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这种机器人还可以接受示教而完成各种简单的重复动作，示教过程中，机械手可依次通过工作任务的各个位置，这些位置序列全部记录在存储器内，任务的执行过程中，机器人的各个关节在伺服驱动下依次再现上述位置，故这种机器人的主要技术功能被称为“可编程”和“示教再现”。
1962年美国推出的一些工业机器人的控制方式与数控机床大致相似，但外形主要由类似人的手和臂组成。
后来，出现了具有视觉传感器的、能识别与定位的工业机器人系统。
当今工业机器人技术正逐渐向着具有行走能力、具有多种感觉能力、具有较强的对作业环境的自适应能力的方面发展。
目前，对全球机器人技术的发展最有影响的国家应该是美国和日本。
美国在工业机器人技术的综合研究水平上仍处于领先地位，而日本生产的工业机器人在数量、种类方面则居世界首位。
1.2工业机器人的发展
工业机器人的发展通常可规划分为三代：
第一代工业机器人：
通常是指目前国际上商品化与使用化的“可编程的工业机器人”，又称“示教再现工业机器人”，即为了让工业机器人完成某项作业，首先由操作者将完成该作业所需要的各种知识（如运动轨迹、作业条件、作业顺序和作业时间等），通过直接或间接手段，对工业机器人进行“示教”，工业机器人将这些知识记忆下来后，即可根据“再现”指令，在一定精度范围内，忠实的重复再现各种被示教的动作。
1962年美国万能自动化公司的第一台Unimate工业机器人在美国通用汽车公司投入使用，标志着第一代工业机器人的诞生。
第二代工业机器人：
通常是指具有某种智能（如触觉、力觉、视觉等）功能的“智能机器人”。
即有传感器得到触觉、力觉和视觉等信息计算机处理后，控制机器人的操作机完成相应的适当操作。
1982年美国通用汽车在装配线上为工业机器人装备了视觉系统，从而宣布了新一代智能工业机器人的问世。
第三代工业机器人：
即所谓的“只治式工业机器人”。
它不仅具有感知功能，而且还有一定的决策及规划能力。
第一代工业机器人目前仍处在实验室研究阶段。
工业机器人经历了诞生---成长---成熟期后，已成为制造业中不可缺少的核心装备，世界上有约75万台工业机器人正与工人朋友并肩战斗在个条生产线上，特种机器人作为机器人家族的后起之秀，由于其用途广泛而大有后来居上之势，仿人机器人、农业机器人、服务机器人、水下机器人、医疗机器人、军用机器人、娱乐机器人等各种用途发特种机器人纷纷面世，而且正以飞快的速度向实用化迈进。
我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，目前已基本掌握了机器人的操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术、生产了部分机器人的关键元器件，开发出喷漆、焊弧、点焊、装配、搬运等机器人；
其中有130多台配套喷漆机器人在二十与家企业的近30条自动喷漆生产线上获得规模应用，弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。
但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用水平和国外比还有一定的距离，如：
可靠性低于国外产品；
机器人应工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距；
在应用规模上，我国已安装的国产工业机器人约200台，约占全球已安装台数的万分之四。
以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。
因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模化设计，积极推进产业化进程。
1.3工业机器人的分类
工业机器人按不同的方法可分下述类型
工业机器人按操作机坐标形式分以下几类：
（坐标形式是指操作机的手臂在运动时所取的参考坐标系的形式。
）
（1）直角坐标型工业机器人
其运动部分由三个相互垂直的直线移动（即PPP）组成，其工作空间图形为长方形。
它在各个轴向的移动距离，可在各个坐标轴上直接读出，直观性强，易于位置和姿态的编程计算，定位精度高，控制无耦合，结构简单，但机体所占空间体积大，动作范围小，灵活性差，难与其他工业机器人协调工作。
（2）圆柱坐标型工业机器人
其运动形式是通过一个转动和两个移动组成的运动系统来实现的，其工作空间图形为圆柱，与直角坐标型工业机器人相比，在相同的工作空间条件下，机体所占体积小，而运动范围大，其位置精度仅次于直角坐标型机器人，难与其他工业机器人协调工作。
（3）球坐标型工业机器人
又称极坐标型工业机器人，其手臂的运动由两个转动和一个直线移动（即RRP,一个回转，一个俯仰和一个伸缩运动）所组成，其工作空间为一球体，它可以作上下俯仰动作并能抓取地面上或教低位置的协调工件，其位置精度高，位置误差与臂长成正比。
（4）多关节型工业机器人
又称回转坐标型工业机器人，这种工业机器人的手臂与人一体上肢类似，其前三个关节是回转副（即RRR），该工业机器人一般由立柱和大小臂组成，立柱与大臂见形成肩关节，大臂和小臂间形成肘关节，可使大臂做回转运动和俯仰摆动，小臂做仰俯摆动。
其结构最紧凑，灵活性大，占地面积最小，能与其他工业机器人协调工作，但位置精度教低，有平衡问题，控制耦合，这种工业机器人应用越来越广泛。
（5）平面关节型工业机器人
它采用一个移动关节和两个回转关节（即PRR），移动关节实现上下运动，而两个回转关节则控制前后、左右运动。
这种形式的工业机器人又称（SCARA（SeletiveComplianceAssemblyRobotArm）装配机器人。
在水平方向则具有柔顺性，而在垂直方向则有教大的刚性。
它结构简单，动作灵活，多用于装配作业中，特别适合小规格零件的插接装配，如在电子工业的插接、装配中应用广泛。
工业机器人按驱动方式分以下几类：
（1）气动式工业机器人这类工业机器人以压缩空气来驱动操作机，其优点是空气来源方便，动作迅速，结构简单造价低，无污染，缺点是空气具有可压缩性，导致工作速度的稳定性较差，又因气源压力一般只有6kPa左右，所以这类工业机器人抓举力较小，一般只有几十牛顿，最大百余牛顿。
（2）液压式工业机器人液压压力比气压压力高得多，一般为70kPa左右，故液压传动工业机器人具有较大的抓举能力，可达上千牛顿。
这类工业机器人结构紧凑，传动平稳，动作灵敏，但对密封要求较高，且不宜在高温或低温环境下工作。
（3）电动式工业机器人这是目前用得最多的一类工业机器人，不仅因为电动机品种众多，为工业机器人设计提供了多种选择，也因为它们可以运用多种灵活控制的方法。
早期多采用步进电机驱动，后来发展了直流伺服驱动单元，目前交流伺服驱动单元也在迅速发展。
这些驱动单元或是直接驱动操作机，或是通过诸如谐波减速器的装置来减速后驱动，结构十分紧凑、简单。
第二章工业机器人控制系统
2.1工业机器人控制系统所要达到的功能
机器人控制系统是机器人的重要组成部分，用于对操作机的控制，以完成特定的工作任务，其基本功能如下：
（1）记忆功能：
存储作业顺序、运动路径、运动方式、运动速度和与生产工艺有关的信息。
（2）示教功能：
离线编程，在线示教，间接示教。
在线示教包括示教盒和导引示教两种。
（3）与外围设备联系功能：
输入和输出接口、通信接口、网络接口、同步接口。
（4）坐标设置功能：
有关节、绝对、工具、用户自定义四种坐标系。
（5）人机接口：
示教盒、操作面板、显示屏。
（6）传感器接口：
位置检测、视觉、触觉、力觉等。
（7）位置伺服功能：
机器人多轴联动、运动控制、速度和加速度控制、动态补偿等。
（8）故障诊断安全保护功能：
运行时系统状态监视、故障状态下的安全保护和故障自诊断。
2.2工业机器人控制系统的组成
（1）控制计算机：
控制系统的调度指挥机构。
一般为微型机、微处理器有32位、64位等，如奔腾系列CPU以及其他类型CPU。
（2）示教盒：
示教机器人的工作轨迹和参数设定，以及所有人机交互操作，拥有自己独立的CPU以及存储单元，与主计算机之间以串行通信方式实现信息交互。
（3）操作面板：
由各种操作按键、状态指示灯构成，只完成基本功能操作。
（4）硬盘和软盘存储存：
储机器人工作程序的外围存储器。
（5）数字和模拟量输入输出：
各种状态和控制命令的输入或输出。
（6）打印机接口：
记录需要输出的各种信息。
（7）传感器接口：
用于信息的自动检测，实现机器人柔顺控制，一般为力觉、触觉和视觉传感器。
（8）轴控制器：
完成机器人各关节位置、速度和加速度控制。
（9）辅助设备控制：
用于和机器人配合的辅助设备控制，如手爪变位器等。
（10）通信接口：
实现机器人和其他设备的信息交换，一般有串行接口、并行接口等。
（11）网络接口
1）Ethernet接口：
可通过以太网实现数台或单台机器人的直接PC通信，数据传输速率高达10Mbit/s，可直接在PC上用windows库函数进行应用程序编程之后，支持TCP/IP通信协议，通过Ethernet接口将数据及程序装入各个机器人控制器中。
2）Fieldbus接口：
支持多种流行的现场总线规格，如Devicenet、ABRemoteI/O、Interbus-s、profibus-DP、M-NET等。
图1机器人控制系统组成框图
2.3工业机器人控制系统分类
（1）程序控制系统：
给每一个自由度施加一定规律的控制作用，机器人就可实现要求的空间轨迹。
（2）自适应控制系统：
当外界条件变化时，为保证所要求的品质或为了随着经验的积累而自行改善控制品质，其过程是基于操作机的状态和伺服误差的观察，再调整非线性模型的参数，一直到误差消失为止。
这种系统的结构和参数能随时间和条件自动改变。
（3）人工智能系统：
事先无法编制运动程序，而是要求在运动过程中根据所获得的周围状态信息，实时确定控制作用。
驱动方式：
参见工业机器人驱动系统。
运动方式：
（4）点位式：
要求机器人准确控制末端执行器的位姿，而与路径无关；
（5）轨迹式：
要求机器人按示教的轨迹和速度运动。
（6）控制总线：
国际标准总线控制系统。
采用国际标准总线作为控制系统的控制总线，如VME、MULTI-bus、STD-bus、PC-bus。
（7）自定义总线控制系统：
由生产厂家自行定义使用的总线作为控制系统总线。
（8）编程方式：
物理设置编程系统。
由操作者设置固定的限位开关，实现起动，停车的程序操作，只能用于简单的拾起和放置作业。
（9）在线编程：
通过人的示教来完成操作信息的记忆过程编程方式，包括直接示教（即手把手示教）模拟示教和示教盒示教。
（10）离线编程：
不对实际作业的机器人直接示教，而是脱离实际作业环境，生成示教程序，通过使用高级机器人，编程语言，远程式离线生成机器人作业轨迹。
2.4机器人控制系统结构
机器人控制系统按其控制方式可分为三类。
（1）集中控制系统（CentralizedControlSystem）：
用一台计算机实现全部控制功能，结构简单，成本低，但实时性差，难以扩展，在早期的机器人中常采用这种结构，其构成框图，如图2所示。
基于PC的集中控制系统里，充分利用了PC资源开放性的特点，可以实现很好的开放性：
多种控制卡，传感器设备等都可以通过标准PCI插槽或通过标准串口、并口集成到控制系统中。
集中式控制系统的优点是:
硬件成本较低，便于信息的采集和分析，易于实现系统的最优控制，整体性与协调性较好，基于PC的系统硬件扩展较为方便。
其缺点也显而易见:
系统控制缺乏灵活性，控制危险容易集中，一旦出现故障，其影响面广，后果严重;
由于工业机器人的实时性要求很高，当系统进行大量数据计算，会降低系统实时性，系统对多任务的响应能力也会与系统的实时性相冲突；
此外，系统连线复杂，会降低系统的可靠性。
图2集中控制系统框图
（2）主从控制系统：
采用主、从两级处理器实现系统的全部控制功能。
主CPU实现管理、坐标变换、轨迹生成和系统自诊断等；
从CPU实现所有关节的动作控制。
其构成框图，如图3所示。
主从控制方式系统实时性较好，适于高精度、高速度控制，但其系统扩展性较差，维修困难。
图3主从动控制系框图
（3）分散控制系统（DistributeControlSystem）：
按系统的性质和方式将系统控制分成几个模块，每一个模块各有不同的控制任务和控制策略，各模式之间可以是主从关系，也可以是平等关系。
这种方式实时性好，易于实现高速、高精度控制，易于扩展，可实现智能控制，是目前流行的方式，其控制框图如图4所示。
其主要思想是“分散控制，集中管理”，即系统对其总体目标和任务可以进行综合协调和分配，并通过子系统的协调工作来完成控制任务，整个系统在功能、逻辑和物理等方面都是分散的，所以DCS系统又称为集散控制系统或分散控制系统。
这种结构中，子系统是由控制器和不同被控对象或设备构成的，各个子系统之间通过网络等相互通讯。
分布式控制结构提供了一个开放、实时、精确的机器人控制系统。
分布式系统中常采用两级控制方式。
两级分布式控制系统，通常由上位机、下为机和网络组成。
上位机可以进行不同的轨迹规划和控制算法，下位机进行插补细分、控制优化等的研究和实现。
上位机和下位机通过通讯总线相互协调工作，这里的通讯总线可以是RS-232、RS-485、EEE-488以及USB总线等形式。
现在，以太网和现场总线技术的发展为机器人提供了更快速、稳定、有效的通讯服务。
尤其是现场总线，它应用于生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向多结点数字通信，从而形成了新型的网络集成式全分布控制系统—现场总线控制系统FCS（FiledbusControlSystem）。
在工厂生产网络中，将可以通过现场总线连接的设备统称为“现场设备/仪表”。
从系统论的角度来说，工业机器人作为工厂的生产设备之一，也可以归纳为现场设备。
在机器人系统中引入现场总线技术后，更有利于机器人在工业生产环境中的集成。
图4分布式控制系统框图
分布式控制系统的优点在于：
系统灵活性好，控制系统的危险性降低，采用多处理器的分散控制，有利于系统功能的并行执行，提高系统的处理效率，缩短响应时间。
对于具有多自由度的工业机器人而言，集中控制对各个控制轴之间的藕合关系处理得很好，可以很简单的进行补偿。
但是，当轴的数量增加到使控制算法变得很复杂时，其控制性能会恶化。
而且，当系统中轴的数量或控制算法变得很复杂时，可能会导致系统的重新设计。
与之相比，分布式结构的每一个运动轴都由一个控制器处理，这意味着，系统有较少的轴间祸合和较高的系统重构性。
第三章工业机器人的组成
3.1工业机器人系统的构建
机器人控制系统是一种典型的多轴实时运动控制系统。
传统的机器人控制系统基本上是设计者基于自己的独立结构和生产目的而开发，它采用了专用计算机、专用机器人语言、专用微处理器的封闭式体系结构。
这种结构的控制器存在制造和使用成本高，开发周期长，升级换代困难，无法添加系统的新功能等一系列缺点。
该系统基于TRIO运动控制卡的开放式结构机器人控制系统，采用IPC+DSP的结构来实现机器人的控制。
这种机器人控制系统采用开放式硬件、软件结构，可以根据需要方便地扩展功能，具有良好的开放性和扩展性，能适应于不同类型机器人或机器人自动生产线。
通过运动控制卡在工业机器人控制系统中的应用，根据运动控制的相关理论和直流伺服电机的具有不易受干扰、易于用微机实现数字控制、无积累误差等特性以及其动作迅速、反映快、维护简单、可实现过载自动保护等特点作为相关背景的基础之上提出了基于TRIO运动控制卡的自动化程度和定位精度均较高的工业机器人控制系统。
这种机器人控制系统的重要特点在于它采用通用个人计算机加DSP—多控制回路的开放式体系结构以及它的网络控制特性。
该系统主要由个人PC、PCI—208系列TRIO运动控制卡、运动卡外接线板、ZK4系列直流电机调速器、光电轴角编码器、系统工作状态检测输入行程开关等组成。
TRIO运动控制卡通过对直流电机调速器发出模拟电压信号对直流伺服电动机的转上速、角位移、正、反转等进行控制，从而外控制输出电机驱动；
且还在系统中采用光电轴角编码器对电机的参数运行状态以及程序的运行状态进行反馈；
另外还设置行程开关对电机的行程位置进行控制。
3.2机器人运动学原理
机器人手臂运动学中有几个基本问题。
1对给定机械臂，己知各关节角矢量g（f）=[gl（t），g2（t），......gn（i）]，其中n为自由度。
求末端操作器相对于参考坐标系的位置和姿态，称之为运动学正问题。
在机器人示教过程中。
机器人控制器即逐点进行运动学正问题运算。
2对给定机械臂，已知末端操作器在参考坐标系中的期望位置和姿态，求各关节矢量，称之为运动学逆问题。
在机器人再现过程中，机器人控制器即逐点进行运动学逆问题运算，将角矢量分解到机械臂各关节。
运动学正问题的运算都采用D-H法，这种方法采用4X4齐次变换矩阵来描述两个相邻刚体杆件的空间关系，把正问题简化为寻求等价的4X4齐次变换矩阵。
逆问题的运算可用几种方法求解，最常用的是矩阵代数、迭代或几何方法ob在此不作具体介绍。
对于高速、高精度机器人，还必须建立动力学模型，由于目前通用的工业机器人（包括焊接机器人）最大的运动速度都在3m／s内，精度都不高于O.1mm，所以都只做简单的动力学控制。
机器人轨迹规划机器人机械手端部从起点（包括，位置和姿态）到终点的运动轨迹空间曲线叫路径，轨迹规划的任务是用一种函数来“内插”或“逼近”给定的路径，并沿时间轴产生一系列“控制设定点”，用于控制机械手运动。
目前常用的轨迹规划方法有关节变量空间关节插值法和笛卡尔空间规划两种方法。
机器人机械手的控制当一台机器人机械手的动态运动方程已给定。
它的控制目的就是按预定性能要求保持机械手的动态响应。
但是由于机器人机械手的惯性力、耦合反应力和重力负载都随运动空间的变化而变化，因此要对它进行高精度乙斗高速、高动态晶质的控制是相当复杂而困难的，现在正在为此研究和发展许多新的控制方法。
目前工业机器人上采用的控制方法是把机械手上每一个关节都当作一个单独的伺服机构，即把一个非线性的、关节间耦合的变负载系统，简化为线性的非耦合单独系统。
每个关节都有两个伺服环，机械手伺服控制系统见图2外环提供位置误差信号，内环由模拟器件和补尝器（具有衰减速度的微分反馈）组成，两个伺服环的增益是固定不变的。
因此基本上是一种比例积分微分控制方法（PID法）。
这种控制方法，只适用于目前速度、精度要求不高和负荷不大的机器人控制，对常规焊接机器人来说，已能满足要求。
图机械手伺服控制体系结构
机器人编程语言机器人编程语言是机器人和用户的软件接口，编程语言的功能决定了机器人的适应性和给用户的方便性，至今还没有完全公认的机器人编程语言，每个机器人制造厂都有自己的语言。
实际上，机器人编程与传统的计算机编程不同，机器人操作的对象是各类三维物体，运动在一个复杂的空间环境，还要监视和处理传感器信息。
因此其编程语言主要有两类：
面向机器人的编程语言和面向任务的编程语言。
面向机器人的编程语言的主要特点是描述机器人的动作序列，每一条语句大约相当于机器人的一个动作，整个程序控制机器入完种：
专用的机器人语言，如PUMA机器人的VAL语言，是专用的机器人控制语言，它的最新版本是VAL-I和V+·
·
。
在现有计算机语言的基础上加机器人子程序库。
如美国机器人公司开发的AR—Basic和Intelledex公司的Robot—Basic语言，都是建立在BASIC语言上的。
开发一种新的通用语言加上机器人子程序库。
如IBM公司开发的AML机器人语言。
面向任务的机器人编程语言允许用户发出直接命令，以控制机器人去完成一个具体的任务，而不需要说明机器人需要采取的每一个动作的细节。
如美国的RCCL机器人编程语言，就是用C语言和一组C函数来控制机器人运动的任务级机器人语言。
焊接机器人的编程语言，目前都属于面向机器人的语言，面向任务的机器人语言尚属开发阶段。
大都是针对装配作业的需要。
3.3工业机器人工作原理
机器人具有三个自由度（即：
RRP—大臂回旋、仰角、小臂伸缩三个运动）和一个爪开合动作，采用全电机驱动控制。
机器人本体由机身、大臂、小臂、手找等组成。
机身固定在机械小车上；
大臂可以绕着机身在水平面内和垂直面内旋转；
小臂在丝杆的传动下，可以前后进行伸缩。
在大臂和小臂的共同作用下，机械手的手爪能够接近要抓的物体。
当物体被控制在手爪的控制范围内时，手爪夹紧物体，然后通过大臂的旋转和小臂的伸缩运动，最终将物体置于规定的位置。
机器人大臂回旋运动和大臂仰角运动均采用直流电动机、谐波减速器传动，PWM脉宽调速器控制，可实现20—2000mm/Min无级调速控制。
机器人本体结构如下图：
1—机械手爪2—机械手小臂3—机械手大臂4—机身
手爪开合采用连杆及螺旋机构，同步电机驱动，其结构简单，无调速器，电路控制方便。
由于在机械结构设计中采用了谐波减速器、滚珠丝杆、滚珠直线导轨等精密传动装置，机器人手爪定位可达到较高的精度。
控制系统其工作原理如下：
机器人大臂回旋运动和大臂仰角运动均采用直流电动机M1和M2控制，小臂伸缩采用直流电动机M3控制，手爪的开合由单相交流电动机M4控制，每个电动机均由两个中间继电器控制其正、反转。
首先是各运动轴分别复位，电动机m1、m2、m3反转输出端口OUT11、OUT13、OUT15输出24V电压各轴正向运动。
当它们踏上了各自的行程开关时外接24V分别输入到INPUT0、INPUT1、INPUT2的输入端口由运动控制卡进行判断并作为运动的原点。
然后，当运动控制卡的24V电压输出端口OUT11输出指令时，接通继电器K
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