工业机器人
2. 学科范围
机器人学所涉及的学科范围主要有：（1）力学：主要包括工程力学、弹塑性力学、结构力学等；（2）机器人拓扑学：主要包括结构拓扑学即拓扑结构类型综合与优选；（3）机械学；（4）电子学与微电子学；（5）控制论；（6）计算机；（7）生物学；（8）人工智能；（9）系统工程等。这些多学科领域知识的交叉和融入，是机器人技术得以发展、拓宽、延伸的基础，也是学习和运用机器人技术的基础。随着机器人技术不断向新的领域拓展，其学科范围亦将更加宽阔。
0.2 机器人的分类
应用于不同领域的机器人，可按照不同的功能、目的、用途、规模、结构、坐标、驱动方式等分成很多类型。目前国内外尚无统一的分类标准，参考国内外有关资料，本书将机器人分类问题作如下探讨：
0.2.1 按机器人的开发内容与应用分类
按开发内容与应用机器人可分为三大类：
1. 工业机器人（Industrial Robot）
工业机器人是在工业生产中使用的机器人的总称，主要用于完成工业生产中的某些作业。依据具体应用目的的不同，又常常以其主要用途命名。
焊接机器人，是到现在为止应用最多的工业机器人，包括点焊和弧焊机器人，用于实现自动化焊接作业；装配机器人，比较多地用于电子部件或电器的装配；喷漆机器人，代替人进行各种喷漆作业；搬运、上下料、码垛机器人，它们的功能都是根据工况要求的速度和精度，将物品从一处运到另一处；还有很多机器人，如将金属溶液浇到压铸机中的浇铸机器人等。应该说，并不是只有机器人可以完成这些工作，很多工作都可以用专门的机器完成。
工业机器人的优点在于它可以通过程序的更改，方便迅速地改变工作内容或方式，来满足生产要求的变化。比如，改变焊缝轨迹，改变喷漆位置，变更装配部件或位置等。随着对工业生产线的柔性要求越来越强，对各种工业机器人的需求也就越来越广泛。
2. 操纵型机器人（Teleoperator Robot）
主要用于非工业生产的各种作业，其又可分为服务型机器人与特种作业机器人等。
服务型机器人通常是可移动的，在多数情况下，服务型机器人由一个移动平台构成，在平台上装有一只或几只手臂，代替或协助人完成为人类提供服务和安全保障的各种工作。如清洁、护理、娱乐和执勤等。
除以上服务型机器人外，还有一些其他种类的特种作业机器人。如水下机器人，又称水下无人深潜器，代替人在水下这一危险的环境中作业。人类借助潜水器具潜入到大海之中探秘，已有很长的历史。人类已可以利用深海潜水器具潜入深海。然而，由于危险很大，而且费用极高，所以人类寻找代替人亲自冒险的技术，水下机器人变成了人们十分关注的发展方向。
还有一些特种机器人。如墙壁清洗机器人(图0.3)、爬缆索机器人(图0.4)以及管内移动机器人(图0.5)等。这些机器人都是根据某种特殊目的设计的特种作业机器人，为帮助人们完成一些高强度、高危险、或人类无法完成的工作提供了很大方便。
图0.3 墙壁清洗机器人
图0.4 爬缆索机器人 图0.5 管内移动机器人
3. 智能机器人（Intelligent Robot）
智能机器人是具有多种内、外部传感器组成的感觉系统，不仅可以感知内部关节的运行速度、力的大小等参数，还可以通过外部传感器，如视觉传感器、触觉传感器等，对外部环境信息进行感知、提取、处理并做出适当的决策，在结构或半结构化环境中自主完成某项任务。目前，智能机器人尚处于研究和发展阶段。
智能机器人的发展方向大致有两种，一种是类人型智能机器人，这是人类梦想的机器人；另一种则是外形并不像人，但具有机器智能。
本书将主要按照这一分类方法逐次介绍，且着重介绍工业机器人技术基础，其它机器人技术将予以简介。
0.2.2 按机器人的发展程度分类
按照机器人从低级到高级的发展程度分类可分为：
1. 第一代机器人
第一代机器人主要指只能以“示教再现”方式工作的工业机器人，称为“示教再现”型。示教内容为机器人操作结构的空间轨迹、作业条件、作业顺序等。
所谓示教，即由人“教”机器人运动的轨迹、停留点位、停留时间等。然后，机器人依照教给的行为、顺序和速度重复运动，即所谓的“再现”。示教可由操作员“手把手”地进行。比如，操作人员抓住机器人上的喷枪，把喷漆时要走的位置走一遍，机器人记住了这一连串运动，工作时自动重复这些运动，从而完成给定位置的喷漆工作。这种方式是“手把手示教”。但是，比较普遍的示教方式是通过控制面板。操作人员利用控制面板上的开关或键盘来控制机器人一步一步地运动，机器人自动记录下每一步，然后重复。目前在工业现场应用的机器人大多属于这一代。
2. 第二代机器人
第二代机器人带有一定的能对环境感知的装置，通过反馈控制，使机器人能在一定程度上适应变化的环境。这样的技术，现在正越来越多地应用在机器人上。比如焊缝跟踪技术。机器人焊接的过程一般是通过示教方式给出机器人的运动曲线，机器人携带焊枪走这个曲线，进行焊接。这就要求工件的一致性要好，也就是说工件被焊接的位置必须十分准确。否则，机器人走的曲线和工件上的实际焊缝位置将产生偏差。焊缝跟踪技术是在机器人上加一个传感器，通过传感器感知焊缝的位置，再通过反馈控制，机器人会自动跟踪焊缝，从而对示教的位置进行修正，即使实际焊缝相对于原始设定的位置有变化，机器人仍然可以很好地完成焊接工作。
3. 第三代机器人
第三代机器人是智能机器人。它具有多种感知功能，可进行复杂的逻辑思维，判断决策，在作业环境中独立行动。它具有发现问题．且能自主地解决问题的能力。
这类机器人带有多种传感器，使机器人可以知道其自身的状态，比如在什么位置，自身的系统是否有故障等。且可通过装在机器人身上或者在工作环境中的传感器感知外部的状态，比如发现道路与危险地段，测出与协作机器的相对位置与距离、相互作用的力等。机器人能够根据得到的这些信息，进行逻辑推理，判断决策，在变化的内部状态与变化的外部环境中，自主决定自身的行为。这类机器人具有高度的适应性和自治能力。这是人们努力使机器人达到的目标，科学家多年来一直在不懈地研究，出现了很多各具特点的试验装置和大量新方法、新思想。但是，在已应用的机器人中，机器人的自适应技术还是十分有限的，但它是机器人今后发展的方向。
工业生产中的应用 工业机器人在工业生产中能代替人做某些单调、频繁和重复的长时间作业，或是危险、恶劣环境下的作业，例如在冲压、压力铸造、热处理、焊接、涂装、塑料制品成形、机械加工和简单装配等工序上，以及在原子能工业等部门中，完成对人体有害物料的搬运或工艺操作。
20世纪50年代末，美国在机械手和操作机的基础上，采用伺服机构和自动控制等技术，研制出有通用性的独立的工业用自动操作装置，并将其称为工业机器人；60年代初，美国研制成功两种工业机器人，并很快地在工业生产中得到应用；1969年，美国通用汽车公司用21台工业机器人组成了焊接轿车车身的自动生产线。此后，各工业发达国家都很重视研制和应用工业机器人。
由于工业机器人具有一定的通用性和适应性，能适应多品种中、小批量的生产，70年代起，常与数字控制机床结合在一起，成为柔性制造单元或柔性制造系统的组成部分。
工业机器人由主体、驱动系统和控制系统三个基本部分组成。主体即机座和执行机构，包括臂部、腕部和手部，有的机器人还有行走机构。大多数工业机器人有3～6个运动自由度，其中腕部通常有1～3个运动自由度；驱动系统包括动力装置和传动机构，用以使执行机构产生相应的动作；控制系统是按照输入的程序对驱动系统和执行机构发出指令信号，并进行控制。
工业机器人按臂部的运动形式分为四种。直角坐标型的臂部可沿三个直角坐标移动；圆柱坐标型的臂部可作升降、回转和伸缩动作；球坐标型的臂部能回转、俯仰和伸缩；关节型的臂部有多个转动关节。
工业机器人按执行机构运动的控制机能，又可分点位型和连续轨迹型。点位型只控制执行机构由一点到另一点的准确定位，适用于机床上下料、点焊和一般搬运、装卸等作业；连续轨迹型可控制执
