jī)器人的特點(diǎn)目錄單元1工業(yè)機(jī)器人概述單元2工業(yè)機(jī)器人的分類單元3工業(yè)機(jī)器人的性能參數(shù)單元2工業(yè)機(jī)器人的分類單元2工業(yè)機(jī)器人的分類關(guān)于工業(yè)機(jī)器人的分類，國際上并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，有的按載荷大小分，有的按控制方式分，有的按機(jī)械結(jié)構(gòu)分，有的按坐標(biāo)系分，有的按應(yīng)用領(lǐng)域分。這里，我們按照比較普遍的三種分類形式進(jìn)行分類講解。單元2工業(yè)機(jī)器人的分類按機(jī)械結(jié)構(gòu)的方法對機(jī)器人分類是指，將工業(yè)機(jī)器人按照不同的動力學(xué)結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行分類。按照這種方法，通常將工業(yè)機(jī)器人分成兩類：串聯(lián)式機(jī)器人和并聯(lián)式機(jī)器人。（一）串聯(lián)式機(jī)器人串聯(lián)式機(jī)器人是開式運(yùn)動鏈，由一系列連桿通過轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)或移動關(guān)節(jié)串聯(lián)而成，并沒有形成封閉的結(jié)構(gòu)鏈。關(guān)節(jié)由驅(qū)動器驅(qū)動，關(guān)節(jié)的相對運(yùn)動再驅(qū)動連桿運(yùn)動，使手爪實(shí)現(xiàn)一定的位姿，如圖1－2－1所示。對串聯(lián)式機(jī)器人而言，一個軸的運(yùn)動會改變另一個軸的坐標(biāo)原點(diǎn)，比如六軸工業(yè)機(jī)器人。一、按機(jī)械結(jié)構(gòu)分類單元2工業(yè)機(jī)器人的分類串聯(lián)式機(jī)器人的特點(diǎn)有：

1.工作空間大。

2.運(yùn)動分析較容易。

3.可避免驅(qū)動軸之間的耦合效應(yīng)。

4.機(jī)構(gòu)各軸必須獨(dú)立控制，且需搭配編碼器與傳感器來提高機(jī)構(gòu)運(yùn)動時的精準(zhǔn)度。串聯(lián)式機(jī)器人通常都具有三個以上的關(guān)節(jié)，類似于人類的手臂，靈活性高，廣泛應(yīng)用于裝配、搬運(yùn)、噴漆、碼垛、測量、弧焊、點(diǎn)焊、包裝、鑄造等作業(yè)。一、按機(jī)械結(jié)構(gòu)分類單元2工業(yè)機(jī)器人的分類（二）并聯(lián)式機(jī)器人并聯(lián)式機(jī)器人可以定義為：動平臺和定平臺通過至少兩個獨(dú)立的運(yùn)動鏈相連接，機(jī)構(gòu)具有兩個或兩個以上自由度，且以并聯(lián)方式驅(qū)動的一種閉環(huán)機(jī)構(gòu)，如圖1－2－2所示。并聯(lián)式機(jī)器人一個軸的運(yùn)動不影響另一個軸的坐標(biāo)原點(diǎn)，如delta機(jī)器人。一、按機(jī)械結(jié)構(gòu)分類單元2工業(yè)機(jī)器人的分類并聯(lián)式機(jī)器人的特點(diǎn)有：

1.無累積誤差，精度較高。

2.驅(qū)動裝置可置于定平臺上或接近定平臺的位置，使得運(yùn)動部分質(zhì)量輕，速度高，動態(tài)響應(yīng)好。

3.結(jié)構(gòu)緊湊，剛度高，承載能力大。

4.完全對稱的并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有較好的各向同性。

5.工作空間較小。因?yàn)檫@些特點(diǎn)，并聯(lián)機(jī)器人在需要高剛度、高精度或者大載荷而無須很大工作空間的領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。一、按機(jī)械結(jié)構(gòu)分類單元2工業(yè)機(jī)器人的分類工業(yè)機(jī)器人按照坐標(biāo)系通常可分為柱坐標(biāo)機(jī)器人、球坐標(biāo)機(jī)器人、笛卡爾坐標(biāo)機(jī)器人、多關(guān)節(jié)型機(jī)器人和平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人。（一）柱坐標(biāo)機(jī)器人如果水平臂或桿架安裝在一垂直柱上，而該柱又安裝在一個旋轉(zhuǎn)基座上，這種結(jié)構(gòu)可稱為柱坐標(biāo)機(jī)器人。如圖1－2－3所示，柱坐標(biāo)機(jī)器人具有一個回轉(zhuǎn)和兩個平移自由度，其運(yùn)動特點(diǎn)如下：

1.手臂可伸縮（沿r方向）。

2.滑動架（或托板）可沿柱上下移動（z軸方向）。

3.水平臂和滑動架組合件可作為基座上的一個整體而旋轉(zhuǎn)（繞z軸），一般旋轉(zhuǎn)不允許超過360°。柱坐標(biāo)機(jī)器人手臂伸出長度有最小值和最大值，所以機(jī)器人的工作包絡(luò)范圍呈圓柱狀。二、按坐標(biāo)系分類單元2工業(yè)機(jī)器人的分類（二）球坐標(biāo)機(jī)器人球坐標(biāo)機(jī)器人的空間位置分別由旋轉(zhuǎn)、擺動和平移3個自由度確定。由于機(jī)械和驅(qū)動連線的限制，球坐標(biāo)機(jī)器人的工作范圍是球體的一部分，如圖1－2－4所示。球坐標(biāo)機(jī)器人的工作特點(diǎn)如下：

1.手臂可伸出縮回范圍R，類似于可伸縮的望遠(yuǎn)鏡套筒。

2.在垂直面內(nèi)繞軸旋轉(zhuǎn)的角度為β。

3.在基座水平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動角度為θ。二、按坐標(biāo)系分類單元2工業(yè)機(jī)器人的分類（三）笛卡爾坐標(biāo)機(jī)器人（直角坐標(biāo)機(jī)器人）笛卡爾坐標(biāo)機(jī)器人，又叫直角坐標(biāo)機(jī)器人，是指能夠?qū)崿F(xiàn)自動控制的、可重復(fù)編程的、多自由度的、運(yùn)動自由度間成空間直角關(guān)系的多用途操作機(jī)。笛卡爾坐標(biāo)機(jī)器人是以xyz直角坐標(biāo)系統(tǒng)為基本數(shù)學(xué)模型，以伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的單軸機(jī)械臂為基本工作單元，以滾珠絲杠、同步皮帶、齒輪齒條為常用的傳動方式所架構(gòu)起來的機(jī)器人系統(tǒng)，可以完成在xyz三維坐標(biāo)系中任意一點(diǎn)的到達(dá)，并遵循可控的運(yùn)動軌跡。在結(jié)構(gòu)上，笛卡爾坐標(biāo)機(jī)器人又分為懸臂式和門型兩種，如圖1－2－5所示。二、按坐標(biāo)系分類單元2工業(yè)機(jī)器人的分類懸臂式笛卡爾坐標(biāo)機(jī)器人的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、成本低、速度快、負(fù)載低、懸臂長度有限。門型笛卡爾坐標(biāo)機(jī)器人又叫桁架機(jī)器人或龍門式機(jī)器人。相比懸臂式，其結(jié)構(gòu)略復(fù)雜，成本略高，但能承受的負(fù)載大，各軸的行程更大。笛卡爾坐標(biāo)機(jī)器人的核心運(yùn)動部件是線性模組，如圖1－2－6所示。線性模組主要由導(dǎo)軌、絲杠（或同步帶、齒條等）、運(yùn)動體和電機(jī)（步進(jìn)或伺服）組成。二、按坐標(biāo)系分類單元2工業(yè)機(jī)器人的分類（四）多關(guān)節(jié)型機(jī)器人多關(guān)節(jié)型機(jī)器人由多個回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組合而成（圖1－2－7）。這類機(jī)器人結(jié)構(gòu)緊湊，工作空間大，動作最接近人的動作，對涂裝、裝配、焊接等多種作業(yè)都有良好的適應(yīng)性，應(yīng)用范圍越來越廣。

1.多關(guān)節(jié)型機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)（1）結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。（2）靈活性好，手部到達(dá)位置好，具有較好的蔽障性能。（3）沒有移動關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)密封性能好，摩擦小，慣量小。（4）關(guān)節(jié)驅(qū)動力小，能耗較低。

2.多關(guān)節(jié)型機(jī)器人的缺點(diǎn)（1）運(yùn)動過程中存在平衡問題，控制存在耦合。（2）當(dāng)大臂和小臂舒展開時，機(jī)器人結(jié)構(gòu)剛度較差。多關(guān)節(jié)型機(jī)器人是通用性最好的工業(yè)機(jī)器人，最常用的多關(guān)節(jié)型機(jī)器人有五軸搬運(yùn)機(jī)器人、六軸機(jī)器人、七軸機(jī)器人等。二、按坐標(biāo)系分類單元2工業(yè)機(jī)器人的分類二、按坐標(biāo)系分類單元2工業(yè)機(jī)器人的分類（五）平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人如圖1－2－8所示，平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人具有四個自由度：三個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，軸線相互平行,實(shí)現(xiàn)平面內(nèi)定位和定向；一個移動關(guān)節(jié)，實(shí)現(xiàn)末端件升降運(yùn)動。具體機(jī)械系統(tǒng)由基座、手臂和末端執(zhí)行器三大部分組成，每一部分都有若干自由度，構(gòu)成了一個多自由度的機(jī)械系統(tǒng)?；哂谢剞D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)（肩關(guān)節(jié)），手臂由大臂、小臂組成，末端執(zhí)行器（手部）是一個鉗爪式手部結(jié)構(gòu)。本機(jī)器人具有高剛性、高精度、高速度、安裝空間小及設(shè)計(jì)自由度大等優(yōu)點(diǎn)，可以組裝成焊接機(jī)器人、點(diǎn)膠機(jī)器人、光學(xué)檢測機(jī)器人、拿放機(jī)器人及插件機(jī)器人等，從而應(yīng)用于高效率的裝配、焊接、密封、搬運(yùn)和拿放等動作。二、按坐標(biāo)系分類單元2工業(yè)機(jī)器人的分類（一）搬運(yùn)機(jī)器人搬運(yùn)機(jī)器人是在自動化作業(yè)中專門從事搬運(yùn)工作的工業(yè)機(jī)器人（圖1－2－9）。它的主要工作內(nèi)容是將物料從一個地方搬運(yùn)到另一個地方。搬運(yùn)機(jī)器人的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，負(fù)載大，但靈活性不如六軸機(jī)器人。搬運(yùn)機(jī)器人一般以五軸結(jié)構(gòu)居多。搬運(yùn)機(jī)器人用途很廣，一般只需點(diǎn)位控制，即被搬運(yùn)零件無嚴(yán)格的運(yùn)動軌跡要求，只要求始點(diǎn)和終點(diǎn)位姿準(zhǔn)確。如箱體碼垛，流水線上下料等。三、按應(yīng)用領(lǐng)域分類單元2工業(yè)機(jī)器人的分類（二）焊接機(jī)器人焊接機(jī)器人是從事焊接作業(yè)的工業(yè)機(jī)器人，亦是目前使用最多的一類定制化機(jī)器人。由于焊接機(jī)器人是在準(zhǔn)平面、空間狹窄的環(huán)境下工作，為了保證機(jī)器人能根據(jù)電弧傳感器的偏差信息跟蹤焊縫，實(shí)現(xiàn)自動焊接，要求所設(shè)計(jì)的機(jī)器人應(yīng)該具有結(jié)構(gòu)緊湊、移動靈活且工作穩(wěn)定等特點(diǎn)。常用的焊接機(jī)器人分為點(diǎn)焊和弧焊兩種。

1.點(diǎn)焊機(jī)器人點(diǎn)焊機(jī)器人是用于點(diǎn)焊自動作業(yè)的工業(yè)機(jī)器人（圖1－2－10）。點(diǎn)焊機(jī)器人由機(jī)器人本體、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、示教盒和點(diǎn)焊焊接系統(tǒng)幾部分組成。為了適應(yīng)靈活動作的工作要求，通常選用關(guān)節(jié)式工業(yè)機(jī)器人的基本設(shè)計(jì)，一般具有六個自由度：腰轉(zhuǎn)、大臂轉(zhuǎn)、小臂轉(zhuǎn)、腕轉(zhuǎn)、腕擺及腕捻。點(diǎn)焊機(jī)器人的驅(qū)動方式有液壓驅(qū)動和電氣驅(qū)動兩種，其中電氣驅(qū)動具有保養(yǎng)維修簡便、能耗低、速度高、精度高、安全性好等優(yōu)點(diǎn)，因此應(yīng)用較為廣泛。點(diǎn)焊機(jī)器人按照示教程序規(guī)定的動作、順序和參數(shù)進(jìn)行點(diǎn)焊作業(yè)，其過程是完全自動化的，并且具有與外部設(shè)備通信的接口，可以通過通信接口接受上一級主控與管理計(jì)算機(jī)的控制命令進(jìn)行工作。三、按應(yīng)用領(lǐng)域分類單元2工業(yè)機(jī)器人的分類三、按應(yīng)用領(lǐng)域分類單元2工業(yè)機(jī)器人的分類

2.弧焊機(jī)器人弧焊機(jī)器人是指用于自動弧焊作業(yè)的工業(yè)機(jī)器人?；『笝C(jī)器人的組成和原理與點(diǎn)焊機(jī)器人基本相同。一般的弧焊機(jī)器人由示教盒、控制盤、機(jī)器人本體及自動送絲裝置、焊接電源等部分組成（圖1－2－11），可以在計(jì)算機(jī)的控制下實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制和點(diǎn)位控制，還可以利用直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)功能焊接由直線及圓弧所組成的空間焊縫?；『笝C(jī)器人主要有熔化極焊接作業(yè)和非熔化極焊接作業(yè)兩種類型，具有可長期進(jìn)行焊接作業(yè)，保證焊接作業(yè)的高生產(chǎn)率、高質(zhì)量和高穩(wěn)定性等特點(diǎn)。隨著技術(shù)的發(fā)展，弧焊機(jī)器人正向著智能化的方向發(fā)展?；『笝C(jī)器人系統(tǒng)的基本組成部分有機(jī)器人本體、控制系統(tǒng)、示教器、焊接電源、焊槍、焊接夾具和安全防護(hù)設(shè)施。三、按應(yīng)用領(lǐng)域分類單元2工業(yè)機(jī)器人的分類

3.焊接機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)控及機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，自動焊接機(jī)器人從20世紀(jì)60年代開始用于生產(chǎn)以來，其技術(shù)已日益成熟，主要有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）穩(wěn)定和提高焊接質(zhì)量，能將焊接質(zhì)量以數(shù)值的形式反映出來。（2）提高勞動生產(chǎn)率。（3）改善工人勞動強(qiáng)度，可在有害環(huán)境下工作。（4）降低了對工人操作技術(shù)的要求。（5）縮短了產(chǎn)品改型換代的準(zhǔn)備周期，減少相應(yīng)的設(shè)備投資。因此，焊接機(jī)器人現(xiàn)在已經(jīng)在汽車、電子等各行各業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。三、按應(yīng)用領(lǐng)域分類單元2工業(yè)機(jī)器人的分類（三）噴涂機(jī)器人噴涂機(jī)器人是可進(jìn)行自動噴漆作業(yè)或噴涂其他涂料的工業(yè)機(jī)器人。噴涂機(jī)器人主要由機(jī)器人本體、計(jì)算機(jī)和相應(yīng)的控制系統(tǒng)組成，液壓驅(qū)動的噴涂機(jī)器人還包括液壓油源，如油泵、油箱和電機(jī)等。噴涂機(jī)器人多采用5或6自由度關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)，手臂有較大的運(yùn)動空間，并可做復(fù)雜的軌跡運(yùn)動，其腕部一般有2～3個自由度，可靈活運(yùn)動。較先進(jìn)的噴涂機(jī)器人腕部采用柔性手腕，既可向各個方向彎曲，又可轉(zhuǎn)動，其動作類似人的手腕，能方便地通過較小的孔伸入工件內(nèi)部，噴涂其內(nèi)表面。噴涂機(jī)器人一般采用液壓驅(qū)動，具有速度快、防爆性能好等特點(diǎn)，可通過手把手示教或點(diǎn)位示教來實(shí)現(xiàn)操作。噴涂機(jī)器人廣泛用于汽車、儀表、電器、搪瓷等工藝生產(chǎn)部門（圖1－2－12）。三、按應(yīng)用領(lǐng)域分類單元2工業(yè)機(jī)器人的分類三、按應(yīng)用領(lǐng)域分類單元2工業(yè)機(jī)器人的分類由于噴涂機(jī)器人是專用型工業(yè)機(jī)器人，所以它具有一些與自身實(shí)際應(yīng)用相關(guān)的特點(diǎn)：

1.柔性好，活動范圍大，能實(shí)現(xiàn)各種方向和表面范圍大的工件的噴涂作業(yè)。

2.機(jī)器人具有較快的運(yùn)動速度和加速度。機(jī)器人的運(yùn)動速度或加速度越大，則意味著機(jī)器人空行程所需的時間越短，在一定節(jié)拍內(nèi)的絕對施工時間越長，可提高機(jī)器人的使用率。

3.重復(fù)定位精度要求不高。由于噴涂作業(yè)對機(jī)器人執(zhí)行器的定位不需要很高的要求，所以噴涂機(jī)器人的重復(fù)定位精度達(dá)到1mm即可。

4.易操作和維護(hù)，可離線編程，大大縮短現(xiàn)場調(diào)試時間?？刹寮Y(jié)構(gòu)和模塊化設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)快速安裝和更換元器件，極大地縮短維修時間，便于維護(hù)保養(yǎng)。如圖1－2－12所示是噴涂機(jī)器人在汽車行業(yè)的應(yīng)用，現(xiàn)在各品牌汽車車身的噴漆工作均已實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自動化。在噴涂機(jī)器人的應(yīng)用過程中，通常會用布將機(jī)器人包裹住，這樣清理機(jī)器人會比較容易。三、按應(yīng)用領(lǐng)域分類單元2工業(yè)機(jī)器人的分類（四）通用機(jī)器人通用型機(jī)器人是指用途廣泛，能應(yīng)用于多種行業(yè)和多個工種的工業(yè)機(jī)器人。通用機(jī)器人的特點(diǎn)是：

1.自由度高，末端執(zhí)行器運(yùn)動范圍廣。

2.安裝方式任意，不局限于正裝、倒裝、側(cè)裝等。

3.集成度高，開放性好，用戶可根據(jù)需求安裝各種配套設(shè)施或配套機(jī)構(gòu)。最常見的通用型機(jī)器人有Scara機(jī)器人、通用六軸工業(yè)機(jī)器人等（圖1－2－13）。通用型機(jī)器人能廣泛應(yīng)用于汽車、電子、鑄造、食品、醫(yī)藥等行業(yè)，進(jìn)行對應(yīng)的搬運(yùn)、碼垛、插件、裝配、涂膠、打磨拋光等工作。三、按應(yīng)用領(lǐng)域分類單元2工業(yè)機(jī)器人的分類（五）協(xié)作機(jī)器人協(xié)作機(jī)器人是和人類在共同工作空間中有近距離互動的機(jī)器人。

協(xié)作機(jī)器人是整個工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)鏈中_個非常重要的細(xì)分類別，隨著全球制造業(yè)的轉(zhuǎn)型發(fā)展,柔性制造需求越來越多,協(xié)作機(jī)器人正在成為行業(yè)新星。與傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人需要安裝安全防護(hù)措施與人隔離不同，協(xié)作機(jī)器人更靈活安全、易編程,可與工人共享工作空間，同時發(fā)揮人和機(jī)器的互補(bǔ)優(yōu)勢。三、按應(yīng)用領(lǐng)域分類單元2工業(yè)機(jī)器人的分類協(xié)作機(jī)器人的興起意味著傳統(tǒng)機(jī)器人必然有某種程度的不足，或者無法適應(yīng)新的市場需求。

1.傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人的不足

(1)部署成本高。

(2)無法滿足中小企業(yè)需求。

(3)無法滿足新興的協(xié)作市場。

2.協(xié)作機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)

(1)安全:協(xié)作機(jī)器人一般在硬件設(shè)計(jì)和軟件控制系統(tǒng)中具有更多的安全設(shè)計(jì),具有靈敏的力度反饋特性和特有的碰撞監(jiān)測功能,工作中一旦與人發(fā)生碰撞,便會立刻自動停止，無需安裝防護(hù)欄，在保障人身安全的前提下，實(shí)現(xiàn)人與機(jī)器人的協(xié)同作業(yè)。

(2)易用:用戶可直接通過手動拖拽來設(shè)置機(jī)器人的運(yùn)行軌跡，同時示教器端可視化的圖形操作界面讓非專業(yè)用戶也能快速掌握;一線工人可能只需要幾個小時就會操作,免去傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人復(fù)雜的編程和配置。

(3)模塊化:協(xié)作機(jī)器人一般采用模塊化一體式關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì),讓機(jī)器人的維修與保養(yǎng)更加快速與便捷。關(guān)節(jié)模塊一旦出現(xiàn)故障,用戶可在極短的時間內(nèi)進(jìn)行更換。三、按應(yīng)用領(lǐng)域分類目錄單元1工業(yè)機(jī)器人概述單元2工業(yè)機(jī)器人的分類單元3工業(yè)機(jī)器人的性能參數(shù)單元3工業(yè)機(jī)器人的性能參數(shù)單元3工業(yè)機(jī)器人的性能參數(shù)自由度和工作空間是工業(yè)機(jī)器人的核心參數(shù)，也是機(jī)器人選型時的重要技術(shù)指標(biāo)參數(shù)，兩者一起決定了工業(yè)機(jī)器人的靈活性和可達(dá)范圍。在機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用過程中，足夠的靈活性和廣闊的工作空間能增強(qiáng)工業(yè)機(jī)器人的通用性，可以實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用。但過剩的靈活性和工作空間會造成資源浪費(fèi)，還會影響工作效率。（一）自由度自由度是機(jī)器人的一項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)，它是由機(jī)器人的結(jié)構(gòu)決定的，并直接影響到機(jī)器人的機(jī)動性。

1.剛體自由度如圖1－3－1所示，物體上任何一點(diǎn)的運(yùn)動都與坐標(biāo)軸的正交集合有關(guān)。物體的自由度是指物體能夠相對坐標(biāo)系進(jìn)行獨(dú)立運(yùn)動的數(shù)目。（1）沿著坐標(biāo)軸ox，oy和oz的三個平移運(yùn)動：T1、T2和T3。（2）繞著坐標(biāo)軸ox，oy和oz的三個旋轉(zhuǎn)運(yùn)動：R1、R2和R3。這意味著物體能夠運(yùn)用三個平移和三個旋轉(zhuǎn)，相對于坐標(biāo)系進(jìn)行定向和運(yùn)動。一個物體有六個自由度，當(dāng)兩個物體間確立起某種關(guān)系時，其中的物體就相對另一物體失去一些自由度。這種關(guān)系也可以用兩物體間由于建立連接關(guān)系而不能進(jìn)行的移動和轉(zhuǎn)動來表示。一、自由度和工作空間單元3工業(yè)機(jī)器人的性能參數(shù)一、自由度和工作空間單元3工業(yè)機(jī)器人的性能參數(shù)

2.機(jī)器人自由度機(jī)器人自由度是指機(jī)器人所具有的相對獨(dú)立坐標(biāo)軸運(yùn)動自由度的數(shù)目，不包括手爪（末端操作器）的開合自由度，如圖1－3－2所示。一、自由度和工作空間單元3工業(yè)機(jī)器人的性能參數(shù)人們期望機(jī)器人能夠準(zhǔn)確地把端部執(zhí)行裝置或與其連接的工具移動到指定位置。例如，要把一個球放到某個給定位置，有3個自由度就足夠了；又如，要對某旋轉(zhuǎn)鉆頭進(jìn)行定位與定向，就需要5個自由度；如果預(yù)先不知道機(jī)器人的用途，那么它應(yīng)當(dāng)具有6個自由度。在三維空間中描述一個物體的位置和姿態(tài)（簡稱位姿）需要6個自由度。但是，工業(yè)機(jī)器人的自由度是根據(jù)其用途而設(shè)計(jì)的，可能小于6個自由度，也可能大于6個自由度。例如，ABB的IRB1410機(jī)器人具有6個自由度，可以進(jìn)行復(fù)雜空間曲面的弧焊作業(yè)。從運(yùn)動學(xué)的觀點(diǎn)看，在完成某一特定作業(yè)時具有多余自由度的機(jī)器人，就叫作冗余自由度機(jī)器人，亦可簡稱冗余度機(jī)器人。若讓ABB的IRB1410機(jī)器人去執(zhí)行印刷電路板上接插電子器件的作業(yè)，就成為冗余度機(jī)器人。利用冗余的自由度可以增加機(jī)器人的靈活性，躲避障礙物和改善動力性能。人的手臂（大臂、小臂、手腕）共有7個自由度，所以工作起來很靈巧，手部可回避障礙物從不同方向到達(dá)同一個目的點(diǎn)。一、自由度和工作空間單元3工業(yè)機(jī)器人的性能參數(shù)（二）工作空間工業(yè)機(jī)器人的工作空間是指機(jī)器人末端執(zhí)行器運(yùn)動描述參考點(diǎn)所能達(dá)到的空間點(diǎn)的集合，一般用水平面和垂直面的投影表示。工業(yè)機(jī)器人的工作空間通常由自由度和關(guān)節(jié)長度決定。如圖1－3－3與圖1－3－4所示，各種工業(yè)機(jī)器人的工作空間形狀各不相同：常見的直角坐標(biāo)機(jī)器人工作空間是一個立方體，柱坐標(biāo)機(jī)器人的工作空間是一個空心開口圓柱體，球坐標(biāo)機(jī)器人的工作空間是