工业机器人

《机械CAD/CAM技术》 工业机器人学习论文

题目：

工业机器人学习论文

指导老师：

2012-10-30

摘要： 工业机器人技术涉及机构学、控制理论和技术、计算机、传感技术、人工智能等诸领域，是一门多学科的综合性高新技术，在当代研究十分活跃，机器人的应用越来越广泛，需求越来越大，研究和发展也越来越深入，这将提高社会生产率和产品质量，为社会创造更大的财富。机器人的应用情况也标志着一个国家制造业及其工业自动化水平。

关键词： 工业机器人技术 技术应用 控制系统 研究进展 发展趋势

正文： 一、 前言

工业机器人诞生于20世纪六十年代，在就是年代得到迅速发展，它是一种可以搬运物料、零件、工具或完成多种操作功能的专用机械装置；由计算机进行控制，是无人参与的自主自动化控制系统。工业机器人是机器人的一种。机器人可以代替或者协助人类完成各种工作，凡是枯燥的、危险的、有毒的、有害的工作，都可由机器人大显身手。机器人除了广泛应用于制造业领域外，还应用于资源勘探开发、救灾排险、医疗服务、家庭娱乐、军事和航天等其他领域。机器人是工业和非产业界的重大生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。它的出现是为了适应制造业规模化生产,解决单调、重复的体力劳动和提高生产质量而代替人工作业。在我国,工业机器人的真正使用到现在已经接近20 多年了,已经基本实现了试验、引进到自主开发的转变,促进了我国制造业、勘探

业等行业的发展。随着我国改革开放的逐渐深入,国内的工业机器人产业将面对越来越大的竞争与冲击,因此,掌握国内工业机器人市场的实际情况,把握我国工业机器人的相关技术与研究进展,显得十分重要。

二、 工业机器人的发展历程

简史:

人类对机器人的追求有3000年历史——制造像人类的机器，代替人类完成各项工作。 西周时期，我国的偃师发明了能歌善舞的伶人，这是我国最早的机器人。 公元前2世纪，古希腊人发明了自动机。它是以水、空气和蒸汽为动力的“活动雕像”，能自己开门，还能唱歌。 三国时期，诸葛亮制造了“木牛流马”，用它运送军粮。1662年，日本的竹田近江利用钟表技术发明了自动机器玩偶并公开表演。 1773年，瑞士钟表匠杰克·道罗斯发明了能书写、演奏的玩偶，其体内全是齿轮和发条。保存至今的、最早的机器人是瑞士的努萨蒂尔历史博物馆里少女形象的玩偶，有200年历史。她可以用风琴演奏。1893年，在机械实物制造方面，发明家摩尔制造了“蒸汽人”，它靠蒸汽驱动行走。

20世纪以后，机器人的研究与开发情况更好，实用机器人问世。1927年，美国西屋公司工程师温兹利制造了第一个机器人“电报箱”。它是电动机器人，装有无线电发报机。 1959年第一台可以编程、画坐标的工业机器人在美国诞生。 20世纪中期，随着计算机以及自动化技术的发展、原子能的开发利用，现代工业机器人也得到飞速的发展。1946年，第一台数字电子计算机问世。随后，计算机大批量生产的需要推动了自动化技术的发展。1952年，数控机床诞生。美国原子能委员会的阿尔贡研究所1947年研制了遥控机械手，1948年开发了机械式主从机械手。 1954年，美国的戴沃尔最早提出工业机器人的概念并申请了一项专利。他通过控制机器人的关节使之行动，可以对机器人示教。机器人能实现动作的记录和再现——这就是示教再现机器人，现有机器人大多采用这种控制方式。1962年，美国两个公司推出机器人中最早的实用机型。 1970年后机器人研究发展较快。 20世纪80年代之后，随着机器人技术水平提高，出现多种“机器人化机器”。 近年来，信息技术的发展使软件机器人、网络机器人诞生，机器人概念继续拓展。

各国工业机器人的发展:美国是机器人的诞生地，早在1962年就研制出世

界上第一台工业机器人。经过30多年的发展，美国现已成为世界上的机器人强国之一。

由于美国政府从60年代到70年代中的十几年期间，并没有把工业机器人列入重点发展项目。70年代后期，美国政府和企 业界虽有所重视，但在技术路线上仍把重点放在研究机器人软件及军事、宇宙、海洋、核工程等特殊领域的高级机器人的开发上，致使日本的工业机器人后来居上， 并在工业生产的应用上及机器人制造业上很快超过了美国。 进入80年代之后，美国政府和企业界才对机器人真正重视起来，政策上也有所体现，一方面鼓励工业界发展和应用机器人，另一方面制订计划、提高投资，增加机器人的研究经费，把机器人看成美国再次工业化的特征，使美国的机器人迅速发展。

80年代中后期，随着各大厂家应用机器人的技术日臻成熟，美国开始生产带

有视觉、力觉的第二代机器人，并很快占领了美国60％的机器人市场。

德国工业机器人的总数占世界第三位。70年代中后期，政府采用行政手段为机器人的推广开辟道路,推动了工业机器人技术的发展。到1984年终于使 这一被喻为\"快完蛋的行业\"重新振兴起来。与此同时，德国看到了机器人等先进自动化技术对工业生产的作用，提出了1985年以后要向高级的、带感觉的智能 型机器人转移的目标。目前，其智能机器人的研究和应用方面在世界上处于公认的领先地位。

法国不仅在机器人拥有量上居于世界前列，而且在机器人应用水平和应用范围上处于世界先进水平。法国机器人的发展比较顺利，主要原因是通过政府大力支持的研究计划，建立起一个完整的科学技术体系,使机器人在法国企业界很快发展和普及..

日本在1967年由川崎重工业公司从美国Unimation公司引进机器人及其技术，建立起生产车间，并于1968年试制出第一台川崎的“尤尼 曼特”机器人。 日本当时劳动力不足，故机器人在企业里受到欢迎。日本政府在经济上采取了积极的扶植政策，鼓励发展和推广应用机器人，从而更进一步激发了企业家从事机器人产业的积极性。这一系列扶植政策，使日本机器人产业迅速发展起 来，经过短短的十几年，到80年代中期，已一跃而为“机器人王国”，其机器人的产量和安装的台数在国际上跃居首位。

总的说来，机器人技术的应用开始从制造领域扩充到非制造领域，研究和发展基于非结构环境、极限环境下的特种机器人技术已经成为主要方向。同时机器人研究又不断向智能化、模块化、多功能化以及高性能、自诊断、自修复趋势发展，以适应市场对“敏捷制造”、多样化、个性化的需求，适应多变的机器人作业环境，向更大更宽广的制造与非制造业进军。

三、工业机器人的现状

作为先进制造业中不可替代的重要装备和手段，工业机器人已经成为衡量一个国家制造水平和科技水平的重要标志。经过四十多年的发展,工业机器人已在越来越多的领域得到了应用。在制造业中,尤其是在汽车产业中,工业机器人得到了广泛的应用。如在毛坯制造(冲压、压铸、锻造等)、机械加工、焊接、热处理、表面涂覆、上下料、装配、检测及仓库堆垛等作业中,机器人都已逐步取代了人工作业。

随着工业机器人向更深更广方向的发展以及机器人智能化水平的提高,机器人的应用范周还在不断地扩大,已从汽车制造业推广到其他制造业,进而推广到诸如采矿机器人、建筑业机器人以及水电系统维护维修机器人等各种非制造行业。此外,在国防军事、医疗卫生、生活服务等领域机器人的应用也越来越多,如无人侦察机(飞行器)、警备机器人、医疗机器人、家政服务机器人等均有应用实例。机器人正在为提高人类的生活质量发挥着重要的作用。 （1） 国内工业机器人的发展现状

20世纪90年代末，我国建立了9个机器人产业化基地和7个科研基地。产业化基地的建设给产业化带来了希望，为发展我国机器人产业奠定了基础。目前，我国已经能够生产具有国际先进水平的平面关节型装配机器人、直角坐标机器人、弧焊机器人、点焊机器人、搬运码垛机器人等一系列产品，不少品种已经实现了小批量生产。但总的来说，我国工业机器人的发展还处在起步阶段，相对国外较先进的工业机器人还是差距不小。主要原因有如下：

1，依赖进口

目前，我国进口的工业机器人主要来自日本，随着我国从劳动密集型向现代化制造业方向发展，虽然机器人保有量达到一定的规模，但与发达国家相比仍然有不少差距。

2、产业化不足

我国工业机器人产业化却存在着巨大的问题。除了众多历史原因造成制造业水平低下的原因外，更多的是对工业机器人产业的认识和定位上存在着不同的观点。 首先，我国基础零部件制造能力差，影响了我国机器人的价格竞争力。第二，中国的机器人还没有形成自己的品牌。国外机器人作为成熟的产业采用整机降价，吸引国内企业购买，而在后续的维护备件费用很高的策略，逐步占领中国市场。

3、政策扶持——我国工业机器人之推进剂

中国机器人产业化正处于关键的转折点，如果政府的扶植力度再向前推进一步，中国的机器人产业将会越过目前的“临界期”，跨上一个新的台阶，进入快速发展阶段。

同时，如何适应快速变化的国内外市场需求，如何以高质量、低成本和快速反应的手段在市场中取得生存和发展，已是我国企业不容回避的问题。这些问题为我国工业机器人提供了不同的市场需求，促进我国工业机器人的应用市场日趋成熟。 （2）国外工业机器人的发展现状

在国外，工业机器人发展迅速。国外专家预测,机器人产业是继汽车、计算机之后出现的一种新的大型高技术产业。据联合国欧洲经济委员会(UNECE)和国际机器人联合会(IFR)的统计,世界机器人市场前景看好,从20世纪下半叶起,世界机器人产业一直保持着稳步增长的良好势头。进入20世纪90年代,机器人产品发展速度加快,年增长率平均在10％左右。随着工业机器人的技术日益成熟，并进入实用化阶段，日本、美国、欧洲等已开始装备使用。纵观世界各国在发展工业机器人产业过程,可归纳为三种不同的发展模式,即日本模式、欧洲模式和美国模式： 1、日本模式

此种模式的特点是：各司其职,分层面完成交钥匙工程。即机器人制造厂商以开发新型机器人和批量生产优质产品为主要目标,并由其子公司或社会上的工程公司来设计制造各行业所需要的机器人成套系统,并完成交钥匙工程; 2、欧洲模式

此种模式的特点是：一揽子交钥匙工程。即机器人的生产和用户所需要的系统设计制造,全部由机器人制造厂商自己完成; 3、美国模式

此种模式的特点是：采购与成套设计相结合。美国国内基本上不生产普通的工业机器人,企业需要时机器人通常由工程公司进口,再自行设计、制造配套的外围设备,完成交钥匙工程。

四、 工业机器人结构及工作原理

（1）总述：工业机器人指由操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和

传感装置构成的一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的光机电一体化生产设备。包括机器人机械系统,驱动系统，控制系统，和感知系统四个部分组成。可以说机器人的组成部分与人类极为类似。一个典型的机器人有一套可移动的身体结构、一部类似于马达的装置、一套传感系统、一个电源和一个用来控制所有这些要素的计算机“大脑”。从本质上讲，机器人是由人类制造的“动物”，它们是模仿人类和动物行为的机器。

图示：典型工业机器人

（2）分述

①机械系统：机器人的机械系统通常由机身（含基座）、臂部（含手腕）和手部三大部分组成。

机身：机身是支承臂部的部件，机座往往与机身做成一体。机身和臂部相连，机身支承臂部，臀部又支承腕部和手部。机身一般实现回转、升降和仰俯等运动，常有1～3个自由度。是执行机构的关键部件，制造误差、运动精度和平稳性，对机械手的定位精度有决定性的影响。

臂部：连接机身和腕部，通常由大臂和小臂组成，用以带动腕部作平面运动。一般具有2个自由度，即伸缩、回转或俯仰。臂部的作用是引导手指准确地抓住工件，并运送到所需要的位置上。在运动时，直接承受腕部、手部和工件（或工具）的静、动载荷，尤其高速运动时，将产生较大的惯性力（或惯性力矩），引起冲击，影响定位的准确性。

腕部：用来连接操作机手臂和末端执行器，并决定末端执行器在空间里的姿态。腕部一般应有2～3个DOF，结构要紧凑，质量较小，各运动轴采用独立传动。按自由度数目：可分为单自由度手腕，二自由度手腕，三自由度手腕。

②驱动系统：工业机器人驱动系统，按动力源可分为液压驱动、气动驱动和

电动驱动三种基本驱类型。根据需要可采用由这三种基本驱动类型的一种或合成式驱动系统。

ⅰ液压驱动系统：由于液压技术是一种比较成熟的技术。它具有动力大、力(或力矩)与惯量比大、快速响应高、易于实现直接驱动等特点。适于在承载能力大，惯量大以及在防焊环境中工作的这些机器人中应用。但液压系统需进行能量转换(电能转 换成液压能)，速度控制多数情况下采用节流调速，效率比电动驱动系统低。液压系统的液体泄泥会对环境产生污染，工作噪声也较高。因这些弱点，近年来，在负荷为100kz以下的机器人中往往被电动系统所取代。

ⅱ气动驱动系统：具有速度快、系统结构简单，维修方便、价格低等特点。适于在中、小负荷的机器人中采用。但因难于实现伺服控制，多用于程序控制的机械人中，如在上、下料和冲压机器人中应用较多。

ⅲ电动驱动系统：由于低惯量，大转矩交、直流伺服电机及其配套的伺服驱动器(交流变频器、直流脉冲宽度调制器)的广泛采用，这类驱动系统在机器人中被大量选用。这类系统不需能量转换，使用方便，控制灵活。大多数电机后面需安装精密的传动机构。直流有刷电机不能直接用于要求防爆的环境中，成本也较上两种驱动系统的高。但因这类驱动系统优点比较突出，因此在机器人中被广泛的选用。

③控制系统：控制系统的任务是根据机器人的作业指令程序及从传感器反

馈回来的信号，控制机器人的执行机构，使其完成规定的运动和功能。如果机器

人不具备信息反馈特征，则该控制系统称为开环控制系统；如果机器人具备信息反馈特征，则还控制系统称为闭环控制系统。该部分主要由计算机硬件和控制软件组成。软件主要有人与机器人联系的人机交互系统和控制算法等组成。该部分的作用相当于人的大脑。

④感知系统：由内部传感器和外部传感器组成，其作用是获取机器人内部

和外部环境信息，并把这些信息反馈给控制系统。内部状态传感器用于检测各个关节的位置，速度等变量，为闭环伺服控制系统提供反馈信息。外部状态传感器用于检测机器人与周围环境之间的一些状态变量，如距离，接近程度和接触情况等，用于引导机器人，便于其实别物体并作出相应处理。该部分的作用相当于人的五官。

⑤机器人软件：机器人正常工作的基础由硬件系统和软件系统组成。其

中硬件系统包括机械系统、传感系统、驱动系统及计算机与控制系统。软件系统则是所有控制程序的统称。机器人精度与执行工作的速度由硬件系统决定，而机器人执行何种操作、操作控制的方便性及具有的功能则由机器人的软件系统决定。机器人的硬件系统已趋向于模块化和简单化，而且逐步定型。机器人的软件系统则由于机器人执行任务的多样化而趋向于复杂化。随着机器人技术的发展，特别是智能机器人的发展，机器人的软件在整个系统中的比例愈来愈大。

五、工业机器人的应用

各种工业机器人可以以单机形式使用，也可以作为生产系统中的一个构成部分使用。随着社会需求发展的变化，工业机器人因其灵活性好，将越来越多的用于柔性自动化制造系统中。1，单机形式应用：工业机器人是一种生产设备，作业时一般需要有外围设备完成一些辅助工作。单机形式工作的工业机器人有铸件去飞边，刮研，切削加工，焊接等机器人。

选用单机形式的工业机器人，主要考虑以下原则:首先应能满足作业内容，工作空间的要求。工件质量及定位精度等技术参数。同时考虑功能价格比。自由度多，价格昂贵。

2，在机械制造系统中的应用：机械制造系统的硬件由许多装备组成。作为系统的一个组成部分，工业机器人要与系统的其他部分协调工作。因此，在进行工业机器人的选择和系统布局设计上应考虑以下原则：满足作业系统的生产节拍要求；在系统中，在作业不发生干涉的约束条件下，优化工业机器人与其前后相连接装备之间的布置。

机器人技术是感知、决策、行动和交互四大技术的结合。随着人们对机器人技术智能化本质认识的加深，机器人技术正源源不断地向人类活动的各个领域渗透。结合这些领域的应用特点，人们发展了各种特种机器人和智能机器，如仿人机器人、仿生机器人、微机器人、医疗机器人、水下机器人、移动机器人、军用机器人、空间机器人、农林机器人等。它们从外观上看已经远远脱离了最初工业机器人的形状，其智能和功能也大大超出了工业机器人的范围，更加符合应用领域的特殊要求。传统的机器人是对人体的延伸，一般需要人来操作；而特种机器人和智能机器则是通过感知，由计算机推理进行响应和动作，是对人类智能的延伸。

工业机器人技术是现代工业中尖端自动化技术高度集成体现。在拥有先进制造业的国家或地区，工业机器人技术越来越广泛的应用在自动化生产线上，已成为自动化装备的主流及未来工业生产的发展方向，并且已运用在汽车、电子、包装、医疗器械、工程机械等行业中。作为全球最大的生产和消费大国之一，中国在以汽车为代表的多个行业中都进入了快速稳定的生产增长期，因此工业机器人与自动化成套装备面临着强劲的市场需求。

今天，工业机器人应用于很多领域，总体来说，大致分为两大类,一类是生产产品,另一类是提供服务。目前利用机器人最多是第一类,即加工制造业等室内生产领域。机器人在制造业中,可以用于毛坯制造冲压、压铸、锻造等、机械加工、焊接、热处理、表面涂授、装配及仓库堆垛等作业中。冲压机器人可用于汽车、电机、家用电器等工业中,与冲压设备构成单机自动冲压机和多机冲压自动线,如美国克莱斯勒公司汽车车门的加工就是利用由台上、下料机器人和台压力机组成的自动线进行的,我国济南第二机床厂自行开发的全自动落板冲压生产线,也已在生产中得到了应用。压铸机器人可以用于汽车零件的生产,一个工人可以管理多台压铸机,节省劳动达几倍以上。德国开发了锻造机器人技术,北京机床厂通过引进开发,已生产了热模锻和辊锻机器人,且全部国产化。

去年8月，拥有员工人数达120万人，全球最大的电子产品代工厂富士康科技集团宣布，未来三年内富士康将把工厂生产线上的机器人数量增加到100万台，用来取代工人，降低运营成本。由此又可见工业机器人作为先进装备制造业中不可替代的重要装备和手段，主导中国的工业自动化技术与应用已是大势所趋。 为了更好地服务于先进装备制造企业，2012工业机器人展将首次强势亮相第14届中国国际工业博览会，为工业机器人厂商和有采购需求的企业提供了一个专业、权威、高端的服务平台。届时预计有将近10万的专业观众可以一次性目睹国内外各知名机器人企业的风采。2012年11月6-10日，上海新国际博览中心W2

馆，最火热的展馆位置，位于IAS工业自动化展的核心区域，5000平方米展示规模，工业机器人将为您展开一场别开生面的“机器人盛会”。

六、工业机器人产业未来发展趋势

目前国际机器人界都在加大科研力度，进行机器人共性技术的研究，并朝着智能化

和多样化方向发展。主要研究内容集中在以下五个方面：

1．工业机器人操作机结构的优化设计技术：探索新的高强度轻质材料，进一步提高负

载/自重比，同时机构向着模块化、可重构方向发展。

2．机器人控制技术：重点研究开放式，模块化控制系统，人机界面更加友好，语言、图形编程界面正在研制之中。机器人控制器的标准化和网络化，以及基于PC机网络式控制器已成为研究热点。编程技术除进一步提高在线编程的可操作性之外，离线编程的实用化将成为研究重点。

3．多传感系统：为进一步提高机器人的智能和适应性，多种传感器的使用是其问题解决的关键。其研究热点在于有效可行的多传感器融合算法，特别是在非线性及非平稳、非正态分布的情形下的多传感器融合算法。另一问题就是传感系统的实用化。

4．机器人的结构灵巧，控制系统愈来愈小，二者正朝着一体化方向发展。 5．机器人遥控及监控技术，机器人半自主和自主技术，多机器人和操作者之间的协调控制，通过网络建立大范围内的机器人遥控系统，在有时延的情况下，建立预先显示进行遥控等。

七、结束语

工业机器人市场竞争越来越激烈,中国制造业面临着与国际接轨、参与国际分工的巨大挑战,加快工业机器人技术的研究开发与生产是我们抓住这个历史机遇的主要途径。因此我国工业机器人行业要认识到以下几点情况:第一,工业机器人技术是我国由制造大国向制造强国转变的主要手段和途径,政府要对国产工业机器人有更多的政策与经济支持,参考国外先进经验,加大技术投入与改造;第二,在国家的科技发展计划中,应该继续对智能机器人研究开发与应用给予大力支持,形成产品和自动化制造装备同步协调的新局面;第三,部分国产工业机器人已经与国外相当,企业采购工业机器人时不要盲目进口,应该综合评估,立足国产。

备注：整个论文由小组在讨论，查阅资料后写成。其中平国力负责第一，第五，

第六部分。孙权海负责第四，第七部分。苏鑫负责第三部分，杨扬负责第二部分。最终由平国力统一书写整理。