1.2 工业机器人结构与类型

1.2.1 工业机器人的组成

工业机器人系统由机械系统（主体）、驱动系统、控制系统和感知系统4大部分组成，它们之间的关系如图1-2所示。

图1-2 工业机器人系统的组成及各部分之间的关系

工业机器人主体即机座和执行机构，包括臂部、腕部和手部，有的机器人还有行走机构。大多数工业机器人有3～6个自由度，其中腕部通常有1～3个自由度；驱动系统包括动力装置和传动机构，用以使执行机构产生相应的动作；控制系统是按照输入的程序对驱动系统和执行机构发出指令信号，并进行控制。

通常将机身、臂部、腕部和末端操作器（如手爪）称为机器人的操作臂，机器人的关节决定两相邻连杆副的连接关系。机器人最常用的两种关节是移动关节和旋转关节，通常用P表示移动关节，用R表示旋转关节。

机器人的运动由臂部和腕部的运动组合而成。通常臂部有3个关节，用于改变腕部参考点的位置，称为定位机构；腕部也有3个关节，通常这3个关节的轴线相互垂直相交，用来改变末端操作器的姿态，称为定向机构。整个操作臂可以看成是在定位机构上连接定向机构构成的。

工业机器人操作臂的关节常为单自由度的主动运动副，即每一个关节均由一个驱动器驱动。典型的关节自由度种类及其图形符号见表1-1。

表1-1 典型的关节自由度种类及图形符号

1.机械系统

工业机器人的机械系统包括机身、臂部、腕部、末端操作器（也称手部），每一部分都有若干自由度，构成一个多自由度的机械系统。此外，有的机器人还具备行走机构。若机器人具备行走机构，则构成行走机器人；若机器人不具备行走及旋转机构，则构成单机器人臂。末端操作器是一个直接装在腕部的重要部件，它可以是两手指或多手指的手爪，也可以是喷漆枪、焊枪等作业工具。有时也把工业机器人机械系统称为机器人的本体或主体。

2.驱动系统

驱动系统主要是指驱动机械系统动作的驱动装置。根据驱动源的不同，驱动系统可分为电气、液压、气压3种以及把它们结合起来构成的综合系统。

电气驱动系统在工业机器人中应用最为普遍，可分为步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机3种驱动形式。早期多采用步进电动机驱动，后来发展了直流伺服电动机。现在，交流伺服电动机驱动也开始广泛应用。上述驱动单元有的用于直接驱动机构运动；有的通过谐波减速器减速后驱动机构运动，这种系统简单紧凑。

液压驱动系统运行平稳，且负载能力大。对于进行重载搬运和零件加工的机器人，采用液压驱动比较合理。但液压驱动的管道复杂，难清洁，因此限制了它在装配作业中的应用。无论是电气驱动机器人还是液压驱动机器人，其手爪的开合都是采用气动形式。

气压驱动机器人结构简单，动作迅速，价格低廉，但由于空气具有压缩性，其工作速度稳定性差。但是，空气的可压缩性，可以使手爪在夹持物体时的适应性提高，防止因受力过大造成被抓物体或手爪本身的破坏。气压系统的压力一般为0.7MPa，因而抓取力小，只有几十牛到几百牛大小。

3.控制系统

机器人控制系统是机器人的大脑，是决定机器人功能和性能的主要因素。控制系统的主要任务就是控制工业机器人在工作空间中的运动位置、姿态和轨迹、操作顺序及动作的时间等。

控制系统的任务是根据机器人的作业指令程序及从传感器反馈回来的信号，控制机器人的执行机构，使其完成规定的运动和功能。如果机器人不具备信息反馈特征，则该控制系统称为开环系统；如果机器人具有信息反馈特征，则该机器人系统称为闭环系统。控制系统主要由计算机硬件和软件两部分组成。软件主要由人和机器人关联的人机交互系统和控制算法等组成，该部分的作用相当于人的大脑。

4.感知系统

感知系统由内部传感器和外部传感器组成。其作用是获取机器人内部和外部环境信息，并把这些信息反馈给控制系统。内部传感器用于检测各关节的位置、速度等变量，为闭环控制系统提供信息。外部传感器用于检测机器人与周围环境的一些状态的变量，如距离、接近程度和接触情况等，用于引导机器人，便于其识别物体并做出相应的处理。外部传感器可使机器人以灵活的方式对它所处的环境做出反应，赋予机器人一定的智能。