工业机器人技术69

工业机器人技术第一章工业机器人基本概念一、机器人的一般概念1.机器人的产生机器人凡是用来代替人的机器，都属于机器人的范畴。机器人不一定类人。

☞

概念辨析：机器、机床

只是工具，不能代替人。名词的由来☞

Robot=Robota（捷克语）=奴隶、苦力。

提出：1921，捷克作家KarelČapek（卡雷尔·恰佩克）

☞

Robotics=机器人学（学科名）。

提出：1942，美国科幻小说家IsaacAsimov（艾萨克·阿西莫夫）。机器人（研发）三原则要点：

不得伤害人类；执行人的命令；能够自我保护。

最早的产品

Unimate（美国，1959年）。☞

性质：工业机器人（用于工业生产环境的机器人）。2.机器人的发展

第一代：行为需人演示、教导（示教），但能记录并复制（再现）动作。☞示教（Teach.in）机器人。

第二代：有一定传感器，能进行简单分析、推理，适当调整行为。☞感知机器人。第三代：有大量传感器，能进行复杂分析、推理，自主决定行为。☞智能机器人。☺要点：

判别机器人的标准：是否能离开人独立工作。只要能代替人的机器，都属于机器人范畴。

洗碗机、扫地机、理疗机、无人飞机、火星探测车、无人潜水器都是机器人。最早研制的机器人是工业机器人。工业机器人以第一代为主；服务机器人属于第三代。3.机器人的分类

☞按应用场合，分工业机器人、服务机器人两类；见P6图1-2-1。

工业机器人（IndustrialRobots，简称IR）

：

用于工业环境的可编程、多用途自动化设备；

作业环境、要求为已知，产品以第一代机器人居多；用来代替人工操作，保障人身安全、减轻劳动强度、提高劳动生产率。☞主要产品：

加工类：焊接、切割、抛光、研磨等粗加工。

目的：保障人身安全与健康，不是、也不能用于精密加工（与CNC机床不同）！装配类：喷涂、油漆、电子元件插接（3C行业）等；目的：保障人身健康、代替重复劳动、提高生产效率。搬运类：物品输送、装卸等；目的：提高自动化程度、避免繁重作业。包装类：分拣、包装（食品、药品行业），码垛等；目的：保障安全卫生、提高自动化程度。服务机器人（ServiceRobots）：服务于人类非生产性活动的机器人总称；作业环境为未知，大多具备“行走”功能，产品技术要求高，以第二、三代机器人居多；市场广阔、潜力巨大，产品占机器人的95%以上。☞主要产品：个人/家庭机器人（Personal/DomesticRobots）：洗碗、扫地、麻将机等。军事机器人（MilitaryRobots）

:无人驾驶飞行器（无人机）、机器人武装战车、多功能后勤保障机器人、机器人战士等。医疗机器人（medicaltreatmentRobots）：诊断、手术或手术辅助、康复机器人等。场地机器人（FieldRobots）：用于科学研究和公共事业服务的、可进行大范围作业的机器人。如太空探测、水下作业、危险作业、消防救援、园林作业等。4.各国水平

美国：

机器人发源地，水平遥遥领先，产品以第三代机器人为主，占全球60%以上市场。

☞著名企业：个人/家用机器人：iRobot、Neato等。医疗机器人：IntuitiveSurgical（直觉外科）等。军事机器人：LockheedMartin（洛克希德马丁）、BostonDynamics（波士顿动力，已被Google并购）等

场地机器人：

Boeing（波音）、NASA（NationalAeronauticsandSpaceAdministration，美国宇航局）、Remotec等

。BigDog-LS3（军事）Curiosity火星车（场地）

Care-O-Bot4（家庭）

日本：

工业机器人及减速器、个人/家用机器人，产量第一（占50%）、护理（医疗）机器人水平领先。

☞著名企业：工业机器人&机器人减速器：FANUC（发那科）、YASKAWA（安川）、KAWASAKI（川崎）等。个人/家用&护理机器人：Panasonic（松下）、HONDA（本田）、RikenInstitute（理化学研究所）等。

欧盟：

☞著名企业：工业机器人：ABB（瑞典&瑞士）、KUKA（库卡，德）、REIS（徕斯，KUKA成员）。服务机器人：德国宇航中心、Karcher、FraunhoferInstituteforManufacturingEngineeringandAutomatic（弗劳恩霍夫制造技术自动化研究所）等。

中国：工业机器人：全球最大的市场。2014年：全球22.5万，中国5.7万、占25.3%；

2015年：全球24.8万，中国6.7万、占27%；

2016年：全球29.4万，中国8.7万、占30%；

2017年：全球38万，中国14.1万、占37%。军事、场地机器人：处于世界先进水平。☺练一练：

完成P15,练习一（1）~（11）二、工业机器人及发展1.基本认识

工业环境下应用、替代人工的辅助设备；非常小的行业，全世界产量只有38万台；产品只占机器人总量的5%；最早研发的机器人产品（1959年美国）；以焊接机器人产量最大、应用最广；主要用于高度自动化的大规模生产企业；汽车行业:约占40%

；3C行业：约占20%。☞不适合中小企业，特别多品种、小批量生产企业。

☞著名企业：

日本FANUC（发那科）：全世界最大的CNC生产厂家；1974年起从事工业机器人研发，1997年成立上海FANUC机器人有限公司；年产量目前居全球第一。

YASKAWA（安川）:

具有百年历史的全球著名伺服驱动、变频器生产厂家；1977年起从事工业机器人研发，1996年成立北京安川机器人有限公司；2003~2007年产量为全球第一，目前世界第二。

KAWASAKI（川崎）

140年历史的世界著名企业，日本仅次于三菱（世界第20

）的第二军火商（世界第48）。业务涵盖航空航天（卫星、直升飞机等）、军事（“加贺”号航空母舰、日本第一艘潜艇、飞燕等战斗机）、电力（日本第一台电力机车、新干线等）、摩托车（获多年世界摩托车赛冠军）、体育用品（羽毛拍世界第二）等领域。

1968年研发日本第一台工业机器人，产品以焊接机器人最为著名。

其他：NACHI（不二越）、DAIHEN（OTC集团成员，欧希地）：著名的焊接机器人生产厂家。

欧洲

ABB（AseaBrownBoveri

）

瑞典ASEA（阿西亚）+瑞士Brown.Boveri（布朗勃法瑞，BBC），全球著名自动化公司（排名第2）；

主营电力设备（世界首条100KV直流输电线路、世界最大容量的7200MW/800kV特高压直流输电线路四川——江苏

）、电气传动、低压电气；1969年起从事工业机器人研发（欧洲最早），产量目前居全球第三。著名产品：涂装机器人（全球第一台喷涂机器人）、码垛机器人（速度最快）。

KUKA（KellerundKnappichAugsburg，库卡）

主营城市照明、市政车辆；

1973年起从事工业机器人生产，德国最大的工业机器人生产商；2014收购德国REIS（徕斯）；2017被美的收购。☺练一练：

完成P15,练习一（12）~（15）第二章一、工业机器人组成与特点1.系统组成（P17、图2-1-1）☞后述内容中，工业机器人简称“机器人”☞机电设备=机械+电气

机械部分

本体（必需）

又称操作机，实现机器人动作的执行机构；

包括机械部件、驱动电机、传感器等；

由关节（Joint）和连杆（Link）连接而成；☞关节：可回转、摆动的间接连接机构（转动副）；连杆：连接关节的刚性构件。执行器（必需）用于作业的工具；安装在机器人末端关节上；可以根据需要更换。变位器（可选）

扩大机器人作业范围（增加自由度）的辅助机构；

包括机械部件、驱动电机、传感器等；

有回转、直线两类，通常为1~4轴。回转变位器直线变位器关节执行器连杆本体

电气部分控制器

功能与数控系统相同；

产生机器人运动轨迹控制脉冲；

控制轴数较多（通常6轴）。操作单元机器人的操作面板；又称示教器；结构简单、采用手持式结构。

驱动器将控制脉冲转换为电机转角；多采用交流伺服驱动系统。☞控制器、驱动器安装在控制柜内示教器控制柜2.基本特点拟人

结构形态类似人类；部件称腰、手臂（上、下臂）、手腕（手腕、爪）；传感器以视觉、听觉、触觉为主（智能机器人）。柔性

有完整、独立的控制系统；可通过编程来改变其动作和行为；可安装不同的执行器，实现不同的应用。通用

可通过程序改变动作；可通过执行器改变功能。3.工业机器人

PK

数控机床相同点

控制要求（轨迹控制）、控制系统结构相同；定义类似：可编程、可定位、多用途设备。区别

作用

CNC机床：工作母机，零件加工的必需设备；

IR：服务于机床、代替人工操作的辅助设备。地位

CNC机床：国民经济基础的基础；

IR：自动化制造的配套设备。价值

CNC机床：占装备总价的85%以上，最高可达数亿；

IR：在装备总价的10%左右，最高为数十万。形态

CNC机床：直线运动轴为主，回转、摆动为辅；

IR：回转、摆动轴为主，直线运动为辅。性能

CNC机床：高精度轮廓加工，多为0.001mm级；

IR：粗略轨迹运动，多为0.1mm级。

控制

CNC机床：一般5轴及以下，准确轮廓运动；

IR：一般6轴及以上，粗略轨迹运动。

软件

CNC机床：笛卡尔坐标运动为主，相对简单；

IR：多轴摆动空间合成运动，相当复杂。☞结论：不在同一体量。4.工业机器人

PK机械手PLC机械手机器人控制系统相同点

作用相同，都是自动化制造的辅助设备；定义类似：机器人=可编程的机械手。区别

控制

机械手：由CNC系统的PLC控制，无独立控制系统；

IR：有独立的控制系统。作用

机械手：单功能、固定用途和动作；

IR：可操作、可编程，多功能、多用途。驱动

机械手：PLC开关量控制，液压、气动系统为主；

IR：轨迹插补控制，必须用伺服驱动系统。二、工业机器人结构形态1.垂直串联（VerticalArticulated

）要点

最常见结构，1973年KUKA研发；关节沿垂直方向串联，数量5-7个；通用性好，可用于各种场合。关节名称S（或J1）：腰（Swing）回转；L（或J2）：下臂（LowerArm）摆动；U（或J3）：上臂（UpperArm）摆动；R（或J4）：腕回转（Wrist

Rolling

）；B（或J5）：腕摆动（WristBending

）；T（或J6）：手回转（Turning

）。☞关节数量可根据实际需要增减（如5、7）。名词说明机身：S/L/U（J1/J2/J3）轴，主要用于机器人作业工具定位，称为定位机构；手腕：R/B/T（J4/J5/J6）轴，主要用来调整作业工具方向，称为定向机构。

回转（Roll）：转动范围一般大于270°；

摆动（Bend）：转动范围一般小于等于270°。2.水平串联（HorizontalArticulated

）要点典型结构为日本山梨大学1978年研发，称SCARA（SelectiveComplianceAssemblyRobotArm），关节以水平串联为主（2~3个），总数4-5个；速度快，多用于轻载、平面作业（3C、食品、药品）。Z3.并联（Parallel

）要点基本结构为6连杆运动，1965年英国Stewart研发（简称Stewart平台）；简化结构为3连杆摆动（常用）

，1985年瑞士研发（简称Delta结构）。Stewart平台Delta结构

Stewart平台至少6个直线升降轴、控制复杂，多用于重载搬运工业机器人，较少采用。Delta机身为3轴摆动结构、手腕安装在机身上，控制简单；一般采用倒挂式安装，多用于食品、药品行业的轻载包装（分拣）工业机器人；☺练一练：

完成P35，练习一（1）~（6）☺视频1~3：

垂直串联、SCARA、Delta机器人工作过程三、工业机器人的技术性能☞参见P27、表2.3-1主要参数：工作范围（作业空间）、承载能力、自由度、运动速度、定位精度。1.工作范围（WorkingRange）

要点是工业机器人TRP点能够运动的区域。☞TRP：工具参考点（Tool

Reference

Point），机器人工具安装的基准位置——手腕工具安装法兰中心。

典型结构机器人的TRP点位置如下图：TRPTRPTRP垂直串联DeltaSCARA通常场合可用“作业半径R”简单表示。工作范围大多是不规则形状、不完整空间。

☞垂直串联结构（包括球坐标、圆柱坐标）的作业死区较大，称“部分范围作业”机器人。R=740RR☞SCARA、Delta结构（以及直角坐标）机器人的作业死区较小，称“全范围作业”机器人。2.承载能力（Payload）

要点机器人可承受的最大负载（质量、转矩或切削力）；实际承载能力与负载的重心位置有关，样本数据通常是假设负载重心位于TRP点时的最大理论值。☞承载能力6kg机器人的允许负载图：尺寸基准TRP负载重心ZL1003006kg1kg3.自由度（DegreeofFreedom

）

要点

机器人能产生的独立运动数（相对于地面），包括直线、回转、摆动；自由度实际就是机器人系统的总控制轴数；自由度包括变位器运动，使用变位器可增加自由度；自由度不包括执行器的运动（如刀具旋转等）；自由度越多，运动越灵活；有6个自由度，理论上可实现3维空间的任意运动；自由度可用规定的符号表示。☞见P33、图2.3-6。4.速度与精度

要点

程序速度是机器人TCP点相对与大地的运动速度；☞TCP：工具控制点（ToolControlPoint），有时称工具中心点（ToolCenterPoint），是机器人作业位置和运动控制目标点

；

样本参数为机器人空载时，各关节所能达到的最大回转速度的形式表示；

TCP速度（程序速度）是所有参与运动的关节轴的速度合成值；速度反映机器人工作效率，速度越高、效率越高。精度以TCP实际位置和理论位置的误差表示；通常以重复定位精度的形式表示；测量标准与CNC机床不同，即使数值相同，实际误差远大于CNC机床；

机器人不是高精度设备，不能用于精密加工。☺练一练：

完成P35，练习一（7）~（10）；练习三。第三章☞重要概念：机器人运动速度低、转矩大，而伺服电机的输出转速高、转矩小，必须使用大比例减速器。机器人机械结构

=减速器

+连杆一、垂直串联机器人1.机身结构（S/L/U轴）要点中、小型机器人（绝大多数）采用减速器直接驱动，机身结构相同；大型、重型机器人有时采用连杆驱动机身。中、小型大型、重型典型结构剖析下臂基座&腰上臂基座☞见P57、图3.3-4

减速器

安装底座腰☞见P57、图3.3-4

腰体

基座

电机

电机座下臂☞见P60、图3.3-8

腰体

减速器

电机

下臂上臂☞见P61、图3.3-10上臂

减速器

电机

下臂大型机器人结构1☞S轴采用同步皮带传动、手腕电机后置（后驱）减速器同步皮带S轴电机手腕电机目的：减小S轴电机；平衡上臂重力；提高结构稳定性。大型机器人结构2☞S轴采用同步皮带传动、上臂连杆驱动减速器同步皮带S轴电机

U轴电机

连杆目的：减小S、U轴电机；降低机器人重心；提高结构稳定性。2.手腕结构（R/B/T轴）基本形式RBR、BBR(或BRR

)、3R（见P42、图3.1-10）；中小型机器人以RBR最常用。☞R=Roll（回转轴）B=Bend（摆动轴）RBR3RBBR、BRR传动系统小型机器人：前驱（上臂转、B/T电机在上臂前端）；大中型机器人：后驱（腕转、B/T电机在上臂后端）。☞见P43、图3.1-11,P45、图3.1-13上臂回转B/T电机位置前驱腕部回转B/T电机位置后驱前驱特点结构简单、外形紧凑；传动链短、传动精度高；电机规格受限，承载能力低，适合小型机器人；电机安装空间小、散热差，维修困难；上臂前端重量大、重心远，结构稳定性差。后驱特点电机规格不受限，承载能力强，适合大中型机器人；电机安装空间大、散热好，维修方便；上臂重力平衡，结构稳定性好；传动系统复杂、传动链长、传动精度较低。典型