工业机器人的分类 工业机器人对现在新兴产业的发展和传统产业的转型都起着至关重要的作用。现在越来越广泛的应用于各行各业，随着工业机器人市场的火爆，其种类也是花样百出。关于工业机器人的分类，国际上并没有制定统一的标准，有的按负载重量分，有的按控制方式分，有的按结构分，有的按应用领域分，按机器人的发展等级可大致分为以下几种，见表1。 表SEQ 表 \* ARABIC1机器人的分类及功能概要 机器人种类 简要解释 操作型机器人 能自动控制可重复编程，多功能，有几个自由度，可固定或运动，用于相关自动化系统中 程控型机器人 按预先的要求及顺序条件，依次控制机器人的机械动作 示教再现型机器人 通过引导或其它方式，先教会机器人动作，输入工作程序，机器人则自动重复进行作业 数控型机器人 不必使机器人动作，通过数值、语言等对机器人进行示教，机器人根据示教后的信息进行作业 感觉控制型机器人 利用传感器获取的信息控制机器人的动作 适应控制型机器人 机器人能适应环境的变化，控制其自身的行动 学习控制型机器人 机器人能“体会”工作的经验，具有一定的学习功能，并将所“学”的经验用于工作中 智能机器人 以人工智能决定其行动的机器人 以下是按照设备的机械机械结构（坐标形式）和用途对机器人进行分类。 根据机械结构（坐标形式）分类 工业机器人按其几何结构形式来分，可归为两大类：串联机器人与并联机器人。 串联机器人是开式运动链，它是由一系列连杆通过转动关节或移动关节串联而成。关节由驱动器驱动，关节的相对运动导致连杆的运动，使手爪到达一定的位姿。如 REF _Ref438287312 \h 图11所示。 图STYLEREF 1 \s1SEQ 图 \* ARABIC \s 11 KUKA六轴关节机器人 并联机器人可以定义为动平台和定平台通过至少两个独立的运动链相连接，机构具有两个或两个以上自由度，且以并联方式驱动的一种闭环机器人，如REF _Ref438287329 \h图12所示。 图STYLEREF 1 \s1SEQ 图 \* ARABIC \s 12 IRB 360 FlexPicker并联机器人 串联机器人 串联机器人的机构运动特征是用其坐标特性来描述的。按基本动作机构，工业机器人通常可分为柱坐标机器人、球坐标机器人、笛卡尔坐标机器人和多关节型机器人。 柱坐标机器人 当水平臂或杆架安装在一垂直柱上，而该柱又安装在一个旋转基座上，这种结构可称为柱坐标机器人，如 REF _Ref434843024 \h 图13所示。柱坐标机器人具有一个回转和两个平移自由度，其动作空间呈圆柱体。其运动特点如下： ●手臂可伸缩（沿r方向） ●滑动架（或托板）可沿柱上下移动（z轴方向） ●水平臂和滑动架组合件可作为基座上的一个整体而旋转（绕z轴） 一般旋转不允许超过360°，因为有液压、电气或气动联接机构或连线造成的这种约束。 根据机械上的要求，其手臂伸出长度有一最小值和最大值，所以机器人总的体积或其工作包络范围呈圆柱体。 图STYLEREF 1 \s1SEQ 图 \* ARABIC \s 13柱坐标机器人示意图 球坐标机器人 球坐标机器人的空间位置分别由旋转、摆动和平移3个自由度确定。由于机械和驱动连线的限制，机器人的工作包络范围是球体的一部分，如 REF _Ref438287352 \h 图14所示。 图STYLEREF 1 \s1SEQ 图 \* ARABIC \s 14球坐标机器人示意图 其工作特点如下： ●手臂可伸出缩回范围R，类似于可伸缩的望远镜套筒 ●在垂直面内绕β轴旋转 ●在基座水平内转动角度为θ 笛卡尔坐标机器人 笛卡尔坐标机器人也称为直角坐标机器人，这是一种最简单的结构，其机械手的连杆按线性方式移动，这类机器人的运动轴称为“棱柱形”，按其结构样式可分为两类：悬臂笛卡尔式和门形笛卡尔式。 （1）悬臂笛卡尔式机器人 这种机器人的机械手构件受到约束，只在平行于笛卡尔坐标轴X、Y、Z的方向上移动，臂连接到主干，而主干又与基座相连接，如 REF _Ref438287366 \h 图15所示。这种形式的坐标机器人，从支撑架伸出的长度有限，刚性差，但其工作空间所受约束较其它机器人所受的约束少，此外它的重复性和精度高，其坐标更近乎于自然状态，故编程容易。可是有些运动形式，由于需要大量计算，此结构可能较难完成，如方向与任何轴都不平行的直线轨迹。 图STYLEREF 1 \s1SEQ 图 \* ARABIC \s 15悬臂笛卡尔式机器人 （2）门形笛卡尔式机器人 门形笛卡尔式机器人也称为桁架机器人，如 REF _Ref438287377 \h 图16所示。它一般在需要精确移动及负载较大的场合使用，这类机器人常常安装在顶板（天花板）上。 图STYLEREF 1 \s1SEQ 图 \* ARABIC \s 16门形笛卡尔式机器人 多关节机器人 多关节型机器人由多个旋转和摆动机构组合而成，如REF _Ref438287388 \h图17所示。这类机器人结构紧凑、工作空间大、动作最接近人的动作，对涂装、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。依据其动作空间的形状可分为三种：纯球状、平面四边形球状、圆柱状。 图STYLEREF 1 \s1SEQ 图 \* ARABIC \s 17多关节机器人 （1）纯球状 这种最普通的关节结构中，机器人所有的连杆都用枢轴装置而成，因而都可以旋转，如REF _Ref438287420 \h图18所示。机械臂的上臂和前臂相连，该枢轴常称为肘关节，允许前臂转动角度α；上臂与基座相连，与基座垂直的面内的运动可绕此肩关节进行角度φ；而基座可自由转动，因而整个组合件可在与基座平行的平面内移动角度θ，具有这类结构的机器人的工作包络范围大体上是球状的。 这种设计的优点主要是机械臂可以够得着机器人基座附近的地方，并越过其工作范围内的人和障碍物。 图STYLEREF 1 \s1SEQ 图 \* ARABIC \s 18纯球状关节机器人示意图 （2）平行四边形球状 用多重闭合的平行四边形的连杆机构代替单一的刚性构件的上臂的机器人即为平行四边形球状，如 REF _Ref438287500 \h 图19所示。这种结构有以下几个优点： ●它允许关节驱动器位置靠近机器人的基座或装在机器人的基座上，这就意味着它们不是装在前臂之内或之上，从而使臂的惯性机重量大为减少，结果是采用同样大小的执行器时，它们所具有的承载能力就比球体关节的机器人要大。 ●这种结构的机器人刚度比其它大多数机械手大。 缺点是平行四边形结构的机器人与相应的球状关节坐标机器人的工作范围相比，受到较大限制。 图STYLEREF 1 \s1SEQ 图 \* ARABIC \s 19平行四边形球状机器人示意图 （3）圆柱状 圆柱状关节机器人也称为SCARA机器人，这种结构用多重铰接开放运动学链系代替纯圆柱状机器人中的单一γ轴部件，如 REF _Ref438287521 \h 图110所示。这种结构的机器人具有精密且快速的优点，但一般垂直作用范围有限（Z方向）。通常Z方向用一简单的气缸或步进电机控制，而其它轴则采用较精巧的电气执行器（如伺服电机）。 图STYLEREF 1 \s1SEQ 图 \* ARABIC \s 110圆柱状多关节机器人 并联机器人 并联机器人的并联机构是一种闭环机构，其动平台或称末端执行器通过至少两个独立的运动链与支架相连接。它与串联机器人在哲学上呈对立统一的关系，具有如下几个特点： ●无累积误差，精度较高 ●驱动装置可置于定平台或接近动平台的位置，这样运动部分重量轻，速度高，动态响应好 ●结构紧凑，刚度高，承载能力大 ●完全对称的并联机构具有较好的各向同性 ●工作工件较小 根据以上这些特点，并联机器人在需要高刚度、高精度或者大载荷且无需很大工作空间的领域内得到了广泛的应用。 机器人的并联机构依据运动形式可分为两类：平面机构和空间机构。其中平面机构可细分为平面移动机构、平面移动转动机构；空间机构可细分为空间纯移动机构、空间纯转动机构和空间混合运动机构。 按照并联机构的自由度来分，有以下几类：两自由度并联机构、三自由度并联机构、四自由度并联机构、五自由度并联机构、六自由度并联机构。 两自由度并联机构 两自由度并联机构是并联机构领域中，自由度最少的机构。依据结构形式可分为平面结构和球面结构两大类，主要适用于平面或球面定位。 两自由度并联机构的结构形式如5-R、3-R-2-P（R表示转动副、P表示移动副），如REF _Ref438287546 \h图111所示，是球面2自由度5R对称并联机构，由5个转动副首尾相连，5个转动副的轴线汇交于一点（转动中心），这种机构的输出参考点具有沿球面移动的2个自由度。 图STYLEREF 1 \s1SEQ 图 \* ARABIC \s 111 2自由度5R并联机构 平面两自由度并联机器人是指能够实现平面2个移动自由度法机器人。平面2自由度并联机构主要应用于在空间内定位平面内的点，能实现平面上任意轨迹。平面5杆机构是最典型的2自由度并联机构，这类机构一般具有2个移动运动。如REF _Ref438288305 \h图112所示，为北京华航唯实机器人科技有限公司开发的一种五连杆机器人，该机器人能够安装在普通六关节机器人末端，作为末端执行器使用，可应用于激光切割等非接触式加工，具有小轨迹切割精度高、刚性强等特点。 图STYLEREF 1 \s1SEQ 图 \* ARABIC \s 112五连杆机器人 三自由度并联机构 三自由度并联机构种类较多，形式较复杂，如REF _Ref438288315 \h图113所示，为三自由度并联机器人的一种，一般三自由度并联机构具有以下几种形式： （1）平面三自由度并联机构，如3-RPR机构。 （2）球面三自由度并联机构，如3-RRR球面机构、3-UPS-1-S球面机构。其中3-RRR球面机构所有运动副的轴线汇交于空间一点，这点称为机构的中心点；而3-UPS-1-S球面机构则以S的中心点为机构的中心，机构上的所有点的运动都是绕该点的转动运动。 （3）三自由度移动并联机构，如Star Like并联机构、T阿斯并联机构和DELTA机构，该类机构的运动学正、反解都很简单，是一种应用很广泛的三维移动空间机构。 （4）空间三自由度并联机构，如典型的3-RPS机构，这类机构属于欠秩机构，在工作空间内，不同的点其运动形式不同是最显著的特点。由于这种特殊的运动特性，阻碍了该类机构在实际中的广泛应用。 （5）还有一类是增加辅助杆件和运动副的空间机构，如德国汉诺威大学研制的并联机床采用的3-UPS-1-PU球坐标式三自由度并联机构，由于辅助杆件和运动副的制约，使得该机构的运动平台具有1个移动和2个转动的运动。 图STYLEREF 1 \s1SEQ 图 \* ARABIC \s 113三自由度并联机器人 四自由度并联机构 四自由度并联机构大多不是完全并联机构，如2-UPS-1-RRRR机构，运动平台通过3个支链与定平台相连，有2个运动链是相同的，各具有1个虎克铰U、1个移动副P，其中P和其中一个的R是驱动副，因此这种机构不是完全并联机构。 五自由度并联机构 国际上一直认为不存在全对称五自由度并联机器人机构。相对而言，非对称五自由度并联机构比较容易综合。Lee和Park在1999年提出一种结构复杂的双层5自由度并联机构，Jin等在2001年综合出具有三个移动自由度和两个转动自由度的非对称5自由度并联机构，高峰等在2002年通过给六自由度并联机构添加一个五自由度约束分支的方法，综合出两种5自由度并联机构。 六自由度并联机构 六自由度并联机构是并联机器人机构中的一大类，是国内外学者研究的最多的并联机构，如 REF _Ref438288347 \h 图114所示，为六自由度并联机器人中的一种，它们广泛应用在飞行模拟器、6维力与力矩传感器和并联机床等领域。但这类机构有很多关键性技术没有或没有完全得到解决，比如其运动学正解、动力学模型的建立以及并联机床的精度标定等。 从完全并联的角度出发，这类机构必须具有6个运动链。但在现有的并联机构中，也有拥有3个运动链的六自由度并联机构，如3-PRPS和3-URS等机构，还有在3个分支的每个分支上附加一个5杆机构作为驱动机构的六自由度并联机构等。 图STYLEREF 1 \s1SEQ 图 \* ARABIC \s 114 6自由度并联机器人示意图 根据用途分类 工业机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。其按用途可以分为搬运机器人、喷涂机器人、焊接机器人和装配机器人等。 1. 搬运机器人 这种机器人用途很广，一般只需点位控制。即被搬运零件无严格的运动轨迹要求，只要求始点和终点位姿准确。如机床上用的上下料机器人，工件堆垛机器人，注塑机配套用的机械等，如REF _Ref438288372 \h图115所示为ABB IRB 6620LX工业机器人，用于机器管理和物料搬运。 图STYLEREF 1 \s1SEQ 图 \* ARABIC \s 115 ABB IRB 66220LX直线ae;

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