國內(nèi)外工業(yè)機(jī)器人主流高精度諧波減速機(jī)性能比較如下表所示。

表1 主流高精度諧波減速機(jī)性能比較

　　注：上表比較數(shù)據(jù)來自相近型號：
　　HD ：CSF-17-100
　　中技克美：XB1-40-100
　　傳動(dòng)效率測試工況：輸入轉(zhuǎn)速1000r/min，溫度40°
　　扭轉(zhuǎn)剛度測試條件：20%額定扭矩內(nèi)
　　國內(nèi)外工業(yè)機(jī)器人主流高精度擺線針輪減速機(jī)性能比較如下表所示。

表2 主流高精度RV擺線針輪減速機(jī)性能比較

　　注：上表比較數(shù)據(jù)來自相近型號：
　　RV：100C
　　CYCLO：F2CF-C35
　　傳動(dòng)效率測試工況：輸出轉(zhuǎn)速15r/min，額定扭矩

　　2）伺服電機(jī)

    在伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)方面，目前歐系機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)部分主要由倫茨，Lust，博世力士樂等公司提供，這些歐系電機(jī)及驅(qū)動(dòng)部件過載能力，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，驅(qū)動(dòng)器開放性強(qiáng)，且具有總線接口，但是價(jià)格昂貴。而日系品牌工業(yè)機(jī)器人關(guān)鍵部件主要由安川，松下，三菱等公司提供，其價(jià)格相對降低，但是動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力較差，開放性較差，且大部分只具備模擬量和脈沖控制方式。國內(nèi)近年來也開展了大功率交流永磁同步電機(jī)及驅(qū)動(dòng)部分基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)化，如哈爾濱工業(yè)大學(xué)，北京和利時(shí)，廣州數(shù)控等單位，并且具備了一點(diǎn)的生產(chǎn)能力，但是其動(dòng)態(tài)性能，開放性和可靠性還需要更多的實(shí)際機(jī)器人項(xiàng)目應(yīng)用進(jìn)行驗(yàn)證。

伺服電機(jī)

　　3）控制器

    在機(jī)器人控制器方面，目前國外主流機(jī)器人廠商的控制器均為在通用的多軸運(yùn)動(dòng)控制器平臺(tái)基礎(chǔ)上進(jìn)行自主研發(fā)。目前通用的多軸控制器平臺(tái)主要分為以嵌入式處理器（DSP，POWER PC）為核心的運(yùn)動(dòng)控制卡和以工控機(jī)加實(shí)時(shí)系統(tǒng)為核心的PLC系統(tǒng)，其代表分別是Delta Tau的PMAC卡和Beckhoff的TwinCAT系統(tǒng)。國內(nèi)的在運(yùn)動(dòng)控制卡方面，固高公司已經(jīng)開發(fā)出相應(yīng)成熟產(chǎn)品，但是在機(jī)器人上的應(yīng)用還相對較少。

　　5.機(jī)器人操作系統(tǒng)

    通用的機(jī)器人操作系統(tǒng)（robot operating system，ROS）是為機(jī)器人而設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化的構(gòu)造平臺(tái)，它使得每一位機(jī)器人設(shè)計(jì)師都可以使用同樣的操作系統(tǒng)來進(jìn)行機(jī)器人軟件開發(fā)。ROS將推進(jìn)機(jī)器人行業(yè)向硬件、軟件獨(dú)立的方向發(fā)展。硬件、軟件獨(dú)立的開發(fā)模式，曾極大促進(jìn)了PC、筆記本電腦和智能手機(jī)技術(shù)的發(fā)展和快速進(jìn)步。

    ROS的開發(fā)難度比計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)更大，計(jì)算機(jī)只需要處理一些定義非常明確的數(shù)學(xué)運(yùn)算任務(wù)，而機(jī)器人需要面對更為復(fù)雜的實(shí)際運(yùn)動(dòng)操作。

    ROS提供標(biāo)準(zhǔn)操作系統(tǒng)服務(wù)，包括硬件抽象、底層設(shè)備控制、常用功能實(shí)現(xiàn)、進(jìn)程間消息以及數(shù)據(jù)包管理。

    ROS分成兩層，低層是操作系統(tǒng)層，高層則是用戶群貢獻(xiàn)的機(jī)器人實(shí)現(xiàn)不同功能的各種軟件包。

    現(xiàn)有的機(jī)器人操作系統(tǒng)架構(gòu)主要有基于linux的Ubuntu開源操作系統(tǒng)。另外，斯坦福大學(xué)、麻省理工學(xué)院、德國慕尼黑大學(xué)等機(jī)構(gòu)已經(jīng)開發(fā)出了各類ROS系統(tǒng)。微軟機(jī)器人開發(fā)團(tuán)隊(duì)2007年也曾推出過一款“Windows機(jī)器人版”。

　　6.機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃

    為了提高工作效率，且使機(jī)器人能用盡可能短的時(shí)間完成特定的任務(wù)，必須有合理的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃。離線運(yùn)動(dòng)規(guī)劃分為路徑規(guī)劃和軌跡規(guī)劃。

    路徑規(guī)劃的目標(biāo)是使路徑與障礙物的距離盡量遠(yuǎn)同時(shí)路徑的長度盡量短；軌跡規(guī)劃的目的主要是機(jī)器人關(guān)節(jié)空間移動(dòng)中使得機(jī)器人的運(yùn)行時(shí)間盡可能短，或者能量盡可能小。軌跡規(guī)劃在路徑規(guī)劃的基礎(chǔ)上加入時(shí)間序列信息，對機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)時(shí)的速度與加速度進(jìn)行規(guī)劃，以滿足光滑性和速度可控性等要求。

    示教再現(xiàn)是實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃的方法之一，通過操作空間進(jìn)行示教并記錄示教結(jié)果，在工作過程中加以復(fù)現(xiàn)，現(xiàn)場示教直接與機(jī)器人需要完成的動(dòng)作對應(yīng)，路徑直觀且明確。缺點(diǎn)是需要經(jīng)驗(yàn)豐富的操作工人，并消耗大量的時(shí)間，路徑不一定最優(yōu)化。為解決上述問題，可以建立機(jī)器人虛擬模型，通過虛擬的可視化操作完成對作業(yè)任務(wù)的路徑規(guī)劃。

    路徑規(guī)劃可在關(guān)節(jié)空間中進(jìn)行。Gasparetto以五次B樣條為關(guān)節(jié)軌跡的插值函數(shù)，并將加加速度的平方相對于運(yùn)動(dòng)時(shí)間的積分作為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以確保各個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)足夠光滑。劉松國通過采用五次B樣條對機(jī)器人的關(guān)節(jié)軌跡進(jìn)行插補(bǔ)計(jì)算，機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的速度、加速度端點(diǎn)值，可根據(jù)平滑性要求進(jìn)行任意配置。另外，在關(guān)節(jié)空間的軌跡規(guī)劃可避免操作空間的奇異性問題。Huo等人設(shè)計(jì)了一種關(guān)節(jié)空間中避免奇異性的關(guān)節(jié)軌跡優(yōu)化算法，利用6自由度弧焊機(jī)器人在任務(wù)過程中某個(gè)關(guān)節(jié)功能上的冗余，將機(jī)器人奇異性和關(guān)節(jié)限制作為約束條件，采用TWA方法進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。

    關(guān)節(jié)空間路徑規(guī)劃與操作空間路徑規(guī)劃對比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

    ①避免了機(jī)器人在操作空間中的奇異性問題；

    ②由于機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)是通過控制關(guān)節(jié)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，因此在關(guān)節(jié)空間中，避免了大量的正運(yùn)動(dòng)學(xué)和逆運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算；

    ③關(guān)節(jié)空間中各個(gè)關(guān)節(jié)軌跡便于控制的優(yōu)化。

　　五、工業(yè)機(jī)器人分類

    工業(yè)機(jī)器人按不同的方法可分下述類型：

工業(yè)機(jī)器人分類

    1.從機(jī)械結(jié)構(gòu)來看，分為串聯(lián)機(jī)器人和并聯(lián)機(jī)器人。

    1）串聯(lián)機(jī)器人的特點(diǎn)是一個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)會(huì)改變另一個(gè)軸的坐標(biāo)原點(diǎn)，在位置求解上，串聯(lián)機(jī)器人的正解容易，但反解十分困難；

    2）并聯(lián)機(jī)器人采用并聯(lián)機(jī)構(gòu)，其一個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)則不會(huì)改變另一個(gè)軸的坐標(biāo)原點(diǎn)。并聯(lián)機(jī)器人具有剛度大、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、承載能力大、微動(dòng)精度高、運(yùn)動(dòng)負(fù)荷小的優(yōu)點(diǎn)。其正解困難反解卻非常容易。串聯(lián)機(jī)器人和并聯(lián)機(jī)器人如圖所示。

串聯(lián)機(jī)器人　　　　　　　　　　　　并聯(lián)機(jī)器人

    2.工業(yè)機(jī)器人按操作機(jī)坐標(biāo)形式分以下幾類：（坐標(biāo)形式是指操作機(jī)的手臂在運(yùn)動(dòng)時(shí)所取的參考坐標(biāo)系的形式。）

    1）直角坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人

    其運(yùn)動(dòng)部分由三個(gè)相互垂直的直線移動(dòng)（即PPP）組成，其工作空間圖形為長方形。它在各個(gè)軸向的移動(dòng)距離，可在各個(gè)坐標(biāo)軸上直接讀出，直觀性強(qiáng)，易于位置和姿態(tài)的編程計(jì)算，定位精度高，控制無耦合，結(jié)構(gòu)簡單，但機(jī)體所占空間體積大，動(dòng)作范圍小，靈活性差，難與其他工業(yè)機(jī)器人協(xié)調(diào)工作。

    2）圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人

    其運(yùn)動(dòng)形式是通過一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)和兩個(gè)移動(dòng)組成的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的，其工作空間圖形為圓柱，與直角坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人相比，在相同的工作空間條件下，機(jī)體所占體積小，而運(yùn)動(dòng)范圍大，其位置精度僅次于直角坐標(biāo)型機(jī)器人，難與其他工業(yè)機(jī)器人協(xié)調(diào)工作。

    3）球坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人

    球坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人又稱極坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人，其手臂的運(yùn)動(dòng)由兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)和一個(gè)直線移動(dòng)（即RRP,一個(gè)回轉(zhuǎn)，一個(gè)俯仰和一個(gè)伸縮運(yùn)動(dòng)）所組成，其工作空間為一球體，它可以作上下俯仰動(dòng)作并能抓取地面上或教低位置的協(xié)調(diào)工件，其位置精度高，位置誤差與臂長成正比。

    4）多關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人

    又稱回轉(zhuǎn)坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人，這種工業(yè)機(jī)器人的手臂與人一體上肢類似，其前三個(gè)關(guān)節(jié)是回轉(zhuǎn)副（即RRR），該工業(yè)機(jī)器人一般由立柱和大小臂組成，立柱與大臂見形成肩關(guān)節(jié)，大臂和小臂間形成肘關(guān)節(jié)，可使大臂做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和俯仰擺動(dòng)，小臂做仰俯擺動(dòng)。其結(jié)構(gòu)最緊湊，靈活性大，占地面積最小，能與其他工業(yè)機(jī)器人協(xié)調(diào)工作，但位置精度教低，有平衡問題，控制耦合，這種工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用越來越廣泛。

    5）平面關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人

    它采用一個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)和兩個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)（即PRR），移動(dòng)關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動(dòng)，而兩個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)則控制前后、左右運(yùn)動(dòng)。這種形式的工業(yè)機(jī)器人又稱（SCARA(Seletive Compliance Assembly Robot Arm)裝配機(jī)器人。在水平方向則具有柔順性，而在垂直方向則有教大的剛性。它結(jié)構(gòu)簡單，動(dòng)作靈活，多用于裝配作業(yè)中，特別適合小規(guī)格零件的插接裝配，如在電子工業(yè)的插接、裝配中應(yīng)用廣泛。