第一章1.3工业机器人技术及发展状况;1.4工业机器人的分类及应用

1、第一章 工业机器人基础1.3 工业机器人技术及发展状况； 1.4 工业机器人的分类及应用【内容提要】本课主要学习工业机器人技术发展状况、分类、应用和发展趋势。知识要点：? 了解机器人的发展状况? 掌握工业机器人的分类? 熟悉工业机器人的常见分类及其行业应用重点：? 掌握工业机器人的分类? 掌握工业机器人的应用难点：? 工业机器人的应用关键字：机器人应用、工业机器人、组成、工作原理【本课内容相关资料】1.3 工业机器人技术及发展状况1.3.1 机器人的由来1920年，捷克作家卡雷尔 . 查培克( Karel Capek)编写了一部幻想剧： 罗莎姆万能罗 博特公司(“ Rossum' s

2、Universal Robots”)。剧中描写一家公司发明并制造了一大批能听命于人， 能劳动而且形状象人的机器， 公司驱使这些人造劳动者进行各种日常劳动， 甚至取 代了世界各国工人的工作， 而进一步的研究竟能使这些机器富有感情， 于是导致了它们反抗 主人的暴乱。剧中的人造劳动者取名为捷克语Robota，意为“苦力” 、“劳役”，英语 Robot系由此衍生而来。该剧轰动一时，很快译传国外。此后，种种“人形机器”见之于各类科学 幻想作品。如图 2.1 所示。图 2.1机器人形象的产生充分说明了人类对于先进生产工具的创造性想象和勇敢追求。 人们期 待着诞生一种通用、 柔软、灵活的自动机械， 它与单能

3、的传统机器不同，它能模仿人的器官 的功能， 从事那些只有人才能很好完成的工作。 于是， 人们这种美好的愿望给科学技术的研 究提出了一个深入的课题用工程的方法实现人体所特有的动作机能， 以及完成这些动作 所必要的智能。遥控操作器 ( Teleoperator )和数控机床的出现为机器人的产生准备了技术条件。 二次 世界大战期间， 在放射性材料的生产和处理过程中应用了一种简单的遥控操纵器。 操纵人员 在一层很厚的混凝土防护墙外通过观察，用手操纵两个操纵杆(主动部分) ，操纵杆与墙内 的一对机械抓手 (从动部分) 通过六个自由度的传动机构相连， 于是机械抓手就能复现人手 的动作位置和姿态，代替了操作

4、人员的直接操作。 1947 年，人们对这种遥控操纵器进行改 进，采用电动伺服方式，使从动部分能相对于主动部分作跟随运动。1949年，由于生产先进飞机的需要，美国麻省理工学院辐射实验室(MIT RadiationLaboratory )开始研制数控铣床， 把复杂伺服系统的技术与最新发展的数字计算机技术结合 起来， 1953 年研制成功。切削模型以数字形式通过穿孔纸带输入机器，然后控制铣床的伺 服轴按照模型的轨迹作切削动作。1.3.2 全球机器人的发展状况1954 年，美国的戴沃尔 George C. Devol 设计并制作了世界上第一台机器人实验装置， 发表了适用于重复作业的通用性工业机器人一文

5、，并获得了专利。Devol 巧妙地把遥控操作器的关节型连杆机构与数控机床的伺服轴连接在一起， 预定的机械手动作一经编程输入 后，机械手就可以离开人的辅助而独立运行。 该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关 节, 利用人手对机器人进行动作示教 , 机器人能实现动作的记录和再现。 这就是所谓的示教 再现机器人 , 现有的机器人差不多都采用这种控制方式。1958 年, 被誉为“工业机器人之父”的 Joseph F.Engel Berger 创建了世界上第一个机器人公司 Unimation(Universal Automation) 公司 , 并参与设计了第一台 Unimate 机器人 , 1960

6、 年，根据 Devol 的专利研 制出第一台机器人样机，定型生产了Unimate (意为“万能自动”)机器人，如图2.2 和图2.3 所示。 Unimate 机器人可实现回转、 伸缩、俯仰等动作， 是一台用于压铸作业的五轴液 压驱动机器人 , 手臂的控制由一台专用计算机完成。 它采用分离式固体数控元件 , 并装有存 储信息的磁鼓 , 能够记忆完成 180 个工作步骤。图 2.2 第一台工业机器人图 2.3 Unimate 机器人 图 2.4 Versatran 机器人与此同时 , 另一家美国公司“机床与铸造公司” （ AMF）也开始研制工业机器人 , 即 设计制造了另一种可编程的机器人 Ver

7、satran （意为“多才多艺”） （Versatile Transfer） 人, 如图 2.4 所示。 它主要用于机器之间的物料运输 , 采用液压驱动。 该机器人的手臂可 以绕底座回转 , 沿垂直方向升降 , 也可以沿半径方向伸缩。一般认为 , Unimate 和 Versatran 是世界上最早的工业机器人，如图 2.3 所示。这两种工 业机器人的控制方式与数控大致相似 , 但外形特征迥异 , 主要由类似人的手和臂组成。 这两 种型号的机器人以“示教再现” 的方式在汽车生产线上成功地代替工人进行传送、 焊接、喷 漆等作业， 它们在工作中表现出来的经济效益、可靠性、 灵活性， 使其它发达工业

8、国家为之 倾倒。 于是 Unimate 和 Versatran 作为商品开始在世界市场上销售， 日本、 西欧也纷纷从美 国引进机器人技术。 1959 年，美国的英格伯格和德沃尔设计制造出世界上第一台工业机器 人。自此，机器人的历史才真正开始。1960 年，美国 Unimation 公司制成了世界上第一台往复式工业机器人。在机器人崭露头角于工业生产的同时，研究领域不断地把机器人技术引向深入发展。 1961 年，美国麻省理工学院 Lincoln 实验室把一个配有接触传感器的遥控操纵器的从动部 分与一台计算机连结在一起， 这样形成的机器人可以凭触觉决定物体的状态。随后， 用电视摄像头作为输入机理的计

9、算机图像处理、物体辩识的研究工作也陆续取得成果。 1968 年， 美国斯坦福人工智能实验室（ SAIL ）的 J.McCarthy 等人研究了新颖的课题：研制带有手、 眼、耳的计算机系统。于是，智能机器人的研究形象逐渐丰满起来。日本的机器人技术人员首先引进了美国机器人技术， 经过技术消化并在日本迅速将其实 用化。 1967 年，日本东京机械贸易公司首次从美国引进Versatran 机器人； 1968，日本川崎重工业公司从美国引进 Unimate 机器人， 并对它进行改进， 增加了视觉功能， 使其成为一种 具有智能的机器人。 1968 年，美国斯坦福研究所公布他们研发成功的机器人Shakey，是

10、世界上第一台智能机器人。 1969 年，日本早稻田大学加藤一郎实验室研发出世界上第一台以 双脚走路的机器人。为了推广应用这一新技术， 日本政府在技术政策和经济上都采用了措施加以扶植， 因此， 日本的工业机器人迅速走出了从试验应用到成熟产品大量应用的阶段， 工业机器人得以大量 生产和应用。 1973 年，世界上最大的机器人贸易展览会世界机器人博览会（IREX），第一次是在日本东京举行，之后每二年举行一次。 70 年代是日本机器人的迅速发展时期，日 本在机器人的产品开发和应用两个方面超过美国，成为当今世界第一的“机器人王国”。70 年代以来，机器人产业蓬勃兴起，机器人技术发展为专门的学科。机器人进

11、入工业 生产的实用化时代。1970 年，第一次国际工业机器人会议在美国举行。工业机器人各种卓有成效的实用范 例促成了机器人应用领域的进一步扩展， 同时， 又由于不同应用场合的特点， 导致了各种坐 标系统、 各种结构的机器人相继出现。 而随后的大规模集成电路技术的飞跃发展及微型计算机的普遍应用， 则使机器人的控制性能大幅度地得到提高，成本不断降低。是，导致了数80 年代以来真正进入了实用推动了机器人产业的发展。机高性能的机器人所占比例将不断同年日本山梨大学的牧野洋研制了百种类的不同结构、不同控制方法、不同用途的机器人终于在 化的普及阶段， 汽车、电子等行业开始大量使用工业机器人， 器人的研究开发

12、， 无论就水平和规模而言都得到迅速发展， 增加1979 年 Unimation 公司推出 PUMA系列工业机器人，具有平面关节的 SCARA型机器人。 1985 年前后， FANUC和 GMF公司又先后推出交流伺服驱动的工业机器人产品。 这一时期， 各种装配机器人的产量增长较快， 和机器人配套使用的装置 和视觉技术正在迅速发展。机器人主要基于大规模生产考虑主要有以下两个原因：1、劳动强度 2、尽量使用机器人完成简单、重复的作业以降低成本。近十几年来，欧洲的德国、意大利、法国及英国的机 器人产业发展比较快。目前，世界上机器人无论是从技术水平上，还是从已装备的数量上， 优势集中在以日美为代表的少数

13、几个发达的工业化国家。 在国外，工业机器人技术日趋成熟， 已经成为一种标准设备被工业界广泛应用， 相继形成了一批具有影响力的、 著名的工业机器人公司，包括国际四大巨头：瑞典的ABB Robotics ，日本的发那科 FANUC、Yaskawa 和安川yaskawa ，德国的库卡 KUKAR obotics 。此外，还有美国的 Adept Technology 、American Robot 、 加拿大的 Jcd International Robotics ，以色列的 Robogroup Tek 公司，都已成为其所在 地区的支柱性产业。 2001 年，美国麻省理工学院研发出了世界上第一个有模拟

14、感情的机器 人。 2008年，世界上第一例机器人切除脑瘤手术成功。施行手术的是卡尔加里大学医学院 研制的“神经臂”。现在世界上机器人总数最多的国家是日本， 占世界总数的一半以上。 其次是西欧， 约占 20，美国约占 10。在制造业中，包括汽车的焊接、机器加工、电子产品装配，日本每1万个雇员员中就拥有 325 台机器人，也就是 30 个工人就拥有 1 台机器人。除日本外每万 名雇员拥有的机器人数的国家，依次为新加坡109台、意大利 79 台、瑞典 73台。国际四大巨头中， ABB集团（阿西布朗勃法瑞）于 1988 年由瑞典 ASEA公司和瑞士 BBCBrownBoveri 公司合并而成，是一个业

15、务遍及全球的电气工程集团， ABB 是电力和自动 化技术领域的全球领先公司， 致力于为工业和电力行业客户提供解决方案， 以帮助客户提高 业绩，同时降低对环境的不良影响。 ABB 致力于研发、生产机器人已有 30 多年的历史并 且拥有全球 160000 多套机器人的安装经验。作为工业机器人的先行者以及世界领先的机 器人制造厂商， 在瑞典、 挪威和中国等地设有机器人研发、 制造和销售基地。 ABB 于 1974 年发明了世界上第一台工业机器人， 并拥有当今最多种类、 最全面的机器人产品、 技术和服 务，及最大的机器人装机量。 ABB 的领先不光体现在其所占有的市场份额和规模，还包括 其在行业中敏锐

16、的前瞻眼光。在中国， ABB 先进的机器人自动化解决方案和包括白车身，冲压自动化，动力总成和 涂装自动化在内的四大系统正为各大汽车整车厂和零部件供应商以及消费品、铸造、 塑料和金属加工工业提供全面完善的服务。 ABB 在中国主要生产大型工业机器人，弧焊、涂装等 小型机器人和机器人控制器， 产品出口全世界。 随着中国工业行业的迅猛发展， 对工业机器 人的需求也日益增加， ABB 将不断开发出适合本地和亚太市场需求的新的机器人解决方案， 以此来满足广大客户的特殊需求，帮助其提高生产效率。1.3.3 我国工业机器人的发展状况我国工业机器人起步于 20 世纪 70 年代初期 , 经过 30 多年的发展

17、 , 大致经历了 3 个 阶段: 70 年代的萌芽期 , 80 年代的开发期和 90 年代的适用化期。20 世纪 70 年代是世界科技发展的一个里程碑 : 人类登上了月球 , 实现了金星、 火星 的软着陆。我国也发射了人造卫星。世界范围内工业机器人的应用掀起了一个高潮 , 尤其在 日本发展更为迅猛 , 它补充了日益短缺的劳动力。 在这种背景下 , 我国于 1972 年开始研制 自己的工业机器人。从 20 世纪 90 年代初期起 , 我国的国民经济进入实现两个根本转变时期, 掀起了新一轮的经济体制改革和技术进步热潮。我国的工业机器人又在实践中迈进了一大步 , 先后研制出了点焊、弧焊、装配、喷漆、

18、切割、搬运、包装、码垛等各种用途的工 业机器人 , 并实施了一批机器人应用工程 , 形成了一批机器人产业化基地 , 为我国机器人 产业的腾飞奠定了基础。国内在工业机器人研发方面，沈阳新松机器人自动化股份有限公司在自动导引车(Automated guided vehicle，AGV) 等方面取得重要市场突破 ,哈尔滨博实自动化股份有限公司重点在石化等行业的自动包装与码垛机器人方面进行产品开发与产业化推广应用， 广 州数控设备有限公司研发了自主知识产权的工业机器人产品，用于机床上下料等 , 昆山华恒 焊接股份有限公司开展了焊接机器人研发与应用， 上海沃迪科技公司联合上海交通大学研制 成功了码垛机器

19、人并进行市场化推广， 天津大学在并联机器人上取得了重要进展， 相关技术 获得美国专利。奇瑞装备有限公司与哈尔滨工业大学合作研制的 165kg 点焊机器人，已在 自动化生产线线开始应用， 分别用于焊接、 搬运等场合， 自主研制出我国第一条国产机器人 自动化焊接生产线，可实现 S11 车型左右侧围的生产，如图 6 所示。另外，安徽埃夫特、 南京埃斯顿、安徽巨一自动化、常州铭赛、青岛科捷自动化、苏州博实、北京博创等在工业 机器人整机、系统集成应用或是核心部件方面也进行了研发和市场化产业推广。 2000 年， 我国独立研制的第一台具有人类外形、 能模拟人类基本动作的类人型机器人在长沙国防科技 大学问世

20、。我国工业机器人的发展经历了一系列国家攻关， 计划支持的应用工程开发， 奠定了我国 独立自主发展机器人产业的基础。 但是， 我国工业机器人在总体技术上与国外先进水平相比 还有很大差距，仅相当于国外 90 年代中期的水平。目前工业机器人的生产规模仍然不大， 多数是单件小批生产， 关键配套的单元部件和器件始终处于进口状态， 工业机器人的性价比 较低。 伴随我国经济的高速增长， 以汽车等行业需求为牵引， 我国对工业机器人需求量急剧 增加， 国际工业机器人知名企业如 ABB 、FANAC 等纷纷在中国建厂， 国外知名品牌工业机 器人价格逐年下降， 制约了我国工业机器人产业的形成和实现规模化的发展， 我

21、国工业机器 人新装机量近 90% 仍依赖进口。从制造业的发展历程看，我国正处于高速工业化进程中，生产手段必然要经历机械化、 自动化、 智能化、 信息化的变革， 工业制成品也将经历数量、 质量、柔性低成本的发展阶段， 目前制造业普遍需要技术和设备升级改造，以增强竞争力，提高经济效益。 目前我国 机器人研究的主要内容如下：1. 示教再现型工业机器人产业化技术研究。这些研究主要包括 : 关节式、侧喷式、顶 喷式、龙门式喷涂机器人产品的标准化、通用化、模块化、系列化设计；柔性仿形喷涂机器 人开发；焊接机器人产品的标准化、通用化、 模块化、系列化设计；弧焊机器人用激光视 觉焊缝跟踪装置的开发； 焊接机器

22、人的离线示教编程及工作站系统动态仿真； 电子行业用装 配机器人产品标准化、通用化、模块化、系列化设计； 批量生产机器人所需的专用制造、 装配、测试设备和工具的研究开发。2. 智能机器人开发研究。 这些研究主要包括： 遥控加局部自主系统构成和控制策略研 究；智能移动机器人的导航和定位技术研究； 面向遥控机器人的虚拟现实系统； 人机交互环 境建模系统； 基于计算机屏幕的多机器人遥控技术。3. 机器人化机械研究开发。这些研究开发主要包括： 并联机构机床 (VMT) 与机器人化 加工中心 (RMC) 开发研究； 机器人化无人值守和具有自适应能力的多机遥控操作的大型散 料输送设备。4. 以机器人为基础的

23、重组装配系统。这些系统主要包括：开放式模块化装配机器人； 面向机器人装配的设计技术； 机器人柔性装配系统设计技术； 重构机器人柔性装配系统设计 技术；装配力觉、 视觉技术；智能装配策略及其控制技术。5. 多信息融合与配置技术。该技术主要包括：机器人的传感器配置和融合技术在水泥 生产和污水处理系统中的应用； 智能传感器的设计应用。1.3.4 工业机器人发展现状 国际工业机器人技术日趋成熟，基本沿着两个路径在发展： 一是模仿人的手臂，实现 多维运动，典型应用为点焊、弧焊机器人；二是模仿人的下肢运动，实现物料输送、传递等 搬运功能，如搬运机器人 。国产与进口的机器人尚存一定差距，现状： 第一，低端技

24、术水 平有待改善。 第二，产业链条亟待充实与规范。1.4 工业机器人的分类及应用机器人的分类如图 2.5 所示。1. 按机器人的控制方式分可把机器人分为非伺服机器人和伺服控制机器人两种。( 1)非伺服机器人( non-servo robots )。非伺服机器人工作能力比较有限， 它们往往涉及那些叫做 “终点” 、“抓放” 或“开关” 式机器人，尤其是“有限顺序”机器人。这种机器人按照预先编制好的程序顺序进行工作， 使用终端限位开关、制动器、插销板和定序器来控制机器人机械手的运动；其工作原理如图？所示。图中， 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 一种定序开关或步进

25、装置， 它能够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、 腕部和抓手等装置运动。 当它们运动到由终端限位开关所规 定的位置时，限位开关切换工作状态，给定序器送去一个“工作任务业已完成”的信号，并 使终端制动器动作，切断驱动能源，使机械手停止运动。机器人控制方式时期或等级驱动方式几何结构伺服 非伺服一代：示教 二代：感知 三代：智能机械/ 电动/液动/ 气动/ 新型直角坐标 / 圆 柱坐标 / 球坐 标 / 关节型图 2.5 机器人的分类（ 2 ）伺服控制机器人（ servo-controlled robots）。伺服控制机器人比非伺服控制机器人有更强的

26、工作能力， 因而价格较贵， 而且在某些情 况下不如简单的机器人可靠。其工作原理如图？所示。 伺服系统的被控制量（即输出）可 为机器人端部执行装置（或工具）的位置、速度、加速度和力等。通过反馈传感器取得的反 馈信号与来自给定装置 （如给定电位器） 的综合信号， 用比较器加以比较后， 得到误差信号， 经过放大后用于激发机器人的驱动装置， 进而带动末端执行装置以一定规律运动， 达到规定 的位置或速度等。显然，这就是一个反馈控制系统。2 按发展时期（按技术等级划分 ）分类，第一代是示教再现型机器人；第二代是感知 机人器；第三代是智能机器人。（1）示教再现机器人 第一代工业机器人能够按照人类预先示教的轨

27、迹、 行为、 顺序和 速度重复作业，示教可由操作员手把手进行或通过示教器完成 。（ 2）感知机器人 第二代工业机器人程具有环境感知装置， 能在一定度上适应环境的变 化，目前已经进入应用阶段。 有感觉的机器人。（ 3）智能机器人 第三代工业机器人具有发现问题， 并且能自主地解决问题的能力， 尚 处于实验研究阶段。3. 按机器人的驱动方式分类：电力驱动、液压驱动、气压驱动、新型驱动球坐标机器人、关节型机器人4. 按几何结构分类： 直角坐标机器人、圆柱坐标机器人、分别如图 2.6 、图 2.7 、图 2.8 、图 2.9 所示。图 2.6 直角坐标机器人图 2.7 圆柱坐标机器人图 2.8 球坐标机

28、器人图 2.9 关节型机器人（ 1）直角坐标机器人 具有空间上相互垂直的多个直线移动轴， 通过直角坐标方向的 3 个独立自由度确定其手部的空间位置，其动作空间为一长方体。（ 2）柱面坐标机器人 主要由旋转基座、 垂直移动和水平移动轴构成， 具有一个回转和 两个平移自由度，其动作空间呈圆柱形。（ 3）球面坐标机器人 空间位置分别由旋转、摆动和平移 3 个自由度确定，动作空间 形成球面的一部分。（ 4）柱面坐标机器人 主要由旋转基座、 垂直移动和水平移动轴构成， 具有一个回转和 两个平移自由度， 其动作空间呈圆柱形。 地面的腰部旋转轴、 带动小臂旋转的肘部旋转轴度， 其动作空间呈圆柱形。5. 机器

29、人按用途分为工业、农业、军事、服务机器人。 （1）工业机器人广义的工业机器人，也可以叫产业机器人，应用在工农业生产中，主要应用在制造业 部门，进行焊接、喷漆、装配、搬运、检验、农产品加工等作业。工业机器人主要应用在汽车制造、机械制造、 电子器件、 集成电路、塑料加工等较大规 模生产企业。按作业任务将工业机器人又可以分为搬运、码垛、焊接、涂装、装配机器人。 常见的工业机器人如图 2.10 所示。图 2.10 常见的工业机器人 机器人搬运被广泛应用于机床上下料、 冲压机自动化生产线、 自动装配流水线、 码垛搬 运、集装箱等的自动搬运。 机器人码垛被广泛应用于化工、饮料、食品、啤酒、塑料等生 产企业

30、，对纸箱、袋装、罐装、啤酒箱、瓶装等各种形状的包装成品都适用。 机器人焊接 最早应用在装配生产线上。 开拓了一种柔性自动化生产方式， 实现了在一条焊接机器人生产 线上同时自动生产若干种焊件 。 机器人涂装被广泛应用汽车、汽车零配件、铁路、家电、 建材、机械等行业 机器人装配被广泛应用于各种电器的制造行业及流水线产品的组装作业， 具有高效，精确，不间断工作的特点。（2）农业机器人常见的农业机器人如图 2.11 所示。六足伐木机器人 采摘草莓的机器人 喷洒农药的机器人图 2.11 农业机器人六足伐木机器人除了具有传统伐木机械的功能之外， 它最大的特点就在于其巨型的昆虫 造型了， 因此它能够更好的适

31、应复杂的路况， 而不至于像轮胎或履带驱动的产品那样行动不 便 。采摘草莓的机器人。这款机器人内置有能够感应色彩的摄像头，可以轻而易举地分辨 出草莓和绿叶， 利用事先设定的色彩值， 再配合独特的机械结构， 它就可以判断出草莓的成 熟度，并将符合要求的草莓采摘下来。3）军用机器人地面机器人 空中机器人水下机器人 空间（太空）机器人图 2.12 军事机器人军事机器人，用于军事目的，或进攻性的，或防御性的。军用机器人按应用的环境不 同有分为地面军用机器人、 空中军用机器人、 水下军用机器人和空间军用机器人几类。 所谓 地面军用机器人是指在地面上使用的机器人系统， 它们不仅在和平时期可以帮助民警排除炸

32、弹、完成要地保安任务， 在战时还可以代替士兵执行扫雷、侦察和攻击等各种任务。空中机 器人一般是指无人驾驶飞机， 是一种以无线电遥控或由自身程序控制为主的不载人飞机， 机 上无驾驶舱， 但安装有自动驾驶仪、 程序控制装置等设备， 广泛用于空中侦察、 监视、 通信、 反潜、电子干扰等。 无人遥控潜水器， 也称水下机器人。 一种工作于水下的极限作业机器人， 能潜入水中代替人完成某些操作 , 又称潜水器。开发和利用太空的前景无限美好，可是恶劣 的空间环境给人类在太空的生存活动带来了巨大的威胁。 要使人类在太空停留， 需要有庞大 而复杂的环境控制系统， 生命保障系统， 物质补给系统， 救生系统等， 这些系统的耗资十分 巨大。在未来的空间活动中，将有大量的空间加工， 空间生