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机械制造装备设计
文章资源：工业机器人
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第四章 工业机器人的设计
(一)机器人的定义
机器人是二十世纪出现的新名词，可以广义地把机器人理解为模仿人的机器。随着机器人的发展，其模仿人的能力逐步在提高。
工业机器人是用于生产的机器人。本世纪20年代出现了一种附属在自动机、自动线上，代替人传递和装卸工件的机械手。40年代出现了由作业者直接控制的半自动化操作机，60年代出现了可以自动控制的实现多种操作的工业机器人。
工业机器人发展非常迅速，模仿人的能力越来越强，已经开始出现具有学习和推理能力的智能机器人。
工业机器人及工作原理
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从模仿能力意义上来看，也可以把机械手、操作机和工业机器人统称为“工业机器人”。
目前世界各国对机器人还没有一个统一的定义。
我国国家标准GB／T12643—90将工业机器人定义为“是一种能自动控制、可重复编程、多功能、多自由度的操作机，能搬运材料、工件或操持工具，用以完成各种作业”。
将操作机定义为“具有和人手臂相似的动作功能，可在空间抓放物体或进行其它操作的机械装置”
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(二) 工业机器人的基本工作原理
基本工作原理是通过操作机上各运动构件的运动，自动地实现手部作业的动作功能及技术要求。
1)二者的末端执行器都有位姿变化要求，如机床在加工过程中，刀具相对工件有位姿变化要求，机器人的手部在作业过程中相对机座也有位姿变化要求；
2)二者都是通过坐标运动来实现末端执行器的位姿变化要求。
3)机床以按直角坐标形式运动为主，而机器人以按关节形式运动为主；
4)机床对刚度、精度要求很高，其灵活性相对较低；而机器人对灵活性要求很高，其刚度、精度相对较低。
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(1)操作机
操作机是机器人的机械本体，也可称为主机
通常由末端执行器及机座组成。
操作机具有和人手臂相似的动作功能，其运动功能与机床一样，一般也是由各个运动单元串联组成。
(2)驱动单元
由驱动装置(如电动机、液压或气压装置)、减速器和内部检测元件等组成，为操作机各运动部件提供动力和运动。
(3)控制装置
由检测和控制两部分组成，用来控制驱动单元，检测其运动参数并进行反馈。
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2．工业机器人的组成
一般由执行机构、控制系统、驱动系统三部分组成：
⑴ 执行机构
执行机构是一种具有和人手臂相似的动作功能，可在空间抓放物体或执行其他操作的机械装置，通常包括机座、手臂、手腕和末端执行器。
① 末端执行器 末端执行器（或称手部）是机器人直接执行工作的装置，可安装夹持器、工具、传感器等。夹持器可分为机械夹紧、真空抽吸、液压夹紧、磁力吸附等。
② 手腕 手腕是联接手臂与末端执行器的部件，用以调整末端执行器的方位和姿态。
③ 手臂 手臂是支承手腕与末端执行器的部件。它由动力关节和连杆组成，用来改变末端执行器的空间位置。
④ 机座 机座是工业机器人的基础部件，并承受相应的载荷，机座分为固定式和移动式。
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⑵ 控制系统
控制系统用来控制工业机器人按规定要求动作。可分为开环控制系统和闭环控制系统。大多数工业机器人采用计算机控制，这类控制系统分为决策级、策略级和执行级三级：决策级的功能是识别环境、建立模型、将作业任务分解为基本动作序列；策略级将基本动作变为关节坐标协调变化的规律，分配给各关节的伺服系统；执行级给出各关节伺服系统的具体指令。
⑶ 驱动系统
驱动系统是按照控制系统发出的控制指令将信号放大，驱动执行机构运动的传动装置。
除此之外，机器人可以配置多种传感器（如位置、力、触角、视觉等传感器），用以检测其运动位置和工作状态。
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工业机器人的分类

(1)关节型机器人(图a)
所谓关节就是运动副，由于关节型机器人的动作类似人的关节动作，故将其运动副称为关节。
一般的关节指回转运动副，但关节型机器人中有时也包含有移动运动副，为了方便，可统称为关节，包括回转运动关节和直线运动关节。
关节型机器人的特点是灵活性好，工作空间范围大(同样占地面积情况下)，但刚度和精度较低。
(2)球坐标型机器人(图b)
又称极坐标型，按球坐标形式动作(运动)。
其特点是灵活性好，工作空间范围大，但刚度、精度较差。
(3)圆柱坐标型机器人(图c)
按圆柱坐标形式动作。
其特点是灵活性较好，工作空间范围较大，刚度、精度较好。
(4)直角坐标型机器