第2章 工业机器人特点及作业要求
工业机器人指由操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和传感装置构成的一种仿人操作、自动控制、可重复编程并且能在三维空间完成各种作业的光机电一体化生产设备［1，2］。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量及生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。
针对工业机器人特点，当从机器人开发角度理解时，大多数工业机器人拥有一些共同的特性。
首先，几乎所有机器人都有可以移动的身体。有些拥有机械化的轮子，而有些则拥有大量可移动的部件，这些部件一般是由金属或塑料制成的，并用于灵活独立地移动。与人体骨骼类似，这些独立部件是用关节连接起来的，机器人的轮与轴是用某种传动装置连接起来的，有些机器人使用的是电动机和螺线管作为传动装置，也有一些则使用液压系统，还有一些使用气动系统，如由压缩气体驱动的系统。机器人可以使用上述任何类型的传动装置。
其次，机器人需要一个能量源来驱动这些传动装置。大多数机器人会使用电池或电源插座来供电，液压机器人还需要液压泵来为液体加压，而气动机器人则需要气体压缩机或压缩气罐等。几乎所有传动装置都通过导线与电路相连，该电路直接为电动机供电，并操纵电子阀门来启动液压系统，电子阀门可以控制承压流体在机器内流动的路径。例如，如果机器人要移动一条由液压驱动的腿，它的控制器会打开一个阀门，这个阀门由液压泵通向腿上的活塞筒，这时承压流体将推动活塞，使腿部向前运动。通常，机器人使用可提供双向推力的活塞，以使部件能向两个方向运动。
还有，机器人的计算机可以控制与电路相连的所有部件。为了使机器人动起来，计算机会打开所有需要的电动机和阀门。由于大多数机器人是可重新编程的，如果要改变某台机器人的行为，只需将一个新的程序写入它的计算机即可。
工业机器人拥有的最常见的一种感觉是运动感，也就是它监控自身运动的能力。例如在通用设计中，机器人的关节处安装带有凹槽的轮子，在轮子的一侧有一个发光二极管，它发出一道光束，光束穿过凹槽照在位于轮子另一侧的光传感器上。当机器人移动某个特定的关节时，有凹槽的轮子会转动。在此过程中凹槽将挡住光束，光学传感器读取光束闪动的模式，并将数据传送给计算机，计算机可以根据这一模式准确地计算出关节已经旋转的圈数。但是，并非所有的机器人都有传感系统，目前，很少的工业机器人同时具有视觉、听觉、嗅觉或味觉。
对于机器人用户来说，通常是从应用方面看其特点。工业机器人并不仅是指像人的机器，凡是替代人类劳动的自动化机器都可称为工业机器人。自20世纪60年代初第一代机器人在美国问世以来，工业机器人的研制和应用有了飞速的发展，但工业机器人最显著的特点有以下几个。
（1）可编程
生产自动化的进一步发展是柔性自动化，工业机器人可随其工作环境变化的需要进行再编程。因此，工业机器人在小批量，多品种，具有均衡、高效率的柔性制造过程中能发挥很好的功用，是柔性制造系统（FMS）中的一个重要组成部分。
（2）拟人化
工业机器人在机械结构上有类似人的大臂、小臂、手腕及手爪，能行走、腰转等，并有电脑控制。此外，智能化工业机器人还有许多类似人类的“生物传感器”，如皮肤型接触传感器、力传感器、负载传感器、视觉传感器、声觉传感器及语言功能等［3，4］。传感器提高了工业机器人对周围环境的自适应能力。
（3）通用性
除了专用工业机器人外，一般工业机器人在执行不同的作业任务时具有较好的通用性。比如，通过更换工业机器人末端操作器（如手爪、工具等）便可以执行不同的作业任务。
（4）机电一体化
工业机器人技术涉及的学科相当广泛，但是归纳起来是机械学和微电子学的结合，即机电一体化技术。例如，智能机器人具有获取外部环境信息的各种传感器，而且还具有记忆能力、语言理解能力、图像识别能力及推理判断能力等人工智能，这些都和微电子技术的应用，特别是计算机技术的应用密切相关。因此，机器人技术的发展也必将带动机电一体化的发展，机器人技术的发展水平也可以验证一个国家科学技术和工业技术的发展水平。
对于工业机器人的作业要求，应包括路径及运动规划，机器人关节空间位置控制，机器人力控制、定位问题及导航等，但是，不同的工业机器人其作业要求也有差异［5-7］。例如模块化机器人，其作业范围与本体硬件、机器人整体协调运动、重构变形或运动等方面有关［8］。由于模块化机器人可以构型多变，因此其作业范围较广，但由于其运动自由度冗余性高，也使得它的运动规划和控制变得异常困难，同时限制了该机器人的应用。
整体协调运动是机器人的基本能力，关于模块化机器人运动能力自动生成的理论与技术是机器人整体协调运动的依据，能在可接受的时间内自动规划出适应环境和任务的运动或运动模式，是提升机器人作业要求急需解决的问题。
通过对工业机器人的介绍，进一步了解工业机器人的应用。对机器人运动规划、机器人关节空间位置控制及机器人力控制等基本方法进行阐述，提出工业机器人作业要求，并为工业机器人的设计与应用提供理论基础。