工業機器人的基本構成，可參見圖 3 和圖 4 。圖 3 為一臺電動機驅動的工業機器人，圖 4 為一臺液壓驅動的工業機器人。焊接機器人基本上都屬于這兩類工業機器人，弧焊機器人大多采用電動機驅動機器人，因為焊槍重量一般都在 10kg 以內。點焊機器人由于焊鉗重量都超過 35kg 。也有采用液壓驅動方式的，因為液壓驅動機器人抓重能力大，但大多數點焊機器人仍是采用大功率伺服電動機驅動，因它成本較低，系統緊湊。工業機器人是由機械手、控制器、驅動器和示教盒 4 個基本部分構成。對于電動機驅動機器人，控制器和驅動器一般裝在一個控制箱內，而液壓驅動機器人，液壓驅動源單獨成一個部件，現分別簡述如下：

(1) 機械手 機器人機械手又稱操作機，是機器人的操作部分，由它直接帶動末端操作器 ( 如焊槍飛點焊鉗 ) 實現各種運動和操作，它的結構形式多種多樣，完全根據任務需要而定，其追求的目標是高精度、高速度、高靈活性、大工作空間和模塊化。現在工業機器人機械手的主要結構形式有如下 3 種：

1. 機床式 這種機械手結構類似機床。其達到空間位置的 3 個運動 (x \\ y ＼ z) 是由直線運動構成，其末端操作器的姿態由旋轉運動構成，如圖 5 所示，這種形式的機械手優點是運動學模型簡單，控制精度容易提高；缺點是機構較龐大，占地面積大、工作空間小。簡易和專用焊接機器人常采用這種形式。

圖 3 電動機驅動工業機器人

圖 4 液壓機驅動工業機器人

2. 全關節式 這種機械手的結構類似人的腰部和手部，其位置和姿態全部由旋轉運動實現，圖 6 為正置式全關節機械手，圖 7 為偏置式全關節機械手。這是工業機器人機械手最普遍的結構形式。其特點是機構緊湊、靈活性好、占地面積小、工作空間大，缺點是精度高、控制難度大。偏置式與正置式的區別是手腕關節置于小臂的外側或小臂活動范圍，但其運動學模型要復雜一些。目前焊接機器人主要采用全關節式機械手。

圖 5 機床式機械手

3. 平面關節式 這種機械手的機構特點是上下運動由直線運動構成，其他運動均由旋轉運動構成。這種結構在垂直方向剛度大，水平方向又十分靈活，較適合以插裝為主的裝配作業，所以被裝配機器人廣泛采用，又稱為 SCARA 型機械手，如圖 8 所示。 機器人機械手的具體結構雖然多種多樣，但都是由常用的機構組合而成。現以美國 PUMA 機械手為例來簡述其內部機構，見圖 9 。它是由機座、大臂、小臂、手腕 4 部分構成，機座與大臂、大臂與小臂、小臂與手腕有 3 個旋轉關節，以保證達到工作空間的任意位置，手腕中又有 3 個旋轉關節：腕轉、腕曲、腕擺， 以實現末端操作器的任意空間姿態。手腕的端部為一法蘭， 以連接末端操作器。 每個關節都由一臺伺服電動機驅動， PUMA 機械手是采用齒輪減速、桿傳動，但不同廠家采用的機構不盡相同，減速機構常用的是 4 種方式：齒輪、諧波減速器、滾珠絲杠、蝸輪蝸桿。傳動方式有桿傳動、鏈條傳動、齒輪傳動等。其技術關鍵是要保證傳動雙向無間隙 (即正反傳動均無間隙 ) ，這是機器人精度的機械保證，當然還要求效率高，機構緊湊。

(2) 驅動器 由于焊接機器人大多采用伺服電動機驅動，這里只介紹這類驅動器。工業機器人目前采用的電動機驅動器可分為 4 類：

1. 步進電動機驅動器 它采用步進電動機，特別是細分步進電動機為驅動源，由于這類系統一般都是開環控制，因此大多用于焙席較低的經濟型工業機 9S 人。
2. 直流伺服電動機系統 它采用直流伺服電動機系統，由于它能實現位置、速度、加速度 3 個閉環控制。精度高、變速范圍大、動態性能好。因此，是目前工業機器人的主要驅動方式。
3. 交流電動機伺服系統驅動器 它采用交流伺服電動機系統，這種系統具有直流伺服系統的全部優點，而且取消了換相炭刷，不需要定期更換碳刷，大大延長了機器人的維修周期。因此，正在機器人中推廣采用。
4. 直接驅動電動機驅動器 這是最新發展的機器人驅動器，直接驅動電動機有大于 1 萬的調速比，在低速下仍能輸出穩定的功率和高的動態品質，在機械手上可直接驅動關節，取消了減速機構，簡化了機構又提高了效率，是機器人驅動的發展方向，美國的 Adapt 機器人是直接驅動機器人。 工業機器人的驅動器布置都采用一個關節一個驅動器。一個驅動器的基本組成為：電源、功率放大板、伺服控制板、電機、測角器、測速器和制動器。它的功能不僅能提供足夠的功率驅動機械手各關節，而且要實現快速而頻繁起停，精確地到位和運動。因此必須采用位置閉環、速度閉環、加速度閉環。為了保護電動機和電路，還要有電流閉環。為適應機器人的頻繁起停和高的動態品質要求，一般都采用低慣量電動機，因此，機器人的驅動器是一個要求很高的驅動系統。

為了實現上述 3 個運動閉環，在機械手驅動器中都裝有高精度測角、測速傳感器。測速傳感器一般都采用測速發電機，測角傳感器一般都采用精密電位計或光電碼盤，尤其是光電碼盤。圖 10 是它的原理圖。光電碼盤與電動機同軸安裝，在電動機旋轉時，帶有細分刻槽的碼盤同速旋轉，固定光源射向光電管的光束則時通時斷，因而輸出電脈沖。實際的碼盤是輸出兩路脈沖，由于在碼盤內布置了兩對光電管，它們之間有一定角度差，因此兩路脈沖也有固定的相位差，電動機正反轉時，其輸出脈沖的相位差不同，從而可判斷電動機的旋轉方向。機器個以上脈沖。

(3) 控制器 機器人控制器是機器人的核心部件，它實施機器人的全部信息處理和對機械手的運動控制。

圖 11 是控制器的工作原理圖。

工業機器人控制器大多采用二級計算機結構，虛線框內為第一級計算機，它的任務是規劃和管理。機器人在示教狀態時，接受示教系統送來的各示教點位置和姿態信息、運動參數和工藝參數，并通過計算把各點的示教 ( 關節 ) 坐標值轉換成直角坐標值，存入計算機內存。

圖 10 光電碼盤原理圖

圖 11 控制器工作原理圖

機器人在再現狀態時，從內存中逐點取出其位置和姿態坐標值，按一定的時間節拍 ( 又稱采樣周期 ) 對它進行圓弧或直線插補運算，算出各插補點的位置和姿態坐標值，這就是路徑規劃生成。然后逐點的把各插補點的位置和姿態坐標值轉換成關節坐標值，分送至各個關節。這就是第一級計算機的規劃全過程。 第二級計算機是執行計算機，它的任務是進行伺服電動機閉環控制。它接收了第一級計算機送來的各關節下一步預期達到的位置和姿態后，又做一次均勻細分，以求運動軌跡更為平滑。然后將各關節的下一細步期望值逐點送給驅動電動機，同時檢測光電碼盤信號，直到其準確到位。

以上均為實時過程，上述大量運算都必須在控制過程中完成。以 PUMA 機器人控制器為例第一級計算機的采樣周期為 28ms ，即每 28ms 向第二級計算機送一次各關節的下一步位置和姿態的關節坐標，第二級計算機又將各關節值等分 30 細步，每 0.875ms 向各關節送一次關節坐標值。

(4) 示教盒 示教盒是人對機器人示教的人機交互接口，目前人對機器人示教有 3 種方式：

1. 手把手示教 又稱全程示教，即由人握住機器人機械臂末端，帶動機器人按實際任務操作一遍。在此過程中，機器人控制器的計算機逐點記下各關節的位置和姿態值，而不作坐標轉換，再現時，再逐點取出，這種示教方式需要很大的計算機內存、而且由于機構的阻力，示教精度不可能很高。目前只用在噴漆、噴涂機器人上。
2. 示教盒示教 即由人通過示教盒操縱機器人進行示教，這是最常用的機器人示教方式，目前焊接機器人都采用這種方式。
3. 離線編程示教 即無需人操作機器人進行現場示教，而可根據圖樣，在計算機上進行編程，然后輸給機器人控制器。它具有不占機器人工時，便于優化和更為安全的優點，所以是今后發展的方向。

圖 12 為 ESAB 焊接機器人的示教盒，它通過電纜與控制箱連接，人可以手持示教盒在工件附近最直觀的位置進行示教。示教盒本身是一臺專用計算機，它不斷掃描盒上的功能和數字鍵、操縱桿，并把信息和命令送給控制器。各廠家的機器人示教盒都不相同，但其追求的目標都是為方便操作者。

圖 12 焊接機器人的示教盒

示教盒上的按鍵主要有 3 類：

1. 示教功能鍵 如示教／再現、存入刪除修改、檢查、回零、直線插補、圓弧插補等，為示教編程用。
2. 運動功能鍵 如刀向動、 y 向動、 z 向動、正／反向動、 1 ～ 6 關節轉動等，為操縱機器人示教用。
3. 參數設定鍵 如各軸速度設定、焊接參數設定、擺動參數設定等。