1.1.2　機器人的分類

機器人的分類方式很多，并已有眾多類型機器人。關于機器人的分類，國際上沒有制定統一的標準，從不同的角度可以有不同的分類。

按照日本工業機器人學會（JIRA）的標準，可將機器人進行如下分類。

第一類：人工操作機器人。此類機器人由操作員操作具有多自由度。

第二類：固定順序機器人。此類機器人可以按預定的方法有步驟地依此執行任務，其執行順序難以修改。

第三類：可變順序機器人。同第二類，但其順序易于修改。

第四類：示教再現（playback）機器人。操作員引導機器人手動執行任務，記錄下這些動作并由機器人以后再現執行，即機器人按照記錄下的信息重復執行同樣的動作。

第五類：數控機器人。操作員為機器人提供運動程序，并不是手動示教執行任務。

第六類：智能機器人。機器人具有感知外部環境的能力，即使其工作環境發生變化，也能夠成功地完成任務。

美國機器人學會（RIA）只將以上第三類至第六類視作機器人。

法國機器人學會（AFR）將機器人進行如下分類。

類型A：手動控制遠程機器人的操作裝置。

類型B：具有預定周期的自動操作裝置。

類型C：具有連續性軌跡或點軌跡的可編程伺服控制機器人。

類型D：同類型C，但能夠獲取環境信息。

（1）按照機器人的發展階段分類

①第一代機器人——示教再現型機器人　1947年，為了搬運和處理核燃料，美國橡樹嶺國家實驗室研發了世界上第一臺遙控的機器人。1962年美國又研制成功PUMA通用示教再現型機器人，這種機器人通過一個計算機，來控制一個多自由度的機械，通過示教存儲程序和信息，工作時把信息讀取出來，然后發出指令，這樣機器人可以重復地根據人當時示教的結果，再現出這種動作。比方說汽車的點焊機器人，它只要把這個點焊的過程示教完以后，它總是重復這樣一種工作。

②第二代機器人——感覺型機器人　示教再現型機器人對于外界的環境沒有感知，這個操作力的大小，這個工件存在不存在，焊接的好與壞，它并不知道，因此，在20世紀70年代后期，人們開始研究第二代機器人，叫感覺型機器人，這種機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別工件的形狀、大小、顏色。

③第三代機器人——智能型機器人　20世紀90年代以來發明的機器人。這種機器人帶有多種傳感器，可以進行復雜的邏輯推理、判斷及決策，在變化的內部狀態與外部環境中，自主決定自身的行為。

（2）按照控制方式分類

①操作型機器人　能自動控制，可重復編程，多功能，有幾個自由度，可固定或運動，用于相關自動化系統中。

②程控型機器人　按預先要求的順序及條件，依次控制機器人的機械動作。

③示教再現型機器人　通過引導或其他方式，先教會機器人動作，輸入工作程序，機器人則自動重復進行作業。

④數控型機器人　不必使機器人動作，通過數值、語言等對機器人進行示教，機器人根據示教后的信息進行作業。

⑤感覺控制型機器人　利用傳感器獲取的信息控制機器人的動作。

⑥適應控制型機器人　機器人能適應環境的變化，控制其自身的行動。

⑦學習控制型機器人　機器人能“體會”工作的經驗，具有一定的學習功能，并將所“學”的經驗用于工作中。

⑧智能機器人　以人工智能決定其行動的機器人。

（3）按照應用環境角度分類

目前，國際上的機器人學者，從應用環境出發將機器人分為三類：制造環境下的工業機器人、非制造環境下的服務與仿人型機器人以及網絡機器人。

網絡機器人有兩類機器人：一類是把標準通信協議和標準人-機接口作為基本設施，再將它們與有實際觀測操作技術的機器人融合在一起，即可實現無論何時何地，無論是誰都能使用的遠程環境觀測操作系統，這就是網絡機器人。這種網絡機器人是基于Web服務器的網絡機器人技術，以Internet為構架，將機器人與Internet連接起來，采用客戶端/服務器（C/S）模式，允許用戶在遠程終端上訪問服務器，把高層控制命令通過服務器傳送給機器人控制器，同時機器人的圖像采集設備把機器人運動的實時圖像再通過網絡服務器反饋給遠端用戶，從而達到間接控制機器人的目的，實現對機器人的遠程監視和控制。

如圖1-16所示，另一類網絡機器人是一種特殊的機器人，其“特殊”在于網絡機器人沒有固定的“身體”，網絡機器人本質是網絡自動程序，它存在于網絡程序中，目前主要用來自動查找和檢索互聯網上的網站和網頁內容。

（4）按照機器人的運動形式分類

①直角坐標型機器人　這種機器人的外形輪廓與數控鏜銑床或三坐標測量機相似，如圖1-17所示。3個關節都是移動關節，關節軸線相互垂直，相當于笛卡兒坐標系的x、y和z軸。它主要用于生產設備的上下料，也可用于高精度的裝卸和檢測作業。

②圓柱坐標型機器人　如圖1-18所示，這種機器人以θ、z和r為參數構成坐標系。手腕參考點的位置可表示為p=（θ，z，r）。其中，r是手臂的徑向長度，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，操作臂的運動將形成一個圓柱表面，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的其他物體相碰，移動關節不易防護。

③球（極）坐標型機器人　如圖1-19所示，球（極）坐標型機器人腕部參考點運動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，任意點可表示為p=（θ，?，r）。這類機器人占地面積小，工作空間較大，移動關節不易防護。

④平面雙關節型機器人　平面雙關節型機器人（selective compliance assembly robot arm，SCARA）有3個旋轉關節，其軸線相互平行，在平面內進行定位和定向，另一個關節是移動關節，用于完成末端件垂直于平面的運動。手腕參考點的位置是由兩旋轉關節的角位移?₁、?₂和移動關節的位移z決定的，即p=（?₁，?₂，z），如圖1-20所示。這類機器人結構輕便、響應快。例如Adept Ⅰ型SCARA機器人的運動速度可達10m/s，比一般關節式機器人快數倍。它最適用于平面定位，而在垂直方向進行裝配的作業。

⑤關節型機器人　這類機器人由2個肩關節和1個肘關節進行定位，由2個或3個腕關節進行定向。其中，一個肩關節繞鉛直軸旋轉，另一個肩關節實現俯仰，這兩個肩關節軸線正交，肘關節平行于第二個肩關節軸線，如圖1-21所示。這種構形動作靈活，工作空間大，在作業空間內手臂的干涉最小，結構緊湊，占地面積小，關節上相對運動部位容易密封防塵。這類機器人運動學較復雜，運動學反解困難，確定末端件執行器的位姿不直觀，進行控制時，計算量比較大。

對于不同坐標形式的機器人，其特點、工作范圍及其性能也不同，如表1-1所示。

（5）按照機器人移動性分類

可分為半移動式機器人（機器人整體固定在某個位置，只有部分可以運動，例如機械手）和移動機器人。

（6）按照機器人的移動方式分類

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

（7）按照機器人的功能和用途分類

可分為醫療機器人、軍用機器人、海洋機器人、助殘機器人、清潔機器人和管道檢測機器人等。

（8）按照機器人的作業空間分類

可分為陸地室內移動機器人、陸地室外移動機器人、水下機器人、無人飛機和空間機器人等。

（9）按機器人的驅動方式分類

①氣動式機器人　氣動式機器人以壓縮空氣來驅動其執行機構。這種驅動方式的優點是空氣來源方便，動作迅速，結構簡單，造價低；缺點是空氣具有可壓縮性，致使工作速度的穩定性較差。因氣源壓力一般只有60MPa左右，故此類機器人適宜抓舉力要求較小的場合。

②液動式機器人　相對于氣力驅動，液力驅動的機器人具有大得多的抓舉能力，可高達上百千克。液力驅動式機器人結構緊湊，傳動平穩且動作靈敏，但對密封的要求較高，且不宜在高溫或低溫的場合工作，要求的制造精度較高，成本較高。

③電動式機器人　目前越來越多的機器人采用電力驅動式，這不僅是因為電動機可供選擇的品種眾多，更因為可以運用多種靈活的控制方法。

電力驅動是利用各種電動機產生的力或力矩，直接或經過減速機構驅動機器人，以獲得所需的位置、速度、加速度。電力驅動具有無污染，易于控制，運動精度高，成本低，驅動效率高等優點，其應用最為廣泛。

電力驅動又可分為步進電動機驅動、直流伺服電動機驅動、無刷伺服電動機驅動等。

④新型驅動方式機器人　伴隨著機器人技術的發展，出現了利用新的工作原理制造的新型驅動器，如靜電驅動器、壓電驅動器、形狀記憶合金驅動器、人工肌肉及光驅動器等。

（10）按機器人的控制方式分類

按照機器人的控制方式可分為如下幾類。

①非伺服機器人　非伺服機器人按照預先編好的程序順序進行工作，使用限位開關、制動器、插銷板和定序器來控制機器人的運動。插銷板用來預先規定機器人的工作順序，而且往往是可調的。定序器是一種按照預定的正確順序接通驅動裝置的能源。驅動裝置接通能源后，就帶動機器人的手臂、腕部和手部等裝置運動。

當它們移動到由限位開關所規定的位置時，限位開關切換工作狀態，給定序器送去一個工作任務已經完成的信號，并使終端制動器動作，切斷驅動能源，使機器人停止運動。非伺服機器人工作能力比較有限。

②伺服控制機器人　伺服控制機器人通過傳感器取得的反饋信號與來自給定裝置的綜合信號比較后，得到誤差信號，經過放大后，用以激發機器人的驅動裝置，進而帶動手部執行裝置以一定規律運動，到達規定的位置或速度等，這是一個反饋控制系統。伺服系統的被控量可為機器人手部執行裝置的位置、速度、加速度和力等。伺服控制機器人比非伺服機器人有更強的工作能力。

伺服控制機器人按照控制的空間位置不同，又可以分為點位伺服控制和連續軌跡伺服控制。

a.點位伺服控制。點位伺服控制機器人的受控運動方式為從一個點位目標移向另一個點位目標，只在目標點上完成操作。機器人可以以最快和最直接的路徑從一個端點移到另一端點。

按點位方式進行控制的機器人，其運動為空間點到點之間的直線運動，在作業過程中，只控制幾個特定工作點的位置，不對點與點之間的運動過程進行控制。在點位伺服控制的機器人中，所能控制點數的多少取決于控制系統的復雜程度。

通常，點位伺服控制機器人適用于只需要確定終端位置而對編程點之間的路徑和速度不做主要考慮的場合。點位控制主要用于點焊、搬運機器人。

b.連續軌跡伺服控制。連續軌跡伺服控制機器人能夠平滑地跟隨某個規定的路徑，其軌跡往往是某條不在預編程端點停留的曲線路徑。

按連續軌跡方式進行控制的機器人，其運動軌跡可以是空間的任意連續曲線。機器人在空間的整個運動過程都處于控制之下，能同時控制兩個以上的運動軸，使得手部位置可沿任意形狀的空間曲線運動，而手部的姿態也可以通過腕關節的運動得以控制，這對于焊接和噴涂作業是十分有利的。

連續軌跡伺服控制機器人具有良好的控制和運行特性，由于數據是依時間采樣的，而不是依預先規定的空間采樣，因此機器人的運行速度較快、功率較小、負載能力也較小。連續軌跡伺服控制機器人主要用于弧焊、噴涂、打飛邊毛刺和檢測機器人。

（11）按機器人關節連接布置形式分類

按機器人關節連接布置形式，機器人可分為串聯機器人和并聯機器人（見圖1-22）兩類。從運動形式來看，并聯機構可分為平面機構和空間機構；細分可分為平面移動機構、平面移動轉動機構、空間純移動機構、空間純轉動機構和空間混合運動機構。