工業(yè)機(jī)器人的基本構(gòu)成，可參見(jiàn)圖 3 和圖 4 。圖 3 為一臺(tái)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的工業(yè)機(jī)器人，圖 4 為一臺(tái)液壓驅(qū)動(dòng)的工業(yè)機(jī)器人。焊接機(jī)器人基本上都屬于這兩類(lèi)工業(yè)機(jī)器人，弧焊機(jī)器人大多采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人，因?yàn)楹笜屩亓恳话愣荚?10kg 以?xún)?nèi)。點(diǎn)焊機(jī)器人由于焊鉗重量都超過(guò) 35kg 。也有采用液壓驅(qū)動(dòng)方式的，因?yàn)橐簤候?qū)動(dòng)機(jī)器人抓重能力大，但大多數(shù)點(diǎn)焊機(jī)器人仍是采用大功率伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，因它成本較低，系統(tǒng)緊湊。工業(yè)機(jī)器人是由機(jī)械手、控制器、驅(qū)動(dòng)器和示教盒 4 個(gè)基本部分構(gòu)成。對(duì)于電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人，控制器和驅(qū)動(dòng)器一般裝在一個(gè)控制箱內(nèi)，而液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)器人，液壓驅(qū)動(dòng)源單獨(dú)成一個(gè)部件，現(xiàn)分別簡(jiǎn)述如下：

(1) 機(jī)械手 機(jī)器人機(jī)械手又稱(chēng)操作機(jī)，是機(jī)器人的操作部分，由它直接帶動(dòng)末端操作器 ( 如焊槍飛點(diǎn)焊鉗 ) 實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)和操作，它的結(jié)構(gòu)形式多種多樣，完全根據(jù)任務(wù)需要而定，其追求的目標(biāo)是高精度、高速度、高靈活性、大工作空間和模塊化。現(xiàn)在工業(yè)機(jī)器人機(jī)械手的主要結(jié)構(gòu)形式有如下 3 種：

1. 機(jī)床式 這種機(jī)械手結(jié)構(gòu)類(lèi)似機(jī)床。其達(dá)到空間位置的 3 個(gè)運(yùn)動(dòng) (x \\ y ＼ z) 是由直線運(yùn)動(dòng)構(gòu)成，其末端操作器的姿態(tài)由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)構(gòu)成，如圖 5 所示，這種形式的機(jī)械手優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)學(xué)模型簡(jiǎn)單，控制精度容易提高；缺點(diǎn)是機(jī)構(gòu)較龐大，占地面積大、工作空間小。簡(jiǎn)易和專(zhuān)用焊接機(jī)器人常采用這種形式。

圖 3 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)工業(yè)機(jī)器人

圖 4 液壓機(jī)驅(qū)動(dòng)工業(yè)機(jī)器人

2. 全關(guān)節(jié)式 這種機(jī)械手的結(jié)構(gòu)類(lèi)似人的腰部和手部，其位置和姿態(tài)全部由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，圖 6 為正置式全關(guān)節(jié)機(jī)械手，圖 7 為偏置式全關(guān)節(jié)機(jī)械手。這是工業(yè)機(jī)器人機(jī)械手最普遍的結(jié)構(gòu)形式。其特點(diǎn)是機(jī)構(gòu)緊湊、靈活性好、占地面積小、工作空間大，缺點(diǎn)是精度高、控制難度大。偏置式與正置式的區(qū)別是手腕關(guān)節(jié)置于小臂的外側(cè)或小臂活動(dòng)范圍，但其運(yùn)動(dòng)學(xué)模型要復(fù)雜一些。目前焊接機(jī)器人主要采用全關(guān)節(jié)式機(jī)械手。

圖 5 機(jī)床式機(jī)械手

3. 平面關(guān)節(jié)式 這種機(jī)械手的機(jī)構(gòu)特點(diǎn)是上下運(yùn)動(dòng)由直線運(yùn)動(dòng)構(gòu)成，其他運(yùn)動(dòng)均由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)構(gòu)成。這種結(jié)構(gòu)在垂直方向剛度大，水平方向又十分靈活，較適合以插裝為主的裝配作業(yè)，所以被裝配機(jī)器人廣泛采用，又稱(chēng)為 SCARA 型機(jī)械手，如圖 8 所示。 機(jī)器人機(jī)械手的具體結(jié)構(gòu)雖然多種多樣，但都是由常用的機(jī)構(gòu)組合而成。現(xiàn)以美國(guó) PUMA 機(jī)械手為例來(lái)簡(jiǎn)述其內(nèi)部機(jī)構(gòu)，見(jiàn)圖 9 。它是由機(jī)座、大臂、小臂、手腕 4 部分構(gòu)成，機(jī)座與大臂、大臂與小臂、小臂與手腕有 3 個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，以保證達(dá)到工作空間的任意位置，手腕中又有 3 個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)：腕轉(zhuǎn)、腕曲、腕擺， 以實(shí)現(xiàn)末端操作器的任意空間姿態(tài)。手腕的端部為一法蘭， 以連接末端操作器。 每個(gè)關(guān)節(jié)都由一臺(tái)伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)， PUMA 機(jī)械手是采用齒輪減速、桿傳動(dòng)，但不同廠家采用的機(jī)構(gòu)不盡相同，減速機(jī)構(gòu)常用的是 4 種方式：齒輪、諧波減速器、滾珠絲杠、蝸輪蝸桿。傳動(dòng)方式有桿傳動(dòng)、鏈條傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)等。其技術(shù)關(guān)鍵是要保證傳動(dòng)雙向無(wú)間隙 (即正反傳動(dòng)均無(wú)間隙 ) ，這是機(jī)器人精度的機(jī)械保證，當(dāng)然還要求效率高，機(jī)構(gòu)緊湊。

(2) 驅(qū)動(dòng)器 由于焊接機(jī)器人大多采用伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，這里只介紹這類(lèi)驅(qū)動(dòng)器。工業(yè)機(jī)器人目前采用的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器可分為 4 類(lèi)：

1. 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器 它采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，特別是細(xì)分步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為驅(qū)動(dòng)源，由于這類(lèi)系統(tǒng)一般都是開(kāi)環(huán)控制，因此大多用于焙席較低的經(jīng)濟(jì)型工業(yè)機(jī) 9S 人。
2. 直流伺服電動(dòng)機(jī)系統(tǒng) 它采用直流伺服電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，由于它能實(shí)現(xiàn)位置、速度、加速度 3 個(gè)閉環(huán)控制。精度高、變速范圍大、動(dòng)態(tài)性能好。因此，是目前工業(yè)機(jī)器人的主要驅(qū)動(dòng)方式。
3. 交流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器 它采用交流伺服電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，這種系統(tǒng)具有直流伺服系統(tǒng)的全部?jī)?yōu)點(diǎn)，而且取消了換相炭刷，不需要定期更換碳刷，大大延長(zhǎng)了機(jī)器人的維修周期。因此，正在機(jī)器人中推廣采用。
4. 直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器 這是最新發(fā)展的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器，直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)有大于 1 萬(wàn)的調(diào)速比，在低速下仍能輸出穩(wěn)定的功率和高的動(dòng)態(tài)品質(zhì)，在機(jī)械手上可直接驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，取消了減速機(jī)構(gòu)，簡(jiǎn)化了機(jī)構(gòu)又提高了效率，是機(jī)器人驅(qū)動(dòng)的發(fā)展方向，美國(guó)的 Adapt 機(jī)器人是直接驅(qū)動(dòng)機(jī)器人。 工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)器布置都采用一個(gè)關(guān)節(jié)一個(gè)驅(qū)動(dòng)器。一個(gè)驅(qū)動(dòng)器的基本組成為：電源、功率放大板、伺服控制板、電機(jī)、測(cè)角器、測(cè)速器和制動(dòng)器。它的功能不僅能提供足夠的功率驅(qū)動(dòng)機(jī)械手各關(guān)節(jié)，而且要實(shí)現(xiàn)快速而頻繁起停，精確地到位和運(yùn)動(dòng)。因此必須采用位置閉環(huán)、速度閉環(huán)、加速度閉環(huán)。為了保護(hù)電動(dòng)機(jī)和電路，還要有電流閉環(huán)。為適應(yīng)機(jī)器人的頻繁起停和高的動(dòng)態(tài)品質(zhì)要求，一般都采用低慣量電動(dòng)機(jī)，因此，機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)器是一個(gè)要求很高的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

為了實(shí)現(xiàn)上述 3 個(gè)運(yùn)動(dòng)閉環(huán)，在機(jī)械手驅(qū)動(dòng)器中都裝有高精度測(cè)角、測(cè)速傳感器。測(cè)速傳感器一般都采用測(cè)速發(fā)電機(jī)，測(cè)角傳感器一般都采用精密電位計(jì)或光電碼盤(pán)，尤其是光電碼盤(pán)。圖 10 是它的原理圖。光電碼盤(pán)與電動(dòng)機(jī)同軸安裝，在電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，帶有細(xì)分刻槽的碼盤(pán)同速旋轉(zhuǎn)，固定光源射向光電管的光束則時(shí)通時(shí)斷，因而輸出電脈沖。實(shí)際的碼盤(pán)是輸出兩路脈沖，由于在碼盤(pán)內(nèi)布置了兩對(duì)光電管，它們之間有一定角度差，因此兩路脈沖也有固定的相位差，電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)時(shí)，其輸出脈沖的相位差不同，從而可判斷電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。機(jī)器個(gè)以上脈沖。

(3) 控制器 機(jī)器人控制器是機(jī)器人的核心部件，它實(shí)施機(jī)器人的全部信息處理和對(duì)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)控制。

圖 11 是控制器的工作原理圖。

工業(yè)機(jī)器人控制器大多采用二級(jí)計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，虛線框內(nèi)為第一級(jí)計(jì)算機(jī)，它的任務(wù)是規(guī)劃和管理。機(jī)器人在示教狀態(tài)時(shí)，接受示教系統(tǒng)送來(lái)的各示教點(diǎn)位置和姿態(tài)信息、運(yùn)動(dòng)參數(shù)和工藝參數(shù)，并通過(guò)計(jì)算把各點(diǎn)的示教 ( 關(guān)節(jié) ) 坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換成直角坐標(biāo)值，存入計(jì)算機(jī)內(nèi)存。

圖 10 光電碼盤(pán)原理圖

圖 11 控制器工作原理圖

機(jī)器人在再現(xiàn)狀態(tài)時(shí)，從內(nèi)存中逐點(diǎn)取出其位置和姿態(tài)坐標(biāo)值，按一定的時(shí)間節(jié)拍 ( 又稱(chēng)采樣周期 ) 對(duì)它進(jìn)行圓弧或直線插補(bǔ)運(yùn)算，算出各插補(bǔ)點(diǎn)的位置和姿態(tài)坐標(biāo)值，這就是路徑規(guī)劃生成。然后逐點(diǎn)的把各插補(bǔ)點(diǎn)的位置和姿態(tài)坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換成關(guān)節(jié)坐標(biāo)值，分送至各個(gè)關(guān)節(jié)。這就是第一級(jí)計(jì)算機(jī)的規(guī)劃全過(guò)程。 第二級(jí)計(jì)算機(jī)是執(zhí)行計(jì)算機(jī)，它的任務(wù)是進(jìn)行伺服電動(dòng)機(jī)閉環(huán)控制。它接收了第一級(jí)計(jì)算機(jī)送來(lái)的各關(guān)節(jié)下一步預(yù)期達(dá)到的位置和姿態(tài)后，又做一次均勻細(xì)分，以求運(yùn)動(dòng)軌跡更為平滑。然后將各關(guān)節(jié)的下一細(xì)步期望值逐點(diǎn)送給驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，同時(shí)檢測(cè)光電碼盤(pán)信號(hào)，直到其準(zhǔn)確到位。

以上均為實(shí)時(shí)過(guò)程，上述大量運(yùn)算都必須在控制過(guò)程中完成。以 PUMA 機(jī)器人控制器為例第一級(jí)計(jì)算機(jī)的采樣周期為 28ms ，即每 28ms 向第二級(jí)計(jì)算機(jī)送一次各關(guān)節(jié)的下一步位置和姿態(tài)的關(guān)節(jié)坐標(biāo)，第二級(jí)計(jì)算機(jī)又將各關(guān)節(jié)值等分 30 細(xì)步，每 0.875ms 向各關(guān)節(jié)送一次關(guān)節(jié)坐標(biāo)值。

(4) 示教盒 示教盒是人對(duì)機(jī)器人示教的人機(jī)交互接口，目前人對(duì)機(jī)器人示教有 3 種方式：

1. 手把手示教 又稱(chēng)全程示教，即由人握住機(jī)器人機(jī)械臂末端，帶動(dòng)機(jī)器人按實(shí)際任務(wù)操作一遍。在此過(guò)程中，機(jī)器人控制器的計(jì)算機(jī)逐點(diǎn)記下各關(guān)節(jié)的位置和姿態(tài)值，而不作坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，再現(xiàn)時(shí)，再逐點(diǎn)取出，這種示教方式需要很大的計(jì)算機(jī)內(nèi)存、而且由于機(jī)構(gòu)的阻力，示教精度不可能很高。目前只用在噴漆、噴涂機(jī)器人上。
2. 示教盒示教 即由人通過(guò)示教盒操縱機(jī)器人進(jìn)行示教，這是最常用的機(jī)器人示教方式，目前焊接機(jī)器人都采用這種方式。
3. 離線編程示教 即無(wú)需人操作機(jī)器人進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)示教，而可根據(jù)圖樣，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行編程，然后輸給機(jī)器人控制器。它具有不占機(jī)器人工時(shí)，便于優(yōu)化和更為安全的優(yōu)點(diǎn)，所以是今后發(fā)展的方向。

圖 12 為 ESAB 焊接機(jī)器人的示教盒，它通過(guò)電纜與控制箱連接，人可以手持示教盒在工件附近最直觀的位置進(jìn)行示教。示教盒本身是一臺(tái)專(zhuān)用計(jì)算機(jī)，它不斷掃描盒上的功能和數(shù)字鍵、操縱桿，并把信息和命令送給控制器。各廠家的機(jī)器人示教盒都不相同，但其追求的目標(biāo)都是為方便操作者。

圖 12 焊接機(jī)器人的示教盒

示教盒上的按鍵主要有 3 類(lèi)：

1. 示教功能鍵 如示教／再現(xiàn)、存入刪除修改、檢查、回零、直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)等，為示教編程用。
2. 運(yùn)動(dòng)功能鍵 如刀向動(dòng)、 y 向動(dòng)、 z 向動(dòng)、正／反向動(dòng)、 1 ～ 6 關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)等，為操縱機(jī)器人示教用。
3. 參數(shù)設(shè)定鍵 如各軸速度設(shè)定、焊接參數(shù)設(shè)定、擺動(dòng)參數(shù)設(shè)定等。