工業(yè)機器人的分類

1、1.1 工業(yè)機器人的分類工業(yè)機器人對現(xiàn)在新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型都起著至關(guān)重要的作用?，F(xiàn)在越來越廣泛的應(yīng)用于各行各業(yè)，隨著工業(yè)機器人市場的火爆，其種類也是花樣百出。關(guān)于工業(yè)機器人的分類，國際上并沒有制定統(tǒng)一的標準，有的按負載重量分，有的按控制方式分，有的按結(jié)構(gòu)分，有的按應(yīng)用領(lǐng)域分，按機器人的發(fā)展等級可大致分為以下幾種，見表1。表1機器人的分類及功能概要機器人種類簡要解釋操作型機器人能自動控制可重復編程，多功能，有幾個自由度，可固定或運動，用于相關(guān)自動化系統(tǒng)中程控型機器人按預先的要求及順序條件，依次控制機器人的機械動作示教再現(xiàn)型機器人通過引導或其它方式，先教會機器人動作，輸入工作程序，機器

2、人則自動重復進行作業(yè)數(shù)控型機器人不必使機器人動作，通過數(shù)值、語言等對機器人進行示教，機器人根據(jù)示教后的信息進行作業(yè)感覺控制型機器人利用傳感器獲取的信息控制機器人的動作適應(yīng)控制型機器人機器人能適應(yīng)環(huán)境的變化，控制其自身的行動學習控制型機器人機器人能“體會”工作的經(jīng)驗，具有一定的學習功能，并將所“學”的經(jīng)驗用于工作中智能機器人以人工智能決定其行動的機器人以下是按照設(shè)備的機械機械結(jié)構(gòu)（坐標形式）和用途對機器人進行分類。1.1.1 根據(jù)機械結(jié)構(gòu)（坐標形式）分類工業(yè)機器人按其幾何結(jié)構(gòu)形式來分，可歸為兩大類：串聯(lián)機器人與并聯(lián)機器人。串聯(lián)機器人是開式運動鏈，它是由一系列連桿通過轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)或移動關(guān)節(jié)串聯(lián)而成。關(guān)

3、節(jié)由驅(qū)動器驅(qū)動，關(guān)節(jié)的相對運動導致連桿的運動，使手爪到達一定的位姿。如圖11所示。圖Error! No text of specified style in document.1 KUKA六軸關(guān)節(jié)機器人并聯(lián)機器人可以定義為動平臺和定平臺通過至少兩個獨立的運動鏈相連接，機構(gòu)具有兩個或兩個以上自由度，且以并聯(lián)方式驅(qū)動的一種閉環(huán)機器人，如圖12所示。圖Error! No text of specified style in document.2 IRB 360 FlexPicker并聯(lián)機器人1.1.1.1 串聯(lián)機器人串聯(lián)機器人的機構(gòu)運動特征是用其坐標特性來描述的。按基本動作機構(gòu)，工業(yè)機器人通?？煞譃?/p>

4、柱坐標機器人、球坐標機器人、笛卡爾坐標機器人和多關(guān)節(jié)型機器人。1. 柱坐標機器人當水平臂或桿架安裝在一垂直柱上，而該柱又安裝在一個旋轉(zhuǎn)基座上，這種結(jié)構(gòu)可稱為柱坐標機器人，如圖13所示。柱坐標機器人具有一個回轉(zhuǎn)和兩個平移自由度，其動作空間呈圓柱體。其運動特點如下：手臂可伸縮（沿r方向）滑動架（或托板）可沿柱上下移動（z軸方向）水平臂和滑動架組合件可作為基座上的一個整體而旋轉(zhuǎn)（繞z軸）一般旋轉(zhuǎn)不允許超過360°，因為有液壓、電氣或氣動聯(lián)接機構(gòu)或連線造成的這種約束。根據(jù)機械上的要求，其手臂伸出長度有一最小值和最大值，所以機器人總的體積或其工作包絡(luò)范圍呈圓柱體。圖Error! No text

5、 of specified style in document.3柱坐標機器人示意圖2. 球坐標機器人球坐標機器人的空間位置分別由旋轉(zhuǎn)、擺動和平移3個自由度確定。由于機械和驅(qū)動連線的限制，機器人的工作包絡(luò)范圍是球體的一部分，如圖14所示。圖Error! No text of specified style in document.4球坐標機器人示意圖其工作特點如下：手臂可伸出縮回范圍R，類似于可伸縮的望遠鏡套筒在垂直面內(nèi)繞軸旋轉(zhuǎn)在基座水平內(nèi)轉(zhuǎn)動角度為3. 笛卡爾坐標機器人笛卡爾坐標機器人也稱為直角坐標機器人，這是一種最簡單的結(jié)構(gòu)，其機械手的連桿按線性方式移動，這類機器人的運動軸稱為“棱柱形”，

6、按其結(jié)構(gòu)樣式可分為兩類：懸臂笛卡爾式和門形笛卡爾式。（1）懸臂笛卡爾式機器人這種機器人的機械手構(gòu)件受到約束，只在平行于笛卡爾坐標軸X、Y、Z的方向上移動，臂連接到主干，而主干又與基座相連接，如圖15所示。這種形式的坐標機器人，從支撐架伸出的長度有限，剛性差，但其工作空間所受約束較其它機器人所受的約束少，此外它的重復性和精度高，其坐標更近乎于自然狀態(tài)，故編程容易?？墒怯行┻\動形式，由于需要大量計算，此結(jié)構(gòu)可能較難完成，如方向與任何軸都不平行的直線軌跡。圖Error! No text of specified style in document.5懸臂笛卡爾式機器人（2）門形笛卡爾式機器人門形笛卡

7、爾式機器人也稱為桁架機器人，如圖16所示。它一般在需要精確移動及負載較大的場合使用，這類機器人常常安裝在頂板（天花板）上。圖Error! No text of specified style in document.6門形笛卡爾式機器人4. 多關(guān)節(jié)機器人多關(guān)節(jié)型機器人由多個旋轉(zhuǎn)和擺動機構(gòu)組合而成，如圖17所示。這類機器人結(jié)構(gòu)緊湊、工作空間大、動作最接近人的動作，對涂裝、裝配、焊接等多種作業(yè)都有良好的適應(yīng)性，應(yīng)用范圍越來越廣。依據(jù)其動作空間的形狀可分為三種：純球狀、平面四邊形球狀、圓柱狀。圖Error! No text of specified style in document.7多關(guān)節(jié)機器人

8、（1）純球狀這種最普通的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)中，機器人所有的連桿都用樞軸裝置而成，因而都可以旋轉(zhuǎn)，如圖18所示。機械臂的上臂和前臂相連，該樞軸常稱為肘關(guān)節(jié)，允許前臂轉(zhuǎn)動角度；上臂與基座相連，與基座垂直的面內(nèi)的運動可繞此肩關(guān)節(jié)進行角度；而基座可自由轉(zhuǎn)動，因而整個組合件可在與基座平行的平面內(nèi)移動角度，具有這類結(jié)構(gòu)的機器人的工作包絡(luò)范圍大體上是球狀的。這種設(shè)計的優(yōu)點主要是機械臂可以夠得著機器人基座附近的地方，并越過其工作范圍內(nèi)的人和障礙物。圖Error! No text of specified style in document.8純球狀關(guān)節(jié)機器人示意圖（2）平行四邊形球狀用多重閉合的平行四邊形的連桿機構(gòu)代替

9、單一的剛性構(gòu)件的上臂的機器人即為平行四邊形球狀，如圖19所示。這種結(jié)構(gòu)有以下幾個優(yōu)點：它允許關(guān)節(jié)驅(qū)動器位置靠近機器人的基座或裝在機器人的基座上，這就意味著它們不是裝在前臂之內(nèi)或之上，從而使臂的慣性機重量大為減少，結(jié)果是采用同樣大小的執(zhí)行器時，它們所具有的承載能力就比球體關(guān)節(jié)的機器人要大。這種結(jié)構(gòu)的機器人剛度比其它大多數(shù)機械手大。缺點是平行四邊形結(jié)構(gòu)的機器人與相應(yīng)的球狀關(guān)節(jié)坐標機器人的工作范圍相比，受到較大限制。圖Error! No text of specified style in document.9平行四邊形球狀機器人示意圖（3）圓柱狀圓柱狀關(guān)節(jié)機器人也稱為SCARA機器人，這種結(jié)構(gòu)用多

10、重鉸接開放運動學鏈系代替純圓柱狀機器人中的單一軸部件，如圖110所示。這種結(jié)構(gòu)的機器人具有精密且快速的優(yōu)點，但一般垂直作用范圍有限（Z方向）。通常Z方向用一簡單的氣缸或步進電機控制，而其它軸則采用較精巧的電氣執(zhí)行器（如伺服電機）。圖Error! No text of specified style in document.10圓柱狀多關(guān)節(jié)機器人1.1.1.2 并聯(lián)機器人并聯(lián)機器人的并聯(lián)機構(gòu)是一種閉環(huán)機構(gòu)，其動平臺或稱末端執(zhí)行器通過至少兩個獨立的運動鏈與支架相連接。它與串聯(lián)機器人在哲學上呈對立統(tǒng)一的關(guān)系，具有如下幾個特點：無累積誤差，精度較高驅(qū)動裝置可置于定平臺或接近動平臺的位置，這樣運動部分重

11、量輕，速度高，動態(tài)響應(yīng)好結(jié)構(gòu)緊湊，剛度高，承載能力大完全對稱的并聯(lián)機構(gòu)具有較好的各向同性工作工件較小根據(jù)以上這些特點，并聯(lián)機器人在需要高剛度、高精度或者大載荷且無需很大工作空間的領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。機器人的并聯(lián)機構(gòu)依據(jù)運動形式可分為兩類：平面機構(gòu)和空間機構(gòu)。其中平面機構(gòu)可細分為平面移動機構(gòu)、平面移動轉(zhuǎn)動機構(gòu)；空間機構(gòu)可細分為空間純移動機構(gòu)、空間純轉(zhuǎn)動機構(gòu)和空間混合運動機構(gòu)。按照并聯(lián)機構(gòu)的自由度來分，有以下幾類：兩自由度并聯(lián)機構(gòu)、三自由度并聯(lián)機構(gòu)、四自由度并聯(lián)機構(gòu)、五自由度并聯(lián)機構(gòu)、六自由度并聯(lián)機構(gòu)。1. 兩自由度并聯(lián)機構(gòu)兩自由度并聯(lián)機構(gòu)是并聯(lián)機構(gòu)領(lǐng)域中，自由度最少的機構(gòu)。依據(jù)結(jié)構(gòu)形式可分為

12、平面結(jié)構(gòu)和球面結(jié)構(gòu)兩大類，主要適用于平面或球面定位。兩自由度并聯(lián)機構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式如5-R、3-R-2-P（R表示轉(zhuǎn)動副、P表示移動副），如圖111所示，是球面2自由度5R對稱并聯(lián)機構(gòu)，由5個轉(zhuǎn)動副首尾相連，5個轉(zhuǎn)動副的軸線匯交于一點（轉(zhuǎn)動中心），這種機構(gòu)的輸出參考點具有沿球面移動的2個自由度。圖Error! No text of specified style in document.11 2自由度5R并聯(lián)機構(gòu)平面兩自由度并聯(lián)機器人是指能夠?qū)崿F(xiàn)平面2個移動自由度法機器人。平面2自由度并聯(lián)機構(gòu)主要應(yīng)用于在空間內(nèi)定位平面內(nèi)的點，能實現(xiàn)平面上任意軌跡。平面5桿機構(gòu)是最典型的2自由度并聯(lián)機構(gòu)，這類機構(gòu)一

13、般具有2個移動運動。如圖112所示，為北京華航唯實機器人科技有限公司開發(fā)的一種五連桿機器人，該機器人能夠安裝在普通六關(guān)節(jié)機器人末端，作為末端執(zhí)行器使用，可應(yīng)用于激光切割等非接觸式加工，具有小軌跡切割精度高、剛性強等特點。圖Error! No text of specified style in document.12五連桿機器人2. 三自由度并聯(lián)機構(gòu)三自由度并聯(lián)機構(gòu)種類較多，形式較復雜，如圖113所示，為三自由度并聯(lián)機器人的一種，一般三自由度并聯(lián)機構(gòu)具有以下幾種形式：（1）平面三自由度并聯(lián)機構(gòu)，如3-RPR機構(gòu)。（2）球面三自由度并聯(lián)機構(gòu)，如3-RRR球面機構(gòu)、3-UPS-1-S球面機構(gòu)。其中

14、3-RRR球面機構(gòu)所有運動副的軸線匯交于空間一點，這點稱為機構(gòu)的中心點；而3-UPS-1-S球面機構(gòu)則以S的中心點為機構(gòu)的中心，機構(gòu)上的所有點的運動都是繞該點的轉(zhuǎn)動運動。（3）三自由度移動并聯(lián)機構(gòu)，如Star Like并聯(lián)機構(gòu)、T阿斯并聯(lián)機構(gòu)和DELTA機構(gòu)，該類機構(gòu)的運動學正、反解都很簡單，是一種應(yīng)用很廣泛的三維移動空間機構(gòu)。（4）空間三自由度并聯(lián)機構(gòu)，如典型的3-RPS機構(gòu)，這類機構(gòu)屬于欠秩機構(gòu)，在工作空間內(nèi)，不同的點其運動形式不同是最顯著的特點。由于這種特殊的運動特性，阻礙了該類機構(gòu)在實際中的廣泛應(yīng)用。（5）還有一類是增加輔助桿件和運動副的空間機構(gòu)，如德國漢諾威大學研制的并聯(lián)機床采用的3

15、-UPS-1-PU球坐標式三自由度并聯(lián)機構(gòu)，由于輔助桿件和運動副的制約，使得該機構(gòu)的運動平臺具有1個移動和2個轉(zhuǎn)動的運動。圖Error! No text of specified style in document.13三自由度并聯(lián)機器人3. 四自由度并聯(lián)機構(gòu)四自由度并聯(lián)機構(gòu)大多不是完全并聯(lián)機構(gòu)，如2-UPS-1-RRRR機構(gòu)，運動平臺通過3個支鏈與定平臺相連，有2個運動鏈是相同的，各具有1個虎克鉸U、1個移動副P，其中P和其中一個的R是驅(qū)動副，因此這種機構(gòu)不是完全并聯(lián)機構(gòu)。4. 五自由度并聯(lián)機構(gòu)國際上一直認為不存在全對稱五自由度并聯(lián)機器人機構(gòu)。相對而言，非對稱五自由度并聯(lián)機構(gòu)比較容易綜合。L

16、ee和Park在1999年提出一種結(jié)構(gòu)復雜的雙層5自由度并聯(lián)機構(gòu)，Jin等在2001年綜合出具有三個移動自由度和兩個轉(zhuǎn)動自由度的非對稱5自由度并聯(lián)機構(gòu)，高峰等在2002年通過給六自由度并聯(lián)機構(gòu)添加一個五自由度約束分支的方法，綜合出兩種5自由度并聯(lián)機構(gòu)。5. 六自由度并聯(lián)機構(gòu)六自由度并聯(lián)機構(gòu)是并聯(lián)機器人機構(gòu)中的一大類，是國內(nèi)外學者研究的最多的并聯(lián)機構(gòu)，如圖114所示，為六自由度并聯(lián)機器人中的一種，它們廣泛應(yīng)用在飛行模擬器、6維力與力矩傳感器和并聯(lián)機床等領(lǐng)域。但這類機構(gòu)有很多關(guān)鍵性技術(shù)沒有或沒有完全得到解決，比如其運動學正解、動力學模型的建立以及并聯(lián)機床的精度標定等。從完全并聯(lián)的角度出發(fā)，這類機構(gòu)

17、必須具有6個運動鏈。但在現(xiàn)有的并聯(lián)機構(gòu)中，也有擁有3個運動鏈的六自由度并聯(lián)機構(gòu)，如3-PRPS和3-URS等機構(gòu)，還有在3個分支的每個分支上附加一個5桿機構(gòu)作為驅(qū)動機構(gòu)的六自由度并聯(lián)機構(gòu)等。圖Error! No text of specified style in document.14 6自由度并聯(lián)機器人示意圖1.1.2 根據(jù)用途分類工業(yè)機器人就是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機械手或多自由度機器人。其按用途可以分為搬運機器人、噴涂機器人、焊接機器人和裝配機器人等。1. 搬運機器人這種機器人用途很廣，一般只需點位控制。即被搬運零件無嚴格的運動軌跡要求，只要求始點和終點位姿準確。如機床上用的上下料機器人，工件堆垛機器人，注塑機配套用的機械等，如圖115所示為ABB IRB 6620LX工業(yè)機器人，用于機器管理和物料搬運。圖Error! No text of specified style in document.15 ABB IRB 66220LX直線軸工業(yè)機器人2. 噴涂機器人這種機器人多用于噴漆生產(chǎn)線上，重復位姿精度要求不高。但由于漆霧易燃，一般采用液壓驅(qū)動或交流伺服電機驅(qū)動，如圖116所示為ABB IRB 52噴涂機器人，廣泛應(yīng)用于各行業(yè)中小零部件的噴涂。圖Error! No text of specified style in document.16 ABB IR