1.1.1 工业机器人的定义和分类

1．工业机器人定义

工业机器人是一种通过重复编程和自动控制，能够完成制造过程中某些操作任务的多功能、多自由度的机电一体化自动机械装备和系统，它结合制造主机或生产线，可以组成单机或多机自动化系统，在无人参与下，实现搬运、焊接、装配和喷涂等多种生产作业。

国际标准化组织（ISO）对机器人的定义如下：

1）机器人的动作机构具有类似于人或其他生物体的某些器官（肢体、感受等）的功能；

2）机器人具有通用性，工作种类多样，动作程序灵活易变；

3）机器人具有不同程度的智能性，如记忆、感知、推理、决策、学习等；

4）机器人具有独立性，完整的机器人系统在工作中可以不依赖于人的干预。

2．工业机器人分类

机器人的机械配置形式多种多样，典型机器人的机构运动特征是用其坐标特性来描述的。按机构运动特征，机器人通常可分为直角坐标机器人、柱面坐标机器人、球面坐标机器人和多关节型机器人等类型。

（1）直角坐标机器人

直角坐标机器人具有空间上相互垂直的两根或三根直线移动轴（如图1-1所示），通过直角坐标方向的3个独立自由度确定其手部的空间位置，其动作空间为一长方体。直角坐标机器人结构简单，定位精度高，空间轨迹易于求解；但其动作范围相对较小，设备的空间因数较低，实现相同的动作空间要求时，机体本身的体积较大。主要用于印制电路基板的元器件插入、紧固螺钉等作业。

（2）柱面坐标机器人

柱面坐标机器人的空间位置机构主要由旋转基座、垂直移动和水平移动轴构成（如图1-2所示），具有一个回转和两个平移自由度，其动作空间呈圆柱形。这种机器人结构简单、刚性好，但缺点是在机器人的动作范围内，必须有沿轴线前后方向的移动空间，空间利用率较低，主要用于重物的装卸、搬运等作业。著名的Versatran机器人就是一种典型的柱面坐标机器人。

（3）球面坐标机器人

球面坐标机器人如图1-3所示，其空间位置分别由旋转、摆动和平移3个自由度确定，动作空间形成球面的一部分。其机械手能够做前后伸缩移动、在垂直平面上摆动以及绕底座在水平面上转动。著名的Unimate就是这种类型的机器人。其特点是结构紧凑，所占空间体积小于直角坐标和柱面坐标机器人，但仍大于多关节型机器人。

（4）多关节型机器人

由多个旋转和摆动机构组合而成。这类机器人结构紧凑、工作空间大、动作最接近人的动作，对喷漆、装配、焊接等多种作业都有良好的适应性，应用范围越来越广。不少著名的机器人都采用了这种型式，其摆动方向主要有垂直方向和水平方向两种，因此这类机器人又可分为垂直多关节机器人和水平多关节机器人。如美国Unimation公司20世纪70年代末推出的机器人PUMA（如图1-4所示）就是一种垂直多关节机器人，而日本山梨大学研制的机器人SCARA（如图1-5所示）则是一种典型的水平多关节机器人。

垂直多关节机器人模拟了人类的手臂功能，由垂直于地面的腰部旋转轴（相当于大臂旋转的肩部旋转轴）带动小臂旋转的肘部旋转轴以及小臂前端的手腕等构成。手腕通常由2～3个自由度构成。其动作空间近似一个球体，所以也称为多关节球面机器人。其优点是可以自由地实现三维空间的各种姿势，可以生成各种复杂形状的轨迹。相对机器人的安装面积，其动作范围很宽。缺点是结构刚度较低，动作的绝对位置精度比较低。它广泛应用于代替人完成的装配作业、货物搬运、电弧焊接、喷涂、点焊接等作业场合。

水平多关节机器人在结构上具有串联配置的两个能够在水平面内旋转的手臂，其自由度可以根据用途选择为2～4个，动作空间为一圆柱体。水平多关节机器人的优点是在垂直方向上的刚性好，能方便地实现二维平面上的动作，在装配作业中得到普遍应用。