第2章 工業機器人的組成與性能

2.1 工業機器人的組成與特點

2.1.1 工業機器人的組成

工業機器人是一種功能完整、可獨立運行的典型機電一體化設備，它有自身的控制器、驅動系統和操作界面，可對其進行手動、自動操作及編程，它能依靠自身的控制能力來實現所需要的功能。廣義上的工業機器人是由圖2.1-1所示的機器人及相關附加設備組成的完整系統，它總體可分為機械部件和電氣控制系統兩大部分。

工業機器人（以下簡稱機器人）系統的機械部件包括機器人本體、末端執行器、變位器等；控制系統主要包括控制器、驅動器、操作單元、上級控制器等。其中，機器人本體、末端執行器以及控制器、驅動器、操作單元是機器人必需的基本組成部件，所有機器人都必須配備。

末端執行器又稱工具，它是機器人的作業機構，與作業對象和要求有關，其種類繁多，一般需要由機器人制造廠和用戶共同設計、制造與集成。變位器是用于機器人或工件的整體移動或進行系統協同作業的附加裝置，可根據需要選配。

在控制系統中，上級控制器是用于機器人系統協同控制、管理的附加設備，既可用于機器人與機器人、機器人與變位器的協同作業控制，也可用于機器人和數控機床、機器人和自動生產線其他機電一體化設備的集中控制，此外，還可用于機器人的操作、編程與調試。上級控制器同樣可根據實際系統的需要選配，在柔性加工單元（FMC）、自動生產線等自動化設備上，上級控制器的功能也可直接由數控機床所配套的數控系統（CNC）、生產線控制用的PLC等承擔。

1．機器人本體

機器人本體又稱操作機，它是用來完成各種作業的執行機構，包括機械部件及安裝在機械部件上的驅動電動機、傳感器等。

機器人本體的形態各異，但絕大多數都是由若干關節（Joint）和連桿（Link）連接而成。以常用的六軸垂直串聯型（Vertical Articulated）工業機器人為例，其運動主要包括整體回轉（腰關節）、下臂擺動（肩關節）、上臂擺動（肘關節）、腕回轉和彎曲（腕關節）等，本體的典型結構如圖2.1-2所示，其主要組成部件包括手部、腕部、上臂、下臂、腰部、基座等。

機器人的手部用來安裝末端執行器，它既可以安裝類似人類的手爪，也可以安裝吸盤或其他各種作業工具；腕部用來連接手部和手臂，起到支撐手部的作用；上臂用來連接腕部和下臂。上臂可回繞下臂擺動，實現手腕大范圍的上下（俯仰）運動；下臂用來連接上臂和腰部，并可回繞腰部擺動，以實現手腕大范圍的前后運動；腰部用來連接下臂和基座，它可以在基座上回轉，以改變整個機器人的作業方向；基座是整個機器人的支持部分。機器人的基座、腰、下臂、上臂通稱機身；機器人的腕部和手部通稱手腕。

機器人的末端執行器又稱工具，它是安裝在機器人手腕上的作業機構。末端執行器與機器人的作業要求、作業對象密切相關，一般需要由機器人制造廠和用戶共同設計與制造。例如，用于裝配、搬運、包裝的機器人則需要配置吸盤、手爪等用來抓取零件、物品的夾持器；而加工類機器人需要配置用于焊接、切割、打磨等加工的焊槍、割炬、銑頭、磨頭等各種工具或刀具等。

2．變位器

變位器是用于機器人或工件整體移動，進行協同作業的附加裝置，它既可選配機器人生產廠家的標準部件，也可由用戶根據需要設計、制作。變位器的作用如圖2.1-3所示，通過選配變位器，可增加機器人的自由度和作業空間；此外，還可實現作業對象或其他機器人的協同運動，增強機器人的功能和作業能力。簡單機器人系統的變位器一般由機器人控制器直接控制，多機器人復雜系統的變位器需要由上級控制器進行集中控制。

根據用途，機器人變位器可分為通用型和專用型兩類。專用型變位器一般用于作業對象的移動，其結構各異、種類較多，難以盡述。通用型變位器既可用于機器人移動，也可用于作業對象移動，它是機器人常用的附件。根據運動特性，通用型變位器可分為回轉變位、直線變位兩類，根據控制軸數又可分為單軸、雙軸、3軸變位器。

通用型回轉變位器與數控機床的回轉工作臺類似，常用的有圖2.1-4所示的單軸和雙軸兩類。單軸變位器可用于機器人或作業對象的垂直（立式）或水平（臥式）360°回轉，配置單軸變位器后，機器人可以增加1個自由度。雙軸變位器可實現一個方向的360°回轉和另一方向的局部擺動；配置雙軸變位器后，機器人可以增加2個自由度。

3軸變位器一般有2個水平360°回轉軸和1個垂直方向回轉軸，可用于回轉類工件的多方位焊接或工件的自動交換。圖2.1-5所示的3軸R形變位器是焊接機器人常用的附件，這種變位器有2個水平360°回轉軸和1個垂直方向回轉軸，可用于回轉類工件的多方位焊接或工件的自動交換。

通用型直線變位器與數控機床的移動工作臺類似，它多用于機器人本體的大范圍直線運動。圖2.1-6為常用的水平移動直線變位器，但也可以根據實際需要，選擇垂直方向移動的變位器或雙軸十字運動、3軸空間運動的變位器。

3．電氣控制系統

在機器人電氣控制系統中，上級控制器僅用于復雜系統各種機電一體化設備的協同控制、運行管理和調試編程，它通常以網絡通信的形式與機器人控制器進行信息交換，因此，實際上屬于機器人電氣控制系統的外部設備；而機器人控制器、操作單元、伺服驅動器及輔助控制電路，則是機器人控制必不可少的系統部件。

（1）機器人控制器

機器人控制器是用于機器人坐標軸位置和運動軌跡控制的裝置，輸出運動軸的插補脈沖，其功能與數控裝置（CNC）非常類似，控制器的常用結構有工業PC型和PLC（可編程序控制器）型兩種。

工業PC型機器人控制器的主機和通用計算機并無本質的區別，但機器人控制器需要增加傳感器、驅動器接口等硬件，這種控制器的兼容性好、軟件安裝方便、網絡通信容易。PLC型控制器以類似PLC的CPU模塊作為中央處理器，然后通過選配各種PLC功能模塊，如測量模塊、軸控制模塊等，來實現對機器人的控制，這種控制器的配置靈活，模塊通用性好、可靠性高。

（2）操作單元

工業機器人的現場編程一般通過示教操作實現，它對操作單元的移動性能和手動性能的要求較高，但其顯示功能一般不及數控系統，因此，機器人的操作單元以手持式為主，習慣上稱之為示教器。

傳統的示教器由顯示器和按鍵組成，操作者可通過按鍵直接輸入命令和進行所需的操作。目前常用的示教器為菜單式，它由顯示器和操作菜單鍵組成，操作者可通過操作菜單選擇需要的操作。先進的示教器使用了與目前智能手機相同的觸摸屏和圖標界面，這種示教器的最大優點是可直接通過Wi-Fi連接控制器和網絡，從而省略了示教器和控制器間的連接電纜；智能手機型操作單元使用靈活、方便，是適合網絡環境下使用的新型操作單元。

（3）驅動器

驅動器實際上是用于控制器的插補脈沖功率放大的裝置，實現驅動電動機位置、速度、轉矩控制，驅動器通常安裝在控制柜內。驅動器的形式決定于驅動電動機的類型，伺服電動機需要配套伺服驅動器、步進電動機則需要使用步進驅動器。機器人目前常用的驅動器以交流伺服驅動器為主，它有集成式、模塊式和獨立型3種基本結構形式。

集成式驅動器的全部驅動模塊集成一體，電源模塊可以獨立或集成，這種驅動器的結構緊湊、生產成本低，是目前使用較為廣泛的結構形式。模塊式驅動器的電源模塊為公用，驅動模塊獨立，驅動器需要統一安裝。集成式、模塊式驅動器不同控制軸間的關聯性強，調試、維修和更換相對比較麻煩。獨立型驅動器的電源和驅動電路集成一體，每一軸的驅動器可獨立安裝和使用，因此，其安裝使用靈活、通用性好，調試、維修和更換也較方便。

（4）輔助控制電路

輔助電路主要用于控制器、驅動器電源的通斷控制和接口信號的轉換。由于工業機器人的控制要求類似，接口信號的類型基本統一，為了縮小體積、降低成本、方便安裝，輔助控制電路常被制成標準的控制模塊。

盡管機器人的用途、規格有所不同，但電氣控制系統的組成部件和功能類似，因此，機器人生產廠家一般將電氣控制系統統一設計成如圖2.1-7所示的通用控制柜。

在以上通用控制柜型系統中，示教器是用于工業機器人操作、編程及數據輸入/顯示的人機界面，為了方便使用，一般為可移動式懸掛部件；驅動器一般為集成式交流伺服驅動器；控制器則以PLC型為主。另外，在采用工業計算機型機器人控制器的系統上，控制器有時也可獨立安裝，系統的其他控制部件通常統一安裝在控制柜內。

2.1.2 工業機器人的特點

1．基本特點

工業機器人是集機械、電子、控制、檢測、計算機、人工智能等多學科先進技術于一體的典型機電一體化設備，其主要技術特點如下。

（1）擬人。在結構形態上，大多數工業機器人的本體有類似人類的腰轉、大臂、小臂、手腕、手爪等部件，并接受其控制器的控制。在智能工業機器人上，還安裝有模擬人類等生物的傳感器，例如，模擬感官的接觸傳感器、力傳感器、負載傳感器、光傳感器，模擬視覺的圖像識別傳感器，模擬聽覺的聲傳感器、語音傳感器等。這樣的工業機器人具有類似人類的環境自適應能力。

（2）柔性。工業機器人有完整、獨立的控制系統，它可通過編程來改變其動作和行為，此外，還可通過安裝不同的末端執行器，來滿足不同的應用要求，因此，它具有適應對象變化的柔性。

（3）通用。除了部分專用工業機器人外，大多數工業機器人都可通過更換工業機器人手部的末端操作器，如更換手爪、夾具、工具等，來完成不同的作業。因此，它具有一定的、執行不同作業任務的通用性。

工業機器人、數控機床、機械手三者在結構組成、控制方式、行為動作等方面有許多相似之處，以至于非專業人士很難區分，有時會引起誤解。以下通過三者的比較，介紹相互之間的區別。

2．工業機器人與數控機床

世界首臺數控機床出現于1952年，它由美國麻省理工學院率先研發，其誕生比工業機器人早7年，因此，工業機器人的很多技術都來自于數控機床。

George Devol（喬治·德沃爾）最初設想的機器人實際就是工業機器人，他所申請的專利就是利用數控機床的伺服軸驅動連桿機構，然后通過操縱、控制器對伺服軸的控制，來實現機器人的功能。按照相關標準的定義，工業機器人是“具有自動定位控制、可重復編程的多功能、多自由度的操作機”，這點也與數控機床十分類似。

因此，工業機器人和數控機床的控制系統類似，它們都有控制面板、控制器、伺服驅動器等基本部件，操作者可利用控制面板對它們進行手動操作或進行程序自動運行、程序輸入與編輯等操作控制。但是，由于工業機器人和數控機床的研發目的有著本質的區別，因此，其地位、用途、結構、性能等各方面均存在較大的差異。圖2.1-8是數控機床和工業機器人的功能比較，總體而言，兩者的區別主要有以下幾點。

（1）作用和地位

機床是用來加工機器零件的設備，是制造機器的機器，故稱為工作母機；沒有機床就幾乎不能制造機器，沒有機器就不能生產工業產品。因此，機床被稱為國民經濟基礎的基礎，在現有的制造模式中，它仍處于制造業的核心地位。工業機器人盡管發展速度很快，但目前絕大多數還只是用于零件搬運、裝卸、包裝、裝配的生產輔助設備，或是進行焊接、切割、打磨、拋光等簡單粗加工的生產設備，它在機械加工自動生產線上（焊接、涂裝生產線除外）所占的價值一般還只有15%左右。

因此，除非現有的制造模式發生顛覆性變革，否則，工業機器人的體量很難超越機床；所以，那些認為“隨著自動化大趨勢的發展，機器人將取代機床成為新一代工業生產的基礎”的觀點，至少在目前看來是不正確的。

（2）目的和用途

研發數控機床的根本目的是解決輪廓加工的刀具運動軌跡控制問題，而研發工業機器人的根本目的是用來協助或代替人類完成那些單調、重復、頻繁或長時間、繁重的工作或進行高溫、粉塵、有毒、易燃、易爆等危險環境下的作業。由于兩者研發目的不同，因此，其用途也有根本的區別。簡言之，數控機床是直接用來加工零件的生產設備；而大部分工業機器人則是用來替代或部分替代操作者進行零件搬運、裝卸、裝配、包裝等作業的生產輔助設備，兩者目前尚無法相互完全替代。

（3）結構形態

工業機器人需要模擬人的動作和行為，在結構上以回轉擺動軸為主、直線軸為輔（可能無直線軸），多關節串聯、并聯軸是其常見的形態；部分機器人（如無人搬運車等）的作業空間也是開放的。數控機床的結構以直線軸為主、回轉擺動軸為輔（可能無回轉擺動軸），絕大多數都采用直角坐標結構；其作業空間（加工范圍）局限于設備本身。

但是，隨著技術的發展，兩者的結構形態也在逐步融合，如機器人有時也采用直角坐標結構，采用并聯虛擬軸結構的數控機床也已有實用化的產品等。

（4）技術性能

數控機床是用來加工零件的精密加工設備，其輪廓加工能力、定位精度和加工精度等是衡量數控機床性能最重要的技術指標。高精度數控機床的定位精度和加工精度通常需要達到0.01mm或0.001mm的數量級，甚至更高，且其精度檢測和計算標準的要求高于機器人。數控機床的輪廓加工能力決定于工件要求和機床結構，通常而言，能同時控制五軸（五軸聯動）的機床，就可滿足幾乎所有零件的輪廓加工要求。

工業機器人是用于零件搬運、裝卸、碼垛、裝配的生產輔助設備，或是進行焊接、切割、打磨、拋光等粗加工的設備，強調的是動作靈活性、作業空間、承載能力和感知能力。因此，除少數用于精密加工或裝配的機器人外，其余大多數工業機器人對定位精度和軌跡精度的要求并不高，通常只需要達到0.1～1mm的數量級便可滿足要求，且精度檢測和計算標準均低于數控機床。但是，工業機器人的控制軸數將直接決定自由度、動作靈活性等關鍵指標，其要求很高；理論上說，需要工業機器人有6個自由度（六軸控制），才能完全描述一個物體在三維空間的位姿，如需要避障，還需要有更多的自由度。此外，智能工業機器人還需要有一定的感知能力，故需要配備位置、觸覺、視覺、聽覺等多種傳感器；而數控機床一般只需要檢測速度與位置，因此，工業機器人對檢測技術的要求高于數控機床。

3．工業機器人與機械手

用于零件搬運、裝卸、碼垛、裝配的工業機器人功能和自動化生產設備中的輔助機械手類似。例如，國際標準化組織（ISO）將工業機器人定義為“自動的、位置可控的、具有編程能力的多功能機械手”；日本機器人協會（JRA）將工業機器人定義為“能夠執行人體上肢（手和臂）類似動作的多功能機器”，表明兩者的功能存在很大的相似之處。但是，工業機器人與生產設備中的輔助機械手的控制系統、操作編程、驅動系統均有明顯的不同。圖2.1-9是工業機器人和機械手的比較，兩者的主要區別如下。

（1）控制系統

工業機器人需要有獨立的控制器、驅動系統、操作界面等，可對其進行手動、自動操作和編程，因此，它是一種可獨立運行的完整設備，能依靠自身的控制能力來實現所需要的功能。機械手只是用來實現換刀或工件裝卸等操作的輔助裝置，其控制一般需要通過設備的控制器（如CNC、PLC等）實現，它沒有自身的控制系統和操作界面，故不能獨立運行。

（2）操作編程

工業機器人具有適應動作和對象變化的柔性，其動作是隨時可變的，如果需要，最終用戶可隨時通過手動操作或編程來改變其動作，現代工業機器人還可根據人工智能技術所制定的原則綱領自主行動。但是，輔助機械手的動作和對象是固定的，其控制程序通常由設備生產廠家編制；即使在調整和維修時，用戶通常也只能按照設備生產廠家的規定進行操作，而不能改變其動作的位置與次序。

（3）驅動系統

工業機器人需要靈活改變位姿，絕大多數運動軸都需要有任意位置定位功能，需要使用伺服驅動系統；在無人搬運車（Automated Guided Vehicle, AGV）等輸送機器人上，還需要配備相應的行走機構及相應的驅動系統。而輔助機械手的安裝位置、定位點和動作次序樣板都是固定不變的，大多數運動部件只需要控制起點和終點，因此較多地采用氣動、液壓驅動系統。