认识工业机器人

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1、认识工业机器人机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、 仿生学等多种学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃、应用日益广泛的领 域。而且，机器人应用情况是反映一个国家工业自动化水平的重要标志。本次任 务的主要内容就是了解工业机器人的现状和发展趋势；通过现场参观，认识工业 机器人相关企业；现场观摩或在技术人员的指导下操作ABB工业机器人，了解 其基本组成。一、工业机器人的定义及特点1. 工业机器人的定义 国际上对机器人的定义有很多。美国机器人协会（RIA）将工业机器人定义为：“工业机器人是用来进行搬 运材料、零部件、工具等可再编程的多功能机械手，或通过不同程序的调用来

2、完 成各种工作任务的特种装置。”日本工业机器人协会（J IRA）将工业机器人定义为：“工业机器人是一种装 备有记忆装置和末端执行器的，能够转动并通过自动完成各种移动来代替人类劳 动的通用机器。”在我国1989年的国际草案中，工业机器人被定义为：“一种自动定位控制， 可重复编程、多功能的、多自由度的操作机。操作机被定义为：具有和人手臂相 似的动作功能，可在空间抓取物体或进行其他操作的机械装置。”国际标准化组织（ISO）曾于1984年将工业机器人定义为：“机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能机械手，这种机械手具有几个轴， 能够借助于可编程的操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置，

3、以执行各种 任务。”2. 工业机器人的特点（ 1 ）可编程生产自动化的进一步发展是柔性自动化。工业机器人可随其工作环境变化的 需要而再编程，因此它在小批量、多品种具有均衡高效率的柔性制造过程中能发 挥很好的功用，是柔性制造系统中的一个重要组成部分。（2）拟人化工业机器人在机械结构上有类似人的行走、腰转、大臂、小臂、手腕、手爪 等部分，在控制上有计算机。此外，智能化工业机器人还有许多类似人类的“生 物传感器”，如皮肤型接触传感器、力传感器、负载传感器、视觉传感器、声觉 传感器、语音功能传感器等。（3）通用性 除了专门设计的专用的工业机器人外，一般机器人在执行不同的作业任务时 具有较好的通用性。例

4、如，更换工业机器人手部末端执行器（手爪、工具等）便 可执行不同的作业任务。（4）机电一体化 第三代智能机器人不仅具有获取外部环境信息的各种传感器，而且还具有记 忆能力、语言理解能力、图像识别能力、推理判断能力等人工智能，这些都是微 电子技术的应用，特别是与计算机技术的应用密切相关。工业机器人与自动化成 套技术，集中并融合了多项学科，涉及多项技术领域，包括工业机器人控制技术、 机器人动力学及仿真、机器人构建有限元分析、激光加工技术、模块化程序设计、 智能测量、建模加工一体化、工厂自动化及精细物流等先进制造技术，技术综合 性强。二、工业机器人的历史和发展趋势1. 工业机器人的诞生“机器人”（Rob

5、ot）这一术语是1921年捷克著名剧作家、科幻文学家、童 话寓言家卡雷尔恰佩克首创的，它成了 “机器人”的起源，此后一直沿用至今。 不过，人类对于机器人的梦想却已延续数千年之久。如古希腊古罗马神话中冶炼 之神用黄金打造的机械仆人、希腊神话阿鲁哥探险船中的青铜巨人泰洛斯、 犹太传说中的泥土巨人、我国西周时代能歌善舞的木偶“倡者”和三国时期诸葛 亮的“木牛流马”传说等。而到了现代，人类对于机器人的向往，从机器人频繁 出现在科幻小说和电影中已不难看出，科技的进步让机器人不仅停留在科幻故事 里，它正一步步“潜入”人类生活的方法面面。1959年，美国发明家英格伯格 与德沃尔制造了世界上第一台工业机器人U

6、nimate，这个外形类似坦克的炮塔的 机器人可实现回转、伸缩、俯仰等动作，如图1-1-1所示，它称为现代机器人的 开端。之后，不同功能的工业机器人也相继出现并且活跃在不同的领域。图1-1-1世界上第一台工业机器人Unimate2工业机器人的发展现状机器人技术作为20世纪人类最伟大的发明之一，自20世纪60年代初问世 以来，从简单机器人到智能机器人，机器人技术的发展已取得长足进步。从近几 年推出的产品来看，工业机器人技术正向智能化、模块化和系统化方向发展，其 发展趋势主要为：结构的模块化和可重构化；控制技术的开放化、PC化和网络 化；伺服驱动技术的数字化和分散化；多传感器融合技术的实用化；工作

7、环境设 计的优化和作业的柔性化等。2005年，日本YASKAWA推出能够从事此前由人类完成组装及搬运作业的 产业机器人 MOTOMAN-DA20 和 MOTOMAN-IA20，如图 1-1-2 所示。DA20 是 一款在仿造人类上半身的构造物上配备2个6轴驱动臂型“双臂”机器人。上半 身构造物本身也具有绕垂直轴旋转的关节，尺寸与“成年男性大体相同”，可直 接配置在此前人类进行作业的场所。因为可实现接近人类两臂的动作及构造，因 此可以稳定地搬运工件，还可以从事紧固螺母以及部件的组装和插入等作业。另 外，与协调控制2个臂型机器人相比，设置面积更小。单臂负重能力为20kg， 双臂可最大搬运40kg的

8、工件。IA20是一款通过7轴驱动再现人类肘部动作的臂型机器人。在产业机器人 中也是全球首次实现7轴驱动，因此更加接近人类动作。一般来说，人类手臂具 有78轴关节。此前的6轴机器人，可再现手臂具有3个关节，以及手腕具有的3个关节。而IA20则进一步增加了肘部具有的1个关节。这样就可以实现通 过肘部折叠或伸出手臂的动作。6轴机器人由于动作上的制约，胸部成为“死区” 而7轴机器人可将胸部作为动作区域来使用，另外还可以实施绕开靠近机身障碍 物的动作。a)b)图 1-1-2 YASKAWA机 器人a)双臂机器人 MOTOMAN-DA20 b)7 轴机器人 MOTOMAN-IA202010年意大利柯马(C

9、OMAU)宣布SMART5 PAL码垛机器人研制成功， 如图1-1-3所示，该机器人专为码垛作业设计，采用新的控制单元C5G和无线示 教，有效载荷范围为180260kg，作业半径3.1m，同时共享机器人家族的中空 腕技术和机械配置选项；该机器人符合人体工程学，采用一流的碳纤维杆，整体 轻量化设计，线速度高，能有效减少和优化时间节拍。该机器人能满足一般工业 部门客户的高质量要求，主要应用在装载/卸载、多个产品拾取、堆垛和高速操 作等场合。图 1-1-3 COMAU 码垛机器人 SMART5 PAL同年，德国KUKA公司的机器人产品气体保护焊接专家KR 5arc HW (Hollow Writsl

10、),如图1-1-4所示，赢得了全球著名的红点奖，并且获得了 “Red Dot:优中之优”杰出设计奖。其机械臂和机械手上有一个50mm宽的通孔，可 以保护机械臂上的整套气体软管的敷设。由此不仅可以避免气体软管组件受到机 械性损伤，而且可以防止其在机器人改变方向时随意甩动。既可敷设抗扭转软管 组件，也可用于无限转动的气体软管组件。对用户来说，这不仅意味着提高了构 件的可接近性，保证了对整套软管的最佳保护，而且使离线编程也得到了简化。日本FANUC公司也推出过Robot M-3iA装配机器人。M-3iA装配机器人可 采用四轴或六轴模式，具有独特的平行连接结构，并且还具备轻巧便携的特点， 承重极限6k

11、g,如图1-1-5所示。此外,M-3iA装配机器人在同等级机器人(1350mm X500mm)中的工作行程最大。六轴模式下的M-3iA具备一个三轴手腕用于处 理复杂的生产线任务，还能按要求旋零件，几乎可与手工媲美。四轴模式下的 M-3iA具备一个单轴手腕，可用于简单快速的拾取操作，工作速度可达4000 /s。另外，手腕的中空设计使电缆可在内部缠绕，大大降低了电缆的损耗。图 1-1-4 KUKA 焊接机器人 KR 5arc HW 图 1-1-5 FANUC 装配机器人 Robot M-3iA国际工业机器人技术日趋成熟，基本沿着两个路径发展:一是模仿人的手臂， 实现多维运动，在应用上比较典型的是点

12、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，例如搬运机器人。机器人研发水平最高的 是日本、美国与欧洲国家。日本在工业机器人领域研发实力非常强，全球曾一度 有60%的工业机器人都来自日本；美国则在特种机器人研发方面全球领先。它们 在发展工业机器人方面各有特点：（1）日本模式 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 行各业所需要的机器人成套系统。（2）欧洲模式 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 机器人制造商自己完成。（3）美国模式 采购与成

13、套设计相结合。本国国内基本上不生产普通的工业机器人，企业需 要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。总之，机器人行业的发展与 30 年前的电脑行业极为相似。机器人制造公司 没有统一的操作系统软件，流行的应用程序很难在五花八门的装置上运行。机器 人硬件的标准化工作也尚未开始，在一台机器人上使用的编程代码，几乎不可能 在另一台机器上发挥作用。如果想开发新的机器人，通常的从零开始。我国在机器人领域的发展尚处于起步阶段，应以“美国模式”着手，在条件 成熟后逐步向“日本模式”靠近。整体而言，与国外进口机器人相比，国产工业 机器人在精度、速度等方面不如进口同类产品，特别是在关键核心技术

14、上还没有 取得应用突破。具体现状如下：（1）低端技术水平有待改善 机器人制造包括整机制造、控制系统、伺服电动机与驱动器、减速器等方面， 其中控制系统和减速器的核心技术仍由国外企业掌握，国内企业只能发挥组成优 势，即将已接近成品的各部分模块组合到一起。然而，许多零部件的缺失使得国 内企业在拓展产业链条方面颇受摯肘，而高昂的进口费用也极易威胁企业的生存 状况。（2）产业链条亟待充实与规范 与其他高端装备制造领域的情况不同，机器人制造主要集中在民营企业，产 能规模自然不能比拟航空航天等产业，研发成果也无法在有利平台得到展现。可 想而知，国资不足是国产制造的最大劣势，而缺乏国企的规模管理导致产业链条

15、过于松散，从而无法实现集群式发展。而主流的工业机器人领域，配套产业及设 备的集群效应才是机器人制造的关键。只有具备完善的产业链条，盈利空间才能 得到提升。3. 工业机器人的发展趋势 从近几年推出的产品来看，工业机器人技术正向高性能化、智能化、模块化 和系统化方向发展，其发展趋势主要为：结构的模块化和可重构化；控制技术的 开放化、PC化和网络化；伺服驱动技术的数字化和分散化；多传感器融合技术 的实用化；工作环境设计的优化和作业的柔性化等。（1）高性能 工业机器人技术正向高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修方向发展， 且单机价格不断下降。（2）机械结构向结构的模块化、可重构化发展 例如，关节模

16、块中的伺服电动机、减速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机；国外已有模块化装配机器人产品问 市。.（3）本体结构更新加快随着技术的进步，机器人本体近 10年来发展变化很快。以安川 MOTOMAN 机器人产品为例。L系列机器人持续10年，K系列机器人持续5年时间，SK系 列机器人持续3年时间，1998年年底安川公司推出了最新的UP系列机器人，其 最突出的特点是：大臂采用新型的非平行四边形的单连杆机构，工作空间有所增 加，本体自重进一步减少，变得更加轻巧。（4）控制系统向基于PC的开放型控制器方向发展控制系统向基于PC的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件 集成度提高，控制柜日见小巧。（5）多传感器融合技术的实用化机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感 器外，装配、焊接机器人还