1.1.2　機(jī)器人的分類

機(jī)器人的分類方式很多，并已有眾多類型機(jī)器人。關(guān)于機(jī)器人的分類，國(guó)際上沒有制定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，從不同的角度可以有不同的分類。

按照日本工業(yè)機(jī)器人學(xué)會(huì)（JIRA）的標(biāo)準(zhǔn)，可將機(jī)器人進(jìn)行如下分類。

第一類：人工操作機(jī)器人。此類機(jī)器人由操作員操作具有多自由度。

第二類：固定順序機(jī)器人。此類機(jī)器人可以按預(yù)定的方法有步驟地依此執(zhí)行任務(wù)，其執(zhí)行順序難以修改。

第三類：可變順序機(jī)器人。同第二類，但其順序易于修改。

第四類：示教再現(xiàn)（playback）機(jī)器人。操作員引導(dǎo)機(jī)器人手動(dòng)執(zhí)行任務(wù)，記錄下這些動(dòng)作并由機(jī)器人以后再現(xiàn)執(zhí)行，即機(jī)器人按照記錄下的信息重復(fù)執(zhí)行同樣的動(dòng)作。

第五類：數(shù)控機(jī)器人。操作員為機(jī)器人提供運(yùn)動(dòng)程序，并不是手動(dòng)示教執(zhí)行任務(wù)。

第六類：智能機(jī)器人。機(jī)器人具有感知外部環(huán)境的能力，即使其工作環(huán)境發(fā)生變化，也能夠成功地完成任務(wù)。

美國(guó)機(jī)器人學(xué)會(huì)（RIA）只將以上第三類至第六類視作機(jī)器人。

法國(guó)機(jī)器人學(xué)會(huì)（AFR）將機(jī)器人進(jìn)行如下分類。

類型A：手動(dòng)控制遠(yuǎn)程機(jī)器人的操作裝置。

類型B：具有預(yù)定周期的自動(dòng)操作裝置。

類型C：具有連續(xù)性軌跡或點(diǎn)軌跡的可編程伺服控制機(jī)器人。

類型D：同類型C，但能夠獲取環(huán)境信息。

（1）按照機(jī)器人的發(fā)展階段分類

①第一代機(jī)器人——示教再現(xiàn)型機(jī)器人　1947年，為了搬運(yùn)和處理核燃料，美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研發(fā)了世界上第一臺(tái)遙控的機(jī)器人。1962年美國(guó)又研制成功PUMA通用示教再現(xiàn)型機(jī)器人，這種機(jī)器人通過一個(gè)計(jì)算機(jī)，來控制一個(gè)多自由度的機(jī)械，通過示教存儲(chǔ)程序和信息，工作時(shí)把信息讀取出來，然后發(fā)出指令，這樣機(jī)器人可以重復(fù)地根據(jù)人當(dāng)時(shí)示教的結(jié)果，再現(xiàn)出這種動(dòng)作。比方說汽車的點(diǎn)焊機(jī)器人，它只要把這個(gè)點(diǎn)焊的過程示教完以后，它總是重復(fù)這樣一種工作。

②第二代機(jī)器人——感覺型機(jī)器人　示教再現(xiàn)型機(jī)器人對(duì)于外界的環(huán)境沒有感知，這個(gè)操作力的大小，這個(gè)工件存在不存在，焊接的好與壞，它并不知道，因此，在20世紀(jì)70年代后期，人們開始研究第二代機(jī)器人，叫感覺型機(jī)器人，這種機(jī)器人擁有類似人在某種功能的感覺，如力覺、觸覺、滑覺、視覺、聽覺等，它能夠通過感覺來感受和識(shí)別工件的形狀、大小、顏色。

③第三代機(jī)器人——智能型機(jī)器人　20世紀(jì)90年代以來發(fā)明的機(jī)器人。這種機(jī)器人帶有多種傳感器，可以進(jìn)行復(fù)雜的邏輯推理、判斷及決策，在變化的內(nèi)部狀態(tài)與外部環(huán)境中，自主決定自身的行為。

（2）按照控制方式分類

①操作型機(jī)器人　能自動(dòng)控制，可重復(fù)編程，多功能，有幾個(gè)自由度，可固定或運(yùn)動(dòng)，用于相關(guān)自動(dòng)化系統(tǒng)中。

②程控型機(jī)器人　按預(yù)先要求的順序及條件，依次控制機(jī)器人的機(jī)械動(dòng)作。

③示教再現(xiàn)型機(jī)器人　通過引導(dǎo)或其他方式，先教會(huì)機(jī)器人動(dòng)作，輸入工作程序，機(jī)器人則自動(dòng)重復(fù)進(jìn)行作業(yè)。

④數(shù)控型機(jī)器人　不必使機(jī)器人動(dòng)作，通過數(shù)值、語言等對(duì)機(jī)器人進(jìn)行示教，機(jī)器人根據(jù)示教后的信息進(jìn)行作業(yè)。

⑤感覺控制型機(jī)器人　利用傳感器獲取的信息控制機(jī)器人的動(dòng)作。

⑥適應(yīng)控制型機(jī)器人　機(jī)器人能適應(yīng)環(huán)境的變化，控制其自身的行動(dòng)。

⑦學(xué)習(xí)控制型機(jī)器人　機(jī)器人能“體會(huì)”工作的經(jīng)驗(yàn)，具有一定的學(xué)習(xí)功能，并將所“學(xué)”的經(jīng)驗(yàn)用于工作中。

⑧智能機(jī)器人　以人工智能決定其行動(dòng)的機(jī)器人。

（3）按照應(yīng)用環(huán)境角度分類

目前，國(guó)際上的機(jī)器人學(xué)者，從應(yīng)用環(huán)境出發(fā)將機(jī)器人分為三類：制造環(huán)境下的工業(yè)機(jī)器人、非制造環(huán)境下的服務(wù)與仿人型機(jī)器人以及網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人。

網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人有兩類機(jī)器人：一類是把標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)人-機(jī)接口作為基本設(shè)施，再將它們與有實(shí)際觀測(cè)操作技術(shù)的機(jī)器人融合在一起，即可實(shí)現(xiàn)無論何時(shí)何地，無論是誰都能使用的遠(yuǎn)程環(huán)境觀測(cè)操作系統(tǒng)，這就是網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人。這種網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人是基于Web服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人技術(shù)，以Internet為構(gòu)架，將機(jī)器人與Internet連接起來，采用客戶端/服務(wù)器（C/S）模式，允許用戶在遠(yuǎn)程終端上訪問服務(wù)器，把高層控制命令通過服務(wù)器傳送給機(jī)器人控制器，同時(shí)機(jī)器人的圖像采集設(shè)備把機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)圖像再通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器反饋給遠(yuǎn)端用戶，從而達(dá)到間接控制機(jī)器人的目的，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制。

如圖1-16所示，另一類網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人是一種特殊的機(jī)器人，其“特殊”在于網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人沒有固定的“身體”，網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人本質(zhì)是網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)程序，它存在于網(wǎng)絡(luò)程序中，目前主要用來自動(dòng)查找和檢索互聯(lián)網(wǎng)上的網(wǎng)站和網(wǎng)頁(yè)內(nèi)容。

（4）按照機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)形式分類

①直角坐標(biāo)型機(jī)器人　這種機(jī)器人的外形輪廓與數(shù)控鏜銑床或三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)相似，如圖1-17所示。3個(gè)關(guān)節(jié)都是移動(dòng)關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)軸線相互垂直，相當(dāng)于笛卡兒坐標(biāo)系的x、y和z軸。它主要用于生產(chǎn)設(shè)備的上下料，也可用于高精度的裝卸和檢測(cè)作業(yè)。

②圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人　如圖1-18所示，這種機(jī)器人以θ、z和r為參數(shù)構(gòu)成坐標(biāo)系。手腕參考點(diǎn)的位置可表示為p=（θ，z，r）。其中，r是手臂的徑向長(zhǎng)度，θ是手臂繞水平軸的角位移，z是在垂直軸上的高度。如果r不變，操作臂的運(yùn)動(dòng)將形成一個(gè)圓柱表面，空間定位比較直觀。操作臂收回后，其后端可能與工作空間內(nèi)的其他物體相碰，移動(dòng)關(guān)節(jié)不易防護(hù)。

③球（極）坐標(biāo)型機(jī)器人　如圖1-19所示，球（極）坐標(biāo)型機(jī)器人腕部參考點(diǎn)運(yùn)動(dòng)所形成的最大軌跡表面是半徑為r的球面的一部分，以θ、?、r為坐標(biāo)，任意點(diǎn)可表示為p=（θ，?，r）。這類機(jī)器人占地面積小，工作空間較大，移動(dòng)關(guān)節(jié)不易防護(hù)。

④平面雙關(guān)節(jié)型機(jī)器人　平面雙關(guān)節(jié)型機(jī)器人（selective compliance assembly robot arm，SCARA）有3個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，其軸線相互平行，在平面內(nèi)進(jìn)行定位和定向，另一個(gè)關(guān)節(jié)是移動(dòng)關(guān)節(jié)，用于完成末端件垂直于平面的運(yùn)動(dòng)。手腕參考點(diǎn)的位置是由兩旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的角位移?₁、?₂和移動(dòng)關(guān)節(jié)的位移z決定的，即p=（?₁，?₂，z），如圖1-20所示。這類機(jī)器人結(jié)構(gòu)輕便、響應(yīng)快。例如Adept Ⅰ型SCARA機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度可達(dá)10m/s，比一般關(guān)節(jié)式機(jī)器人快數(shù)倍。它最適用于平面定位，而在垂直方向進(jìn)行裝配的作業(yè)。

⑤關(guān)節(jié)型機(jī)器人　這類機(jī)器人由2個(gè)肩關(guān)節(jié)和1個(gè)肘關(guān)節(jié)進(jìn)行定位，由2個(gè)或3個(gè)腕關(guān)節(jié)進(jìn)行定向。其中，一個(gè)肩關(guān)節(jié)繞鉛直軸旋轉(zhuǎn)，另一個(gè)肩關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)俯仰，這兩個(gè)肩關(guān)節(jié)軸線正交，肘關(guān)節(jié)平行于第二個(gè)肩關(guān)節(jié)軸線，如圖1-21所示。這種構(gòu)形動(dòng)作靈活，工作空間大，在作業(yè)空間內(nèi)手臂的干涉最小，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，關(guān)節(jié)上相對(duì)運(yùn)動(dòng)部位容易密封防塵。這類機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)較復(fù)雜，運(yùn)動(dòng)學(xué)反解困難，確定末端件執(zhí)行器的位姿不直觀，進(jìn)行控制時(shí)，計(jì)算量比較大。

對(duì)于不同坐標(biāo)形式的機(jī)器人，其特點(diǎn)、工作范圍及其性能也不同，如表1-1所示。

（5）按照機(jī)器人移動(dòng)性分類

可分為半移動(dòng)式機(jī)器人（機(jī)器人整體固定在某個(gè)位置，只有部分可以運(yùn)動(dòng)，例如機(jī)械手）和移動(dòng)機(jī)器人。

（6）按照機(jī)器人的移動(dòng)方式分類

可分為輪式移動(dòng)機(jī)器人、步行移動(dòng)機(jī)器人（單腿式、雙腿式和多腿式）、履帶式移動(dòng)機(jī)器人、爬行機(jī)器人、蠕動(dòng)式機(jī)器人和游動(dòng)式機(jī)器人等類型。

（7）按照機(jī)器人的功能和用途分類

可分為醫(yī)療機(jī)器人、軍用機(jī)器人、海洋機(jī)器人、助殘機(jī)器人、清潔機(jī)器人和管道檢測(cè)機(jī)器人等。

（8）按照機(jī)器人的作業(yè)空間分類

可分為陸地室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人、陸地室外移動(dòng)機(jī)器人、水下機(jī)器人、無人飛機(jī)和空間機(jī)器人等。

（9）按機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式分類

①氣動(dòng)式機(jī)器人　氣動(dòng)式機(jī)器人以壓縮空氣來驅(qū)動(dòng)其執(zhí)行機(jī)構(gòu)。這種驅(qū)動(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)是空氣來源方便，動(dòng)作迅速，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低；缺點(diǎn)是空氣具有可壓縮性，致使工作速度的穩(wěn)定性較差。因氣源壓力一般只有60MPa左右，故此類機(jī)器人適宜抓舉力要求較小的場(chǎng)合。

②液動(dòng)式機(jī)器人　相對(duì)于氣力驅(qū)動(dòng)，液力驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人具有大得多的抓舉能力，可高達(dá)上百千克。液力驅(qū)動(dòng)式機(jī)器人結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)平穩(wěn)且動(dòng)作靈敏，但對(duì)密封的要求較高，且不宜在高溫或低溫的場(chǎng)合工作，要求的制造精度較高，成本較高。

③電動(dòng)式機(jī)器人　目前越來越多的機(jī)器人采用電力驅(qū)動(dòng)式，這不僅是因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)可供選擇的品種眾多，更因?yàn)榭梢赃\(yùn)用多種靈活的控制方法。

電力驅(qū)動(dòng)是利用各種電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的力或力矩，直接或經(jīng)過減速機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人，以獲得所需的位置、速度、加速度。電力驅(qū)動(dòng)具有無污染，易于控制，運(yùn)動(dòng)精度高，成本低，驅(qū)動(dòng)效率高等優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用最為廣泛。

電力驅(qū)動(dòng)又可分為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、無刷伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)等。

④新型驅(qū)動(dòng)方式機(jī)器人　伴隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了利用新的工作原理制造的新型驅(qū)動(dòng)器，如靜電驅(qū)動(dòng)器、壓電驅(qū)動(dòng)器、形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)器、人工肌肉及光驅(qū)動(dòng)器等。

（10）按機(jī)器人的控制方式分類

按照機(jī)器人的控制方式可分為如下幾類。

①非伺服機(jī)器人　非伺服機(jī)器人按照預(yù)先編好的程序順序進(jìn)行工作，使用限位開關(guān)、制動(dòng)器、插銷板和定序器來控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。插銷板用來預(yù)先規(guī)定機(jī)器人的工作順序，而且往往是可調(diào)的。定序器是一種按照預(yù)定的正確順序接通驅(qū)動(dòng)裝置的能源。驅(qū)動(dòng)裝置接通能源后，就帶動(dòng)機(jī)器人的手臂、腕部和手部等裝置運(yùn)動(dòng)。

當(dāng)它們移動(dòng)到由限位開關(guān)所規(guī)定的位置時(shí)，限位開關(guān)切換工作狀態(tài)，給定序器送去一個(gè)工作任務(wù)已經(jīng)完成的信號(hào)，并使終端制動(dòng)器動(dòng)作，切斷驅(qū)動(dòng)能源，使機(jī)器人停止運(yùn)動(dòng)。非伺服機(jī)器人工作能力比較有限。

②伺服控制機(jī)器人　伺服控制機(jī)器人通過傳感器取得的反饋信號(hào)與來自給定裝置的綜合信號(hào)比較后，得到誤差信號(hào)，經(jīng)過放大后，用以激發(fā)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)裝置，進(jìn)而帶動(dòng)手部執(zhí)行裝置以一定規(guī)律運(yùn)動(dòng)，到達(dá)規(guī)定的位置或速度等，這是一個(gè)反饋控制系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)的被控量可為機(jī)器人手部執(zhí)行裝置的位置、速度、加速度和力等。伺服控制機(jī)器人比非伺服機(jī)器人有更強(qiáng)的工作能力。

伺服控制機(jī)器人按照控制的空間位置不同，又可以分為點(diǎn)位伺服控制和連續(xù)軌跡伺服控制。

a.點(diǎn)位伺服控制。點(diǎn)位伺服控制機(jī)器人的受控運(yùn)動(dòng)方式為從一個(gè)點(diǎn)位目標(biāo)移向另一個(gè)點(diǎn)位目標(biāo)，只在目標(biāo)點(diǎn)上完成操作。機(jī)器人可以以最快和最直接的路徑從一個(gè)端點(diǎn)移到另一端點(diǎn)。

按點(diǎn)位方式進(jìn)行控制的機(jī)器人，其運(yùn)動(dòng)為空間點(diǎn)到點(diǎn)之間的直線運(yùn)動(dòng)，在作業(yè)過程中，只控制幾個(gè)特定工作點(diǎn)的位置，不對(duì)點(diǎn)與點(diǎn)之間的運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行控制。在點(diǎn)位伺服控制的機(jī)器人中，所能控制點(diǎn)數(shù)的多少取決于控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度。

通常，點(diǎn)位伺服控制機(jī)器人適用于只需要確定終端位置而對(duì)編程點(diǎn)之間的路徑和速度不做主要考慮的場(chǎng)合。點(diǎn)位控制主要用于點(diǎn)焊、搬運(yùn)機(jī)器人。

b.連續(xù)軌跡伺服控制。連續(xù)軌跡伺服控制機(jī)器人能夠平滑地跟隨某個(gè)規(guī)定的路徑，其軌跡往往是某條不在預(yù)編程端點(diǎn)停留的曲線路徑。

按連續(xù)軌跡方式進(jìn)行控制的機(jī)器人，其運(yùn)動(dòng)軌跡可以是空間的任意連續(xù)曲線。機(jī)器人在空間的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程都處于控制之下，能同時(shí)控制兩個(gè)以上的運(yùn)動(dòng)軸，使得手部位置可沿任意形狀的空間曲線運(yùn)動(dòng)，而手部的姿態(tài)也可以通過腕關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)得以控制，這對(duì)于焊接和噴涂作業(yè)是十分有利的。

連續(xù)軌跡伺服控制機(jī)器人具有良好的控制和運(yùn)行特性，由于數(shù)據(jù)是依時(shí)間采樣的，而不是依預(yù)先規(guī)定的空間采樣，因此機(jī)器人的運(yùn)行速度較快、功率較小、負(fù)載能力也較小。連續(xù)軌跡伺服控制機(jī)器人主要用于弧焊、噴涂、打飛邊毛刺和檢測(cè)機(jī)器人。

（11）按機(jī)器人關(guān)節(jié)連接布置形式分類

按機(jī)器人關(guān)節(jié)連接布置形式，機(jī)器人可分為串聯(lián)機(jī)器人和并聯(lián)機(jī)器人（見圖1-22）兩類。從運(yùn)動(dòng)形式來看，并聯(lián)機(jī)構(gòu)可分為平面機(jī)構(gòu)和空間機(jī)構(gòu)；細(xì)分可分為平面移動(dòng)機(jī)構(gòu)、平面移動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、空間純移動(dòng)機(jī)構(gòu)、空間純轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和空間混合運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。