機器人的定義及分類

　　機器人按ISO 8373定義為：位置可以固定或移動拟赊，能夠?qū)崿F(xiàn)自動控制借睬、可重復(fù)編程逛徽、多功能多用處珊辛、末端操作器的位置要在3個或3個以上自由度內(nèi)可編程的工業(yè)自動化設(shè)備。這里自由度就是指可運動或轉(zhuǎn)動的軸穗免。工業(yè)機器人按其結(jié)構(gòu)形式及編程坐標(biāo)系主要分類為關(guān)節(jié)型機器人障渡、移動機器人、水下機器人和直角坐標(biāo)機器人等趋臼。按主要功能特征及應(yīng)用分為移動機器人篙袄、水下機器人抚揖、潔凈機器人、直角坐標(biāo)機器人接骄、焊接機器人瓢宝、手術(shù)機器人和軍用機器人等。機器人學(xué)涉及到機器人結(jié)構(gòu)锈犯，機器人視覺语验，機器人運動規(guī)劃，機器人傳感器献爷，機器人通訊和人工智能等許多方面澜驮，不同用處的機器人涉及到不同的學(xué)科，下面僅對這些機器人的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用進行簡單介紹：

　　關(guān)節(jié)型機器人

　　關(guān)節(jié)型機器人的結(jié)構(gòu)類同人的手臂惋鸥，由幾個轉(zhuǎn)動軸杂穷，擺動軸和手爪等6~7個自由度組成。生產(chǎn)廠家主要有德國Manutec公司卦绣，德國KUKA耐量，德國REIS,日本Motorman,日本Yaskawa和沈陽新松等。關(guān)節(jié)型機器人的轉(zhuǎn)動軸和擺動軸主要用伺服電機配幾乎沒有反向間隙的精密減速機或直驅(qū)力矩電機驅(qū)動滤港，而其控制系統(tǒng)其難度也很大拴鸵。各個廠家的關(guān)節(jié)型機器人其結(jié)構(gòu)類同，主要差別在技術(shù)參數(shù),下面以德國Manutec公司的關(guān)節(jié)型機器人為例介紹蜗搔。

　　Manutec公司型號為r15-30的關(guān)節(jié)機器人劲藐，額定負(fù)載30公斤，最大可達(dá)到 75 公斤樟凄，工作半徑1.3 米聘芜，重復(fù)定位精度小于0.04 mm ，點到點的最大運行速度高達(dá) 5.9 m/s缝龄，加速度高達(dá)23 m/s2和工作壽命20 年磁揽。可以坐立式安裝林没，可以是掉掛式安裝伺亭，也可以與水平面小于30度角的斜式安裝，不影響其各項技術(shù)指標(biāo)婶苦。r15可以選配防爆式的呀埠，也可以選配一級潔凈式等。

　　r15-30主要特點是強度大剛性好和重復(fù)定位精度高吴位，主要應(yīng)用領(lǐng)域是其它廠家的關(guān)節(jié)型機器人由于剛性和精度不夠無法應(yīng)用的領(lǐng)域颠请，而用 5 軸加工中心成本太高或無法勝任的工作。如磨齒嚣刺，異形銑削誉倦，殼（腔）內(nèi)部銑削魔踱，磨，拋肿夜，切割和焊接等桶求。

　　在手爪末端可以配力傳感器，來加工異形表面（如銑削色查，磨和拋）晓褪。一個機器人也可以與雙工作臺及各種的雙旋轉(zhuǎn)軸協(xié)調(diào)同步運動。也可以是兩個機器人協(xié)調(diào)同步工作综慎，如一臺機器人抓取工件，而令一臺機器人對該工件進行加工勤庐，兩臺機器人同步協(xié)調(diào)完成特定的加工軌跡示惊。

        其它廠家的關(guān)節(jié)機器人主要應(yīng)用在汽車焊接和裝配等任務(wù)中。關(guān)節(jié)型機器人的優(yōu)點是可以從不同角度不同方位來工作愉镰，速度快米罚，工作效率高。但主要缺點是工作半徑小丈探，負(fù)載小录择，價格高，應(yīng)用難度大和維護費用高碗降。

        作為關(guān)節(jié)機器人的簡化型機器人SCARA就是兩個擺動軸和一個上下運動軸隘竭，其特點是簡單，經(jīng)濟讼渊，適合工作空間小劲吐，負(fù)載小、高速搬運针榜。但它的價位高于直角坐標(biāo)機器人拣九，應(yīng)用行業(yè)和數(shù)量非常小。

　　特種機器人

　　移動機器人就是能自主移動或上下樓梯的電動車途殖，主要用于生產(chǎn)現(xiàn)場貨物的自主運輸和排險作業(yè)含薄，或進入有污染和放射的環(huán)境內(nèi)取樣及監(jiān)視等。還有一些移動機器人就是仿造一些動物枕褂，用腿和爪行走路的行走機器人谓牢，如美國的軍用狗，還處于適用階段桌蟋。水下機器人與潛艇能自主潛入水下完成對海上鉆井平臺的水下建筑两候、發(fā)電站的水下閘門、海底打撈等工程的錄像和監(jiān)控橡彬。潔凈式機器人主要是穿上防護衣的關(guān)節(jié)型機器人媳阴，使其自身有良好的密封性奋屠，不把灰塵帶入工作現(xiàn)場，自身也不會產(chǎn)生灰塵窃爷，他們主要應(yīng)用于電子器件邑蒋，食品和藥品等生產(chǎn)中。國際對潔凈機器人的潔凈度有明確的定義按厘。軍用機器人主要是小型移動車医吊，遙控飛機或電子狗等，他們完成危險場所的一些作業(yè)逮京，如排雷卿堂，布雷，現(xiàn)場監(jiān)控懒棉，射擊摧毀特定目標(biāo)等草描。盡管目前服務(wù)機器人主要是玩具式的自治電動車，在其上面裝有視覺和超聲等裝置使其可以在家里無碰撞移動策严，對不同位置進行照像穗慕，用來防盜，檢測煤汽泄露妻导，無線發(fā)送信息和接收指令逛绵，運輸物品等等。但未來服務(wù)機器人的功能會不斷增強央垢，不斷深入到人們?nèi)债a(chǎn)生活的各個方面简揍。還有手術(shù)機器人，航天機器人泞征，擠牛奶機器人和核電站專用機器人等專用機器人路棍。

　　直角坐標(biāo)機器人

　　作為在各行各業(yè)中最廣泛應(yīng)用的直角坐標(biāo)機器人，它主要是以直線運動軸為主薄称，各個運動軸通常對應(yīng)直角坐標(biāo)系中的X軸攀叼，Y軸和Z軸，一般X軸和Y軸是水平面內(nèi)運動軸丐忠，Z軸是上下運動軸要嘿。在一些應(yīng)用中Z軸上帶有一個旋轉(zhuǎn)軸，或帶有一個擺動軸和一個旋轉(zhuǎn)軸坦推。在絕大多數(shù)情況下直角坐標(biāo)機器人的各個直線運動軸間的夾角為直角或腔。

　　直角坐標(biāo)機器人的組成

　　一個典型的直角坐標(biāo)機器人，它由X軸,Y軸,Z軸及驅(qū)動電機組成擅揖。此外一個完整的機器人系統(tǒng)還需要控制系統(tǒng)和手抓蔚便，下面分別予以介紹：

　　直線運動軸: 也叫直線運動單元，它就是一個獨立的運動軸，主要由支撐載體的鋁型 材或鋼型材和被安裝在型材內(nèi)部的直線導(dǎo)軌廊散、運動滑塊以及作為帶動滑塊做高速運動的同步帶組成桑滩。

　　運動軸的驅(qū)動系統(tǒng)

直角坐標(biāo)機器人的傳動主要是通過驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)動帶動同步帶運動，同步帶帶動直線導(dǎo)軌上的滑塊運動允睹。當(dāng)驅(qū)動軸的最高轉(zhuǎn)速低于600轉(zhuǎn)/分時通常選用步進電機运准，否則選用交流伺服電機。

　　直角坐標(biāo)機器人的控制系統(tǒng)

　　機器人要在一定時間內(nèi)完成特定的任務(wù)缭受，比如每10秒內(nèi)完成一次搬運工作胁澳。在完成抓取，加速運動米者，高速運動韭畸，減速運動，釋放工件等同時蔓搞，還要與相關(guān)的設(shè)備通過通訊或I/O口實現(xiàn)一些時序上的協(xié)調(diào)同步胰丁。另外在涂膠應(yīng)用上，各個運動軸要完成直線和圓弧插補運動败明。因此其數(shù)控系統(tǒng)要按具體應(yīng)用要求來選定其控制軸數(shù)、I/O口數(shù)量和軟件功能沉沾。通常選用數(shù)控系統(tǒng)讼狗，PLC，工控機加運動控制卡和帶軸卡功能及I/O口的驅(qū)動電機來做控制系統(tǒng)革辖。

　　直角坐標(biāo)機器人的末端操作器——手爪系統(tǒng)

根據(jù)其具體應(yīng)用情況硝闸，其手爪系統(tǒng)可能是氣動吸盤、氣動夾取手爪查袄、電動夾取手爪硼挡、電磁吸取手爪、焊槍仓泣、膠槍版绢、專用工具和檢測儀器等。在很多場合可以一次抓取多個工件苏涧。

　　很多廠家已開發(fā)出一些標(biāo)準(zhǔn)的直線運動單元及其組合玄冬，下面結(jié)合德國百格拉公司的產(chǎn)品來介紹直角坐標(biāo)機器人的技術(shù)數(shù)據(jù)及應(yīng)用。

　　龍門軸直線運動單元

　　直線運動單元和驅(qū)動電機固定不動训木，而滑塊運動颜懊，主要用于水平面和垂直面上長距離運動。有標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品PAS41风皿，PAS42河爹，PAS43和PAS44。對應(yīng)的橫截面尺寸是40*40 mm桐款，60*60mm咸这，80*80 mm和110*110mm夷恍，單根標(biāo)準(zhǔn)長度是6000 mm、負(fù)載是10~200公斤炊苫、重復(fù)定位精度0.05mm裁厅、最高運行速度8米/秒，加速度是每秒4米侨艾。

　　抓取軸直線運動單元

　　驅(qū)動電機和滑塊固定在一平面上执虹，直線運動單元本體運動，其導(dǎo)軌標(biāo)準(zhǔn)長度可達(dá)2400 mm唠梨。主要以垂直或水平進入工作空間袋励，用于貨物的抓取和搬運等。其標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品有LM-A001到LM-A808等当叭，對應(yīng)的尺寸是40*40 mm接碘，60*60mm，80*80 mm到110*110mm室午，單根最大長度是3000 mm班域、負(fù)載是2~100公斤、重復(fù)定位精度0.05mm孔菱、最高運行速度8米/秒巨啤，加速度是每秒4米。

　　各種結(jié)構(gòu)形式的2D和3D直角坐標(biāo)機器人

　　利用標(biāo)準(zhǔn)的龍門式和抓取軸直線運動單元德國百格拉公司在過去的20多年中成功組合成了數(shù)百種結(jié)構(gòu)形式撕星，不同行程和負(fù)載能力抖躺，不同安裝方式的機器人。其中針對不同應(yīng)用要求還采取了多種加強形式來保證其強度唧窄，提高其變形能力勇斜，減少震動和晃動，提高壽命等究惨。其常用的結(jié)構(gòu)形式有龍門式树家，懸臂式，掛臂式和掉掛式等治拿。

　　直角坐標(biāo)機器人的主要結(jié)構(gòu)形式及主要特點

　　但針對各種不同的應(yīng)用溉奕，實際上可以方便快速組合成不同維數(shù)，各種行程和不同帶載能力的壁掛式忍啤、懸臂式加勤、龍門式或倒掛式等各種形式的直角坐標(biāo)機器人。從簡單的二維機器人到復(fù)雜的五維機器人就有上百種結(jié)構(gòu)形式的成功應(yīng)用案例同波。從電機到汽車等各行各業(yè)的自動化生產(chǎn)線中鳄梅，也是各式各樣的多臺直角坐標(biāo)機器人和其它設(shè)備嚴(yán)格同步協(xié)調(diào)工作。可以說直角坐標(biāo)機器人幾乎能勝任所有的工業(yè)自動化任務(wù)戴尸。下面是其主要特點：

　　◆任意組合成各種樣式：每根直線運動軸最長是6米粟焊，其帶載能力從10公斤到200公斤。在實際應(yīng)用中已有近百種結(jié)構(gòu)的直角坐標(biāo)機器人孙蒙，這些結(jié)構(gòu)也可以任意組合成新的結(jié)構(gòu)等项棠。

　　◆超大行程：因為單根龍門式直線運動單元的長度是6米，還可以多根方便地級連成超大行程挎峦，所以其工作空間幾乎沒有限制香追，小到手機點膠機，大到18米長行程的切割機危葵，8米長行程鉆銑床带漆，6米*6米*3米的檢測機器人等。超大行程時要采用直線導(dǎo)軌和齒條傳動方式蠢缚。

　　◆負(fù)載能力強：單根直線運動單元的負(fù)載通常小于200公斤狐绽。但當(dāng)采用雙滑塊或多滑塊剛性聯(lián)結(jié)時負(fù)載能力可以增加5到10倍。當(dāng)把兩根或四根直線運動單元并排接起來使用時锐校，其負(fù)載可以增加2到4倍躺冕。當(dāng)采用多根多滑塊結(jié)構(gòu)時其負(fù)載能力可增加到數(shù)噸。

　　◆高動態(tài)特性：輕負(fù)載時其最大運行速度可達(dá)到每秒8米矮按，加速度可達(dá)到每秒4米畔怎。使其具有很高的動態(tài)特性，工作效率非常高痊缎，通常在幾秒內(nèi)完成一個工作節(jié)拍果嗜。

　　◆高精度：按傳動方式及配置在整個行程內(nèi)其重復(fù)定位精度可達(dá)到0.05mm~0.01mm季键。

　　◆擴展能力強：可以方便改變結(jié)構(gòu)或通過編程來適合新的應(yīng)用石勋。

　　◆簡單經(jīng)濟：對比關(guān)節(jié)機器人，直角坐標(biāo)機器人不僅外觀直觀且構(gòu)造成本低可都，編程簡單類同數(shù)控銑床缓待，易培訓(xùn)員工和維修，使其具有非常好的經(jīng)濟性渠牲。

　　◆勝任復(fù)雜任務(wù)：采用帶有RTCP功能的五軸或五軸以上數(shù)控系統(tǒng)能完成非常復(fù)雜的噴涂旋炒，噴丸，檢測签杈，加工等任務(wù)瘫镇。

　　◆壽命長：直角坐標(biāo)機器人的壽命一般是10年以上，維護好了可達(dá)20年答姥。

　　◆應(yīng)用范圍廣：可以方便地裝配多種形式和尺寸的手爪铣除，可以勝任許多常見的工作，如焊接、切割尚粘，搬運择卦、上下料、包裝郎嫁、碼垛秉继、拆垛、檢測源相、探傷折司、分類、裝配肺倾、貼標(biāo)负腻、噴碼、打碼和噴涂等任務(wù)圈咬。

　　直角坐標(biāo)機器人的選型和保養(yǎng)

　　選型:

　　首先要根據(jù)負(fù)載大小淡窘，行程，工作節(jié)拍和工作空間的限制來選擇機器人的外形結(jié)構(gòu)鹏汁。選好結(jié)構(gòu)形式后要根據(jù)行程和變形量等選擇每個軸的形式和型號讼牢。大負(fù)載和高沖擊力時可以選擇由2根或4根運動軸組合成一個復(fù)合運動軸。各個運動軸間的裝配也很關(guān)鍵磕艺，不僅要保證其垂直度盾摹，更要考慮在各個方向有足夠的抗沖擊力和變形。機器人要在幾秒內(nèi)完成一個運動節(jié)拍光叉，選擇的驅(qū)動電機必須有足夠的驅(qū)動力厉斟，通常要比理論計算值高出100%。當(dāng)負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量與驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)動慣量之比大于12時强衡，要選配德國紐卡特公司的精密行星減速機擦秽。

　　在超高動態(tài)和定位精度要求很高情況下，可以選用直線電機來驅(qū)動漩勤。但直線電機的安裝和防護難度大感挥，發(fā)熱量大，撞擊危險性高和控制難度高越败，成本也高触幼，所以要慎用。而其防護難度大和發(fā)熱量大目前在機床行業(yè)還是世界性難題究飞。

　　安裝

　　機器人在加速和減速時會產(chǎn)生強大的沖擊力置谦，而且通常每天要工作24小時，所以機器人必須被牢固地安裝在支架上亿傅。機器人的支架要有足夠的抗沖擊力媒峡，要有地腳筑累，以保證在長期高速高動態(tài)運動沖擊下，沒有任何晃動丝蹭。此外在安裝時要保證運動軸間的平行度疗刮、平面度和垂直度。

　　保養(yǎng)事項

　　通常機器人的每個運動軸在經(jīng)過一定長度的運動后要周期性的通過滑塊的注油孔給直線導(dǎo)軌加注潤滑油蝌购。根據(jù)機器人使用環(huán)境的不同和工作速度不同忿迷，其注油的周期也不同。在食品和玻璃切割等行業(yè)要選用帶防塵帶的運動軸和縮短注油周期铅阎，在有噴水的場合也要縮短注油周期纫惰。

　　應(yīng)用和展望

　　每種機器人都有其特殊性和優(yōu)勢，適用特定的行業(yè)或作業(yè)歌饺。也有把關(guān)節(jié)機器人安裝在大的直線運動平臺上來擴大工作區(qū)域和完成更多的任務(wù)瓢疤。為了克服直角坐標(biāo)機器人不易深入細(xì)長空間區(qū)域內(nèi)工作，德國百格拉公司成功組合成了多種結(jié)構(gòu)的懸臂式直角坐標(biāo)機器人及在直角坐標(biāo)機器人的Z軸上加上500mm的擺動軸和上下升降軸愤凭，有時還在Z軸上加上一個轉(zhuǎn)動軸和擺動軸構(gòu)成5軸機器人窥窜，還把不同結(jié)構(gòu)形式的直角坐標(biāo)機器人組合成多種集抓取，搬運原俘，處理和最后抓取運走功能于一體的機器人工作中心划烫。在德國就有大大小小50多家直角坐標(biāo)機器人生產(chǎn)企業(yè)，他們20多年的努力使得直角坐標(biāo)機器人比關(guān)節(jié)式機器人有更廣泛的應(yīng)用竿刁。例如在西方發(fā)達(dá)國家被廣泛用來執(zhí)行焊接黄锤、搬運、上下料食拜、包裝鸵熟、碼垛、拆垛负甸、檢測流强、探傷、分類惑惶、裝配煮盼、貼標(biāo)短纵、噴碼带污、涂膠和切割等一系列工作。深受包裝機械香到、印刷機械鱼冀、汽車工業(yè)、食品生產(chǎn)工業(yè)悠就、藥品生產(chǎn)工業(yè)柔睡、電子工業(yè)烘梭、機器制造業(yè)和化妝品生產(chǎn)等行業(yè)的好評。隨著自動化程度棺莱、環(huán)保要求螺子、衛(wèi)生規(guī)定、生產(chǎn)效率陕券、人員素質(zhì)和人工費用的提高偏笋，直角坐標(biāo)機器人在中國也必將被各行各業(yè)廣泛采用。

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