工业机器人分类及其发展

机器人的分类方法很多，从不同的角度理解机器人，就有不同的分类方法。一般是按特征、性能等来分类。

1.按机器人的发展程度分类

机器人在发展过程中，随着机械结构、控制系统和信息技术的发展经历了从低级到高级的发展过程。工业机器人作为机器人的一种形式，可按照从低级到高级的发展程度进行分类。

1）示教再现型机器人

示教再现工业机器人也是第一代机器人，已进入商品化、实用化。所谓示教，即由人指导机器人运动的轨迹、停留点位、停留时间等。然后，机器人依照教给它的行为、动作顺序和速度重复运动，即所谓的再现。示教可由操作员手把手地进行。例如，操作人员抓住机器人上的喷枪把喷涂时要走的位置走一遍，机器人记住了这一连串运动，然后在机器人工作时便自动重复这些运动，从而完成给定的喷涂工作。这种方式是手把手示教。但是，现在使用比较普遍的示教方式是通过控制面板完成的，即操作人员利用控制面板上的开关或键盘控制机器人一步一步地运动，机器人自动记录下每一步，然后重复。

2）感知型机器人

感知型机器人是第二代机器人，指装配有一定的传感装置，能获取作业环境、操作对象的简单信息，通过计算机处理、分析，能作出简单的推理，对动作进行反馈的机器人，通常称为低级智能机器人。

这样的技术正越来越多地被应用，例如焊缝跟踪技术。在机器人焊接的过程中，一般通过编程或示教方式先给出机器人的运动曲线，然后机器人携带焊枪按照这个曲线进行焊接。这就要求工件的一致性要好，也就是说工件被焊接的位置必须十分准确，否则，机器人行走的曲线和工件上的实际焊缝位置将产生偏差。在实际生产过程中，由于受热或其他原因，被焊工件易发生变形，因此，跟踪所要焊的焊缝是十分重要的。焊缝跟踪技术通过机器人上传感器感知焊缝位置，再通过反馈控制，机器人自动跟踪焊缝，从而对示教或编程的位置进行修正。即使实际焊缝相对于原始设定的位置有变化，机器人仍然可以很好地完成焊接工作。

3）智能机器人

智能机器人是第三代机器人，具有高度适应性。它具有多种感知功能，可进行复杂的逻辑思维、判断决策，在作业环境中独立行动。

智能机器人至少要具备以下3个要素：一是感觉要素，用来认识周围的环境状态；二是运动要素，对外界做出反应性动作；三是思考要素，根据感觉要素所得到的信息，思考采用什么样的动作。

感觉要素包括能感知视觉和距离等信息的非接触型传感器，以及能感知力、压觉、触觉等的接触型传感器。这些要素实质上相当于人的眼、鼻、耳等器官，可以利用诸如摄像机、图像传感器、超声波传感器、激光器、导电橡胶、压电元件、气动元件、行程开关和光电传感器等机电元器件来实现其功能。

对于运动要素，智能机器人需要有一个无轨道型的移动机构，以适应诸如平地、台阶、墙壁、楼梯和坡道等不同的地理环境。可以借助轮子、履带、支脚、吸盘、气垫等移动机构来完成其功能。在运动过程中要对移动机构进行实时控制，这种控制不仅要有位置控制，而且还要有力的控制、位置与力的混合控制、伸缩率控制等。

智能机器人的思考要素是3个要素中的关键要素，也是人们要赋予智能机器人必备的要素。思考要素包括判断、逻辑分析、理解和决策等方面的智力活动。这些智力活动实质上是一个信息处理过程，而计算机则是完成这个处理过程的主要手段。

智能机器人具有高度的适应性和自治能力，这也是人们努力使机器人不断完善的目标。经过科学家多年来不懈的研究，已经出现了很多各具特点的智能机器人。但是，在已应用的智能机器人中，机器人的自适应技术仍十分有限，该技术是机器人今后发展的方向。

4）仿生机器人

仿生机器人是第四代机器人，它具有高级生命形态和特征，可以在未知的非结构化环境下自主高效完成复杂任务，甚至能够识别情感、具备人的情感。具有人类的感知和情感是机器人发展的较高层次，也是科幻作品和科学家的一种设想。

2.按负载能力和工作空间分类

工业机器人的负载能力和工作空间（也称作业范围、作业空间、工作范围）是其重要的指标之一。机器人按照负载能力和工作空间可分为5类。

1）超大型机器人

超大型机器人（见图1-1）的负载能力为500 kg以上，最大工作范围可达3.2 m以上，大多为搬运机器人及码垛机器人。

2）大型机器人

大型机器人（见图1-2）的负载能力为100～500 kg，最大工作范围为2.6 m左右，主要包括点焊机器人及搬运、码垛机器人。

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图1-1　KUKA KR 1000 titan重载机器人（负载1000 kg）

图1-2　FANUC R-2000iB／170CF机器人（负载170 kg）

3）中型机器人

中型机器人（见图1-3）的负载能力为10～100 kg，最大工作范围为2 m左右，主要包括点焊机器人、浇铸机器人和搬运机器人。

4）小型机器人

小型机器人（见图1-4）的负载能力为1～10 kg，最大工作范围为1.6 m左右，主要包括弧焊机器人、点胶机器人和装配机器人。

图1-3　FANUC M-710iC／50H机器人（负载50 kg）

图1-4　FANUC LR Mate 200iD机器人（负载7 kg）

5）超小型机器人

超小型机器人的负载能力为1 kg以下，最大工作范围为1 m左右，包括洁净环境机器人、装配机器人和精密操作机器人。

3.按机器人关节连接布置形式分类

按机器人关节的连接布置形式，机器人可分成串联机器人和并联机器人。

串联机器人的臂部是通过连杆和关节的串联实现的，属于开链式结构。

并联机器人分成定平台和动平台，定平台是基座，动平台上安装机器人手部和工具；定平台和动平台之间至少由两根活动连杆连接，而这些连杆之间属于并联关系。并联机器人属于闭链式结构。

4.按机器人的用途分类

1）产业用机器人

按照服务产业的不同，产业用机器人又可分为工业机器人、农业机器人、林业机器人、医疗机器人等。本书主要涉及工业机器人的理论和应用，但其他产业用机器人也可以运用工业机器人的相关技术。

2）特种用途机器人

特种用途机器人是指替代人类从事高危环境和在特殊工况下工作的机器人，主要包括军事应用机器人、水下机器人、消防机器人等。

3）服务型机器人

服务型机器人是用于生活场景的机器人，包括娱乐机器人、教育机器人、安保机器人、扫地机器人等。