漫话机器人及其应用（9）
胡经国
（续前）
3、工业机器人组成
一般来说，工业机器人由3大部分6个子系统组成。这3大部分是：机械部分、传感部分和控制部分。其6个子系统是：机械结构系统、驱动系统、感知系统、机器人－环境交互系统、人机交互系统和控制系统。
⑴、机械结构系统
从机械结构来看，工业机器人总体上分为：串联机器人和并联机器人。
串联机器人的特点是一个轴的运动会改变另一个轴的坐标原点；而并联机器人则一个轴的运动不会改变另一个轴的坐标原点。
早期的工业机器人都是采用“串联机构”。
“并联机构”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，并且是以并联方式驱动的一种闭环机构。并联机构有两个构成部分，分别是“手腕”和“手臂”。手臂活动区域对活动空间有很大的影响；而手腕是工具和主体的连接部分。与串联机器人相比较，并联机器人具有刚度大、结构稳定、承载能力大、微动精度高、运动负荷小的优点。在位置求解上，串联机器人的“正解”容易，但是“反解”十分困难；而并联机器人则相反，其“正解”困难，“反解”却非常容易。
⑵、驱动系统
驱动系统，是向机械结构系统提供动力的装置。
根据动力源的不同，驱动系统的“传动方式”分为：液压式、气压式、电气式和机械式4种。
早期的工业机器人采用液压式驱动。由于液压系统存在泄露、噪声和低速不稳定等问题，并且功率单元笨重和昂贵，目前只有大型重载机器人、并联加工机器人和在一些特殊应用场合才使用液压式驱动的工业机器人。
气压式驱动具有速度快、系统结构简单、维修方便、价格低等优点。但是气压装置的工作压强低，不易精确定位，一般仅用于工业机器人末端执行器的驱动。气动手抓、旋转气缸和气动吸盘作为末端执行器可用于中、小负荷的工件抓取和装配。
电气（力）式驱动，是目前使用最多的一种驱动方式。其特点是电源取用方便，响应快，驱动力大，信号检测、传递、处理方便，并且可以采用多种灵活的控制方式；驱动电机一般采用步进电机或伺服电机；目前也有的采用直接驱动电机，但是造价较高，控制也较为复杂。和电机相配的减速器一般采用谐波减速器、摆线针轮减速器或者行星齿轮减速器。由于并联机器人中有大量的直线驱动需求，直线电机在并联机器人领域已经得到了广泛应用。
⑶、感知系统
机器人感知系统，把机器人各种内部状态信息和环境信息从信号转变为机器人自身或者机器人之间能够理解和应用的数据和信息。除了需要感知与自身工作状态相关的机械量，如位移、速度和力等以外，视觉感知技术是工业机器人感知的一个重要方面。
视觉伺服系统，将视觉信息作为反馈信号，用于控制调整机器人的位置和姿态。机器视觉系统还在质量检测、识别工件、食品分拣、包装的各个方面得到了广泛应用。
感知系统由内部传感器模块和外部传感器模块组成。智能传感器的使用提高了机器人的机动性、适应性和智能化水平。
⑷、机器人－环境交互系统
机器人－环境交互系统，是实现机器人与外部环境中的设备相互联系和协调的系统。机器人与外部设备集成为一个功能单元，如加工制造单元、焊接单元、装配单元等。当然，也可以是多台机器人集成为一个去执行复杂任务的功能单元。
⑸、人机交互系统
人机交互系统，是人与机器人进行联系和参与机器人控制的装置。例如：计算机的标准终端、指令控制台、信息显示板、危险信号报警器等。
⑹、控制系统
控制系统的任务是根据机器人的作业指令以及从传感器反馈回来的信号，支配机器人的执行机构去完成规定的运动和功能。
如果机器人不具备信息反馈特征，那么其控制系统为“开环控制系统”；而具备信息反馈特征，则为“闭环控制系统”。
根据控制原理，控制系统可分为程序控制系统、适应性控制系统和人工智能控制系统。
根据控制运动的形式，控制系统可分为点位控制和连续轨迹控制。
3、工业机器人特征
相比于传统的工业设备，工业机器人具有众多的优势，比如机器人具有易用性、智能化水平高、生产效率及安全性高、易于管理而且经济效益显著等特点。这使得它们可以在高危环境下进行作业。
⑴、机器人的易用性
在中国，工业机器人广泛应用于制造业。不仅仅应用于汽车制造业，而且大到航天飞机的生产，军用装备制造，高铁的开发，小到圆珠笔的生产，都有广泛的应用。并且，已经从较为成熟的行业延伸到食品、医疗等领域。
由于机器人技术发展迅速，与传统工业设备相比，不仅产品的价格差距越来越小，而且产品的个性化程度高，因而在一些工艺复杂的产品制造过程中，可以让工业机器人替代传统设备。这样就可以在很大程度上提高经济效率。
根据数据统计显示，从2016年到2017年，全球工业机器人的总销量已经从29.4万台突破到34.6万台。由此可见，工业机器人应用范围之广。
⑵、智能化水平高
随着计算机控制技术的不断发展进步，工业机器人将逐渐能够明白人类的语言，同时工业机器人可以完成产品的组件，这样就可以让工人免除复杂的操作。
在工业生产中，焊接机器人系统不仅能实现空间焊缝的自动实时跟踪，而且还能实现焊接参数的在线调整和焊缝质量的实时控制，可以满足技术产品复杂的焊接工艺及其焊接质量、效率的迫切要求。
另外，随着人类探索空间的不断扩展，在极端环境如太空、深水以及核环境下，工业机器人也能够利用其智能将任务顺利完成。
⑶、生产效率及安全性高
机械手，顾名思义，是通过仿照人类的手型而生产出来的机械手，其生产一件产品的耗时是固定的。在同样的生存周期内，使用机械手的产量也是固定的，不会忽高忽低。并且，每一模的产品生产时间是固定的，产品的成品率也高，使用机器人生产更符合工厂利益。工厂采用工业机器人生产，还可以解决很多安全生产方面的问题。对于由于个人原因，如不熟悉工作流程、工作疏忽、疲劳工作等导致安全生产隐患，统统都可以避免。
⑷、易于管理、经济效益显著
企业可以很清晰的知道自己每天的生产量；根据自己所能够达到的产能去接收订单和生产商品。而不会发生去盲目预估产量或是生产过多产品产生浪费的现象。工厂每天对工业机器人的管理，也会比管理员工简单得多。
工业机器人可以24小时循环工作，能够实现生产线的最大产量，并且无需给予加班的工时费用。对于企业来说，还能够避免员工长期高强度工作后产生的疲劳、生病带来的请假等误工的情况。在生产线换用工业机器人生产以后，企业生产只需要留下少数能够操作维护工业机器人的员工对工业机器人进行维护作业就可以了。其经济效益非常显著。
（未完待续）
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