工业机器人

工业机器人机制0811,31号，吴益民1.工业机器人的定义1920年捷克作家卡雷尔·查培克在其剧本《罗萨姆的万能机器人》中最早使用机器人一词，剧中机器人“Robot”这个词的本意是苦力，即剧作家笔下的一个具有人的外表，特征和功能的机器，是一种人造的劳力。

它是最早的工业机器人设想。

20世纪40年代中后期，机器人的研究与发明得到了更多人的关心与关注。

50年代以后，美国橡树岭国家实验室开始研究能搬运核原料的遥控操纵机械手，它是一种主从型控制系统，主机械手的运动。

系统中加入力反馈，可使操作者获知施加力的大小，主从机械手之间有防护墙隔开，操作者可通过观察窗或闭路电视对从机械手操作机进行有效的监视，主从机械手系统的出现为机器人的产生为近代机器人的设计与制造作了铺垫。

1954年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。

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。

1959年第一台工业机器人在美国诞生，开创了机器人发展的新纪元。

1987年国际标准化组织对工业机器人进行定义: “工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能，能完成各种作业的可编程序操作机。

”2.工业机器人的基本分类工业机器人由主体、驱动系统和控制系统三个基本部分组成。

主体即机座和执行机构，包括臂部、腕部和手部，有的机器人还有行走机构。

大多数工业机器人有3～6个运动自由度，其中腕部通常有1～3个运动自由度；驱动系统包括动力装置和传动机构，用以使执行机构产生相应的动作；控制系统是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。

工业机器人按臂部的运动形式分为四种。

直角坐标型的臂部可沿三个直角坐标移动；圆柱坐标型的臂部可作升降、回转和伸缩动作；球坐标型的臂部能回转、俯仰和伸缩；关节型的臂部有多个转动关节。

工业机器人按执行机构运动的控制机能，又可分点位型和连续轨迹型。

点位型只控制执行工业机器人机构由一点到另一点的准确定位，适用于机床上下料、点焊和一般搬运、装卸等作业；连续轨迹型可控制执行机构按给定轨迹运动，适用于连续焊接和涂装等作业。

工业机器人按程序输入方式区分有编程输入型和示教输入型两类。

编程输入型是将计算机上已编好的作业程序文件，通过RS232串口或者以太网等通信方式传送到机器人控制柜。

示教输入型的示教方法有两种：一种是由操作者用手动控制器(示教操纵盒)，将指令信号传给驱动系统，使执行机构按要求的动作顺序和运动轨迹操演一遍；另一种是由操作者直接领动执行机构，按要求的动作顺序和运动轨迹操演一遍。

在示教过程的同时，工作程序的信息即自动存入程序存储器中在机器人自动工作时，控制系统从程序存储器中检出相应信息，将指令信号传给驱动机构，使执行机构再现示教的各种动作。

示教输入程序的工业机器人称为示教再现型工业机器人。

具有触觉、力觉或简单的视觉的工业机器人，能在较为复杂的环境下工作；如具有识别功能或更进一步增加自适应、自学习功能，即成为智能型工业机器人。

它能按照人给的“宏指令”自选或自编程序去适应环境，并自动完成更为复杂的工作。

3.工业机器人的发展阶段工业机器人诞生于20世纪60年代,在20世纪90年代得到迅速发展,是最先产业化的机器人技术。

它是综合了计算机、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。

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。

它从最初的萌芽，发展，到现在广泛的应用，主要经历了五个发展阶段。

第一阶段：技术准备期由于工业革命,出现了先进的自动动力源，广泛的使用数控机床，控制器，特别是“穿孔卡控制机构”的发展，为工业机器人的问世打下了技术基础。

20世纪60年代，出现了第一代工业机器人。

提到机器人的出现，不能不说到英格伯格（Engel Berger），他后来被誉为“机器人之父”。

1958年，英格伯格（Engel Berger）和德沃尔创建了世界上第一个机器人公司（Unimation公司），英格伯格任总经理。

1959年，设计出世界上第一台真正实用的工业机器人Unimate（意为“万能自动”）。

1962年，美国AMF（美国机械与铸造）公司也研制出Versatran（意为“万能搬运”）机器人。

在相当长的时期内，大家一提到机器人就是指以上两种机器人。

1969年，美国通用汽车公司用21台工业机器人组成了焊接轿车车身的自动生产线。

此后，各工业发达国家都很重视研制和应用工业机器人。

第二阶段：产业孕育期由于工业机器人具有一定的通用性和适应性，能适应多品种中、小批量的生产，70年代起，常与数字控制机床结合在一起，成为柔性制造单元或柔性制造系统的组成部分。

自此已经开始有小批量的生产了。

但作为机器人起源的美国政府从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，只是在几所大学和少数公司开展了一些研究工作。

致使日本和苏联等国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，产品在国际市场上形成了较强的竞争力。

中国的工业机器人的研究也是在这段时间发展起来的。

第三阶段：产业成形期进入80年代之后，随着欧美等发达国家的社会劳动力成本提高，以及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、恶劣环境下的作业的优越性。

工业机器人产业的市场初步形成了，第四阶段：产业发展期20世纪90年代，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展，机器人技术也得到了飞速发展。

工业机器人的制造水平、控制速度和控制精度、可靠性等不断提高，而机器人的制造成本和价格却不断下降。

在西方社会，和机器人价格相反的是，人的劳动力成本有不断增长的趋势。

在这样的社会背景下，工业机器人产业得到了蓬勃的发展。

第五阶段：智能化、网络化时期到了21世纪，随着计算机技术和人工智能技术的飞速发展，使工业机器人在功能和技术层次上有了很大的提高，移动机器人和机器人的视觉和触觉等技术就是典型的代表。

由于这些技术的发展，推动了机器人概念的延伸。

80年代，将具有感觉、思考、决策和动作能力的系统称为智能机器人，这是一个概括的、含义广泛的概念。

这一概念不但指导了机器人技术的研究和应用，而且又赋予了机器人技术向深广发展的巨大空间，水下机器人、空间机器人、空中机器人、地面机器人、微小型机器人等各种用途的机器人相继问世，许多梦想成为了现实。

将机器人的技术(如传感技术、智能技术、控制技术等)扩散和渗透到各个领域形成了各式各样的新机器——机器人化机器。

当前与信息技术的交互和融合又产生了“软件机器人”、“网络机器人”的名称，这也说明了机器人所具有的创新活力。

4.国内外工业机器人技术研究的现状为了使机器人能更好的应用于工业，各工业发达国家的大学、研究机构和大工业企业对机器人系统开发投入了大量的人力财力。

在美国和加拿大，各主要大学都设有机器人研究室，麻省理工学院侧重于制造过程机器人系统的研究，卡耐基—梅隆机器人研究所侧重于挖掘机器人系统的研究，而斯坦福大学则着重于系统应用软件的开发。

德国正研究开发“MOVE AND PLAY”机器人系统，使机器人操作就像人们操作录像机、开汽车一样。

除了这些研究单位，各大机器人企业也投入大量人力、财力开发机器人系统。

国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势：1 工业机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操做和维修)，而单机价格不断下降，平均单机价格从1991年的10.3万美元降至2002年的6.5万美元。

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，国外已有模块化装配机器人产品问世。

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，控制柜日渐小巧，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，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、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；多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。

例如日本本田公司投入无数科技研究心血的结晶——目前全球唯一具备人类双足行走能力的类人型机器人阿西莫(ASIMO，Advanced?Step?Innovative?Mobility，高级步行创新移动机器人)，以憨厚可爱的造型博得许多人的喜爱。

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使用化阶段。

美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名的实例。

7 机器人化机械开始兴起。

从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。

我国的机器人研究相对开始较晚。

先后经历了上世纪70年代的萌芽期，80年代的开发期和90年代的适用化期。

1972年，在中国科学院沈阳自动化所里，被誉为“中国机器人之父”的蒋新松在诸多争议声中开始了机器人研究。

1977年，沈阳自动化所将智能和机器人技术确定为学科发展方向。

之后，中科院自动化学科的发展规划正式纳入机器人技术研究。

进入80年代后，我国机器人技术的开发与研究得到了政府的重视与支持。

“七五”期间，国家投入资金，对工业机器人及其零部件进行攻关，研制出喷涂、点焊、弧焊和搬运机器人等五类机型。

国家“863”计划开始实施后，跟随世界机器人的发展潮流，智能机器人主题成为主要研究方向，国内也建立了一批优秀的机器人研究基地，如北航机器人研究所、哈工大机器人研究所、上海交大机器人研究所等。

历经几年，他们成功地研制出了一批特种机器人。

90年代初期，我国的工业机器人也在实践中迈进了一大步。

点焊、弧焊、装配、喷漆、切割等各种用途的工业机器人相继出炉，形成了一批机器人产业化基地。

中科院沈阳自动化所研制成功的6000米水下机器人，能够无缆进行作业，获得2000年国家十大科技成果之一。

该潜水器在2006年4月24日在中华世纪坛举行的“中国大洋资源研究开发15年内成果展”上首次亮相的，由七〇二研究所研制，是世界最大潜深载人潜水器，潜深达7000米。