3.1 工业机器人

自第一台工业机器人问世以来，机器人就显示出它强大的生命力。在短短几十年时间里，机器人技术得到了迅速的发展。在众多制造领域中，工业机器人应用最广泛的领域是汽车及汽车零部件制造业，并且正在不断地向其他领域拓展，如机械加工、电子电气制造、橡胶及塑料加工、食品工业、木材与家具制造业等。时至今日，工业机器人技术已较为成熟。

1．系统构成

工业机器人主要由机械结构系统、控制系统、驱动系统、感知系统、机器人环境交互系统、人机交互系统等构成。图3-1是工业机器人系统示意图，其中的机器人本体由机械结构、伺服和驱动系统组成，是机器人的执行机构。

图3-1 工业机器人系统示意图

机械结构系统由基座、机械臂、末端执行器三部分组成，每一部分都是拥有若干个自由度的机械系统，如图3-2所示。基座可以是移动式的，也可以是固定式的。机械臂一般由上臂、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，它可以是二手指或多手指的手抓，也可以是喷漆枪、焊具等作业工具。

图3-2 工业机器人的机械结构和运动自由度示意图

控制系统是工业机器人的大脑，是决定机器人功能和性能的主要因素。控制系统的任务是根据作业指令程序以及传感器反馈回来的信号支配机器人的执行机构去完成规定的运动和功能。假如工业机器人不具备信息反馈特征，则为开环控制系统；若具备信息反馈特征，则为闭环控制系统。根据控制运行的形式，控制系统可分为点位型控制和轨迹型控制。点位型控制可实现执行机构由一点到另一点的准确定位，适用于机床上下料、点焊和一般搬运、装卸等作业；轨迹型控制可使执行机构按给定轨迹运动，适用于连续焊接和涂装等作业。

驱动系统就是工业机器人各个关节上安装的传动装置，可以是液压驱动、气压驱动和电机驱动，或者三种传动方式的综合。驱动系统可以是直接驱动，也可以是通过同步带、链条、轮系、谐波齿轮等机械传动机构进行的间接驱动。

感知系统由内部传感器模块和外部传感器模块组成，用以获得内部和外部环境状态中有意义的信息。智能传感器的使用提高了机器人的机动性、适应性和智能化的水平。

机器人环境交互系统是机器人与外部设备互换联系和协调的系统。既可以是工业机器人与外部设备集成的一个功能单元，如加工单元、焊接单元、装配单元等，也可以是多台机器人、多台机床或设备、多个零件存储装置等集成的复杂功能单元。

人机交互系统是操作人员操控机器人的装置，如计算机、指令控制台、信息显示器、危险信号报警器等。该系统分为指令给定装置和信息显示装置两类。

2．驱动系统

工业机器人的驱动系统，按动力源分为液压驱动、气压驱动和电机驱动三类。根据需要也可由这三种基本类型组合成复合式的驱动系统。这三类基本驱动系统各有自己的特点。

液压驱动系统采用了比较成熟的液压技术，具有动力大、力(或力矩)与惯量比大、快速响应高、易于实现直接驱动等特点，适于在承载能力大、惯量大的机器人中应用。但液压系统需进行能量转换（电能转换成液压能），速度控制多数情况下采用节流调速，效率比电动驱动系统低。此外，液压系统的液体泄泥会对环境产生污染，工作噪声也较高。因此，近年来在负荷为100千克以下的机器人中，液压驱动系统往往被电机驱动系统取代。

气压驱动系统具有速度快、系统结构简单、维修方便、价格低等优点。但是由于气压装置的工作压强低，不易精确定位，一般仅用于工业机器人末端执行器的驱动，如气动手抓、旋转气缸和气动吸盘可用于中、小负荷的工件抓取和装配。图3-2中的末端执行器即为气动手抓。

电机驱动是现代工业机器人的主流驱动方式，分为直流伺服电机、交流伺服电机、步进电机和直线电机4类电机驱动。直流伺服电机和交流伺服电机采用闭环控制，一般用于高精度、高速度的机器人驱动。开环控制的步进电机用于精度和速度要求不高的场合。直线电机及其驱动系统在技术上已日趋成熟，适应于非常高速和非常低速、高加速度，高精度应用，具有无空回、磨损小、结构简单、无须减速器和齿轮联轴器等优点，已广泛应用于并联机器人中。

3．感知系统

感知系统把各种机器人内部状态信息和环境信息转变为机器人能够理解和应用的数据。除了需要感知与自身工作状态相关的机械量，如位移、速度、加速度、力和力矩外，机器视觉也是工业机器人感知的一个重要方面。机器视觉将视觉信息作为反馈信号，控制调整机器人的位置和姿态。机器视觉主要应用于半导体和电子产品制造行业，并在质量检测、工件识别、食品分拣、包装等领域得到逐步推广应用。图3-3展示的是采用机器视觉技术检验钢轨质量。

图3-3 采用机器视觉技术检验钢轨质量

通常，机器视觉的伺服控制主要分为基于位置的视觉伺服和基于图像的视觉伺服两类，亦被称为三维视觉伺服和二维视觉伺服。三维视觉伺服通过摄像机实时拍摄来建立图像信息与机器人末端执行器位置/姿态信息之间的映射关系，实现对机器人末端执行器位置的闭环控制。二维视觉伺服