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1、-工业机器人综述-第 9 页工业机器人综述洪进生摘要随着时代的发展，工业生产逐渐步入自动化，而工业机器人也在这一领域大显神威。对于在制造环境中下使用的工业机器人，国际标准化组织（ISO）将工业机器人定义为：通过自动控制而具有操作功能和移动功能，以及可以通过编程来完成各种作业的机器。更具体地说，工业机器人是具有多轴和通用的自动机械，它的动作可以自动控制，并且通过程序可以调节各个轴的关节角（轨道），通过传感器反馈可以进行实时控制。工业机器人通过安装在其机械臂的机器手或其他制造用辅助工具，就能进行生产加工或产品制作等。机器人最早应用于汽车制造工业，常用于焊接、喷漆、上下料和搬运。工业机器人延伸和扩大
2、了人的手足和大脑功能，它可代替人从事危险、有害、有毒、低温和高热等恶劣环境中的工作；代替人完成繁重、单调重复劳动，提高劳动生产率，保证产品质量。目录一、工业机器人的分类（按功能）1二、工业机器人的国内外发展状况1三、工业机器人的基本组成31、驱动系统32、机械结构系统33、感受系统44、机器人-环境交互系统45、人机交互系统46、控制系统4四、工业机器人的技术参数51、自由度52、精度53、工作范围54、速度55、承载能力6五、工业机器人的控制系统6（一）组成6（二）主要功能7（三）控制方式8六、工业机器人的发展趋势8七、结语9八、参考文献9一、工业机器人的分类（按功能）如下表机械臂及机械手相
3、当于人的手臂，在机械臂的前端装有机械手固定顺序机器人按照预先设定好的顺序、条件、位置，逐步完成各阶段任务，但更改预先设定非常不便可变顺序机器人功能与固定顺序机器人相同，但能方便的修改预先设定示教机器人预先有人对机械手的动作进行示教，并将作业的顺序、位置、其他信息记录下来，在工作时再将它们读出来，由机械臂及机械手完成相关作业数控机器人将顺序、位置、其他信息变成署执行时的命令，让机械臂及机械手完成作业智能机器人根据自己的感觉机能和认识机能来决定自己行动的机器人二、工业机器人的国内外发展状况我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，目前已基本
4、掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人；其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线（站）上获得规模应用，弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如：可行性低于国外产品；机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距；在应用规模上，我国已安装的国产工业机器人约200台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求
5、，“一个客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程。在国外，工业机器人技术日趋成熟，已经成为一种标准设备被工业界广泛应用。从而，相继形成了一批具有影响力的、著名的工业机器人公司，它们包括：瑞典的 ABB Robotics，日本的FANUC、Yaskawa，德国的KUKA Roboter，美国的Adept Technology、American Robot、Emerson Industrial Automation、S-T
6、 Robotics，意大利COMAU，英国的AutoTech Robotics，加拿大的Jcd International Robotics，以色列的Robogroup Tek公司，这些公司已经成为其所在地区的支柱性产业。在国内，工业机器人产业刚刚起步，但增长的势头非常强劲。三、工业机器人的基本组成工业机器人有三大部分六个子系统组成。这三大部分是：机械部分、传感部分、控制部分。六个子系统是：驱动系统、机械结构系统、感受系统、机器人-环境交互系统、人机交互系统、控制系统，如下图所示。1、 驱动系统机器人运行起来需给各个关节即每个运动运动自由度安装传动装置，这就是驱动系统。驱动系统可以是液压、气动
7、或电动的，也可以是把它们结合起来应用的综合系统。2、 机械结构系统工业机器人的机械结构系统由机身、手臂、手腕、末端操作器四大件组成，手臂一般由上臂、下臂和手腕组成、末端操作器是直接装在手腕上的一个重要部件，它可以是二手指或多手指的手爪，也可以是喷漆枪、焊具等作业工具。3、 感受系统感受系统由内部传感器和外部传感器组成，获取内部和外部环境状态中有意义的信息。现也可以应用智能传感器提高机器人的机动性、适应性和智能化水平。4、 机器人-环境交互系统工业机器人环境交互系统是实现工业机器人和外部环境中设备相互联系和协调的系统。工业机器人与外部设备集成成为一个功能单元，如加工制造单元、焊接单元、装配单元等
8、。5、 人机交互系统人机交互系统是使操作人员参与机器人进行交互的装置，可分为两大类：指令给定装置，如示教盒、触摸屏等；信息显示装置，如显示器等。6、 控制系统控制系统的任务是根据机器人的作业指令程序以及从传感器反馈回来的信号支配机器人的执行机构完成规定的运动和功能。四、工业机器人的技术参数1、 自由度自由度是指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目，不应包括手爪（末端操作器）的开合自由度。从运动学的观点来看，在完成某一特定作业时具有多余自由度的机器人，就叫做冗余自由度机器人。2、 精度工业机器人的精度是指定位精度和重复定位精度。定位精度是指机器人手部实际到达位置与目标位置之间的差异。重复定位精度是
9、指机器人重复定位其手部于同一目标位置的能力，可以用标准偏差这个统计量来表示，它是衡量一列误差值的密集度，即重复度。3、 工作范围工作范围是指机器人手臂末端或手腕中心所能达到的所有点的集合。因为末端操作器的尺寸和形状是多种多样的，为了真实反映机器人的特征参数，所以是指不安装末端操作器时的工作区域。工作范围的形状和大小是十分重要的，机器人在执行作业时可能会因为存在手部不能达到的作业死区而不能完成任务。4、 速度速度和加速度是表明机器人运动特性的主要指标。说明书中通常提供了主要运动自由度的最大稳定速度，但在实际应用中单纯考虑最大稳定速度是不够的。这是因为有驱动器输出功率的限制，从启动大大最大稳定速度
10、到停止，都需要一定时间。如果最大稳定速度高，允许极限加速度小，则加减速的时间就会长一些，对应用而言的有效速度就要低一些。所以考虑机器人运动特性时，除主义最大稳定速度外，还应注意其最大允许速度。5、 承载能力承载能力是指机器人在工作范围内的任何位置所能承受的质量。承载能力不仅取决于负载的质量，而且还与机器人运行的速度和加速度的大小和方向有关。为了安全起见，承载能力这一技术指标是指高速运行时的承载能力。通常，承载能力不仅指负载，而且还包括了机器人末端操作器的质量。五、 工业机器人的控制系统（一）组成工业机器人控制系统主要包括硬件和软件两部分。硬件主要有传感装置、控制装置和关节伺服驱动部分。软件主要
11、指控制软件，包括运动轨迹规划算法和关节伺服控制算法等动作程序。一个完成的工业机器人控制系统包括以下几部分：1、 控制计算机。它是控制系统的调度指挥机构。2、 示教盒。它用来示教机器人的工作轨迹和参数设定，以及一些人机相互操作。3、 操作面板。它由各种操作按键、状态指示灯构成，只完成基本功能操作。4、 应按和存储机器人工作程序的外部存储器。5、 数字和模拟量的输入和输出，各种状态和控制机器人柔顺控制。6、 打印机接口。它记录需要输出的各种信息。7、 传感器接口。它用于信息的自动检测，实现机器人柔顺控制。8、 轴控制器。它一般包括各关节的伺服控制器，完成机器人的各关节位置、速度和加速度控制。9、
12、辅助设备控制。它主要用于和机器人配合的辅助设备控制。10、 通信接口。它主要实现机器人和其他设备的信息交换。（二） 主要功能1、 示教再现功能。示教再现控制是指控制系统可以通过示教盒或手把手进行示教，将动作顺序、运动速度、位置等信息用一定的方法预先交给工业机器人，由工业机器人的记忆装置将所教的操作过程自动的记录在存储器中，当需要再现操作时，重放存储器中存储即可。2、 运动控制功能。运动控制功能是指对工业机器人末端操作器的位姿、速度、加速度等项的控制。（三） 控制方式1、 点位控制方式。这种控制方式的特点是只控制工业机器人末端执行器在作业空间中某些规定的离散点上的位姿。控制是指要求工业机器人快速
13、、准确地实现相邻个点之间的运动，而对达到目标点的运动轨迹则不作任何规定。2、连续轨迹控制方式。这种控制方式的特点是连续地控制工业机器人末端执行器在作业空间中的位姿，要求其严格按照预定的轨迹和速度在一定的精度要求运动，而且速度可控，轨迹光滑且运动平稳，已完成作业任务。3、 力（力矩）控制方式。在完成装配、抓放物体等工作时，除要准确定位之外，还要求使用适度的力或力矩进行工作，这时就要利用力（力矩）伺服方式。4、 智能控制方式。机器人的智能控制是通过传感器获得周围环境的知识，并根据自身内部的知识库相应作出决策。采用智能控制技术，是机器人具有较强的环境适应能力及自学能力。六、 工业机器人的发展趋势从近
14、几年国内外推出的工业机器人产品来看，工业机器人及其技术正在向智能化、模块化和系统化的方向发展，其发展趋势主要为：（1）结构模块化和可重构化；（2）控制技术开放化、PC化和网络化；（3）伺服驱动技术数字化和分散化；（4）多传感器融合技术实用化；（5）工作环境设计优化、作业柔性化、系统网络化、作业智能化等，其中工业机器人的系统网络化是工业机器人目前研究的一个热点。七、 结语随着机械、电子、控制理论和技术的发展，工业机器人的发展日新月异，其应用越来越广泛，工业机器人使人类工业逐步步入自动化时代，生产力得到极大提高。此外，机器人技术的发展同时也使机器人进入人们的日常生活提供服务成为可能。八、 参考文献1蒋刚，蔡勇，刘念聪 工业机器人M.西南交通大学出版社，2011.12肖南峰 工业机器人M.机械工业出版社，2011.103郭洪红 工业机器人运用技术M.科学出版社，2008.74厉虹 杨黎明 伺服技术M.国防工业出版社，2008.85工业机器人（面向工业领域的机器人） EB/OL.6工业机器人的现状及发展趋势 EB/OL. 7 工业机器人的特性参数和技术要求 EB/OL.8赖维德 工业机器人技术EB/OL.