1.2 工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)與類型

1.2.1 工業(yè)機(jī)器人的組成

工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)由機(jī)械系統(tǒng)（主體）、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和感知系統(tǒng)4大部分組成，它們之間的關(guān)系如圖1-2所示。

圖1-2 工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的組成及各部分之間的關(guān)系

工業(yè)機(jī)器人主體即機(jī)座和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包括臂部、腕部和手部，有的機(jī)器人還有行走機(jī)構(gòu)。大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人有3～6個(gè)自由度，其中腕部通常有1～3個(gè)自由度；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括動(dòng)力裝置和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，用以使執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作；控制系統(tǒng)是按照輸入的程序?qū)︱?qū)動(dòng)系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令信號(hào)，并進(jìn)行控制。

通常將機(jī)身、臂部、腕部和末端操作器（如手爪）稱為機(jī)器人的操作臂，機(jī)器人的關(guān)節(jié)決定兩相鄰連桿副的連接關(guān)系。機(jī)器人最常用的兩種關(guān)節(jié)是移動(dòng)關(guān)節(jié)和旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，通常用P表示移動(dòng)關(guān)節(jié)，用R表示旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。

機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)由臂部和腕部的運(yùn)動(dòng)組合而成。通常臂部有3個(gè)關(guān)節(jié)，用于改變腕部參考點(diǎn)的位置，稱為定位機(jī)構(gòu)；腕部也有3個(gè)關(guān)節(jié)，通常這3個(gè)關(guān)節(jié)的軸線相互垂直相交，用來(lái)改變末端操作器的姿態(tài)，稱為定向機(jī)構(gòu)。整個(gè)操作臂可以看成是在定位機(jī)構(gòu)上連接定向機(jī)構(gòu)構(gòu)成的。

工業(yè)機(jī)器人操作臂的關(guān)節(jié)常為單自由度的主動(dòng)運(yùn)動(dòng)副，即每一個(gè)關(guān)節(jié)均由一個(gè)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。典型的關(guān)節(jié)自由度種類及其圖形符號(hào)見(jiàn)表1-1。

表1-1 典型的關(guān)節(jié)自由度種類及圖形符號(hào)

1.機(jī)械系統(tǒng)

工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)包括機(jī)身、臂部、腕部、末端操作器（也稱手部），每一部分都有若干自由度，構(gòu)成一個(gè)多自由度的機(jī)械系統(tǒng)。此外，有的機(jī)器人還具備行走機(jī)構(gòu)。若機(jī)器人具備行走機(jī)構(gòu)，則構(gòu)成行走機(jī)器人；若機(jī)器人不具備行走及旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，則構(gòu)成單機(jī)器人臂。末端操作器是一個(gè)直接裝在腕部的重要部件，它可以是兩手指或多手指的手爪，也可以是噴漆槍、焊槍等作業(yè)工具。有時(shí)也把工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)稱為機(jī)器人的本體或主體。

2.驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要是指驅(qū)動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)作的驅(qū)動(dòng)裝置。根據(jù)驅(qū)動(dòng)源的不同，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可分為電氣、液壓、氣壓3種以及把它們結(jié)合起來(lái)構(gòu)成的綜合系統(tǒng)。

電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在工業(yè)機(jī)器人中應(yīng)用最為普遍，可分為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、直流伺服電動(dòng)機(jī)和交流伺服電動(dòng)機(jī)3種驅(qū)動(dòng)形式。早期多采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，后來(lái)發(fā)展了直流伺服電動(dòng)機(jī)。現(xiàn)在，交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)也開(kāi)始廣泛應(yīng)用。上述驅(qū)動(dòng)單元有的用于直接驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)；有的通過(guò)諧波減速器減速后驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，這種系統(tǒng)簡(jiǎn)單緊湊。

液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，且負(fù)載能力大。對(duì)于進(jìn)行重載搬運(yùn)和零件加工的機(jī)器人，采用液壓驅(qū)動(dòng)比較合理。但液壓驅(qū)動(dòng)的管道復(fù)雜，難清潔，因此限制了它在裝配作業(yè)中的應(yīng)用。無(wú)論是電氣驅(qū)動(dòng)機(jī)器人還是液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)器人，其手爪的開(kāi)合都是采用氣動(dòng)形式。

氣壓驅(qū)動(dòng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)作迅速，價(jià)格低廉，但由于空氣具有壓縮性，其工作速度穩(wěn)定性差。但是，空氣的可壓縮性，可以使手爪在夾持物體時(shí)的適應(yīng)性提高，防止因受力過(guò)大造成被抓物體或手爪本身的破壞。氣壓系統(tǒng)的壓力一般為0.7MPa，因而抓取力小，只有幾十牛到幾百牛大小。

3.控制系統(tǒng)

機(jī)器人控制系統(tǒng)是機(jī)器人的大腦，是決定機(jī)器人功能和性能的主要因素。控制系統(tǒng)的主要任務(wù)就是控制工業(yè)機(jī)器人在工作空間中的運(yùn)動(dòng)位置、姿態(tài)和軌跡、操作順序及動(dòng)作的時(shí)間等。

控制系統(tǒng)的任務(wù)是根據(jù)機(jī)器人的作業(yè)指令程序及從傳感器反饋回來(lái)的信號(hào)，控制機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使其完成規(guī)定的運(yùn)動(dòng)和功能。如果機(jī)器人不具備信息反饋特征，則該控制系統(tǒng)稱為開(kāi)環(huán)系統(tǒng)；如果機(jī)器人具有信息反饋特征，則該機(jī)器人系統(tǒng)稱為閉環(huán)系統(tǒng)。控制系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)硬件和軟件兩部分組成。軟件主要由人和機(jī)器人關(guān)聯(lián)的人機(jī)交互系統(tǒng)和控制算法等組成，該部分的作用相當(dāng)于人的大腦。

4.感知系統(tǒng)

感知系統(tǒng)由內(nèi)部傳感器和外部傳感器組成。其作用是獲取機(jī)器人內(nèi)部和外部環(huán)境信息，并把這些信息反饋給控制系統(tǒng)。內(nèi)部傳感器用于檢測(cè)各關(guān)節(jié)的位置、速度等變量，為閉環(huán)控制系統(tǒng)提供信息。外部傳感器用于檢測(cè)機(jī)器人與周圍環(huán)境的一些狀態(tài)的變量，如距離、接近程度和接觸情況等，用于引導(dǎo)機(jī)器人，便于其識(shí)別物體并做出相應(yīng)的處理。外部傳感器可使機(jī)器人以靈活的方式對(duì)它所處的環(huán)境做出反應(yīng)，賦予機(jī)器人一定的智能。