工业机器人技术概论

工业机器人技术概论
制造是现代人类所有经济活动的基石，是人类历史发展和文明进步的动力。

机器人的诞生，就如同人类直立行走一样代表着人类社会的进步，工业机器人在工业生产中能代替人做某些单调、频繁和重复的长时间作业，或是危险、恶劣环境下的作业，将人们从这些繁重的工作中解脱出来，这是人类文明的又一次飞跃。

随着人类工业文明的不断进步，科学技术的迅猛发展，工业机器人的广泛应用正在日益改变着人类的生产和生活方式。

一、工业机器人的发展史
“机器人”一词出自捷克文，意为劳役或苦工。

1920年，捷克斯洛伐克小说家、剧作家卡雷尔·查培克在他写的科幻小说《罗萨姆的机器人万能公司》中，根据Robota(捷克文，原意为“劳役、苦工”)和Robotnik(波兰文，原意为“工人”)，创造出“机器人”这个词。

此后被欧洲各国语言所吸收而成为专门名词。

机器人首先是被工厂所使用的。

工业机器人的使用可以追溯到20世纪50年代末。

在第二次世界大战中，武器专家发明了武器瞄准用的司服系统，直到这个时候，人们才拥有制造机器人所需的技术。

二战结束后不久，发明家约瑟夫·恩格尔贝格（Joseph F.Englberger）意识到这种技术能应用于机器人的研制，于是，他与另一位发明家乔治·德沃尔(George Devol)共同开发了的一台工业机器人——“尤尼梅特”（Unimate）,并于1961年在通用汽车公司的工厂里启用。

它的构造相当的简单，功能也只是把零件拿起来，然后放到传送带上，不能对它所处的环境做出反应，只能按预先设定的程序精确的重复同一动作。

但是，“尤尼梅特”的应用向人们预示了工业机械化的美好前景，具有十分重要的意义。

机器人在许多工厂出现后，不但没有遭到拒绝，而且许多脏活、累活都由机器人来干，受到了工人们的欢迎。

20世纪60年代可谓是工业机器人的黎明期，机器人的许多功能得到了进一步的发展。

像传感器的应用提高了机器人的可操作性，人们试着在机器人上安装各种各样的传感器，包括恩斯特采用的触觉传感器，托莫维奇和博尼在世界上最早的“灵巧手”上用到了压力传感器，而麦卡锡则开始在机器人中加入视觉传感系统，并帮助MIT推出了世界上第一个带有视觉传感器，能识别并定位积木的机器人系统；声纳系统、光电管等技术的应用，使机器人可以根据环境校正自己的位置。

20世纪60年代中期开始，美国麻省理工学院、斯坦福大学、英国爱丁堡大学等陆续成立了机器人实验室。

美国兴起研究第二代带传感器、“有感觉”的机器人，并向人工智能进发。

20世纪70年代，随着计算机和人工智能技术的发展，机器人进入了实用化时代。

像日立公司推出的具有触觉、压力传感器，7轴交流电动机驱动的机器人；美国Milacron公司推出的世界第一台小型计算机控制的机器人，由电液司服驱动，可跟踪移动物体，用于装配和多功能作业；适用于装配作业的机器人还有像日本山梨大学发明的SCARA平面关节型机器人等；70年代末期，由美国Unimation 公司推出的PUMA系列机器人，为多关节、多CPU二级计算机控制，全电动，有
专用VAL语言和视觉、力觉传感器，这标志着工业机器人技术已经完全成熟。

PUMA 至今仍然工作在工厂第一线。

20世纪80年代，机器人进入了普及期，随着制造业和的发展，使工业机器人在发达国家走向普及，并向高速、高精度、轻量化、成套系列化和智能化发展，以满足多品种、少批量的需要。

到了90年代，随着计算机技术、智能技术的进步和发展，第二代具有一定感觉功能的机器人已经实用化并开始推广，具有视觉、触觉、高灵巧手指、能行走的第三代智能机器人相继出现并开始走向应用。

机器人是人类20世纪的重大发明之一。

据国外专家预测，2l世纪将是机器人技术革命的世纪，机器人作为全面延伸和扩展人的体力和智力的手段将实现“当代最高意义上的自动化”。

机器人的应用和普及正在改变人类的生产方式、生活方式和作战方式。

在非常规和极端制造过程中，工业机器人是不可缺少的自动化装备。

二、工业机器人的发展现状，应用领域及发展趋势
（一）、工业机器人的发展现状
机器人是最典型的机电一体化数字化装备，技术附加值很高，应用范围很广，作为先进制造业的支撑技术和信息化社会的新兴产业，将对未来生产和社会发展起越来越重要的作用。

工业机器人从70年代初的第一台诞生开始，至今已经走过了30多年的历程。

至今，全世界每年都有近十万台新机器人投入运行。

现在使用最广的工业机器人，是6自由度垂直多关节机器人。

世界上的不同机器人厂家都各自有自己的设计标准和结构特点，但主要的机械结构和控制功能都大同小异，并趋于技术的稳定成熟。

主流的新机型，其主要性能的改进，体现在机构的进一步紧凑，速度和范围等指标也有所提高，通信功能更加强大，应用工艺能力更加丰富和便利，控制的轴数也越来越多。

作为世界上最先进的机器人之一的MOTOMAN机器人，升级换代周期大致为5年左右。

最新一代MOTOMAN机器人可以实现对38个轴的控制，能进行双机加外部轴的协调控制、三机以至四机的协调联动控制。

当前工业机器人技术的发展方向，主要体现在新型机器人的推出以及机器人应用技术的丰富和发展。

(二）、工业机器人的应用领域
由于机器人及自动化成套装备对提高制造业自动化水平，提高产品质量和生产效率、增强企业市场竞争力、改善劳动条件等起到了重大的作用，加之成本大幅度降低和性能的迅速提高，其增长速度较快。

机器人的应用主要有两种方式，一种是机器人工作单元，另一种是带机器人的生产线，并且后者已经成为机器人应用的主要方式。

以机器人为核心的自动化生产线适应了现代制造业多品种、少批量的柔性生产发展方向，具有广阔的市场发展前景和强劲生命力，已开发出多种面向汽车、电气机械等行业的自动化成套装备和生产线产品。

随着科学与技术的发展，工业机器人的应用领域也不断扩大。

目前，工业机器人不仅应用于传统制造业如采矿、冶金、石油、化学、船舶等领域，同时也已开始扩大到核能、航空、航天、医药、生化等高科技领域以及家庭清洁、医疗康复等服务业领域中。

如，水下机器人、抛光机器人、打毛刺机器人、擦玻璃机器人、高压线作业机器人、服装裁剪机器人、制衣机器人、管道机器人等特种机器人以及扫雷机器人、作战机器人、侦察机器人、哨兵机器人、排雷机器人、布雷机器人等军用机器人都广泛应用于各行各业。

而且，随着人类生活水平的提高及文化生活的日益丰富多彩，未来各种专业服务机器人和家庭用消费机器人将不断贴近人类生活，其市场将繁荣兴旺。

（三）、工业机器人的发展趋势
机器人涉及到机械、电子、控制、计算机、人工智能、传感器、通讯与网络等多个学科和领域，是多种高新技术发展成果的综合集成。

因此它的发展与上述学科发展密切相关。

机器人在制造业的应用范围越来越广阔，其标准化、模块化、网络化和智能化的程度也越来越高，功能越来越强，并向着成套技术和装备的方向发展。

机器人应用从传统制造业向非制造业转变，向以人为中心的个人化和微小型方向发展，并将服务于人类活动的各个领域。

总趋势是从狭义的机器人概念向广义的机器人技术（RT）概念转移；从工业机器人产业向解决工程应用方案业务的机器人技术产业发展。

机器人技术（RT）的内涵已变为“灵活应用机器人技术的、具有实在动作功能的智能化系统。

”目前，工业机器人技术正在向智能机器和智能系统的方向发展，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以及系统的网络化和智能化等方面。

三、现阶段已有的工业机器人在设计、控制方面所需的关键技术
机器人技术是利用计算机的记忆功能、编程功能来控制操作机自动完成工业生产中某一类指定任务的高新技术，是当今各国竞相发展的高技术内容之一。

它是综合了当代机构运动学与动力学、精密机械设计发展起来的产物，是典型的机电一体化产品，工业机器人由机械系统、传感系统和控制系统3个基本部分组成。

机械系统：包括基本结构和驱动源，工业机器人的机械系统是工业机器人的重要部分，其他系统必须与机械系统相匹配，相辅相成，组成一个完整的机器人系统。

传感器系统：包括内部传感器和外部传感器，用于检测机器人自身状态以及所处的环境和对象状态等。

控制系统：按照输入的程序对驱动系统和执行机构发出指令信号，并进行控制。

（一）、工业机器人的机械系统
1、最小运动惯量由于机器人主体运动部件多，运动状态经常改变，必然产生冲击和振动，采用最小运动惯量原则，可增加操作机运动平稳性，提高操作机动力学特性。

2、尺度规划当设计要求满足一定工作空间要求时，通过尺度优化以选定最小的臂杆尺寸，这将有利于操作机刚度的提高，使运动惯量进一步降低。

3、材料的选用由于机器人从手腕、小臂、大臂到机座是依次作为负载起作用的，选用高强度材料以减轻零部件的质量是十分必要的。

4、刚度的设计机器人设计中，刚度是比强度更重要的问题，要使刚度最大，必须恰当地选择杆件剖面形状和尺寸，提高支承刚度和接触刚度，合理地安排作用在臂杆上的力和力矩，尽量减少杆件的弯曲变形。

5、可靠性机器人因机构复杂、环节较多，可靠性问题显得尤为重要。

6、工艺性机器人是一种高精度、高集成度的自动机械系统，良好的加工和装配工艺性是设计时要体现的重要原则之一。

仅有合理的结构设计而无良好的工艺性，必然导致机器人性能的降低和成本的提高。

（二）、工业机器人的传感器系统
要机器人与人一样有效地完成工作，对外界状况进行判别的感觉功能是必不可少的。

没有感觉功能的原始机器人，只能按预先给定的顺序，重复地进行一定的动作。

假如有感觉，就能够根据处理对象的变化而变更动作。

传感器是机器人完成感觉的必要手段，通过传感器的感觉作用，将机器人自身的相关特性或相关物体的特性转换为机器人执行某项功能时所需要的信息。

现阶段的机器人都装有许多不同的传感器，用于为机器人提供输入。

对于机器人传感器的选择，完全取决于机器人的工作需要和应用特点，对机器人感觉系统的要求是选择机器人传感器的基本依据。

一个机器人对传感器的一般性要求是：
1、精度高、重复性好。

机器人是否能够准确无误地正常工作，往往取决于其所用传感器的测量精度。

2、稳定性和可靠性好。

保证机器人能够长期稳定可靠地工作，尽可能避免在工作中出现故障。

3、抗干扰能力强。

工业机器人的工作环境往往比较恶劣，其所用传感器应能承受一定的电磁干扰、振动，能在高温、高压、高污染环境中正常工作。

4、质量轻、体积小、安装方便。

根据工业机器人加工的任务要求及所处的特定环境，对传感器有一些特定的要求，如：
1、适应加工任务的要求。

不同的加工任务对机器人的感觉要求是不同的，可根据其工作特点进行选择。

2、满足机器人控制的要求。

机器人控制需要采用传感器检测机器人的运动位置、速度和加速度。

3、还要注意满足机器人自身安全和机器人使用者的安全性要求以及其他辅助工作的要求。

（三）、工业机器人的控制系统
工业机器人的控制主要包括：机器人的运作的顺序、应实现的路径与位置、动作时间间隔以及作用于对象上的作用力等。

工业机器人的控制技术与传统的自动机械控制相比，没有根本的不同之处。

然而，工业机器人控制系统一般是以机器人的单轴或多轴运动协调为目的的控制系统。

其控制结构要比一般自动机械的控制复杂得多，与一般的司服系统或过程控制系统相比，工业机器人控制系统有如下要求：
1、工业机器人的控制系统要着重本体与操作对象的相互关系。

2、工业机器人的控制与机构运动学及动力学密切相关。

3、多个独立的司服系统必须有机的协调起来，组成一个多变量的控制系统。

4、建立一个非线性的数学模型，用来描述工业机器人的状态和运动。

5、工业机器人还有一种特有的控制方式——示教再现控制方式。

总而言之，工业机器人控制系统是一个与运动学和动力学原理密切相关的、有耦合的、非线性的多变量控制系统。

随着实际工作情况的不同，可以采用各种不同的控制方式，从简单的编程自动化，微处理机控制到小型计算机控制等。

四、实现上诉关键技术的原理及方法
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。

机器人应用情况，也成为一个国家工业自动化水平的重要标志，所以机器人已成为国际研究的热点之一，各国纷纷探索开拓其实际应用的领域。

1、先进制造技术是及制造技术、电子技术、自动化技术、能源技术、材料科学等众多技术的交叉、融合和渗透而发展起来的，以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活的生产，先进制造技术的发展成为工业机器人技术发展的重要支撑，也成为加速工业机器人高新技术发展的助推器。

2、机械结构向模块化、可重构化发展。

例如关节模块中的伺服电机、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。

3、工业机器人控制系统向基于PC机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，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。

4、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，多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用；如遥控机器人已采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制。

5、虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。

6、当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。

五、在未来工业机器人的进一步研究中，存在的难点及下阶段的主要
研究内容研究目标
今后，机器人技术将朝着自学习、自适应、智能性控制方向发展，将开发出具有灵活的可操作性和移动性，丰富的传感器及其处理系统，全面的智能行为和友好协调的人---机交换能力的高级机器人。

1、执行机构在机器人执行机构研究方面，其重点将集中在各种具有柔性感、灵巧性手爪和手臂上，包括：研究新型轻质、高强度和高刚性的结构材料；快速准确、结构紧凑的机器人手腕、手臂及其连接机构；多自由度、灵活柔顺的执行机构等。

2、动力和驱动机构机器人的动力和驱动机构要求质量轻、体积小、出力大。

开发形状记忆合金、人工肌肉、压电元件、挠性轴等新型驱动器等。

3、移动技术移动机器人能够按照预先给定的任务指令，根据已知的地图信息做出规划，并在行进过程中不断感知周围局部环境信息，自主做出决策，引导自身绕开障碍物，安全行驶到达指定目标，并执行要求的操作。

其移动技术包括移动机构、行走传感技术、路径动态规划等。

4、微型机器人微型机械和微型机器人是21世纪尖端技术之一，可望生产出毫米级大小的微型移动机器人和直径为几百毫米甚至更小的纳米级医疗机器人。

微型机器人研究的关键技术包括：微型执行元件的加工装配；微小位置姿态的控制；微型电池；微小生物运动机构、生物执行器、生物能源机构等。

5、多传感器集成与融合技术单一传感器信号难以保证输入信息的准确性和可靠性，不能满足智能机器人系统获取环境信息及系统决策能力。

采用多传感器集成和融合技术，利用各种传感信息，获得对环境的正确理解，使机器人系统具有容错性，保证系统信息处理快速性和正确性。

6、新型智能技术智能机器人有许多诱人的研究新课题，对新型智能技术的概念和应用研究正酝酿着一种新的突破。

形状记忆合金的电阻随温度的变化而变化，导致合金变形，可用来执行驱动动作，完成传感和驱动功能。

基于模糊逻辑和人工神经网络的识别、监测、控制，在规划方法的开发和应用中将占有重要的地位。

基于专家系统的机器人规划获得新的发展，将广泛用于任务规划、装配规划、搬运规划、路径规划和自动抓取规划。

遗传算法和进化编程用于移动机器人的自主导航与控制。

7、仿生机构由于生物体构造、移动模式、运动机理、能量分配、信息处理与综合，以及感知和认识等方面已开展仿生机构的研究，目前，人工肌肉、以躯干为构件的蛇形移动机构、仿象鼻柔性臂、人造关节、多肢体动物的运动协调等将得到关注。

从自动机到工业机器人是一个飞跃，从一般工业机器人到积极探索和开发具有智能和功能强大的工业机器人将又是一个飞跃。

目前，工业机器人正处在一个蓬勃发展的阶段，随着科学技术的不断发展，工业机器人产业更将不断拓展，不断向新的领域进军。