2.1.3 工业机器人的组成与分类

1.工业机器人的组成

工业机器人由三大部分、六个子系统组成。三大部分是机械本体、传感器部分和控制部分。六个子系统是驱动系统、机械结构系统、感知系统、机器人-环境交互系统、人机交互系统及控制系统。图2-2所示为工业机器人系统组成及相互关系。

（1）驱动系统。

要使机器人运行起来，需要给各个关节，即每个运动自由度安装传动装置，这就是驱动系统。驱动系统可以是液动、气动或电动的，也可以是把它们结合起来应用的综合系统，还可以是直接驱动或者通过同步带、链条、轮系、谐波齿轮等机械传动机构进行间接驱动。

（2）机械结构系统。

工业机器人的机械结构系统如图 2-3 所示，主要由机身、手臂、末端执行器三大件组成。每一大件都由若干自由度构成一个多自由度的机械系统。若机身具备行走机构便构成行走机器人；若机身不具备行走及腰转机构，则构成单机器人臂。手臂一般由上臂、下臂和手腕组成。末端执行器是直接装在手腕上的重要部件，它可以是两个手指或多个手指的手爪。

（3）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。内部状态传感器用于检测各个关节的位置、速度等变量，为闭环伺服控制系统提供反馈信息。外部传感器用于检测机器人与周围环境之间的一些状态变量，如距离、接近程度和接触情况等，用于引导机器人识别物体，并做出相应处理。外部传感器一方面使机器人更准确地获取周围环境情况，另一方面也能起到矫正误差的作用。

（4）控制系统。

控制系统的任务是根据机器人的作业指令从传感器获取反馈信号，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控制系统；如果机器人具备信息反馈特征，则该控制系统称为闭环控制系统。该部分主要由计算机硬件和软件组成，软件主要由人机交互系统和控制算法等组成。

2.工业机器人的分类

工业机器人按三大部分（机械本体部分、感知器部分和控制部分）分类，如图2-4所示。

工业机器人还可以根据用途分为以下几种。

（1）搬运机器人。

搬运机器人用途很广泛，一般只需要点位控制，即被搬运工件无严格的运动轨迹要求，只要求起始点和终点的位姿准确。

1960年，最早的搬运机器人出现在美国，Versatran和Unimate两种机器人首次用于搬运作业。搬运作业是指用一种设备握持工件，从一个加工位置移到另一个加工位置。搬运机器人可安装不同的末端执行器以完成各种不同形状和状态的工件搬运工作，减轻了人类繁重的体力劳动。目前世界上使用的搬运机器人超过10万台，被广泛应用于机床上下料、冲压机自动化生产线、自动装配流水线、码垛搬运、集装箱等自动搬运。部分发达国家已制定相应标准，规定了人工搬运的最大限度，超过限度的必须由搬运机器人来完成。

（2）检测机器人。

零件制造过程中的检测及成品检测都是保证产品质量的关键。这类机器人的工作内容主要是确认零件尺寸是否在允许的公差内，或者控制零件按质量进行分类。

例如，油管接头螺纹加工完毕后，将环规旋进管端，通过测量旋进量或检测与密封垫的接触程度即可了解接头螺纹的加工精度。油管接头工件较重，环规的质量一般也都超过15kg，为了能完成螺纹检测任务的连续自动化动作（环规自动脱离、旋进自动测量等），需要油管接头螺纹检测机器人。该机器人是六轴多关节机器人，它的特点在于其手部机构是一个五自由度的柔顺螺纹旋进机构。此外，还有一个卡死检测机构，能对螺纹旋进动作加以控制。

油管接头螺纹检测机器人的作业对象是钢管，管径不同或管弯曲等原因会造成钢管定位的偏心，因此，需要在机器人手部安装摄像头以识别钢管的位置，再根据图像匹配等技术识别钢管的中心线。

（3）焊接机器人。

这是目前应用最广泛的一种机器人，它分为电焊和弧焊两类。电焊机器人负荷大、动作快，工作的位姿要求严格，一般有6个自由度。弧焊机器人负载小、速度低，对机器人的运动轨迹要求严格，必须实现连续路径控制，即在运动轨迹的每个点都必须实现预定的位置和姿态要求。

弧焊机器人的6个自由度中，一般3个自由度用于控制焊具跟随焊缝的空间轨迹，另外3个自由度保持焊具与工件表面正确的姿态关系，这样才能保证获得良好的焊缝质量。目前，汽车制造厂已广泛使用焊接机器人进行承重大梁和车身的焊接。

MOTOMAN-EA1900N六自由度垂直多关节型焊接机器人如图2-5所示，其主要参数见表2-2。

（4）装配机器人。

装配机器人要求具有较高的位姿精度，手腕应具有较大的柔性。因为装配是一个复杂的作业过程，不仅要检测装配作业过程中的误差，而且还要纠正这种误差，因此，装配机器人采用了许多传感器，如接触传感器、视觉传感器、接近传感器、听觉传感器等。

（5）喷漆机器人。

喷漆机器人主要由机器人本体、计算机和相应的控制系统组成。液压驱动的喷漆机器人还包括液压油源，如油泵、油箱和电机等。多采用5或6个自由度关节式结构，手臂有较大的运动空间，并可做复杂的轨迹运动。其腕部一般有2～3个自由度，可灵活运动。较先进的喷漆机器人腕部采用柔性手腕，既可向各个方向弯曲，又可转动，其动作类似于人的手腕，能方便地通过较小的孔伸入工件内部，喷涂其内表面。喷漆机器人一般采用液压驱动，具有动作速度快、防爆性能好等特点，可通过手把手示教或点位示数来实现示教。喷漆机器人广泛用于汽车、仪表、电器、搪瓷等工艺生产部门。

这种工业机器人多用于喷涂生产线上，重复定位精度不高。另外，由于漆雾易燃，驱动装置必须防燃、防爆。

图2-6所示为IRB5400-12喷涂机器人，拥有喷涂精确、正常运行时间长、漆料耗用少、工作节拍短及有效集成涂装设备等诸多优势，还包括负荷能力强、运行可靠性高等优势。IRB5400-12喷涂机器人技术数据见表2-3。ABB独创的集成化工艺系统（IPS）具备供漆和供气闭环调节与高速控制功能，可最大限度地减少过喷现象，并确保漆膜的均匀一致。