1.1.1 工業(yè)機(jī)器人的定義和分類

1．工業(yè)機(jī)器人定義

工業(yè)機(jī)器人是一種通過(guò)重復(fù)編程和自動(dòng)控制，能夠完成制造過(guò)程中某些操作任務(wù)的多功能、多自由度的機(jī)電一體化自動(dòng)機(jī)械裝備和系統(tǒng)，它結(jié)合制造主機(jī)或生產(chǎn)線，可以組成單機(jī)或多機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)，在無(wú)人參與下，實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)、焊接、裝配和噴涂等多種生產(chǎn)作業(yè)。

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）對(duì)機(jī)器人的定義如下：

1）機(jī)器人的動(dòng)作機(jī)構(gòu)具有類似于人或其他生物體的某些器官（肢體、感受等）的功能；

2）機(jī)器人具有通用性，工作種類多樣，動(dòng)作程序靈活易變；

3）機(jī)器人具有不同程度的智能性，如記憶、感知、推理、決策、學(xué)習(xí)等；

4）機(jī)器人具有獨(dú)立性，完整的機(jī)器人系統(tǒng)在工作中可以不依賴于人的干預(yù)。

2．工業(yè)機(jī)器人分類

機(jī)器人的機(jī)械配置形式多種多樣，典型機(jī)器人的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特征是用其坐標(biāo)特性來(lái)描述的。按機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特征，機(jī)器人通?？煞譃橹苯亲鴺?biāo)機(jī)器人、柱面坐標(biāo)機(jī)器人、球面坐標(biāo)機(jī)器人和多關(guān)節(jié)型機(jī)器人等類型。

（1）直角坐標(biāo)機(jī)器人

直角坐標(biāo)機(jī)器人具有空間上相互垂直的兩根或三根直線移動(dòng)軸（如圖1-1所示），通過(guò)直角坐標(biāo)方向的3個(gè)獨(dú)立自由度確定其手部的空間位置，其動(dòng)作空間為一長(zhǎng)方體。直角坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，定位精度高，空間軌跡易于求解；但其動(dòng)作范圍相對(duì)較小，設(shè)備的空間因數(shù)較低，實(shí)現(xiàn)相同的動(dòng)作空間要求時(shí)，機(jī)體本身的體積較大。主要用于印制電路基板的元器件插入、緊固螺釘?shù)茸鳂I(yè)。

（2）柱面坐標(biāo)機(jī)器人

柱面坐標(biāo)機(jī)器人的空間位置機(jī)構(gòu)主要由旋轉(zhuǎn)基座、垂直移動(dòng)和水平移動(dòng)軸構(gòu)成（如圖1-2所示），具有一個(gè)回轉(zhuǎn)和兩個(gè)平移自由度，其動(dòng)作空間呈圓柱形。這種機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、剛性好，但缺點(diǎn)是在機(jī)器人的動(dòng)作范圍內(nèi)，必須有沿軸線前后方向的移動(dòng)空間，空間利用率較低，主要用于重物的裝卸、搬運(yùn)等作業(yè)。著名的Versatran機(jī)器人就是一種典型的柱面坐標(biāo)機(jī)器人。

（3）球面坐標(biāo)機(jī)器人

球面坐標(biāo)機(jī)器人如圖1-3所示，其空間位置分別由旋轉(zhuǎn)、擺動(dòng)和平移3個(gè)自由度確定，動(dòng)作空間形成球面的一部分。其機(jī)械手能夠做前后伸縮移動(dòng)、在垂直平面上擺動(dòng)以及繞底座在水平面上轉(zhuǎn)動(dòng)。著名的Unimate就是這種類型的機(jī)器人。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，所占空間體積小于直角坐標(biāo)和柱面坐標(biāo)機(jī)器人，但仍大于多關(guān)節(jié)型機(jī)器人。

（4）多關(guān)節(jié)型機(jī)器人

由多個(gè)旋轉(zhuǎn)和擺動(dòng)機(jī)構(gòu)組合而成。這類機(jī)器人結(jié)構(gòu)緊湊、工作空間大、動(dòng)作最接近人的動(dòng)作，對(duì)噴漆、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(lái)越廣。不少著名的機(jī)器人都采用了這種型式，其擺動(dòng)方向主要有垂直方向和水平方向兩種，因此這類機(jī)器人又可分為垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人和水平多關(guān)節(jié)機(jī)器人。如美國(guó)Unimation公司20世紀(jì)70年代末推出的機(jī)器人PUMA（如圖1-4所示）就是一種垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人，而日本山梨大學(xué)研制的機(jī)器人SCARA（如圖1-5所示）則是一種典型的水平多關(guān)節(jié)機(jī)器人。

垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人模擬了人類的手臂功能，由垂直于地面的腰部旋轉(zhuǎn)軸（相當(dāng)于大臂旋轉(zhuǎn)的肩部旋轉(zhuǎn)軸）帶動(dòng)小臂旋轉(zhuǎn)的肘部旋轉(zhuǎn)軸以及小臂前端的手腕等構(gòu)成。手腕通常由2～3個(gè)自由度構(gòu)成。其動(dòng)作空間近似一個(gè)球體，所以也稱為多關(guān)節(jié)球面機(jī)器人。其優(yōu)點(diǎn)是可以自由地實(shí)現(xiàn)三維空間的各種姿勢(shì)，可以生成各種復(fù)雜形狀的軌跡。相對(duì)機(jī)器人的安裝面積，其動(dòng)作范圍很寬。缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)剛度較低，動(dòng)作的絕對(duì)位置精度比較低。它廣泛應(yīng)用于代替人完成的裝配作業(yè)、貨物搬運(yùn)、電弧焊接、噴涂、點(diǎn)焊接等作業(yè)場(chǎng)合。

水平多關(guān)節(jié)機(jī)器人在結(jié)構(gòu)上具有串聯(lián)配置的兩個(gè)能夠在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)的手臂，其自由度可以根據(jù)用途選擇為2～4個(gè)，動(dòng)作空間為一圓柱體。水平多關(guān)節(jié)機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)是在垂直方向上的剛性好，能方便地實(shí)現(xiàn)二維平面上的動(dòng)作，在裝配作業(yè)中得到普遍應(yīng)用。