工业机器人

工业机器人是一种典型的自动执行工作的机电一体化设备国际标准化组织将工业机器人定义为自动化、速度和位置可控、可重复编程的、自行控制和加工各种零件和工具，执行和完成各种操作的多用途操作机，可以是固定式的，也可以是移动式的。工业机器人一般由四个主要部分组成：机械系统、传感系统、驱动系统和控制系统。主要技术是传感器技术、信息处理技术、驱动技术和控制技术等。工业机器人的分类方法有很多种，常见的有按控制方式分类和按运动链区分常见的应用场景包括组装、协作、搬运、焊接、喷漆等。经过长期的探索和研究，工业机器人领域发展迅速，技术逐渐成熟，智能化程度不断提高工业机器人作为先进装备制造中不可或缺的工具，是为了提高工业生产效率、工业机器人作为解放和发展生产力的重要支撑，未来对工业机器人的投入将持续增加，工业机器人将走向人机合作、自主性和多机器人合作。

工业机器人是指面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人，可以实现自动控制、可重复编程、多用途、可以在三个或三个以上轴上编程的多用途操作机，可以是固定的，也可以是移动的，主要用于工业自动化，在加工过程中通过自动控制来执行一些操作，包括焊接机器人、搬运机器人、喷涂机器人等。这些工业机器人在工业生产领域完成相关操作，具有多个自由度、高附加值、它应用广泛，其发展水平也反映了一个国家 美国制造自动化和生产水平。

工业机器人效率高、高速度、产品质量高等优点，其动作是由编程软件和控制装置共同制定的。它的自动化特点使它们能够一天24小时工作，并能在高污染环境下工作、高低温、在高风险环境中操作，因此被广泛应用于不同的行业和领域。典型的应用包括焊接、喷漆、搬运、装配、产品检验和测试等。工业机器人的种类很多，其中最常见的区别特征就是关节臂的伸出距离、有效载荷能力等。工业机器人技术的应用也提高了生产率和利润，同时减少了劳动密集型工作。

工业机器人没有不是一开始就存在的，而是工业发展到一定阶段的产物。在现代工业机器人发明之前，工业机器人技术还处于想象和探索阶段。1921年，捷克作家卡雷尔·卡佩克（Karel Capek）最早用在他创作的一部科幻电影里“机器人”这个术语。1940年，美国作家艾萨克·阿西莫夫（Isaac   Asimov）提出“机器人三守则”，让工业机器人更贴近人类。1937年，比尔•格里菲斯•泰勒（Bill Griffith  P.Taylor）发明了一种机械臂，这是已知最早适应ISO标准的机器人。

之后，工业机器人进入生产和初步发展阶段1954年，美国发明家乔治·德沃尔（George Devol）我申请了一个程序化物体转移的专利，主要是把物体从一个点转移到另一个点，被认为是现代工业机器人最早的雏形。1958年的乔治·德瓦尔正在与年轻的美国工程师和企业家约瑟夫·恩格尔伯格（Joseph   engelberg）合作后成立了第一家工业机器人公司Unimation他们发明了一种机械臂，可以根据预先编程的指令拿起和放好东西。

工业机器人

1961年，工业机器人首次在通用汽车公司投入使用美国工厂从压铸机中提取零件。1970年第一届工业机器人国际研讨会在芝加哥召开，证明了工业机器人技术研究已经成为一个充满活力的研究领域。

1969年，斯坦福大学的维克多·申曼（Victor   Sherman）发明了斯坦福arm，这是一个全电动的六自由度关节机器人以arm为研究原型，为解决工程问题而设计，由当时最先进的计算机DEC PDP开发-6控制。它具有一个非人类的运动学配置，具有一个移动关节和五个旋转关节，这使得机器人运动学方程足够简单以加速计算随后的机器人设计受到沈曼概念的强烈影响。 

工业机器人经过一段时间的发展，已经进入技术快速进步和商业规模应用阶段与之前相比，这一时期的技术有了很大的进步，也呈现出快速商业化应用的特点。

1973年，德国库卡（KUKA）制造了它的第一个工业机器人，命名为FAMULUS，这是世界上第一个由电机驱动的六轴工业机器人。同年，ASEA公司（现为ABB公司）世界与中国美国第一个商用微处理器控制的全电动工业机器人IRB问世-6它允许连续运动，这是许多实际应用的先决条件，如电弧焊或材料去除。

1978年，山梨大学的穆杨叶（Hiroshi Makino）发明了选择性柔顺装配机械手SCARA，这是世界 第一台水平关节工业机器人。1984年，工业机器人动力学和精度的进一步优化诞生了第一个直接驱动的SCARA工业机器人，命名为AdeptOne。

20世纪70年代末，许多公司进入工业机器人领域，工业机器人开始转向智能化阶段。2006年，库卡公司（KUKA）介绍了他们的LBR轻型原型机器人，这是一种紧凑的7自由度机械臂，具有先进的扭矩控制能力，适用于高性能的工程作业。发那科，日本，2010（FANUC）公司推出“学习控制机器人”它减少了机器人在运动过程中的振动。

根据国际机器人协会的统计，全球工业机器人的销量正在稳步增长，特别是从2005年到2014年，新安装工业机器人的年均增长率达到14%工业机器人产业持续快速发展，工业机器人技术日趋智能化、随着模块化系统化的发展，智能制造的发展是大势所趋，工业机器人的重要性将与日俱增。

机械系统

机械系统主要由传动机构和连杆组形成的开环或闭环运动链两部分组成。连杆与人体大臂、手臂等，通常会移动和旋转。移动关节可以使连杆做直线运动，旋转关节可以实现构件之间的转动。由关节和连杆组成的机械装置通常包括一个臂、手腕和手，这些部位可以根据需要向一定方向运动，执行指定的工作。

驱动系统

驱动系统是为各种机械部件提供动力的装置，它包括驱动器和执行器。它的传动形式是气动的、液压式、电动式和机械式。致动器可以直接与工业机器人臂连接、手腕或手与连杆或关节相连，或通过传动装置如齿轮与运动部件相连。

传感系统

传感系统将工业机器人的各种信息转换成机器本身和机器人之间可以理解和使用的数据和信息，完成与其工作状态相关的物理量（如位移、速度、力等）的感知。传感系统由内部传感器模块和外部传感器模块组成，其功能是将机器人的运动学信息和外部环境信息传递给工业机器人的控制系统。

控制系统

控制系统的主要工作是通过操作指令和传感器反馈的信息来控制机器人，使其完成预定的动作和功能。根据传感装置传输的信息，确定机械系统各部分的运动轨迹、速度、加速度和外界条件，保证机器各部分在规定的时间按照预设的步骤工作。根据反馈特性，可分为开环控制系统、半闭环控制系统和闭环控制系统。

工业机器人的关键技术是对传感器采集的数据进行处理，经过处理后，按照既定的程序，利用电机完成一项任务。软件对加工过程的帮助并不完美这时，制造过程中先进的硬件设施对提高产品的生产加工效率起着非常重要的作用。工业机器人智能化程度高，涉及技术范围广主要技术如下。

传感器技术

将传感器技术应用于工业机器人，实现了各种数据的实时采集，灵敏度高，综合性能强，能有效采集、定位和防护功能。传感器作为传感系统的传感设备，是实现自动控制和调节的关键技术功能越强大，传感系统的自动化程度就越高。

信息处理技术

传感器收集大量信息后，由中央处理器进行处理与常规的机械装置相比，工业机器人最大的特点是可以与各种信息处理系统紧密结合，其中最常用的是微处理器技术。

驱动技术

在工业机器人中，必须有一个特殊的机械装置来执行信息处理的结果最常见的是用电机驱动，用曲柄就可以实现传动、皮带、铰链等将旋转运动转化为其他形式的运动，在三维坐标中实现不同的动作。执行机构的运动是以坐标的形式定位的，所以运动的精度相当高。因为实现不同的目标需要不同的运动方式，所以工业机器人的驱动方式也是不同的。

控制技术

控制技术是工业机器人的核心技术，主要涉及位置控制、轨迹规划、力（矩）控制、智能控制等。工业机器人可以根据其工作特点选择相应的控制模式。根据它们的运动坐标，可分为直角坐标空间运动控制和关节空间运动控制。工业机器人的位置控制是实现机械手各关节沿既定轨迹运动，从而保证其在既定轨迹上运动。

无伺服机器人

无伺服控制机器人由单向、具有无反馈机构开环控制的工业机器人。没有伺服控制的机器人的操作性能相对有限工业机器人按照预定的程序顺序工作，并采用限位开关、制动器、插销板、音序器等等来控制它。插销板用于定义工业机器人的工作顺序，通常可以调整。定序器是一种定时开关或步进装置，可以按照预先确定的适当顺序开启驱动器能量。接通电源后，机器人的传动系统控制机器人运动机器人移动到限位开关的指定区域后，限位开关改变工作状态，向定序器发出信号，停止移动。

伺服控制机器人

伺服控制机器人具有更强的工作能力伺服控制系统是使对象的输出控制量任意跟踪输入目标的自动控制系统该系统的受控对象可以是机械手的位置、速度、加速度、受到的作用力等。将传感器得到的反馈与已知设备输出的总数据进行比较，得到误差信号并放大，从而激活工业机器人的驱动系统，然后按照特定的规则移动终端驱动机构，使其达到预定的位置或速度这些过程被称为反馈控制系统。

串联机器人

串联机器人的机械构件采用开放式运动链结构，即一组连杆通过转动关节或移动关节连接，其运动模式根据构件间运动副的不同分为四类：笛卡儿臂可以向三个方向移动；圆柱坐标式臂可以升降、回转和伸缩运动；球坐标型臂具有旋转、俯仰、伸缩等功能；多关节协调臂由多个旋转关节串联而成，可以到达球体空间的大部分位置。

串联机器人由于结构简单操作方便灵活性强工作面积大等优点，得到了广泛的应用。其缺点是运动链长，刚性差，运动精度低。另外，由于串联机器人需要在每个铰链上安装传动机构，每个动臂部分的惯性矩比较大，不适合高速运行。

并联机器人

并联机器人的机械部分采用闭链结构，包括固定平台和通过两条以上自由运动链与固定平台连接的运动平台，并联驱动。并联机器人的自由度可分为两个自由度、三自由度和四自由度等。

并联机器人有工作空间小的缺陷，但其传动机构可以放在固定平台上或附近，使运动部件重量轻、速度快、动态响应好。同时，节点之间的误差可以相互抵消、弥补，从而提高了系统的运动精度，并联机器人具有较高的刚度、结构紧凑等特点，因此被广泛应用于要求高刚度的场合、高精度、高负载、其中不需要大的工作空间。

其他类型

除了上述常用的按控制方式和按运动链形式分类外，还有许多其他的分类方法。例如，根据系统功能的分类，可以分为：在固定的地方工作的特殊机器人，有固定的程序，没有独立的控制系统；控制系统独立、一种动作灵活，能够通过改变控制程序完成多项任务的通用机器人；具有记忆功能，可完成复杂动作，适用于多工位频繁变换工作路线的示教再现机器人；以及具有各种感觉功能的智能机器人，能够通过比较识别做出决策，自动进行反馈补偿，完成预定工作。根据驱动方式也有电机驱动的电驱动机器人和压缩空气驱动的气动机器人。

协作机器人

这是工业机器人在制造业最常见的应用他们可以装卸加工设备，从传送带上取下产品放入袋子或容器中，并按顺序排列随机产品。一般用在变量数量少的时候，因为要处理的对象种类少，所以末端工具更直接。在工作环境中，要拾取和放置的物体具有预定的尺寸、形状、纹理和重量等。因此，机器人需要使用的夹持器类型可以针对特定对象进行优化，并且更容易确定机器人的夹持力。

装配机器人

制造业中的装配描述了通过连接将子系统或组件组合成更复杂的系统。制造业中的装配包括四个过程组：连接、搬运、控制和辅助过程（清洗、调整、标记等）工业机器人用于实现装配自动化，尤其是汽车行业，是最早采用工业机器人进行装配的行业之一。如今，装配机器人的应用已经远远超出了汽车领域，越来越多地应用于高度柔性的工作单元，对小零件的高速装配需求日益增加。装配机器人将成为工人和工人的通用工具手，这将大大提高在工作场所装配的精度和速度。

搬运机器人

物料搬运是工业机器人最基本的应用在仓库和工厂中，最常见的任务之一是运输货物这些活动的附加值很低，因此很适合自动化。多亏了机器人的速度、精度、随着稳定性等方面的提高，搬运机器人能搬运的东西越来越多，越来越普及既有利于减少运输货物所需的人工，又避免了安全问题它采用各种传感器来防止事故。

喷涂机器人

工业涂装是用油漆或其他涂料覆盖工件的过程。在制造中，要涂漆或涂层的零件的形状和尺寸都有明确的规定，操作重复性很高因此，喷漆和涂层操作非常适合工业机器人。通过使用该喷涂机器人，工人不必暴露于有害烟雾或过量喷涂，并且提高了安全性。工业喷涂机器人在汽车制造中已经使用了几十年它可以保持喷嘴与工件之间的精确距离和喷嘴的移动速度，这是避免误差的关键。所有工作由工业喷涂机器人完成，实现高度自动化，精确调节压力和流量，保证产品加工质量，与人工处理一致、准确性和速度优势。 

焊接机器人

焊接是一种混合熔融填充材料的过程（焊料）通过放入接头将零件连接在一起的过程填充材料的熔化温度低于工件的熔化温度。工业机器人典型的焊接工艺是点焊，用于车身装配和气体保护金属电弧焊随着激光光源的小型化和机器人运动精度的提高，激光焊接也应运而生。工业机器人点焊技术在汽车工业中应用广泛与手工焊接相比，大大提高了生产速度，质量更高，提高了工人的劳动强度安全。激光焊接使用激光束直接连接工件与电弧焊不同，电弧焊使用填料将两种金属连接在一起。激光焊接有助于实现自动化，因为激光束的宽度、可以精确控制穿透工件的深度以及光束的路径和速度。

人机协作

传统的工业机器人必须在防护围栏等障碍物后面工作，与人保持距离，避免对人体造成伤害，这对工业机器人的效率影响很大。人机合作是人类认知和工业机器人工作效率的有机统一，可以帮助人们安全方便地操作，简化编程过程，降低对操作人员的要求工作能力。

自主化

目前大部分工业机器人都是依靠预编程、示教再现，而且随着时间的推移，工业机器人会逐渐自主学习、独立工作等方向，根据实际工作环境而定、工作内容，自动设定和优化轨迹路径，探测，避障等功能。

基于深度学习的工业机器人技术

在日益复杂的应用场景中，利用深度学习处理大数据，可以有效处理高复杂度环境下的多维问题。工业机器人与人工智能技术的融合将大大提高机器人的智能水平，从而达到更高的精度和效率，减少事故，实现人机合作、协同工作的目的。

多机器人协作

工业机器人能做的工作越来越复杂，越来越精密，越来越难以实现多机器人协作是目前工业机器人领域的一个重要课题。为了实现多机器人协同工作，需要处理好机器人之间的通信和决策问题，否则会影响工作的完成，导致工作效率的下降，严重时甚至会造成安全事故。

模块化可重构技术

大多数情况下，工业机器人只能完成单一操作，或者重复不同的操作。工作条件和环境的变化将使工业机器人难以快速适应新的需求因此，基于模块化和可重构的工业机器人技术逐渐被研究和重视。模块化、可重构技术是指在系统集成过程中，通过组合各种模块，快速制造出具有多种功能的机器人，能够满足不同的需求，适应不同的工作环境，实现高效率高质量的工作要求。

基于多传感器融合的工业机器人技术

在复杂的工作条件和环境下，或者有多种要求的任务中，依靠单一的传感器将无法实现快速、高效率地工作。因此，基于多传感器的工业机器人技术日益成为人们关注的焦点。为了确保应用中的高可靠性、高稳定性和高效率，基于多传感器的传感器集成技术必须解决通信、传输等关键问题。