【正文】 用機器人可以沒有手腕而直接將末端執(zhí)行器安裝在手臂的端部。(3)手臂它由操作機的動力關節(jié)和連接桿件等構成，是用于支承和調整手腕和末端執(zhí)行器位置的部件。手臂有時不止一條，而且每條手臂，也不一定只有一節(jié)(如關節(jié)型就可能有多節(jié))，所以，它有時還應包括肘和肩的關節(jié)，即手臂和手臂間(靠近末端執(zhí)行器的一節(jié)通常叫小臂，靠近機座的，通常叫大臂)，手臂與機座間用關節(jié)連接，因而擴大了末端執(zhí)行器姿態(tài)的變化范圍和運動范圍。(4)機座有時稱為立柱，是工業(yè)機器人機構中相對固定并承受響應力的基礎部件。可分固定式和移動式兩類，移動式機座下部安裝了移動機構，它可以擴大機器人的活動范圍。它是由驅動器、減速器、檢測元件等組成的組件，是用來為操作機各部件提供動力和運動的裝置。驅動器是將電能或流體能等轉換成機械能的動力裝置，通常是電動機、液壓或氣動裝置。驅動形式不同，傳動裝置也有所不同。它是由人對機器人的啟動、停機及示教進行操作的一種裝置，它指揮機器人按規(guī)定的要求動作?？刂蒲b置包括檢測(如傳感器)和控制(如計算機)兩部分，可用來控制驅動單元，檢測其運動參數(shù)是否符合規(guī)定要求，并進行反饋控制。這就是閉環(huán)控制。如果沒有反饋控制，就是較簡單的開環(huán)控制【8】。圖1 計算機智能控制系統(tǒng)對于智能機器人，還應有人工智能系統(tǒng)。它主要由兩部分組成，一部分為感覺系統(tǒng)(硬件)，主要靠各類傳感器來實現(xiàn)其感覺功能。另一部分為決策一規(guī)劃智能系統(tǒng)(軟件)，它包括邏輯判斷、模式識別、大容量數(shù)據(jù)庫和規(guī)劃操作程序等功能。 機器人的分類目前世界各國對處于發(fā)展階段的機器人還沒有統(tǒng)一的分類標準，大致有以下幾種分類方法。(1)固定程序的專用機器人(機械手) 通常根據(jù)主機的特定要求設計成固定程序(或簡單的可變程序)。這種機器人(機械手)多為氣動或液動，用行程開關、機械擋塊來控制其工作位置。工作對象單一，動作較少，結構與系統(tǒng)簡單，價格低廉，可以應用。(2)可編程序的通用機器人工作程序可變，以適應不同的工作對象，通用性強，適合于以多品種、中小批量生產(chǎn)為特點的柔性制造系統(tǒng)中。、部門和用途分類 (1 )工業(yè)機器人它們又可按作業(yè)類別分為鍛壓、焊接、表面噴涂、裝卸、裝配、檢測等機器人。 (2)采掘機器人如海洋探礦機器人等。 (3)軍事用途機器人 在跨世紀的軍事活動中，機器人部隊無疑將會參戰(zhàn)。這些機器人具有較強的自主作戰(zhàn)和參與軍事使命的能力，它們紀律嚴明，組織緊湊，行動快捷，效果明顯。這是和機器人部隊的設計者與策劃者的智慧、思想、設計和制造分不開的。不過，隨著機器人在陸、海、空、天、電戰(zhàn)場的超立方形空間中全面地投入軍事活動，也為領導這些機器人部隊的人類的指揮機構和各級作戰(zhàn)人員帶來不少新的、涉及到如何對待機器人行為的復雜問題 (4)服務機器人如醫(yī)療機器人，家用機器人，教學機器人等。 、坐標系特點分類 按機械結構、坐標系特點可分為直角坐標型，圓柱坐標型，球坐標型，多關節(jié)型等。這些配置方式都是經(jīng)過實踐證明為經(jīng)濟可行的方式，也是組合式模塊化工業(yè)機器人坐標配置方式設計時所要借鑒和參照的方式。 （1）直角坐標型機械臂其運動部分由三個相互垂直的直線移動（即PPP）組成，其工作空間圖形為長方形。它在各個軸向的移動距離，可在各個坐標軸上直接讀出，直觀性強，易于位置和姿態(tài)的編程計算，定位精度高，控制無耦合，結構簡單，但機體所占空間體積大，動作范圍小，靈活性差，難與其他工業(yè)機器人協(xié)調工作。圖2 直角坐標型機械臂 （2）圓柱坐標型機械臂其運動形式是通過一個轉動和兩個移動組成的運動系統(tǒng)來實現(xiàn)的，其工作空間圖形為圓柱，與直角坐標型工業(yè)機器人相比，在相同的工作空間條件下，機體所占體積小，而運動范圍大，其位置精度僅次于直角坐標型機器人，難與其他工業(yè)機器人協(xié)調工作。圖3 圓柱坐標型機械臂 （3）球坐標型工業(yè)機器人又稱極坐標型工業(yè)機器人，其手臂的運動由兩個轉動和一個直線移動（即RRP,一個回轉，一個俯仰和一個伸縮運動）所組成，其工作空間為一球體，它可以作上下俯仰動作并能抓取地面上或教低位置的協(xié)調工件，其位置精度高，位置誤差與臂長成正比。圖4 球坐標型機械臂 （4）多關節(jié)型工業(yè)機器人又稱回轉坐標型工業(yè)機器人，這種工業(yè)機器人的手臂與人一體上肢類似，其前三個關節(jié)是回轉副（即RRR），該工業(yè)機器人一般由立柱和大小臂組成，立柱與大臂見形成肩關節(jié)，大臂和小臂間形成肘關節(jié)，可使大臂做回轉運動和俯仰擺動，小臂做仰俯擺動。其結構最緊湊，靈活性大，占地面積最小，能與其他工業(yè)機器人協(xié)調工作，但位置精度教低，有平衡問題，控制耦合，這種工業(yè)機器人應用越來越廣泛。圖5 多關節(jié)型機械臂 （5）平面關節(jié)型工業(yè)機器人它采用一個移動關節(jié)和兩個回轉關節(jié)（即PRR），移動關節(jié)實現(xiàn)上下運動，而兩個回轉關節(jié)則控制前后、左右運動。這種形式的工業(yè)機器人又稱（SCARA(Seletive Compliance Assembly Robot Arm)裝配機器人。在水平方向則具有柔順性，而在垂直方向則有教大的剛性。它結構簡單，動作靈活，多用于裝配作業(yè)中，特別適合小規(guī)格零件的插接裝配，如在電子工業(yè)的插接、裝配中應用廣泛。圖6 平面關節(jié)型機械臂 通過對常用配置方式（常規(guī)坐標型）的機器人的運動分析可看到以下兩點：（1）基本動作可分解為體升降、比伸縮、體旋轉、臂旋轉、腕旋轉等；（2）基本運動形式可分為直線運動和旋轉運動兩類。這啟發(fā)我們自設計機器人時，可充分利用能夠實現(xiàn)直線運動和旋轉運動的通用部件（氣、液、電等）來進行功能組合，也就是說可以經(jīng)過合適選擇的通用部件作為模塊來進行集成。這些部件可以作為一個獨立的基本模塊，也可以將幾個部件組合為一個復合模塊。顯然，配置方式應根據(jù)產(chǎn)品最終實現(xiàn)的功能要求來確定，同樣，模塊的分解也是基于產(chǎn)品應滿足的功能要求下的模塊分解。 4. 按機器人運動控制方式分類(1)點位控制(PTP)機器人就是由點到點的控制方式，這種控制方式只能在目標點處準確控制機器人末端執(zhí)行器的位置和姿態(tài)，完成預定的操作要求。目前應用的工業(yè)機器人中，很多是屬于點位控制方式的，如上下料搬運機器人、點焊機器人等。 (2)連續(xù)軌跡控制(CP)機器人機器人的各關節(jié)同時作受控運動，準確控制機器人末端執(zhí)行器按預定的軌跡和速度運動，并能控制末端執(zhí)行器沿曲線軌跡上各點的姿態(tài)?；『?、噴漆和檢測機器人等均屬連續(xù)軌跡控制方式。 按驅動方式可分為液壓驅動式、氣動式、電力驅動式(這是目前用得最多的一類)。 “代”分類 (1)第一代機器人其特點是采用開關量控制，示教再現(xiàn)控制或數(shù)字控制，其作業(yè)路徑和運動參數(shù)需通過示教或編程給定。60年代以來，工業(yè)中實際應用的絕大多數(shù)工業(yè)機器人都屬于第一代機器人，它包括可編程序(用于上下料)的工業(yè)機器人，具有記憶裝置的示教再現(xiàn)型機器人，數(shù)控型搬運機器人等。 (2)第二代機器人是70年代開始出現(xiàn)的，其技術特點是采用計算機直接控制，是通過具有視覺、觸覺的攝像機和傳感器，能“感覺”外界信息并通過計算機進行計算和分析 自動 地控制操作機進行運動和操作，因此，其控制方式較第一代機器人要復雜得多，目前這類機器人已開始在工業(yè)生產(chǎn)、排險救災等場合應用，并將進入普及階段。 (3)第三代機器人即智能機器人。這是國內(nèi)外正在積極研究，開發(fā)的高級機器人，其主要特點是具有人工智能。包括: 模式識別能力、規(guī)劃決策能力、知識庫、專家系統(tǒng)、人機交互能力等。這一類機器人目前正在研究開發(fā)之中【9】。 機器人的應用與發(fā)展 機器人的應用 在發(fā)達國家，機器人己廣泛地應用于工業(yè)、國防、科技、生活等各個領域。產(chǎn)業(yè)部門應用最多的當推汽車工業(yè)和電子工業(yè)，在金屬加工、塑料成型、機械制造等行業(yè)也有普遍應用，并逐漸向纖維加工、食品工業(yè)、家用產(chǎn)品制造等行業(yè)發(fā)展。焊接作業(yè)包括點焊和弧焊，是機器人用得最多的作業(yè)之一。傳統(tǒng)的點焊機雖然可以減輕人的勞動強度，焊接質量也較好，但它適宜少品種大批量的生產(chǎn)環(huán)境，其夾具和焊槍位置不能隨零件的改變而變化，而點焊機器人可通過重新編程來調整空間點位，滿足不同零件的需要，故特別適宜于小批量多品種的生產(chǎn)環(huán)境?；『缸鳂I(yè)由于其焊縫多為空間復雜曲線，故多由人工完成，連續(xù)軌跡控制的機器人可以勝任此任務，故廣泛用于各種復雜結構和容器的焊接。Unimate, Motoman, ASEA等都是典型的焊接機器人。它們忠于職守，能夠準確地執(zhí)行人類的指令，從這一點講，機器人實在是人類最忠實的仆人。教給它們什么樣的動作，它們就不厭其煩地做上成百上千次。如果需要叫它們執(zhí)行新的任務，只需要重新教它們一遍就行了。重新教授的內(nèi)容通過另外一套程序來實現(xiàn)。通常一個機器人可以保存成百種不同作業(yè)和不同動作套路的程序，可以十分方便地隨主人之意調用和更換花樣。這種忠實的仆人具有“一次示教，終身難忘”的特點，動作準確、可靠、分毫不差。它們在軍事工業(yè)和生產(chǎn)領域中大有作為。在爆炸品和危險物生產(chǎn)線上，它們可以代替人工作，且不知疲倦，連續(xù)工作。它們動作準確、可靠，即使加工成千上萬發(fā)炮彈，也下會碰到底火引起爆炸事故。工業(yè)機器人真可謂稱得上是新一代的“藍領工人”。減少了工人的危險程度，做到了一些人不能做到的任務。它必將是今后發(fā)展的重中之重。未來人們的許多任務都將有機器人代為完成。圖7 柔性機械臂的模型噴漆作業(yè)由于環(huán)境惡劣，國外大量使用了機器人，挪威生產(chǎn)的Trallfa機器人是目前世界上用得最多的噴漆機器人，該機器人為關節(jié)式，6自由度，電液或全電動伺服驅動，采用示教再現(xiàn)方式，既可實行點位控制，也可實行連續(xù)軌跡控制。搬運物料的作業(yè)包括為機床上下料，為自動生產(chǎn)線轉運工件，搬運機器人和數(shù)控機床一起組成柔性加工系統(tǒng)，一條柔性生產(chǎn)線可配置幾臺至十幾臺搬運機器人，典型的搬運機器人是T3和Funac機器人。機器人用于裝配作業(yè)是隨著視覺系統(tǒng)的發(fā)展而發(fā)展起來的，電子工業(yè)用得最多，主要用在電路板的裝配上，還有電動機、發(fā)動機部件、閥門等產(chǎn)品的裝配。PUMA機器人是一種典型的裝配機器人，有6個自由度，關節(jié)式，直流伺服電機驅動，微機控制點位或連續(xù)軌跡，用VAL語言示教編程，其手腕機構具有順應性，可克服裝配中的誤差。國外的航空航天工業(yè)中應用機器人也十分廣泛，如鉚接裝配作業(yè)就大量使用了機器人，此外如電氣插頭的裝配，發(fā)動機風扇外殼和高壓渦輪的焊接，飛機座艙蓋和風擋鉆孔作業(yè)，飛機機身和垂直尾翼鉆孔，都采用了機器人。某些飛機機身、機艙的噴漆作業(yè)，發(fā)動機零部件等離子噴涂也采用了機器人。在空間開發(fā)中，航天飛機上收放衛(wèi)星的機器人是加拿大Spar公司生產(chǎn)的，美國NASA實施的火星探測計劃，發(fā)射了兩個火星探測器海盜I和海盜H，它們也是一種機器人，在火星上采集樣品，作各種實驗，并能將實驗結果發(fā)回地球。在海洋開發(fā)方面，美國曾用Curv號有纜水下機器人成功地從西班牙附近900米深的海底打撈一顆因B52轟炸機失事掉入水中的氫彈。挪威卑爾根公司生產(chǎn)的一種水下機器人，可在水下600米處作業(yè)，裝有電視攝像機，可收集海底標本，切割石油管道和纜索等。在放射性環(huán)境中，如在核電站里，機器人可用來檢查、修復管道、閥門等，如日本東芝公司研制的一種蛇形機器人，具有八個關節(jié)，可以在狹小的空間里操作，臂頂端裝有電視攝像機。在軍事方面，機器人己用于偵察、布雷、排除爆炸物、裝填彈藥等。在建筑中，己有一種爬壁機器人可用來修理墻面，擦洗窗戶。此外還有摘果實、擠牛奶、剪羊毛、清理垃圾、監(jiān)護病人的機器人等。總之，機器人的應用面相當廣泛，機器人的工作特點是在計算機控制下離開人的干預進行各項工作。用機器人代替人，可以使人擺脫高溫、有毒、粉塵、振動、放射性、強噪音等惡劣環(huán)境，而去從事機器人的監(jiān)控、維護等工作，使工作性質發(fā)生了變化，減輕了勞動強度，同時也改善了就業(yè)結構。機器人工作抗干擾能力強，一心一意按所編程序工作，動作精度、重復精度高，因此能保證和提高產(chǎn)品質量。解決多品種小批量生產(chǎn)的自動化問題二隨著人民生活水平的提高，人們要求提供更豐富更多樣的產(chǎn)品。因此，用傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式難以滿足人們的需求，當前柔性制造系統(tǒng)的飛速發(fā)展正是適應了這種發(fā)展趨勢，而機器人是柔性系統(tǒng)中不可缺少的提高勞動生產(chǎn)率的關鍵設各。與人相比，機器人有一個最大的特點:不知疲倦、不需要休息，在合宜的條件下，可以連續(xù)工作，因此可以大大地提高勞動生產(chǎn)率。機器人對于改善勞動條件、減少安全事故，減少人受危險環(huán)境的傷害等方面都有顯著的效果【10】。 機器人的發(fā)展現(xiàn)代工業(yè)機器人起源于數(shù)控機床和遠程控制器。1954年，美國的George Devol首先把遠程控制器的桿結構與數(shù)控銑床的伺服軸結合起來，研制出了第一臺通用機械手。這種機械手可以通過讓其沿一系列點運動，將運動位置以數(shù)字形式存貯起來，動作執(zhí)行時，使伺服系統(tǒng)驅動機械手各關節(jié)軸來再現(xiàn)這些位置，從而讓機械手完成一些簡單的工作。正是由于這個機械手具有了編程示教再現(xiàn)功能，因此許多人把它作為現(xiàn)代工業(yè)機器人產(chǎn)生的標志。在隨后的生產(chǎn)應用中，為了適應各種不同用途需要，相繼出現(xiàn)了直角坐標、關節(jié)坐標、極坐標等許多種不同結構的機器人。與第一代示教再現(xiàn)型機器人不同，第二代機器人是具有感覺功能的適應控制機器人。這種機器人帶有傳感器，能感知環(huán)境和對象的情況，以控制自身動作的變化。在機器人視覺、觸覺研究的同