1.1.2 机器人的分类
机器人的分类方式很多，并已有众多类型机器人。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。
按照日本工业机器人学会（JIRA）的标准，可将机器人进行如下分类。
第一类：人工操作机器人。此类机器人由操作员操作具有多自由度。
第二类：固定顺序机器人。此类机器人可以按预定的方法有步骤地依此执行任务，其执行顺序难以修改。
第三类：可变顺序机器人。同第二类，但其顺序易于修改。
第四类：示教再现（playback）机器人。操作员引导机器人手动执行任务，记录下这些动作并由机器人以后再现执行，即机器人按照记录下的信息重复执行同样的动作。
第五类：数控机器人。操作员为机器人提供运动程序，并不是手动示教执行任务。
第六类：智能机器人。机器人具有感知外部环境的能力，即使其工作环境发生变化，也能够成功地完成任务。
美国机器人学会（RIA）只将以上第三类至第六类视作机器人。
法国机器人学会（AFR）将机器人进行如下分类。
类型A：手动控制远程机器人的操作装置。
类型B：具有预定周期的自动操作装置。
类型C：具有连续性轨迹或点轨迹的可编程伺服控制机器人。
类型D：同类型C，但能够获取环境信息。
（1）按照机器人的发展阶段分类
①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，再现出这种动作。比方说汽车的点焊机器人，它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。
②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，这个操作力的大小，这个工件存在不存在，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在某种功能的感觉，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。
③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适应控制型机器人 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。
（3）按照应用环境角度分类
目前，国际上的机器人学者，从应用环境出发将机器人分为三类：制造环境下的工业机器人、非制造环境下的服务与仿人型机器人以及网络机器人。
网络机器人有两类机器人：一类是把标准通信协议和标准人-机接口作为基本设施，再将它们与有实际观测操作技术的机器人融合在一起，即可实现无论何时何地，无论是谁都能使用的远程环境观测操作系统，这就是网络机器人。这种网络机器人是基于Web服务器的网络机器人技术，以Internet为构架，将机器人与Internet连接起来，采用客户端/服务器（C/S）模式，允许用户在远程终端上访问服务器，把高层控制命令通过服务器传送给机器人控制器，同时机器人的图像采集设备把机器人运动的实时图像再通过网络服务器反馈给远端用户，从而达到间接控制机器人的目的，实现对机器人的远程监视和控制。
如图1-16所示，另一类网络机器人是一种特殊的机器人，其“特殊”在于网络机器人没有固定的“身体”，网络机器人本质是网络自动程序，它存在于网络程序中，目前主要用来自动查找和检索互联网上的网站和网页内容。
图1-16 网络机器人
（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1-17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。
图1-17 直角坐标型机器人
②圆柱坐标型机器人 如图1-18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=（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。
图1-18 圆柱坐标型机器人
③球（极）坐标型机器人 如图1-19所示，球（极）坐标型机器人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，任意点可表示为p=（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。
图1-19 球（极）坐标型机器人
④平面双关节型机器人 平面双关节型机器人（selective compliance assembly robot arm，SCARA）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，另一个关节是移动关节，用于完成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=（ϕ1，ϕ2，z），如图1-20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。
图1-20 SCARA机器人
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1-21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。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。
图1-21 关节型机器人
对于不同坐标形式的机器人，其特点、工作范围及其性能也不同，如表1-1所示。
表1-1 不同坐标型机器人的性能比较
（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。
（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。
（9）按机器人的驱动方式分类
①气动式机器人 气动式机器人以压缩空气来驱动其执行机构。这种驱动方式的优点是空气来源方便，动作迅速，结构简单，造价低；缺点是空气具有可压缩性，致使工作速度的稳定性较差。因气源压力一般只有60MPa左右，故此类机器人适宜抓举力要求较小的场合。
②液动式机器人 相对于气力驱动，液力驱动的机器人具有大得多的抓举能力，可高达上百千克。液力驱动式机器人结构紧凑，传动平稳且动作灵敏，但对密封的要求较高，且不宜在高温或低温的场合工作，要求的制造精度较高，成本较高。
③电动式机器人 目前越来越多的机器人采用电力驱动式，这不仅是因为电动机可供选择的品种众多，更因为可以运用多种灵活的控制方法。
电力驱动是利用各种电动机产生的力或力矩，直接或经过减速机构驱动机器人，以获得所需的位置、速度、加速度。电力驱动具有无污染，易于控制，运动精度高，成本低，驱动效率高等优点，其应用最为广泛。
电力驱动又可分为步进电动机驱动、直流伺服电动机驱动、无刷伺服电动机驱动等。
④新型驱动方式机器人 伴随着机器人技术的发展，出现了利用新的工作原理制造的新型驱动器，如静电驱动器、压电驱动器、形状记忆合金驱动器、人工肌肉及光驱动器等。
（10）按机器人的控制方式分类
按照机器人的控制方式可分为如下几类。
①非伺服机器人 非伺服机器人按照预先编好的程序顺序进行工作，使用限位开关、制动器、插销板和定序器来控制机器人的运动。插销板用来预先规定机器人的工作顺序，而且往往是可调的。定序器是一种按照预定的正确顺序接通驱动装置的能源。驱动装置接通能源后，就带动机器人的手臂、腕部和手部等装置运动。
当它们移动到由限位开关所规定的位置时，限位开关切换工作状态，给定序器送去一个工作任务已经完成的信号，并使终端制动器动作，切断驱动能源，使机器人停止运动。非伺服机器人工作能力比较有限。
②伺服控制机器人 伺服控制机器人通过传感器取得的反馈信号与来自给定装置的综合信号比较后，得到误差信号，经过放大后，用以激发机器人的驱动装置，进而带动手部执行装置以一定规律运动，到达规定的位置或速度等，这是一个反馈控制系统。伺服系统的被控量可为机器人手部执行装置的位置、速度、加速度和力等。伺服控制机器人比非伺服机器人有更强的工作能力。
伺服控制机器人按照控制的空间位置不同，又可以分为点位伺服控制和连续轨迹伺服控制。
a.点位伺服控制。点位伺服控制机器人的受控运动方式为从一个点位目标移向另一个点位目标，只在目标点上完成操作。机器人可以以最快和最直接的路径从一个端点移到另一端点。
按点位方式进行控制的机器人，其运动为空间点到点之间的直线运动，在作业过程中，只控制几个特定工作点的位置，不对点与点之间的运动过程进行控制。在点位伺服控制的机器人中，所能控制点数的多少取决于控制系统的复杂程度。
通常，点位伺服控制机器人适用于只需要确定终端位置而对编程点之间的路径和速度不做主要考虑的场合。点位控制主要用于点焊、搬运机器人。
b.连续轨迹伺服控制。连续轨迹伺服控制机器人能够平滑地跟随某个规定的路径，其轨迹往往是某条不在预编程端点停留的曲线路径。
按连续轨迹方式进行控制的机器人，其运动轨迹可以是空间的任意连续曲线。机器人在空间的整个运动过程都处于控制之下，能同时控制两个以上的运动轴，使得手部位置可沿任意形状的空间曲线运动，而手部的姿态也可以通过腕关节的运动得以控制，这对于焊接和喷涂作业是十分有利的。
连续轨迹伺服控制机器人具有良好的控制和运行特性，由于数据是依时间采样的，而不是依预先规定的空间采样，因此机器人的运行速度较快、功率较小、负载能力也较小。连续轨迹伺服控制机器人主要用于弧焊、喷涂、打飞边毛刺和检测机器人。
（11）按机器人关节连接布置形式分类
按机器人关节连接布置形式，机器人可分为串联机器人和并联机器人（见图1-22）两类。从运动形式来看，并联机构可分为平面机构和空间机构；细分可分为平面移动机构、平面移动转动机构、空间纯移动机构、空间纯转动机构和空间混合运动机构。
图1-22 并联机器人