任务1.3 工业机器人的基本结构认知

学习任务描述

学习工业机器人的外围设备构成，工业机器人系统的定义和工业机器人的分类、组成，正确认识工业机器人，明确学习课程的意义。

学习任务实施

1.3.1 工业机器人的分类

1.按结构特征划分

机器人的结构形式多种多样，典型机器人的运动特征用其坐标特性来描述。按结构特征来分，工业机器人通常可以分为直角坐标机器人、柱面坐标机器人、球面坐标机器人、多关节机器人和并联机器人。

（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，在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，如图1-11所示。

机器人在空间坐标系中有三个相互垂直的移动关节，每个关节都可以在独立的方向移动。

直角坐标机器人的特点是直线运动，控制简单。缺点是灵活性差，自身占据空间较大。主要应用在各种自动化生产线中，可以完成焊接、搬运、上下料、包装、码垛、检测、装配、喷涂等一系列工作。

（2）柱面坐标机器人

柱面坐标机器人是指能够形成圆柱坐标系的机器人。其结构主要由一个旋转机座形成的转动关节和垂直、水平移动的两个移动关节构成。

柱面坐标机器人具有空间结构小，工作范围大，末端执行器速度高、控制简单、运动灵活等优点。缺点是工作时，必须有沿Y轴线前后方向的移动空间，空间利用率低。目前柱面坐标系主要用于重物的卸载、搬运等工作。

（3）球面坐标机器人

球面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。这种机器人运动所形成的轨迹表面是半球面，所以称为球面坐标机器人。

球面坐标机器人同样占用空间小，操作灵活且范围大，但运动学模型较复杂，难以控制。

（4）多关节机器人

关节机器人也称为关节手臂机器人或关节机械手臂，是当今工业领域中应用最为广泛的一种机器人。多关节机器人按照关节的构型不同，又可分为垂直多关节机器人和水平多关节机器人。

垂直多关节机器人主要由机座和多关节臂组成，目前常见的关节臂数是3~6个。ABB六关节臂机器人的结构如图1-12所示。

垂直多关节机器人由多个旋转和摆动关节组成，其结构紧凑，工作空间大，工作接近人类，工作时能绕过机座周围的一些障碍物，对装配、喷涂、焊接等多种作业都有良好的适应性，且适合电动机驱动，关节密封、防尘比较容易。

水平多关节机器人也称为SCARA机器人，如图1-13所示。水平多关节机器人一般具有四个轴和四个自由度，它的第一、二、四轴具有转动特性，第三轴具有线性移动特性，并且第三轴和第四轴可以根据工作需要的不同，制造出多种不同的形态。

水平多关节机器人的特点在于作业空间与占地面积比很大，使用起来方便；在垂直升降方面刚性好，尤其适合平面装配作业。目前主要应用在电子产品行业、汽车工业、塑料工业等领域，用以完成装配、搬取、喷涂和焊接等操作。

（5）并联机器人

并联机器人是近年来发展起来的一种由固定机座和具有若干自由度的末端执行器、以不少于两条独立运动链连接形成的新型机器人，如图1-14所示。

和串联机器人相比，并联机器人具有以下特点：

1）无累计误差，精度较高。

2）驱动装置可置于定平台上或接近定平台的位置，运动部分重量轻、速度高、动态响应好。

3）结构紧凑、刚度高、承载能力大。

4）具有较好的各向同性。

5）工作空间小。

并联机器人广泛应用在装配、搬运、上下料、分拣、打磨等需要高精度、高刚度或者大载荷而无需很大工作空间的场合。

2.按驱动方式划分

根据能量转换方式的不同，工业机器人驱动类型可以划分为气压驱动、液压驱动、电力驱动和新型驱动四种类型。

1）气压驱动。气压驱动机器人是以压缩空气来驱动执行机构的。这种驱动方式的特点是空气来源方便、动作迅速、结构简单；缺点是工作的稳定性与定位精度不高、抓力较小，所以常用于负载较小的场合。

2）液压驱动。液压驱动是使用液体油液驱动执行机构的。与气压驱动机器人相比，液压驱动机器人具有更大的负载能力，其结构紧凑，传动平稳，但液体容易泄露，不宜在高温或低温场合作业。

3）电力驱动。电力驱动是利用电动机产生的力矩驱动执行机构。目前，越来越多的机器人采用电力驱动方式，电力驱动易于控制，运动精度高，成本低。

4）新型驱动。伴随着机器人技术的发展，出现了利用新的工作原理制造的新型驱动器，如静电驱动器、压电驱动器、形状记忆合金驱动器、人工肌肉及光电驱动器。

1.3.2 工业机器人的基本组成及技术参数

1.工业机器人的外围设备

所有不包括在工业机器人系统内的设备统称为外围设备，如工具、保护装置、皮带传送装置、传感器等。

2.工业机器人系统

工业机器人系统把工业机器人本体、控制器、控制软件和应用软件与机器人外围设备结合起来，应用于焊接、搬运、插装、喷涂、机床上下料等工业自动化领域。

3.工业机器人的技术参数

虽然工业机器人的种类、用途不尽相同，但任一工业机器人都具有使其使用的作业范围和要求。目前，工业机器人的主要技术参数有自由度、分辨率、定位精度、重复定位精度、作业范围、运动速度和承载能力。

（1）自由度

自由度是指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目，不包括末端执行器的开合自由度，如图1-15和图1-16所示。

一般情况下，机器人的一个自由度对应一个关节，所以自由度与关节的概念是等同的。自由度是表示机器人动作灵活程度的参数，自由度越多，机器人就越灵活，但结构也越复杂。一般机器人自由度为3~6个。

（2）分辨率

分辨率是指机器人每个关节所能实现的最小移动距离或最小转动角度，工业机器人的分辨率分为编程分辨率和控制分辨率两种。

（3）定位精度和重复定位精度

定位精度和重复定位精度是机器人的两个精度指标。定位精度是指机器人末端执行器的实际位置与目标位置之间的偏差，由机械误差，控制算法与系统分辨率等部分组成。重复定位精度是指在同一环境、同一条件、同一目标动作、同一命令之下，机器人连续重复运动若干次，其位置的分散情况，是关于精度的统计数据，如图1-17所示。

（4）作业范围

作业范围是机器人运动时手臂末端或手腕中心所能到达的位置点的集合，也称为机器人的工作区域。由于末端执行器的形状和尺寸是随作业需求配置的，所以为真实反映机器人的特征参数，机器人作业范围是指不安装末端执行器时的工作区域，如图1-18所示。

（5）运动速度

运动速度影响机器人的工作效率和运动周期，它与机器人所提取的重力和位置精度均有密切关系。运动速度提高，机器人所承受的动载荷增大，必将承受加减速时较大的惯性力，从而影响机器人的工作平稳性和位置精度。工业机器人的运动速度如图1-19所示。

（6）承载能力

承载能力是指机器人在作业范围内的任何位置上所能承受的最大重量。