1、一代工業機器人：

 

　　通常是指目前國際上商品化與使用化的“可編程的工業機器人”，又稱“示教再現工業機器人”，即為了讓工業機器人完成某項作業，首先由操作者將完成該作業所需要的各種知識（如運動軌跡、作業條件、作業順序和作業時間等），通過直接或間接手段，對工業機器人進行“示教”，工業機器人將這些知識記憶下來后，即可根據“再現”指令，在一定精度范圍內，忠實的重復再現各種被示教的動作。1962年美國自動化公司的首一臺工業機器人在美國通用汽車公司投入使用，標志著一代工業機器人的誕生。

 

　　2、二代工業機器人：

 

　　通常是指具有某種智能（如觸覺、力覺、視覺等）功能的“智能機器人”。即有傳感器得到觸覺、力覺和視覺等信息計算機處理后，控制機器人的操作機完成相應的適當操作。1982年美國通用汽車在裝配線上為工業機器人裝備了視覺系統，從而宣布了新一代智能工業機器人的問世。

 

　　3、三代工業機器人：

 

　　即所謂的“只治式工業機器人”。它不僅具有感知功能，而且還有一定的決策及規劃能力。一代工業機器人目前仍處在實驗室研究階段。工業機器人經歷了誕生---成長---成熟期后，已成為制造業中不可缺少的核心裝備，世界上有約75萬臺工業機器人正與工人朋友并肩戰斗在個條生產線上。

 

　　特種機器人作為機器人家族的后起之秀，由于其用途廣泛而大有后來居上之勢，仿人機器人、農業機器人、服務機器人、水下機器人、醫 療機器人、軍 用機器人、娛樂機器人等各種用途發特種機器人紛紛面世，而且正以飛快的速度向實用化邁進。

 

　　工業機器人的分類

 

　　工業機器人按不同的方法可分下述類型

 

　　1、工業機器人按操作機坐標形式分以下幾類：（坐標形式是指操作機的手臂在運動時所取的參考坐標系的形式。）

 

　?。?）  直角坐標型工業機器人

 

　　其運動部分由三個相互垂直的直線移動（即PPP）組成，其工作空間圖形為長方形。它在各個軸向的移動距離，可在各個坐標軸上直接讀出，直觀性強，易于位置和姿態的編程計算，定位精度高，控制無耦合，結構簡單，但機體所占空間體積大，動作范圍小，靈活 性差，難與其他工業機器人協調工作。

 

　?。?）  圓柱坐標型工業機器人

 

　　其運動形式是通過一個轉動和兩個移動組成的運動系統來實現的，其工作空間圖形為圓柱，與直角坐標型工業機器人相比，在相同的工作空間條件下，機體所占體積小，而運動范圍大，其位置精度僅次于直角坐標型機器人，難與其他工業機器人協調工作。

 

　?。?）  球坐標型工業機器人

 

　　又稱坐標型工業機器人，其手臂的運動由兩個轉動和一個直線移動（即RRP,一個回轉，一個俯仰和一個伸縮運動）所組成，其工作空間為一球體，它可以作上下俯仰動作并能抓取地面上或教低位置的協調工件，其位置精度高，位置誤差與臂長成正比。

 

　　（4）多關節型工業機器人

 

　　又稱回轉坐標型工業機器人，這種工業機器人的手臂與人一體上肢類似，其前三個關節是回轉副（即RRR），該工業機器人一般由立柱和大小臂組成，立柱與大臂見形成肩關節，大臂和小臂間形成肘關節，可使大臂做回轉運動和俯仰擺動，小臂做仰俯擺動。其結構緊湊，靈活 性大，占地面積小，能與其他工業機器人協調工作，但位置精度教低，有平衡問題，控制耦合，這種工業機器人應用越來越廣泛。

 

　?。?）平面關節型工業機器人

 

　　它采用一個移動關節和兩個回轉關節（即PRR），移動關節實現上下運動，而兩個回轉關節則控制前后、左右運動。這種形式的工業機器人又稱（SCARA(Seletive  Compliance  Assembly  Robot  Arm)裝配機器人。在水平方向則具有柔順性，而在垂直方向則有教大的剛性。它結構簡單，動作靈活，多用于裝配作業中，特別適合小規格零件的插接裝配，如在電子工業的插接、裝配中應用廣泛。

 

　　2、工業機器人按驅動方式分以下幾類：

 

　　（1）氣動式工業機器人

 

　　這類工業機器人以壓縮空氣來驅動操作機，其優點是空氣來源方便，動作迅速，結構簡單造價低，無 污染，缺點是空氣具有可壓縮性，導致工作速度的穩定性較差，又因氣源壓力一般只有6kPa左右，所以這類工業機器人抓舉力較小，一般只有幾十牛頓，較大的有百余牛頓。

 

　　（2）液壓式工業機器人

 

　　液壓壓力比氣壓壓力高得多，一般為70kPa左右，故液壓傳動工業機器人具有較大的抓舉能力，可達上千牛頓。這類工業機器人結構緊湊，傳動平穩，動作靈敏，但對密封要求較高，且不宜在高溫或低溫環境下工作。

 

　　（3） 電動式工業機器人

 

　　這是目前用得較多的一類工業機器人，不僅因為電動機品種眾多，為工業機器人設計提供了多種選擇，也因為它們可以運用多種靈活控制的方法。早期多采用步進電機驅動，后來發展了直流伺服驅動單元，目前交流伺服驅動單元也在迅速發展。這些驅動單元或是直接驅動操作機，或是通過諸如諧波減速器的裝置來減速后驅動，結構十分緊湊、簡單。

 

　　工業機器人的控制系統

 

　　機器人系統的結構由機器人的機構部分、傳感器組、控制部分及信息處理部分組成。其中控制系統是機器人產業的一個核心環節。

 

　　1、工業機器人控制系統所要達到的功能

 

　　機器人控制系統用于對操作機的控制，以完成特定的工作任務，其基本功能如下：

 

　?。?）記憶功能：

 

　　存儲作業順序、運動路徑、運動方式、運動速度和與生產工藝有關的信息。

 

　　（2）示教功能：

 

　　離線編程，在線示教，間接示教。在線示教包括示教盒和導引示教兩種。

 

　　（3）與外 圍設備聯系功能：

 

　　輸入和輸出接口、通信接口、網絡接口、同步接口。

 

　?。?）坐標設置功能：

 

　　有關節、絕 對、工具、用戶自定義四種坐標系。

 

　　（5）人機接口：

 

　　示教盒、操作面板、顯示屏。

 

　?。?）傳感器接口：

 

　　位置檢測、視覺、觸覺、力覺等。

 

　?。?）位置伺服功能：

 

　　機器人多軸聯動、運動控制、速度和加速度控制、動態補償等。

 

　?。?）故障診斷安 全保護功能：

 

　　運行時系統狀態監視、故障狀態下的安 全保護和故障自診斷。

 

　　2、工業機器人控制系統的組成

 

機器人控制系統組成框圖

 

　　（1）控制計算機：

 

　　控制系統的調度指揮機構。一般為微型機、微處理器有32位、64位等，如奔騰系列CPU以及其他類型CPU。

 

　　（2）示教盒：

 

　　示教機器人的工作軌跡和參數設定，以及所有人機交互操作，擁有自己獨 立的CPU以及存儲單元，與主計算機之間以串行通信方式實現信息交互。

 

　?。?）操作面板：

 

　　由各種操作按鍵、狀態指示燈構成，只完成基本功能操作。

 

　　（4）硬盤和軟盤存儲存：

 

　　儲機器人工作程序的外 圍存儲器。

 

　　（5）數字和模擬量輸入輸出：

 

　　各種狀態和控制命令的輸入或輸出。

 

　?。?）打印機接口：

 

　　記錄需要輸出的各種信息。

 

　?。?）傳感器接口：

 

　　用于信息的自動檢測，實現機器人柔順控制，一般為力覺、觸覺和視覺傳感器。

 

　?。?）軸控制 器：

 

　　完成機器人各關節位置、速度和加速度控制。

 

　　（9）輔助設備控制：

 

　　用于和機器人配合的輔助設備控制，如手爪變位器等。

 

　　（10）通信接口：

 

　　實現機器人和其他設備的信息交換，一般有串行接口、并行接口等。

 

　　（11）網絡接口

 

　　1）Ethernet接口：可通過以太網實現數臺或單臺機器人的直接PC通信，數據傳輸速率高達10Mbit/s，可直接在PC上用windows庫函數進行應用程序編程之后，支持TCP/IP通信協議，通過Ethernet接口將數據及程序裝入各個機器人控制 器中。

 

　　2）Fieldbus接口：支持多種流行的現場總線規格，如Device net、AB Remote I/O、Interbus-s、profibus-DP、M-NET等。

 

　　3、工業機器人控制系統分類

 

　?。?）程序控制系統：

 

　　給每一個自 由度施加一定規律的控制作用，機器人就可實現要求的空間軌跡。

 

　?。?）自適應控制系統：

 

　　當外界條件變化時，為保證所要求的品質或為了隨著經驗的積累而自行改 善控制品質，其過程是基于操作機的狀態和伺服誤差的觀察，再調整非線性模型的參數，一直到誤差消失為止。這種系統的結構和參數能隨時間和條件自動改變。

 

　　（3）人工智能系統：

 

　　事先無法編制運動程序，而是要求在運動過程中根據所獲得的周圍狀態信息，實時確定控制作用。

 

　　驅動方式：參見工業機器人驅動系統。

 

　　運動方式：

 

　　（4）點位式：

 

　　要求機器人準確控制末端執行器的位姿，而與路徑無關；

 

　　（5）軌跡式：

 

　　要求機器人按示教的軌跡和速度運動。

 

　　（6）控制總線：

 

　　國際標準總線控制系統。采用國際標準總線作為控制系統的控制總線，如VME、MULTI-bus、STD-bus、PC-bus。

 

　　（7）自定義總線控制系統：

 

　　由生產廠家自行定義使用的總線作為控制系統總線。

 

　　（8）編程方式：

 

　　物理設置編程系統。由操作者設置固定的限位開關，實現起動，停車的程序操作，只能用于簡單的拾起和放置作業。

 

　　（9）在線編程：

 

　　通過人的示教來完成操作信息的記憶過程編程方式，包括直接示教（即手把手示教）模擬示教和示教盒示教。

 

　　（10）離線編程：

 

　　不對實際作業的機器人直接示教，而是脫離實際作業環境，生成示教程序，通過使用機器人，編程語言，遠程式離線生成機器人作業軌跡。

 

　　4、機器人控制系統結構

 

　　機器人控制系統按其控制方式可分為三類。

 

　?。?）集中控制系統(Centralized Control System )：

 

集中控制系統框圖

 

　　用一臺計算機實現全部控制功能，結構簡單，成本低，但實時性差，難以擴展，在早期的機器人中常采用這種結構，其構成框圖，如圖所示。

 

　　基于PC 的集中控制系統里，充分利用了PC 資源開 放性的特點，可以實現很好的開 放性：多種控制卡，傳感器設備等都可以通過標準PCI插槽或通過標準串口、并口集成到控制系統中。

 

　　集中式控制系統的優點是：硬件成本較低，便于信息的采集和分析，易于實現系統控制，整體性與協調性較好，基于PC 的系統硬件擴展較為方便。其缺點也顯而易見：系統控制缺乏靈活 性，控制危險容易集中，一旦出現故障，其影響面廣，后果嚴重；由于工業機器人的實時性要求很高，當系統進行大量數據計算，會降低系統實時性，系統對多任務的響應能力也會與系統的實時性相沖突；此外，系統連線復雜，會降低系統的可靠性。

 

　　（2）主從控制系統：

 

　　采用主、從兩級處理器實現系統的全部控制功能。主CPU實現管理、坐標變換、軌跡生成和系統自診斷等；從CPU實現所有關節的動作控制。其構成框圖，如圖。

 

　　主從控制方式系統實時性較好，適于高精度、高速度控制，但其系統擴展性較差，維修困難。

 

主從動控制系框圖

 

　　（3）分散控制系統(Distribute Control System )：

 

　　按系統的性質和方式將系統控制分成幾個模塊，每一個模塊各有不同的控制任務和控制策略，各模式之間可以是主從關系，也可以是平等關系。

 

　　這種方式實時性好，易于實現高速、高精度控制，易于擴展，可實現智能控制，是目前流行的方式。

 

　　其主要思想是“分散控制，集中管理”，即系統對其總體目標和任務可以進行綜合協調和分配，并通過子系統的協調工作來完成控制任務，整個系統在功能、邏輯和物理等方面都是分散的，所以DCS 系統又稱為集散控制系統或分散控制系統。

 

　　這種結構中，子系統是由控制 器和不同被控對象或設備構成的，各個子系統之間通過網絡等相互通訊。分布式控制結構提供了一個開 放、實時、準確的機器人控制系統。分布式系統中常采用兩級控制方式。

 

　　兩級分布式控制系統，通常由上位機、下為機和網絡組成。上位機可以進行不同的軌跡規劃和控制算法，下位機進行插補細分、控制優化等的研究和實現。上位機和下位機通過通訊總線相互協調工作，這里的通訊總線可以是RS-232、RS-485、EEE-488 以及USB 總線等形式。

 

　　現在，以太網和現場總線技術的發展為機器人提供了更快速、穩定、有 效的通訊服務。尤其是現場總線，它應用于生產現場、在微機化測量控制設備之間實現雙向多結點數字通信，從而形成了新型的網絡集成式全分布控制系統—現場總線控制系統FCS ( Filed bus Control System )。

 

　　在工廠生產網絡中，將可以通過現場總線連接的設備統稱為“現場設備/儀表”。從系統論的角度來說，工業機器人作為工廠的生產設備之一，也可以歸納為現場設備。在機器人系統中引入現場總線技術后，更有利于機器人在工業生產環境中的集成。

 

分布式控制系統框圖

 

　　分布式控制系統的優點在于：系統靈活 性好，控制系統的危險性降低，采用多處理器的分散控制，有利于系統功能的并行執行，提高系統的處理效率，縮短響應時間。

 

　　對于具有多自 由度的工業機器人而言，集中控制對各個控制軸之間的藕合關系處理得很好，可以很簡單的進行補償。但是，當軸的數量增加到使控制算法變得很復雜時，其控制性能會惡化。而且，當系統中軸的數量或控制算法變得很復雜時，可能會導致系統的重新設計。與之相比，分布式結構的每一個運動軸都由一個控制 器處理，這意味著，系統有較少的軸間耦合和較高的系統重構性。

 

　　“工業4.0”是指繼蒸汽機、電氣化與自動化后的第四次工業革 命，它將傳統工業與數字信息技術結合，借助大數據、云計算等技術實現智能生產。在中國，“工業4.0”意味著國家制造業的升級，為此中國專門提出了“中國制造2025”的發展目標，目標提出我國要在2025年前，從制造業大國邁入制造業強國。