一、工業機器人的發展背景
1920年，捷克劇作家(jia)卡里洛(luo)·奇別克在其科幻劇本《羅(luo)薩(sa)姆萬能機(ji)器(qi)人(ren)制造公(gong)司》（Rossum's Universal Robots）首次使用了ROBOT這個名詞(ci)，之(zhi)后(hou)便(bian)成(cheng)為機(ji)器(qi)人(ren)的(de)代名詞(ci)。
1938年3月(yue)，The Meccano Magazine報(bao)道(dao)了一款搬運機器(qi)人(ren)(ren)模型(xing)，這是最早的(de)關(guan)于(yu)(yu)(yu)以(yi)工(gong)業(ye)應(ying)用為(wei)目(mu)標的(de)機器(qi)人(ren)(ren)模型(xing)的(de)報(bao)道(dao)。它由GriffithP．Taylor于(yu)(yu)(yu)1935年設計，可以(yi)通過一個電動(dong)機實現5個軸(zhou)的(de)運動(dong)。到了1954年，美國的(de)G.C.Devol設計出第(di)一臺電子可編程(cheng)序的(de)工(gong)業(ye)機器(qi)人(ren)(ren)。而1960年美國AMF公司生產了柱坐標型(xing)Versatran機器(qi)人(ren)(ren)，可進行點位(wei)和軌(gui)跡控制，這是世界上(shang)第(di)一種(zhong)應(ying)用于(yu)(yu)(yu)工(gong)業(ye)生產的(de)機器(qi)人(ren)(ren)。
在(zai)1974年，Cincinnati Milacron公(gong)司成功開發了多(duo)關(guan)節機(ji)器(qi)(qi)人(ren)。到了1979年，Unimation公(gong)司推出(chu)PUMA機(ji)器(qi)(qi)人(ren)，它是(shi)一種多(duo)關(guan)節、全電機(ji)驅(qu)動、多(duo)CPU二級(ji)控制(zhi)的機(ji)器(qi)(qi)人(ren)，采(cai)用VAL專用語言，可配(pei)視覺(jue)、觸覺(jue)、力(li)覺(jue)傳感(gan)(gan)器(qi)(qi)，在(zai)當(dang)時(shi)(shi)是(shi)技術最(zui)先進的工(gong)業(ye)(ye)機(ji)器(qi)(qi)人(ren)。現在(zai)的工(gong)業(ye)(ye)機(ji)器(qi)(qi)人(ren)在(zai)結(jie)構上大體都(dou)以此為基(ji)礎。這(zhe)一時(shi)(shi)期的機(ji)器(qi)(qi)人(ren)屬(shu)于“示(shi)教再現”（Teach-in/Playback）型機(ji)器(qi)(qi)人(ren)，只具有(you)記憶、存儲能力(li)，按相應程序重復(fu)作業(ye)(ye)，對(dui)周圍環境(jing)基(ji)本沒(mei)有(you)感(gan)(gan)知與反饋(kui)控制(zhi)能力(li)。
進(jin)入80年(nian)代(dai)(dai)，隨著傳感(gan)(gan)技術，包(bao)括(kuo)視(shi)覺(jue)傳感(gan)(gan)器(qi)、非(fei)視(shi)覺(jue)傳感(gan)(gan)器(qi)以及信息(xi)(xi)處理技術的(de)(de)發展，出現(xian)了第(di)二代(dai)(dai)機(ji)(ji)(ji)器(qi)人——有(you)感(gan)(gan)覺(jue)的(de)(de)機(ji)(ji)(ji)器(qi)人。它能夠獲(huo)得(de)作業(ye)(ye)環境和(he)作業(ye)(ye)對象的(de)(de)部分相(xiang)關信息(xi)(xi)，進(jin)行一定(ding)的(de)(de)實時(shi)處理，引導(dao)機(ji)(ji)(ji)器(qi)人進(jin)行作業(ye)(ye)。第(di)二代(dai)(dai)機(ji)(ji)(ji)器(qi)人已在工業(ye)(ye)生(sheng)產中得(de)到了廣泛應用(yong)。
目(mu)前各(ge)國(guo)正在研究(jiu)的(de)“智(zhi)能機器(qi)人(ren)”，它不僅(jin)具(ju)有比第二代機器(qi)人(ren)更加優秀(xiu)的(de)環境感知能力，而且還具(ju)有邏輯思維、判(pan)斷和決策能力，可根據作業(ye)要求與環境信(xin)息自主地進行工作。
二、工業機器人的應用場景
自(zi)從20世紀60年代初人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)類創造(zao)了(le)第一臺(tai)工(gong)(gong)業(ye)(ye)(ye)(ye)機(ji)(ji)(ji)器(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)以后，機(ji)(ji)(ji)器(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)就顯(xian)示(shi)出它極大的生命力(li)，在(zai)短短50多年的時間中(zhong)，機(ji)(ji)(ji)器(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)技術(shu)得到了(le)迅速(su)的發展(zhan)，在(zai)眾多制(zhi)(zhi)造(zao)業(ye)(ye)(ye)(ye)領域(yu)(yu)中(zhong)，工(gong)(gong)業(ye)(ye)(ye)(ye)機(ji)(ji)(ji)器(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)應(ying)用(yong)最(zui)廣(guang)泛的領域(yu)(yu)是汽(qi)車及汽(qi)車零部件制(zhi)(zhi)造(zao)業(ye)(ye)(ye)(ye)，并且(qie)正在(zai)不斷地(di)向其他領域(yu)(yu)拓展(zhan)，如機(ji)(ji)(ji)械加(jia)工(gong)(gong)行業(ye)(ye)(ye)(ye)、電子電氣行業(ye)(ye)(ye)(ye)、橡(xiang)膠及塑料工(gong)(gong)業(ye)(ye)(ye)(ye)、食品工(gong)(gong)業(ye)(ye)(ye)(ye)、木材與家具(ju)制(zhi)(zhi)造(zao)業(ye)(ye)(ye)(ye)等領域(yu)(yu)中(zhong)。在(zai)工(gong)(gong)業(ye)(ye)(ye)(ye)生產中(zhong)，焊(han)接機(ji)(ji)(ji)器(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)、磨拋加(jia)工(gong)(gong)機(ji)(ji)(ji)器(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)、焊(han)接機(ji)(ji)(ji)器(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)、激光加(jia)工(gong)(gong)機(ji)(ji)(ji)器(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)、噴涂機(ji)(ji)(ji)器(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)、搬運機(ji)(ji)(ji)器(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)、真空(kong)機(ji)(ji)(ji)器(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)等工(gong)(gong)業(ye)(ye)(ye)(ye)機(ji)(ji)(ji)器(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)都已被(bei)大量采用(yong)。下面是對工(gong)(gong)業(ye)(ye)(ye)(ye)機(ji)(ji)(ji)器(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)的應(ying)用(yong)場景及技術(shu)特點的一些介紹(shao)。
工業機器人(ren)的應用場景
三、工業機器人現狀
伴隨著(zhu)工(gong)業機(ji)器人的日漸興起，“機(ji)器換人”將成為(wei)趨勢(shi)。富士康此前曾宣(xuan)布(bu)，將在三(san)年(nian)內購置百萬臺機(ji)器人，預計到2016年(nian)將在山西(xi)晉(jin)城建成“世界最大智能化(hua)機(ji)器人生產基地”。
汽車、電(dian)子、食品(pin)、化(hua)工、塑膠(jiao)橡膠(jiao)、金屬制品(pin)六大制造(zao)行業(ye)，被看(kan)做是當前應用工業(ye)機器人的主要領域(yu)，機構(gou)預測未(wei)來會有100萬(wan)～200萬(wan)臺的年需(xu)求(qiu)量，占中(zhong)國工業(ye)機器人市場需(xu)求(qiu)的七成(cheng)左右。
截至今年9月份，整個中國機器(qi)人企業(ye)已達(da)近420多家。另外，目(mu)前中國各(ge)地正在建設逾30個機器(qi)人產業(ye)園(yuan)。
工(gong)(gong)業機(ji)器(qi)(qi)人(ren)之所(suo)以能在(zai)(zai)中國市(shi)場異軍突起，首先(xian)是因為(wei)在(zai)(zai)成本(ben)上，機(ji)器(qi)(qi)人(ren)通常僅(jin)為(wei)人(ren)工(gong)(gong)成本(ben)的(de)四分之一；其(qi)次，機(ji)器(qi)(qi)人(ren)在(zai)(zai)質量、效率、管理(li)等(deng)方面還能帶來很多新的(de)附加值。所(suo)以，在(zai)(zai)機(ji)器(qi)(qi)人(ren)技(ji)術快速提升(sheng)(sheng)、價格大(da)幅下(xia)降、人(ren)工(gong)(gong)短(duan)缺、人(ren)力成本(ben)上升(sheng)(sheng)等(deng)因素的(de)綜合作用下(xia)，中國的(de)工(gong)(gong)業機(ji)器(qi)(qi)人(ren)產業正處于一個井噴時代。
四、工業機器人關鍵技術
1.機器人基本系統構成
工(gong)業機(ji)器人(ren)(ren)由(you)3大(da)部(bu)(bu)分(fen)(fen)6個(ge)子(zi)系(xi)統(tong)(tong)組成。3大(da)部(bu)(bu)分(fen)(fen)是機(ji)械部(bu)(bu)分(fen)(fen)、傳感(gan)部(bu)(bu)分(fen)(fen)和控制部(bu)(bu)分(fen)(fen)。6個(ge)子(zi)系(xi)統(tong)(tong)可分(fen)(fen)為機(ji)械結構(gou)系(xi)統(tong)(tong)、驅動系(xi)統(tong)(tong)、感(gan)知系(xi)統(tong)(tong)、機(ji)器人(ren)(ren)環境交互系(xi)統(tong)(tong)、人(ren)(ren)機(ji)交互系(xi)統(tong)(tong)和控制系(xi)統(tong)(tong)。
工(gong)業機器人系統構成
1)工業機(ji)器(qi)(qi)人的機(ji)械結構(gou)系(xi)統由機(ji)座(zuo)、手(shou)(shou)臂、末端操(cao)作(zuo)(zuo)器(qi)(qi)三大(da)部分組(zu)成，每(mei)一(yi)個大(da)件都(dou)有若干個自(zi)由度的機(ji)械系(xi)統。若基座(zuo)具(ju)備行(xing)走(zou)(zou)機(ji)構(gou)，則構(gou)成行(xing)走(zou)(zou)機(ji)器(qi)(qi)人；若基座(zuo)不(bu)具(ju)備行(xing)走(zou)(zou)及彎(wan)腰機(ji)構(gou)，則構(gou)成單機(ji)器(qi)(qi)人臂。手(shou)(shou)臂一(yi)般由上(shang)臂、下臂和手(shou)(shou)腕組(zu)成。末端操(cao)作(zuo)(zuo)器(qi)(qi)是(shi)(shi)直接裝(zhuang)在手(shou)(shou)腕上(shang)的一(yi)個重(zhong)要部件，它可(ke)以是(shi)(shi)二手(shou)(shou)指或多手(shou)(shou)指的手(shou)(shou)抓，也可(ke)以是(shi)(shi)噴漆槍、焊具(ju)等作(zuo)(zuo)業工具(ju)。
2)驅(qu)(qu)動(dong)系統(tong)(tong)，要使機(ji)(ji)器人運作(zuo)起來，需要在各個關(guan)節即每個運動(dong)自由度上安(an)置傳(chuan)(chuan)動(dong)裝置，這(zhe)就是(shi)驅(qu)(qu)動(dong)系統(tong)(tong)。驅(qu)(qu)動(dong)系統(tong)(tong)可以是(shi)液壓(ya)傳(chuan)(chuan)動(dong)、氣壓(ya)傳(chuan)(chuan)動(dong)、電動(dong)傳(chuan)(chuan)動(dong)、或者把它們結(jie)合起來應用(yong)綜合系統(tong)(tong)，可以是(shi)直接驅(qu)(qu)動(dong)或者通(tong)過同步帶(dai)、鏈條(tiao)、輪系、諧波齒輪等機(ji)(ji)械傳(chuan)(chuan)動(dong)機(ji)(ji)構(gou)進行間(jian)接傳(chuan)(chuan)動(dong)。
3)感(gan)(gan)(gan)知系統(tong)由(you)內部(bu)傳感(gan)(gan)(gan)器(qi)模塊(kuai)和(he)外(wai)部(bu)傳感(gan)(gan)(gan)器(qi)模塊(kuai)組成，用以(yi)獲得內部(bu)和(he)外(wai)部(bu)環境狀態(tai)中(zhong)有(you)意義的(de)信(xin)息(xi)。智能(neng)傳感(gan)(gan)(gan)器(qi)的(de)使用提高了機器(qi)人(ren)的(de)機動(dong)性、適應性和(he)智能(neng)化的(de)水準。人(ren)類的(de)感(gan)(gan)(gan)受系統(tong)對(dui)感(gan)(gan)(gan)知外(wai)部(bu)世界信(xin)息(xi)是極其靈(ling)巧的(de)，然而，對(dui)于(yu)一些特殊(shu)的(de)信(xin)息(xi)，傳感(gan)(gan)(gan)器(qi)比人(ren)類的(de)感(gan)(gan)(gan)受系統(tong)更有(you)效(xiao)。
4)機器人(ren)環境(jing)交換系統是現代工(gong)業(ye)機器人(ren)與外部環境(jing)中的設(she)(she)備(bei)互換聯系和協調的系統。工(gong)業(ye)機器人(ren)與外部設(she)(she)備(bei)集成為一個功能單(dan)元，如(ru)加工(gong)單(dan)元、焊接單(dan)元、裝配(pei)單(dan)元等(deng)。當然，也可以是多(duo)(duo)臺機器人(ren)、多(duo)(duo)臺機床或設(she)(she)備(bei)、多(duo)(duo)個零(ling)件存儲裝置等(deng)集成為一個去執(zhi)行復雜任務的功能單(dan)元。
5)人(ren)機(ji)交換系統(tong)是操作人(ren)員與機(ji)器人(ren)控(kong)制(zhi)并(bing)與機(ji)器人(ren)聯系的裝置，例如，計算機(ji)的標準終端，指令控(kong)制(zhi)臺(tai)，信(xin)(xin)息顯示板，危險(xian)信(xin)(xin)號報(bao)警器等。該系統(tong)歸納起來(lai)分為兩大類：指令給定(ding)裝置和(he)信(xin)(xin)息顯示裝置。
6)機器人控制系統是機器人的(de)大腦，是決定機器人功能和性能的(de)主要因素。
控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)的(de)任務是根(gen)據(ju)(ju)機(ji)器(qi)人(ren)的(de)作業指令(ling)程序以及(ji)傳感器(qi)反(fan)饋回(hui)來的(de)信(xin)(xin)號支(zhi)配機(ji)器(qi)人(ren)的(de)執(zhi)行(xing)機(ji)構(gou)去完成規定(ding)的(de)運(yun)動和功能。假如(ru)工業機(ji)器(qi)人(ren)不具備信(xin)(xin)息反(fan)饋特征，則(ze)為(wei)(wei)開環(huan)控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)；若具備信(xin)(xin)息反(fan)饋特征，則(ze)為(wei)(wei)閉環(huan)控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)。根(gen)據(ju)(ju)控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)原理，控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)可分為(wei)(wei)程序控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)、適(shi)(shi)應性控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)和人(ren)工智能控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)。根(gen)據(ju)(ju)控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)運(yun)行(xing)的(de)形式(shi)，控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)可分為(wei)(wei)點(dian)位(wei)控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)和軌(gui)跡控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)。點(dian)位(wei)型只(zhi)控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)執(zhi)行(xing)機(ji)構(gou)由一點(dian)到另一點(dian)的(de)準確(que)定(ding)位(wei)，適(shi)(shi)用(yong)于機(ji)床上下料、點(dian)焊和一般搬運(yun)、裝(zhuang)卸等(deng)作業；連續軌(gui)跡型可控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)執(zhi)行(xing)機(ji)構(gou)按(an)給定(ding)軌(gui)跡運(yun)動，適(shi)(shi)用(yong)于連續焊接和涂裝(zhuang)等(deng)作業。
控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)的任務是根據機器人(ren)的作業指令程(cheng)序以及傳感器反(fan)饋(kui)回(hui)來的信號支配機器人(ren)的執行(xing)機構(gou)去完成規(gui)定(ding)的運(yun)動和功能。假如工(gong)業機器人(ren)不具備(bei)信息反(fan)饋(kui)特(te)征(zheng)，則為(wei)(wei)開環控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)；若(ruo)具備(bei)信息反(fan)饋(kui)特(te)征(zheng)，則為(wei)(wei)閉(bi)環控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)。根據控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)原理，控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)可分為(wei)(wei)程(cheng)序控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)、適應性控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)和人(ren)工(gong)智能控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)。根據控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)運(yun)行(xing)的形式(shi)，控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)可分為(wei)(wei)點位(wei)控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)和軌跡控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)。一套完整(zheng)的工(gong)業機器人(ren)包括(kuo)機器人(ren)本體(ti)、系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)軟件、控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)柜、外(wai)圍機械(xie)設備(bei)、CCD視覺、夾具/抓手、外(wai)圍設備(bei)PLC控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)柜、示教(jiao)器/示教(jiao)盒。
工業機器人設備
下面重點對機器人的(de)驅動系(xi)統、感知系(xi)統作(zuo)出介紹(shao)。
2.機器人的驅動系統
工業機器人(ren)的驅動(dong)系(xi)統，按動(dong)力源分為液壓，氣動(dong)和電動(dong)三大類。根據需要也可由(you)這(zhe)三種基本(ben)類型組合(he)成復合(he)式的驅動(dong)系(xi)統。這(zhe)三類基本(ben)驅動(dong)系(xi)統的各有自己的特點。
液(ye)(ye)(ye)(ye)壓驅動系(xi)統(tong)：由(you)于(yu)液(ye)(ye)(ye)(ye)壓技術是一(yi)種(zhong)比(bi)較成(cheng)(cheng)熟(shu)的技術。它(ta)具(ju)有動力大(da)、力(或力矩)與慣(guan)量(liang)比(bi)大(da)、快速響應(ying)高、易于(yu)實現直接驅動等特點。適(shi)于(yu)在承載能力大(da)，慣(guan)量(liang)大(da)以及在防焊環境中工(gong)作的這些(xie)機器(qi)人(ren)中應(ying)用。但液(ye)(ye)(ye)(ye)壓系(xi)統(tong)需進(jin)行(xing)能量(liang)轉(zhuan)換(電(dian)能轉(zhuan)換成(cheng)(cheng)液(ye)(ye)(ye)(ye)壓能)，速度控制(zhi)多(duo)數情況下(xia)采用節流(liu)調(diao)速，效率(lv)比(bi)電(dian)動驅動系(xi)統(tong)低(di)。液(ye)(ye)(ye)(ye)壓系(xi)統(tong)的液(ye)(ye)(ye)(ye)體泄泥會對環境產生(sheng)污染(ran)，工(gong)作噪聲也較高。因這些(xie)弱(ruo)點，近(jin)年來，在負(fu)荷為100kg以下(xia)的機器(qi)人(ren)中往往被電(dian)動系(xi)統(tong)所取代。
全液壓重載(zai)機器人
氣(qi)(qi)(qi)壓(ya)驅動具有速度快、系統(tong)結構簡(jian)單、維修方便、價格低等優點。但是由(you)于(yu)(yu)氣(qi)(qi)(qi)壓(ya)裝置的(de)工(gong)(gong)作壓(ya)強低，不易精確定(ding)位，一般(ban)僅用于(yu)(yu)工(gong)(gong)業機器人末端(duan)(duan)執(zhi)行器的(de)驅動。氣(qi)(qi)(qi)動手抓、旋(xuan)轉(zhuan)氣(qi)(qi)(qi)缸和氣(qi)(qi)(qi)動吸盤(pan)作為末端(duan)(duan)執(zhi)行器可用于(yu)(yu)中、小負荷的(de)工(gong)(gong)件(jian)抓取和裝配。氣(qi)(qi)(qi)動吸盤(pan)和氣(qi)(qi)(qi)動機器人手爪如圖所(suo)示。
氣動(dong)吸盤(pan)和(he)氣動(dong)機(ji)器人(ren)手爪
電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)驅(qu)動(dong)(dong)(dong)是現代(dai)工業機(ji)(ji)(ji)器(qi)人(ren)的(de)(de)一種主流驅(qu)動(dong)(dong)(dong)方式，分為4大類電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)：直(zhi)(zhi)流伺服電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)、交流伺服電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)、步(bu)(bu)進電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)和(he)(he)直(zhi)(zhi)線(xian)(xian)電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)。直(zhi)(zhi)流伺服電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)和(he)(he)交流伺服電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)采用閉環(huan)控(kong)(kong)制(zhi)，一般用于(yu)(yu)高(gao)精度、高(gao)速(su)(su)(su)度的(de)(de)機(ji)(ji)(ji)器(qi)人(ren)驅(qu)動(dong)(dong)(dong)；步(bu)(bu)進電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)用于(yu)(yu)精度和(he)(he)速(su)(su)(su)度要(yao)求(qiu)(qiu)不(bu)高(gao)的(de)(de)場(chang)合，采用開環(huan)控(kong)(kong)制(zhi)；直(zhi)(zhi)線(xian)(xian)電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)及其驅(qu)動(dong)(dong)(dong)控(kong)(kong)制(zhi)系統(tong)在(zai)(zai)技術(shu)上已日趨成熟，已具有傳(chuan)統(tong)傳(chuan)動(dong)(dong)(dong)裝置(zhi)無法比擬的(de)(de)優越性(xing)能，例如(ru)適應(ying)非常(chang)高(gao)速(su)(su)(su)和(he)(he)非常(chang)低速(su)(su)(su)應(ying)用、高(gao)加速(su)(su)(su)度，高(gao)精度，無空回、磨損(sun)小、結構(gou)簡(jian)單、無需(xu)減速(su)(su)(su)機(ji)(ji)(ji)和(he)(he)齒輪(lun)絲杠聯(lian)軸器(qi)等(deng)。鑒于(yu)(yu)并聯(lian)機(ji)(ji)(ji)器(qi)人(ren)中有大量的(de)(de)直(zhi)(zhi)線(xian)(xian)驅(qu)動(dong)(dong)(dong)需(xu)求(qiu)(qiu)，因此直(zhi)(zhi)線(xian)(xian)電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)在(zai)(zai)并聯(lian)機(ji)(ji)(ji)器(qi)人(ren)領域已經得到了廣(guang)泛(fan)應(ying)用。
3.機器人的感知系統
機(ji)器人(ren)感(gan)(gan)知(zhi)系統把機(ji)器人(ren)各(ge)種內部狀態(tai)信(xin)息(xi)和(he)環境信(xin)息(xi)從信(xin)號轉變為機(ji)器人(ren)自身(shen)或者機(ji)器人(ren)之間能夠理解和(he)應用的數據、信(xin)息(xi)，除了需(xu)要(yao)感(gan)(gan)知(zhi)與自身(shen)工作(zuo)狀態(tai)相關的機(ji)械量，如(ru)位移、速(su)度、加速(su)度、力(li)(li)和(he)力(li)(li)矩外，視覺感(gan)(gan)知(zhi)技術是工業機(ji)器人(ren)感(gan)(gan)知(zhi)的一個重要(yao)方面。
視(shi)覺(jue)(jue)伺服系統將視(shi)覺(jue)(jue)信(xin)息作為反饋信(xin)號，用(yong)于控制調整機(ji)器(qi)人(ren)的位置(zhi)和姿態。這(zhe)方面的應(ying)用(yong)主要(yao)體現在半導體和電子行業。機(ji)器(qi)視(shi)覺(jue)(jue)系統還在質量檢測、識別(bie)工件(jian)、食品(pin)分(fen)揀、包(bao)裝的各個方面得到了廣泛應(ying)用(yong)。
通常，機器人(ren)視(shi)覺伺(si)服(fu)(fu)控制是基于(yu)位置的視(shi)覺伺(si)服(fu)(fu)或者基于(yu)圖(tu)像(xiang)的視(shi)覺伺(si)服(fu)(fu)，它們分別又稱為三(san)維(wei)視(shi)覺伺(si)服(fu)(fu)和二維(wei)視(shi)覺伺(si)服(fu)(fu)，這(zhe)兩種方法各(ge)有(you)其優點和適用性，同時也存在一些(xie)缺陷，于(yu)是有(you)人(ren)提出了(le)2.5維(wei)視(shi)覺伺(si)服(fu)(fu)方法。
基(ji)于位(wei)(wei)置(zhi)(zhi)(zhi)的(de)(de)(de)視(shi)(shi)覺(jue)(jue)伺服系統，利用攝像機的(de)(de)(de)參數來建立圖像信(xin)(xin)息(xi)(xi)與機器(qi)人末端執(zhi)(zhi)(zhi)行(xing)器(qi)的(de)(de)(de)位(wei)(wei)置(zhi)(zhi)(zhi)/姿(zi)態(tai)信(xin)(xin)息(xi)(xi)之(zhi)間的(de)(de)(de)映射(she)關系，實(shi)現機器(qi)人末端執(zhi)(zhi)(zhi)行(xing)器(qi)位(wei)(wei)置(zhi)(zhi)(zhi)的(de)(de)(de)閉環(huan)控制。末端執(zhi)(zhi)(zhi)行(xing)器(qi)位(wei)(wei)置(zhi)(zhi)(zhi)與姿(zi)態(tai)誤差由實(shi)時拍(pai)攝圖像中(zhong)提取的(de)(de)(de)末端執(zhi)(zhi)(zhi)行(xing)器(qi)位(wei)(wei)置(zhi)(zhi)(zhi)信(xin)(xin)息(xi)(xi)與定位(wei)(wei)目(mu)標的(de)(de)(de)幾何模型來估算，然(ran)后基(ji)于位(wei)(wei)置(zhi)(zhi)(zhi)與姿(zi)態(tai)誤差，得到各關節(jie)的(de)(de)(de)新位(wei)(wei)姿(zi)參數。基(ji)于位(wei)(wei)置(zhi)(zhi)(zhi)的(de)(de)(de)視(shi)(shi)覺(jue)(jue)伺服要求(qiu)末端執(zhi)(zhi)(zhi)行(xing)器(qi)應(ying)始終可以在視(shi)(shi)覺(jue)(jue)場景中(zhong)被觀(guan)測到，并計算出(chu)其三維位(wei)(wei)置(zhi)(zhi)(zhi)姿(zi)態(tai)信(xin)(xin)息(xi)(xi)。消除圖像中(zhong)的(de)(de)(de)干擾和噪聲是保證位(wei)(wei)置(zhi)(zhi)(zhi)與姿(zi)態(tai)誤差計算準確(que)的(de)(de)(de)關鍵。
二(er)維視覺伺(si)服通過攝(she)(she)像(xiang)機拍攝(she)(she)的(de)(de)圖(tu)像(xiang)與給定的(de)(de)圖(tu)像(xiang)（不是三(san)維幾何信(xin)息）進行特征比(bi)較(jiao)，得出誤差信(xin)號。然后，通過關(guan)節控(kong)(kong)制(zhi)器(qi)和視覺控(kong)(kong)制(zhi)器(qi)和機器(qi)人當前(qian)的(de)(de)作(zuo)業狀(zhuang)態進行修正，使機器(qi)人完成伺(si)服控(kong)(kong)制(zhi)。相比(bi)三(san)維視覺伺(si)服，二(er)維視覺伺(si)服對攝(she)(she)像(xiang)機及(ji)機器(qi)人的(de)(de)標定誤差具有較(jiao)強的(de)(de)魯棒(bang)性(xing)，但是在視覺伺(si)服控(kong)(kong)制(zhi)器(qi)的(de)(de)設計時，不可(ke)避免(mian)地(di)會遇(yu)到圖(tu)像(xiang)雅克比(bi)矩(ju)陣的(de)(de)奇異性(xing)以及(ji)局部極小等問(wen)題。
針對三(san)維和二(er)維視(shi)覺伺(si)服(fu)方法(fa)(fa)的(de)(de)(de)局限(xian)性(xing)，F.Chaumette等(deng)人提(ti)出了2.5維視(shi)覺伺(si)服(fu)方法(fa)(fa)。它將攝像(xiang)(xiang)機平動位(wei)移與旋轉的(de)(de)(de)閉環控制解(jie)耦，基于(yu)圖(tu)像(xiang)(xiang)特(te)征點，重構(gou)物體三(san)維空間中的(de)(de)(de)方位(wei)及(ji)成(cheng)像(xiang)(xiang)深度比(bi)率，平動部分(fen)用圖(tu)像(xiang)(xiang)平面上的(de)(de)(de)特(te)征點坐標表示(shi)。這種方法(fa)(fa)能成(cheng)功地把(ba)圖(tu)像(xiang)(xiang)信號(hao)(hao)和基于(yu)圖(tu)像(xiang)(xiang)提(ti)取的(de)(de)(de)位(wei)姿信號(hao)(hao)進(jin)行有機結合(he)，并(bing)綜(zong)合(he)他們產生的(de)(de)(de)誤差信號(hao)(hao)進(jin)行反饋(kui)，很大程度上解(jie)決了魯棒性(xing)、奇(qi)異性(xing)、局部極小等(deng)問題(ti)。但是(shi)，這種方法(fa)(fa)仍存在一(yi)些問題(ti)需要解(jie)決，如(ru)怎(zen)樣(yang)確保伺(si)服(fu)過程中參(can)考物體始終位(wei)于(yu)攝像(xiang)(xiang)機視(shi)野(ye)之內，以及(ji)分(fen)解(jie)單應性(xing)矩陣(zhen)時(shi)存在解(jie)不唯(wei)一(yi)等(deng)問題(ti)。
在建(jian)立視(shi)(shi)覺控制器模型時(shi)(shi)，需要(yao)(yao)找到(dao)一種合適的(de)(de)(de)模型來(lai)描述機(ji)(ji)器人(ren)的(de)(de)(de)末端(duan)執行器和攝(she)像機(ji)(ji)的(de)(de)(de)映(ying)射關系。圖像雅克比矩陣的(de)(de)(de)方法(fa)是(shi)機(ji)(ji)器人(ren)視(shi)(shi)覺伺服研(yan)究(jiu)領域中廣泛使(shi)用的(de)(de)(de)一類方法(fa)。圖像的(de)(de)(de)雅克比矩陣是(shi)時(shi)(shi)變的(de)(de)(de)，所以(yi)，需要(yao)(yao)在線計(ji)算或估計(ji)。
4.機器人關鍵基礎部件
機(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)共4大(da)組成(cheng)(cheng)部(bu)分，本(ben)(ben)體(ti)成(cheng)(cheng)本(ben)(ben)占(zhan)22%，伺服(fu)系統(tong)(tong)占(zhan)24%，減(jian)速器(qi)(qi)占(zhan)36%，控制器(qi)(qi)占(zhan)12%。機(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)關鍵(jian)基(ji)(ji)礎(chu)部(bu)件是指(zhi)構成(cheng)(cheng)機(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)傳動系統(tong)(tong)，控制系統(tong)(tong)和(he)(he)人(ren)(ren)機(ji)交互系統(tong)(tong)，對(dui)機(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)性(xing)能(neng)起到關鍵(jian)影響(xiang)作用(yong)，并具(ju)有(you)通(tong)用(yong)性(xing)和(he)(he)模塊化的部(bu)件單元(yuan)。機(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)關鍵(jian)基(ji)(ji)礎(chu)部(bu)件主(zhu)要分成(cheng)(cheng)以下三部(bu)分：高(gao)精度(du)機(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)減(jian)速機(ji)，高(gao)性(xing)能(neng)交直(zhi)流伺服(fu)電機(ji)和(he)(he)驅動器(qi)(qi)，高(gao)性(xing)能(neng)機(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)控制器(qi)(qi)等。
1）減速機
減(jian)速(su)機(ji)(ji)是機(ji)(ji)器人的(de)關鍵部(bu)件(jian)，目前主要使用(yong)兩種類(lei)型的(de)減(jian)速(su)機(ji)(ji)：諧波(bo)齒輪減(jian)速(su)機(ji)(ji)和RV減(jian)速(su)機(ji)(ji)。
諧波(bo)傳(chuan)(chuan)動方(fang)法由美國發(fa)明家C.WaltMusser于20世紀50年代中期發(fa)明。諧波(bo)齒(chi)輪(lun)(lun)(lun)減(jian)(jian)速(su)機主要(yao)由波(bo)發(fa)生(sheng)器、柔(rou)性(xing)齒(chi)輪(lun)(lun)(lun)和剛性(xing)齒(chi)輪(lun)(lun)(lun)3個基本構件組成，依靠波(bo)發(fa)生(sheng)器使(shi)柔(rou)性(xing)齒(chi)輪(lun)(lun)(lun)產生(sheng)可控彈性(xing)變(bian)形，并與剛性(xing)齒(chi)輪(lun)(lun)(lun)相嚙合來傳(chuan)(chuan)遞運動和動力，單(dan)級(ji)傳(chuan)(chuan)動速(su)比(bi)可達70～1000，借助柔(rou)輪(lun)(lun)(lun)變(bian)形可做到反(fan)轉無側隙嚙合。與一般減(jian)(jian)速(su)機比(bi)較，輸出力矩相同時，諧波(bo)齒(chi)輪(lun)(lun)(lun)減(jian)(jian)速(su)機的(de)體積可減(jian)(jian)小2/3，重(zhong)量可減(jian)(jian)輕1/2。柔(rou)輪(lun)(lun)(lun)承(cheng)受(shou)較大的(de)交變(bian)載荷(he)，因而其材料的(de)抗疲勞強(qiang)度(du)、加工(gong)和熱處理要(yao)求較高，制(zhi)造工(gong)藝(yi)復雜，柔(rou)輪(lun)(lun)(lun)性(xing)能是高品質諧波(bo)齒(chi)輪(lun)(lun)(lun)減(jian)(jian)速(su)機的(de)關鍵(jian)。
諧(xie)波齒輪(lun)減(jian)速(su)機傳動原理
德國人(ren)LorenzBaraen于1926年(nian)提出擺(bai)線針輪(lun)(lun)行(xing)星齒輪(lun)(lun)傳動原理(li)，日本帝人(ren)株式會社（TEIJINSEIKICo.，Ltd）于20世紀80年(nian)代率(lv)先開(kai)發(fa)了RV減(jian)速(su)機(ji)(ji)。RV減(jian)速(su)機(ji)(ji)由(you)一個行(xing)星齒輪(lun)(lun)減(jian)速(su)機(ji)(ji)的前級和(he)一個擺(bai)線針輪(lun)(lun)減(jian)速(su)機(ji)(ji)的后級組成。相比于諧波齒輪(lun)(lun)減(jian)速(su)機(ji)(ji)，RV減(jian)速(su)機(ji)(ji)具有更(geng)好(hao)的回(hui)轉精(jing)度和(he)精(jing)度保持性。
減速(su)機
陳(chen)仕賢發(fa)(fa)明了(le)(le)(le)活(huo)齒(chi)傳(chuan)(chuan)動(dong)(dong)技術。第四代(dai)活(huo)齒(chi)傳(chuan)(chuan)動(dong)(dong)——全滾動(dong)(dong)活(huo)齒(chi)傳(chuan)(chuan)動(dong)(dong)（oscillatory roller transmission，ORT）已成(cheng)(cheng)功地應用到多種工業產(chan)品(pin)中。在(zai)ORT基礎上提出的(de)(de)復式滾動(dong)(dong)活(huo)齒(chi)傳(chuan)(chuan)動(dong)(dong)（compound oscillatory roller transmission，CORT）不但具(ju)有(you)RV傳(chuan)(chuan)動(dong)(dong)類似的(de)(de)優(you)點，而且(qie)克服了(le)(le)(le)RV傳(chuan)(chuan)動(dong)(dong)曲軸軸承受力(li)大、壽(shou)命低的(de)(de)缺(que)點，進一(yi)步提高了(le)(le)(le)使用壽(shou)命和(he)承載能力(li)；CORT的(de)(de)結構使其在(zai)同樣的(de)(de)精(jing)度指標下回(hui)差更小，運動(dong)(dong)精(jing)度和(he)剛(gang)度更高，緩解(jie)了(le)(le)(le)RV傳(chuan)(chuan)動(dong)(dong)要(yao)求制造精(jing)度高的(de)(de)缺(que)陷，可相對降低加工要(yao)求，減少制造成(cheng)(cheng)本。CORT是我國自(zi)主開發(fa)(fa)的(de)(de)，擁有(you)自(zi)主知(zhi)識(shi)產(chan)權。鞍山耐磨合金研究所和(he)浙江(jiang)恒(heng)豐(feng)泰減速(su)機(ji)制造有(you)限公司均開發(fa)(fa)成(cheng)(cheng)功了(le)(le)(le)機(ji)器(qi)人用CORT減速(su)機(ji)。
ORT減速機 CORT減速機
目(mu)前(qian)在(zai)高(gao)(gao)精(jing)度(du)機(ji)(ji)(ji)器(qi)人(ren)減速(su)(su)機(ji)(ji)(ji)方面，市場份額的(de)75%均兩(liang)(liang)家日(ri)(ri)本(ben)減速(su)(su)機(ji)(ji)(ji)公司壟斷，分(fen)別(bie)為(wei)提(ti)(ti)(ti)供RV擺(bai)(bai)線(xian)針(zhen)輪(lun)(lun)(lun)減速(su)(su)機(ji)(ji)(ji)的(de)日(ri)(ri)本(ben)Nabtesco和提(ti)(ti)(ti)供高(gao)(gao)性能諧波減速(su)(su)機(ji)(ji)(ji)的(de)日(ri)(ri)本(ben)Harmonic Drive。包括 ABB, FANUC, KUKA,MOTOMAN在(zai)內(nei)(nei)國(guo)(guo)(guo)際主流機(ji)(ji)(ji)器(qi)人(ren)廠(chang)(chang)商(shang)(shang)(shang)的(de)減速(su)(su)機(ji)(ji)(ji)均由以上兩(liang)(liang)家公司提(ti)(ti)(ti)供，與(yu)國(guo)(guo)(guo)內(nei)(nei)機(ji)(ji)(ji)器(qi)人(ren)公司選擇的(de)通(tong)用(yong)機(ji)(ji)(ji)型(xing)有所(suo)不同的(de)是(shi)(shi)，國(guo)(guo)(guo)際主流機(ji)(ji)(ji)器(qi)人(ren)廠(chang)(chang)商(shang)(shang)(shang)均與(yu)上述兩(liang)(liang)家公司簽訂了戰略合作關系(xi)，提(ti)(ti)(ti)供的(de)產(chan)(chan)(chan)品(pin)大部分(fen)為(wei)在(zai)通(tong)用(yong)機(ji)(ji)(ji)型(xing)基(ji)礎上根(gen)據(ju)各廠(chang)(chang)商(shang)(shang)(shang)的(de)特(te)殊要求進(jin)行改進(jin)后的(de)專用(yong)型(xing)號。國(guo)(guo)(guo)內(nei)(nei)在(zai)高(gao)(gao)精(jing)度(du)擺(bai)(bai)線(xian)針(zhen)輪(lun)(lun)(lun)減速(su)(su)機(ji)(ji)(ji)方面研究起(qi)步較晚，僅在(zai)部分(fen)院(yuan)(yuan)校，研究所(suo)有過相(xiang)(xiang)關研究。目(mu)前(qian)尚(shang)無成熟產(chan)(chan)(chan)品(pin)應(ying)用(yong)于工(gong)業(ye)機(ji)(ji)(ji)器(qi)人(ren)。近年來國(guo)(guo)(guo)內(nei)(nei)部分(fen)廠(chang)(chang)商(shang)(shang)(shang)和院(yuan)(yuan)校開始致(zhi)力高(gao)(gao)精(jing)度(du)擺(bai)(bai)線(xian)針(zhen)輪(lun)(lun)(lun)減速(su)(su)機(ji)(ji)(ji)的(de)國(guo)(guo)(guo)產(chan)(chan)(chan)化(hua)和產(chan)(chan)(chan)業(ye)化(hua)研究，如浙江恒豐泰，重(zhong)慶大學機(ji)(ji)(ji)械傳動國(guo)(guo)(guo)家重(zhong)點實驗室，天津減速(su)(su)機(ji)(ji)(ji)廠(chang)(chang)，秦川機(ji)(ji)(ji)床廠(chang)(chang)，大連鐵道學院(yuan)(yuan)等。在(zai)諧波減速(su)(su)機(ji)(ji)(ji)方面，國(guo)(guo)(guo)內(nei)(nei)已有可替代(dai)產(chan)(chan)(chan)品(pin)，如北(bei)京中技克美(mei)，北(bei)京諧波傳動所(suo)，但是(shi)(shi)相(xiang)(xiang)應(ying)產(chan)(chan)(chan)品(pin)在(zai)輸入轉速(su)(su)，扭(niu)轉高(gao)(gao)度(du)，傳動精(jing)度(du)和效率方面與(yu)日(ri)(ri)本(ben)產(chan)(chan)(chan)品(pin)還存在(zai)不小的(de)差距(ju)，在(zai)工(gong)業(ye)機(ji)(ji)(ji)器(qi)人(ren)上的(de)成熟應(ying)用(yong)還剛剛起(qi)步。
國內(nei)外工業機器人主流高精(jing)度諧(xie)波減速機性能比較如下(xia)表(biao)所示。
表1 主(zhu)流高精度諧波減速機(ji)性能比較(jiao)
注(zhu)：上表比(bi)較(jiao)數據(ju)來自(zi)相(xiang)近型號：
HD ：CSF-17-100
中(zhong)技克美：XB1-40-100
傳動效(xiao)率測試(shi)工況：輸入轉速1000r/min，溫(wen)度40°
扭(niu)轉剛度測試(shi)條件：20%額定扭(niu)矩內
2）伺服電機
在伺服電(dian)機(ji)和驅動(dong)(dong)方面(mian)，目(mu)前歐(ou)系機(ji)器(qi)人的驅動(dong)(dong)部分(fen)主要(yao)由倫茨，Lust，博世力(li)士樂等公(gong)司提供，這(zhe)些(xie)歐(ou)系電(dian)機(ji)及驅動(dong)(dong)部件(jian)過載能力(li)，動(dong)(dong)態(tai)響應好，驅動(dong)(dong)器(qi)開(kai)(kai)放性(xing)(xing)強，且具(ju)有總線接口，但(dan)是價(jia)格昂貴(gui)。而日系品牌工業(ye)機(ji)器(qi)人關(guan)鍵部件(jian)主要(yao)由安川，松下，三菱等公(gong)司提供，其(qi)價(jia)格相對降低(di)，但(dan)是動(dong)(dong)態(tai)響應能力(li)較差(cha)，開(kai)(kai)放性(xing)(xing)較差(cha)，且大部分(fen)只(zhi)具(ju)備(bei)模擬量和脈沖控制方式(shi)。國(guo)內(nei)近(jin)年(nian)來也開(kai)(kai)展了大功率交(jiao)流永磁同(tong)步(bu)電(dian)機(ji)及驅動(dong)(dong)部分(fen)基礎研究(jiu)和產(chan)業(ye)化，如哈爾濱工業(ye)大學，北京和利時，廣州數(shu)控等單(dan)位，并(bing)且具(ju)備(bei)了一點的生產(chan)能力(li)，但(dan)是其(qi)動(dong)(dong)態(tai)性(xing)(xing)能，開(kai)(kai)放性(xing)(xing)和可靠性(xing)(xing)還需(xu)要(yao)更多(duo)的實際(ji)機(ji)器(qi)人項目(mu)應用(yong)進行驗證(zheng)。
3）控制器
在機(ji)器(qi)(qi)(qi)(qi)人(ren)控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)器(qi)(qi)(qi)(qi)方(fang)(fang)面，目(mu)前國外主流機(ji)器(qi)(qi)(qi)(qi)人(ren)廠(chang)商(shang)的(de)(de)控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)器(qi)(qi)(qi)(qi)均為(wei)(wei)在通用的(de)(de)多(duo)軸運(yun)動控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)器(qi)(qi)(qi)(qi)平臺基礎(chu)上進(jin)行(xing)自(zi)主研發(fa)。目(mu)前通用的(de)(de)多(duo)軸控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)器(qi)(qi)(qi)(qi)平臺主要(yao)分為(wei)(wei)以(yi)(yi)嵌入式處(chu)理器(qi)(qi)(qi)(qi)（DSP，POWER PC）為(wei)(wei)核心(xin)的(de)(de)運(yun)動控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)卡(ka)和(he)以(yi)(yi)工控(kong)(kong)機(ji)加實時系(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)為(wei)(wei)核心(xin)的(de)(de)PLC系(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)，其代表(biao)分別是Delta Tau的(de)(de)PMAC卡(ka)和(he)Beckhoff的(de)(de)TwinCAT系(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)。國內的(de)(de)在運(yun)動控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)卡(ka)方(fang)(fang)面，固高(gao)公(gong)司已(yi)經開發(fa)出相應成熟產(chan)品，但是在機(ji)器(qi)(qi)(qi)(qi)人(ren)上的(de)(de)應用還相對較少。
5.機器人操作系統
通用的(de)機(ji)器人(ren)操作(zuo)系統（robot operating system，ROS）是為機(ji)器人(ren)而設計的(de)標準化(hua)的(de)構(gou)造平臺，它使得每一(yi)位機(ji)器人(ren)設計師都可以使用同樣的(de)操作(zuo)系統來進行機(ji)器人(ren)軟件(jian)開(kai)(kai)發。ROS將推(tui)進機(ji)器人(ren)行業向硬件(jian)、軟件(jian)獨立的(de)方向發展。硬件(jian)、軟件(jian)獨立的(de)開(kai)(kai)發模式，曾(ceng)極大促進了PC、筆記本(ben)電腦和(he)(he)智能手機(ji)技術的(de)發展和(he)(he)快速進步。
ROS的開發難度(du)比計(ji)算機操作(zuo)系統(tong)更大，計(ji)算機只需要(yao)處(chu)理一些定義非常(chang)明(ming)確(que)的數學(xue)運算任務，而機器人(ren)需要(yao)面對更為復(fu)雜的實際(ji)運動操作(zuo)。
ROS提(ti)供(gong)標準操作(zuo)系統服務，包(bao)括硬件抽象、底層設備(bei)控制、常用功能實現、進程間消息以及數(shu)據包(bao)管理。
ROS分(fen)成兩層(ceng)，低層(ceng)是操(cao)作系統層(ceng)，高層(ceng)則是用戶(hu)群(qun)貢(gong)獻的(de)機器人(ren)實現不同功能的(de)各(ge)種(zhong)軟件包。
現有(you)的機(ji)器(qi)人操作系統(tong)架構(gou)主(zhu)要有(you)基于linux的Ubuntu開(kai)(kai)源操作系統(tong)。另(ling)外，斯坦福大學(xue)、麻省(sheng)理工學(xue)院、德國慕尼黑大學(xue)等機(ji)構(gou)已經開(kai)(kai)發出(chu)了各(ge)類ROS系統(tong)。微軟(ruan)機(ji)器(qi)人開(kai)(kai)發團隊2007年也曾推出(chu)過一(yi)款“Windows機(ji)器(qi)人版”。
6.機器人的運動規劃
為了提(ti)高工(gong)作效率(lv)，且使(shi)機器(qi)人能(neng)用盡可(ke)能(neng)短的(de)(de)時間完成特定(ding)的(de)(de)任務，必須有合理的(de)(de)運動規劃(hua)。離線運動規劃(hua)分為路徑規劃(hua)和軌跡規劃(hua)。
路(lu)徑(jing)規劃(hua)(hua)的(de)目標是(shi)使路(lu)徑(jing)與障礙物(wu)的(de)距離盡(jin)(jin)量(liang)遠同時(shi)(shi)路(lu)徑(jing)的(de)長度盡(jin)(jin)量(liang)短(duan)；軌跡規劃(hua)(hua)的(de)目的(de)主要(yao)是(shi)機器(qi)(qi)人關(guan)節空(kong)間移動中使得機器(qi)(qi)人的(de)運行時(shi)(shi)間盡(jin)(jin)可(ke)能短(duan)，或者能量(liang)盡(jin)(jin)可(ke)能小。軌跡規劃(hua)(hua)在路(lu)徑(jing)規劃(hua)(hua)的(de)基(ji)礎上加入時(shi)(shi)間序列(lie)信息，對機器(qi)(qi)人執行任(ren)務時(shi)(shi)的(de)速(su)(su)度與加速(su)(su)度進行規劃(hua)(hua)，以滿足光(guang)滑性(xing)和速(su)(su)度可(ke)控性(xing)等要(yao)求。
示(shi)(shi)(shi)教再現是實現路(lu)徑(jing)規(gui)劃的(de)方法(fa)之一，通(tong)過(guo)操作(zuo)(zuo)空間(jian)進(jin)行(xing)示(shi)(shi)(shi)教并(bing)記錄示(shi)(shi)(shi)教結果，在工(gong)作(zuo)(zuo)過(guo)程中(zhong)加以復現，現場示(shi)(shi)(shi)教直接與機器人需(xu)要(yao)完成的(de)動作(zuo)(zuo)對(dui)應，路(lu)徑(jing)直觀且(qie)明(ming)確。缺點是需(xu)要(yao)經驗豐富的(de)操作(zuo)(zuo)工(gong)人，并(bing)消耗大量的(de)時間(jian)，路(lu)徑(jing)不(bu)一定最優(you)化(hua)。為解(jie)決上述問題(ti)，可(ke)以建立機器人虛(xu)擬模型，通(tong)過(guo)虛(xu)擬的(de)可(ke)視化(hua)操作(zuo)(zuo)完成對(dui)作(zuo)(zuo)業任務的(de)路(lu)徑(jing)規(gui)劃。
路徑規(gui)劃(hua)可在關(guan)(guan)(guan)(guan)節(jie)(jie)空間(jian)中進(jin)(jin)(jin)行。Gasparetto以五次B樣條為關(guan)(guan)(guan)(guan)節(jie)(jie)軌跡(ji)的(de)(de)(de)插值函(han)數，并(bing)將加(jia)(jia)加(jia)(jia)速度(du)的(de)(de)(de)平(ping)方(fang)相對于運動時間(jian)的(de)(de)(de)積分作為目標函(han)數進(jin)(jin)(jin)行優化，以確保各個(ge)(ge)關(guan)(guan)(guan)(guan)節(jie)(jie)運動足夠(gou)光滑(hua)。劉松國通過(guo)采(cai)(cai)用五次B樣條對機器人的(de)(de)(de)關(guan)(guan)(guan)(guan)節(jie)(jie)軌跡(ji)進(jin)(jin)(jin)行插補計算，機器人各個(ge)(ge)關(guan)(guan)(guan)(guan)節(jie)(jie)的(de)(de)(de)速度(du)、加(jia)(jia)速度(du)端(duan)點(dian)值，可根據平(ping)滑(hua)性(xing)要求進(jin)(jin)(jin)行任意配置。另外，在關(guan)(guan)(guan)(guan)節(jie)(jie)空間(jian)的(de)(de)(de)軌跡(ji)規(gui)劃(hua)可避免操作空間(jian)的(de)(de)(de)奇(qi)異性(xing)問題。Huo等人設(she)計了一種關(guan)(guan)(guan)(guan)節(jie)(jie)空間(jian)中避免奇(qi)異性(xing)的(de)(de)(de)關(guan)(guan)(guan)(guan)節(jie)(jie)軌跡(ji)優化算法，利(li)用6自由度(du)弧焊(han)機器人在任務(wu)過(guo)程(cheng)中某(mou)個(ge)(ge)關(guan)(guan)(guan)(guan)節(jie)(jie)功能上(shang)的(de)(de)(de)冗余，將機器人奇(qi)異性(xing)和關(guan)(guan)(guan)(guan)節(jie)(jie)限(xian)制(zhi)作為約(yue)束條件，采(cai)(cai)用TWA方(fang)法進(jin)(jin)(jin)行優化計算。
關節空間路徑規(gui)劃與操作空間路徑規(gui)劃對(dui)比，具(ju)有以(yi)下(xia)優點(dian)：
①避免了機器人在操作空間中的奇異性問題；
②由于機(ji)器人的運動是通過控制關節電機(ji)的運動，因此在(zai)關節空間中，避免了大量的正(zheng)運動學(xue)和逆運動學(xue)計算(suan)；
③關(guan)節(jie)空間中各個(ge)關(guan)節(jie)軌跡便(bian)于控(kong)制的優化。
五、工業機器人分類
工業機器人(ren)按不同的方(fang)法可分下述類型(xing)：
工業機器人分類
1.從(cong)機械結構(gou)來(lai)看(kan)，分為串聯機器人(ren)和并(bing)聯機器人(ren)。
1）串聯(lian)機(ji)器(qi)人的(de)(de)特(te)點是一個軸(zhou)的(de)(de)運(yun)動會改變另一個軸(zhou)的(de)(de)坐標原點，在位置(zhi)求解上，串聯(lian)機(ji)器(qi)人的(de)(de)正解容易，但(dan)反(fan)解十(shi)分困難(nan)；
2）并聯(lian)機(ji)(ji)器(qi)人采用并聯(lian)機(ji)(ji)構，其一(yi)個軸的運(yun)(yun)動(dong)則不會(hui)改變(bian)另一(yi)個軸的坐標原點。并聯(lian)機(ji)(ji)器(qi)人具有剛(gang)度(du)大、結構穩定、承載能力大、微動(dong)精(jing)度(du)高、運(yun)(yun)動(dong)負荷小的優點。其正解困難(nan)反(fan)解卻非常容易。串(chuan)聯(lian)機(ji)(ji)器(qi)人和并聯(lian)機(ji)(ji)器(qi)人如圖所示。
串聯機器(qi)人(ren) 并聯機器(qi)人(ren)
2.工業機器人(ren)按操作機坐(zuo)標形(xing)式(shi)分(fen)以(yi)下幾(ji)類：（坐(zuo)標形(xing)式(shi)是指操作機的(de)(de)手臂在運動時所取的(de)(de)參(can)考坐(zuo)標系的(de)(de)形(xing)式(shi)。）
1）直角坐標(biao)型工業機器人
其(qi)運動部分由(you)三個相互(hu)垂直(zhi)的(de)(de)直(zhi)線(xian)移動（即PPP）組成，其(qi)工(gong)(gong)作空(kong)間圖形為長方(fang)形。它(ta)在(zai)各(ge)個軸(zhou)(zhou)向的(de)(de)移動距離，可在(zai)各(ge)個坐標軸(zhou)(zhou)上(shang)直(zhi)接讀出，直(zhi)觀(guan)性(xing)(xing)強，易于(yu)位置(zhi)和姿(zi)態的(de)(de)編程計算，定位精度高，控制無耦合(he)，結構簡單(dan)，但機體所占空(kong)間體積大，動作范(fan)圍小，靈活性(xing)(xing)差，難(nan)與其(qi)他工(gong)(gong)業機器人協調工(gong)(gong)作。
2）圓柱(zhu)坐標型工業機器(qi)人(ren)
其(qi)(qi)運(yun)動(dong)(dong)形式是通過一個(ge)轉動(dong)(dong)和兩個(ge)移動(dong)(dong)組成的運(yun)動(dong)(dong)系統來實(shi)現的，其(qi)(qi)工(gong)作(zuo)空間(jian)(jian)圖(tu)形為圓(yuan)柱，與直(zhi)角坐(zuo)標(biao)型工(gong)業機(ji)(ji)器人相(xiang)比，在相(xiang)同的工(gong)作(zuo)空間(jian)(jian)條件下(xia)，機(ji)(ji)體所占(zhan)體積小，而(er)運(yun)動(dong)(dong)范圍(wei)大，其(qi)(qi)位置精度僅(jin)次于直(zhi)角坐(zuo)標(biao)型機(ji)(ji)器人，難與其(qi)(qi)他(ta)工(gong)業機(ji)(ji)器人協調工(gong)作(zuo)。
3）球坐標型(xing)工業機器人
球坐標型工(gong)業機(ji)器人又稱極坐標型工(gong)業機(ji)器人，其(qi)(qi)手(shou)臂的運(yun)動(dong)由(you)兩個(ge)(ge)轉(zhuan)動(dong)和一(yi)個(ge)(ge)直線移動(dong)（即RRP,一(yi)個(ge)(ge)回轉(zhuan)，一(yi)個(ge)(ge)俯仰(yang)和一(yi)個(ge)(ge)伸縮(suo)運(yun)動(dong)）所組成，其(qi)(qi)工(gong)作(zuo)(zuo)空間為(wei)一(yi)球體，它(ta)可(ke)以作(zuo)(zuo)上下俯仰(yang)動(dong)作(zuo)(zuo)并能抓(zhua)取地面上或教低位(wei)置的協調(diao)工(gong)件(jian)，其(qi)(qi)位(wei)置精度高(gao)，位(wei)置誤差與臂長成正比。
4）多關(guan)節型工業機器人(ren)
又稱回轉坐標(biao)型工(gong)(gong)業(ye)(ye)(ye)機(ji)(ji)器人(ren)(ren)，這(zhe)種工(gong)(gong)業(ye)(ye)(ye)機(ji)(ji)器人(ren)(ren)的手臂(bei)(bei)與(yu)人(ren)(ren)一(yi)體(ti)上肢類似，其(qi)前三個(ge)關節(jie)是(shi)回轉副（即RRR），該工(gong)(gong)業(ye)(ye)(ye)機(ji)(ji)器人(ren)(ren)一(yi)般由立柱和(he)大(da)(da)小臂(bei)(bei)組成(cheng)(cheng)，立柱與(yu)大(da)(da)臂(bei)(bei)見形(xing)成(cheng)(cheng)肩關節(jie)，大(da)(da)臂(bei)(bei)和(he)小臂(bei)(bei)間形(xing)成(cheng)(cheng)肘關節(jie)，可使(shi)大(da)(da)臂(bei)(bei)做回轉運動和(he)俯仰擺動，小臂(bei)(bei)做仰俯擺動。其(qi)結構最緊湊，靈(ling)活性大(da)(da)，占地面積最小，能(neng)與(yu)其(qi)他(ta)工(gong)(gong)業(ye)(ye)(ye)機(ji)(ji)器人(ren)(ren)協調工(gong)(gong)作(zuo)，但位置精度教低，有(you)平衡(heng)問題，控制耦合，這(zhe)種工(gong)(gong)業(ye)(ye)(ye)機(ji)(ji)器人(ren)(ren)應用越來越廣(guang)泛。
5）平面關節型工業機器人(ren)
它(ta)采用一個移動(dong)(dong)關(guan)(guan)節(jie)和兩個回(hui)轉(zhuan)關(guan)(guan)節(jie)（即PRR），移動(dong)(dong)關(guan)(guan)節(jie)實現上下運動(dong)(dong)，而兩個回(hui)轉(zhuan)關(guan)(guan)節(jie)則控制(zhi)前(qian)后(hou)、左右運動(dong)(dong)。這種(zhong)形(xing)式的工業機器人又稱（SCARA(Seletive Compliance Assembly Robot Arm)裝配(pei)機器人。在(zai)(zai)水(shui)平(ping)方向則具有柔順性(xing)(xing)，而在(zai)(zai)垂直方向則有教大的剛(gang)性(xing)(xing)。它(ta)結構簡(jian)單(dan)，動(dong)(dong)作靈活，多用于(yu)裝配(pei)作業中，特別(bie)適合小(xiao)規格零件(jian)的插接(jie)裝配(pei)，如在(zai)(zai)電(dian)子工業的插接(jie)、裝配(pei)中應(ying)用廣泛。
3.工業機器人按程序輸入方式區分(fen)有編程輸入型(xing)和示教輸入型(xing)兩類：
1）編(bian)程(cheng)輸入(ru)型(xing)是將計算機(ji)上已(yi)編(bian)好的作業程(cheng)序文件(jian)，通過(guo)RS232串口或者以太網等通信方(fang)式傳送到機(ji)器人控制柜。
2）示(shi)教(jiao)輸入型(xing)的示(shi)教(jiao)方法有兩種(zhong)：示(shi)教(jiao)盒示(shi)教(jiao)和操(cao)作(zuo)者直接(jie)領(ling)動執行機構(gou)示(shi)教(jiao)。
示(shi)(shi)教(jiao)(jiao)盒示(shi)(shi)教(jiao)(jiao)由操(cao)作者用(yong)(yong)手動(dong)控制(zhi)器(qi)(qi)（示(shi)(shi)教(jiao)(jiao)盒），將(jiang)指令信號傳給驅動(dong)系統，使執行(xing)機構按要求的(de)動(dong)作順序和運動(dong)軌跡操(cao)演一遍。采用(yong)(yong)示(shi)(shi)教(jiao)(jiao)盒進行(xing)示(shi)(shi)教(jiao)(jiao)的(de)工(gong)業機器(qi)(qi)人(ren)使用(yong)(yong)比較普遍，一般的(de)工(gong)業機器(qi)(qi)人(ren)均配置示(shi)(shi)教(jiao)(jiao)盒示(shi)(shi)教(jiao)(jiao)功能(neng)，但(dan)是對于(yu)工(gong)作軌跡復雜(za)的(de)情(qing)況，示(shi)(shi)教(jiao)(jiao)盒示(shi)(shi)教(jiao)(jiao)并不能(neng)達到理想的(de)效(xiao)果，例如用(yong)(yong)于(yu)復雜(za)曲面的(de)噴漆工(gong)作的(de)噴漆機器(qi)(qi)人(ren)。
機器人示(shi)教盒
由(you)操作者直接領動(dong)(dong)執行(xing)(xing)機構進行(xing)(xing)示(shi)教，則是(shi)按要求(qiu)的(de)動(dong)(dong)作順序和(he)運動(dong)(dong)軌(gui)跡(ji)操演(yan)一(yi)遍。在示(shi)教過程(cheng)(cheng)的(de)同(tong)時，工作程(cheng)(cheng)序的(de)信(xin)息即自動(dong)(dong)存入程(cheng)(cheng)序存儲(chu)器(qi)中(zhong)在機器(qi)人(ren)自動(dong)(dong)工作時，控制系統從(cong)程(cheng)(cheng)序存儲(chu)器(qi)中(zhong)檢出相應信(xin)息，將指令信(xin)號傳(chuan)給驅動(dong)(dong)機構，使執行(xing)(xing)機構再現示(shi)教的(de)各種動(dong)(dong)作。
六、工業機器人性能評判指標
表示機器人(ren)特性(xing)的基(ji)本(ben)參(can)數(shu)和性(xing)能指(zhi)標主要(yao)有工作空(kong)間(jian)、自(zi)由(you)度(du)、有效負(fu)載、運動精度(du)、運動特性(xing)、動態(tai)特性(xing)等。
工業機器(qi)人性能評判指標
1.工作空間(jian)（Work space）工作空間(jian)是指機(ji)器人臂桿的(de)(de)特定部位(wei)(wei)在一定條件下(xia)(xia)所能(neng)到達空間(jian)的(de)(de)位(wei)(wei)置集合(he)。工作空間(jian)的(de)(de)性(xing)狀和大小反映了(le)機(ji)器人工作能(neng)力的(de)(de)大小。理(li)解機(ji)器人的(de)(de)工作空間(jian)時，要(yao)注意以下(xia)(xia)幾(ji)點(dian)：
1)通常工業(ye)機(ji)器人說明(ming)書中(zhong)表示的(de)(de)(de)工作(zuo)(zuo)空間指的(de)(de)(de)是手(shou)腕上機(ji)械接(jie)口坐標系的(de)(de)(de)原(yuan)點在(zai)空間能(neng)達到(dao)的(de)(de)(de)范(fan)(fan)(fan)圍(wei)，也即手(shou)腕端部法蘭的(de)(de)(de)中(zhong)心(xin)點在(zai)空間所能(neng)到(dao)達的(de)(de)(de)范(fan)(fan)(fan)圍(wei)，而不是末端執(zhi)行器端點所能(neng)達到(dao)的(de)(de)(de)范(fan)(fan)(fan)圍(wei)。因此，在(zai)設(she)計和(he)選(xuan)用時，要注意(yi)安裝末端執(zhi)行器后(hou)，機(ji)器人實際所能(neng)達到(dao)的(de)(de)(de)工作(zuo)(zuo)空間。
2)機器人(ren)說明書上(shang)提供的(de)(de)工作空間(jian)往往要小于運(yun)動學意(yi)義上(shang)的(de)(de)最(zui)大(da)空間(jian)。這是(shi)因為在(zai)(zai)可(ke)達空間(jian)中(zhong)，手臂(bei)位(wei)(wei)姿不(bu)同時有效(xiao)負(fu)載(zai)、允許達到(dao)的(de)(de)最(zui)大(da)速度(du)(du)(du)和最(zui)大(da)加速度(du)(du)(du)都不(bu)一樣，在(zai)(zai)臂(bei)桿(gan)最(zui)大(da)位(wei)(wei)置允許的(de)(de)極限值(zhi)通常(chang)要比其他位(wei)(wei)置的(de)(de)小些(xie)。此外(wai)，在(zai)(zai)機器人(ren)的(de)(de)最(zui)大(da)可(ke)達空間(jian)邊界上(shang)可(ke)能存在(zai)(zai)自(zi)由(you)(you)度(du)(du)(du)退化的(de)(de)問題，此時的(de)(de)位(wei)(wei)姿稱為奇異位(wei)(wei)形，而且在(zai)(zai)奇異位(wei)(wei)形周圍相當大(da)的(de)(de)范圍內都會出現自(zi)由(you)(you)度(du)(du)(du)進化現象，這部分工作空間(jian)在(zai)(zai)機器人(ren)工作時都不(bu)能被利用。
3)除了在(zai)工(gong)作空間(jian)邊緣，實際應用中的(de)(de)工(gong)業(ye)機器人(ren)還可能(neng)由(you)于受到機械結構的(de)(de)限(xian)制，在(zai)工(gong)作空間(jian)的(de)(de)內(nei)部也(ye)存在(zai)著臂(bei)端不能(neng)達到的(de)(de)區域，這就是(shi)(shi)常說的(de)(de)空洞(dong)或空腔(qiang)(qiang)。空腔(qiang)(qiang)是(shi)(shi)指在(zai)工(gong)作空間(jian)內(nei)臂(bei)端不能(neng)達到的(de)(de)完(wan)全封(feng)閉空間(jian)。而空洞(dong)是(shi)(shi)指在(zai)沿轉軸周圍(wei)全長(chang)上臂(bei)端都不能(neng)達到的(de)(de)空間(jian)。
2.運動(dong)(dong)自(zi)由(you)度(du)(du)是(shi)指機器人(ren)操作機在空間運動(dong)(dong)所需(xu)的變量數，用(yong)以(yi)表(biao)(biao)示機器人(ren)動(dong)(dong)作靈(ling)活程(cheng)度(du)(du)的參數，一(yi)般是(shi)以(yi)沿軸線移動(dong)(dong)和繞(rao)軸線轉(zhuan)動(dong)(dong)的獨立運動(dong)(dong)的數目來(lai)表(biao)(biao)示。
自(zi)(zi)由(you)(you)(you)物體(ti)在空間自(zi)(zi)六個(ge)自(zi)(zi)由(you)(you)(you)度(du)(du)(du)(du)（三個(ge)轉動(dong)自(zi)(zi)由(you)(you)(you)度(du)(du)(du)(du)和三個(ge)移動(dong)自(zi)(zi)由(you)(you)(you)度(du)(du)(du)(du)）。工業機(ji)器(qi)(qi)(qi)人(ren)往(wang)(wang)往(wang)(wang)是個(ge)開(kai)式連桿系，每個(ge)關(guan)節(jie)運動(dong)副只有一個(ge)自(zi)(zi)由(you)(you)(you)度(du)(du)(du)(du)，因(yin)此通常機(ji)器(qi)(qi)(qi)人(ren)的(de)自(zi)(zi)由(you)(you)(you)度(du)(du)(du)(du)數目就等(deng)于其關(guan)節(jie)數。機(ji)器(qi)(qi)(qi)人(ren)的(de)自(zi)(zi)由(you)(you)(you)度(du)(du)(du)(du)數目越多(duo)，功能就越強。日前(qian)工業機(ji)器(qi)(qi)(qi)人(ren)通常具有4—6個(ge)自(zi)(zi)由(you)(you)(you)度(du)(du)(du)(du)。當機(ji)器(qi)(qi)(qi)人(ren)的(de)關(guan)節(jie)數（自(zi)(zi)由(you)(you)(you)度(du)(du)(du)(du)）增加(jia)到對末(mo)端執行(xing)器(qi)(qi)(qi)的(de)定向(xiang)和定位不(bu)再(zai)起作用時，便出現(xian)了(le)冗余自(zi)(zi)由(you)(you)(you)度(du)(du)(du)(du)。冗余度(du)(du)(du)(du)的(de)出現(xian)增加(jia)了(le)機(ji)器(qi)(qi)(qi)人(ren)工作的(de)靈活型，但也使控(kong)制變得更加(jia)復雜。
工業機(ji)(ji)器人在運(yun)(yun)動(dong)(dong)(dong)方式上，總可(ke)以(yi)分為直線(xian)運(yun)(yun)動(dong)(dong)(dong)（簡記為P）和(he)旋(xuan)轉運(yun)(yun)動(dong)(dong)(dong)（簡記為R）兩種，應用(yong)簡記符號P和(he)R可(ke)以(yi)表示操作機(ji)(ji)運(yun)(yun)動(dong)(dong)(dong)自由(you)(you)度的特點，如RPRR表示機(ji)(ji)器人操作機(ji)(ji)具有(you)四(si)個自由(you)(you)度，從(cong)基座開始到臂端(duan)，關(guan)節(jie)運(yun)(yun)動(dong)(dong)(dong)的方式依(yi)次為旋(xuan)轉-直線(xian)-旋(xuan)轉-旋(xuan)轉。此外，工業機(ji)(ji)器人的運(yun)(yun)動(dong)(dong)(dong)自由(you)(you)度還有(you)運(yun)(yun)動(dong)(dong)(dong)范圍的限制。
3.有效負載(zai)(Payload)
有效負載是指(zhi)機器人(ren)操作機在(zai)工作時臂端可能(neng)搬運的物(wu)體(ti)重量(liang)或(huo)所能(neng)承受的力(li)或(huo)力(li)矩(ju)，用(yong)以表示操作機的負荷能(neng)力(li)。
機器人在不(bu)(bu)同(tong)位姿時，允許的(de)最(zui)大(da)可(ke)搬(ban)運(yun)質量(liang)是不(bu)(bu)同(tong)的(de)，因此機器人的(de)額定可(ke)搬(ban)運(yun)質量(liang)是指其臂桿(gan)在工作空間中(zhong)任意(yi)位姿時腕關節端(duan)部都(dou)能(neng)搬(ban)運(yun)的(de)最(zui)大(da)質量(liang)。
4.運動精度(Accuracy)
機器(qi)人機械系統的精(jing)度(du)(du)主要(yao)涉(she)及位姿精(jing)度(du)(du)、重(zhong)復位姿精(jing)度(du)(du)、軌跡精(jing)度(du)(du)、重(zhong)復軌跡精(jing)度(du)(du)等(deng)。
位(wei)姿精(jing)度是(shi)指(zhi)(zhi)指(zhi)(zhi)令位(wei)姿和從同一方向接近該指(zhi)(zhi)令位(wei)姿時(shi)的(de)(de)實到(dao)位(wei)姿中(zhong)心之間(jian)的(de)(de)偏差。重復(fu)位(wei)姿精(jing)度是(shi)指(zhi)(zhi)對同指(zhi)(zhi)令位(wei)姿從同一方向重復(fu)響應n次后(hou)實到(dao)位(wei)姿的(de)(de)不一致程(cheng)度。
軌跡(ji)精(jing)(jing)度(du)(du)是指機(ji)器(qi)人機(ji)械接口從同一方向n次(ci)跟(gen)隨指令軌跡(ji)的(de)接近程度(du)(du)。軌跡(ji)重(zhong)復(fu)精(jing)(jing)度(du)(du)是指對一給定軌跡(ji)在同方向跟(gen)隨n次(ci)后實到軌跡(ji)之間的(de)不一致程度(du)(du)。
5.運動特性（Sped）
速(su)(su)度(du)(du)和加速(su)(su)度(du)(du)是表明機器人運動(dong)(dong)特性的(de)(de)(de)主要指標(biao)。在(zai)機器人說(shuo)明書中，通常提供了主要運動(dong)(dong)自由度(du)(du)的(de)(de)(de)最(zui)大(da)穩(wen)定速(su)(su)度(du)(du)，但在(zai)實際應用中單純考(kao)慮最(zui)大(da)穩(wen)定速(su)(su)度(du)(du)是不(bu)夠(gou)的(de)(de)(de)，還應注(zhu)意其最(zui)大(da)允許加速(su)(su)度(du)(du)。
6.動(dong)態(tai)特性(xing)(xing)結構(gou)動(dong)態(tai)參數(shu)主要包(bao)括質量、慣性(xing)(xing)矩、剛度、阻(zu)尼系數(shu)、固有頻率(lv)和振動(dong)模態(tai)。
設計時應該盡量減小質量和(he)慣量。對于機器人(ren)(ren)的(de)(de)剛(gang)度，若(ruo)剛(gang)度差，機器人(ren)(ren)的(de)(de)位姿(zi)精度和(he)系(xi)(xi)統固有(you)頻(pin)率(lv)(lv)將下降，從而導致系(xi)(xi)統動態不穩(wen)定；但對于某些作(zuo)(zuo)業（如裝配操作(zuo)(zuo)），適當地增(zeng)加柔順(shun)性(xing)(xing)是(shi)有(you)利(li)的(de)(de)，最(zui)理想的(de)(de)情況是(shi)希望機器人(ren)(ren)臂桿(gan)的(de)(de)剛(gang)度可(ke)調(diao)。增(zeng)加系(xi)(xi)統的(de)(de)阻尼對于縮短(duan)振蕩的(de)(de)衰減時間、提(ti)高(gao)系(xi)(xi)統的(de)(de)動態穩(wen)定性(xing)(xing)是(shi)有(you)利(li)的(de)(de)。提(ti)高(gao)系(xi)(xi)統的(de)(de)固有(you)頻(pin)率(lv)(lv)，避開工作(zuo)(zuo)頻(pin)率(lv)(lv)范圍，也有(you)利(li)于提(ti)高(gao)系(xi)(xi)統的(de)(de)穩(wen)定性(xing)(xing)。
七、工業機器人面臨的技術挑戰
1、機器人市場外資占九成
機器(qi)人市(shi)場(chang)一(yi)片欣(xin)欣(xin)向榮，但(dan)是中(zhong)國(guo)機器(qi)人產業卻不容樂觀。根(gen)據市(shi)場(chang)統(tong)計，中(zhong)國(guo)大陸工業機器(qi)人市(shi)場(chang)為外(wai)商(shang)廠(chang)(chang)商(shang)所壟斷，日系品(pin)牌(pai)廠(chang)(chang)商(shang)占(zhan)52%，歐洲廠(chang)(chang)商(shang)占(zhan)30%，剩余約(yue)10%為中(zhong)國(guo)大陸廠(chang)(chang)商(shang)。
由于(yu)機(ji)(ji)(ji)器人產業進入門(men)檻相(xiang)當高，因此全球機(ji)(ji)(ji)器人市場排名(ming)前四大廠商分別(bie)為日(ri)本(ben)發(fa)那(nei)科，安川電機(ji)(ji)(ji)、ABB與KUKA，合計(ji)達50%的市場占(zhan)有率。
而另一方面，未來30年中國(guo)大(da)(da)(da)陸工業機器人(ren)市(shi)場(chang)將至(zhi)少保(bao)持30%以(yi)上的高速增長(chang)。為此，全球品牌(pai)機器人(ren)大(da)(da)(da)廠積極擴大(da)(da)(da)在中國(guo)大(da)(da)(da)陸市(shi)場(chang)上的機器人(ren)業務銷售(shou)規模，包括發那(nei)科、安(an)川電機、ABB與KUKA等均積極在中國(guo)大(da)(da)(da)陸卡位、設(she)廠。
目前中(zhong)國(guo)大(da)陸(lu)的工業(ye)(ye)機器人雖然產(chan)業(ye)(ye)化(hua)初步取得一些(xie)進展(zhan)，但(dan)由于在精度(du)、速度(du)等方面不如(ru)國(guo)外廠商同類(lei)產(chan)品(pin)，致使(shi)這(zhe)些(xie)產(chan)品(pin)產(chan)業(ye)(ye)化(hua)應用程度(du)較低，市場份額很小(xiao)；一些(xie)產(chan)品(pin)的技術(shu)水平僅僅相當于國(guo)外上世(shi)紀(ji)90年代中(zhong)期的水平。
中(zhong)(zhong)(zhong)國(guo)機(ji)器(qi)人(ren)產業聯盟數據(ju)統計中(zhong)(zhong)(zhong)心主(zhu)任(ren)李曉佳表示，2013年中(zhong)(zhong)(zhong)國(guo)購買并組裝近3.7萬臺工(gong)業機(ji)器(qi)人(ren)，其中(zhong)(zhong)(zhong)外資機(ji)器(qi)人(ren)普遍以6軸或以上高(gao)端(duan)(duan)工(gong)業機(ji)器(qi)人(ren)為(wei)主(zhu)，幾乎壟斷了汽車制造、焊接(jie)等(deng)高(gao)端(duan)(duan)行業領(ling)域，占(zhan)比96%。而國(guo)產機(ji)器(qi)人(ren)主(zhu)要應(ying)用還是以搬運和上下料機(ji)器(qi)人(ren)為(wei)主(zhu)，處于行業的(de)低端(duan)(duan)領(ling)域。
值得關注的是，目(mu)前我國機器(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)產業發展與國外差距有進一步被拉大的風險。目(mu)前我國機器(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)產業總體(ti)上還處于(yu)起(qi)步階段，工業機器(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)缺乏品(pin)牌認知(zhi)度(du)，最大的機器(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)企(qi)業年產機器(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)僅有幾(ji)千臺。隨(sui)著國外機器(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)企(qi)業紛(fen)紛(fen)將我國作為(wei)生產基地，自(zi)主品(pin)牌工業機器(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)企(qi)業發展空間將進一步被壓縮。
同(tong)時(shi)，由于(yu)(yu)關(guan)(guan)鍵核心(xin)部(bu)件(jian)受(shou)制(zhi)(zhi)于(yu)(yu)人(ren)，產(chan)業(ye)空(kong)心(xin)化風險擴大。工業(ye)機(ji)(ji)器人(ren)三大關(guan)(guan)鍵部(bu)件(jian)（電機(ji)(ji)和服務器、減(jian)速(su)機(ji)(ji)、控制(zhi)(zhi)系統）主要(yao)來(lai)源于(yu)(yu)國外，中國大陸廠商相(xiang)對(dui)缺乏具有競爭力的研(yan)發制(zhi)(zhi)造能力，長期(qi)依賴進(jin)口(kou)。由于(yu)(yu)產(chan)業(ye)鏈上游(you)無核心(xin)零(ling)部(bu)件(jian)制(zhi)(zhi)造商支撐，因此將長期(qi)受(shou)制(zhi)(zhi)于(yu)(yu)人(ren)。
2、工業機器(qi)人面臨(lin)的技術挑戰
我們要(yao)清(qing)醒地看到(dao)中國工業(ye)機器人產(chan)業(ye)發(fa)展面臨的巨大(da)挑戰(zhan)。
首先，機(ji)(ji)器人(ren)的(de)頂層架(jia)構設計和基礎(chu)技術被發(fa)達國(guo)家(jia)控(kong)制(zhi)，在機(ji)(ji)器人(ren)成(cheng)本結構中比重較大(da)的(de)減速機(ji)(ji)、伺(si)服電機(ji)(ji)、控(kong)制(zhi)器、數(shu)控(kong)系(xi)統都(dou)嚴(yan)重依賴進口，國(guo)產機(ji)(ji)器人(ren)并不具(ju)備顯著成(cheng)本優勢。
其次，存在低端(duan)鎖定的(de)風險。一(yi)方(fang)面，發(fa)達國(guo)(guo)家(jia)不(bu)會輕易向中國(guo)(guo)轉(zhuan)移或授權機器(qi)人(ren)核(he)心(xin)技(ji)術(shu)、專利(li)，中國(guo)(guo)機器(qi)人(ren)企業(ye)(ye)通(tong)過參與國(guo)(guo)際標準制定、技(ji)術(shu)合(he)作研發(fa)進入中高端(duan)市場的(de)阻礙很(hen)多；另一(yi)方(fang)面，地方(fang)政(zheng)府對產業(ye)(ye)的(de)盲目投資可能形成過剩(sheng)產能，導致重復建設和低價競爭(zheng)。
再次，機器人(ren)(ren)研(yan)(yan)發(fa)、制造與應用之(zhi)間缺乏(fa)有效銜接(jie)。機器人(ren)(ren)相關技(ji)術研(yan)(yan)發(fa)領(ling)先的高校和院所(suo)并(bing)不具備市場開(kai)拓能力，而企(qi)業在基礎研(yan)(yan)發(fa)上的投(tou)入(ru)還非(fei)常低，國內(nei)產學研(yan)(yan)結(jie)合(he)又存(cun)在諸多體制機制障(zhang)礙，導致(zhi)研(yan)(yan)發(fa)與制造環節脫節。
針(zhen)對外資壟斷(duan)國(guo)內市場的(de)現狀，專家建議，要通過多種(zhong)途徑(jing)來尋求“突(tu)圍(wei)”和趕超：首先(xian)是(shi)要加(jia)強(qiang)對國(guo)際機器人技術(shu)(shu)的(de)跟蹤研(yan)究，制定出臺符合我國(guo)發展(zhan)實際的(de)“機器人技術(shu)(shu)路線圖”，明確技術(shu)(shu)發展(zhan)的(de)步驟、重點突(tu)破的(de)關鍵(jian)核心(xin)技術(shu)(shu)、工藝與(yu)零(ling)部(bu)件(jian)以及產業化路徑(jing)。
其次，是要確立(li)符(fu)合(he)我(wo)國發(fa)展(zhan)實際的(de)機器(qi)人發(fa)展(zhan)模式(shi)。加強(qiang)行業(ye)細分領域(yu)的(de)集成(cheng)(cheng)應(ying)用，加強(qiang)產(chan)學研(yan)用結合(he)的(de)集體攻關(guan)(guan)，重(zhong)點突破關(guan)(guan)鍵核心部件，盡快(kuai)形成(cheng)(cheng)機器(qi)人本(ben)體、關(guan)(guan)鍵零部件、系統(tong)集成(cheng)(cheng)商等(deng)機器(qi)人全產(chan)業(ye)鏈(lian)的(de)整體推進。
另(ling)外(wai)，要加(jia)快培育工(gong)(gong)業(ye)(ye)機(ji)器(qi)人(ren)龍頭企業(ye)(ye)和品牌。我國(guo)應將培育與發(fa)展自主品牌工(gong)(gong)業(ye)(ye)機(ji)器(qi)人(ren)作為打造(zao)中國(guo)經濟(ji)升級版的一項(xiang)重要任務(wu)。出臺工(gong)(gong)業(ye)(ye)機(ji)器(qi)人(ren)產(chan)業(ye)(ye)目(mu)錄，協同(tong)推進開展工(gong)(gong)業(ye)(ye)機(ji)器(qi)人(ren)的國(guo)產(chan)化工(gong)(gong)作。
八、工業機器人知名廠商
工業(ye)機(ji)器(qi)(qi)人(ren)技術水(shui)平日趨成(cheng)熟(shu)，已經成(cheng)為(wei)一(yi)種標準(zhun)設備而得(de)到工業(ye)界廣泛應用(yong)，從而也形成(cheng)了一(yi)批較有影響力的(de)(de)、著名的(de)(de)工業(ye)機(ji)器(qi)(qi)人(ren)公(gong)司(si)。其主(zhu)要(yao)分(fen)為(wei)日系和歐美(mei)(mei)系，日系中主(zhu)要(yao)有FANUC、安(an)(an)川(chuan)、松(song)下(xia)、不二越、川(chuan)崎、愛(ai)普生等公(gong)司(si)；歐美(mei)(mei)系中主(zhu)要(yao)有德國的(de)(de)KUKA、瑞(rui)典的(de)(de)ABB、瑞(rui)士的(de)(de)史(shi)陶(tao)比爾、意大利的(de)(de)COMAU公(gong)司(si)。在(zai)國內，工業(ye)機(ji)器(qi)(qi)人(ren)產(chan)業(ye)剛剛起步，但增(zeng)長的(de)(de)勢頭非常強勁，如新松(song)、安(an)(an)徽埃(ai)夫特。
工業機器(qi)人的知(zhi)名廠商(shang)