1.3　机器人的分类

关于机器人的分类，国际上没有制定统一的标准，从不同的角度可以有不同的分类。

（1）按照机器人的发展阶段分类

第一代机器人：示教再现型机器人。1947年，为了搬运和处理核燃料，美国橡树岭国家实验室研发了世界上第一台遥控的机器人。1962年，美国又研制成功PUMA通用示教再现型机器人，这种机器人通过一个计算机来控制一个多自由度的机械，通过示教存储程序和信息，工作时把信息读取出来，然后发出指令，这样机器人可以重复地根据人当时示教的结果，再现这种动作。比方说汽车的点焊机器人，只要把这个点焊的过程示教完以后，它总是重复这样一种工作。

第二代机器人：感觉型机器人。示教再现型机器人对于外界的环境没有感知，操作力的大小，工件存在不存在，焊接的好与坏，它并不知道，因此，在20世纪70年代后期，人们开始研究第二代机器人，叫感觉型机器人。这种机器人拥有类似人的某种功能感觉，如力觉、触觉、滑觉、视觉、听觉等，它能够通过感觉来感受和识别工件的形状、大小、颜色。

第三代机器人：智能型机器人。20世纪90年代以来发明的机器人。这种机器人带有多种传感器，可以进行复杂的逻辑推理、判断及决策，在变化的内部状态与外部环境中，自主决定自身的行为。

（2）按照控制方式分类

①操作型机器人：能自动控制，可重复编程，多功能，有几个自由度，可固定或运动，用于相关自动化系统中。

②程控型机器人：按预先要求的顺序及条件，依次控制机器人的机械动作。

③示教再现型机器人：通过引导或其他方式，先教会机器人动作，输入工作程序，机器人则自动重复进行作业。

④数控型机器人：不必使机器人动作，通过数值、语言等对机器人进行示教，机器人根据示教后的信息进行作业。

⑤感觉控制型机器人：利用传感器获取的信息控制机器人的动作。

⑥适应控机器人：机器人能适应环境的变化，控制其自身的行动。

⑦学习控制型机器人：机器人能“体会”工作的经验，具有一定的学习功能，并将所“学”的经验用于工作中。

⑧智能机器人：以人工智能决定其行动的机器人。

按照控制方式，还可以把机器人分为非伺服控制机器人和伺服控制机器人。非伺服控制机器人按照预先编好的程序进行工作，使用定序器、插销板、终端限位开关、制动器来控制机器人的运动。与非伺服控制机器人比较，伺服控制机器人具有较为复杂的控制器、计算机和机械结构，带有反馈传感器，拥有较大的记忆存储容量。这意味着能存储较多点的地址，运行可更为复杂平稳，编制和存储的程序可以超过一个，因而该机器人可以有不同用途，并且转换程序所需的停机时间极短。伺服控制机器人又可分为点位伺服控制机器人和连续轨迹伺服控制机器人。点位伺服控制机器人一般只对其一段路径的端点进行示教，而且机器人以最快和最直接的路径从一个端点移到另一个端点，点与点之间的运动总是有些不平稳。这种控制方式简单，适用于上下料、点焊等作业。连续轨迹伺服控制机器人能够平滑地跟随某个规定的轨迹，它能较准确地复原示教路径。

（3）按照应用环境角度分类

目前，国际学术界通常将机器人分为工业机器人和服务机器人两大类。工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备。自从1962年美国研制出世界上第一台工业机器人以来，机器人技术及其产品已成为柔性制造系统（FMS）、自动化工厂（FA）、计算机集成制造系统（CIMS）的自动化工具。服务机器人是机器人家族中的一个年轻成员，可以分为专业领域服务机器人和个人、家庭服务机器人。服务机器人的应用范围很广，主要从事维护保养、修理、运输、清洗、保安、救援、监护等工作。而我国的机器人专家从应用环境出发，将机器人分为工业机器人和特种机器人两类。工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。特种机器人是除工业机器人之外的、用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人，包括服务机器人、水下机器人、娱乐机器人、军用机器人、农业机器人、机器人化机器等。在特种机器人中，有些分支发展很快，甚至有独立成体系的趋势，如服务机器人、水下机器人、军用机器人、微操作机器人等。

工业机器人按臂部的运动形式分为四种：直角坐标型的臂部可沿三个直角坐标轴移动；圆柱坐标型的臂部可作升降、回转和伸缩动作；球坐标型的臂部能回转、俯仰和伸缩；关节型的臂部有多个转动关节。

工业机器人按执行机构运动的控制机能又可分点位型和连续轨迹型。点位型只控制执行机构由一点到另一点的准确定位，适用于机床上下料、点焊和一般搬运、装卸等作业；连续轨迹型可控制执行机构按给定轨迹运动，适用于连续焊接和涂装等作业。

工业机器人按程序输入方式区分有编程输入型和示教输入型两类。编程输入型是将计算机上已编好的作业程序文件，通过RS-232串口或者以太网等通信方式传送到机器人控制柜。示教输入型的示教方法有两种：一种是由操作者用手动控制器（示教操纵盒），将指令信号传给驱动系统，使执行机构按要求的动作顺序和运动轨迹操演一遍；另一种是由操作者直接领动执行机构，按要求的动作顺序和运动轨迹操演一遍。在示教过程的同时，工作程序的信息即自动存入程序存储器中，当机器人自动工作时，控制系统从程序存储器中检出相应信息，将指令信号传给驱动机构，使执行机构再现示教的各种动作。示教输入程序的工业机器人称为示教再现型工业机器人。

（4）按照机器人的运动形式分类

1）直角坐标型机器人。这种机器人的外形轮廓与数控镗铣床或三坐标测量机相似，如图1-1所示。3个关节都是移动关节，关节轴线相互垂直，相当于笛卡儿坐标系的x、y和z轴。它主要用于生产设备的上下料，也可用于高精度的装卸和检测作业。这种形式主要有以下特点：

①结构简单，直观，刚度高。多做成大型龙门式或框架式机器人。

②3个关节的运动相互独立，没有耦合，运动学求解简单，不产生奇异状态。采用直线滚动导轨后，速度和定位精度高。

③工件的装卸、夹具的安装等受到立柱、横梁等构件的限制。

④容易编程和控制，控制方式与数控机床类似。

⑤导轨面防护比较困难。移动部件的惯量比较大，增加了驱动装置的尺寸和能量消耗，操作灵活性较差。

2）圆柱坐标型机器人。如图1-2所示，这种机器人以θ、z和r为参数构成坐标系。手腕参考点的位置可表示为P=f（θ，z，r）。其中，r是手臂的径向长度，θ是手臂绕水平轴的角位移，z是在垂直轴上的高度。如果r不变，操作臂的运动将形成一个圆柱表面，空间定位比较直观。操作臂收回后，其后端可能与工作空间内的其他物体相碰，移动关节不易防护。

3）球（极）坐标型机器人。如图1-3所示，腕部参考点运动所形成的最大轨迹表面是半径为r的球面的一部分，以θ、φ、r为坐标，可表示为P=f（θ，φ，r）。这类机器人占地面积小，工作空间较大，移动关节不易防护。

4）平面双关节型机器人（Selective Compliance Assembly Robot Arm，SCARA）。SCARA机器人有3个旋转关节，其轴线相互平行，在平面内进行定位和定向，还有一个关节是移动关节，用于实现末端件垂直于平面的运动。手腕参考点的位置是由两旋转关节的角位移φ₁、φ₂和移动关节的位移z决定的，即P=f（φ₁，φ₂，z），如图1-4所示。这类机器人结构轻便、响应快。例如Adept Ⅰ型SCARA机器人的运动速度可达10m/s，比一般关节式机器人快数倍。它最适用于平面定位，而在垂直方向进行装配的作业。

5）关节型机器人。这类机器人由2个肩关节和1个肘关节进行定位，由2个或3个腕关节进行定向。其中，一个肩关节绕铅直轴旋转，另一个肩关节实现俯仰，这两个肩关节轴线正交，肘关节平行于第二个肩关节轴线，如图1-5所示。这种构形动作灵活，工作空间大，在作业空间内手臂的干涉最小，结构紧凑，占地面积小，关节上相对运动部位容易密封防尘，是当今工业领域中常见的工业机器人形态之一，适合用于诸多工业领域的机械自动化作业，比如，自动装配、喷漆、搬运、焊接等工作。这类机器人运动学较复杂，运动学反解困难，确定末端件执行器的位姿不直观，进行控制时，计算量比较大。

（5）按照机器人移动性分类

可分为半移动式机器人（机器人整体固定在某个位置，只有部分可以运动，例如机械手）和移动机器人。随着机器人的不断发展，人们发现固定于某一位置操作的机器人并不能完全满足各方面的需要。因此，20世纪80年代后期，许多国家有计划地开展了移动机器人技术的研究。所谓移动机器人，就是一种具有高度自主规划、自行组织、自适应能力，适合于在复杂的非结构化环境中工作的机器人，它融合了计算机技术、信息技术、通信技术、微电子技术和机器人技术等。移动机器人具有移动功能，在代替人在危险、恶劣（如辐射、有毒等）环境下作业和在人所不及的（如宇宙空间、水下等）环境中作业，比一般机器人有更大的机动性、灵活性。

（6）按照机器人的移动方式分类

可分为轮式移动机器人、步行移动机器人（单腿式、双腿式和多腿式）、履带式移动机器人、爬行机器人、蠕动式机器人和游动式机器人等类型。

（7）按照机器人的功能和用途分类

可分为医疗机器人、军用机器人、海洋机器人、助残机器人、清洁机器人和管道检测机器人等。

（8）按照机器人的作业空间分类

可分为陆地室内移动机器人、陆地室外移动机器人、水下机器人、无人飞机和空间机器人等。