1.2 工業機器人結構與類型

1.2.1 工業機器人的組成

工業機器人系統由機械系統（主體）、驅動系統、控制系統和感知系統4大部分組成，它們之間的關系如圖1-2所示。

圖1-2 工業機器人系統的組成及各部分之間的關系

工業機器人主體即機座和執行機構，包括臂部、腕部和手部，有的機器人還有行走機構。大多數工業機器人有3～6個自由度，其中腕部通常有1～3個自由度；驅動系統包括動力裝置和傳動機構，用以使執行機構產生相應的動作；控制系統是按照輸入的程序對驅動系統和執行機構發出指令信號，并進行控制。

通常將機身、臂部、腕部和末端操作器（如手爪）稱為機器人的操作臂，機器人的關節決定兩相鄰連桿副的連接關系。機器人最常用的兩種關節是移動關節和旋轉關節，通常用P表示移動關節，用R表示旋轉關節。

機器人的運動由臂部和腕部的運動組合而成。通常臂部有3個關節，用于改變腕部參考點的位置，稱為定位機構；腕部也有3個關節，通常這3個關節的軸線相互垂直相交，用來改變末端操作器的姿態，稱為定向機構。整個操作臂可以看成是在定位機構上連接定向機構構成的。

工業機器人操作臂的關節常為單自由度的主動運動副，即每一個關節均由一個驅動器驅動。典型的關節自由度種類及其圖形符號見表1-1。

表1-1 典型的關節自由度種類及圖形符號

1.機械系統

工業機器人的機械系統包括機身、臂部、腕部、末端操作器（也稱手部），每一部分都有若干自由度，構成一個多自由度的機械系統。此外，有的機器人還具備行走機構。若機器人具備行走機構，則構成行走機器人；若機器人不具備行走及旋轉機構，則構成單機器人臂。末端操作器是一個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、焊槍等作業工具。有時也把工業機器人機械系統稱為機器人的本體或主體。

2.驅動系統

驅動系統主要是指驅動機械系統動作的驅動裝置。根據驅動源的不同，驅動系統可分為電氣、液壓、氣壓3種以及把它們結合起來構成的綜合系統。

電氣驅動系統在工業機器人中應用最為普遍，可分為步進電動機、直流伺服電動機和交流伺服電動機3種驅動形式。早期多采用步進電動機驅動，后來發展了直流伺服電動機。現在，交流伺服電動機驅動也開始廣泛應用。上述驅動單元有的用于直接驅動機構運動；有的通過諧波減速器減速后驅動機構運動，這種系統簡單緊湊。

液壓驅動系統運行平穩，且負載能力大。對于進行重載搬運和零件加工的機器人，采用液壓驅動比較合理。但液壓驅動的管道復雜，難清潔，因此限制了它在裝配作業中的應用。無論是電氣驅動機器人還是液壓驅動機器人，其手爪的開合都是采用氣動形式。

氣壓驅動機器人結構簡單，動作迅速，價格低廉，但由于空氣具有壓縮性，其工作速度穩定性差。但是，空氣的可壓縮性，可以使手爪在夾持物體時的適應性提高，防止因受力過大造成被抓物體或手爪本身的破壞。氣壓系統的壓力一般為0.7MPa，因而抓取力小，只有幾十牛到幾百牛大小。

3.控制系統

機器人控制系統是機器人的大腦，是決定機器人功能和性能的主要因素。控制系統的主要任務就是控制工業機器人在工作空間中的運動位置、姿態和軌跡、操作順序及動作的時間等。

控制系統的任務是根據機器人的作業指令程序及從傳感器反饋回來的信號，控制機器人的執行機構，使其完成規定的運動和功能。如果機器人不具備信息反饋特征，則該控制系統稱為開環系統；如果機器人具有信息反饋特征，則該機器人系統稱為閉環系統。控制系統主要由計算機硬件和軟件兩部分組成。軟件主要由人和機器人關聯的人機交互系統和控制算法等組成，該部分的作用相當于人的大腦。

4.感知系統

感知系統由內部傳感器和外部傳感器組成。其作用是獲取機器人內部和外部環境信息，并把這些信息反饋給控制系統。內部傳感器用于檢測各關節的位置、速度等變量，為閉環控制系統提供信息。外部傳感器用于檢測機器人與周圍環境的一些狀態的變量，如距離、接近程度和接觸情況等，用于引導機器人，便于其識別物體并做出相應的處理。外部傳感器可使機器人以靈活的方式對它所處的環境做出反應，賦予機器人一定的智能。