宏觀上，機(jī)器人可以主要分為工業(yè)機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人和特種機(jī)器人。其中工業(yè)機(jī)器人、無人機(jī)、無人載具、無人潛航器、醫(yī)療機(jī)器人和仿人機(jī)器人是機(jī)器人領(lǐng)域幾個重要分支。
宏觀上，機(jī)器人可以主要分為工業(yè)機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人和特種機(jī)器人。
工業(yè)機(jī)器人，按照ISO8373，定義為面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度機(jī)器人，其主要應(yīng)用場景包括焊接、噴漆、裝配、采集、置物、產(chǎn)品測試等，代替人類進(jìn)行危險、繁重的工作。在這些應(yīng)用領(lǐng)域中，對工業(yè)機(jī)器人提出了高效性、速度性和準(zhǔn)確性的要求。具體而言，工業(yè)機(jī)器人的評價標(biāo)準(zhǔn)主要包括：
自由度：一般為機(jī)器人關(guān)節(jié)數(shù)量；
工作包絡(luò)面：機(jī)器人末端活動范圍；
載荷：機(jī)器人能承受多少物體重量；
速率：機(jī)器人能多快使其末端到達(dá)指定位置；
加速度：機(jī)器人關(guān)節(jié)的加速度；
準(zhǔn)確度：機(jī)器人實際位置與目標(biāo)位置的誤差；
再現(xiàn)性：機(jī)器人在多次作業(yè)中，是否能重現(xiàn)同一行為。
工業(yè)機(jī)器人起源于1958年，Unimation公司發(fā)布的第一臺Unimation機(jī)器人。Unimation機(jī)器人是一臺五軸液壓驅(qū)動機(jī)器人用于壓鑄作業(yè)，采用分離式固體數(shù)控元件，使用磁鼓儲存信息，總共能儲存180步工序。整個手臂的控制使用一臺計算完成。早期的工業(yè)機(jī)器人中，日本AMF公司研制的Versatran機(jī)器人用于物料運輸工作。Versatran也采用液壓驅(qū)動，機(jī)器人手臂可以繞底座回轉(zhuǎn)，沿半徑伸縮以及沿垂直方向起降，可進(jìn)行點位和軌跡控制，是世界上第一種應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的機(jī)器人。1979年，Unimation公司推出PUMA工業(yè)機(jī)器人。在上文中已經(jīng)介紹，PUMA是一種用于裝配的機(jī)器人，由電機(jī)驅(qū)動，串聯(lián)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，多CPU二級控制。并使用專用的VAL語言進(jìn)行編程控制，還可擴(kuò)展視覺、觸覺等外部傳感器。這一時期的機(jī)器人往往使用示教再現(xiàn)技術(shù)進(jìn)行動作規(guī)劃，不具備對周圍環(huán)境的感知與反制能力。
目前，工業(yè)機(jī)器人涉及的主要技術(shù)包括運動學(xué)標(biāo)定、運動規(guī)劃、運動控制等。經(jīng)過近50年的發(fā)展，以上技術(shù)都已有比較成熟的解決方案。新的挑戰(zhàn)主要在于非線性控制、多目標(biāo)優(yōu)化、智能化、重載荷、高精度、高速度等技術(shù)。為解決以上問題，目前對于工業(yè)機(jī)器人的研究重點集中在機(jī)器人的控制方法、力位混合控制、視覺伺服、主動柔順控制、協(xié)同作業(yè)等方向。如今，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用場景逐漸從重復(fù)簡單動作轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)雜任務(wù)，往往需要工業(yè)機(jī)器人具備一定的智能化和群體協(xié)調(diào)能力。
工業(yè)機(jī)器人的組成部分可以劃分為機(jī)械部分、傳感部分和控制部分，由機(jī)械系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、感知系統(tǒng)、交互系統(tǒng)和控制系統(tǒng)所支配。按照機(jī)械結(jié)構(gòu)劃分，總體上可以將工業(yè)機(jī)器人劃分為串聯(lián)機(jī)器人和并聯(lián)機(jī)器人兩類，二者主要區(qū)別在于是否一個軸的原點會隨著其他軸的運動而變動。早期工業(yè)機(jī)器人往往采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)，其運動可以使用基于連桿機(jī)器人運動學(xué)計算得到，但是其逆運動往往因為奇異點等問題難以求解。隨著1978年Hunt提出可以使用6自由度并聯(lián)結(jié)構(gòu)作為機(jī)器人操作器，并聯(lián)機(jī)器人逐漸進(jìn)入歷史舞臺，相比于串聯(lián)機(jī)器人，并聯(lián)機(jī)器人具有剛度大、微動精度高、運動負(fù)荷小的優(yōu)點，因而適用于工業(yè)流水線高精度拾放料作業(yè)和裝配領(lǐng)域，但由于其工作包絡(luò)面較小，不適用于末端需要復(fù)雜運動的場景，如焊接等。
串聯(lián)機(jī)器人一般由旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)驅(qū)動構(gòu)成，伴有少量的平移關(guān)節(jié)。其中旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)一般由電機(jī)通過減速器驅(qū)動，價格昂貴。目前市面上常用的減速器包括諧波齒輪減速器和RV減速器，后者相較于前者一般具有更好的回轉(zhuǎn)精度和精度保持性。國際機(jī)器人減速器的主要供應(yīng)商包括Harmonic Drive和Nabtesco，國內(nèi)主要供應(yīng)商包括蘇州綠的諧波傳動科技有限公司、山東帥克機(jī)械制造股份有限公司、浙江恒豐泰減速機(jī)制造有限公司和陜西秦川機(jī)械發(fā)展股份有限公司等、沈陽新松機(jī)器人公司、哈工大機(jī)器人工業(yè)集團(tuán)等。
工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動系統(tǒng)可劃分為液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動和電機(jī)驅(qū)動。早期工業(yè)機(jī)器人一般采用液壓驅(qū)動的方式，如Unimatie和Versatran。液壓系統(tǒng)可以輸出較大的推力或轉(zhuǎn)矩，可以實際低速大噸位運動。但由于液壓驅(qū)動存在液體泄漏、噪音大和低速狀態(tài)下不穩(wěn)定的特點，如今已較少在工業(yè)機(jī)器人中使用，只有一些大型重在機(jī)器人、并聯(lián)機(jī)器人和一些特殊場景中使用的機(jī)器人采用液壓驅(qū)動。相比于液壓驅(qū)動，氣壓驅(qū)動具有管路簡單、能量損耗小、反應(yīng)迅速、壽命長、易維護(hù)的特點。但由于空氣可壓縮性大，因而氣動系統(tǒng)動作穩(wěn)定性較差。而且氣動系統(tǒng)一般壓力較低，不適合做大輸出力度和力矩。因此，氣壓驅(qū)動裝置往往用于工業(yè)機(jī)器人的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動，如抓手、吸盤等。常見于中小負(fù)荷工件的抓取和裝配任務(wù)中。電機(jī)驅(qū)動是目前工業(yè)機(jī)器人主流的驅(qū)動方式。使用伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)作為動力源。其中，直流伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)用于，一般用于高精度、高速度的工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動，采用閉環(huán)控制方法。步進(jìn)電機(jī)扭矩大，往往用于精度和速度要求不高的機(jī)器人中，采用開環(huán)控制即可。對于并聯(lián)機(jī)器人，往往采用直線電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動。
工業(yè)機(jī)器人的感知系統(tǒng)一般分為內(nèi)部感知和外部感知系統(tǒng)。內(nèi)部感知系統(tǒng)使用壓力傳感器、接觸傳感器、旋轉(zhuǎn)編碼器等獲取機(jī)器人各關(guān)節(jié)的位置、速度、力和力矩等相關(guān)機(jī)械量。外部傳感器則一般通過攝像機(jī)、聲吶等感知周圍環(huán)境。由于近年來計算機(jī)視覺技術(shù)發(fā)展迅猛，視覺伺服成為共機(jī)器人感知的重要方面。
視覺伺服系統(tǒng)將攝像機(jī)捕捉到的視覺信息作為反饋信號，用于調(diào)整機(jī)器人的位姿，在半島體和電子行業(yè)、質(zhì)量檢測、工件識別、分揀等行業(yè)廣為應(yīng)用。
機(jī)器人視覺伺服控制分為兩類，即三維視覺伺服和二維視覺伺服，后來綜合二者優(yōu)缺點，發(fā)展成為2.5維視覺伺服。三維視覺伺服中，通過立體視覺標(biāo)定，建立攝像機(jī)的內(nèi)外參數(shù)，與機(jī)器人末端執(zhí)行器的運動學(xué)相配合，即圖像雅克比矩陣方法，形成對末端執(zhí)行器的閉環(huán)反饋控制。二維視覺伺服通過對拍攝得到的圖像進(jìn)行特征提取，獲得當(dāng)前末端執(zhí)行器與目標(biāo)位置的偏差，再通過控制器對誤差進(jìn)行修正。相較而言，二維視覺伺服對攝像機(jī)標(biāo)定誤差具有更強(qiáng)的魯棒性，但受限于視覺圖像雅克比矩陣奇異和陷入局部最優(yōu)的問題。因而綜合兩方面考慮，Chaumetie提出2.5維視覺伺服的方法。具體而言，改方法將攝像機(jī)平移與旋轉(zhuǎn)的閉環(huán)控制解耦，基于圖像特征點重構(gòu)三維物體的方位及成像深度比率，可以一定程度上將圖像信息和立體視覺位姿信息相結(jié)合，解決了一些奇異性、陷入局部最優(yōu)的問題，但仍存在解不唯一的問題。
工業(yè)機(jī)器人的運動規(guī)劃與生產(chǎn)效率和生產(chǎn)安全密切相關(guān)，因而也成為工業(yè)機(jī)器人研究的重點問題。工業(yè)機(jī)器人的運動規(guī)劃方法一般可劃分為路徑規(guī)劃和軌跡規(guī)劃兩種。路徑規(guī)劃的目標(biāo)在于使工業(yè)機(jī)器人各關(guān)節(jié)與連桿的運動路徑盡量短的同時，保持與障礙物的安全距離。而軌跡規(guī)劃的目的在于規(guī)劃出各關(guān)節(jié)的運動過程，使機(jī)器人從初始位置到達(dá)目標(biāo)位置的總時間盡量短，耗能盡量小。軌跡規(guī)劃在路徑規(guī)劃的基礎(chǔ)上加入關(guān)節(jié)速度與加速度等約束，使得所得軌跡更加平滑，速度更快，可控性更高。
早期的工業(yè)機(jī)器人一般采用示教再現(xiàn)方法進(jìn)行路徑規(guī)劃，即通過記錄人類操作的路徑點在工作中加以復(fù)現(xiàn)，從而順利完成相同的任務(wù)，是一種在笛卡爾空間進(jìn)行路徑規(guī)劃的方法。早期的示教再現(xiàn)方法需要操作員對每個動作進(jìn)行編程操作，是一件非常繁瑣的工作。隨著柔順控制，特別是阻抗/導(dǎo)納控制的發(fā)展，如今的機(jī)械臂具有對交互力測量的能力，一定程度上簡化了示教再現(xiàn)進(jìn)行軌跡規(guī)劃的方法，該方法又稱手把手示教。手把手示教可以使用直接推拉的方式控制機(jī)械手達(dá)到期望位置，而無需計算和編程，并記錄坐標(biāo)點，系統(tǒng)會通過插值方法計算得到每一步的位置和速度從而實現(xiàn)軌跡規(guī)劃。然而，示教再現(xiàn)方法仍然難以獲得最優(yōu)路徑。
相比于在笛卡爾空間，軌跡規(guī)劃也可以在關(guān)節(jié)空間進(jìn)行。常用方法一般為樣條函數(shù)插值法，并依據(jù)平滑性、加速度、加加速度等約束條件優(yōu)化得到。關(guān)節(jié)空間路徑規(guī)劃可以避免笛卡爾空間中的奇異性問題，避免大量正逆運動學(xué)求解過程。
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