模塊1 工業(yè)機器人認知

工業(yè)機器人技術(shù)基礎(chǔ)模塊一工業(yè)機器人認知工業(yè)機器人是在20世紀60年代逐漸發(fā)展起來的一種用于代替?zhèn)鹘y(tǒng)勞動力的工業(yè)設(shè)備。工業(yè)機器人技術(shù)是一門多學(xué)科綜合的自動化技術(shù)，涉及機械、電子、數(shù)學(xué)、運動學(xué)、力學(xué)、控制理論、傳感技術(shù)、計算機技術(shù)及人機工程。到今天，工業(yè)機器人技術(shù)已成為工業(yè)生產(chǎn)、智能制造等領(lǐng)域不可或缺的中堅力量。目錄單元1工業(yè)機器人概述單元2工業(yè)機器人的分類單元3工業(yè)機器人的性能參數(shù)單元1工業(yè)機器人概述單元1工業(yè)機器人概述工業(yè)機器人是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機械手或多自由度的機器裝置，它能自動執(zhí)行工作，是靠自身動力和控制能力來實現(xiàn)各種功能的一種機器，如圖1－1－1所示。它可以接受人類指揮，也可以按照預(yù)先編制的程序運行，現(xiàn)代的工業(yè)機器人還可以根據(jù)人工智能技術(shù)制定的原則綱領(lǐng)行動。一、工業(yè)機器人的定義單元1工業(yè)機器人概述美國機器人協(xié)會（RIA）對工業(yè)機器人的定義是：“一種用于移動各種材料、零件、工具或?qū)Ｓ醚b置的，通過可編程的動作來執(zhí)行各種任務(wù)的，具有編程能力的多功能機械手?！泵绹鴩覙藴示郑∟BS）對工業(yè)機器人的定義是：“一種能夠進行編程并在自動控制下執(zhí)行某些操作和移動作業(yè)任務(wù)的機械裝置?！泵绹鴻C器人工業(yè)協(xié)會（U.S.RIA）提出的工業(yè)機器人定義是：“工業(yè)機器人是用來進行搬運材料、零件、工具等可再編程的多功能機械手，或通過不同程序的調(diào)用來完成各種工作任務(wù)的特種裝置。”

1987年國際標準化組織（ISO）對工業(yè)機器人進行了定義：“工業(yè)機器人是一種具有自動控制的操作和移動功能，能完成各種作業(yè)的可編程操作機。”綜上所述，工業(yè)機器人是一種按實際工況自動控制精確運動并作業(yè)的可編程機電一體化智能設(shè)備。一、工業(yè)機器人的定義單元1工業(yè)機器人概述已知最早的工業(yè)機器人是1937年由格里菲斯·P·泰勒完成，并發(fā)布在1938年3月的專業(yè)雜志上。這臺機器人幾乎完全是用吊車狀裝置建成的，動力由單個電動機提供，可實現(xiàn)五軸運動。自動化方面是用穿孔紙帶通電螺線管——這有利于用起重機的控制桿操作，進而實現(xiàn)運動功能。該機器人可以在預(yù)先設(shè)定的圖案上堆積木，第一次操作時需要將每個運動馬達的轉(zhuǎn)數(shù)繪制在坐標紙上，然后把這個信息轉(zhuǎn)移到紙帶上，從而推動機器人的單個馬達運動。

1954年，喬治·德沃爾申請了一個“可編程關(guān)節(jié)式轉(zhuǎn)移物體裝置”的專利，具備了現(xiàn)代工業(yè)機器人的雛形。二、工業(yè)機器人的發(fā)展史單元1工業(yè)機器人概述真正意義上的工業(yè)機器人出現(xiàn)在1959年。當時，美國人約瑟夫·恩格爾伯格和喬治·德沃爾制造出了世界上第一臺工業(yè)機器人Unimate，意思是“萬能自動”，如圖1－1－2所示。這臺機器人外形像一個坦克的炮塔，基座上有一個可轉(zhuǎn)動的大機械臂，大臂上又伸出一個可以伸縮和轉(zhuǎn)動的小機械臂，能進行一些簡單的操作，代替人做一些諸如抓放零件的工作。約瑟夫·恩格爾伯格也因此被稱為“機器人之父”。二、工業(yè)機器人的發(fā)展史單元1工業(yè)機器人概述與美國勞動力充沛不同，日本戰(zhàn)后的勞動力匱乏已對快速發(fā)展的經(jīng)濟造成了阻礙。1969年，日本業(yè)界把約瑟夫·恩格爾伯格請到東京演講，指導(dǎo)日本廠商研發(fā)機器人。通過知識產(chǎn)權(quán)輸出等方式，Unimation公司與日本川崎等公司建立了聯(lián)系。借此，川崎重工引進Unimation機器人，并把開發(fā)能節(jié)省勞動力的機器人系統(tǒng)作為一項重要任務(wù)來完成，而后成功開發(fā)了KawasakiUnimate2000機器人（如圖1－1－3所示），這是日本生產(chǎn)的第一臺工業(yè)機器人，川崎重工隨后也成了日本工業(yè)機器人領(lǐng)域的先驅(qū)。二、工業(yè)機器人的發(fā)展史單元1工業(yè)機器人概述

20世紀70年代之前，工業(yè)機器人基本是Unimation的天下，Unimation把機器人賣給各家公司，甚至遠銷歐洲、日本，大大提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率。隨后，工業(yè)機器人領(lǐng)域開始了高速發(fā)展。

1971年，日本機器人協(xié)會成立，這是世界上第一個國家機器人協(xié)會。

1973年，第一臺機電驅(qū)動的六軸機器人面世，如圖1－1－4所示。德國庫卡公司將其使用的Unimate機器人改造成第一臺產(chǎn)業(yè)機器人，命名為Famulus，這是世界上第一臺機電驅(qū)動的六軸機器人。二、工業(yè)機器人的發(fā)展史單元1工業(yè)機器人概述

1974年，瑞典通用電機公司（ASEA，ABB公司的前身）開發(fā)出世界上第一臺全電力驅(qū)動、由微處理器控制的五軸工業(yè)機器人IRB6，主要應(yīng)用于工件的取放和物料的搬運，如圖1－1－5所示。首臺IRB6運行于瑞典南部的一家小型機械工程公司。IRB6采用擬人化設(shè)計，其動作模仿人類的手臂，可承受6千克載荷。IRB6的S1控制器第一個使用英特爾8位微處理器，內(nèi)存容量為16kB，有16個數(shù)字I/O接口，通過16個按鍵編程，并具有四位數(shù)的LED顯示屏。二、工業(yè)機器人的發(fā)展史單元1工業(yè)機器人概述

1978年，美國Unimation公司推出通用工業(yè)機器人，應(yīng)用于通用汽車裝配線（圖1－1－6），這標志著工業(yè)機器人技術(shù)已經(jīng)完全成熟。二、工業(yè)機器人的發(fā)展史單元1工業(yè)機器人概述

1984年，瑞典ABB公司生產(chǎn)出當時速度最快的裝配機器人IRB1000（圖1－1－7），這是一個配備了垂直手臂的鐘擺式機器人。IRB1000機器人工作的時候，不需要來回移動就可以快速穿越較大面積的工作場合，速度比傳統(tǒng)的手臂機器人快50%以上。二、工業(yè)機器人的發(fā)展史單元1工業(yè)機器人概述

1992年，瑞典ABB公司推出開放式控制系統(tǒng)S4（圖1－1－8）。S4控制器的設(shè)計改善了人機界面，并提升了機器人的技術(shù)性能。二、工業(yè)機器人的發(fā)展史單元1工業(yè)機器人概述

2008年，日本發(fā)那科公司推出了新的重型機器人M2000iA，有效載荷達1200千克（圖1－1－9）。M2000iA系列是當時世界上規(guī)模最大、實力最強的六軸機器人，可搬運超重物體，具有兩種型號，分別為一次可舉起900千克載荷的M2000iA/900L和一次可舉起1200千克載荷的M2000iA/1200，能夠做到更快速、更穩(wěn)定、更精確地移動大型部件。二、工業(yè)機器人的發(fā)展史單元1工業(yè)機器人概述

2009年9月，瑞典ABB公司推出了世界上最小的多用途工業(yè)機器人IRB120，也是速度最快的六軸機器人（圖1－1－10）。IRB120是一款新型機器人，質(zhì)量僅為25千克，荷重3千克（垂直腕為4千克），工作范圍達580毫米。IRB120的問世使ABB第四代新型機器人產(chǎn)品系列得到進一步延伸，具有卓越的經(jīng)濟性與可靠性。二、工業(yè)機器人的發(fā)展史單元1工業(yè)機器人概述工業(yè)機器人的出現(xiàn)將人類從繁重單一的勞動中解放出來，它能夠從事一些不適合人類甚至超越人類的勞動，實現(xiàn)生產(chǎn)的自動化，避免工傷事故并且提高生產(chǎn)效率。自1959年工業(yè)機器人誕生后，經(jīng)過近70年的發(fā)展，工業(yè)機器人已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在裝備制造、新材料、生物醫(yī)藥、智慧新能源等高新產(chǎn)業(yè)，工業(yè)機器人的分類也越來越細化。它與人工智能技術(shù)、先進制造技術(shù)和移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融合發(fā)展，大大推動了人類社會生活方式的變革。工業(yè)機器人對于我國制造業(yè)提質(zhì)增效、轉(zhuǎn)型升級、推動產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)邁向中高端具有重要作用。二、工業(yè)機器人的發(fā)展史單元1工業(yè)機器人概述喬治·德沃爾提出的工業(yè)機器人有以下特點：將數(shù)控機床的伺服軸與遙控操縱器的連桿機構(gòu)連接在一起，預(yù)先設(shè)定的機械手動作經(jīng)編程輸入后，系統(tǒng)就可以離開人的輔助而獨立運行。這種機器人還可以接受示教而完成各種簡單的重復(fù)動作，示教過程中，機械手可依次通過工作任務(wù)的各個位置，這些位置序列全部記錄在存儲器內(nèi)，任務(wù)的執(zhí)行過程中，機器人的各個關(guān)節(jié)在伺服驅(qū)動下依次再現(xiàn)上述位置，故這種機器人的主要技術(shù)功能被稱為“可編程”和“示教再現(xiàn)”。

1962年，美國推出的一些工業(yè)機器人的控制方式與數(shù)控機床大致相似，但外形主要由類似人的手臂組成。此后，逐漸出現(xiàn)了具有視覺傳感器的、能識別與定位的工業(yè)機器人系統(tǒng)。三、工業(yè)機器人的特點單元1工業(yè)機器人概述工業(yè)機器人最顯著的特點有以下幾個：（一）可編程生產(chǎn)自動化的進一步發(fā)展是柔性自動化。工業(yè)機器人可隨其工作環(huán)境變化的需要進行再編程，因此在小批量、多品種、高效率的柔性制造過程中能發(fā)揮很好的功用，是柔性制造系統(tǒng)中的重要組成部分。（二）擬人化工業(yè)機器人在機械結(jié)構(gòu)上有類似人的行走、腰轉(zhuǎn)動作，具有類似大臂、小臂、手腕、手爪的部分，由電腦控制。此外，智能化工業(yè)機器人還有許多類似人類的“生物傳感器”，如皮膚型接觸傳感器、力傳感器、負載傳感器、視覺傳感器、聲覺傳感器、語言功能等。傳感器提高了工業(yè)機器人對應(yīng)用環(huán)境的適應(yīng)能力。（三）通用性除了專門設(shè)計的專用工業(yè)機器人外，一般工業(yè)機器人在執(zhí)行不同作業(yè)任務(wù)時具有較好的通用性，比如更換工業(yè)機器人手部末端操作器（手爪、工具等）便可執(zhí)行不同的作業(yè)任務(wù)。三、工業(yè)機器人的特點單元1工業(yè)機器人概述四、工業(yè)機器人的優(yōu)勢當今工業(yè)機器人技術(shù)正逐漸向著具有行走能力，具有多種感知能力，對作業(yè)環(huán)境具有較強的自適應(yīng)能力的方向發(fā)展。當前，對全球機器人技術(shù)的發(fā)展最有影響的國家是美國和日本。美國在工業(yè)機器人技術(shù)的綜合研究水平方面處于領(lǐng)先地位，而日本生產(chǎn)的工業(yè)機器人在數(shù)量、種類方面居世界首位。工業(yè)機器人技術(shù)涉及的學(xué)科相當廣泛，歸納起來是機械學(xué)和微電子學(xué)的結(jié)合——機電一體化技術(shù)。第三代智能機器人不僅具有獲取外部環(huán)境信息的各種傳感器，而且還具有記憶能力、語言理解能力、圖像識別能力、推理判斷能力等人工智能，這些都與微電子技術(shù)的應(yīng)用，特別是計算機技術(shù)的應(yīng)用密切相關(guān)。因此，機器人技術(shù)的發(fā)展必將帶動其他技術(shù)的發(fā)展，其發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀也可以反映一個國家科學(xué)和工業(yè)的水平。（一）工業(yè)機器人技術(shù)發(fā)展的優(yōu)勢工業(yè)機器人集精密化、柔性化、智能化、軟件應(yīng)用開發(fā)等先進制造技術(shù)于一體，通過對過程實施檢測、控制、優(yōu)化、調(diào)度、管理和決策，實現(xiàn)增加產(chǎn)量、提高質(zhì)量、降低成本、減少資源消耗和環(huán)境污染，是工業(yè)自動化水平的最高體現(xiàn)。三、工業(yè)機器人的特點單元1工業(yè)機器人概述（二）技術(shù)升級的趨勢工業(yè)機器人與自動化成套裝備具備精細制造、精細加工以及柔性生產(chǎn)等技術(shù)特點，是繼動力機械和計算機之后出現(xiàn)的全面延伸人的體力和智力的新一代生產(chǎn)工具，是實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)字化、自動化、網(wǎng)絡(luò)化以及智能化的重要手段。（三）應(yīng)用領(lǐng)域廣泛工業(yè)機器人與自動化成套裝備是生產(chǎn)過程的關(guān)鍵設(shè)備，可用于制造、安裝、檢測、物流等生產(chǎn)環(huán)節(jié)，并廣泛應(yīng)用于汽車整車及汽車零部件、工程機械、軌道交通、低壓電器、電力、IC裝備、軍工、煙草、金融、醫(yī)藥、冶金及印刷出版等眾多行業(yè)，應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。（四）技術(shù)綜合性強工業(yè)機器人與自動化成套技術(shù)集中并融合了多項學(xué)科，涉及多項技術(shù)領(lǐng)域，包括工業(yè)機器人控制技術(shù)、機器人動力學(xué)及仿真、機器人構(gòu)建有限元分析、激光加工技術(shù)、模塊化程序設(shè)計、智能測量、建模加工一體化、工廠自動化以及精細物流等先進制造技術(shù)，技術(shù)綜合性強。三、工業(yè)機器人的特點目錄單元1工業(yè)機器人概述單元2工業(yè)機器人的分類單元3工業(yè)機器人的性能參數(shù)單元2工業(yè)機器人的分類單元2工業(yè)機器人的分類關(guān)于工業(yè)機器人的分類，國際上并沒有統(tǒng)一的標準，有的按載荷大小分，有的按控制方式分，有的按機械結(jié)構(gòu)分，有的按坐標系分，有的按應(yīng)用領(lǐng)域分。這里，我們按照比較普遍的三種分類形式進行分類講解。單元2工業(yè)機器人的分類按機械結(jié)構(gòu)的方法對機器人分類是指，將工業(yè)機器人按照不同的動力學(xué)結(jié)構(gòu)原理進行分類。按照這種方法，通常將工業(yè)機器人分成兩類：串聯(lián)式機器人和并聯(lián)式機器人。（一）串聯(lián)式機器人串聯(lián)式機器人是開式運動鏈，由一系列連桿通過轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)或移動關(guān)節(jié)串聯(lián)而成，并沒有形成封閉的結(jié)構(gòu)鏈。關(guān)節(jié)由驅(qū)動器驅(qū)動，關(guān)節(jié)的相對運動再驅(qū)動連桿運動，使手爪實現(xiàn)一定的位姿，如圖1－2－1所示。對串聯(lián)式機器人而言，一個軸的運動會改變另一個軸的坐標原點，比如六軸工業(yè)機器人。一、按機械結(jié)構(gòu)分類單元2工業(yè)機器人的分類串聯(lián)式機器人的特點有：

1.工作空間大。

2.運動分析較容易。

3.可避免驅(qū)動軸之間的耦合效應(yīng)。

4.機構(gòu)各軸必須獨立控制，且需搭配編碼器與傳感器來提高機構(gòu)運動時的精準度。串聯(lián)式機器人通常都具有三個以上的關(guān)節(jié)，類似于人類的手臂，靈活性高，廣泛應(yīng)用于裝配、搬運、噴漆、碼垛、測量、弧焊、點焊、包裝、鑄造等作業(yè)。一、按機械結(jié)構(gòu)分類單元2工業(yè)機器人的分類（二）并聯(lián)式機器人并聯(lián)式機器人可以定義為：動平臺和定平臺通過至少兩個獨立的運動鏈相連接，機構(gòu)具有兩個或兩個以上自由度，且以并聯(lián)方式驅(qū)動的一種閉環(huán)機構(gòu)，如圖1－2－2所示。并聯(lián)式機器人一個軸的運動不影響另一個軸的坐標原點，如delta機器人。一、按機械結(jié)構(gòu)分類單元2工業(yè)機器人的分類并聯(lián)式機器人的特點有：

1.無累積誤差，精度較高。

2.驅(qū)動裝置可置于定平臺上或接近定平臺的位置，使得運動部分質(zhì)量輕，速度高，動態(tài)響應(yīng)好。

3.結(jié)構(gòu)緊湊，剛度高，承載能力大。

4.完全對稱的并聯(lián)機構(gòu)具有較好的各向同性。

5.工作空間較小。因為這些特點，并聯(lián)機器人在需要高剛度、高精度或者大載荷而無須很大工作空間的領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。一、按機械結(jié)構(gòu)分類單元2工業(yè)機器人的分類工業(yè)機器人按照坐標系通常可分為柱坐標機器人、球坐標機器人、笛卡爾坐標機器人、多關(guān)節(jié)型機器人和平面關(guān)節(jié)型機器人。（一）柱坐標機器人如果水平臂或桿架安裝在一垂直柱上，而該柱又安裝在一個旋轉(zhuǎn)基座上，這種結(jié)構(gòu)可稱為柱坐標機器人。如圖1－2－3所示，柱坐標機器人具有一個回轉(zhuǎn)和兩個平移自由度，其運動特點如下：

1.手臂可伸縮（沿r方向）。

2.滑動架（或托板）可沿柱上下移動（z軸方向）。

3.水平臂和滑動架組合件可作為基座上的一個整體而旋轉(zhuǎn)（繞z軸），一般旋轉(zhuǎn)不允許超過360°。柱坐標機器人手臂伸出長度有最小值和最大值，所以機器人的工作包絡(luò)范圍呈圓柱狀。二、按坐標系分類單元2工業(yè)機器人的分類（二）球坐標機器人球坐標機器人的空間位置分別由旋轉(zhuǎn)、擺動和平移3個自由度確定。由于機械和驅(qū)動連線的限制，球坐標機器人的工作范圍是球體的一部分，如圖1－2－4所示。球坐標機器人的工作特點如下：

1.手臂可伸出縮回范圍R，類似于可伸縮的望遠鏡套筒。

2.在垂直面內(nèi)繞軸旋轉(zhuǎn)的角度為β。

3.在基座水平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動角度為θ。二、按坐標系分類單元2工業(yè)機器人的分類（三）笛卡爾坐標機器人（直角坐標機器人）笛卡爾坐標機器人，又叫直角坐標機器人，是指能夠?qū)崿F(xiàn)自動控制的、可重復(fù)編程的、多自由度的、運動自由度間成空間直角關(guān)系的多用途操作機。笛卡爾坐標機器人是以xyz直角坐標系統(tǒng)為基本數(shù)學(xué)模型，以伺服電機、步進電機驅(qū)動的單軸機械臂為基本工作單元，以滾珠絲杠、同步皮帶、齒輪齒條為常用的傳動方式所架構(gòu)起來的機器人系統(tǒng)，可以完成在xyz三維坐標系中任意一點的到達，并遵循可控的運動軌跡。在結(jié)構(gòu)上，笛卡爾坐標機器人又分為懸臂式和門型兩種，如圖1－2－5所示。二、按坐標系分類單元2工業(yè)機器人的分類懸臂式笛卡爾坐標機器人的特點是結(jié)構(gòu)簡單、成本低、速度快、負載低、懸臂長度有限。門型笛卡爾坐標機器人又叫桁架機器人或龍門式機器人。相比懸臂式，其結(jié)構(gòu)略復(fù)雜，成本略高，但能承受的負載大，各軸的行程更大。笛卡爾坐標機器人的核心運動部件是線性模組，如圖1－2－6所示。線性模組主要由導(dǎo)軌、絲杠（或同步帶、齒條等）、運動體和電機（步進或伺服）組成。二、按坐標系分類單元2工業(yè)機器人的分類（四）多關(guān)節(jié)型機器人多關(guān)節(jié)型機器人由多個回轉(zhuǎn)機構(gòu)組合而成（圖1－2－7）。這類機器人結(jié)構(gòu)緊湊，工作空間大，動作最接近人的動作，對涂裝、裝配、焊接等多種作業(yè)都有良好的適應(yīng)性，應(yīng)用范圍越來越廣。

1.多關(guān)節(jié)型機器人的優(yōu)點（1）結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。（2）靈活性好，手部到達位置好，具有較好的蔽障性能。（3）沒有移動關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)密封性能好，摩擦小，慣量小。（4）關(guān)節(jié)驅(qū)動力小，能耗較低。

2.多關(guān)節(jié)型機器人的缺點（1）運動過程中存在平衡問題，控制存在耦合。（2）當大臂和小臂舒展開時，機器人結(jié)構(gòu)剛度較差。多關(guān)節(jié)型機器人是通用性最好的工業(yè)機器人，最常用的多關(guān)節(jié)型機器人有五軸搬運機器人、六軸機器人、七軸機器人等。二、按坐標系分類單元2工業(yè)機器人的分類二、按坐標系分類單元2工業(yè)機器人的分類（五）平面關(guān)節(jié)型機器人如圖1－2－8所示，平面關(guān)節(jié)型機器人具有四個自由度：三個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，軸線相互平行,實現(xiàn)平面內(nèi)定位和定向；一個移動關(guān)節(jié)，實現(xiàn)末端件升降運動。具體機械系統(tǒng)由基座、手臂和末端執(zhí)行器三大部分組成，每一部分都有若干自由度，構(gòu)成了一個多自由度的機械系統(tǒng)?；哂谢剞D(zhuǎn)機構(gòu)（肩關(guān)節(jié)），手臂由大臂、小臂組成，末端執(zhí)行器（手部）是一個鉗爪式手部結(jié)構(gòu)。本機器人具有高剛性、高精度、高速度、安裝空間小及設(shè)計自由度大等優(yōu)點，可以組裝成焊接機器人、點膠機器人、光學(xué)檢測機器人、拿放機器人及插件機器人等，從而應(yīng)用于高效率的裝配、焊接、密封、搬運和拿放等動作。二、按坐標系分類單元2工業(yè)機器人的分類（一）搬運機器人搬運機器人是在自動化作業(yè)中專門從事搬運工作的工業(yè)機器人（圖1－2－9）。它的主要工作內(nèi)容是將物料從一個地方搬運到另一個地方。搬運機器人的特點是結(jié)構(gòu)緊湊，負載大，但靈活性不如六軸機器人。搬運機器人一般以五軸結(jié)構(gòu)居多。搬運機器人用途很廣，一般只需點位控制，即被搬運零件無嚴格的運動軌跡要求，只要求始點和終點位姿準確。如箱體碼垛，流水線上下料等。三、按應(yīng)用領(lǐng)域分類單元2工業(yè)機器人的分類（二）焊接機器人焊接機器人是從事焊接作業(yè)的工業(yè)機器人，亦是目前使用最多的一類定制化機器人。由于焊接機器人是在準平面、空間狹窄的環(huán)境下工作，為了保證機器人能根據(jù)電弧傳感器的偏差信息跟蹤焊縫，實現(xiàn)自動焊接，要求所設(shè)計的機器人應(yīng)該具有結(jié)構(gòu)緊湊、移動靈活且工作穩(wěn)定等特點。常用的焊接機器人分為點焊和弧焊兩種。

1.點焊機器人點焊機器人是用于點焊自動作業(yè)的工業(yè)機器人（圖1－2－10）。點焊機器人由機器人本體、計算機控制系統(tǒng)、示教盒和點焊焊接系統(tǒng)幾部分組成。為了適應(yīng)靈活動作的工作要求，通常選用關(guān)節(jié)式工業(yè)機器人的基本設(shè)計，一般具有六個自由度：腰轉(zhuǎn)、大臂轉(zhuǎn)、小臂轉(zhuǎn)、腕轉(zhuǎn)、腕擺及腕捻。點焊機器人的驅(qū)動方式有液壓驅(qū)動和電氣驅(qū)動兩種，其中電氣驅(qū)動具有保養(yǎng)維修簡便、能耗低、速度高、精度高、安全性好等優(yōu)點，因此應(yīng)用較為廣泛。點焊機器人按照示教程序規(guī)定的動作、順序和參數(shù)進行點焊作業(yè)，其過程是完全自動化的，并且具有與外部設(shè)備通信的接口，可以通過通信接口接受上一級主控與管理計算機的控制命令進行工作。三、按應(yīng)用領(lǐng)域分類單元2工業(yè)機器人的分類三、按應(yīng)用領(lǐng)域分類單元2工業(yè)機器人的分類

2.弧焊機器人弧焊機器人是指用于自動弧焊作業(yè)的工業(yè)機器人?；『笝C器人的組成和原理與點焊機器人基本相同。一般的弧焊機器人由示教盒、控制盤、機器人本體及自動送絲裝置、焊接電源等部分組成（圖1－2－11），可以在計算機的控制下實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制和點位控制，還可以利用直線插補和圓弧插補功能焊接由直線及圓弧所組成的空間焊縫?；『笝C器人主要有熔化極焊接作業(yè)和非熔化極焊接作業(yè)兩種類型，具有可長期進行焊接作業(yè)，保證焊接作業(yè)的高生產(chǎn)率、高質(zhì)量和高穩(wěn)定性等特點。隨著技術(shù)的發(fā)展，弧焊機器人正向著智能化的方向發(fā)展。弧焊機器人系統(tǒng)的基本組成部分有機器人本體、控制系統(tǒng)、示教器、焊接電源、焊槍、焊接夾具和安全防護設(shè)施。三、按應(yīng)用領(lǐng)域分類單元2工業(yè)機器人的分類

3.焊接機器人的優(yōu)點隨著電子技術(shù)、計算機技術(shù)、數(shù)控及機器人技術(shù)的發(fā)展，自動焊接機器人從20世紀60年代開始用于生產(chǎn)以來，其技術(shù)已日益成熟，主要有以下優(yōu)點：（1）穩(wěn)定和提高焊接質(zhì)量，能將焊接質(zhì)量以數(shù)值的形式反映出來。（2）提高勞動生產(chǎn)率。（3）改善工人勞動強度，可在有害環(huán)境下工作。（4）降低了對工人操作技術(shù)的要求。（5）縮短了產(chǎn)品改型換代的準備周期，減少相應(yīng)的設(shè)備投資。因此，焊接機器人現(xiàn)在已經(jīng)在汽車、電子等各行各業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。三、按應(yīng)用領(lǐng)域分類單元2工業(yè)機器人的分類（三）噴涂機器人噴涂機器人是可進行自動噴漆作業(yè)或噴涂其他涂料的工業(yè)機器人。噴涂機器人主要由機器人本體、計算機和相應(yīng)的控制系統(tǒng)組成，液壓驅(qū)動的噴涂機器人還包括液壓油源，如油泵、油箱和電機等。噴涂機器人多采用5或6自由度關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)，手臂有較大的運動空間，并可做復(fù)雜的軌跡運動，其腕部一般有2～3個自由度，可靈活運動。較先進的噴涂機器人腕部采用柔性手腕，既可向各個方向彎曲，又可轉(zhuǎn)動，其動作類似人的手腕，能方便地通過較小的孔伸入工件內(nèi)部，噴涂其內(nèi)表面。噴涂機器人一般采用液壓驅(qū)動，具有速度快、防爆性能好等特點，可通過手把手示教或點位示教來實現(xiàn)操作。噴涂機器人廣泛用于汽車、儀表、電器、搪瓷等工藝生產(chǎn)部門（圖1－2－12）。三、按應(yīng)用領(lǐng)域分類單元2工業(yè)機器人的分類三、按應(yīng)用領(lǐng)域分類單元2工業(yè)機器人的分類由于噴涂機器人是專用型工業(yè)機器人，所以它具有一些與自身實際應(yīng)用相關(guān)的特點：

1.柔性好，活動范圍大，能實現(xiàn)各種方向和表面范圍大的工件的噴涂作業(yè)。

2.機器人具有較快的運動速度和加速度。機器人的運動速度或加速度越大，則意味著機器人空行程所需的時間越短，在一定節(jié)拍內(nèi)的絕對施工時間越長，可提高機器人的使用率。

3.重復(fù)定位精度要求不高。由于噴涂作業(yè)對機器人執(zhí)行器的定位不需要很高的要求，所以噴涂機器人的重復(fù)定位精度達到1mm即可。

4.易操作和維護，可離線編程，大大縮短現(xiàn)場調(diào)試時間?？刹寮Y(jié)構(gòu)和模塊化設(shè)計可實現(xiàn)快速安裝和更換元器件，極大地縮短維修時間，便于維護保養(yǎng)。如圖1－2－12所示是噴涂機器人在汽車行業(yè)的應(yīng)用，現(xiàn)在各品牌汽車車身的噴漆工作均已實現(xiàn)機器人自動化。在噴涂機器人的應(yīng)用過程中，通常會用布將機器人包裹住，這樣清理機器人會比較容易。三、按應(yīng)用領(lǐng)域分類單元2工業(yè)機器人的分類（四）通用機器人通用型機器人是指用途廣泛，能應(yīng)用于多種行業(yè)和多個工種的工業(yè)機器人。通用機器人的特點是：

1.自由度高，末端執(zhí)行器運動范圍廣。

2.安裝方式任意，不局限于正裝、倒裝、側(cè)裝等。

3.集成度高，開放性好，用戶可根據(jù)需求安裝各種配套設(shè)施或配套機構(gòu)。最常見的通用型機器人有Scara機器人、通用六軸工業(yè)機器人等（圖1－2－13）。通用型機器人能廣泛應(yīng)用于汽車、電子、鑄造、食品、醫(yī)藥等行業(yè)，進行對應(yīng)的搬運、碼垛、插件、裝配、涂膠、打磨拋光等工作。三、按應(yīng)用領(lǐng)域分類單元2工業(yè)機器人的分類（五）協(xié)作機器人協(xié)作機器人是和人類在共同工作空間中有近距離互動的機器人。

協(xié)作機器人是整個工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)鏈中_個非常重要的細分類別，隨著全球制造業(yè)的轉(zhuǎn)型發(fā)展,柔性制造需求越來越多,協(xié)作機器人正在成為行業(yè)新星。與傳統(tǒng)工業(yè)機器人需要安裝安全防護措施與人隔離不同，協(xié)作機器人更靈活安全、易編程,可與工人共享工作空間，同時發(fā)揮人和機器的互補優(yōu)勢。三、按應(yīng)用領(lǐng)域分類單元2工業(yè)機器人的分類協(xié)作機器人的興起意味著傳統(tǒng)機器人必然有某種程度的不足，或者無法適應(yīng)新的市場需求。

1.傳統(tǒng)工業(yè)機器人的不足

(1)部署成本高。

(2)無法滿足中小企業(yè)需求。

(3)無法滿足新興的協(xié)作市場。

2.協(xié)作機器人的優(yōu)點

(1)安全:協(xié)作機器人一般在硬件設(shè)計和軟件控制系統(tǒng)中具有更多的安全設(shè)計,具有靈敏的力度反饋特性和特有的碰撞監(jiān)測功能,工作中一旦與人發(fā)生碰撞,便會立刻自動停止，無需安裝防護欄，在保障人身安全的前提下，實現(xiàn)人與機器人的協(xié)同作業(yè)。

(2)易用:用戶可直接通過手動拖拽來設(shè)置機器人的運行軌跡，同時示教器端可視化的圖形操作界面讓非專業(yè)用戶也能快速掌握;一線工人可能只需要幾個小時就會操作,免去傳統(tǒng)工業(yè)機器人復(fù)雜的編程和配置。

(3)模塊化:協(xié)作機器人一般采用模塊化一體式關(guān)節(jié)的設(shè)計,讓機器人的維修與保養(yǎng)更加快速與便捷。關(guān)節(jié)模塊一旦出現(xiàn)故障,用戶可在極短的時間內(nèi)進行更換。三、按應(yīng)用領(lǐng)域分類目錄單元1工業(yè)機器人概述單元2工業(yè)機器人的分類單元3工業(yè)機器人的性能參數(shù)單元3工業(yè)機器人的性能參數(shù)單元3工業(yè)機器人的性能參數(shù)自由度和工作空間是工業(yè)機器人的核心參數(shù)，也是機器人選型時的重要技術(shù)指標參數(shù)，兩者一起決定了工業(yè)機器人的靈活性和可達范圍。在機器人技術(shù)的應(yīng)用過程中，足夠的靈活性和廣闊的工作空間能增強工業(yè)機器人的通用性，可以實現(xiàn)一機多用。但過剩的靈活性和工作空間會造成資源浪費，還會影響工作效率。（一）自由度自由度是機器人的一項重要技術(shù)指標，它是由機器人的結(jié)構(gòu)決定的，并直接影響到機器人的機動性。

1.剛體自由度如圖1－3－1所示，物體上任何一點的運動都與坐標軸的正交集合有關(guān)。物體的自由度是指物體能夠相對坐標系進行獨立運動的數(shù)目。（1）沿著坐標軸ox，oy和oz的三個平移運動：T1、T2和T3。（2）繞著坐標軸ox，oy和oz的三個旋轉(zhuǎn)運動：R1、R2和R3。這意味著物體能夠運用三個平移和三個旋轉(zhuǎn)，相對于坐標系進行定向和運動。一個物體有六個自由度，當兩個物體間確立起某種關(guān)系時，其中的物體就相對另一物體失去一些自由度。這種關(guān)系也可以用兩物體間由于建立連接關(guān)系而不能進行的移動和轉(zhuǎn)動來表示。一、自由度和工作空間單元3工業(yè)機器人的性能參數(shù)一、自由度和工作空間單元3工業(yè)機器人的性能參數(shù)

2.機器人自由度機器人自由度是指機器人所具有的相對獨立坐標軸運動自由度的數(shù)目，不包括手爪（末端操作器）的開合自由度，如圖1－3－2所示。一、自由度和工作空間單元3工業(yè)機器人的性能參數(shù)人們期望機器人能夠準確地把端部執(zhí)行裝置或與其連接的工具移動到指定位置。例如，要把一個球放到某個給定位置，有3個自由度就足夠了；又如，要對某旋轉(zhuǎn)鉆頭進行定位與定向，就需要5個自由度；如果預(yù)先不知道機器人的用途，那么它應(yīng)當具有6個自由度。在三維空間中描述一個物體的位置和姿態(tài)（簡稱位姿）需要6個自由度。但是，工業(yè)機器人的自由度是根據(jù)其用途而設(shè)計的，可能小于6個自由度，也可能大于6個自由度。例如，ABB的IRB1410機器人具有6個自由度，可以進行復(fù)雜空間曲面的弧焊作業(yè)。從運動學(xué)的觀點看，在完成某一特定作業(yè)時具有多余自由度的機器人，就叫作冗余自由度機器人，亦可簡稱冗余度機器人。若讓ABB的IRB1410機器人去執(zhí)行印刷電路板上接插電子器件的作業(yè)，就成為冗余度機器人。利用冗余的自由度可以增加機器人的靈活性，躲避障礙物和改善動力性能。人的手臂（大臂、小臂、手腕）共有7個自由度，所以工作起來很靈巧，手部可回避障礙物從不同方向到達同一個目的點。一、自由度和工作空間單元3工業(yè)機器人的性能參數(shù)（二）工作空間工業(yè)機器人的工作空間是指機器人末端執(zhí)行器運動描述參考點所能達到的空間點的集合，一般用水平面和垂直面的投影表示。工業(yè)機器人的工作空間通常由自由度和關(guān)節(jié)長度決定。如圖1－3－3與圖1－3－4所示，各種工業(yè)機器人的工作空間形狀各不相同：常見的直角坐標機器人工作空間是一個立方體，柱坐標機器人的工作空間是一個空心開口圓柱體，球坐標機器人的工作空間是