第6章 工业机器人

6.1 工业机器人概述

20世纪中期，随着计算机技术、自动化技术、机械工程技术的发展，美国率先开始了工业机器人的研发工作，并将工业机器人成功运用于工业生产，奠定了工业机器人的发展基础。工业机器人的出现，是传统机构学与近代电子技术相结合的产物，如今，工业机器人已融入了多学科的前沿技术，综合了计算机科学技术、机械工程技术、电子工程技术、传感技术、控制理论、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代备受关注的研究开发领域，对国民经济发展有着举足轻重的作用。

工业机器人主要包含面向工业领域的多自由度串联机器人、多自由度并联机器人、多自由度串-并联机器人、多指机械手、无人自动小车（AGV）等，是自动执行工作的机器装置，靠自身动力和控制能力来实现各种功能。工业机器人能够接受和理解人类的指令，并按照设定的程序执行运动和作业功能。工业机器人的典型应用包括喷涂、焊接、磨削、搬运、装配、产品检测等，不同种类的工业机器人现已在各行各业得到了不同程度的应用。

工业机器人主要由机器人本体、控制器、伺服驱动器、传感器等部件构成，依据事先编制的程序完成特定的动作。工业机器人具有如下主要特点：

1）可编程。工业机器人依据事先编制的程序完成特定的动作，当工作环境或工作任务改变后，可以重新编制程序，从而使机器人在新的环境中执行新的动作，完成新的作业任务。

2）通用性。由于工业机器人的多关节（或自由度）特性和可编程特性，工业机器人可以执行不同的作业任务，具有较好的通用性。

3）自主性。工业机器人上布置有多种传感器，机器人能根据这些传感器检测到的环境与工作状态信息自主控制执行机构，完成相应作业任务。

随着科学和技术的不断发展，工业机器人也经历了三个主要发展阶段。

第一代机器人为示教再现机器人，主要由机器人本体、运动控制器和示教盒组成。操作者通过示教盒控制机器人运动，完成特定作业任务，机器人同时记录、保存机器人的运动信息。示教结束后，机器人根据保存的信息自动重复刚才的示教运动。该类机器人操作比较简单，通常完成点到点的运动、简单的直线和圆弧运动。

第二代机器人为离线编程机器人。首先建立机器人的运动学模型，求解机器人运动学模型的正反解，在离线情况下进行路径规划、生成机器人控制代码。其次建立机器人及其工作环境的三维实体模型，由生成机器人控制代码控制机器人三维实体模型进行仿真运动，检验程序的正确性。最后将正确的控制代码传递给机器人控制器，控制机器人运动。

第三代是智能机器人，它除了具有第一代和第二代的特点以外还带有各种传感器，该类机器人对外界环境不但具有感觉能力，而且具有独立判断、记忆、推理和决策的能力，能适应外部对象、环境协调地工作，能完成更加复杂的动作。在工作时通过传感器获得外部的信息，并进行信息反馈，然后灵活调整工作状态，保证在适应环境的情况下完成工作。

当前，工业机器人已经成为一种标准设备而在工业自动化行业广泛应用，由此也形成了一批具有国际影响力的工业机器人公司，如安川、OTC、松下、Fanuc、不二越、川崎、KUKA、CLOOS、ABB、COMAU及IGM公司。

随着工业机器人技术的不断成熟与完善，机器人的应用已从传统制造业推广到其他行业，如采矿、建筑、农业、灾难救援等。此外，在国防军事、医疗卫生、生活服务等领域机器人的应用也越来越多，如无人侦察机（飞行器）、警备机器人、医疗机器人、家用服务机器人等均有应用实例。机器人正在为提高人类的生活质量发挥着越来越重要的作用，已经成为世界各国抢占的高科技制高点。

国内外经济环境的变化倒逼产业转型升级，制造业向高端发展是必经之路。为了更好地适应市场经济的发展，需要利用机器人技术提升工业发展水平，完成从制造业大国向制造业强国的转变。随着产品性能提升的内在需求增加和劳动力价格上涨，产业转型升级的压力不断加大。工业机器人作为智能制造领域的代表，在产业转型升级的过程中正发挥着越来越重要的作用，工业机器人技术的发展水平也成为一个国家工业自动化水平的重要标志。