工业机器人编程与操作-基于KUKA工业机器人

项目一认识工业机器人

【知识点】

◇工业机器人的定义；

◇工业机器人的产生和发展；

◇工业机器人的分类；

◇工业机器人的技术构成；

◇工业机器人的一般组成和工作原理；

◇KUKA机器人系统的结构和功能；

◇工业机器人安全注意事项

【技能点】

◇了解工业机器人的定义

◇认识KUKA机器人的系统组成

◇掌握工业机器人操作的安全注意事项

任务一工业机器人基础知识

【任务描述】

本任务主要学习工业机器人的产生和发展历程，了解世界各国对工业机器人的定义，工业机器人的分类和特点、以及工业机器人的应用领域，做到正确认识工业机器人，明白学习这门课程的意义。

【知识学习】

一、工业机器人的产生与发展

机器人（Robot）一词最早来自于1920年捷克作家Karel Capek所编写的科幻剧本《罗萨姆的万能机器人》（Rossums Universal Robots），Capek根据捷克语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。

“工业机器人”最初来自美国人乔治·德沃尔(Georg C.Devol)于1954年注册的专利Programmed Article Transfer。其中描述了“示教再现机器人”的概念——借助伺服技术控制机器人的关节，通过示教（teaching）与再现（playback）控制机械实现从一点到另一点的运动。这种机械能按照不同的程序从事不同的工作，因此具有通用性和灵活性。

1958年，美国的约瑟夫·英格尔伯格（Joseph F. Engelberger）和乔治·德沃（George Devol）创建了世界上第一个机器人公司――Unimation公司，并参与设计了第一台Unimate机器人，意思是“万能自动”，如图1-1所示，该机器的基座上，有一个大机械臂，大臂可绕轴在基座上转动，大臂上又伸出一个小机械臂，它相对大臂可以伸出和缩回。小臂顶有一个腕关节，可绕小臂转动，进行俯仰和横滚，腕关节前部是机械手及操作器。该机器人的功能和人类的手臂功能相似，能用于压铸的5轴液压驱动，手臂的控制由一台专用计算机完成，采用分离式固体数控元件，并装有存储信息的磁鼓，能够记忆完成180个工作步骤。

图1-1 Unimate机器人

1962年美国机械与铸造公司（AMF）也制造出工业机器人Versatran，意思是“万能搬运”。Versatran机器人如图1-2所示，它主要用于机器之间的物料运输，采用液压驱动，该机器人的手臂可以绕底座回转，沿垂直方向升降，也可以沿半径方向伸缩，可作点位和轨迹控制。一般认为，Unimate和Versatran机器人是世界上最早的工业机器人，并且至今仍在使用。

图1-2 Versatran机器人图1-3 PUMA机器人20世纪70年代，随着计算机技术、现代控制技术、传感技术、人工智能技术的发展，机器人得到了迅速发展。1970年4月，在伊利诺伊大学召开了全美第一届工业机器人会议，此时，美国已经有200余台工业机器人工作自动化生产线上。

1974年Cincinnati Milacron公司开发成功多关节机器人。

1979年，Unimation公司又推出了PUMA机器人，如图1-3所示，它是一种多关节、全电动驱动、多CPU二级控制，采用VAL专用语言，可配视觉、触觉、力觉传感器，在当时是一种技术先进的工业机器人，现在的工业机器人结构大体上是以此为基础的。

日本机器人的发展，经历了20世纪60年代的摇摆期、70年代的实用化时期以及80年代的普及期、提高期三个阶段。1967年，日本东京机械贸易公司首注公司引进Versatran机器人。1968年，日本川崎重工与美国Unimation公司签署国际技术合作协议，从美国引进Unimation机器人，并于1970年实现国产化。从此日本进入了开发和应用机器人的新时代。1980年，机器人技术在日本取得了极大的成功与普及，所以1980年被日本人称作“日本的机器人元年”。1983年，美国从日本进口的机器人占美国进口机器人总数的78%。现在，日本拥有的机器人数量约占到全世界机器人总台数的65%，而且其制造技也处于领先位置，因此，被称为“机器人王国”。

我国工业机器人起步于20世纪70年代初期，经过40多年的发展，大致经历了三个阶段：20世纪70年代的萌芽期、80年代的开发期和90年代以后的实用化期。目前，我国研制的工业机器人已经达到工业应用的水平。现在，国家更加重视工业机器人的发展，越来越多的企业、高校和科研院所投入到机器人

的应用开发中来。

回顾机器人的发展历程，机器人的发展主要经历了以下三个阶段。

（1）可编程、示教再现型机器人。为了让机器人顺利完成预期的作业，首先由操作者通过示教盒对机器人的运行轨迹、作业顺序等进行示教，并由控制系统将示教指令记忆、存储。在机器人工作时，根据再现指令顺序取出示教指令，经过编译，在一定精度范围内复现示教动作。这种机器人通常不具备移动能力，主要应用于工业生产中的流水线操作，用来代替工人的烦琐劳动，如美国Unimation公司的Unimate机器人，美国AMF公司开发的Versatran机器人以及英国Hall Automation公司开发的SAMP机器人等。这类机器人通常只具有驱动器模块，而没有感知映射模块和认知映射模块，因此并不具备感知能力和认知能力。

（2）具有简单感知能力的机器人。具有简单感知能力的机器人装备了多种传感器，如摄像头、声纳、红外探测器、激光测距仪等收集外界环境信息，并通过简单的映射关系实现机器人肢体的运动。其中最具代表性的就是自主移动机器人，这类机器人一般装备有激光测距仪、雷达装置，借助于电子地图或GPS定位系统在室内或野外进行移动、定位及避障等功能，它们多用于在自然条件恶劣、人类无法到达或过于危险的环境中工作，如2004年美国发射的火星探测器“漫步者A”所携带的“勇气号”火星车，伊拉克战争中美军使用的“角斗士”无人驾驶战车，美国国防部高级研究项目署DARPA举办的无人驾驶汽车挑战赛。这类机器人已经具备感知映射模块和驱动器模块，但一般不具备认知映射模块，它们主要通过事先编写好的程序实现从感知到运动的映射，因此这类机器人基本上没有认知能力，或只有很简单的认知能力。

（3）同时具有感知和认知能力的智能机器人。装有多种传感器，并能将多种传感器探测到的信息进行融合，不但具有感知和认知能力，能有效地适应环境的变化，自适能力强，还具有自主学习的能力，能够通过学习处理各类问题。在这一点上，其“智能”很大程度上是通过学习产生的，而不像前两代机器人的智能是直接来自于程序员编写好的操作程序。第三代机器人多数具有人形的外表，在认知能力上主要基于人工智能、遗传算法、模糊控制、神经网络等比较先进的手段，通过学习逐步积累知识，完成比较复杂的任务。此外，模拟人