2.2 工业机器人的典型系统组成

工业机器人是综合了当代机构运动学和动力学、精密机械设计发展起来的产品，是典型的机电一体化产品。从系统结构上来看，工业机器人由三大部分、六个子系统组成。其中，三大部分是机械本体部分、传感部分和控制部分，六个子系统是机械结构系统、驱动系统、传感系统、人机交互系统、控制系统以及机器人-环境交互系统，如图2-7所示。

2.2.1 机械本体部分

工业机器人的机械本体部分是工业机器人的重要部分，其功能为实现各种动作。其他组成部分必须和机械本体相匹配，相辅相成，组成一个完整的工业机器人系统，如图2-8所示。机械本体是工业机器人赖以完成作业任务的执行机构，一般是一台机械手，可以在确定的环境中执行控制系统指定的操作。典型工业机器人的机械本体一般由手部（末端执行器）、腕部、臂部、腰部和基座构成。机械本体多采用关节式机械结构，一般具有6个自由度，其中3个用来确定末端执行器的位置，另外3个则用来确定末端执行器的方向（姿势）。机械臂上的末端执行器可以根据操作需要换成焊枪、吸盘、扳手等作业工具。

2.2.2 传感部分

随着工业机器人技术的不断发展，其不再只是搬运重物的工具，传感器技术的应用，让工业机器人变得智能化。传感器为工业机器人增加了感知能力，为工业机器人高精度智能化的工作提供了基础。应用于工业机器人的传感器主要有以下几类。

1.二维视觉传感器

二维视觉传感器主要是由一个摄像头组成，它可以完成物体运动的检测以及定位等功能。二维视觉传感器已经出现了很长时间，许多二维传感器可以配合协调工业机器人的行动路线，根据接收到的信息对机器人的行为进行调整。

2.三维视觉传感器

三维视觉传感器已逐渐兴起，其必须具备两个摄像机在不同角度进行拍摄，这样物体的三维模型可以被检测识别出来。相比于二维视觉系统，三维传感器可以更加直观地展现事物本身，如图2-9所示。

3.力扭矩传感器

力扭矩传感器是一种可以让机器人感知到“力”的传感器，其可以对机器人手臂上的“力”进行监控，根据数据分析，对机器人接下来行为做出指导，如图2-10所示。

4.碰撞检测传感器

工业机器人尤其是协作机器人最大的要求就是安全，要营造一个安全的工作环境，就必须让机器人识别事情的安全性。一个碰撞检测传感器的使用，可以让机器人理解自己碰到了什么东西，并且发送一个信号暂停或者完全停止机器人的运动，如图2-11所示。

5.安全传感器

与上面的碰撞检测传感器不同，使用安全传感器可以让工业机器人感觉到周围存在的物体，避免机器人与其他物体发生碰撞，如图2-12所示。

6.其他传感器

除了以上介绍到的传感器，应用在工业机器人中的还有许多其他传感器，比如焊接缝隙追踪传感器，如图2-13所示，要想做好焊接工作，就需要配备一个这样的传感器，还有触觉传感器等。传感器为工业机器人带来了各种感知能力，这些感知能力帮助机器人变得更加智能化，且其工作精确度更高。

2.2.3 控制部分

机器人的控制器是其重要组成部分，与机器人的机械本体相比，它们处于同等重要的地位。它的作用主要是根据输入程序对驱动系统和执行机构发出控制指令信号，对整个机器人的操作进行控制，如图2-14所示。

1.控制器的发展

随着机器人技术的发展，从核心处理器组成的角度看，机器人控制器的发展经历了以下三个阶段。

第一阶段：单一处理器。机器人发展初期，控制器使用的核心处理器是单一的，采用的是8位或16位的处理器。由于处理器单一，机器人所有的操作都由这一处理器处理，所以处理效率低下，操作动作缓慢。

第二阶段：二级处理器。介于单一处理器和多处理器之间，这时的处理器分为两级，一般情况下，上一级（即一级）为高级核心处理器，将前一步的运算结果送到用于数据交换的双端口RAM中，作为机器人各关节运动的目标指令，并负责机器人语言编译、人机交互接口和系统事件管理等功能的实现。下一级（即二级）处理器对该双端口RAM进行读操作获得数据，并在一级处理器运动指令的控制下进行各个关节电动机位置控制。这两级通过双端口RAM进行数据交换，一定程度上可以扩展，但扩展空间较小。日本早期研制的Motoman机器人的控制器就采用这种模式。

第三阶段：多处理器。是目前机器人应用最为广泛的一种处理器结构。多处理器中同样有分级，一级仍为高级核心处理器，作用与第二阶段的一级处理器差不多。但二级处理器有多个，这种模式的一级处理器与二级处理器通过总线进行数据交换，控制性能和操作速度明显提高，同时功能升级和可扩展空间大大提高。

从控制模式的角度，机器人控制器的发展经历了以下三个阶段。

第一阶段：集中式控制。一般是单一处理器的情况下，机器人的所有操作都由同一处理器处理，所有操作都是这一处理器集中控制。

第二阶段：主从式控制。至少在有两个处理器的情况下，一个处理器处于上一级控制，另一个处理器处于下一级控制。

第三阶段：分布式控制。是在有多个处理器的情况下，每个处理器负责一个或几个部件的控制，处理器相互不影响，但都要受上一级处理器的调控。

2.控制器的组成

现在工业机器人控制器架构一般为多处理器分布式的模式，具体来说主要有两种形式：一种是计算机和机器人控制卡操作机器人模式，另一种是嵌入式处理器和实时操作系统自动控制模式。它们基本都是由以下几个方面组成：

1）控制PC或嵌入式处理器：除单独的控制PC外，一般用的是8位或16位单片机，成本较低、技术较成熟；也可以是嵌入式数字信号处理器，如DSP，一般用C语言编程，其算法的可塑性强，较灵活。

2）示教盒：用于对工业机器人进行轨迹的示教、参数的设定，是人机交互的接口。

3）存储设备：用于储存工业机器人的工作程序和数据。

4）各种输入/输出接口：用于各种信息和数据的输入或输出。

5）传感器：用于机器人状态的自动检测，以实现实时控制，一般为力学传感器、触觉和视觉传感器。

6）轴控制器：用于完成控制工业机器人各关节的位置、速度和加速度。

7）通信接口：实现工业机器人和其他设备的信息交换，一般有串行接口、并行接口等，包括与网络信息通信的网络接口。

3.控制器的功能

1）示教功能：示教功能是工业机器人的首要功能之一，有离线示教（即离线编程）、在线示教，在线示教包括示教盒和导引示教两种。

2）记忆功能：工业机器人的发展是建立在计算机发展基础之上的，计算机有存储器，因而有记忆功能。工业机器人也有存储器，因而也有记忆功能。

3）与其他设备通信的功能：工业机器人能通过已有的各种接口与其他设备进行通信。

4）参数设置功能：能设置与操作有关的各种参数。

5）人机对话功能：能通过示教盒、操作面板、显示屏进行人机交互。

6）自我检测功能：能通过各种传感器进行自我检测。

7）自我诊断功能：工业机器人在运行时可对系统状态进行监控，故障状态下能进行自我诊断、保护。

2.2.4 示教器

在未来的工作和生活中，特别是工业场景中，机器人将被“不知疲倦”地使用去做满足人类需求的各种事情。因此，机器人需要高度柔性、高度开放，并具有友好的可编程人机交互界面。示教技术就是能让机器人被编程进而能够完成不同任务的技术。

1.机器人的示教分类

1）直接示教和遥控示教。直接示教可以理解成通常所说的手把手示教，如图2-15所示。例如，在使用机器人进行喷涂作业前，需要人工牵动机器人的手臂进行喷涂作业，相当于先人工给机器人进行示范，以达到示教的目的。在这个过程中，需要选择相关的坐标系以进行位置的标定，这些坐标系有关节坐标系、工具坐标系、用户坐标系和直角坐标系等。这种示教方式操作简单、直接快速，但在有的场合却并不适用，比如当机器人较庞大时，使用机器人进行危险操作时，或机器人操作的工具较危险时。

当机器人不适合用人工牵动手臂进行示教时，可采用编程的方式进行示教再现。首先，由人工观察机器人的作业姿势，然后人工通过示教盒对作业姿势以及一些其他参数进行设定，使机器人操作的整个过程的数据被记录下来，再通过插补，就完成了对机器人的示教。

2）离线编程示教。离线编程示教主要是运用软件进行机器人操作任务的编程，如图2-16所示。一般可以分为执行编程和任务编程。在进行编程前，常用的图形软件主要是CAD或CAM，用来建立机器人的工作环境模型，再用机器人的编程语言，一般为高级语言对机器人的操作进行编程，最后可以在模拟的环境中进行机器人操作仿真，并进行修正或改善。离线编程示教的整个过程不需要真实的机器人进行操作。

3）VR示教。VR示教即Virtual Reality虚拟现实示教，如图2-17所示。虚拟现实是现在图形、图像发展的新方向，在各个领域都有应用，VR示教是虚拟现实技术在机器人示教方面的应用。这种示教高度虚拟化，具有更加形象的操作环境，更加高级的人机接口。

4）拖拽示教。传统的拖拽示教依赖于外置机器人的多维操作传感器，利用该传感器获取的信息，牵引机器人末端在笛卡尔空间下做线性或者旋转的运动。但传统的拖拽示教方法无法回避两个问题：一个是由于额外的多维操作传感器的配置，增加了机器人的生产成本；另一个是由于多维操作传感器只能控制机器人末端的笛卡尔空间，所以无法很好地控制单轴运动，使得机器人的运动十分僵硬，不利于真正的拖拽示教，尤其是要微调到特定的点的时候，可能还需要传统的遥控示教盒辅助。目前，更为直接的机器人拖拽示教方法，是借助机器人的动力学模型，控制器可以实时算出机器人被拖拽时所需要的力矩，然后提供该力矩给电动机，使得机器人能够很好地辅助操作人员完成拖拽。

优傲机器人作为人机协作机器人，其中一个最大特点就是可以完成“拖拽示教”，如图2-18所示。实现拖拽示教，首先需要在示教器完成初始化过程，即在“设置机器人”窗口，选择“初始化机器人”，单击“开”并按下“启动”按钮，然后按住示教器背面的黑色“自由驱动”按钮，再用另一只手拉住机械臂，就可以拖拽示教了。

2.主流示教器

示教器是机器人的重要组成部分，主流的示教器生产厂家有瑞士ABB、德国KUKA、日本安川电机和FANUC、美国Adept和S-T Robotics、意大利COMAU、英国Auto-tech Robotics等。

1）瑞士ABB示教器。瑞士ABB公司的示教器由硬件和软件组成，如图2-19所示，从功能上来说，它是一个独立且功能完整的计算机，它主要由使动装置、连接器、触摸屏、紧急停止按钮和控制杆组成。

就ABB示教器的功能来说，主要有ABB菜单（包括Hot Edit、输入和输出、微动控制、运行时窗口、程序编辑器、程序数据、备份与恢复、校准、控制面板、事件日志、资源管理器以及系统信息等）、操作员窗口（用于显示机器人反馈的信息）、状态栏（用于显示操作模式、电机开启、电机关闭和程序状态等）、关闭按钮、任务栏（用于显示视图）和“快速设置”菜单。

2）意大利COMAU示教器。意大利COMAU公司的示教器多以无线示教器为主，在这种无线技术应用中，示教盒与机器人机械本体的控制单元采用像手机一样“配对”的方式连接，方便了机器人直接示教，提高了示教效率。如果是有线连接，该种示教器可以以热插拔的方式与机器人机械本体的控制器相连接，如图2-20所示。

3）日本安川电机示教器。日本安川电机示教器进行位姿示教时，可以采用实际机器人示教的方式，比如直接示教和遥控示教。也可以采用脱离机器人的示教方式，比如离线示教和VR示教。通过过程控制台和编程器示教盒可以随时观察并设置各种参数，同时利用插补的方式使示教再现，如图2-21所示。该类示教器的缺点是无法使机器人作业姿态与路径达到最优，在操作过程中还会一定程度上影响到操作人员的人身安全。示教器在使用过程中首先是操作人员通过对示教器按钮进行手动操作遥控机器人，示教器会记录下操作人员的动作指令并传送给控制器以达到控制机器人的目的，并可以让机器人实现再现操作。