第2章
机器人
2.1 本章目标
读完这一章，你可以掌握以下内容：
- 描述机器人的各种类型。
- 列举取放机器人的组成部分。
- 描述在机器人学中用到的术语，如腕关节动作、回转关节和工作空间。
- 解释极坐标和关节坐标。
- 列出操作机的驱动方式。
- 解释机器人的工作空间。
- 通过驱动器来辨别机器人。
- 识别并论述本章使用的关键术语。
- 回答本章最后的思考题。
机器人由多个能够实现不同功能的子系统组成，这些子系统都是标准的，从而才能使机器人成为一种相对廉价的制造设备，如果机器人的所有零件和系统都是独立设计并手工制作完成的，那么机器人的成本将会更高。机器人设计师都有一个目标，这个目标可能是将物体从一个地方移动到另一个地方，也可能是需要多个子系统共同配合来完成的复杂操作。
机器人有多种分类方式。这里我们按照机器人的最终用途，可以将其分为工业机器人、实验室机器人、探索机器人、爱好者机器人、课堂机器人和娱乐机器人等，实际上这些还只是一小部分。首先，我们介绍工业机器人，随后也将会介绍一些其他类型的机器人。
2.2 工业机器人
工业机器人的手臂上装有夹持器（如图2-1所示），夹持器是手指状的，可以抓起各种各样的物体。可以使用工业机器人来实现物体的取放，它们能够抓起一个物体并把它放在其他地方，也可以把物料从一个地方搬运到另一个地方。这些机器人都可以进行编程，实现计算机化；也可以使用示教盒为机器人的“大脑”—微处理器进行编程。感知机器人、焊接机器人及装配机器人通常都有一个独立的微型计算机或是小型计算机。
2.3 实验室机器人
实验室机器人通常有多种形式，并且能够完成多种工作。作为更尖端设备的前身，实验室机器人具有微型计算机大脑、多关节手臂以及先进的视觉和触觉。还有些实验室机器人具备良好的手眼协调能力，最终会被用于工业生产，以提高生产效率。有些机器人可能是移动的，还有一些可能是静止的（图2-2）。
2.4 探索机器人
人类不能或不敢涉足的地方就是探索机器人的用武之地。例如，它们被用于探索太空、洞穴以及人类无法到达的深水区，也可以用在沉船事故中救人。美国国家航空航天局（NASA）做了大量工作去研发这类机器人，用于探索月球表面和火星表面。探索机器人是一种具有感知系统的复杂机器人，能够实现远程控制，也能够通过计算机预先编程控制（如图2-3所示）。
2.5 爱好者机器人
大多数爱好者机器人是可移动的，这类机器人通常由内置微处理器控制小型电机，再由小型电机驱动车轮运转来进行操纵（如图2-4所示）。大多数爱好者的终极目标是拥有一个能够保持他们的生活空间适宜居住的努力工作的管家机器人。大多数爱好者机器人都配备了语音合成和语音识别系统。有些爱好者机器人沿着地板走直线，而另一些机器人则遵循预先设定好的指令行动。大多数机器人都有一个或多个手臂，看起来与人类相似。
2.6 课堂机器人
目前课堂机器人的应用尚且有限。在未来，课堂机器人将能够在教室里走动，并在教学过程的各个方面为教师提供帮助。现在学校里的课堂机器人本质上属于爱好者机器人，它们可以用来教授学生机器人技术的基本原理，以及学习各种电子电路的实际应用。目前，中学、高职院校、大专院校以及大学在课程中都增加了机器人课程，其目的是培养毕业后能够在这些先进技术领域工作的学生。
由于工业机器人的价格一般为5万美元到10万美元，这对于没有经过训练的工人来说实在太高了，另外机器人的维修费用也很高，用机器人来训练显然非常不切实际。Rhino已经开发了XR系列的tabletop机器人系统，以满足制造企业和教育机构对高质量、低价位的机器人培训的需求（如图2-5a所示）。Microbot制造了一个教育机器人，该机器人可以用来教授工业机器人的基本功能（如图2-5b所示）。
tabletop系统的成本大约是一台工业机器人系统的十分之一，但它完全可以模拟更大的系统，提供更高性价比的培训，也可以随时转换到工业应用环境中。
2.7 娱乐机器人
娱乐机器人目前刚刚开始发展并且向公众开放。娱乐机器人具备语言表达及反应能力，可以用它们在各种场合接待来宾，也可以运营巡回广告。随着更廉价、更强大的编程技术的普及，机器人在娱乐领域的应用将会被扩展到更大范围。例如，如图2-6所示，演艺界使用机器人拍摄，以解决在一些场地无法进行拍摄的难题。为了提高对各种事件、活动的报道效果，摄像及电视系统中现已开发了适合于机器人控制的特殊摄像机。
2.8 操作机及其分类
在美国、欧洲和日本就有大约250家机器人制造商，这使得识别机器人使用的所有部件变得十分不容易。然而，为了更好地了解机器人的工作原理，我们需要识别和熟悉机器人的一些常用部件。
操作机是机器人的三个基本部件之一，另外的两个是控制器和电源（如图2-7所示）。这三个组件是保证机器人能够正常工作的必不可少的基本组成部分。
可以根据手臂运动的特定形式对操作机进行分类。例如，用四种坐标系来描述手臂的运动：极坐标系、圆柱坐标系、直角坐标系和关节（如关节臂、球关节）坐标系。在研究坐标系之前，需要详细了解机器人的一些组件，坐标系将在后续的相关讨论中进行介绍。
2.9 基座
机器人的基座是整个机器人的基础和固定位置。基座可以是固定的，通常将基座设计为机器人所有部件的支撑部件。基座也可能不固定，而是作为机器人操作要求的一部分，实现任意运动形式的组合，包括旋转运动、伸展运动、扭转运动和直线运动。大多数机器人的基座都是固定在地板上的（图2-8a所示），但由于地面空间有限，它们也有可能被固定在天花板上，或悬挂在悬吊支撑系统上（如图2-8b所示）。根据需求也可以使用轨道或输送系统来移动机器人（如图2-8c所示）。
2.10 手臂
大多数工业机器人身上都具有一些固定类型的手臂，可以是类似于人的关节式手臂，也可以是用于抓取一些物体并使其更接近机器人的滑入/滑出式手臂。关节式手臂包括一个腰旋转轴、一个肩旋转轴和一个肘部旋转轴。迄今为止，这种类型的手臂在设计上具有最大的工作范围。如果是六轴手臂，它将需要相当复杂的计算机控制（如图2-9所示）。目前的大多数手臂都是由若干个关节组成的，这些关节从一到六顺序排列，使手臂连接到基座，以完成特定的操作任务。由于它的复杂性，控制这类运动所需的费用十分昂贵。
2.11 腕关节
图2-10说明了腕关节是如何连接到手臂上的。腕关节类似于人的手腕，可以通过设计使其完成范围广泛的运动，如伸展、旋转和扭转。这可以使机器人到达人类手臂难以到达的地方，这一点非常实用，如在装配线上为汽车内部喷漆，或者在管道的内部焊接。腕关节的灵活性运动将能够改进我们现有的一些产品，并使以前人们无法制造的产品成为可能。
2.12 夹持器
夹持器位于腕关节的末端，用来夹持机器人将要操作的任何物体（图2-11）。取放机器人可以把物体从一个地方移到另一个地方。
有些机器人也使用末端工具来代替夹持器。这时，机器人主要从事某种固定操作，如喷漆或焊接。如果有了后加的末端工具，就没有必要在手臂的末端再装一个夹持器。也可以在手臂的末端安装一个气动扳手，使用起来就像使用夹持器一样容易。
夹持器被加工成各种大小和形状（如图2-12所示）。它们通常由机器人设备制造商专门为实现某种特殊的任务而设计。最简单的夹持器是由两个手指连接起来产生运动的装置，利用手指的张合松开和夹紧物体。在大多数情况下，只需要购买手指并安装使用。有时候也需要在本地的车间中完成手指的设计和制造，以适应手头的工作需要（如图2-13所示）。由于手指的结构多样性，其在机器人的设计时间中占的比例很大。
可以根据机器人的工作任务需要制作不同种类的夹持器。例如，可以设计一种环形的橡胶圈，进到瓶子的瓶颈后膨胀，就能够“?夹持?”和移动瓶子。想要释放瓶子的时候，排放橡胶圈中的气体，松开瓶子。然后，再将机器人手臂上移至下一个需要被吊起并放置到生产线的瓶子上。有些情况下，也可以用橡胶吸盘来拾取物体（如图2-9、图2-10和图2-12所示）。也可以应用负压原理拾取物体，再通过注入空气破坏真空环境使物体松开。
2.13 操作机的组成部分
操作机实际上就是肩关节、手臂、腕关节以及手的组合（图2-14），夹持器也是一种手。这种组合使得机器人能够接触到物体，进行拾取和移动，并把它放置在需要的地方。
2.14 工作空间
工作空间也被称为工作范围或工作区域，因为它并不总是球形的。它指的是机器人完成工作任务所需要的运动占用的范围（如图2-15所示）。
2.15 回转关节
如果想让机器人的手臂、腕和手在工作空间内的任意位置都可达，就必须要有三个回转关节。这些回转关节能够实现：伸展和收缩手臂（可以是简单地将手臂移进、移出），摆动或旋转手臂（移动手臂左右运动），抬起手臂（将手臂举起或放下）。
2.16 腕关节运动
机器人腕部有三种回转运动：前后旋转（俯仰旋转），从右向左或从左向右摆动（偏转），仅仅是向右或向左旋转（滚转）（如图2-16所示）。
2.17 自由度
如果一个机器人能用三种方式转动手腕，也能用三种方式移动手臂，那么这个机器人就具有六个自由度（如图2-9所示）。当你将机器人与人的肩膀、手臂和手腕动作进行比较时，机器人的运动是非常有限的，人类有42个自由度。如你所见，如果让机器人的手臂像人的手臂一样万能，那么它还需要很大的改进。至于人类的手臂和手腕是否应该被模仿，这仍然是一个问题。然而，这样的模仿还需要一些更为复杂的工程来保证才能够正确完成。目前，机器人手臂所能做到的类似人手的动作有：握、推、拉、抓、放。
2.18 机器人的运动能力
机器人具备四种基本的运动能力：直线运动、伸展运动、旋转运动、扭转运动。这四种运动能力被称为LERT分类系统（L代表“直线运动”，E代表“伸展运动”，R代表“旋转运动”，T代表“扭转运动”）。在分类系统中使用上标表示机器人能够完成特定动作的次数。需要注意的是，大多数机器人安装在地板的基座上，然而，它们也可以被安装到天花板或移动平台上。每个轴都按照从其安装到第一个组件或基座的顺序列出。例如，L3表示有三个直线运动，而R2L3则表示有两个旋转运动和三个直线运动。
2.19 坐标
机械臂几何形状代表了机械臂的运动形式。机器人关节的运动可以分为四种系统：关节坐标系、直角坐标系、圆柱坐标系和极坐标系。每一个坐标系都可描述手臂在其工作空间内的运动，机器人的运动特性由机器人结构特性所确定。
2.19.1 直角坐标
直角坐标系是最简单也是最容易理解的坐标系，使用直角坐标系来描述X、Y、Z轴或由它们所构成的平面，平面的参考点是三者的交点（如图2-17所示）。机器人的中心线是三个轴的参考点，需要注意中心点或原点的位置。
操作机沿着X、Y和Z三个平面达到它的目标，因此这些平面成为机械臂的操作轴。从a点到b点的上下直线运动就是沿着Z轴运动（如图2-18所示）。沿Y轴也是直线运动，但它是一个里外的运动。Y轴运动提供了手臂从b点到c点的直线运动。X轴是操作机的侧向运动，也就是说操作机沿X轴运动就会发生使整个操作机相对基座进行侧向滑动的直线运动。
直角坐标机器人会产生一个矩形的工作空间。这个矩形工作空间的大小是由X、Y、Z三个轴的运动范围确定的，机器人不可能超出矩形工作空间的外部。机械臂从a点直接移动到c点是不可能的，其运动仅限于沿X、Y、Z方向。
直角坐标机器人是最简单的操作系统之一。它可以用来上下料，也可以进行点到点的操作。这种类型的机器人有时也被归类为低技术类型。直角坐标本身并不会导致机器人技术低级。大多数气动取放机器人也属于低技术类型，一般也都设计成直角坐标形式（如图2-19所示）。
2.19.2 圆柱坐标
圆柱坐标系也具有三个坐标轴，但其轴的名称各不相同（如图2-20所示）。柱面坐标表示为theta（一个希腊字母，看起来像零中间加一条横线，也就是θ），用于描述转动轴（如
图2-21所示）。R轴是指接近轴或者内外轴。Z轴表示上下运动。圆柱坐标机器人的工作空间是圆柱形的，注意基座的旋转要使用希腊字母θ描述。圆柱坐标机器人可以旋转300度，其余的60度作为机器人的安全区，这个安全区也叫作死区（图2-22）。这类机器人的运动范围可以达到19至59英寸（1英寸等于25.4毫米），这取决于机器人的设计以及要执行的任务。机器人的运动范围和其他参数通常用公制单位来描述。因此，该机器人具有达到50至1500毫米的能力。
Z轴的运动是上下运动，大多数机器人能在100到1100毫米（4到43英寸）之间移动，移动范围取决于要执行的任务。
2.19.3 极坐标
极坐标系统稍有不同，但同样也有三个操作轴。极坐标系统描述了一个球面运动模式。极坐标系统的三个轴分别是θ、R（或范围）和beta（β）。从图2-23可以看出，极坐标系统和圆柱坐标系统基本上具有相同的轴。在这两种类型的机器人中，θ轴和R轴是相同的，而β轴则允许机器人的整个手臂做上下旋转运动。
2.19.4 关节坐标
使用关节坐标系来描述关节系统。前面已经介绍了围绕基座的θ运动或旋转运动（如图2-24所示），在这个系统中同样也用到了。然而，另外两个轴的名称和运动有轻微的变化。W轴是上臂或肩膀，U轴是肘关节运动。这类机器人中的两个轴产生弯曲运动。W轴代表肩关节的旋转运动，而U轴代表肘关节的旋转运动。这使得机器人具有更大的灵活性，成为工业应用上的理想选择。
2.20 腕关节动作
腕关节的运动同样可以使用坐标系来描述。末端执行器如果不能像人手一样灵活操作的话，机器人操作机的工作能力就十分有限。腕关节的运动使机器人末端执行器具有在工作上更接近人手的能力。
四种坐标系都可以用来描述腕关节动作。可以在图2-25中看到腕关节能够实现的运动。通过增加腕关节，可以使机器人具有六个运动轴。这个增加的维度增加了机器人的灵活性，同时也增加了机器人的应用领域。腕关节为机器人增加的轴被称为俯仰轴、偏转轴和滚转轴。
俯仰轴通常限制在270度的运动范围内，做上下移动。根据需要执行的任务，在270度内可以逐渐移动（如图2-26所示）。偏转轴描述了手腕的侧向运动。运动范围是90度到270度。滚转轴指的是腕关节末端的自转运动，可以使末端执行器实现360度的旋转。
基于三个旋转轴，机器人可以完成人类难以做到的复杂操作，这在汽车喷漆装配线上尤其如此。它使对车身内外同时喷涂成为可能，从而更好地保护了车身金属材料，降低了后期生锈的可能。
2.21 不同坐标机器人的工作空间
直角坐标机器人有一个矩形的工作空间。这个工作空间对于任何在机器人附近工作的人而言都是非常重要的，这是机器人的运动区域。在这个区域，由于机器人看不到，就有可能会击中人或其他设备。圆柱坐标机器人有一个圆柱形的工作空间，这意味着还要注意机器人上方以及它周围的东西，避免发生碰撞。
极坐标机器人（如图2-27所示）有一个球形的工作空间，而关节坐标机器人的工作空间是泪滴状的。需要注意，在机器人范围内所有可编程的点都是工作空间的一部分。
图2-28展示了机器人在其正常运行模式下所占据的空间。
2.22 驱动操作机
想要让操作机工作，必须为它提供动力源。工业机器人在车间或工厂中使用的是220到440伏的电压系统。娱乐机器人和小型机器人可以使用充电电池。所有机器人都需要用电来给它们提供最基本的能源。然而，也有其他一些驱动方法可产生运动并做功，如液压系统和气动系统。这样，就有三种常用的方式来驱动操作机完成为机器人设计的任务。如果从技术层面来讲，可以认为有四种方式：机器人的机械驱动也可以算作一种驱动方式。
2.22.1 气动驱动
大约三分之一的工业机器人使用气动的方式来驱动。如果一些气动的取放型装置不能算作机器人，那么这个比例可能会降低一些。气动驱动的动力由压缩空气产生，空气在工厂内加压（即压缩），并通过管道输送到不同的地方。当压缩的空气被输送给机器人中的某一个气缸时，就产生运动，这样就实现了通过压缩气体来驱动机器人操作机或整个机器人的运动（图2-29）。
气动驱动系统有很多优点，最主要的是成本低，气动系统的成本是三个驱动源中最低的。然而，气动驱动系统也确实存在一些局限性，它们只能产生提起大约6.5到10磅（3到4.5公斤）重物的扭矩。气动驱动机器人只能进行一些简单的装配操作，如压铸操作、物料搬运作业以及机床上下料操作。它们最大的限制是不能移动较大的载荷，更大的载荷需要使用电动驱动或液压驱动（见附录）。
2.22.2 液压驱动
目前约有45%的工业机器人是由液压系统驱动的。液压流体通过一个由电机控制的泵被加压。加压的流体通过将这个压力施加到液压缸、液压马达或摆动缸来驱动机器人的轴。液压缸的活塞杆由于流体的压力驱动而运动，流体流动方向决定了液压缸的伸缩运动方向。控制液压缸的伸缩运动就可以驱动机器人轴的运动。
液压驱动系统能够提起50到300磅（22.7到135.9公斤）的重量。它们通常被称为中等技术机器人系统，但是有些液压系统也可以被认为是高技术的。低、中、高的技术分类是由控制类型而非电源决定的。
液压驱动系统可用于在负载能力范围内的上下料操作，也可用于弧焊、点焊、压铸、喷漆、压装。液压驱动系统的主要用途之一是喷漆，因为在易挥发的空气中操作，液压机器人比电动机器人更安全。图2-30所示为液压驱动机器人系统的简易连接图。
液压系统的缺点主要是在使用方面，流体在压力下很难密封和处理。成本也是另一个需要考虑的因素。根据所设计的装置的大小，成本就显得很重要。一般来说，液压系统是这里提到的三个驱动系统中最昂贵的。但是在需要大扭矩来搬运重物的场合就必须使用液压系统。
2.22.3 电力驱动
电力驱动系统使用电机作为动力源。电机可由直流电（DC）或交流电（AC）驱动。将电机的速度减慢而产生可以驱动的扭矩，再传递到需要运动的操作机上（如图2-31所示）。
电力驱动系统的优点是能够稳定地启动有效载荷以及平稳减速和停止的能力，在能源消耗和维护成本方面也是最小的，并且电动机器人的可重复定位精度要高于液压机器人。
电动驱动机器人不能像液压驱动系统那样承受重载荷，电动驱动的负载在6.6至176磅（3至80公斤）之间。但是电力驱动系统在操作上具有很强的通用性。
电力驱动机器人主要用于电弧焊、点焊、机械装卸、物料搬运、除毛刺以及装配作业。开发防爆电机可以使其在喷涂环境中也能安全使用。电力驱动系统一般应用在高技术机器人系统中。
2.23 本章总结
机器人由多个子系统组成，机器人的分类方式有很多种，本书按机器人的最终用途对其进行分类。
工业机器人的手臂上装有夹持器，夹持器是手指状的，可以抓起各种各样的物体。工业机器人多被用来实现物体的取放。机器人在无人监管的情况下也可由电脑控制进行操作。
实验室机器人通常有多种外形，并且能做很多事情。它们有微型计算机大脑，新型的多关节手臂，以及先进的视觉或触觉系统，一些实验室机器人也具备手眼协调的能力。
探索机器人被用来探测太空、洞穴、深水区等人类无法到达的区域。
大多数爱好者机器人都是可移动的，目前它们仍处于实验阶段，人们努力的方向是开发一个类似人类外形的管家机器人。
目前课堂机器人的应用有限，但在不久的将来，它们会具有更强大的功能。娱乐机器人刚刚开始发展，多用于娱乐场景，也可以用作运营巡回广告。
操作机是机器人的三个基本组成部分之一，另外两个是控制器和电源。操作机可按四种坐标系来描述手臂运动。
机器人的基座也是机器人的定位点，基座可以是固定的，也可以是移动的。大多数工业机器人都配有一个手臂，可能是类似于人类的关节式手臂，也可能是用于抓取物体的滑入/滑出式手臂。
腕关节连接在机器人手臂上，可以通过设计使其具有广泛的运动范围。夹持器位于腕关节的末端，用来夹持机器人将要操作的任何物体。
操作机实际上是一个肩关节、手臂、腕关节以及手的组合，夹持器也是手。机器人工作空间也称为机器人的工作范围或工作区域。回转关节能够实现手臂的伸展和收缩、摆动或旋转以及抬起。
如果机器人能用三种方式转动手腕，也能用三种方式移动手臂，那么这个机器人就具有6个自由度。人类手臂则有42个自由度。
机器人的四种基本运动能力是直线运动、旋转运动、扭转运动和伸展运动。这四个运动是LERT分类系统的基础。机械臂几何图表达的是机械臂的运动特性。机器人轴运动有四种分类系统：关节坐标系、直角坐标系、圆柱坐标系和极坐标系。每一个坐标系都可描述手臂在其工作空间内的运动。操作机通过X、Y和Z三个平面来实现目标位置，在操作机器人时也要考虑theta（θ）、beta（β）、W和U轴。直角坐标系统也能够描述手腕的运动。如果不安装某一种末端执行器，机器人手臂的工作能力就非常有限。手腕给机器人手臂增加了三个实现姿态的运动轴：俯仰轴、偏转轴和滚转轴。
直角坐标机器人有一个矩形的工作空间，极坐标机器人有一个球形的工作空间，关节坐标机器人的工作空间为泪滴状，圆柱坐标机器人的工作空间是圆柱形的。
机器人的驱动系统分为气动驱动系统、液压驱动系统和电力驱动系统。由于每种方法的物理结构限制，每种类型都有各自的应用场合和领域，也都有其各自的优点和缺点。
2.24 关键术语
回转关节（articulations） 机器人伸展和缩回、摆动或旋转以及抬起手臂的能力。
直角坐标（Cartesian coordinates） 最简单的坐标系统，因为它直接描述机器臂的上下、里外、侧向的直线运动。
控制器（controller） 为机器人提供运动控制。
坐标、点和平面（coordinates, points, and planes） 用来描述机器人手臂的运动。
死区（dead zone） 在正常运行模式下机器人手臂不能移动的安全区域。
自由度（degrees of freedom） 机器人所具有轴的数目。
末端执行器（end effector） 安装在操作机或机械臂末端的装置，用于实际工作。
夹持器（grippers） 位于机械手的末端，用来拾取物品。
LERT（LERT） 基于四种基本运动的机器人分类系统：直线、伸展、旋转和扭转。
操作机（manipulator） 机器人的三个基本组成部分之一。
微处理器（microprocessor） 一种设备，用于为机器人控制提供半导体芯片“大脑”。
气动动力（pneumatic power） 利用气压驱动操作机。
动力源（power source） 为机器人提供动力。
目标（target） 希望机器臂去拾取的物体所在的点。
工作空间（work envelope） 机器臂在正常工作循环中所占用的空间。
2.25 思考题
1.按机器人的最终用途，列举6种机器人类型。
2.什么是操作机？
3.机器人的固定定位点叫什么？
4.机器人的腕关节有多少个运动轴？
5.什么是夹持器？
6.什么是末端执行器？
7.机器人的四个基本运动是什么？
8.机械臂几何图是什么意思？
9.在机器人的专有名词中，目标指的是什么？
10.什么是直角坐标？
11.列出基于坐标系的四种机器人分类。
12.什么是工作空间？
13.什么类型的坐标系统会产生泪滴状的工作空间？
14.偏转是什么意思？
15.什么是滚转轴？
16.电力驱动机器人的三个用途是什么？
17.使用气动方法来移动机器人的优点是什么？
18.电力驱动机器人的缺点是什么？
19.液压驱动机器人能举起多少重量？
20.电力驱动机器人能举起多少重量？
