工业机器人：组成与分类详解

1.工业机器人的组成

图4-1所示是一个典型的关节型工业机器人。从图可知，工业机器人一般由执行机构、控制系统、驱动系统以及位置检测机构等几个部分组成。

图4-1　工业机器人的结构组成

（1）执行机构

执行机构是一组具有与人手脚功能相似的机械机构，俗称操作机，通常包括如下的组成部分。

1）手部：又称抓取机构或夹持器，用于直接抓取工件或工具。若在手部安装专用工具，如焊枪、电钻、电动螺钉拧紧器等，就构成了专用的特殊手部。工业机器人手部有机械夹持式、真空吸附式、磁性吸附式等不同的结构形式。

2）腕部：是连接手部和手臂的部件，用以调整手部的姿态和方位。

3）臂部：是支撑手腕和手部的部件，由动力关节和连杆组成，用以承受工件或工具负荷，改变工件或工具的空间位置，并将它们送至预定的位置。

4）机身：又称立柱，是支撑臂部的部件，用以扩大臂部活动和作业范围。

5）机座及行走机构：是支撑整个机器人的基础件，用以确定或改变机器人的位置。

（2）控制系统

控制系统是机器人的大脑，控制与支配机器人按给定的程序动作，并记忆人们示教的指令信息，如动作顺序、运动轨迹、运动速度等，可再现控制所存储的示教信息。

（3）驱动系统

驱动系统是机器人执行作业的动力源，按照控制系统发来的控制指令驱动执行机构完成规定的作业。常用的驱动系统有机械式、液压式、气动式以及电气驱动等不同的驱动形式。

（4）位置检测装置

通过附设的力、位移、触觉、视觉等不同的传感器，检测机器人的运动位置和工作状态，并随时反馈给控制系统，以便执行机构以一定的精度和速度达到设定的位置。

2.工业机器人的分类

机器人分类方法很多，这里仅按机器人的系统功能、驱动方式以及机器人的结构形式进行分类。

（1）按系统功能分类

1）专用机器人：在固定地点以固定程序工作的机器人，其结构简单、工作对象单一、无独立控制系统、造价低廉，如附设在加工中心机床上的自动换刀机械手。

2）通用机器人：具有独立控制系统，通过改变控制程序能完成多种作业的机器人。其结构复杂，工作范围大，定位精度高，通用性强，适用于不断变换生产品种的柔性制造系统。

3）示教再现式机器人：具有记忆功能，在操作者的示教操作后，能按示教的顺序、位置、条件与其他信息反复重现示教作业。(www.xing528.com)

4）智能机器人：采用计算机控制，具有视觉、听觉、触觉等多种感觉功能和识别功能的机器人，通过比较和识别，自主作出决策和规划，自动进行信息反馈，完成预定的动作。

（2）按驱动方式分类

1）气压传动机器人：以压缩空气作为动力源驱动执行机构运动的机器人，具有动作迅速、结构简单、成本低廉的特点，适用于高速轻载、高温和粉尘大的环境作业。

2）液压传动机器人：采用液压元器件驱动，具有负载能力强、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏的特点，适用于重载、低速驱动场合。

3）电气传动机器人：用交流或直流伺服电动机驱动的机器人，不需要中间转换机构，机械结构简单、响应速度快、控制精度高，是近年来常用的机器人传动结构。

（3）按结构形式分

1）直角坐标机器人：由三个相互正交的平移坐标轴组成，如图4-2（a）所示，各个坐标轴运动独立，具有控制简单、定位精度高的特点。

2）圆柱坐标机器人：由立柱和一个安装在立柱上的水平臂组成，其立柱安装在回转机座上，水平臂可以自由伸缩，并可沿立柱上下移动。该类机器人具有一个旋转轴和两个平移轴，如图4-2（b）所示。

3）球坐标机器人：由回转机座、俯仰铰链和伸缩臂组成，具有两个旋转轴和一个平移轴，如图4-2（d）所示。可伸缩摇臂的运动结构与坦克的转塔类似，可实现旋转和俯仰运动。

图4-2　工业机器人的基本结构形式

（a）直角坐标机器人；（b）圆柱坐标机器人；（c）关节机器人；（d）球坐标机器人

4）关节机器人：关节机器人的运动类似人的手臂、由大小两臂和立柱等机构组成。大小臂之间用铰链连接形成肘关节，大臂和立柱连接形成肩关节，可实现三个方向旋转运动，如图4-2（c）所示。它能抓取靠近机座的物件，也能绕过机体和目标间的障碍物去抓取物件，具有较高的运动速度和极好的灵活性，成为最通用的机器人。

工业机器人的性能特征影响着机器人的工作效率和可靠性，在机器人设计和选用时应考虑如下几个性能指标。

①自由度是衡量机器人技术水平的主要指标。所谓自由度是指运动件相对于固定坐标系所具有的独立运动。每个自由度需要一个伺服轴进行驱动，因而自由度数越高，机器人可以完成的动作越复杂，通用性越强，应用范围也越广，但相应地带来的技术难度也越大。一般情况下，通用工业机器人有3～6个自由度。

②工作空间是指机器人应用手爪进行工作的空间范围。机器人的工作空间取决于机器人的结构形式和每个关节的运动范围。如图4-3（a）、（b）、（c）分别为圆柱坐标机器人、球坐标机器人、关节机器人的工作空间，而直角坐标机器人的工作空间则是一个矩形空间。

③提取重力。机器人提取的重力反映其负载能力的一个参数，根据提取重力的不同，可将机器人大致分为：微型机器人，提取重力在10 N以下；小型机器人，提取重力为10～50 N；中型机器人，提取重力50～300 N；大型机器人，提取重力为300～500 N；重型机器人，提取重力为在500 N以上。目前，实际应用机器人一般为中小型机器人。

图4-3　机器人的工作空间

（a）圆柱坐标机器人工作空间；（b）球坐标机器人工作空间；（c）关节机器人工作空间

④运动速度。运动速度影响机器人的工作效率，它与机器人所提取的重力和位置精度均有密切的关系。运动速度高，机器人所承受的动载荷增大，必将承受着加减速时较大的惯性力，影响机器人的工作平稳性和位置精度。就目前的技术水平而言，通用机器人的最大直线运动速度大多在1 000 mm/s以下，最大回转速度一般不超过120°/s。

⑤位置精度。它是衡量机器人工作质量的又一项技术指标。位置精度的高低取决于位置控制方式以及机器人运动部件本身的精度和刚度，此外还与提取重力和运动速度等因素有密切的关系。典型的工业机器人定位精度一般在±0.02～±5 mm范围。