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1、工业机器人的概述知识目标掌握工业机器人的定义了解工业机器人的起源和发展历程了解工业机器人的产业发展现状熟悉工业机器人的技术应用现状了解工业机器人未来的发展趋势熟悉工业机器人的常见分类以及各分类下工业机器人的特点任务1 认识工业机器人任务描述自工业革命以来，人力劳动逐渐被机械和自动化产品所取代，这极大地推动了人类社会的发展进步。各国各行业对工业机器人均有各自的定义，学生需对这些定义进行充分理解，并从不同定义中找到共同点，总结出工业机器人的特性。本任务的逻辑结构见图1-1。工业机器人的定义工业机器人的特性图 1-1相关知识什么是工业机器人？遗憾的是，由于工业机器人正在蓬勃发展，新的机型和功能还在不
2、断涌现，关于它的定义，各国专家们始终不能达成一致。相关知识工业机器人现代制造业重要的自动化装备信息和传感技术机器人学的一个分支计算机机构学人工智能仿生学控制论相关知识为了规定技术、开发机器人新的工作能力和比较不同国家的成果，就需要对工业机器人这一术语有某些共同的理解。现在各国有自己的定义，主要有以下几种:（1）美国机器人协会（RIA）的定义 “机器人是一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置的，通过可编程序动作来执行种种任务的，并具有编程能力的多功能机械手（manipulator）”。（2）日本工业机器人（JIRA）的定义 “工业机器人是一种装备有记忆装置和末端执行器（end effecto
3、r）的，能够转动并通过自动完成各种移动来代替人类劳动的通用机器”。（3）国际标准化组织（ISO）和中国国家标准（GB/T12643-9）的定义 “工业机器人是一种能自动定位控制，可重复编程的多功能的、多自由度的操作机。能搬运材料、零件或操持工具来完成各种作业”。相关知识尽管各国定义不同，但基本上指明了工业机器人具有以下4个共同点：1）是一种机械装置，可以搬运材料、零件、工具，或者完成多种操作和动作功能。2）是可以再编程的，具有多种多样流程程序的，可从事多种工作，可灵活改变动作程序。3）具有不同程度的智力，如记忆、决策、感知、推理、学习等。4）具有独立性，完整的机器人系统在工作中可以不依赖于人的
4、干预。不管工业机器人的解释和定义如何，人们开发研究工业机器人的最终目标是一致的，那就是研制出一种能够结合人的所有动作特性通用性、柔软性、灵活性的自动机械。任务2 探索工业机器人的历史任务描述从古代的神话传说，到现代的科幻小说、戏剧、电影和电视，都有许多关于机器人的精彩描绘。至今，机器人迈入高速发展的时代。学生需了解机器人的悠久历史和阿西莫夫提出的“机器人三定律”，并熟悉现代工业机器人的重要发展事件。本任务的逻辑结构见图1-2古时机器人的雏形和畅想现代工业机器人的发展历程图1-2相关知识人类对于机器人的梦想已延绵数千年，公元前3世纪，传说古希腊发明家戴达罗斯用青铜为克里特岛国王麦诺斯塑造了一个守
5、卫宝岛的青铜卫士塔罗斯。西周时期，我国的能工巧匠偃师发明了能歌善舞的伶人，这是我国最早记载的具备有机器人概念的文字资料。到了三国年间，流传诸葛亮是一位机械制造的行家，在三国志中记载蜀汉建元九年（公元231年）孔明第四次北伐的粮草“以流马运”的记载，甚至还涉及到制作方法和尺寸比例。书中说，木牛流马这种工具“载多而行少”，“人行六尺，牛行四步，每牛载数十人所食一月之粮，人不大劳，牛不饮食”。木牛流马虽已失传，但其明显具有机器人的功能和结构。相关知识到了现代，机器人频繁出现在科幻小说和电影中，不难看出人类对机器人的向往。1920年，捷克剧作家卡雷尔开培克在他的幻想情节剧罗萨姆的万能机器人中第一次提出
6、“机器人”这个名词。1950年，美国著名科学幻想小说家伊赛克阿西莫夫在他的小说我，机器人中，提出了有名的“机器人三定律”：1）机器人必须不危害人类，或看到人类受到伤害而袖手旁观。2）机器人必须绝对服从于人类，除非这条命令与第一条相矛盾。3）机器人必须保护自身不受伤害，除非这种保护与以上两条相矛盾。相关知识现代机器人的研究始于20世纪中期，由于计算机和自动化的发展，以及原子能的开发利用，使得现代工业机器人发展迅速。现代工业机器人发展阶段中发生的重要事件见表1-1表1-1 现代工业机器人发展阶段中发生的重要事件时间/年年 领域域事件事件1954理论美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，设计并制作了
7、世界上第一台机器人实验装置，并申请了专利1955理论丹纳维特和哈顿贝格提出了工业机器人的运动学基础齐次变换1959工业美国英格伯格和戴沃尔联手制造出世界上第一台工业机器人Unimate，见图1-11960工业世界上第一家机器人制造工厂Unimation公司成立1962工业美国AMF公司生产出“VERSTRAN”（意思是万能搬运），与Unimate一样成为真正商业化的工业机器人，并出口到世界各国，掀起了全世界对机器人和机器人研究的热潮相关知识1962-1963技术传感器的应用提高了工业机器人的可操作性1965技术麻省理工学院推出了世界上第一个具有视觉传感器的、能识别与定位简单积木的机器人系统20
8、世世纪60年代年代中期中期技术美国麻省理工学院、斯坦福大学、英国爱丁堡大学等陆续成立了机器人实验室。美国兴起研究第二代带传感器、“有感觉”的机器人，并向人工智能进发1967理论日本成立了人工手研究会（现改名为仿生机构研究会），同年召开了日本首届机器人学术会1968技术美国斯坦福研究所成功研发机器人Shakey，它可以算是世界上第一台智能机器人，拉开了第三代机器人研发的序幕1969技术日本早稻田大学加藤一郎实验室研发出第一台以双脚走路的机器人1970理论美国召开了第一届国际工业机器人学术会议，在此以后，机器人的研究得到迅速广泛的普及相关知识1971理论日本工业机器人协会成立1973工业辛辛那提米
9、拉克隆公司的理查德豪恩制造了第一台由小型计算机控制的工业机器人，它是液压驱动的，能提升的有效负载达45kg1978工业美国Unimation公司推出通用工业机器人PUMA，标志着工业机器人技术已经完全成熟1978工业日本牧野洋发明SCARA装配机器人1980工业工业机器人真正在日本普及，故称该年为“机器人元年”，此后，工业机器人在日本迅速发展，日本因此被称为“机器人王国”1984民用美国英格伯格再推机器人Helpmate，这种机器人能在医院里为病人送饭、送药、送邮件1998民用丹麦乐高公司推出机器人(Mind-storms)套件，让机器人制造变得跟搭积木一样，相对简单又能任意拼装，使机器人开始
10、走入个人世界相关知识1999民用日本索尼公司推出犬型机器人爱宝（AIBO），从此娱乐机器人成为目前机器人迈进普通家庭的途径之一2002民用丹麦iRobot公司推出了吸尘器机器人Roomba，它能避开障碍，自动设计行进路线，还能在电量不足时，自动驶向充电座。Roomba是目前世界上销量最大、最商业化的家用机器人2006民用微软公司推出MicrosoftRoboticsStudio，机器人模块化、平台统一化的趋势越来越明显，比尔盖茨预言，家用机器人很快将席卷全球2007民用Aldebaran机器人公司对外公开展示了一款小型拟人化机器人“Nao”，这是目前世界上最为广泛应用的仿人智能机器人2013民
11、用全球首例由人造器官合成的仿生人诞生，仿生技术成为机器人领域专家学者的研究热点2015民用谷歌在2013年收购8家机器人公司之后，又成功申请一项新的专利“计算机系统”，该系统通过云技术帮助，允许用户同时为多个机器人分配任务相关知识图1-3 世界上第一台工业机器人Unimate扩展知识艾萨克阿西莫夫（Isaac Asimov，1920年1月2日1992年4月6日），美国著名科幻小说家、科普作家、文学评论家，美国科幻小说黄金时代的代表人物之一。阿西莫夫一生著述近500本，题材涉及自然科学、社会科学和文学艺术等许多领域。阿西莫夫被认为是一位反对伪科学、超自然现象和宗教迷信的先锋斗士。他自称是科幻小说
12、中“属于比较认真的那一派”，强调作品的科学性，反对粗制滥造和毫无根据的胡思乱想。他的科幻作品不仅牢固地建立在科学的预测基础之上，而且还具有高度的思想性和艺术性，真正反映了科学技术的发展及其对人类社会的进步所产生的巨大影响，帮助人们扩大视野，创造性地思索未来，向未知的领域延伸、拓展。在阿西莫夫刚开始写机器人小说时，机器人学未发展出来；等到这门科技发展得相当有成果时，几乎每一本有关机器人学发展史的书籍都提到他、他的小说与他发明的“机器人三定律”，“机器人学三定律”被称为“现代机器人学的基石”。任务3 知晓工业机器人的现在任务描述第三次工业革命的浪潮袭来，工业机器人成了世界制造大国们争先抢占制高点的
13、重要工具。学生可从销量、行业分布、各国使用密度等方面了解全球和我国的工业机器人产业发展现状，并从各类技术的应用中了解工业机器人智能化和多样化的技术应用现状。本任务的逻辑结构见图1-4。工业机器人的发展现状产业发展现状技术应用现状图1-4相关知识1.工业机器人的产业发展现状 国际机器人联合会（IFR）于2016年6月22日发布的一组新数据显示，2015年全球工业机器人销量增长了12%，达到24.8万台，达到有史以来的最高水平，我国以6.7万台的用量成为工业机器人的第一大市场。2002-2015年全球工业机器人销量的变化情况见图1-5，从图中可以看出，自2010年以来，由于自动化趋势的持续推进以及
14、工业机器人技术的不断创新，全球对工业机器人的需求量不断增长。图1-5 2002-2015年全球工业机器人销量相关知识1.工业机器人的产业发展现状 在所有行业中，工业机器人的销量都有所增长，而汽车产业和电气/电子行业是造成其增长的主要驱动力，按需求来看，电机与电子、金属、橡胶与树脂等行业拉动了整体增速。2014年世界各行业工业机器人增长量占有比例见图1-6图1-6 2014年世界各行业工业机器人增长量占有比例相关知识1.工业机器人的产业发展现状近年来工业机器人行业应用分布情况见图1-7。经过四十多年的发展，工业机器人已在越来越多的领域得到了应用，如汽车制造业、金属制品工业、橡胶及塑料工业、电子电
15、气工业和食品工业等，工业机器人正逐步取代人工操作，主要从事毛坯制造(冲压、压铸、锻造等)、机械加工、焊接、热处理、表面涂覆、上下料、装配、检测及仓库堆垛等工作。图1-7 世界各行业工业机器人占有比例相关知识1.工业机器人的产业发展现状 有专家预计，到2020年，我国将拥有30万台机器人，机器人及系统产值将达到1000亿元，有望带动3000亿元零部件市场。中国机器人市场之所以迎来迅猛的增长势头，一个重要原因是：我国目前工业机器人使用密度仍然远低于全球平均水平。2015年工业机器人主要市场使用密度对比图见图1-8，全球工业机器人销售总量的70%分布在这五大主要市场：中国、日本、美国、韩国、德国，其
16、中，在中国仅有36台/千人的机器人使用密度，不到韩国的1/10，与世界平均水平的66台/千人也有较大差距。由于较低的使用密度，国产机器人最大的机遇所在，当属广阔的市场无疑，中国大量的工作场所等待机器人的替代。图1-8 2015年工业机器人主要市场的使用密度对比图相关知识2.工业机器人的技术应用现状近年来随着技术发展，工业机器人技术日新月异，从技术发展趋势看，工业机器人正 不断向智能化和多样化方向发展。具体而言，工业机器人现有的先进技术如下。（1）模块化设计技术 工业机器人的机械结构向着模块化、可重构化方向发展，大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性，如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统
17、三位一体化，由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机等。（2）传感技术 除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了激光传感器、视觉传感器和力传感器，实现了焊缝自动跟踪和自动化生产线上的自动定位以及精密装配作业等。遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制。相关知识2.工业机器人的技术应用现状（3）网络通信技术 日本安川公司和德国库卡公司的最新机器人控制器已实现了与Canbus、Profibus 总线及一些网络的联接，使机器人由过去的独立应用开始向网络化应用发展，也使机器人由过去的专用设备向标准化设备迈进。（4）遥控和监控技术
18、在一些诸如核辐射、深水、有毒等高危险环境中需要使用遥控机器人代替人去作业。当代遥控机器人系统致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名案例。相关知识2.工业机器人的技术应用现状（5）虚拟机器人技术 虚拟现实技术在机器人中的应用已从仿真、预演发展到过程控制，基于多传感器、多媒体和虚拟现实以及临场感技术，实现机器人的虚拟操作和人机交互，如使操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵遥控机器人。（6）多智能体调控技术 多智能体技术的目的在于解决大型、复杂的现实问题，而解决这类问题已超出了单个智能体
19、的能力。该技术主要针对多智能体的群体体系结构、相互间的通信与磋商机理，感知与学习方法，建模和规划、群体行为控制等方面进行研究。扩展知识美的集团：持有库卡股份将超过50%据英国路透社2016年7月8日报道，外界关注的中国美的集团收购德国工业机器人生产商库卡已有新进展。据美的集团披露，截止6日晚，接受要约收购的库卡集团股份占比已达43.74%，加上之前美的集团的已有持股，美的集团所持有库卡集团股份将超过50%。德国库卡机器人公司是全球领先的工业机器人制造商，拥有百年历史。作为全球工业机器人四大家族之一，库卡机器人种类齐全、多种多样，几乎涵盖了所有负载范围和机器人类型。库卡旗下有库卡机器人、库卡系统
20、和自动化的瑞仕格，年产1万台工业机器人。在汽车制造领域库卡机器人的市场份额排在全球第一，在一般工业领域机器人的市场份额也位于欧洲前三名。现今的库卡专注于向工业生产过程提供先进的自动化解决方案。图1-9为2015年东京国际机器人展览会上库卡公司所展示的机器人。图图1-9 2015年东京国际机器人展览会上的库卡机器人年东京国际机器人展览会上的库卡机器人扩展知识中国工业转型升级和消费品催生了旺盛的工业机器人需求。但目前“四大家族”占据全球工业机器人60%以上的市场份额，在核心技术和关键零部件研发上处于绝对领先地位，而中国国产厂商还没有叫阵“四大家族”的实力。美的集团董事长方洪波强调，美的会保持库卡的
21、独立上市地位和管理团队稳定，希望通过合作进一步驱动增长，尤其在中国市场。美的集团对库卡的收购，被视为中国国产工业机器人在海外企业技术壁垒下突围的关键之战。源自环球科技任务4 展望工业机器人的未来任务描述无论是美国的先进制造、德国的工业4.0，还是中国的中国制造2025，都将发展工业机器人列为产业转型升级和智能制造的重点方向。学生可从产业发展和技术角度预测工业机器人的发展趋势。相关知识 从产业发展角度来看，未来工业机器人将应用到更多的行业领域。国际机器人联盟预测称，为了使生产体制更加灵活，以及应对大量生产所需消费品的需求增长，今后工业机器人仍将保持2位数增长。到2018年，全球工业机器人的运行台
22、数将达到约230万台，扩大至2009年的2.3倍。相关知识1）机械结构的模块化、可重构化。2）控制系统的开放化、PC化和网络化。3）伺服驱动技术的数字化和分散化。4）多传感器融合技术的实用化。5）工作环境设计的优化和作业的柔性化。6）系统的网络化和智能化等方面。从技术角度来看，由于多数工业产品的商品寿命逐渐缩短，品种需求增多，这就促使产品的生产要从传统的单一品种成批大量生产逐步向多品种小批量柔性生产过渡，由各种加工装备、机器人、物料传送装置和自动化仓库组成的柔性制造系统转向由计算机统一调度的更大规模的集成制造系统。目前，工业上运行的90%以上的机器人，都不具有智能，随着工业机器人数量的快速增长
23、和工业生产的发展，对机器人的工作能力也提出了更高的要求。从近几年关于工业机器人推出的产品来看，工业机器人技术正在向智能化、模块化和系统化的方向发展，其发展趋势主要有以下几点：相关知识 工业机器人产业是一个快速成长中的新兴产业，随着机器人技术的不断发展和日臻完善，它必将对未来生产和社会发展起越来越重要的作用，正如美国机器人协会（RIA）主席杰夫伯恩斯坦所说的那样：“当今机器人产业迎来了前所未有的机遇。机器人产业持续的增长将为越来越多的人提供就业机会，而非抢夺他们的饭碗，很多企业表示离开机器人及相关自动化装备则无法存活”。任务5 认识工业机器人的家族任务描述 工业机器人的家族成员庞大，涉及到生产制
24、造的方方面面，学生应了解工业机器人按照技术等级、机构特征、控制方式、自由度、程序输入方式、运动控制方式、驱动方式、用途等的分类，并熟悉每种分类下各种机器人的特点。本任务的逻辑结构见图1-10工工业机器人的分机器人的分类技技术等等级示教再示教再现机器人、感知机器人、智能机器人机器人、感知机器人、智能机器人机构特征机构特征柱柱面面坐坐标型型机机器器人人、球球面面坐坐标型型机机器器人人、直直角角坐坐标型机器人、关型机器人、关节型机器人型机器人控制方式控制方式非伺服机器人、伺服机器人非伺服机器人、伺服机器人自由度自由度三、四、五、六、冗余三、四、五、六、冗余程序程序输入入手手控控操操作作器器、固固定定
25、程程序序机机器器人人、可可变程程序序机机器器人人、示教再示教再现机器人、数控机器人机器人、数控机器人运运动控制方式控制方式点位控制型机器人、点位控制型机器人、连续轨迹控制型机器人迹控制型机器人驱动方式方式液液压驱动型型机机器器人人、气气压驱动型型机机器器人人、电动驱动型机器人、新型型机器人、新型驱动型机器人型机器人用途用途搬运机器人、搬运机器人、码垛机器人、装配机器人、机器人、装配机器人、焊接机器接机器人、涂装机器人人、涂装机器人图1-10相关知识1.按技术等级分类（1）示教再现机器人 该类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。如操作人员抓住机器人上的喷枪，沿喷漆路线示范
26、一遍，机器人记住了这一连串运动，工作时，自动重复这些运动，从而完成给定位置的喷漆工作，或操作人员利用控制面板上的开关或键盘来控制机器人一步一步地运动，机器人自动记录下每一步，然后重复。相关知识1.按技术等级分类（2）感知机器人 该类机器人具有环境感知装置，能在一定程度下适应环境的变化。以焊接机器人为例，为保证焊接位置的准确性，采用了焊缝跟踪技术，通过传感器感知焊缝的位置，再通过反馈控制，机器人就能够自动跟踪焊缝，从而对示教的位置进行修正，即使实际焊缝相对于原始设定的位置有变化，机器人仍然可以很好地完成焊接工作。相关知识1.按技术等级分类（3）智能机器人 该类机器人具有发现问题和自助解决问题的能
27、力。这类机器人具有多种传感器，不仅可以感知自身的状态，比如所处的位置、自身的故障情况等等；而且能够感知外部环境的状态，比如自动发现路况、测出协作机器的相对位置、相互作用的力等等。更为重要的是，能够根据获得的信息，进行逻辑推理、判断决策，在变化的内部状态与变化的外部环境中，自主决定自身的行为。相关知识2.按结构特征分类（1）柱面坐标型机器人 该类机器人主要是由旋转基座、垂直移动和水平移动轴构成，见图1-11。水平机械手安装在垂直柱子上，能伸缩和上下移动。垂直柱子和水平机械手作为一个部件能在底座上移动，具有一个回旋和两个平行自由度，其动作呈圆柱体。该类机器人工作范围较大，运动速度较高，但随着水平臂
28、沿水平方向伸长，其线位移分辨精度越来越低。图图1-11 柱柱面坐标型机器人动作示意图面坐标型机器人动作示意图相关知识2.按结构特征分类（2）球面坐标型机器人 该类机器人又称极坐标型机器人，其空间位置分别由旋转、摆平和平移3个自由度确定。机械手能够里外伸缩移动、在垂直平面上摆动以及在水平面绕底座转动，形成的工作轨迹成球面的一部分，见图1-12。这类机器人比柱面坐标型机器人更为灵活，并能扩大机器人的工作空间，但旋转关节反映在末端执行器上的线位移分辨率是一个变量。图图1-12 球球面面坐标型机器人动作示意图坐标型机器人动作示意图相关知识2.按结构特征分类（3）直角坐标型机器人 该类机器人的运动部分是
29、由3个互相垂直的直线移动组成，见图1-13，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，其工作空间图形为长方形。这类机器人的控制简单，运动直观性强，易达到高精度，但操作灵活性差，运动速度低，操作范围较小且占据的空间范围相对较大。图图1-13 直角直角坐坐标型机器人动作示意图标型机器人动作示意图相关知识2.按结构特征分类（4）关节型机器人 该类机器人由多个旋转和摆动机构组合而成。这类机器人主要由底座、上臂和前臂构成，见图1-14。上臂和前臂可在通过底座的垂直平面上运动；前臂和上臂间可通过肘关节运动，上臂和底座间可通过肩关节运动。做水平运动时可通过肩关节或底座旋转来实现。这类机器人的操作
30、灵活性，运动速度较高，操作范围大，但精度受手臂位姿的影响，较难实现高精度运动。图图1-14 关节关节型型机器人动作示意图机器人动作示意图相关知识3.按控制方式分类（1）非伺服机器人 该类机器人工作能力比较有限，它们往往涉及那些叫作“终点”、“抓放”或“开关”式机器人，尤其是“有限顺序”机器人。其组成及工作流程见图1-15。图图1-15 非非伺服型控制系统工作流程伺服型控制系统工作流程相关知识3.按控制方式分类（2）伺服机器人 该类机器人具有反馈控制系统，比非伺服机器人有更强的工作能力，因而价格较贵，但在某些情况下不如简单的机器人可靠。其组成及工作流程见图1-16。图图1-16 伺服型控制系统工
31、作流程伺服型控制系统工作流程相关知识4.按自由度分类机器人的自由度一般指确定机器人手部位姿所需的独立运动参数的数目，常见的有以下几种：三自由度机器人四自由度机器人五自由度机器人六自由度机器人冗余自由度机器人。相关知识5.按程序输入方式分类（1）手控操作器 由操作员操纵的操作器。（2）固定程序机器人 事先设定的作业顺序、条件和位置，逐个执行动作的操作装置，设定了的信息不能轻易变更。（3）可变程序机器人 事先设定的作业顺序及其他信息可以方便地变更操作器。（4）示教再现机器人 采用示教方式完成编程并记录，机器人可再现示教的全部动作。将作业信息进行数控编程的可变程序机器人。相关知识6.按运动控制方式分
32、类（1）点位控制型机器人 点位运动只控制工业机器人末端执行器运动的离散点上的位姿，而不关心这两点之间的运动轨迹，见图1-17。控制时只要求工业机器人快速、准确地实现相临各点之间的运动，运动简单，定位精度不高，比较容易实现。这种控制方式的主要技术指标是定位精度和运动时间，根据其运动简单、定位精度不高的特点，常被应用在上下料、搬运、点焊等只要求目标点处保持末端执行器位姿准确的作业中。图1-17 点位控制的轨迹相关知识6.按运动控制方式分类（2）连续轨迹控制型机器人 连续路径运动是连续地控制工业机器人末端操作机在作业空间中的位姿，保证机器人末端执行器达到目标点的精度及沿所期望的轨迹在一定精度范围内重
33、复运动，见图1-18。连续轨迹控制除了能在一定精度范围内运动，而且速度可控、轨迹光滑、运动平稳，适用于弧焊、喷漆、去毛边等作业机器人。图1-18 点位控制的轨迹相关知识7.按驱动方式分类（1）液压驱动型机器人 液压驱动机器人以高压油为工作介质，基于高压油对活塞或叶片的作用进行驱动。特点就是功率大、结构简单，可省去减速装置而直接与被驱动的杆件相连，使得结构紧凑、响应快，且伺服驱动具有较高的精度。但需要增设液压源，且易产生液体泄漏，不适合高、低温及有洁净要求的场合。目前特大功率且低速的操作机器人多用液压驱动。（2）气压驱动型机器人 气压驱动是最简单的驱动方式，驱动原理与液压驱动相似，但与液压驱动相
34、比，同体积条件下的功率较小，且速度不易控制，因此多用于中小负载、快速驱动、精度要求不高但有洁净要求、防爆要求的点位控制机器人。（3）电动驱动型机器人 电动驱动是利用电动机直接或通过机械传动装置来驱动执行机构，是目前在工业机器人上应用最多的一种驱动方式，早起多采用步进电机，后来发展成了直流伺服电机，现在，交流伺服电机得到了较多的应用。相关知识7.按驱动方式分类（4）新型驱动型机器人形状记忆合金驱动：形状记忆合金是一种特殊的合金，一旦使它记忆了任何形状，即使产生变形，但加热到某一适当温度时，它就能恢复到变形前的形状。该种驱动具有位移较大、功率重量比高、变位迅速、方向自由的特点，尤其适用于小负载、高
35、速度、高精度的机器人，如显微镜内样品的移动装置、反应堆驱动装置、医用设备等。磁致伸缩驱动：磁致伸缩材料置于磁场中时，其几何尺寸会发生变化，通过改变磁场，可使材料收缩或伸展，进而进行驱动。目前磁致伸缩材料的主流是稀土超磁致伸缩材料，具有伸缩效应大、机电偶合系数高、响应速度快、输出力大等特点，它的出现为新型驱动装置的研制和开发提供了一种行之有效的方法，并引起了国际上的极大关注。相关知识7.按驱动方式分类（4）新型驱动型机器人 超声波电机驱动：超声波电机利用压电材料的逆压电效应，将电能转换为弹性体的超声振动，并将摩擦传动装换成运动体的回转或直线运动。与传统电磁式电机相比，它具有结构简单紧凑、转矩/质
36、量比大、低速大转矩、动作响应快、断电自锁、无电磁噪声等优点，但同时它摩擦损耗大、效率低、输出功率小且寿命短。压电驱动：利用在压电陶瓷等材料上施加电压而产生变形的压电效应，将电能转变为机械能或机械位移，实现微量位移。压电材料具有易于微型化、控制方便、低压驱动、对环境影响小以及无电磁干扰等优点。压电驱动装置利用电场能把几微米到几百微米的位移控制在高于微米级大的力，所以压电驱动装置一般用于特殊用途的微型机器人系统中。相关知识8.按用途分类（1）搬运机器人 搬运机器人是主要从事自动化搬运作业的工业机器人。所谓搬运机器人是指用一种设备握持工件，从一个加工位置移到另一个加工位置，搬运机器人上可安装不同的末
37、端执行器以完成各种不同形状和状态的工件搬运工作。目前搬运机器人在世界范围内被广泛使用，用于机床上下料、冲压自动化生产线、码垛搬运、集装箱等的自动搬运工作，尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合。相关知识8.按用途分类搬运机器人按照结构形式，可分为龙门式搬运机器人、悬臂式搬运机器人、侧壁式搬运机器人、摆臂式搬运机器人和关节式搬运机器人，见图1-19a）龙门式搬运机器人 b）悬臂式搬运机器人c）侧壁式搬运机器人d）摆臂式搬运机器人e）关节式搬运机器人图1-19 搬运机器人的分类相关知识8.按用途分类（2）码垛机器人 码垛机器人是用在工业生产过程中执行大批量工件、包装件的获取、搬运
38、、码垛、拆垛等任务的一类工业机器人。码垛机器人一般坐落出产线的后段，用来处置量小、品种繁多的货盘，是介于传统码垛机和全自动化码垛设备之间的一种设备。相关知识8.按用途分类码垛机器人按照行业可分为食品饮料行业码垛机器人、水泥自动装车码垛机器人和工业品码垛机器人等。按照驱动传动和结构可分为混联码垛机器人、并联码垛机器人和关节式串联码垛机器人，见图1-20。a）FUJI混联码垛机器人b）FANUC并联码垛机器人c）ABB关节式串联码垛机器人图1-20 码垛机器人的分类相关知识8.按用途分类（3）装配机器人 装配机器人是工业生产中用于装配生产线上对零件或部件进行装配的工业机器人，主要是实现将对应的零件
39、装配成一个部件或产品，有零件的装入、压入、铆接、嵌合、黏结、涂封和拧螺丝等作业。主要应用于汽车行业、电子电气行业、精密机械行业和航天航空等领域。作为柔性自动化装配的核心设备，具有精度高、工作稳定、柔顺性好、动作迅速优点。相关知识8.按用途分类装配机器人按照适应的环境不同，分为普及型装配机器人和精密型装配机器人，根据臂部的运动形式不同，分为直角坐标型装配机器人、垂直多关节型装配机器人和平面关节型装配机器人，见图1-21a）直角坐标型装配机器人b）垂直多关节型装配机器人c）平面关节型装配机器人图1-21 装配机器人的分类相关知识8.按用途分类（4）焊接机器人 焊接机器人指从事焊接作业（包括切割与喷
40、涂）的工业机器人，是在工业机器人的末端法兰装接焊钳或焊（割）枪，使之能进行焊接，切割或热喷涂。为了适应灵活动作的工作要求，焊接机器人通常选用关节式工业机器人的基本设计，一般具有6个自由度，3个自由度(S/L/U)用于控制焊枪端部的空间位置，另外3个自由度(R/B/T)用于控制焊枪的空间姿态。相关知识8.按用途分类焊接机器人按照用途可分为点焊机器人、弧焊机器人，见图1-22a）安川点焊机器人 b）ABB弧焊机器人图1-22 焊接机器人的分类相关知识8.按用途分类（5）涂装机器人 涂装是现代的产品制造工艺中的一个重要环节，主要目的是防锈、防蚀、保证产品的外观指令，涂装工艺过程有许多工序是在有害人体
41、健康的恶劣环境下进行的，如工件的喷砂、喷丸、密封、喷漆等，这些作业的劳动强度大、技术水平要求高，其中，喷漆作业的涉及面最广、最典型。而涂装机器人是从事涂装作业的自动化装备，在喷涂的高效性、质量和使用成本方面具有极大优势，将工人从恶劣的作业环境中解放了出来。涂装机器人现主要应用于汽车、工程机械制造、3C产品和家具建材等领域。相关知识8.按用途分类按照手腕结构的不同，涂装机器人可划分为球形手腕涂装机器人和非球形手腕涂装机器人，见图1-23a）球形手腕涂装机器人 b）非球形手腕涂装机器人图1-23 涂装机器人的分类扩展知识工业机器人的四大家族瑞士ABB、日本发那科（FANUC）、日本安川电机（YAS
42、KAWA）、德国库卡（KUKA）并称为机器人领域的“四大家族”。这些巨头占据了中国机器人产业70%以上的市场份额，并且几乎垄断了机器人制造、焊接等高端领域。（1）瑞士ABB 是一家由两个历史100多年的国际性企业（瑞典的ASEA和瑞士的BBCBrownBoveri）在1988年合并而成。ABB的业务涵盖电力产品、离散自动化、运动控制、过程自动化、低压产品等五大领域，以电力和自动化技术最为著名。ABB拥有当今最多种类的机器人产品、技术和服务，是全球装机量最大的工业机器人供货商。（2）德国库卡（KUKA）于1898年在德国奥格斯堡建立，最初主要专注于室内及城市照明，不久后开始涉足其他领域。1973
43、年研发了名为FAMULUS的第一台工业机器人。库卡公司主要客户来自汽车制造领域，同时也专注于向工业生产过程提供先进的自动化解决方案，更涉足于医院的脑外科及放射造影。其橙黄色的机器人鲜明地代表了公司主色调。扩展知识（3）日本发那科（FANUC）创建于1956年，三年后首次推出了电液步进电机，进入70年代，FANUC公司开始转型，并成功研制数控系统，随后又与SIEMENS公司联合研制了具高水平的数控系统，从那时起，FANUC的产品日新月异，年年翻新，成为当今世界上数控系统、设计、制造、销售实力最强的企业之一。（4）日本安川电机（YASKAWA）创立于1915年，是日本最大的工业机器人公司。1977
44、年，安川电机运用自己的运动控制技术开发生产出了日本第一台全电气化的工业用机器人，此后相继开发了焊接、装配、喷漆、搬运等各种各样的自动化作用机器人，并一直引领着全球产业用机器人市场。截至2015年9月,安川电机累计出售机器人台数已突破28万台，成为全球机器人销量冠军。源自OFweek机器人网单元小结单元小结各国对于工业机器人的定义都指明了4个特点：机械装置、可再编程、具有不同程度的智力、具有独立性。自2010年以来，全球对工业机器人的需求量不断增长，汽车产业和电气/电子行业是造成其增长的主要驱动力。中国目前是全球最大的工业机器人市场，但人均使用密度较低，中国的机器人市场仍有较大的上升空间。工业机
45、器人当前的先进技术有模块化设计技术、传感技术、网络通信技术、遥控和监控技术、虚拟机器人技术和多智能体调控技术等。经过四十多年的发展，工业机器人已在各种领域从事毛坯制造(冲压、压铸、锻造等)、机械加工、焊接、热处理、表面涂覆、上下料、装配、检测及仓库堆垛等作业。未来工业机器人将应用到更多的行业领域，它的需求量也将快速上涨。工业机器人技术将朝着智能化、模块化和系统化的方向发展。单元小结工业机器人的家族成员庞大，可按照技术等级（示教再现型、感知型、智能型）、机构特征（柱面坐标型、球面坐标型、直角坐标型、关节型）、控制方式（非伺服型、伺服型）、自由度（三、四、五、六、冗余）、程序输入方式（手控操作器、
46、固定程序型、可变程序型、示教再现型、数控型）、运动控制方式（点位控制型、连续点位控制型）、驱动方式（液压驱动型、气压驱动型、电动驱动型、新型驱动型）、用途（搬运机器人、码垛机器人、装配机器人、焊接机器人和涂装机器人）等进行划分。检查评议检查评议请各小组按照如下检查评议要点对工业机器人安装工作的质量进行评估，见表1-2基本素养（基本素养（20分）分）序序号号评估内容估内容自评自评互评互评师评师评1纪律（无迟到、早退、旷课）（纪律（无迟到、早退、旷课）（10分）分）2参与度、团队协作能力（参与度、团队协作能力（5分）分）3安全规范操作（安全规范操作（5分）分）表1-2检查评议要点检查评议知知识理理
47、论（分）（分）序序号号评估内容自评互评师评1工业机器人定义的掌握（工业机器人定义的掌握（6分）分）2工业机器人产业发展现状的了解（工业机器人产业发展现状的了解（6分）分）3工业机器人技术应用现状的熟悉（工业机器人技术应用现状的熟悉（6分）分）4工业机器人未来发展方向的了解（工业机器人未来发展方向的了解（6分）分）5工业机器人按技术等级分类的熟悉（工业机器人按技术等级分类的熟悉（6分）分）6工业机器人按机构特征分类的熟悉（工业机器人按机构特征分类的熟悉（6分）分）7工业机器人按控制方式分类的熟悉（工业机器人按控制方式分类的熟悉（6分）分）8工业机器人按自由度分类的熟悉（工业机器人按自由度分类的熟
48、悉（6分）分）9工业机器人按程序输入方式分类的熟悉（工业机器人按程序输入方式分类的熟悉（6分）分）10工业机器人按运动控制方式分类的熟悉（工业机器人按运动控制方式分类的熟悉（6分）分）11工业机器人按驱动方式分类的熟悉（工业机器人按驱动方式分类的熟悉（6分）分）12工业机器人按用途分类的熟悉（工业机器人按用途分类的熟悉（14分）分）综合合评价价巩固与提高巩固与提高1.填空题（1）工业机器人的控制方式按轨迹控制的方式，分为点位控制方式和连续轨迹控制方式。（2）在完成某一特定作业时具有多余自由度的机器人叫做冗余机器人。（3）焊接机器人指从事焊接作业（包括切割与喷涂）的工业机器人，按照用途可分为电焊
49、机器人和弧焊机器人。巩固与提高2.选择题（1）目前工业机器人应用最多的行业是（A）。A汽车制造业 B.金属制品工业 C.橡胶及塑料工业 D.电子电气工业（2）未来工业机器人技术将朝着（D）方向发展。模块化 可重构化 智能化 系统化A B.C.D.（3）工业机器人按照机构特征，可划分（D）。柱面坐标机器人 球面坐标机器人 直角坐标机器人 关节型机器人A B.C.D.巩固与提高3.思考题（1）各国对于工业机器人的定义各不相同，但基本上指明了工业机器人具有那些特点？是一种机械装置，可以搬运材料、零件、工具，或者完成多种操作和动作功能；是可以再编程的，具有多种多样流程程序的，可从事多种工作，可灵活改变动作程序；具有不同程度的智力，如记忆、决策、感知、推理、学习等；具有独立性，完整的机器人系统在工作中可以不依赖于人的干预。巩固与提高（2）什么是工业机器人的自由度？机器人的自由度一般指确定机器人手部位姿所需的独立运动参数的数目。（3）简述伺服机器人和非伺服机器人的不同。伺服机器人具有反馈控制系统，比非伺服机器人有更强的工作能力，因而价格较贵，但在某些情况下不如简单的机器人可靠（4）对于中国未来工业机器人该如何发展，您有什么看法？自由发挥题