一、工业机器人的定义及发展

机器人问世已有几十年，但没有一个统一的意见。原因之一是机器人还在发展，另一原因主要是因为机器人涉及到了人的概念，成为一个难以回答的哲学问题。也许正是由于机器人定义的模糊，才给了人们充分的想象和创造空间。 1987年国际标准化组织(ISO)对工业机器人的定义：“工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能，能完成各种作业的编程操作机。我国科学家对机器人的定义是：“机器人是一种自动化的机器，这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器”。尽管各国定义不同，但基本上指明了工业机器人所具有的三个特性：

1) 是一种自动机械装置，可以搬运材料、零件或完成多种操作和动作功能；

2) 可以再编程，程序流程可变，即具有柔性(适应性）。

3) 可以在无人参与下，自动完成多种操作或动作功能，即具有通用性。

1954年，美国人George C. Devol 提出了第一个工业机器人方案并在1956年获得美国专利。1960年，Conder公司购买专利并制造了样机。1961年，Unimation公司（通用机械公司）成立，生产和销售了第一台工业机器“Unimate”，即万能自动之意。1962年，A.M.F.（机械与铸造）公司，研制出一台数控自动通用机，取名“Versatran”，即多用途搬运之意并以“Industrial Robot”为商品广告投入市场。

日本、西欧各国、前苏联也相断引进或自行研制工业机器人。60～70年代是机器技术获得巨大发展的阶段。80年代，机器人在发达国家的工业中大量普及应用，如焊接、喷漆、搬运、装配。并向各个领域拓展，如航天、水下、排险、核工业等，机器人的感知技术

得到相应的发展，产生第二代机器人。90年代，机器人技术在发达国家应用更为广泛，如军用、医疗、服务、娱乐等领域，并开始向智能型（第三代）机器人发展。

二、工业机器人的组成

工业机器人一般由主构架（手臂）、手腕、驱动系统、测量系统、控制器及传感器等组成。

工业机器人的运动由主构架和手腕完成。主构架具有三个自由度，其运动由两种基本运动组成，即沿着坐标轴的直线移动和绕坐标轴的回转运动。不同运动的组合形成各种类型的机器人，工业机器人的基本结构形式有：直角坐标型（a中有三个直线坐标轴）；圆柱坐标型（b中有两个直线坐标轴和一个回转轴）；球坐标型（c中有一个直线坐标轴和两个回转轴）；关节型（d中有三个回转轴关节，e中有三个平面运动关节）。

三、 机器人机械设计的步骤

1、作业分析

作业分析包括任务分析和环境分析，不同的作业任务和环境对机器人操作及的方案设计有着决定性的影响。

2、方案设计

（1）确定动力源

（2）确定机型

（3）确定自由度

（4）确定动力容量和传动方式

（5）优化运动参数和结构参数

（6）确定平衡方式和平衡质量

（7）绘制机构运动简图

3、结构设计

包括机器人驱动系统、传动系统的配置及结构设计，关节及杆件的结构设计，平衡机构的设计，走线及电器接口设计等。

4、动特性分析

估算惯性参数，建立系统动力学模型进行仿真分析，确定其结构固有频率和响应特性。

5、施工设计

完成施工图设计，编制相关技术文件。

四、工业机器人的驱动与传动系统结构

工业机器人的驱动与传动系统结构在机器人机械系统中，驱动器通过联轴器带动传动装置(一般为减速器)，再通过关节轴带动杆件运动。机器人一般有两种运动关节——转动关节和移(直)动关节。为了进行位置和速度控制，驱动系统中还包括位置和速度检测元件。检测元件类型很多，但都要求有合适的精度、连接方式以及有利于控制的输出方式。对于伺服电机驱动，检测元件常与电机直接相联；对于液压驱动，则常通过联轴器或销轴与被驱动的杆件相联。驱动—传动系统的构成1—码盘；2 —测速机；3 —电机；4 —联轴器；5 —传动装置；6 —转动关节；7 —杆8 —电机；9 —联轴器；10 —螺旋副；11 —移动关节；12 —电位器(或光栅尺)

（1）驱动器

1．电动驱动器

电动驱动器的能源简单，速度变化范围大，效率高，速度和位置精度都很高。但它们多与减速装置相联，直接驱动比较困难。步进电机驱动多为开环控制，控制简单但功率不大，多用于低精度小功率机器人系统。

2. 液压驱动器

液压驱动的优点是功率大，可省去减速装置而直接与被驱动的杆件相连，结构紧凑，刚度好，响应快，伺服驱动具有较高的精度。但需要增设液压源，易产生液体泄漏，适合高、低温场合，故液压驱动目前多用于特大功率的机器人系统。

3．气动驱动器

气压驱动的结构简单，清洁，动作灵敏，具有缓冲作用。但与液压驱动器相比，功率较小，刚度差，噪音大，速度不易控制，所以多用于精度不高的点位控制机器人。

驱动器的选择应以作业要求、生产环境为先决条件，以价格高低、技术水平为评价标准。一般说来，目前负荷为100 kg 以下的,可优先考虑电动驱动器；只须点位控制且功率较小者，可采用气动驱动器；负荷较大或机器人周围已有液压源的场合，可采用液压驱动器。对于驱动器来说，最重要的是要求起动力矩大，调速范围宽，惯量小，尺寸小，同时还要有性能好的、与之配套的数字控制系统。 机器人几乎使用了目前出现的绝大多数传动机构，其中最常用的为谐波传动、RV摆线针轮行星传动和滚动螺旋传动。

（2） 机器人的常用传动机构

机器人传动机构的基本要求：

结构紧凑，即同比体积最小、重量最轻； 传动刚度大，即承受扭矩时角度变形要小，以提高整机的固有频率，降低整机的低频振动； 回差小，即由正转到反转时空行程要小，以得到较高的位置控制精度；寿命长、价格低。

四、工业机器人操作机的机械结构

工业机器人操作机由机座、立柱、手臂、手腕和手部等部分组成，

一、手臂

手臂是操作机的主要运动部件，它用来支承手腕和手部，并用来调整手部在空间的位置。手臂一般至少应有三个自由度。手臂的直线运动多数通过液压（气）缸驱动来实现，也可通齿轮齿条、滚珠丝杠、直线电动机来实现。回转运动可通过蜗轮蜗杆、液压缸活塞杆上齿条驱动齿轮的方式等。PUMA型工业机器人是由直流伺服电动机驱动的六自由度关节型工业机器人，7

二、手腕

手腕是联结手臂和手部的部件，其功能是在手臂和腰部实现了手部在空间的三个位置坐标的基础上，再由手腕来实现手部在作业空间的三个姿态坐标，即实现三个旋转自由度。通过机械接口联接并支承的手部。手腕一般由弯曲式关节和转动式关节组成。

三、手部

手部装在操作机手腕的前端，它是操作机直接执行工作的装置，分为机械夹

持器、专用工具和万能手三类。

五、 工业机器人运动学和力学分析

一、工业机器人运动学

坐标系的建立原则 坐标系的建立原则

杆件坐标系间的变换过程 杆件坐标系间的变换过程

-

（ （1 1） ） 旋转矩阵 旋转矩阵

7.3 7.3 工业机器人运动学和力学分析 工业机器人运动学和力学分析

工业机器人力学分析主要包括静力学分析和动力学分析。静力学分析是研究

操作机在静态工作条件下，手臂的受力情况；动力学分析是研究操作机各主动关

节驱动力与手臂运动的关系，从而得出工业机器人动力学方程。

1 静力学分析63

2 动力学分析

一个刚体的运动可分解为固定在刚体上的任意点的移动以及该刚体绕这一定

点的转动两部分。同样动力学方程也可以用两个方程来表达：一个用于描述

质心的移动，另一个描述绕质心的转动。前者称为牛顿运动方程，后者称为

欧拉运动方程。67

7.3 7.3 工业机器人运动学和力学分析 工业机器人运动学和力学分析

一、工业机器人控制系统的特点和基本要求

工业机器人的特点：

1）工业机器人有若干个关节，每个关节由一个伺服系统控制，多个关节的运

动要求各个伺服系统协同工作。

2）工业机器人的工作任务是要求操作机的手部进行空间点位运动或连续轨迹

运动，对工业机器人的运动控制，需要进行复杂的坐标变换运算，以及矩阵函数

的逆运算。

3）工业机器人的数学模型是一个多变量、非线性和变参数的复杂模型，各变

量之间还存在着耦合，因此工业机器人的控制中经常使用前馈、补偿、解耦和自

适应等复杂控制技术。

4）较高级的工业机器人要求对环境条件、控制指令进行测定和分析，采用计

算机建立信息库，用人工智能的方法进行控制、决策、管理和操作，按照给定的

要求，自动选择最佳控制规律。69

7.4 7.4 工业机器人的控制系统 工业机器人的控制系统

对工业机器人控制系统的基本要求有：

1）实现对工业机器人的位姿、速度、加速度等的控制功能，对于连续轨迹运

动的工业机器人还必须具有轨迹的规划与控制功能。

2）方便的人-机交互功能，操作人员采用直接指令代码对工业机器人进行作

业指示。

3）具有对外部环境的检测和感觉功能。

4）具有诊断、故障监视等功能。70

7.4 7.4 工业机器人的控制系统 工业机器人的控制系统

二、工业机器人控制系统的分类

1 程序控制系统

绝大多数第一代机器人属于程序控制机器人。

2 适应性控制系统

适应性控制系统多用于第二代工业机器人。71

工业机器人的控制系统

3 智能控制系统

智能控制系统是最高级、最完善的控制系统，在外界环境变化不定的条件下，

为了保证所要求的品质，控制系统的结构和参数能自动改变，框图如图7-28。72

7.4 7.4 工业机器人的控制系统 工业机器人的控制系统

三、工业机器人的控制系统

目前大部分工业机器人都采用二级计算机控制，第一级为主控制级，第二级

为伺服控制级。系统框图如图7-29所示。

主控制级由主控制计算机及示教盒等外围设备组成，主要用以接受作业指

令、协调关节运动、控制运动轨迹、完成作业操作。伺服控制级为一组伺服控制

系统，其主体亦为计算机，每一伺服控制系统对应一个关节，用于接收主控制计

算机向各关节发出的位置、速度等运动指令信号。73

系统的工作过程是：

操作人员利用控制键盘或示教盒输入作业要求，如要求工业机器人手部在两

点之间作连续轨迹运动。主控制计算机完成以下工作：分析解释指令、坐标变

换、插补运算、矫正计算，最后求取相应的各关节协调运动参数。坐标变换用坐

标变换原理，根据运动学方程和动力学方程计算工业机器人与工件关系、相对位

置和绝对位置关系；插补运算是用直线的方式解决示教点之间的过渡问题；矫正

计算是为保证在手腕各轴运动过程中保持与工件的距离和姿态不变对手腕各轴的

运动误差补偿量的计算。运动参数输出到伺服控制级作为各关节伺服控制系统的

给定信号，实现各关节的确定运动。控制操作机完成两点间的连续轨迹运动，操

作人员可直接监视操作机的运动，也可以从显示器控制屏上得到有关的信息。这

一过程反映了操作人员、主控制级、伺服控制级和操作机的关系。74

1 主控制级

主控制级的主要功能是建立操作和工业机器人之间的信息通道，传递作业指

令和参数、反馈工作状态、完成作业所需的各种计算、建立与伺服控制级之

间的接口。主要由以下几个部分组成：

（1）主控制计算机

主要完成从作业任务、运动指令到关节运动要求之间的全部运算，完成机器

人与所有设备之间的运动协调。对主控制计算机硬件方面的主要要求是运算

速度和精度、存储容量及中断处理能力。

（2）主控制软件

工业机器人控制编程软件是工业机器人控制系统的重要组成部分，其功能主

要包括：指令的分析解释、运动的规划、插值计算和坐标变换。

（3）外围设备

主控制级除具有显示器、控制键盘等一般外围设备外，还具有示教控制盒。75

7.4 7.4 工业机器人的控制系统 工业机器人的控制系统

2 伺服控制级

伺服控制级由一组伺服控制系统组成，每一个伺服控制系统分别驱动操作机

的一个关节。主要由以下几个部分组成：

（1）伺服驱动器

电伺服驱动器通常由伺服电动机、位置传感器、速度传感器和制动器组成。

伺服电动机的输出轴直接与操作机关节轴相联结，以完成关节运动的控制和

关节位置、速度的控制。

（2）伺服控制器

伺服控制器的基本部件是比较器、误差放大器和运算器。输入信号除参考信

号外，还有各种反馈信号。76

7.5 7.5 工业机器人的应用 工业机器人的应用

目前，工业机器人主要应用于汽车制造、机械制造、电子器件、集成

电路、塑料加工等较大规模生产企业。下面介绍几种机器人的典型应用。

二、工业机器人从事危险作业

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