1.1.1 工业机器人的定义及特点

定义：用来进行搬运机械部件或工件的、可编程序的多功能操作器，或通过改变程序可以完成各种工作的特殊机械装置。

工业机器人有以下几个特点：
1.可编程
生产自动化的进一步发展是柔性自动化。工业机器人可随其工作环境变化的需要而再编程。因此，它在小批量、多品种、均衡、高效的柔性制造过程中能发挥很好的作用，是柔性制造系统中的一个重要组成部分。
2.拟人化
工业机器人在机械结构上有类似人的大臂、小臂、手腕、手爪等部分。通过类似于人类大脑的电脑来控制其运动。此外，智能化工业机器人还有许多“生物传感器”如皮肤型接触传感器、力传感器、负载传感器、视觉传感器、声觉传感器等，这些传
感器提高了工业机器人对周围环境的自适应能力
3.通用性
除了专门设计的专用工业机器人外，一般工业机器人在执行不同的作业任务时具有较好的通用性，只需更换其末端执行（手爪、工具等）便可。
4.涉及学科广泛
工业机器人技术实质上是机械学和微电子学的结合——机电一体化技术

1.1.2 工业机器人的历史与发展趋势

1.工业机器人的历史

1）萌芽阶段（20世纪40-50年代）
1954年，美国发明家德沃尔对工业机器人的概念进行了定义，并申请了专利。
1959年，德沃尔与美国发明家约瑟夫·英格伯格联手制造出世界第一台工业机器人Unimate（见图1-1），使工业机器人的历史真正拉开了帷幕。
2）初级阶段（20世纪60—70年代）
1961年，德沃尔的Unimation公司为通用汽车生产线安装了第一台用于生产的工业机器人，它主要用于生产门窗把手、换挡旋钮、灯具和其他汽车内饰用五金件。
1978年，日本山梨大学牧野洋发明SCARA机器人（见图1-2），该机器人具有四个轴和四个运动自由度，特别适合于装配工作，如今被广泛应用于汽车工业、电子产品工业、药品工业和食品工业等领域。

3）迅速发展阶段（20世纪80-90年代）
1981年，通用汽车公司第一次将CONSIGHT机器视觉系统成功地应用在了恶劣的制造环境中，利用三台工业机器人以每小时1400个的速度分栋出六种不同的铸件。
1992年，瑞士ABB公司推出开放式控制系统——S4。S4在改善对用户至关重要的两个领域——人机界面和机器人的技术性能。
1994年，Motoman公司（即现在的安川电机）推出的机器人控制系统MRC，使同步控制两台机器人成为可能。MRC可以从普通PC编辑工业机器人作业，且具有控制多达21个轴的能力。
4）智能化阶段（21世纪初至今）
2011年，日本发那科公司的R-10001A机器人利用LVC（学习减振装置）对机器人运动轨迹加以优化，减小了振动，将动作周期缩短约20%，从而实现更高速的动作。
2018年，发那科公司与首选网络公司合作，首次将人工智能应用于其同服调谐、工业机器人拾取和热位移补偿等功能上。

2.工业机器人的发展趋势

1）高性能
2）机械结构向模块化、可重构化发展
3）本体结构更新加快
4）控制技术的开放化、PC化和网络化
5）多传感器融合技术的实用化
6）多智能体协调控制技术

1.1.3 工业机器人的分类

1.按机械结构分类

工业机器人按机械结构的不同，可分为串联机器人和并联机器人。
串联机器的特点是一个轴的运动会改变另一个轴的坐标原点，其外形如图1-4所示。
并联机器人所采用的并联机构，其一个轴运动不会改变另一个轴的坐标原点，其外形如1-5所示。

1）串联机器人
串联机器人的自由度比并联机器人多，通过计算机控制系统的控制，可实现复杂的空间作业运动。串联机器人结构简单、于控制、成本低、运动空间大，是当前采用最多的工业机器人。
2）并联机器人
并联机器人具有刚度大、结构稳定、运动负荷小等特点。在位置求解上，串联结构正解容易，但反解十分困难；而并联结构正解困难，反解却十分容易。并联机器人非常适合高速度、高精度或高负荷的场合。

2.按操作机坐标形式分类

工业机器人按操作机坐标形式的不同，可分为直角坐标机器人、圆柱坐标机器人、球坐标机器人和多关节机器人等。
1）直角坐标机器人
直角坐标机器人是指在工业应用中，能够实现自动控制的、可重复编程的、空间上具有相互垂直关系的三个独立自由度的多用途机器人，其外形及运动空间如图1-6所示。

直角坐标机器人控制简单，空间轨迹易于求解，但是其灵活性较差，自身占据空间较大。
2）圆柱坐标机器人
圆柱坐标机器人是指能够形成圆柱坐标系的机器人，它主要由一个旋转机座形成的转动关节和水平、垂直移动的两个移动关节构成，其外形及运动空间如图1-7所示。

圆柱坐标机器人具有占地面积小、工作范围大,末端执行器速度高、控制简单、运动灵活等优点。其缺点是工作时，必须有沿r轴线前后方向的移动空间，空间利用率低。
3）球坐标机器人
球坐标机器人一般由两个回转关节和一个移动关节构成，其轴线按极坐标配置。如图1-8所示，R为移动坐标，B为手臂在铅垂面内的摆动角，为绕手臂支承底座垂直轴的转动角。

球坐标机器人的运动空间为半球面。
球坐标机器人占用空间小、操作灵活、工作范围大，但是其运动学模型较复杂，难以控制。
4）多关节机器人
多关节机器人又称关节手臂机器人或关节机械手臂，是当今工业领域中最常见的工业机器人，适合诸多工业领域的机械自动化作业。
多关节机器人的摆动方向主要有铅垂方向和水平方向两种，因此这类机器人又分为垂直多关节机器人（见图1-9）和水平多关节机器人（见图1-10）

多关节机器人结构紧凑、工作范围大，其动作最接近人的动作，对喷漆装配、焊接等作业具有良好的适应性应用范围十分广泛。

3.按控制方式分类

工业机器人按控制方式的不同，可分为伺服控制机器人和非伺服控制机器人两种。
1）伺服控制机器人
伺服控制机器人的控制方式可分为连续控制和点位（点到点）控制两种。无论是哪一种控制，都要对位置和速度的信息进行连续监测，并反馈到与机器人各关节有关的控制系统中，因此各轴都是闭环控制。闭环控制的应用，使机器人的构件能按照指令，移动到各轴行程范围内的任何位置。
伺服控制机器人具有以下几个特点：
（1）记忆存储容量较大。
（2）价格贵，可靠性稍差。
（3）机械手端部可按三个不同类型的运动方式移动，即点到点移动、直线移动和连续轨迹移动。
（4）在机械允许的极限范围内，位置精度可通过调节伺服回路中相应放大器的增益加以变动。
（5）一般以示数模式进行编程（6）机器人几个轴之间的“协同运动”一般可在小型或微型计算机控制下自动进行。
2）非伺服控制机器人
从控制的角度来看，非伺服控制是最简单的控制形式。这类机器人又称为端点机器人或开关式机器人。非伺服控制机器人的每个轴只有两个位置，即起始位置与终止位置。轴开始运动后会一直保持运动，只有当碰到适当的定位挡块才停止运动，运动过程中没有监测。因此，这类机器人处于开环控制状态。
非伺服控制机器人具有以下几个特点：
（1）臂的尺寸小且轴的驱动器施加的是满动力，速度相对较大。
（2）价格低廉，工作稳定，易于操作和维修。
（3）工作重复性约为±0.254mm，即工作时有能力返回同一点，误差为±0.254mm。
（4）在定位和编程方面灵活性有限。