1.2　工业机器人的组成及分类

1.2.1　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。这三大部分是机械部分、传感部分、控制部分。六个子系统是驱动系统、机械结构系统、感觉系统、机器人-环境交互系统、人机交互系统、控制系统，如图1-1所示。

其中传感部分包括感觉系统和机器人-环境交互系统，控制部分由人机交互系统和控制系统构成，机械部分则包括驱动系统和机械结构系统。六个子系统的作用分述如下。

（1）驱动系统

要使机器人运行起来需给各个关节即每个运动自由度安置传动装置，这就是驱动系统。驱动系统可以是液压、气压或电动的，也可以是把它们结合起来应用的综合系统。可以直接驱动，还可以通过同步带、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由机身、手臂、手腕、末端操作器四大件组成，如图1-2所示。每一个大件都有若干自由度，构成一个多自由度的机械系统。若基座具备行走机构便构成行走机器人；若基座不具备行走及腰转机构，则构成单机器人臂（single robot arm）。手臂一般由上臂、下臂和手腕组成。末端操作器是直接装在手腕上的一个重要部件，它可以是二手指或多手指的手爪，也可以是喷漆枪、焊具等作业工具。

（3）感受系统

感受系统由内部传感器和外部传感器组成，获取内部和外部环境状态中有意义的信息。现也可以应用智能传感器提高机器人的机动性、适应性和智能化的水平。人类的感受系统对感知外部世界信息是极其敏感的。但是，对于一些特殊的信息，机器人传感器比人类的感受系统更有效、更准确。

（4）机器人-环境交互系统

机器人-环境交互系统是实现机器人与外部环境中的设备相互联系和协调的系统。工业机器人与外部设备集成为一个功能单元，如加工制造单元、焊接单元、装配单元等。当然，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一个去执行复杂任务的功能单元。图1-3为气缸模块化装配生产线，其中的机器人用在气缸装配作业中，该机器人需要与周围的传送带控制器、冲压机控制器进行交互，才能完成工作。

（5）人机交互系统

人机交互系统是操作人员与机器人进行交互的装置，可分为两大类：指令给定装置，如示教盒、触摸屏等；信息显示装置，如显示器等。如图1-4所示的机器人示教盒就是一种人机交互系统。

（6）控制系统

控制系统的任务是根据机器人的作业指令程序以及从传感器反馈回来的信号支配机器人的执行机构完成规定的运动和功能。

图1-5为一台典型的工业机器人系统。它包括机械部分（机器人的手指、手腕、手臂、手臂的连接部分和机座等）、执行装置（驱动机座上的机体、手臂、手指、手腕等运动的电机和电磁铁等）、能源（驱动电机的电源和驱动液压系统、气压系统的液压源和气压源）、传感器（检测旋转编码器和检速发动机等旋转角度和旋转角速度，用于检测机器人的运动）、计算机（根据来自旋转编码器或检速发电机的信号，判断机器人的当前状态，并计算和判断要达到所希望的状态或者移动到某一目标应该如何动作）。

1.2.2　机器人的分类

机器人的分类方法很多，这里依据两个有代表性的分类方法列举机器人的分类。

（1）按照应用类型分类

机器人按照应用类型可分为工业机器人、极限作业机器人和娱乐机器人。

①工业机器人　工业机器人有搬运、焊接、装配、喷漆、检查等机器人，主要用于现代化的工厂和柔性加工系统中，如图1-6、图1-7所示。

②极限作业机器人　极限作业机器人主要是指在人们难以进入的核电站、海底、宇宙空间进行作业的机器人，也包括建筑、农业机器人等，如图1-8、图1-9所示。

③娱乐机器人　娱乐机器人包括弹奏乐器的机器人、舞蹈机器人、玩具机器人等（具有某种程度的通用性），也有根据环境而改变动作的机器人，如图1-10、图1-11所示。

（2）按照控制方式分类

机器人按控制方式可分为操作机器人、程序机器人、示教再现机器人、智能机器人和综合机器人。

①操作机器人　操作机器人的典型代表是在核电站处理放射性物质时远距离进行操作的机器人。在这种场合，相当于人手操作的部分称为主动机械手，而从动机械手基本上与主动机械手类似，只是从动机械手要比主动机械手大一些，作业时的力量也更大。

②程序机器人　程序机器人按预先给定的程序、条件、位置进行作业，目前大部分机器人都采用这种控制方式工作。

③示教再现机器人　示教再现机器人同盒式磁带的录放一样，将所教的操作过程自动记录在磁盘、磁带等存储器中，当需要再现操作时，可重复所教过的动作过程。示教方法有手把手示教、有线示教和无线示教，如图1-12所示。

④智能机器人　智能机器人不仅可以执行预先设定的动作，还可以按照工作环境的变化改变动作。

⑤综合机器人　综合机器人是由操作机器人、示教再现机器人、智能机器人组合而成的机器人，如火星机器人。1997年7月4日，“火星探险者（Mars Pathfinder）”在火星上着陆，着陆体是四面体形状，着陆后三个盖子的打开状态如图1-13所示。它在能上、下、左、右动作的摄像机平台上装有两台CCD摄像机，通过立体观测而得到空间信息。整个系统可以看作是由地面指令操纵的操作机器人。

图1-13所示的火星机器人既可按地面上的指令移动，也能自主地移动。地面上的操纵人员通过电视可以了解火星地形，但由于电波往返一次大约需40min，因此不能一边观测一边进行操纵。所以，要考虑火星机器人的动作程序，可用这个程序先在地面进行移动实验，如果没有问题，再把它传送到火星上，火星机器人就可再现同样的动作。该机器人不仅能移动，而且能在到达指定目标后用自身的传感器一边检测障碍物一边安全移动。