工業機器人系統的組成1)工業機器人的機械結構系統由底座、手臂和末端機械手三部分組成，每壹大塊都有壹個多自由度的機械系統。如果在底座上安裝行走機構，則構成行走機器人；如果基座沒有行走和彎曲機構，則形成單個機器人臂。手臂壹般由上臂、下臂和手腕組成。末端機械手是直接安裝在手腕上的重要部件。可以用兩個或兩個以上的手指握住，也可以是噴漆槍、焊接工具等工作工具。2)驅動系統，為了使機器人工作，需要在各個關節，也就是各個運動自由度上安裝傳動裝置，這就是驅動系統。驅動系統可以是液壓驅動、氣動驅動、電動驅動或它們組合的綜合系統，並可以由機械傳動機構如同步帶、鏈條、齒輪系和諧波齒輪直接驅動或間接驅動。3)感知系統由內部傳感器模塊和外部傳感器模塊組成，用於獲取內外環境狀態中有意義的信息。智能傳感器的使用提高了機器人的機動性、適應性和智能性。人類的感覺系統對外界信息的感知極其靈敏。然而，對於壹些特殊的信息，傳感器比人類的感覺系統更有效。4)機器人環境交換系統是現代工業機器人與外部環境中的設備進行交換和協調的系統。工業機器人與外部設備集成為壹個功能單元，如加工單元、焊接單元和裝配單元。當然，也可以將多個機器人、多個機床或設備以及多個零件存儲設備集成到壹個功能單元中，以執行復雜的任務。5)人機交換系統是操作者控制和聯系機器人的裝置，如計算機的標準終端、指揮控制臺、信息顯示板、危險信號報警器等。該系統可分為兩類:指令給出裝置和信息顯示裝置。6)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。控制系統的任務是根據機器人的操作指令程序和傳感器反饋的信號，控制機器人的執行機構完成規定的動作和功能。如果工業機器人不具備信息反饋特性，則為開環控制系統；如果它具有信息反饋特性，則它是壹個閉環控制系統。根據控制原理，控制系統可分為程序控制系統、自適應控制系統和人工智能控制系統。根據控制操作的形式，控制系統可分為點控制和軌跡控制。點式只控制執行機構從壹點到另壹點的精確定位，適用於機床裝卸、點焊、壹般搬運、裝卸等。連續軌跡型可以控制執行機構按照給定的軌跡運動，適用於連續的焊接和塗裝作業。控制系統的任務是根據機器人的操作指令程序和傳感器反饋的信號，控制機器人的執行機構完成規定的動作和功能。如果工業機器人不具備信息反饋特性，則為開環控制系統；如果它具有信息反饋特性，則它是壹個閉環控制系統。根據控制原理，控制系統可分為程序控制系統、自適應控制系統和人工智能控制系統。根據控制操作的形式，控制系統可分為點控制和軌跡控制。壹套完整的工業機器人包括機器人本體、系統軟件、控制櫃、外圍機械設備、CCD視覺、夾具/手爪、外圍設備PLC控制櫃、示教器/示教盒。
工業機器人設備下面重點介紹機器人的驅動系統和傳感系統。2.機器人的驅動系統工業機器人的驅動系統按動力源可分為三類:液壓、氣動和電動。根據需要，這三種基本類型還可以組合成復合傳動系統。這三種基本驅動系統各有其特點。液壓驅動系統:因為液壓技術是壹項成熟的技術。它具有功率大、力(或力矩)慣性比大、快速響應高、易於直接驅動等特點。適用於這些承載能力大、慣性大、在防焊環境下工作的機器人。但是液壓系統需要能量轉換(電能轉換成液壓能)。大多數情況下，速度控制采用節流調速，效率低於電傳動系統。液壓系統的液泥排放會汙染環境，工作噪音大。因為這些弱點，近年來，負載在100kg以下的機器人往往被電動系統所取代。青島華東工程機械有限公司研發的全液壓重型機器人如圖。其大跨度載荷可達2000kg，機器人移動半徑可達近6m，用於鑄鍛行業。
全液壓重型機器人
氣動驅動具有速度快、系統結構簡單、維護方便、價格低廉等優點。但由於氣動裝置的工作壓力較低，不易精確定位，壹般只用於驅動工業機器人的末端執行器。氣動手爪、旋轉氣缸和氣動吸盤可用作抓取和裝配中、小載荷工件的末端執行器。氣動吸盤和氣動機器人手爪如圖所示。
氣動吸盤和氣動機器人手爪電機驅動是現代工業機器人的主流驅動方式，可分為四大類:DC伺服電機、交流伺服電機、步進電機和直線電機。DC伺服電機和交流伺服電機采用閉環控制，壹般用於高精度、高速的機器人驅動。步進電機用於精度和速度要求不高的場合，采用開環控制；直線電機及其驅動控制系統在技術上已日趨成熟，具有傳統傳動裝置無法比擬的優越性能，如適應極高速和極低速應用、高加速度、高精度、無空回、磨損小、結構簡單、無需減速器和齒輪螺桿聯軸器等。鑒於並聯機器人大量的直線驅動需求，直線電機在並聯機器人領域得到了廣泛的應用。3.機器人感知系統將機器人的各種內部狀態信息和環境信息從信號轉化為機器人自身或機器人之間能夠理解和應用的數據和信息。視覺傳感技術除了感知與其工作狀態相關的機械量，如位移、速度、加速度、力和扭矩等，還是工業機器人傳感的壹個重要方面。視覺伺服系統以視覺信息作為反饋信號來控制和調整機器人的位置和姿態。這種應用主要體現在半導體和電子行業。機器視覺系統也廣泛應用於質量檢測、工件識別、食品分揀和包裝。通常機器人視覺伺服控制是基於位置的視覺伺服或基於圖像的視覺伺服，也分別稱為三維視覺伺服和二維視覺伺服。這兩種方法各有優點和適用性，但也存在壹些缺陷，於是有人提出了2.5維視覺伺服方法。基於位置的視覺伺服系統利用攝像機的參數建立圖像信息與機器人末端執行器位置/姿態信息之間的映射關系，實現機器人末端執行器位置的閉環控制。通過從實時拍攝圖像中提取的末端執行器的位置信息和定位目標的幾何模型來估計末端執行器的位置和姿態誤差，然後基於位置和姿態誤差獲得各關節新的位置和姿態參數。基於位置的視覺伺服要求在視覺場景中始終能觀察到末端執行器，並能計算出其三維位置和姿態信息。消除圖像中的幹擾和噪聲是保證精確計算位置和姿態誤差的關鍵。二維視覺伺服將攝像機拍攝的圖像的特征與給定的圖像(不是三維幾何信息)進行比較，得到誤差信號。然後，通過關節控制器、視覺控制器和機器人當前的工作狀態，完成機器人的伺服控制。與三維視覺伺服相比，二維視覺伺服對攝像機和機器人標定誤差具有更強的魯棒性，但在視覺伺服控制器的設計中，不可避免地會遇到圖像雅可比矩陣奇異和局部極小等問題。針對三維和二維視覺伺服方法的局限性，F.Chaumette等人提出了2.5維視覺伺服方法。它解耦了攝像機平移位移和旋轉的閉環控制，基於圖像特征點重建物體在三維空間中的方位和成像深度比，平移部分用特征點在圖像平面上的坐標表示。該方法成功地將基於圖像提取的圖像信號和姿態信號結合起來，並合成它們的誤差信號進行反饋，很大程度上解決了魯棒性、奇異性和局部極小值問題。但是這種方法還存在壹些問題需要解決，比如如何保證伺服過程中參考物體始終在攝像機的視場內，以及在分解單應矩陣時解不是唯壹的。在建立視覺控制器模型時，需要找到壹個合適的模型來描述機器人末端執行器和攝像機之間的映射關系。圖像雅可比矩陣法廣泛應用於機器人視覺伺服研究領域。圖像的雅可比矩陣是時變的，需要在線計算或估計。4.機器人***4，機器人的關鍵基礎部件，占車身成本的22%，占伺服系統的24%，占減速器的36%，占控制器的12%。機器人關鍵基礎部件是指構成機器人傳動系統、控制系統和人機交互系統的通用、模塊化的部件單元，對機器人的性能起關鍵作用。機器人的關鍵基礎部件主要分為以下三部分:高精度機器人減速器、高性能交流和DC伺服電機及驅動器、高性能機器人控制器等。1)減速器減速器是機器人的關鍵部件。目前主要使用兩種減速器:諧波齒輪減速器和RV減速器。
諧波傳動法是美國發明家C.WaltMusser在50年代中期發明的。諧波齒輪減速器主要由三個基本部件組成:波發生器、柔性齒輪和剛性齒輪。借助波浪發生器，柔性齒輪可以產生可控的彈性變形，與剛性齒輪嚙合傳遞運動和動力。單級傳動速比可達70 ~ 1000，並借助柔性齒輪變形，實現無側隙反向嚙合。與壹般減速器相比，輸出扭矩相同時，諧波齒輪減速器的體積可減小2/3，重量可減輕1/2。柔輪承受較大的交變載荷，其材料對疲勞強度、加工和熱處理要求高，制造工藝復雜。柔輪的性能是高質量諧波齒輪減速器的關鍵。
諧波齒輪減速器的傳動原理德國人LorenzBaraen在1926提出了擺線針輪行星齒輪傳動原理，TEIJINSEIKICo。80年代率先開發RV減速器。RV減速器由前級行星齒輪減速器和後級擺線針輪減速器組成。與諧波齒輪減速器相比，RV減速器具有更好的回轉精度和精度保持能力。
減速器陳仕賢發明了活齒傳動技術。第四代活齒傳動——全滾動活齒傳動已成功應用於許多工業產品中。復合振子y滾子傳動(CORT)在ORT的基礎上，不僅具有與RV傳動相似的優點，而且克服了RV傳動承載能力大、使用壽命短的缺點，進壹步提高了使用壽命和承載能力。CORT的結構使其在相同精度指標下，回程誤差更小，運動精度和剛度更高，緩解了RV傳動對制造精度要求高的缺陷，可以相對降低加工要求和制造成本。CORT由中國自主研發，擁有自主知識產權。鞍山耐磨合金研究所和浙江恒豐泰減速機制造有限公司都成功開發了機器人用CORT減速機。
ORT減速器CORT減速器目前，高精度機器人減速器75%的市場份額被兩家日本減速器公司壟斷，分別是提供RV擺線齒輪減速器的日本Nabtesco公司和提供高性能諧波減速器的日本諧波傳動公司。包括ABB、FANUC、庫卡和Motoman在內的國際主流機器人制造商的減速器均由上述兩家公司提供。與國內機器人公司選擇的通用型號不同，國際主流機器人廠商都與上述兩家公司簽訂了戰略合作關系，提供的產品大多是在通用型號的基礎上根據各廠商的特殊要求改進的專用型號。我國對高精度擺線針輪減速器的研究起步較晚，相關研究僅在部分高校進行。目前還沒有成熟的產品應用於工業機器人。近年來，國內壹些廠家和院校開始研究高精度擺線針輪減速器的國產化和產業化，如浙江恒豐泰、重慶大學機械傳動國家重點實驗室、天津減速器廠、秦川機床廠、大連鐵道學院等。在諧波減速器方面，國內已經有替代產品，如北京中技科美、北京諧波傳動研究所等，但相應產品在輸入速度、扭轉高度、傳動精度、效率等方面與日本產品仍有較大差距，在工業機器人上的成熟應用才剛剛起步。國內外工業機器人用主流高精度諧波減速器的性能對比如下表所示。
表1主流高精度諧波減速器性能對比註:上表對比數據來自同類機型:HD: CSF-17-100中技科美:XB1-40-100傳動效率測試條件:輸入轉速1000r/min。
表2主流高精度RV擺線針輪減速器性能對比註:上表對比數據來自同類機型:RV: 100 CCYCLO: F2CF-C35傳動效率測試條件:輸出轉速15r/min，額定扭矩2)伺服電機在伺服電機和驅動方面，歐洲機器人的驅動部分主要由倫茨、盧斯、博世力士樂等公司提供。這些歐洲系統，日本品牌工業機器人的關鍵部件主要由安川、松下、三菱等公司提供，價格相對低廉，但動態響應能力差，開放性差，大多只有模擬和脈沖控制方式。近年來，我國也開展了大功率交流永磁同步電機及其驅動部分的基礎研究和產業化，如哈工大、北京和利時、廣州數控等單位，並有了壹點生產能力，但其動態性能、開放性和可靠性還需要更多實際的機器人項目應用來驗證。
3)控制器在機器人控制器方面，目前國外主流機器人廠商的控制器都是在通用多軸運動控制器平臺的基礎上自主研發的。目前通用的多軸控制器平臺主要分為以嵌入式處理器(DSP、POWER PC)為核心的運動控制卡和以工控機和實時系統為核心的PLC系統，其代表有臺達Tau的PMAC卡和倍福的TwinCAT系統。在國內運動控制卡方面，高古公司已經開發了相應的成熟產品，但是在機器人方面的應用還比較少。5.機器人操作系統(robot operating system)通用機器人操作系統(ROS)是壹個為機器人設計的標準化構建平臺，它使每壹個機器人設計者能夠使用相同的操作系統來開發機器人軟件。ROS將推動機器人產業朝著軟硬件獨立的方向發展。硬件和軟件的獨立開發模式極大地推動了PC、筆記本電腦和智能手機技術的發展和快速進步。ROS的開發比電腦操作系統更難。計算機只需要處理壹些定義明確的數學運算任務，而機器人需要面對更復雜的實際運動運算。ROS提供標準的操作系統服務，包括硬件抽象、底層設備控制、通用功能實現、進程間消息和數據包管理。ROS分為兩層，下層是操作系統層，上層是機器人為實現不同功能由用戶組貢獻的各類軟件包。現有的機器人操作系統架構主要包括基於linux的Ubuntu開源操作系統。此外，斯坦福大學、麻省理工學院、慕尼黑大學等機構也開發了各種ROS系統。微軟機器人開發團隊也在2007年推出了“Windows機器人版”。6.機器人的運動規劃為了提高工作效率，使機器人能夠在最短的時間內完成特定的任務，需要有合理的運動規劃。離線運動規劃分為路徑規劃和軌跡規劃。路徑規劃的目標是使路徑與障礙物的距離盡可能遠，路徑長度盡可能短；軌跡規劃的主要目的是使機器人在關節空間運動時，運行時間盡可能短或能量盡可能小。軌跡規劃是在路徑規劃的基礎上增加時間序列信息來規劃機器人執行任務時的速度和加速度，以滿足平穩性和速度可控性的要求。示教再現是實現路徑規劃的方法之壹。通過操作空間進行教學，教學結果被記錄下來，在工作過程中被再現。現場示教直接對應機器人需要完成的動作，路徑直觀清晰。缺點是需要有經驗的操作人員，耗費大量時間，路徑也不壹定優化。為了解決上述問題，可以建立機器人的虛擬模型，通過虛擬可視化操作完成作業任務的路徑規劃。路徑規劃可以在關節空間中進行。Gasparetto以五次B樣條作為關節軌跡的插值函數，以加加速度的平方相對於運動時間的積分作為目標函數進行優化，從而保證各個關節的運動平滑。劉采用五次B樣條插值機器人關節軌跡，機器人各關節的速度和加速度端點值可根據光滑度要求任意配置。另外，關節空間的軌跡規劃可以避免操作空間的奇異性。霍等設計了關節軌跡優化算法，避免了關節空間的奇異性。利用六自由度弧焊機器人任務過程中關節函數的冗余性，以機器人奇異性和關節限制為約束，采用TWA法進行優化計算。與操作空間中的路徑規劃相比，關節空間路徑規劃具有以下優點:①避免了機器人在操作空間中的奇異性問題；②由於機器人的運動由關節電機的運動控制，避免了關節空間中大量的正運動學和逆運動學計算；③關節空間中各關節的軌跡便於控制的優化。
動詞 （verb的縮寫）工業機器人的分類
根據不同的方法，工業機器人可分為以下幾種類型:
工業機器人的分類是1。從機械結構上可以分為串聯機器人和並聯機器人。1)串聯機器人的特點是壹個軸的運動改變了另壹個軸的坐標原點。在位置求解中，串聯機器人的正向求解容易，而逆向求解非常困難。2)並聯機器人采用並聯機構，壹個軸的運動不會改變另壹個軸的坐標原點。該並聯機器人具有剛度高、結構穩定、承載能力大、微動精度高、運動載荷小的優點。它的正解很難，但它的逆解很容易。圖中顯示了串聯機器人和並聯機器人。
串聯機器人和並聯機器人2。工業機器人根據機械手的坐標形式分為以下幾類:(坐標形式是指機械手手臂運動時所采取的參考坐標系的形式。)1)笛卡爾工業機器人的運動部分由三個相互垂直的直線運動組成(即PPP)，其工作空間圖形為矩形。其各軸向的移動距離可在各坐標軸上直接讀出，直觀，易於編程計算位置和姿態，定位精度高，控制解耦，結構簡單。但機體占用空間大，動作範圍小，靈活性差，難以與其他工業機器人協調。2)柱坐標工業機器人的運動形式是由壹個轉動和兩個運動組成的運動系統實現的，其工作空間是壹個圓柱體。與直角坐標工業機器人相比，在相同的工作空間條件下，其機身占用體積小，運動範圍大，位置精度僅次於直角坐標機器人，難以與其他工業機器人協調。3)球坐標工業機器人球坐標工業機器人又叫極坐標工業機器人。它的手臂運動包括兩次旋轉和壹次線性運動(即RRP、壹次旋轉、壹次俯仰和壹次伸縮運動)。它的工作空間是壹個球體，可以上下俯仰，抓取地面上協調的工件，或者示教低位。其位置精度高，位置誤差與臂長成正比。4)多關節工業機器人又稱旋轉坐標工業機器人。這個工業機器人的手臂類似於人類的上肢，它的前三個關節是旋轉副(RRR)。這種工業機器人壹般由立柱和大臂組成。立柱和大臂形成肩關節，大臂和小臂形成肘關節，可以使大臂做旋轉運動和俯仰擺動，小臂做俯仰擺動。它的結構最緊湊，最靈活，占地面積最小。它可以與其他工業機器人協同工作，但其位置精度低，存在平衡問題和控制耦合。這種工業機器人的應用越來越廣泛。5)平面關節工業機器人采用壹個移動關節和兩個轉動關節(PRR)，移動關節實現上下運動，兩個轉動關節控制前後、左右運動。這種形式的工業機器人也被稱為裝配機器人。在水平方向上，它具有柔性，而在垂直方向上，它具有很大的剛性。結構簡單，動作靈活，多用於裝配作業，特別適用於小尺寸零件的插接裝配，如電子行業的插接裝配。3.工業機器人按程序輸入方式可分為兩種:編程輸入型和示教輸入型:1)編程輸入型是通過RS232串口或以太網將計算機上編制好的操作程序文件傳輸到機器人控制櫃。2)示教輸入型的示教方式有示教盒示教和操作者直接引導執行機構示教兩種。示教盒由操作者使用手動控制器(示教盒)示教，將指令信號傳遞給驅動系統，使執行器按照要求的動作順序和軌跡執行壹次。使用示教盒進行教學的工業機器人被廣泛使用。工業機器人壹般都配有示教盒的示教功能。但是在工作軌跡復雜的情況下，用示教盒進行示教並不能達到理想的效果，比如用於噴塗復雜曲面的噴塗機器人。
機器人示教盒由操作者直接驅動執行機構進行示教，按照要求的動作順序和軌跡進行。在示教的同時，工作程序的信息自動存儲在程序存儲器中。當機器人自動工作時，控制系統從程序存儲器中檢測相應的信息，並將指令信號傳遞給驅動機構，使執行機構再現示教的各種動作。
六、工業機器人性能評價指標表示機器人特性的基本參數和性能指標主要包括工作空間、自由度、有效載荷、運動精度、運動特性和動態特性。