現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的焊接機(jī)器人都屬于第一代工業(yè)機(jī)器人，它的基本工作原理是示教再現(xiàn)。示教也稱導(dǎo)引，即由用戶導(dǎo)引機(jī)器人，一步步按實(shí)際任務(wù)操作一遍，機(jī)器人在導(dǎo)引過程中自動(dòng)記憶示教的每個(gè)動(dòng)作的位置、姿態(tài)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)＼工藝參數(shù)等，并自動(dòng)生成一個(gè)連續(xù)執(zhí)行全部操作的程序。完成示教后，只需給機(jī)器人一個(gè)啟動(dòng)命令，機(jī)器人將精確地按示教動(dòng)作，一步步完成全部操作。這就是示教與再現(xiàn)。

實(shí)現(xiàn)上述功能的主要工作原理，簡述如下：

1. 機(jī)器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 一臺(tái)通用的工業(yè)機(jī)器人，按其功能劃分，一般由 3 個(gè)相互關(guān)連的部分組成：機(jī)械手總成、控制器、示教系統(tǒng)，如圖 1 所示。

圖 1 工業(yè)機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)

機(jī)械手總成是機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它由驅(qū)動(dòng)器、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、機(jī)器人臂、關(guān)節(jié)、末端操作器、以及內(nèi)部傳感器等組成。它的任務(wù)是精確地保證末端操作器所要求的位置，姿態(tài)和實(shí)現(xiàn)其運(yùn)動(dòng)。

控制器是機(jī)器人的神經(jīng)中樞。它由計(jì)算機(jī)硬件、軟件和一些專用電路構(gòu)成，其軟件包括控制器系統(tǒng)軟件、機(jī)器人專用語言、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)軟件、機(jī)器人控制軟件、機(jī)器人自診斷、白保護(hù)功能軟件等，它處理機(jī)器人工作過程中的全部信息和控制其全部動(dòng)作。

示教系統(tǒng)是機(jī)器人與人的交互接口，在示教過程中它將控制機(jī)器人的全部動(dòng)作，并將其全部信息送入控制器的存儲(chǔ)器中，它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)專用的智能終端。

(2) 機(jī)器人手臂運(yùn)動(dòng)學(xué) 機(jī)器人的機(jī)械臂是由數(shù)個(gè)剛性桿體由旋轉(zhuǎn)或移動(dòng)的關(guān)節(jié)串連而成，是一個(gè)開環(huán)關(guān)節(jié)鏈，開鏈的一端固接在基座上，另一端是自由的，安裝著末端操作器 ( 如焊槍 ) ，在機(jī)器人操作時(shí)，機(jī)器人手臂前端的末端操作器必須與被加工工件處于相適應(yīng)的位置和姿態(tài)，而這些位置和姿態(tài)是由若干個(gè)臂關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)所合成的。因此，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制中，必須要知道機(jī)械臂各關(guān)節(jié)變量空間和末端操作器的位置和姿態(tài)之間的關(guān)系，這就是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。一臺(tái)機(jī)器人機(jī)械臂幾何結(jié)構(gòu)確定后，其運(yùn)動(dòng)學(xué)模型即可確定，這是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的基礎(chǔ)。

**機(jī)器人手臂運(yùn)動(dòng)學(xué)中有兩個(gè)基本問題。 **

1. 對給定機(jī)械臂，己知各關(guān)節(jié)角矢量 g(f)=[gl(t) ，g2(t) ，...... gn(i)] '，其中 n 為自由度。求末端操作器相對于參考坐標(biāo)系的位置和姿態(tài)，稱之為運(yùn)動(dòng)學(xué)正問題。在機(jī)器人示教過程中。機(jī)器人控制器即逐點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)正問題運(yùn)算。
2. 對給定機(jī)械臂，已知末端操作器在參考坐標(biāo)系中的期望位置和姿態(tài)，求各關(guān)節(jié)矢量，稱之為運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問題。在機(jī)器人再現(xiàn)過程中，機(jī)器人控制器即逐點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問題運(yùn)算，將角矢量分解到機(jī)械臂各關(guān)節(jié)。

運(yùn)動(dòng)學(xué)正問題的運(yùn)算都采用 D-H 法，這種方法采用 4X4 齊次變換矩陣來描述兩個(gè)相鄰剛體桿件的空間關(guān)系，把正問題簡化為尋求等價(jià)的 4X4 齊次變換矩陣。逆問題的運(yùn)算可用幾種方法求解，最常用的是矩陣代數(shù)、迭代或幾何方法 ob 在此不作具體介紹，可參考文獻(xiàn) [1]。對于高速、高精度機(jī)器人，還必須建立動(dòng)力學(xué)模型， 由于目前通用的工業(yè)機(jī)器人 ( 包括焊接機(jī)器人 ) 最大的運(yùn)動(dòng)速度都在 3m ／ s 內(nèi)，精度都不高于 O.1mm ，所以都只做簡單的動(dòng)力學(xué)控制，動(dòng)力學(xué)的計(jì)算方法可參考文獻(xiàn)正 [1 ～ 3] 。

(3) 機(jī)器人軌跡規(guī)劃 機(jī)器人機(jī)械手端部從起點(diǎn) ( 包括，位置和姿態(tài) ) 到終點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡空間曲線叫路徑，軌跡規(guī)劃的任務(wù)是用一種函數(shù)來“內(nèi)插”或“逼近”給定的路徑，并沿時(shí)間軸產(chǎn)生一系列“控制設(shè)定點(diǎn)”，用于控制機(jī)械手運(yùn)動(dòng)。

目前常用的軌跡規(guī)劃方法有關(guān)節(jié)變量空間關(guān)節(jié)插值法和笛卡爾空間規(guī)劃兩種方法。具體算法可參考文獻(xiàn) [1 ，4] 。

(4) 機(jī)器人機(jī)械手的控制 當(dāng)一臺(tái)機(jī)器人機(jī)械手的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)方程已給定。它的控制目的就是按預(yù)定性能要求保持機(jī)械手的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。但是由于機(jī)器人機(jī)械手的慣性力、耦合反應(yīng)力和重力負(fù)載都隨運(yùn)動(dòng)空間的變化而變化，因此要對它進(jìn)行高精度乙斗高速、高動(dòng)態(tài)晶質(zhì)的控制是相當(dāng)復(fù)雜而困難的，現(xiàn)在正在為此研究和發(fā)展許多新的控制方法。

目前工業(yè)機(jī)器人上采用的控制方法是把機(jī)械手上每一個(gè)關(guān)節(jié)都當(dāng)作一個(gè)單獨(dú)的伺服機(jī)構(gòu)，即把一個(gè)非線性的、關(guān)節(jié)間耦合的變負(fù)載系統(tǒng)，簡化為線性的非耦合單獨(dú)系統(tǒng)。每個(gè)關(guān)節(jié)都有兩個(gè)伺服環(huán)，機(jī)械手伺服控制系統(tǒng)見圖 2 外環(huán)提供位置誤差信號，內(nèi)環(huán)由模擬器件和補(bǔ)嘗器 ( 具有衰減速度的微分反饋 ) 組成，兩個(gè)伺服環(huán)的增益是固定不變的。因此基本上是一種比例積分微分控制方法 (PID 法 ) 。這種控制方法，只適用于目前速度、精度要求不高和負(fù)荷不大的機(jī)器人控制，對常規(guī)焊接機(jī)器人來說，已能滿足要求 。

圖 2 機(jī)械手伺服控制體系結(jié)構(gòu)

(5) 機(jī)器人編程語言 機(jī)器人編程語言是機(jī)器人和用戶的軟件接口，編程語言的功能決定了機(jī)器人的適應(yīng)性和給用戶的方便性，至今還沒有完全公認(rèn)的機(jī)器人編程語言，每個(gè)機(jī)器人制造廠都有自己的語言。

實(shí)際上，機(jī)器人編程與傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)編程不同，機(jī)器人操作的對象是各類三維物體，運(yùn)動(dòng)在一個(gè)復(fù)雜的空間環(huán)境，還要監(jiān)視和處理傳感器信息。因此其編程語言主要有兩類：面向機(jī)器人的編程語言和面向任務(wù)的編程語言。

面向機(jī)器人的編程語言的主要特點(diǎn)是描述機(jī)器人的動(dòng)作序列，每一條語句大約相當(dāng)于機(jī)器人的一個(gè)動(dòng)作，整個(gè)程序控制機(jī)器入完種：

1. 專用的機(jī)器人語言，如 PUMA 機(jī)器人的 VAL 語言，是專用的機(jī)器人控制語言，它的最新版本是 VAL-I 和 V+ ·······。
2. 在現(xiàn)有計(jì)算機(jī)語言的基礎(chǔ)上加機(jī)器人子程序庫。如美國機(jī)器人公司開發(fā)的 AR — Basic 和 Intelledex 公司的 Robot — Basic 語言，都是建立在 BASIC 語言上的。
3. 開發(fā)一種新的通用語言加上機(jī)器人子程序庫。如 IBM 公司開發(fā)的 AML 機(jī)器人語言。

面向任務(wù)的機(jī)器人編程語言允許用戶發(fā)出直接命令，以控制機(jī)器人去完成一個(gè)具體的任務(wù)，而不需要說明機(jī)器人需要采取的每一個(gè)動(dòng)作的細(xì)節(jié)。如美國的 RCCL 機(jī)器人編程語言，就是用 C 語言和一組 C 函數(shù)來控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的任務(wù)級機(jī)器人語言。

焊接機(jī)器人的編程語言，目前都屬于面向機(jī)器人的語言，面向任務(wù)的機(jī)器人語言尚屬開發(fā)階段。大都是針對裝配作業(yè)的需要。