工业机器人技术及应用(教案)1-绪论

第一章绪论

1.1 什么是工业机器人

1.2 为何发展工业机器人

1.3 工业机器人发展概况

1.3.1 工业机器人的诞生

1.3.2 工业机器人的发展

1.4 工业机器人的分类及应用

1.4.1 工业机器人的分类

1.4.2 工业机器人的应用

学习目标

*掌握工业机器人的定义

*了解工业机器人的发展事由和历程

*熟悉工业机器人的常见分类及其行业应用

导入案例

富士康“百万机器人”上岗折射中国制造业升级

2011 年，富士康 CEO 郭台铭表示,希望到 2012 年底装配 30 万台机器人，到2014 年装配 100 万台，要在 5 到 10 年数年内通过自动化消除简单重复性的工序。机器人的投产使用，可将目前的人力资源转移到具备更高附加值的岗位上，这也符合将我国“人口红利”转为“人才红利”的大目标。

这一工业机器人的井喷潮涌，何时会蔓延到“中国制造”的每一个工厂、每一条生产线、每一个工序、每一个工位上，将为“中国制造”的转型提“智”做出何等贡献？我们对此充满期待。

课堂认知

1.1 什么是工业机器人

机器人涉及到人的概念，成为一个难以回答的哲学问题。

美国:一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置的，通过程序动作来执行种种任务的，并具有编程能力的多功能操作机。

日本: 一种带有存储器件和末端操作器的通用机械，它能够通过自动化的动作替代人类劳动。

中国: 一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或者生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。

ISO一种能自动控制，可重复编程，多功能、多自由度的操作机，能搬运材料、工件或操持工具来完成各种作业。

广义地说：工业机器人是一种在计算机控制下的可编程的自动机器。

它具有四个基本特征：

①特定的机械机构

②通用性

③不同程度的智能

④独立性

1.2 为何发展机器人

让机器人替人类干那些人不愿干、干不了、干不好的工作。

ABB 给出十大投资机器人的理由：第一，降低运营成本；第二，提升产品质量与一致性；第三，改善员工的工作环境；第四，扩大产能；第五，增强生产的柔性；第六，减少原料浪费，提高成品率；第七，满足安全法规，改善生产安全条件；第八，减少人员流动，缓解招聘技术工人的压力；第九，降低投资成本，提高生产效率；最后一点，节约宝贵的生产空间。

0 5 10 15 20 25 万元

使用机器人与普工的年均成本比较

1.3 工业机器人发展概况

1.3.1 工业机器人的诞生

1959 年，美国造出了世界上第一台工业机器人 Unimate ，可实现回转、伸缩、俯仰等动作。

Unimate

1.3 工业机器人发展概况

1.3.2 工业机器人发展现状和趋势

2005年， YASKAWA 推出可代替人完成组装或搬运机器人 MOTOMAN-DA20 和MOTOMAN-IA20 。

MOTOMAN-DA20 MOTOMAN-IA20

YASKAWA 机器人

2010 年意大利柯马（ COMAU ）推出 SMART5 PAL 机器人，可实现装载 / 卸载、多产品拾取、堆垛等。

SMART5 PAL

KUKA 公司推出 KR 5 arc HW （ Hollow Wrist ），其机械臂和机械手上有一

个 50 mm 宽的通孔，可以保护机械臂上的整套保护气体软管的敷设。

KR 5 arc HW

FANUC 推出的 Robot M-3iA 装配机器人采用四轴或六轴模式，具有独特的平行连接结构，具备轻巧便携的特点，承重范围可达 6 kg 。

Robot M-3iA

国际工业机器人技术日趋成熟，基本沿着两个路径在发展：一是模仿人的手臂，实现多维运动，典型应用为点焊、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，如搬运机器人。

机器人研发水平最高的是日本、美国与欧洲，他们在发展工业机器人方面各有千秋：

日本模式: 各司其职，分层面完成交钥匙工程。

欧洲模式: 一揽子交钥匙工程。

美国模式: 采购与成套设计相结合。

国产机器人与进口机器人尚存一定差距，具体现状如下：

第一，低端技术水平有待改善。

第二，产业链条亟待充实与规范。

1.4 工业机器人的分类及应用

1.4.1 工业机器人的分类

关于工业机器人分类，国际上没有制定统一的标准，可按负载重量、控制方式、自由度、结构、应用领域等划分。

1 、按机器人的技术等级划分

（ 1 ）示教再现机器人第一代工业机器人能够按照人类预先示教的轨迹、

行为、顺序和速度重复作业，示教可由操作员手把手进行或通过示教器完成。

手把手示教

示教器示教

（ 2 ）感知机器人第二代工业机器人程具有环境感知装置，能在一定度上适应环境的变化，目前已经进入应用阶段。

配备视觉系统的工业机器人

（ 3 ）智能机器人第三代工业机器人具有发现问题，并且能自主地解决问题的能力，尚处于实验研究阶段。

关于工业机器人分类，国际上没有制定统一的标准，可按负载重量、控制方式、自由度、结构、应用领域等划分。

2 、按机器人的机构特征划分

工业机器人的结构形式

1 直角坐标系

直角坐标机器人具有空间上相互垂直的多个直线移动轴，通过直角坐标方向的 3 个独立自由度确定其手部的空间位置，其动作空间为一长方体。

2 柱面坐标系

柱面坐标机器人主要由旋转基座、垂直移动和水平移动轴构成，具有一个回转和两个平移自由度，其动作空间呈圆柱形。

3 球面坐标系

球面坐标机器人空间位置分别由旋转、摆动和平移 3 个自由度确定，动作空间形成球面的一部分。

4 多关节坐标系

垂直多关节机器人模拟人手臂功能，由垂直于地面的腰部旋转轴、带动小臂旋转的肘部旋转轴以及小臂前端的手腕等组成，手腕通常有 2~3 个自由度，其动作空间近似一个球体。

水平多关节机器人结构上具有串联配置的两个能够在水平面内旋转的手臂，自由度可依据用途选择 2~4 个，动作空间为一圆柱体。

1.4.2 工业机器人的应用

按作业任务将工业机器人分为搬运、码垛、焊接、涂装、装配机器人。

机器人搬运被广泛应用于机床上下料、冲压机自动化生产线、自动装配流水线、码垛搬运、集装箱等的自动搬运。

机器人码垛被广泛应用于化工、饮料、食品、啤酒、塑料等生产企业，对纸箱、袋装、罐装、啤酒箱、瓶装等各种形状的包装成品都适用。

机器人焊接最早应用在装配生产线上。开拓了一种柔性自动化生产方式，实现了在一条焊接机器人生产线上同时自动生产若干种焊件。

机器人涂装被广泛应用汽车、汽车零配件、铁路、家电、建材、机械等行业

机器人装配被广泛应用于各种电器的制造行业及流水线产品的组装作业，具有高效，精确，不间断工作的特点。

本章小结

工业机器人是一种能自动定位控制并可重新编程予以变动的多功能机器。它有多个自由度，可用来搬运材料、零件和握持工具，以完成各种不同的作业。

工业机器人的发展过程可分为三代。第一代为示教 - 再现型机器人，它可以按照预先设定的程序，自主完成规定动作或操作，当前工业中应用最多。第二代为感觉型机器人，如有力觉、触觉和视觉等，它具有对某些外界信息进行反馈调整的能力，目前已进入应用阶段。第三代为智能型机器人，其尚处于实验研究阶段。