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

實現(xiàn)上述功能的主要工作原理，簡述如下：

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

圖 1 工業(yè)機器人的基本結(jié)構(gòu)

機械手總成是機器人的執(zhí)行機構(gòu)，它由驅(qū)動器、傳動機構(gòu)、機器人臂、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)和實現(xiàn)其運動。

控制器是機器人的神經(jīng)中樞。它由計算機硬件、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、機器人專用語言、機器人運動學、動力學軟件、機器人控制軟件、機器人自診斷、白保護功能軟件等，它處理機器人工作過程中的全部信息和控制其全部動作。

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

(2) 機器人手臂運動學 機器人的機械臂是由數(shù)個剛性桿體由旋轉(zhuǎn)或移動的關(guān)節(jié)串連而成，是一個開環(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 ) ，在機器人操作時，機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)是由若干個臂關(guān)節(jié)的運動所合成的。因此，機器人運動控制中，必須要知道機械臂各關(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，這就是機器人運動學模型。一臺機器人機械臂幾何結(jié)構(gòu)確定后，其運動學模型即可確定，這是機器人運動控制的基礎(chǔ)。

**機器人手臂運動學中有兩個基本問題。 **

1. 對給定機械臂，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系的位置和姿態(tài)，稱之為運動學正問題。在機器人示教過程中。機器人控制器即逐點進行運動學正問題運算。
2. 對給定機械臂，已知末端操作器在參考坐標系中的期望位置和姿態(tài)，求各關(guān)節(jié)矢量，稱之為運動學逆問題。在機器人再現(xiàn)過程中，機器人控制器即逐點進行運動學逆問題運算，將角矢量分解到機械臂各關(guān)節(jié)。

運動學正問題的運算都采用 D-H 法，這種方法采用 4X4 齊次變換矩陣來描述兩個相鄰剛體桿件的空間關(guān)系，把正問題簡化為尋求等價的 4X4 齊次變換矩陣。逆問題的運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 [1]。對于高速、高精度機器人，還必須建立動力學模型， 由于目前通用的工業(yè)機器人 ( 包括焊接機器人 ) 最大的運動速度都在 3m ／ s 內(nèi)，精度都不高于 O.1mm ，所以都只做簡單的動力學控制，動力學的計算方法可參考文獻正 [1 ～ 3] 。

(3) 機器人軌跡規(guī)劃 機器人機械手端部從起點 ( 包括，位置和姿態(tài) ) 到終點的運動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，并沿時間軸產(chǎn)生一系列“控制設(shè)定點”，用于控制機械手運動。

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 [1 ，4] 。

(4) 機器人機械手的控制 當一臺機器人機械手的動態(tài)運動方程已給定。它的控制目的就是按預(yù)定性能要求保持機械手的動態(tài)響應(yīng)。但是由于機器人機械手的慣性力、耦合反應(yīng)力和重力負載都隨運動空間的變化而變化，因此要對它進行高精度乙斗高速、高動態(tài)晶質(zhì)的控制是相當復(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)機器人上采用的控制方法是把機械手上每一個關(guān)節(jié)都當作一個單獨的伺服機構(gòu)，即把一個非線性的、關(guān)節(jié)間耦合的變負載系統(tǒng)，簡化為線性的非耦合單獨系統(tǒng)。每個關(guān)節(jié)都有兩個伺服環(huán)，機械手伺服控制系統(tǒng)見圖 2 外環(huán)提供位置誤差信號，內(nèi)環(huán)由模擬器件和補嘗器 ( 具有衰減速度的微分反饋 ) 組成，兩個伺服環(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、精度要求不高和負荷不大的機器人控制，對常規(guī)焊接機器人來說，已能滿足要求 。

圖 2 機械手伺服控制體系結(jié)構(gòu)

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

實際上，機器人編程與傳統(tǒng)的計算機編程不同，機器人操作的對象是各類三維物體，運動在一個復(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：面向機器人的編程語言和面向任務(wù)的編程語言。

面向機器人的編程語言的主要特點是描述機器人的動作序列，每一條語句大約相當于機器人的一個動作，整個程序控制機器入完種：

1. 專用的機器人語言，如 PUMA 機器人的 VAL 語言，是專用的機器人控制語言，它的最新版本是 VAL-I 和 V+ ·······。
2. 在現(xiàn)有計算機語言的基礎(chǔ)上加機器人子程序庫。如美國機器人公司開發(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器人子程序庫。如 IBM 公司開發(fā)的 AML 機器人語言。

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

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