工业机器人及其系统组成
有许多关于机器人这个术语的定义。采用不同的定义，全世界各地机器人
的数量就会发生很大的变化。在制造T 厂中使用的许多单用途机器可能会看起
来像机器人。这些机器是硬连线的，不能通过新编程的方式去完成不同的工作。
这种单用途的机器不能满足被人们日益广泛接受的关于工业机器人的定义。这个
定义是由美国机器人协会提出的：
机器人是一个以改编程序的多功能操作器，被设计涉及用束按照预先编制
的、能够完成多种作业的运动程序运送材料、零件、工具或者专用设备。
注意在这个定义中包含“可以改编程序”和“多功能”这两个词。正是这
两个词将真证的机器人与现代制造工厂中使用的单一用途的机器区分开来。“可
以改编程序”这个术语意味着两件事：机器人根据编写的程序工作，以及可以通
过重新编写程序来适应不同种类的制造工作的需要。
“多功能”这个词意味着机器人能够通过编程和使用的末端执行机构，完成
不同的制造上作。围绕着这两个关键特征所撰写的定义正在变成制造业的专业人
员所接受的定义。
第一个带有活动关节的于臂于1951 年被研制出来，由美国原子能委员会使
用。在1954 年，第一个可以编程的机器人由乔治•狄弗设计出来。它基于下面
两项重要技术：
(1)数字控制(NC)技术；
(2)远程操作技术。
数字控制技术提供一种非常适合于机器人的机器控制技术。它可通过存储的
程序对运动进行控制。这些程序包含机器人进行顺序运动的数据，开始运动和停
止运动的时间控制信号，以及做出决定所需要的逻辑语句。
远程操作技术使得一台机器的性能超出一台数控机器。它可以使这种机器能
够在不容易进入和不安全的环境中完成各种制造任务。通过融合上述两项技术，
狄弗研制出第一个机器人，它是一个不复杂的，可以编程的物料运送机器人。
第-台商业化生产的机器人在1959 年研制成功。通用汽车公司在1962 年安
装了第一台用于生产线上的工业机器人，它是尤尼梅森公刊生产的。在1973 年，
辛辛哪挺•米兰克朗公司研制出T 3 工业机器人，存机器人的控制方面取得了
较大的进展。T 3 机器人是第一台商业化生产的采用计算机控制的机器人。
数字控制技术和远程操作技术推动了大范围的机器人研制和应用。但是主要
的技术进步并不仅仅是由于这些新的应用能力而产生的，而是必须由利用这些能
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力所得到的效益来提供动力。就工业机器人而古，这个动力是经济件。
在20 世纪70 年代中，丁资的快速增长大大增加了制造业的企业中的人工
费用。与此同时，来自国外的竞争成为美国制造业所面临的一个严峻的考验。诸
如日本等外国的制造厂家在广泛地应用自动化技术之后，其工业产晶，特别是汽
车，在美国和世界市场上占据了日益增大的份额。
通过采用包括机器人在内的各种自动化技术，从20 世纪70 年代开始，口
本的制造厂家能够比没有采用自动化技术的美国制造厂家生产更好的和便宜的
汽车。随后，为了生存，美国制造厂家被迫考虑采用任何能够提高生产率的技术。
为了与国外制造厂家进行竞争，必须以比较低的成术，生产出更好的产品。
其他的因素，诸如寻找能够更好地完成带有危险性的制造工作的方式也促进了工
业机器人的发展。但是，主要的理由一直是，而日．现在仍然是提高生产率。
机器人的一个主要优点是它们可以在对于人类来说是危险的位置上工作。采
用机器人进行焊接和切断工作是比由人工来完成这些工作更安全的例子。尽管机
器人与工作地点的安全密切相关，它们本身也可能是危险的。
应该仔细地设计和配置机器人和机器人单元，使它们不会伤害人类和其他机
器。应该精确地算出机器人的工作范围，且在这个范围的四周清楚地标出危险区
域。可以采用在地面上画出红颜色的线和设置障碍物以阻止工人进入机器人的工
作范围。
即使有了这些预防措施，在使用机器人的场地中设置一个自动停止工作的系
统仍然不失为一个好主意。机器人的这个系统应该具有测出是否有需要自动停止
工作的要求的能力。为了保证有一个安全的环境，应当安装容错计算机和冗余系
统，保证在适当的时候停止机器人的工作。
工业机器人是一门设计、建筑、应用工业机器人的科学。什么是机器人呢？
在20 纪70 年代，机器人工业协会把机器人定义为“设计成可通过为实现各种
各样任务而编制好的运动来移动材料、零件、工具或特别设备的操作者”。尽管
这种定义没有直接把抓—放型手臂算作机器人，但远距离操纵装置和遥控装置通
常被认为是机器人。国际标准组织有一个更合法的工业机器人的定义：
一种含有多层次自由度的机器，通常用一条或多条手腕的末端来握住一个工
具或一个部件或检测装置。特别地，它的控制单元必须用一个记忆设备，考虑到
环境和条件等因素通常可用检测或适应装置，这些多用途的机器通常设计为实现
重复性功能，同时也可适用于其他功能。
机器人工业协会和国际标准组织都强调多功能和程序化的功能。因此，包括
特殊用途“硬自动化”工具和装置特别地出现在高档产品。同时也包括远途手动
操作者，它们是人类工作在如枯燥无味的、热的、辐射性的环境里应用的延伸。
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在日本，日本工业机器人协会根据输入信息和示教方法的不同把工业机器人
分为：
1、手动操作者操作者直接由操作人操纵。
2、固定顺序机器人这类机器人一旦被给定某执行顺序的程序，就不容易改
变。
3、可边顺序机器人可以对这类机器人进行编程，使其按一定的顺序工作，
可以很容易地改变这种顺序或者重新编程。
4、再现式机器人这种机器人的记忆工作顺序由人的示教，他通过已定的工
作类型亲自引导设备来实现。这种机器人可以由记忆重复实现这种顺序。
5、数字控制机器人这种机器人由数字化数据来操作和控制，这些数字数据
有针孔带、记忆卡、或数字表等形式，像一台数字控制机器操作。
6、智能机器人这种机器人采用感官知觉对它周围的环境进行评价和做出决
定，并据此进行工作。
第一代机器人系统被定义为许多带有有限计算机能力的机器人，他们主要的
智力功能包括通过由操作人员用一个示教盒来显示出一系列的操作步骤的程序。
没有任何传感器，这些机器人需要一个预先设计，直接与工厂相应的环境。因此，
其应用的场所很有限。
第二代机器人系统的功能由于增加一个计算机程序而加强。其在工业机器人
发展中的关键步骤是将一台计算机与工业机器机构相集合。这样就提供实时的轨
迹计算。可以使末端作用器的运动更为平滑，并且集成了某些简单的力传感器和
接近式传感器以获取外部信号。第二代机器人的主要应用包括勘测、焊接、喷漆
和其它一些的组合。
第三代机器人系统包括多层次计算机程序和多层次手臂，它能自如地实现多
种功能。分配多层次计算机组织为首选，因为它能协调各种运动并且可以与外部
传感器、其他机构和其他机器人相联接，并且可以和其他计算机相联系。这些机
器人可展示智力行为，包括在知识基础上的控制和学习能力。
日本作为世界顶尖的机器人制造和使用的国家，拥有高达40%以上的世界工
业机器人装置。其原因为这种集中是由于日本独特的社会和科技因素：工业机器
人在日本工业中带来了高生产率和高质量产品，并与其工业的环境的提高相匹
配，这些因素使得社对更多的机器人的需求被无限期地延续下去和增加了人们对
这种技术的期望。
现行的和正在开发的机器人在工业上的应用可由其复杂程度和工作的需求
的不同而分类。它们可分为从通过中介技术图案简单的、低技术抓—放型操作，
一些组合和焊接操作到高技术高精度的组合检测操作。
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抓—放型操作机器人最早的应用为在机器装、卸载，抓、放和材料转运的
操作。这种机器人典型地不是传输控制和用压缩气体或气动能量来工作。它的载
荷运作要求很高，工作在有脏又危险的工厂环境中。这些机器人通常被用来替代
从事危险性工作的非技术工人，它们必须坚固而且具有较低的使用费用和维护费
用。
喷漆和焊接操作工业机器人复杂应用的下一水平为喷漆、勘测和焊接。这
些应用实施或代替一些技术工业的劳动力。通常需要跟踪复杂轨迹如图案表面轮
廓，因此，控制铰接或关节型机器人被选用。示教型这种方式变得比较常见，有
时还需要复杂的传感器来保持过程的一致性。经验显示当合理选择和实施时，与
人工方法相比应用这些机器人通常能降低整个制造成本和提高产品的质量。
装配操作技术应用第三代工业机器人的最高水平是装配的重复性能为最重
要时，臂切削端必须是顺从的，例如，有两个力和位移控制来调整部件选用，它
需要机器人能实际地感觉到它的距离。这种技术通常需要一个人工智能的手段。
组装机器人通常由电子驱动逼供内在洁净的环境中工作，组装机器人有望于超出
低技术应用。其他应用机器人其他典型的应用包括检测、质量控制，和修复；
过程如激光和水枪切、钻和清扫屋舍操作；和在木业，纸业和食品制造业的应用。
作为工业机器人技术和机器人智力的提高甚远，附加的应用也可被视为有效的。
可以从物质的观点电可以从系统的观点，讨论机器人系统的组成部分。从物质上
看我们可以将系统分成机器人、电源系统和控制器(计算机)。机器人本身可以像
人一样被分为基座、肩、肘、腕、抓持器和工具。这此术语中的大部分不需要做
任何解释。
因此，我们将根据信息传递的观点来描述机器人系统的组成部分。也就是，
什么信息或者信号进入计算机的组成部分，这个组成部分进行何种逻辑或者算术
运算，这个组成部分产生什么信息或者信号?成该认识到，同一个组成部分可以
完成许多不同的信息处理工作(例如，中心汁算机可以根据小同的数据进行许多
不同种类的计算)，这一点是很重要的。与之相似，在结构上分开的两个组成部
分可以进行相同的信息操作(例如，肩部和肘部的执行机构用非常相似的方式将
信息转换为运动)。
执行机构执行机构与机器人的每个关节相连，并且驱动这个关节进行运动。
电动机和液压缸都是典型的执行机构。由于对位置和方向进行完全控制需要六个
变量，通常一个机器人系统需要六个执行机构。在实际应用中，许多机器人并不
需要具有这种完全的灵活性，因此，机器人通常只有五个或更少的执行机构。
传感器为了控制执行机构，计算机内须有关于执行机构位置的信息，还可
能有执行机构速度的信息。这里所说的位置是指执行机构相对任意零参考点的位
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移。例如在转动装置中，“位置”为角度的位置，并且采用弧度为单位来对其进
行度量。许多种类的传感器能够表示位置和速度。各种传感器要有不同的机构
作为它与计算机之间的连接装置。此外，操纵型机器人在工业中的应用要求对这
种连接装置加以保护，使其免受工厂中的恶劣电气环境的影响。如果在设计和制
作时没有认真考虑对数字系统的连接装置加以保护，诸如电弧焊机和大电动机所
产生的电气噪声源可以很容易地使这个数字系统失去作用。
计算部分我们可以容易地将计算模块称为计算机，这是凶为将要描述的大
部分功能通常是由数字计算机完成的。然而，许多功能也可以由专用的硬件或者
计算机网络来完成。应该认识到在要求进行实时控制时，可能需要专门的设备，
尽管目前的趋势是向着全数字化发展，这个设备的某些部位甚至还可能采用模拟
方式。在这里，将把计算部分当做一个简单的计算机来讨论。
进一步的说明：尽管许多机器人制造厂家目前在他们的系统中使用一个或者
几个微处理器，在本书中我们避免使用微处理器这个术语，简单地将其称为计算
机。
计算部分可以完成上述工作。
伺服已知执行机构当前的位置或速度，确定使执行机构向着它预定的位置
运动的驱动信号。对于每个执行机构都需要进行这种控制。运动学已知执行机
构目前的状态(位置和速度)，确定抓握器当前的状态。相反地，已知于的一个期
望状态，确定每个执行机械的期望状态。
动力学已知机器人臂的负载信息(惯量、摩擦、加速度)，利用这种信息对
伺服机构进行控制，以取得更好的工作特性。
在工作地点进行传感器信息分析已知需要完成任务的信息，确定适当的机器
人运动指令。这可能会包括对工作场所的电视图像的分析，或者对手部施加的力
的测量和补偿。
除了这些容易确定的组成部分，还有一些监督管理工作，例如路径设计和操
作者的干涉。
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