第一章工业机器人

第1章工业机器人及其发展

1.1工业机器人的发展历史回顾

“机器人”（Robota）一词最早出现在本世纪初的科幻小说中，是剧作家笔下的具有人的外表、特征和功能的机器，是一种人造的劳动力。在我国采用的是意译，而实际上的机器人特别是工业机器在外型上很少与人相似之处。

现代机器人的研究始于20世纪中期，其技术背景是计算机和自动化的发展以及原子能的开发和利用。

自1946年第一台数字电子计算机（ENIAC）研制成功以来，计算机取得了惊人的进步，目前正向高速、大容量、低价格的方向发展。

省力化和大批量生产等的迫切要求，推动了自动化技术的进展，其结果之一便是1952年数控机床的诞生。

另一方面，原子能实验室的恶劣环境要求某种操作机械代替人处理放射性物质，在这一背景下，美国原子能委员会的尔贡研究所于1941年开发了遥控机械手，1946年又开发了机械式的主从机械手。

1954年美国George .Devol最早提出了工业机器人的思想,发明了一种可编程序的关节型搬运装置,并申请了专利,该专利的要点是借助于伺服技术控制机器人的关节,利用人手对机器人进行示教,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。在此基础上，1958年美国的CONSOLIDATEEL公司制造了第一台工业机器人；作为机器人产业出售的最早实用机器人是1962年美国AMF公司推出的“VERSTRAN”和“UNIMATION”公司推出的“UNIMATE”，这些工业机器人的控制方式与NC机床大致相同，但外形特征迥异，主要由类似人的手和臂组成。由于历史条件和技术水平的关系，60年代机器人发展较慢。70年代后，焊接、喷漆机器人相继在工业中得到应用和推广。随着计算机技术、控制技术、人工智能的发展，机器人技术也得到了迅速发展，出现了更为先进的可配视觉、触觉的机器人。80年代，为了适应市场多变的需要，制造业在生产方式上产生了质的飞跃，多品种、小批量概念诞生，出现了适应此种生产模式的以NC 机床、加工中心和工业机器人为代表的柔性制造系统FMS。FMS是现代制造业革命进入历史新纪元的里程碑。工业机器人作为现代制造业的柔性设备受到人们的普遍重视。到80年代中期，世界工业机器人年增长率达到30%，迎来了工业机器人的大发展阶段,也因此80年被认为是机器人元年。

进入90年代以来，如何利用技术提供的可能性，抓住用户的心理，满足用户的愿望及要求，加速新产品的构思及概念的形成，并在最短的时间内开发出高质量及较低价格的新产品，成为市场竞争的新焦点。在现代制造自动化系统中，传统机械的机器人化以及新一代的机器人化机器，成为重要的发展方向，机器人再次受到青睐。

据国际机器人联合会1994年的统计，在全世界已投入运行的61万台工业机器人中，绝大多数用于制造业。例如，日本拥有世界机器人总数的60%，约37

万台，用于制造业的机器人占日本世界机器人总数的96%。现在每万名制造业职工拥有机器人约350台，日本汽车制造业职工大约使用811台机器人，机器人成为现代制造业的主力军。

各国制造企业家已取得共识,即提高劳动生产率，增加产量主要依靠机器人，而不是增加就业人数。据国际机器人联合会（IFR）1995年统计，机器人的销售增长较快，1995年比1994年增长了22%。预计1995年到1998年世界机器人销售的平均增长率为19%，到2000年，世界机器人的安装总数将增加到100万台。从应用领域来看，机器人主要集中在制造业的焊接、装配、机加工、电子、精密机械等领域。随着机器人的普及应用，工业机器人技术也取得较快发展。

近年来，工业机器人的传感器技术、控制技术、主体结构等关键技术也进展较快，目前已研制出各种新型机器人传感器。因此，下一世纪将是传感器发生革命性变化的时代。超小型化、高可靠性及廉价的新型传感器的出现，将从根本上改变机器人编程及控制系统的设计。

机器人新材料及弹性臂的研究，可能出现负载自重比为1/2的轻型机器人。在驱动单元研究方面，出现了传感器与驱动器一体化的趋势。

工业机器人的编程语言和编程方式也取得了较大进展，机器人语言将会象计算机语言一样规范化，机器人的编程也可望与机床的数控设备一样，完全实现离线编程。

由于工业机器人的应用范围不断扩大，机器人已从当初的柔性上下料装置变为可编程的高度柔性单元，由“部件发展方式”向“系统发展方式”转移。

21世纪的制造业将进入一个新的阶段，由面向市场多变生产转向面向顾客生产，敏捷制造企业（AGIENT ENTERPRISE）将是未来企业的主导模式，以机器人为核心的可重组的加工和装配系统，已成为工业机器人和敏捷制造业的重要发展方向。

1.2我国机器人技术研究发展概况

我国机器人学研究起步较晚，但进步较快，已经在工业机器人、特种机器人和智能机器人各个方面区的了明显的成就，为我国机器人学的发展打下了坚实的基础。

我国工业机器人起步于20世纪70年代初，经过20多年的发展，大致可分为三个阶段：70年代的萌芽期，80年代的开发期，90年代的实用化期。

在第一台机械手出现后20年，我国于1972年开始研制工业机器人，由上海起，接着天津，吉林，哈尔滨，广州，昆明等十几个研究单位和院校分别开发了固定程序、结合式、液压伺服型同用机器人，并开始了机构学（包括步行机构）、计算机控制和应用技术的研究，这些机器人大约有

1/3用于生产。

在该技术的推动下，随着改革开放方针的实施，我国机器人技术的发展得到政府的重视和支持，在80年代中期，国家组织了对工业机器人的需求的行业的调研，结果表明，对第二代工业机器人的需求主要集中于汽车行业（占总需要的60%～70%）。在众多的专家的建议和规划下，于“七五”期间，由机电部主持，中央各部委，中科院及地方十几所科研院所和大学参加，国家投入相当的资金，进行了工业机器人基础技术，基础元器件，几类工业机器人整机及应用工程的开

发研究，完成了示教再现式工业机器人成套技术（包括机械手、控制系统、驱动传动单元、测试系统的设计、制造、应用和小批量生产的工艺技术等）的开发，研制出喷涂、弧焊、点焊和搬运等作业机器人整机，几类专用和通用控制系统及几类关键元部件如交、直流伺服马达驱动单元机器人专用薄壁轴承、谐波传动系统、焊接电源和变压器等，并在生产中经过实用考核，其主要性能指标达到80年代初国际同类产品的水平，且形成小批量生产能力。在应用方面，在第二汽车厂建立的我国第一条采用国产机器人的生产线－东风系列驾驶室多品种混流机器人喷涂生产线，该线由7台国产PJ系列喷涂机器人和PM系列喷涂机器人和周边设备构成，已运行十年，完成喷涂20万辆东风系列驾驶室的生产任务，成为国产机器人应用的一个窗口；此外，还建立了几个弧焊和点焊机器人工作站。与此同时，还研制了几种SCARA型装配机器人样机，并进行了试应用。在基础技术研究方面，解剖了国外10余种先进的机型，并进行了机构学，控制编程，驱动传动方式，检测等基础理论与技术的系统研究。开发出具有国际先进水平的测量系统，编制了我国工业机器人标准体系和12项国标，行标。

为了跟踪国外高技术，80年代在国家高技术计划中，安排了智能机器人的研究开发，包括水下无缆机器人，高功能装配机器人（DD驱动）和各类特种机器人，进行了智能机器人体系结构，机构控制，人工智能机器视觉，高性能传感器及新材料的应用研究已取得一批成果。这些技术的实用化将加速我国第二代机器人的发展。

经过80年代尤其是后50年的努力，吸引了160多个单位从事机器人及其相关技术的研究力量，形成了京津、东北、华东、华南等机器人技术地区和十几家优势单位，培养了一支2000多人的工业机器人设计、研制、应用队伍，造就了一批机器人专家，使我国的工业机器人技术发展基本上可以立足于国内。

90年代初期，我国主要开发下列机器人及其相关技术：

1．喷涂机器人根据用户多方面的需求，开发了交流伺服离线编程机器人，喷涂机器人（顶喷、侧喷、仿形喷）小型马达器等系列产品，但还未达

到产品的定型，从需求出发开发了汽车喷涂生产线，马达，箱体，陶瓷

等生产线的机器人应用工程，共完成20条生产线及工作站。

2．焊接机器人进行了新机构的探索和焊缝跟踪、工装、变位机等的研究，近几年汽车行业和工程机械行业大量引进点焊、弧焊机器人，提出了许

多应用工程和维修技术问题需要解决。

3．搬运机器人根据用户需求，一些单位开发了码垛换力机器人，已在多条生产线上应用。

4．装配机器人及视觉、力觉等传感器技术得到高技术计划的支持，研制了高档样机，开始了应用工程。

在90年代中期，国家已选择以焊接机器人的工程应用为重点进行开发研究，从而迅速掌握焊接机器人应用工程成套开发技术、关键设备制造、工程配套、现场运行等技术，即以机器人焊接工艺为龙头，开展焊装线总体设计、线体总控及多机通讯，新型焊接机器人用焊接电源、送丝机构、焊缝跟踪系统、机电精度、控制技术等开发及完善化，以及几条焊装生产线的全套应用及其可靠性作为主攻目标。

90年代后期是实现国产机器人的商品化，为产业化奠定基础的时期。国内一些机器人专家认为：应继续开发和完善喷涂、点焊、弧焊、搬运等机器人系统应用成套技术，完成交钥匙工程。在掌握机器人开发技术和应用技术的基础上，