第一篇漫談篇——工業機器人世界漫游

任務一現代工業發展史第一篇漫談篇——工業機器人世界漫游

2015年5月19日，國務院印發了《中國制造2025》規劃，部署全面推進實施制造強國戰略。這是我國實施制造強國戰略第一個十年的行動綱領，這是中國版“工業4.0計劃”。《中國制造2025》提出，堅持“創新驅動、質量為先、綠色發展、結構優化、人才為本”的基本方針，堅持“市場主導、政府引導，立足當前、著眼長遠，整體推進、重點突破，自主發展、開放合作”的基本原則，通過“三步走”實現制造強國的戰略目標：第一步，到2025年邁入制造強國行列；第二步，到2035年我國制造業整體達到世界制造強國陣營中等水平；第三步，到新中國成立一百年時，我制造業大國地位更加鞏固，綜合實力進入世界制造強國前列。1.1現代工業發展史《中國制造2025》的戰略任務和重點是：提高國家制造業創新能力，推進信息化與工業化深度融合，強化工業基礎能力，加強質量品牌建設，全面推行綠色制造，大力推動十大重點領域（圖1-1），深入推進制造業結構調整，積極發展服務型制造和生產性服務業，提高制造業國際化發展水平。1.1現代工業發展史圖1-1《中國制造2025》重點發展十大領域放眼世界，每次工業革命引發了生產組織形式和意識形態的變化，從農業化走向工業化，從機械時代走向電氣時代，從傳統能源走向新能源，從勞動力密集型走向自動化信息化。從傳統的工業革命概念，引申出科技革命、信息革命、資訊革命等概念，這些都是高科技開發與發明，是未來支柱企業發展的基礎。圖1-2所示為現代工業革命發展史。1.1現代工業發展史圖1-2現代工業革命發展史第一次工業革命是指十八世紀末，以瓦特蒸汽機的發明和廣泛使用為樞紐，到19世紀30、40年代機器制造業機械化的實現為基本完成的標志。大機器工業代替手工業，機器工廠代替手工工場，最典型的是英國人斯蒂芬孫研制了第一臺蒸汽機車（圖1-3），美國人富爾敦制造了第一艘汽船（圖1-4）。1.1現代工業發展史圖1-3第一臺蒸汽機車圖1-4第一艘汽船第二次工業革命是指19世紀中期，隨著歐美和日本的資產階級革命的完成，促進了經濟的發展，也開始第二次工業革命。德國人西門子制成了發電機，內燃機的創制和使用，電器開始用于代替機器，成為補充和取代以蒸汽機為動力的新能源；新通訊手段的發明，化學工業的發展，鋼鐵等傳統工業的進步，人類進入了“電氣時代”。最典型的是美國人愛迪生發明了電燈（圖1-5），美國人莫爾斯制成一臺電磁式的電報機（圖1-6）。1.1現代工業發展史圖1-5愛迪生發明了電燈

圖1-6莫爾斯電報機發報第三次工業革命是指20世紀六十年代開始，以原子能、電子計算機、空間技術和生物工程的發明和應用為主要標志，涉及信息技術、新能源技術、新材料技術、生物技術、空間技術和海洋技術等諸多領域的一場信息控制技術革命。最典型的是工業機器人應用（圖1-7）和綠色能源廣泛使用（圖1-8）。1.1現代工業發展史圖1-7工業機器人應用圖1-8綠色能源應用第四次工業革命起源于2006年德國政府頒布的《高技術戰略2020》，該戰略文件重點是《未來項目“工業4.0”》，其他國家也相繼出臺文件。自2008年金融危機起遇到了產業空心化，鑒于在其GDP總量中服務業占比70%而制造業僅占12%的不平衡結構，美國提出“先進制造業伙伴計劃”，旨在振興“美國制造”。英國2013年10月提出《英國工業2050戰略》，中國在2014年7月編制《中國制造2025》規劃，經濟結構調整站在了制造業轉型升級的十字路口，中國第一次與發達國家站在同一起跑線上。未來制造業將回歸各國戰略重心，成為全球經濟穩定增長的重要引擎。1.1現代工業發展史1.1現代工業發展史“工業4.0”概念即是以智能制造為主導的第四次工業革命，通過充分利用信息通訊技術和網絡空間虛擬系統—CPS信息物理系統（Cyber-PhysicalSystem）相結合的手段，將制造業向智能化轉型。“工業4.0”概念包含了由集中式控制向分散式增強型控制的基本模式轉變，目標是建立一個高度靈活的個性化和數字化的產品與服務的生產模式。在這種模式中，傳統的行業界限將消失，并會產生各種新的活動領域和合作形式。創造新價值的過程正在發生改變，產業鏈分工將被重組。1.1現代工業發展史“工業4.0”的三大主題：智能工廠、智能生產和智能物流。圖1-9是2014年漢諾威工業博覽會，主題定為“融合的工業——下一步”，反映出展會對生產集成化及其對行業未來影響的重視。圖1-10是位于德國安貝格的西門子智能工廠。1.1現代工業發展史圖1-92014年漢諾威工業博覽會

圖1-10西門子智能工廠中國制造模式面臨著三大困境：①勞動力結構性短缺，人口紅利到期，勞動力效率低；②高成本、低附加值；③單位GDP耗能高：8倍于日本、4倍于美國、2倍于韓國，資源環境無以為繼。中國制造模式難以持續，急需轉型，機器換人勢在必行。1.1現代工業發展史謝

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任務二機器人大事件第一篇漫談篇——工業機器人世界漫游

世界機器人之父恩格爾伯格先生認為，機器人目前尚沒有準確的定義，但有一點可以確定，即機器人不一定像人，但能替代人工作。美國不僅將工業機器人和服務機器人看做是機器人，還將無人機、水下潛器、月球車甚至巡航導彈等都看做是機器人。1.2機器人大事件機器人技術是綜合了計算器、控制論、機構學、信息和傳感技術、人工智能、仿生學等多學科而形成的高新技術。它一般由機械本體、控制器、伺服驅動系統和檢測傳感裝置構成，是一種綜合了人和機器特長、能在三維空間完成各種作業的機電一體化裝置。它既有人對環境狀態的快速反應和分析判斷能力，又有機器可長時間持續工作、精確度高、抗惡劣環境的能力，可以用來完成人類無法完成的任務，其應用領域日益廣泛。1.2機器人大事件機器人發展大事件

三千多年前的西周時代，我國就出現了能歌善舞的木偶，稱為“倡者”，這可能是世界上最早的“機器人”；1921年，一部關于機器人題材的演出在布拉格國家大劇院首度上演，捷克劇作家恰佩克在他的幻想劇《羅薩姆萬能機器人公司》中塑造的主人公羅伯特（Robot），是一位忠誠勤勞的機器人，此后羅伯特（Robot）成了國際公認的機器人的代名詞；1939年，美國紐約世博會上展出了西屋電氣公司制造的家用機器人Elektro；1942年，美國科幻巨匠阿西莫夫提出“機器人三定律”；1954年，美國電子學家德沃爾研制出一種類似人手臂的可編程機械手；1.2機器人大事件1958年，美國物理學家英格伯格與德沃爾聯手，于1958年研制出世界上第一臺真正實用的工業機器人，成立了世界上第一家機器人制造工廠“尤尼梅遜”公司，英格爾伯格因此被稱為工業機器人之父；1962年，美國AMF公司生產出“VERSTRAN”（意思是萬能搬運），成為真正商業化的機器人；1965年，美國約翰.霍普金斯大學研制出“有感覺”Beast機器人；1968年，美國斯坦福研究所公布他們研發成功的機器人Shakey，算是世界第一臺職能機器人；1969年，日本早稻田大學研發出第一臺以雙腳走路的機器人；1980年，日本迅速普及工業機器人，“機器人元年”；1.2機器人大事件1996年，瑞典家電巨頭伊萊克斯(Electrolux)制造了世界上第一臺量產型掃地機器人的原型——“三葉蟲”；1997年，機器人足球世界杯賽橫空出世；1997年，自主式機器人車輛“索杰納”登上火星的自主式機器人車輛；1997年，IBM公司開發出來的"深藍"戰勝棋王卡斯帕羅夫，這是機器人發展的里程碑。1997年，日本本田公司率先研制出了第一臺類人型步行機器人樣機P3；1997年，我國6000米無纜水下機器人試驗應用成功，標志著我國水下機器人技術已達到世界先進水平；1.2機器人大事件2000年，我國獨立研制的第一臺具有人類外形、能模擬人類基本動作的類人型機器人在長沙國防科技大學問世；2001年，美國麻省理工學院研發出了世界上第一個有模擬感情的機器人；2003年，機器人參與火星探險計劃，兩臺漫游者機器人探索火星表面和地質任務；2003年，德國庫卡公司（KUKA）開發出第一臺娛樂機器人Robocoaster；2004年，日本安川（Motoman）機器人公司開發了改進的機器人控制系統（NX100），它能夠同步控制四臺機器人，可達38軸；2008年，世界上第一例機器人切除腦瘤手術成功，施行手術的是卡爾加里大學醫學院研制的“神經臂”；1.2機器人大事件2008年，我國首臺家用網絡智能機器人——塔米（Tami）在北京亮相；2009年，瑞典ABB公司推出了世界上最小的多用途工業機器人IRB120；2011年，世界第一臺仿人型機器人進入太空；2014年，我國首條“機器人制造機器人”生產線投產；2015年，我國研制出世界首臺自主運動可變形液態金屬機器；2017年，“索菲亞”在沙特阿拉伯首都利雅得舉行的“未來投資倡議”大會上獲得了沙特公民身份，也是史上首位獲得公民身份的機器人；1.2機器人大事件2018年，美國馬薩諸塞州的波士頓動力（BostonDynamics）的Atlas做跑酷（圖1-11）、進行倒車或慢跑，SpotMini開門（圖1-12），憑借其炫技又吸睛的機器人產品為世界贏得了驚喜；2018年，央視春晚上百輛百度阿波羅（Apollo）無人車隊在港珠澳大橋上穿行而過，并完成了8字交叉跑的高難度動作，為全國的觀眾帶來了一場極具視覺震撼的黑科技表演；1.2機器人大事件2019年，我國的中興和新松聯合推出5G智慧工廠的“5G+AR+協作機器人”；2020年，ABB推出了適用于嚴苛工作環境的新版IRB1100機器人和OmniCore控制器，增強了其防水和防塵保護設計；2021年，工業和信息化部等十五部門聯合印發《“十四五”機器人產業發展規劃》；2022年，國內首個工業級5G智能機器人聯合實驗室落成儀式成功舉行，該實驗室由珞石機器人與中科晶上共同建設成立，雙方基于工業5級研發建設G智能芯片機器人，解決了中國機器人和芯片領域的雙重問題“卡脖子”技術問題，共同推動機器人產業高質量發展。1.2機器人大事件1.2機器人大事件圖1-11波士頓動力Atlas做跑酷圖1-12波士頓動力SpotMini開門謝

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任務三機器人走進工業應用第一篇漫談篇——工業機器人世界漫游

機器人改變了生產方式，帶來了制造業模式的變革。新一輪工業革命呼喚著機器人發展，勞動力成本不斷上升加速機器人需求，新技術進步提升機器人性能，客戶化定制依賴于機器人制造。1.3機器人走進工業應用為了避免危險惡劣的工作環境導致的工傷事故和職業病，保護工人的身心安全，對一些特殊工種，工作量大，環境惡劣，危險性，人類無法涉足的工作領域都可由工業機器人代替。在制造業中，工業機器人得到了廣泛的應用。如在毛坯制造（沖壓、壓鑄、鍛造等）、機械加工、焊接、熱處理、表面涂覆、上下料、裝配、檢測及倉庫堆垛等作業中，工業機器人都已逐步取代了人工作業。圖1-13和圖1-14是應用最廣泛的裝配和碼垛機器人。1.3機器人走進工業應用圖1-13裝配機器人圖1-14碼垛機器人機器人作為現代制造業主要的自動化裝備，已廣泛應用于汽車、摩托車、工程機械、電子信息、家電、化工等行業，進行焊接、裝配、搬運、加工、噴涂、碼垛等復雜作業。全世界投入使用的機器人數量近年來快速增加，目前，日本實際裝配的機器人總量占世界總量的一半。裝配是日本機器人的最大應用領域，它擁有的機器人占總數的42%；焊接是應用的第二大領域，占機器人總數的19%；注塑是第三大應用領域，占機器人總數約12%，機加工次之為8%。1.3機器人走進工業應用1.3.1工業機器人在汽車制造中的應用汽車工業4.0是依托信息物理系統（CPS）和信息通訊技術相結合使汽車車間實現自動化、智能化、互聯網化得汽車生產制造過程，包括無線射頻技術、工業以太網、在線條碼、二維碼比對、影像識別、機器人等技術應用。工業機器人是汽車生產中非常重要的設備，各個部件的生產都需要有工業機器人的參與。工業機器人在汽車生產線上工作主要有弧焊、點焊、裝配、搬運、噴漆、檢測、碼垛、研磨拋光和激光加工等復雜作業。圖1-15為工業機器人在汽車生產線上常見的4類工作。1.3機器人走進工業應用1.3機器人走進工業應用（a）搬運機器人（b）焊接機器人（c）裝配機器人（d）噴涂機器人圖1-15工業機器人在汽車制造業中的應用我們來舉幾個例子，在汽車生產中的車身生產中，有大量壓鑄，焊接，檢測等應用，這一些目前均由工業機器人參與完成，特別是焊接線，一條焊接線就有大量的工業機器人，所以一般現在的一些領導參觀，多為去焊接車間，一排機器人，相當壯觀，同時也顯示出自動化的程度相當的高；汽車內飾生產，汽車內飾相當的多，最主要的則是儀表盤，而儀表盤的制作，則需要表皮弱化機器人，發泡機器人，最后的產品切割機器人，汽車車身的噴涂，這一塊由于工作量大，危險性，大量的也都由工業機器人代替。1.3機器人走進工業應用一、焊接機器人在汽車底盤焊接中的應用國內生產的桑塔納、帕薩特、別克、賽歐、波羅等后橋、副車架、搖臂、懸架、減振器等轎車底盤零件大都是以MIG焊接工藝為主的受力安全零件，主要構件采用沖壓焊接,板厚平均為1.5～4mm，焊接主要以搭接、角接接頭形式為主，焊接質量要求相當高，其質量的好壞直接影響到轎車的安全性能。1.3機器人走進工業應用焊接機器人最適合于多品種高質量生產方式，目前已廣泛應用在汽車制造業，汽車底盤、座椅骨架、導軌、消聲器以及液力變矩器等焊接件均使用了機器人焊接，尤其在汽車底盤焊接生產中得到了廣泛的應用，如圖1-16所示。應用機器人焊接后，大大提高了焊接件的外觀和內在質量，并保證了質量的穩定性和降低勞動強度，改善了勞動環境。1.3機器人走進工業應用圖1-16焊接機器人在汽車生產線上按照焊接機器人系統在汽車底盤零部件焊接的夾具布局的不同特點，及外部軸等外圍設施的不同配置，焊接機器人系統可分為以下幾種形式。（1）滑軌+焊接機器人的工作站；（2）單（雙）夾具固定式+焊接機器人工作站；（3）帶變位機回轉工作臺+焊接機器人工作站；（4）搬運機器人+焊接機器人工作站；（5）協調運動式外軸+焊接機器人工作站；（6）機器人焊接自動線；（7）焊接機器人柔性系統。1.3機器人走進工業應用二、KUKA機器人在寶馬汽車的應用現代汽車制造業不斷向“準時化”和“精益生產”的方向發展，這對設備的快速響應、柔性化、集成化和多任務處理的能力提出了更高要求。為迎合這種需求，庫卡公司另辟蹊徑，突破傳統的機器人協同工作組概念，以單個機器人作為獨立的控制對象。把計算機網絡控制的概念引入到機器人協同工作組控制中，對機器人協同工作組的功能和工作模式進行了歷史性的革新，使得15臺機器人同步工作成為可能，完全顛覆了傳統汽車制造中以工位為目標單位的工藝格局，汽車的柔性化生產提高到了一個空前的高度。庫卡焊接、裝配機器人在汽車生產線上的應用如圖1-17和圖1-18所示。1.3機器人走進工業應用1.3機器人走進工業應用圖1-17KUKA焊接機器人在汽車生產線上應用圖1-18KUKA裝配機器人在汽車生產線上應用寶馬公司為其在雷根斯堡的工廠尋找一種自動化解決方案用以傳送寶馬1系列及3系列車型的整個前后軸以及車門。該方案選擇了三臺庫卡機器人，包括一臺KR500及兩臺KR360來傳送前后軸。KR500從裝配系統中取出已裝配好的前軸并將其置于裝配總成支架上，在那里前軸將被裝配到傳動桿上。KR500的多用夾持器適用于1、3系列所有車型專有的軸。此外，整個夾持器還滿足了寶馬公司的要求，即能夠在傳送過程中使軸的活動部分保持在規定的位置。由此，機器人可將所有需要裝配的部件在轉配總成支架上準確定位。1.3機器人走進工業應用兩臺重載型機器人KR36傳送后軸。第一臺KR360從裝配系統中取出軸并將其置于多用工件托架的存儲器內。第二臺KR360從存儲器中取出軸并將其置于裝配總成支架上。如同前軸的情況，放置后軸時所需達到的精確位置可通過一個感知器測量系統得到。為使KR360能夠在最佳的位置上完成所需的工作，它被安裝在一個一米半高的底座之上。由于機器人控制系統將夾持器作為第七條軸來移動，因此KR360就有能力將客車車軸舉到輪轂處而不受輪距的限制。1.3機器人走進工業應用在傳送車門方面，四臺裝配有400mm延長臂的KR150，每兩臺作為一組，可以替代數目相同的提升站以及所屬用以交接的機械裝置。在兩個機器人小組內部，一臺機器人負責前門，另一臺負責后門，如圖1-19所示。1.3機器人走進工業應用圖1-19KUKA裝配機器人裝配車門當一輛帶著空運輸吊架的電動鋼索吊車停在工位內時，機器人的工作就可以開始了。有關的KR150將其夾持器擺動著伸入貨物承裝工具內部，將其從電動鋼索吊車上取下并置于下一層以做好裝料準備。兩個在此工作的工作人員為吊架的兩側都裝上相應車身的車門。之后，機器人將貨物承裝工具移回上一層并將其重新放回電動鋼索吊車。如圖1-12所示，由于機器人重復精度高，就可以避免對車門及電動鋼索吊產生損傷。由于對機器人可進行自由編程，因此整個設備也具有很高的靈活性。除此之外，庫卡公司還可以滿足寶馬公司對夾持器的要求--設計簡單且安全可靠。1.3機器人走進工業應用1.3.2工業機器人在物流領域中的應用一、碼垛機器人國內的物流行業已經進入了準高速增長階段。傳統的自動化生產設備可能已經不能滿足企業日益增長的生產需求。以碼垛設備為例，機械式碼垛機，具有占地面積大、程序更改復雜、耗電量大等缺點；采用人工搬運，勞動量大，工時多，無法保證碼垛質量，影響產品順利進入貨倉，可能有百分之五十的產品由于碼垛尺寸誤差過大而無法進行正常存儲，還需要重新整理。1.3機器人走進工業應用目前歐、美、日的碼垛機器人在碼垛市場的占有率超過了90%，絕大數碼垛作業由碼垛機器人完成。碼垛機器人能適應于紙箱、袋裝、罐裝、箱體、瓶裝等各種形狀的包裝成品碼垛作業，如圖1-20所示。1.3機器人走進工業應用圖1-20碼垛機器人在包裝生產線上碼垛機器人通過檢測吸盤和平衡氣缸內氣體壓力，能自動識別機械手臂上有無載荷，并經氣動邏輯控制回路自動調整平衡氣缸內的氣壓，達到自動平衡的目的。工作時，重物猶如懸浮在空中，可避免產品對接時的碰撞。在機械手臂的工作范圍內，操作人員可將其前后左右上下輕松移動到任何位置，人員本身可輕松操作。同時，氣動回路還有防止誤操作掉物和失壓保護等連鎖保護功能。1.3機器人走進工業應用碼垛機器人能將不同外形尺寸的包裝貨物，整齊、自動地碼（或拆）在托盤上（或生產線上等）。為充分利用托盤的面積和碼堆物料的穩定性，機器人具有物料碼垛順序、排列設定器。可滿足從低速到高速，從包裝袋到紙箱，從碼垛一種產品到碼垛多種不同產品。先進的大型碼垛機器人如圖1-21所示。1.3機器人走進工業應用圖1-21大型碼垛機器人二、自動導引車AGV是自動導引車（AutomatedGuidedVehicle）的英文縮寫，是指具有磁條，軌道或者激光等自動導引設備，沿規劃好的路徑行駛，以電池為動力，并且裝備安全保護以及各種輔助機構（例如移載，裝配機構）的無人駕駛的自動化車輛，如圖1-22所示。1.3機器人走進工業應用圖1-22自動導引車

通常多臺AGV與控制計算機（控制臺），導航設備，充電設備以及周邊附屬設備組成AGV系統，其主要工作原理表現為在控制計算機的監控及任務調度下，AGV可以準確的按照規定的路徑行走，到達任務指定位置后，完成一系列的作業任務，控制計算機可根據AGV自身電量決定是否到充電區進行自動充電。根據導航方式的不同，目前AGV產品可分為：磁導航AGV和激光導航AGV（又稱LGV）。在物流領域里，根據工作方式的不同，AGV有叉車式運輸型AGV、搬運型AGV、重載AGV、智能巡檢AGV、特種AGV以及簡易AGV（又稱AGC）等。1.3機器人走進工業應用當前的智能物流機器人CPU性能越來越高，控制器內部根據控制功能的不同采取模塊化設計，運動平衡控制的增強，提高了機器人加速和加速的時間，加快了機器人的動作周期，碰撞檢測功能的提高，極大地保護了機器人本體和手爪；新開發的虛擬現實功能，作為軟件集成在機器人系統控制柜中。通過機器人示教盤監控視覺功能的作業情況。舍去了傳統視覺系統中PC機等硬件，大大節省了成本支出。機器人已經在中國物流行業中被廣泛的應用，節約了成本，提高物流效率。智能物流機器人如圖1-23所示。1.3機器人走進工業應用圖1-23智能物流機器人1.3.3工業機器人在能源領域中的應用能源裝備自動化產業已經利用先進機器人及自動化技術，開發各種油田及其它能源行業自動化裝備。例如：應用于海上和陸地油氣田的井口管處理機器人系統，相修井作業管桿自動操作機、自動修井機、勘察船抓管機器人、鉆臺機器人、二層平臺操作機器人等，還有像應用于發電廠和變電站的巡視機器人等。用于完成高勞動強度、環境惡劣的場合。1.3機器人走進工業應用一、折臂抓管機器人折臂抓管機器人主要安裝在船甲板或海洋鉆井平臺上，采用機器人自動化技術，與鷹爪機之間協調配合工作，將管場中水平放置的鉆桿移運到井口，翻轉為豎直狀態；或者將井口上方拆卸下的豎直鉆桿，翻轉并移運到管場。1.3機器人走進工業應用在運移過程中，鉆桿質心軌跡保持為平行或垂直船軸線，并且鉆桿軸線與船軸線保持平行，實現鉆桿在空間范圍內按規劃軌跡的移運。折臂抓管機器人在海洋鉆探領域應用前景十分廣闊，如圖1-24所示。1.3機器人走進工業應用圖1-24抓臂抓管機器人二、發電廠、變電站的巡視機器人長期以來，我國電力行業沿用的變電站設備人工巡檢作業方式，在高壓、超高壓、核力發電以及惡劣氣象條件下，不僅對人身危害大，而且對電網安全運行帶來一定隱患。工業巡視監控機器人可代替人工完成電氣設備的巡檢作業。工業監控機器人系統以自主或遙控的方式，在無人值守或少人值守的變電站對室外設備進行巡檢，可及時發現電力設備的熱缺陷、異物懸掛等設備異常現象。它可以通過攜帶的各種傳感器，完成變電站設備的圖像巡視、一次設備的紅外檢測等。操作人員只需通過后臺計算機收到的實時數據、圖像等信息，即可完成發電廠、變電站的設備巡視工作。1.3機器人走進工業應用巡視機器人主要應用于室外變電站代替巡視人員進行巡視檢查。該機器人系統可以攜帶紅外熱像儀、可見光CCD等有關的電站設備檢測裝置，以自主和遙控的方式，代替人對室外設備進行巡測，以便及時發現電力設備的內部熱缺陷、外部機械或電氣問題如：異物、損傷、發熱、漏油等等，給運行人員提供診斷電力設備運行中的事故。如圖1-25所示。1.3機器人走進工業應用圖1-25自動巡視機器人工業監控機器人是集機電一體化技術、運動控制系統、視頻采集、紅外探測、穩定的無線傳輸技術于一體的復雜系統。采用完全自主或遙控方式，沿指定線路自主行走。攜帶的攝像機作為檢測裝置，用于檢測輸電設備的損傷情況，并將檢測到的數據和圖像信息經過無線傳輸發送到后臺監控系統，后臺可以接收、顯示和存儲機器人發回的數據和圖像資料，并對機器人的運行狀態具有遠程控制和檢測的能力。1.3機器人走進工業應用運動控制系統：主要實現機器人動力驅動，根據系統路徑規劃和遙控指令實現車體的運動控制，包括速度、位置控制。如圖1-26所示，機器人在爬臺階。1.3機器人走進工業應用圖1-26自動巡視機器人爬臺階紅外采集系統：紅外熱像儀是目前利用紅外輻射測溫領域中最先進的一種測溫設備，其結構一般是由三部分組成：紅外探測頭、圖像處理器、監視器。紅外成像技術利用現代高科技手段，在設備不停電的情況下，即在高電壓，大負荷的條件下，檢測設備運行狀況，通過對電氣設備表面溫度的分布及其測試，分析和判斷，發現運行設備異常及其缺陷。1.3機器人走進工業應用視頻采集系統：通過工業監控機器人攜帶的攝像頭進行視頻圖像的采集，采集模塊將視頻數據經無線網傳回后臺，后臺的視頻處理模塊對數據進行監測分析，檢測結果通過無線網發回云臺命令，對監控機器人上的攝像頭進行控制。1.3機器人走進工業應用謝

謝第一篇漫談篇——工業機器人世界漫游

任務四機器人服務各行各業第一篇漫談篇——工業機器人世界漫游

機器人系統在不斷發展，并漸漸滲透進了人類的諸多生活領域內，從制造業、醫學和遠程探測技術到娛樂、安全與私人助理等不一而足。下面列舉一些在醫療、生活、娛樂等行業的最棒最新的機器人，它們讓我們看到未來……1.4機器人服務各行各業1.4.1牙疼機器人牙疼機器人Hanako（圖7-14）來自日本的醫生和機器人研究人員推出了一款仿人機器人“Hanako”，該機器人可以通過眨動眼睛、以及像病人那樣流口水，甚至可以表達疼痛的表情。而Hanako可作為牙科學生的演練工具，以及用來測驗和評估牙科學生的技能水平。1.4機器人服務各行各業圖1-27牙疼機器人Hanako具有女性外形的機器人Hanako面部表情非常豐富，甚至能夠開口說話：“請多多關照。”但是，當牙科學生鉆孔時鉆的過多、或者鉆的地方不對時，Hanako會說：“你碰疼我了”，然后不斷的搖動其塑料材質的頭部。而牙科學生會根據機器人的表現來做出修正。1.4機器人服務各行各業1.4.2手術機器人手術機器人是一位醫這療保健一眼五臂的“醫生”。有人預測：“25年后，手術臺前也許看不到大夫，主刀的將是機器人。”如圖1-28所示，國內首臺微創外科手術機器人“妙手A”在操作人員的控制下，演示著外科大夫在手術中常做的操作，對捏、剪切、縫合、打結等操作。這些都是在和手術臺完全獨立的一部控制器前完成的，手術臺前的主刀大夫是一臺具有一眼——內墻窺視鏡，五臂——手持各種手術器械的機械手。1.4機器人服務各行各業圖1-28手術機器人圖1-29是馬薩諸塞州米爾頓的米爾頓醫院泌尿科醫生克利福德?格魯克（CliffordGluck）正在操作“達芬奇”機器人系統。1.4機器人服務各行各業圖1-29“達芬奇”機器人1.4.3服務員機器人在泰國首都曼谷的一家日本餐館，機器人服務員為客人上菜。這家日本餐館是泰國首家擁有機器人服務員的餐館，顧客可以通過電子觸摸屏進行點菜，機器人則會帶來相應的服務。機器人服務員能有節奏地跳舞，還可以自動到餐桌為客人收走空盤子。如圖1-30所示。1.4機器人服務各行各業圖1-30機器人服務員如圖1-31所示，日本東京的早稻田大學機械工程系實驗室開發的“機器人21”，它的指間正在靈巧地抓取一根吸管，展示出它對細小物體的操縱能力。菅野茂樹(ShigekiSugano)博士領導早稻田大學的一個科研組研發了這種非常先進的機器人，他們希望這些機器人能幫助老年人。1.4機器人服務各行各業圖1-31機器人21如圖1-32所示，在東京舉行的衛生機器人展覽活動中，被稱作“MySpoon”的機器人助手正在給日本政府高官喂飯吃。日本Secom公司研發的這款“MySpoon”機器人是為了幫助殘疾人利用嘴巴、手或腳控制一個操作桿吃飯。1.4機器人服務各行各業圖1-32喂飯機器人1.4.4地外探測車如圖1-33所示，美國宇航局的“全地形六腿地外探測車”正在穿越與迪蒙沙丘接壤的加州地區。“全地形六腿地外探測車”經過特殊設計，將能在未來的月球任務中像阿波羅飛船一樣穿越極端起伏不平的地形，并能攀越極其崎嶇或者陡峭的地形。1.4機器人服務各行各業圖1-33全地形六腿地外探測車如圖1-34所示，美國航空航天局的新型地球探測車GROVER只在格陵蘭的最高點進行工作。該探測車可以經得住零下30攝氏度的低溫，和37公里時速的大風。如圖1-35所示是日本東芝公司的探測機器人，它甚至可以到被核輻射的福島核電站進行探測去污工作任務。1.4機器人服務各行各業圖1-34地球探測車GROVER圖1-35東芝探測機器人1.4.5娛樂機器人如圖1-36所示是豐田汽車公司的機器人在陳列室中正在演奏樂器。如圖1-37所示是科威特的駱駝競賽俱樂部，背著機器人騎師的駱駝只在比賽。1.4機器人服務各行各業圖1-37機器人騎師圖1-36演奏機器人1.4.6保安機器人如圖1-38所示，在東京舉辦的一次展覽中，一位模擬入侵者躺在遙控保安機器人T-34身邊的地上正在網中掙扎，這張網是T-34機器人發射的。T-34的用戶可通過該機器人的照相機看到運動的物體圖像，并可利用手機控制這種機器人。T-34機器人具有對體溫和聲音產生反應的傳感器，通過遙控可以發射出一張網，捉住入侵者。1.4機器人服務各行各業圖1-38安保機器人

如圖1-39所示，是Dok-Ing公司研發的MVF-5多功能機器人滅火系統正在國際應急管理學會的年會上進行表演。1.4機器人服務各行各業圖1-39多功能滅火機器人1.4.7人形手機器人如圖1-40所示，在倫敦科學博物館里，一名觀眾在和名叫“貝爾蒂”（Berti）的機器人握手。它是跟真人一樣大的人形機器人，設計師制造它的目的是模仿人類手勢。如圖1-41所示，德國中部漢諾威舉行的世界最大規模的高科技展覽會CeBIT上觀看人形遙控系統“RollinJustin”表演調制速溶茶。1.4機器人服務各行各業圖1-40握手機器人圖1-41機器人調制速溶茶1.4.8人腦意念機器人日本本田汽車公司日前開發出一種新技術，可以將大腦思維與機器人相連接，也許將來有一天，像打開汽車行李箱或控制室內空調這樣的舉動都可以由機器人來替我們完成，至于轎車將來有一天是否不用方向盤靠人的思維自動駕駛。如圖1-42所示，在一個人想象四個簡單動作時(如移動右手、移動左手、跑步和吃飯)，可閱讀頭皮上電流模式以及大腦血流變化的技術。分析了此類思維模式，然后通過無線方式把信息傳輸給人形機器人阿西莫(Asimo)，阿西莫對大腦信號作出回應動作。1.4機器人服務各行各業圖1-42人腦意念機器人根據機器人的應用環境，國際機器人聯盟（IFR）將機器人分為工業機器人和服務機器人。其中，工業機器人指應用于生產過程與環境的機器人，主要包括人機協作機器人和工業移動機器人；服務機器人則是除工業機器人之外的、用于非制造業并服務于人類的各種先進機器人，主要包括個人/家用服務機器人和公共服務機器人。現階段，考慮到我國在應對自然災害和公共安全事件中，對特種機器人有著相對突出的需求，我們將機器人劃分為工業機器人、服務機器人、特種機器人三類。1.4機器人服務各行各業本書重點介紹的工業機器人指面向工業領域的多關節機械手或多自由度機器人，在工業生產加工過程中通過自動控制來代替人類執行某些單調、頻繁和重復的長時間作業，主要包括焊接機器人、搬運機器人、碼垛機器人、包裝機器人、噴涂機器人、切割機器人和凈室機器人。服務機器人指在非結構環境下為人類提供必要服務的多種高技術集成的先進機器人，主要包括家用服務機器人、醫療服務機器人和公共服務機器人，其中，公共服務機器人指在農業、金融、物流、教育等除醫學領域外的公共場合為人類提供一般服務的機器人。特種機器人指代替人類從事高危環境和特殊工況的機器人，主要包括軍事應用機器人、極限作業機器人和應急救援機器人。1.4機器人服務各行各業1.4機器人服務各行各業圖1-43根據應用場景的機器人主要分類謝

謝第二篇認識篇——工業機器人家族本領任務一工業機器人的分類、市場分析與主要應用行業第二篇認識篇——工業機器人家族本領

2.1工業機器人的分類、市場分析與主要應用行業一、按照機器人的運動形態分類按照機器人的運動形態分類，可以分為直角坐標型工業機器人、圓柱坐標型工業機器人、球坐標型工業機器人、多關節型工業機器人、平面關節型工業機器人和并聯型工業機器人，各類型實物圖如圖2-1所示。2.1.1工業機器人的分類(a)直角坐標型(b)圓柱坐標型(c)球坐標型(d)多關節型(e)平面關節型(f)并聯型圖2-1工業機器人類型2.1工業機器人的分類、市場分析與主要應用行業1、直角坐標型工業機器人直角坐標型工業機器人結構示意圖如圖2-2所示。手部空間的位置變化是通過沿著3個相互垂直的軸線移動來實現，常用于生產設備的上下料和高精度的裝配和檢測作業。一般直角坐標型工業機器人的手臂可以垂直上下移動（Z軸方向），并可以沿著滑架和橫梁上的導軌進行水平二維平面的移動（X、Y方向）。顯然直角坐標型工業機器人有3個移動關節，即3個自由度。圖2-2直角坐標型結構示意2.1工業機器人的分類、市場分析與主要應用行業（1）直角坐標型工業機器人有如下優點：結構簡單；編程容易，在X、Y、Z三個方向的運動沒有耦合，便于控制系統的設計；直線運動速度快，定位精度高，蔽障性能較好；（2）直角坐標型工業機器人有如下缺點：動作范圍小，靈活性較差；導軌結構較復雜，維護比較困難，導軌暴露面大，不如轉動關節密封性好；結構尺寸較大，占地面積較大；移動部分慣量較大，增加了對驅動性能的要求；2.1工業機器人的分類、市場分析與主要應用行業2、圓柱坐標型工業機器人圓柱坐標型工業機器人結構示意圖如圖2-3所示。有兩個移動關節和一個轉動關節，末端操作器的安裝軸線的位姿由（z，r,θ）坐標予以表示，其主體具有3個自由度：腰部轉動、升降運動、手臂伸縮運動。圖2-3圓柱坐標型結構示意2.1工業機器人的分類、市場分析與主要應用行業（1）圓柱坐標型工業機器人主要有如下優點：控制精度較高，控制較簡單，結構緊湊；對比直角坐標形式，在垂直和經向的兩個往復運動可以采用伸縮套簡式結構，在腰部轉動時可以把手臂縮回，從而減少轉動慣量，改善了力學負載。空間尺寸較小，工作范圍較大，末端操作器可獲得較高的運動速度。（2）圓柱坐標型工業機器人主要有如下缺點：由于機身結構的原因，手臂不能到達底部，末端操作器離z軸愈遠，減小了機器人的工作范圍，其切向線位移的分辨精度就愈低。2.1工業機器人的分類、市場分析與主要應用行業3、球坐標型工業機器人球坐標型工業機器人結構示意圖如圖2-4所示，有兩個轉動關節和一個移動關節，末端操作器的安裝軸線的位姿由（θ，φ，r）坐標予以表示。機械手能夠里外伸縮移動，在垂直平面內擺動已經繞底座在水平面內移動，因為這種機器人的工作空間形成球面的一部分。很多知名企業球坐標型工業機器人其手臂采用液壓驅動的移動關節，繞垂直和水平軸線的轉動也采用了液壓伺服系統。圖2-4球坐標型結構示意2.1工業機器人的分類、市場分析與主要應用行業球坐標型工業機器人的特點是：占地面積小，結構緊湊，位置精度尚可；蔽障性能較差，存在平衡問題；2.1工業機器人的分類、市場分析與主要應用行業4、關節坐標型工業機器人關節坐標型工業機器人結構示意圖如圖2-5所示，主要由底座、大臂和小臂組成。大臂和小臂間的轉動關節稱為肘關節，大臂和底座間的轉動關節稱為肩關節。底座可以繞垂直軸線轉動，稱為腰關節。它是一種廣泛應用的擬人化機器人。圖2-5關節坐標型結構示意2.1工業機器人的分類、市場分析與主要應用行業（1）關節坐標型工業機器人的優點有：結構緊湊，占地面積小；靈活性好，手部到達位置好，具有較好的蔽障性能；沒有移動關節，關節密封性能好，摩擦小，慣量小；關節驅動力小，能耗較低；（2）關節坐標型工業機器人的缺點有：運動過程中存在平衡問題，控制存在耦合；當大臂和小臂舒展開時，機器人結構剛度較低；2.1工業機器人的分類、市場分析與主要應用行業5、并聯型工業機器人并聯型機構，是動平臺和定平臺通過至少兩個獨立的運動鏈相連接，機構可以具有兩個、三個、四個、五個或六個自由度，且以并聯方式驅動的一種閉環機構。（a）二自由度（b）三自由度（c）四自由度圖2-6并聯型工業機器人2.1工業機器人的分類、市場分析與主要應用行業從運動形式來看，并聯機構可分為平面機構和空間機構；細分可分為平面移動機構、平面移動轉動機構、空間純移動機構、空間純轉動機構和空間混合運動機構，并聯型結構特點：與串聯機構相比剛度大，結構穩定；承載能力大；微動精度高；運動負荷小；在位置求解上，串聯機構正解容易，但反解十分困難，而并聯機構正解困難反解卻非常容易。2.1工業機器人的分類、市場分析與主要應用行業二、按照輸入信息的方式分類按照輸入信息的方式分類，可以分為操作機械手、固定程序工業機器人、可編程型工業機器人、程序控制工業機器人、示教型工業機器人、智能型工業機器人。各機器人的特點見表2-1。2.1工業機器人的分類、市場分析與主要應用行業三、按照驅動方式分類按照驅動方式分類，可以分為液壓型工業機器人、電動型工業機器人、氣壓型工業機器人。其特點見表2-2。2.1工業機器人的分類、市場分析與主要應用行業四、按照運動軌跡分類按照運動軌跡分類，可以分為點位型工業機器人、連續軌跡型工業機器人。點位控制是控制機器人從一個位姿到另一個位姿，其路徑不限；連續軌跡控制是控制機器人的機械接口，按編程規定的位姿和速度，在指定的軌跡上運動。通常我們見到的工業機械手屬于智能型、連續軌跡、多關節工業機器人，末端手爪多為氣動或者電動。2.1工業機器人的分類、市場分析與主要應用行業一、工業機器人市場快速增長2022年10月13日，國際機器人聯合會在法蘭克福發布新的全球機器人報告顯示，2021年，全球工業機器人新增裝機量達517385臺，堪稱巔峰之年，同比增長31%，超過新冠肺炎疫情前的2018年，增加幅度為22%。截至目前，全球在役機器人存量達到350萬臺，創歷史新高。2.1.2工業機器人的市場分析2.1工業機器人的分類、市場分析與主要應用行業從國內市場來看，在國內密集出臺的政策和不斷成熟的市場等多重因素驅動下，工業機器人增長迅猛，除了汽車、3C電子兩大需求最為旺盛的行業，化工、石油等應用市場逐步打開。中國作為疫情控制最好的國家，工業機器人發展持續向好，已成為驅動機器人產業發展的主引擎，近五年中國工業機器人市場規模始終保持增長態勢，2022年市場規模將繼續保持增長，預計將達到87億美元，預計到2024年中國工業機器人市場規模進一步擴大，將超過110億美元。2.1工業機器人的分類、市場分析與主要應用行業圖2-72017-2024年中國工業機器人銷售額統計及預測2.1工業機器人的分類、市場分析與主要應用行業韓國的工業機器人2018年安裝量約38000臺，每年增長率12%,密度（774臺/萬人）是全世界平均值的八倍以上。韓國擁有了一批在世界上具有影響力的企業，比如現代重工旗下的HYUNDAI（韓國現代機器人）、韓國領先企業Robostar（羅普伺達機器人）、DongbuRobot（東部機器人）、Doosungrobot（斗星機器人）、AlphaRobotics（阿爾帕機器人）等。日本的工業機器人銷量增長了21%，達到55000臺，創下了該國有史以來的最高值。對于一個已經高度自動化的工業生產市場來說，2013年以來17%的平均年增長率是驚人的。日本目前也是世界第一大工業機器人制造商，2018年交付了全球供應量的52%。2.1工業機器人的分類、市場分析與主要應用行業美國的工業機器人安裝量連續第八年增長，2018年安裝量約40300臺，達到新的峰值。這比2017年高出22%。自2010年以來，美國所有制造業的增長一直由自動化生產驅動，以增強美國國內和全球市場的產業實力。德國是世界第五大機器人市場，歐洲排名第一，其次是意大利和法國。2018年工業機器人銷量增長26%，達到近27000臺，創下歷史新高,安裝量主要來自汽車工業的驅動。從工業機器人密度來看(每萬名制造業員工所擁有的機器人數量)，新加坡達到831臺，全球最高，其次是韓國(774臺)與德國(338臺)。中國的工業機器人密度為140臺，高于全球各地區的平均水平84臺。2.1工業機器人的分類、市場分析與主要應用行業2019年進入協作機器人時代，雖然份額較低，僅占安裝總量的3.24%，但增長較快，在整個市場中屬于利基市場。從2017年的11100臺到2018年的14000臺，協作機器人增長率達到了23%。2.1工業機器人的分類、市場分析與主要應用行業二、工業機器人的主要應用行業汽車、電子電氣、金屬和機械、化工和食品和飲料行業共五個行業是目前工業機器人重要的應用行業，五個行業銷量占比超過了80%。汽車行業和電子電氣行業是工業機器人應用最重要的兩個行業，兩個行業銷量占比超過60%。根據2018年IFR數據來看，2018年全球工業機器人在汽車、電子電氣、金和機械、化工和食品行業銷量占比分別為37.44%、26.28%、11.16%、5.35%、2.79%。圖2-82018年國際市場工業機器人應用領域分布情況2.1工業機器人的分類、市場分析與主要應用行業1、汽車行業汽車行業仍然是全球最大的機器人應用行業，在2018年約占總供應量的30%。對新車生產能力和現代化的投資推動了該行業對機器人的需求。使用新材料、開發節能驅動系統以及所有主要汽車市場的激烈競爭都推動了該項投資。目前79%的汽車工業機器人安裝量分布在5個主要市場：中國(39351臺)、日本(17346臺)、德國(15673臺)、美國(15246臺)和韓國(11034臺)。據OICA的統計，作為世界第四大汽車生產國，印度的汽車工業也安裝了大約2100臺工業機器人。2.1工業機器人的分類、市場分析與主要應用行業

2、電氣/電子行業電氣/電子行業本將在未來幾年取代汽車行業，成為工業機器人最重要的應用行業。然而，全球對電子設備和組件的需求大幅下降對這一趨勢造成了影響。該行業可能是受中美貿易危機影響最大的行業，因為亞洲國家是制造電子產品和零部件的領頭羊。電氣/電子行業2018年的機器人安裝量約12.2萬臺，該行業總安裝量的79%分布在三個主要國家：中國(43%)、韓國(19%)、日本(17%)。在幾個重大項目的推動下，越南在2017年實現了安裝量的一次性增長(7080臺)，增長幅度最大的國家。2.1工業機器人的分類、市場分析與主要應用行業

3、金屬和機械工業金屬和機械工業已成為工業機器人的第三大應用行業，2018年安裝量占總需求的10%。近年來，金屬制品(不含汽車零部件)生產商和工業機械生產商都購買了大量機器人。2018年金屬和機械工業裝機量增至約43500臺，該行業最大的安裝市場分布在芬蘭(44%)、瑞典(42%)、瑞士(40%)、比利時(30%)、奧地利(27%)、意大利(26%)和丹麥(21%)。謝

謝第二篇認識篇——工業機器人家族本領任務二工業機器人的結構與主要參數第二篇認識篇——工業機器人家族本領

2.2工業機器人的結構與主要參數從工業機器人的總體結構上看（如圖2-9所示），可以分為“三大部分六個系統”。三大部分、六大系統是一個統一的整體，如圖2-10所示。2.2.1工業機器人的結構功能圖2-9工業機器人的總體結構圖2-10三大部分六大系統的組成示意圖2.2工業機器人的結構與主要參數三大部分是指用于實現各種動作的機械部分、用于感知內部和外部的信息的傳感部分和用于控制機器人完成各種動作的控制部分。六大系統分別是驅動系統、機械結構系統（又叫執行系統）、機器人-環境交互系統、感受系統、人機交互系統和控制系統。2.2工業機器人的結構與主要參數一、驅動系統驅動系統包括動力裝置和傳動機構，用以使執行機構產生相應的動作。有電機驅動、液壓驅動、氣動驅動、其它驅動形式。根據需要，可采用由這三種基本驅動類型的一種，或合成式驅動系統，目前最常用的是電機驅動。這三種基本驅動系統的主要特點見表2-3。2.2工業機器人的結構與主要參數2.2工業機器人的結構與主要參數工業機器人驅動系統的選用，應根據工業機器人的性能要求、控制功能、運行的功耗、應用環境及作業要求、性能價格比以及其他因素綜合加以考慮。在充分考慮各種驅動系統特點的基礎上，在保證工業機器人性能規范、可行性和可靠性的前提下做出決定。一般情況下，各種機器人驅動系統的設計選用原則大致如下：（1）控制方式對物料搬運（包括上、下料）、沖壓用的有限點位控制的程序控制機器人，低速重負載時可選用液壓驅動系統；中等負載時可選用電機驅動系統；輕負載時可選用電機驅動系統；輕負載、高速時可選用氣動驅動系統，沖壓機器人手爪多選用氣動驅動系統。2.2工業機器人的結構與主要參數（2）作業環境要求從事噴涂作業的工業機器人，由于工作環境需要防爆，考慮到其防爆性能，多采用電液伺服驅動系統和具有本征防爆的交流電動伺服驅動系統。水下機器人、核工業專用機器人、空間機器人，以及在腐蝕性、易燃易爆氣體、放射性物質環境中工作的移動機器人，一般采用交流伺服驅動。如要求在潔凈環境中使用，則多要求采用直接驅動電動機驅動系統。（3）操作運行速度對于裝配機器人，由于要求其有較高的點位重復精度和較高的運行速度，通常在運行速度相對較低（≤4.5m/s）的情況下，可采用AC、DC或步進電動機伺服驅動系統；在速度、精度要求均很高的條件下，多采用直接驅動（DD）電動機驅動系統。2.2工業機器人的結構與主要參數機器人對關節驅動電機的主要要求規納如下：（1）快速性。電動機從獲得指令信號到完成指令所要求的工作狀態的時間應短。響應指令信號的時間愈短，電伺服系統的靈敏性愈高，快速響應性能愈好，一般是以伺服電動機的機電時間常數的大小來說明伺服電動機快速響應的性能。（2）起動轉矩慣量比大。在驅動負載的情況下，要求機器人的伺服電動機的起動轉矩大，轉動慣量小。（3）控制特性的連續性和直線性，隨著控制信號的變化，電動機的轉速能連續變化，有時還需轉速與控制信號成正比或近似成正比。2.2工業機器人的結構與主要參數（4）調速范圍寬。能使用于1：1000～10000的調速范圍。（5）體積小、質量小、軸向尺寸短。（6）能經受得起苛刻的運行條件，可進行十分頻繁的正反向和加減速運行，并能在短時間內承受過載。2.2工業機器人的結構與主要參數目前，由于高起動轉矩、大轉矩、低慣量的交、直流伺服電動機在工業機器人中得到廣泛應用，一般負載1000N（相當100kgf）以下的工業機器人大多采用電伺服驅動系統。所采用的關節驅動電動機主要是AC伺服電動機，步進電動機和DC伺服電動機。其中，交流伺服電動機、直流伺服電動機、直接驅動電動機（DD）均采用位置閉環控制，一般應用于高精度、高速度的機器人驅動系統中。步進電動機驅動系統多適用于對精度、速度要求不高的小型簡易機器人開環系統中。交流伺服電動機由于采用電子換向，無換向火花，在易燃易爆環境中得到了廣泛的使用。機器人關節驅動電動機的功率范圍一般為0.1～10kW。工業機器人驅動系統中所采用的電動機，大致可細分為以下幾種（圖2-12）：2.2工業機器人的結構與主要參數（1）交流伺服電動機：包括同步型交流伺服電動機及反應式步進電動機等。（2）直流伺服電動機：包括小慣量永磁直流伺服電動機、印制繞組直流伺服電動機、大慣量永磁直流伺服電動機、空心杯電樞直流伺服電動機。（3）步進電動機：包括永磁感應步進電動機。（a）交流伺服電動機（b）直流伺服電動機

（c）步進電動機圖2-12工業機器人驅動電機2.2工業機器人的結構與主要參數速度傳感器多采用測速發電機和旋轉變壓器；位置傳感器多用光電碼盤和旋轉變壓器。近年來，國外機器人制造廠家已經在使用一種集光電碼盤及旋轉變壓器功能為一體的混合式光電位置傳感器，伺服電動機可與位置及速度檢測器、制動器、減速機構組成伺服電動機驅動單元。圖2-13伺服驅動系統的組成2.2工業機器人的結構與主要參數工業機器人電動伺服系統的一般結構為三個閉環控制，即電流環、速度環和位置環。目前國外許多電動機生產廠家均開發出與交流伺服電動機相適配的驅動產品，用戶根據自己所需功能側重不同而選擇不同的伺服控制方式，一般情況下，交流伺服驅動器，可通過對其內部功能參數進行人工設定而實現以下功能：位置控制方式、速度控制方式、轉矩控制方式、位置與速度混合方式、位置與轉矩混合方式、速度與轉矩混合方式、轉矩限制、位置偏差過大報警、速度PID參數設置、速度及加速度前饋參數設置、零漂補償參數設置、加減速時間設置等。2.2工業機器人的結構與主要參數目前工業機器人中也使用了一些特種驅動器，如：（1）壓電驅動器。眾所周知，利用壓電元件的電或電致伸縮現象已制造出應變式加速度傳感器和超聲波傳感器，壓電驅動器利用電場能把幾微米到幾百微米的位移控制在高于微米級大的力，所以壓電驅動器一般用于特殊用途的微型機器人系統中。（2）超聲波電動機。（3）真空電動機，用于超潔凈環境下工作的真空機器人，例如用于搬運半導體硅片的超真空機器人等。2.2工業機器人的結構與主要參數二、機械結構系統機械結構系統（也就傳統稱為機器人“本體”）由機身、手臂、手腕、末端執行器四大件組成（如圖2-14所示），有的機器人還有行走機構。大多數工業機器人有3～6個運動自由度。圖2-14機器人機械結構組成1-手部（末端執行器）2-手腕3-臂部4-機身2.2工業機器人的結構與主要參數（1）機身：起支承作用，固定式機器人的基座直接聯接在地面基礎上，移動式機器人的基座安裝在移動機構上。（2）臂部：聯接機身和手腕，主要改變末端執行器的空間位置。在工作中直接承受腕、手和工件的靜、動載荷，自身運動又較多，故受力復雜。圖2-15鼻部內部圖2.2工業機器人的結構與主要參數手臂的長度尺寸要滿足工作空間的要求，由于手臂的剛度、強度直接影響機器人的整體運動剛度，同時又要靈活運動，故應盡可能選用高強度輕質材料，減輕其重量。在臂體設計中，也應盡量設計成封閉形和局部帶加強肋的結構，以增加剛度和強度。手臂結構可分為橫梁式、立柱式、機座式和屈伸式四種，見表2-4所示。2.2工業機器人的結構與主要參數2.2工業機器人的結構與主要參數（3）手腕：聯接臂部和末端執行器，手腕確定末端執行器的作業姿態，一般需要三個自由度，由三個回轉關節組合而成，組合方式多樣，手腕關節組合示意圖如圖2-14所示。為了使手部能處于空間任意方向，要求腕部能實現對空間三個坐標軸x、y、z的轉動。回轉方向分為：“臂轉”是繞小臂軸線方向的旋轉；“手轉”是使末端執行器繞自身的軸線旋轉；“腕擺”是使手部相對臂部的擺動。2.2工業機器人的結構與主要參數腕部結構的設計要滿足傳動靈活、結構緊湊輕巧、避免干涉。機器人多數將腕部結構的驅動部分安排在小臂上。首先設法使幾個電動機的運動傳遞到同軸旋轉的心軸和多層套筒上去。運動傳入腕部后再分別實現各個動作。圖2-16手腕關節組合示意圖2.2工業機器人的結構與主要參數（4）手部（末端執行器）：是機器人的作業工具。如抓取工件的各種抓手、取料器、專用工具的夾持器等，還包括部分專用工具，如擰螺釘螺母機、噴槍、焊槍、切割頭、測量頭等。工業機器人的手部就像人的手爪一樣，能夠靈活的運動關節，能夠抓取各種各樣的物品，但是機械手的手部由于抓取的工業用品體型、材料、重量等因素不一樣，機械手手部是根據所抓物品來單獨量身定做。圖2-17手部法蘭2.2工業機器人的結構與主要參數工業機器人的手部（也稱抓手）是最重要的執行機構，從功能和形態上看，它可分為工業機器人的手部和仿人機器人的手部。常用的轉手按其握持原理可以分為夾持類和吸附類兩大類，圖2-16所示兩種握持的應用。（a）碼垛抓持料袋轉手（b）吸取玻璃抓手圖2-18抓手應用2.2工業機器人的結構與主要參數①夾持類夾持類手部除常用的夾鉗式外，還有脫鉤式和彈簧式。此類手部按其手指夾持工件時的運動方式不同又可分為手指回轉型和指面平移型。夾鉗式是工業機器人最常用的一種手部形式，一般夾鉗式（圖2-19）由以下幾部分組成：手指、傳動機構、驅動裝置和支架。1-手指2-傳動機構3-驅動裝置4-支架5-工件圖2-19夾鉗式手部的組成2.2工業機器人的結構與主要參數手指：它是直接與工件接觸的構件。手部松開和夾緊工件，就是通過手指的張開和閉合來實現的。一般情況下，機器人的手部只有兩個手指，少數有三個或多個手指。它們的結構形式常取決于被夾持工件的形狀和特性（圖2-20）。（a）V型指（b）平面指（c）尖指（d）特形指圖2-20手指與被夾物件的形狀與特性關系表2.2工業機器人的結構與主要參數根據工件形狀、大小及其被夾持部位材料質軟硬、表面性質等的不同，手指的指面有光滑指面、齒型指面和柔性指面3種形式。夾持金屬材料的抓手分類如圖2-21所示。（a）平行抓（b）三抓平行抓（c）角抓（d）鈑金抓圖2-21夾持金屬抓手分類2.2工業機器人的結構與主要參數手指材料選用恰當與否，對機器人的使用效果有很大的影響。對于夾鉗式手部，其手指材料可選用一般碳素鋼和合金結構鋼。傳動機構：它是向手指傳遞運動和動力，以實現夾緊和松開動作的機構。驅動裝置：它是向傳動機構提供動力的裝置，按驅動方式不同有液壓、氣動、電動和機械驅動之分。支架：使手部與機器人的腕或臂相聯接。2.2工業機器人的結構與主要參數②吸附類吸附類主要有氣吸式和磁吸式兩種。氣吸式手部是工業機器人常用的一種吸持工件的裝置。它由吸盤（一個或幾個）、吸盤架及進排氣系統組成（圖2-22），具有結構簡單、重量輕、使用方便可靠等優點。廣泛應用于非金屬材料（如板材、紙張、玻璃等物體）或不可有剩磁的材料的吸附。圖2-22氣吸吸盤2.2工業機器人的結構與主要參數氣吸式手部的另一個特點是對工件表面沒有損傷，且對被吸持工件預定的位置精度要求不高；但要求工件上與吸盤接觸部位光滑平整、清潔，被吸工件材質致密，沒有透氣空隙。氣吸式手部是利用吸盤內的壓力與大氣壓之間的壓力差而工作的。按形成壓力差的方法，可分為真空氣吸、氣流負壓氣吸、擠壓排氣負壓氣吸。2.2工業機器人的結構與主要參數磁吸式手部是利用永久磁鐵或電磁鐵通電后產生的磁力來吸附工件的，其應用較廣。磁吸式手部與氣吸式手部相同，不會破壞被吸收表面質量，電磁吸盤如圖2-23所示。磁吸收式手部比氣吸收式手部優越的方面是：有較大的單位面積吸力，對工件表面粗糙度及通孔、溝槽等無特殊要求。圖2-23電磁吸盤2.2工業機器人的結構與主要參數目前，大部分工業機器人的手部只有2個手指，而且手指上一般沒有關節。因此取料不能適應物體外形的變化，不能使物體表面承受比較均勻的夾持力，因此無法滿足對復雜形狀、不同材質的物體實施夾持和操作，圖2-24所示仿人手機器人的動。圖2-24仿人手機器人的動作2.2工業機器人的結構與主要參數為了提高機器人手部和手腕的操作能力、靈活性和快速反應能力，使機器人能像人手一樣進行各種復雜的作業，就必須有一個運動靈活、動作多樣的靈巧手，即仿人手。每個手指的關節通常通過鋼絲繩、記憶合金、人造肌纖維驅動。有了像人一樣的“手指”，就可以做更多細致精確的動作了！它也可以心靈手巧了！2.2工業機器人的結構與主要參數多指機器人主要有柔性手和多指靈活手兩種，如圖2-25所示。圖2-25柔性手和多指靈活手2.2工業機器人的結構與主要參數多指機器人靈巧手絕大多數也采用了電機驅動，部分采用了電機驅動、氣壓驅動和形狀記憶合金等驅動方式，少數采用了一些新型的驅動技術，如壓電陶瓷驅動，可伸縮性聚合體驅動等。驅動形式多數都是通過旋轉型驅動器或直線型驅動器帶動腱傳動系統進行手指關節的遠距離驅動。2.2工業機器人的結構與主要參數2.2工業機器人的結構與主要參數三、機器人-環境交互系統機器人-環境交互系統實現工業機器人與外部環境中的設備相互聯系和協調的系統。機器人與外部設備集成為一個功能單元，如加工制造單元、焊接單元、裝配單元等。也可以是多臺機器人、多臺機床或設備、多個零件儲存裝置等集成為一個去執行復雜任務的功能單元。例如：達?芬奇機器人手術系統主要由一個人機控制臺（外科醫生），一個裝有四支7自由度交互手臂的手術臺和一個高精度的3DHD視覺系統構成，如圖2-26所示。圖2-26達?芬奇機器人手術系統2.2工業機器人的結構與主要參數例如：柔性制造系統是由統一的信息控制系統、物料儲運系統和一組數字控制加工設備組成，能適應加工對象變換的自動化機械制造系統，往往會有多臺工業機器人和多臺數控機床配合完成復雜的生產過程，柔性制造系統如圖2-27所示。圖2-27工業機器人與機床的柔性制造系統2.2工業機器人的結構與主要參數四、感受系統感受系統由內部傳感器和外部傳感器組成，其作用是獲取機器人內部和外部環境信息，并把這些信息反饋給控制系統。內部傳感器用于檢測各個關節的位置、速度等變量，為閉環伺服控制系統提供反饋信息。外部傳感器用于檢測機器人與周圍環境之間的一些狀態變量，如距離、接近程度和接觸情況等，用于引導機器人，便于其識別物體并做出相應處理。外部傳感器一方面使機器人更準確地獲取周圍環境情況，另一方面也能祈禱誤差矯正的作用。2.2工業機器人的結構與主要參數如圖2-28為工業機器人的視覺定位系統，基本構成有機器人本體、交流伺服驅動裝置、運動控制器、PC機和工業數字攝像頭。如圖2-29為工業機器人的“五官”系統，包括了觸覺（力與力矩傳感器）、視覺（視頻）、聽覺（語音）、工業PDA（RFID讀寫器）等，向工業機器人發送信息，構成信息反饋控制系統。圖2-28工業機器人的視覺定位系統

圖2-29工業機器人的“五官”系統2.2工業機器人的結構與主要參數五、人機交互系統人機交互系統是人與機器人進行聯系和參與機器人控制的裝置，分別是指令給定裝置和信息顯示裝置，就想我們打游戲需要游戲機操作手柄一樣。工業機器人的人機交互系統包含自帶示教單元和上位機軟件。2.2工業機器人的結構與主要參數六、控制系統控制系統是按照輸入的程序對驅動系統和執行機構發出指令信號，并進行控制。信號傳輸線路大多數都在機械手內部，內部結構如圖2-30所示。控制系統的任務是根據機器人的作業指令程序以及從傳感器反饋回來的信號，支配機器人的執行機構去完成規定的運動和功能。如果機器人不具備信息反饋特征，則為開環控制系統；具備信息反饋特征，則為閉環控制系統。圖2-30工業機器人的內部結構2.2工業機器人的結構與主要參數一、自由度是指機器人所具有的獨立坐標軸運動的數目，不應包括手爪（末端執行器）的開合自由度。在工業機器人系統中，一個自由度就需要有一個電機驅動。在三維空間中描述一個物體的位置和姿態（簡稱位姿）需要6個自由度。但是，工業機器人的自由度是根據其用途而設計的，可能小于6個自由度，也可能大于6個自由度。2.2.2工業機器人的主要參數圖2-315自由度機器人

圖2-326自由度機器人2.2工業機器人的結構與主要參數二、精度工業機器人精度是指定位精度和重復定位精度。定位精度是指機器人手部實際到達位置與目標位置之間的差異，用反復多次測試的定位結果的代表點與指定位置之間的距離來表示。重復定位精度是指機器人重復定位手部于同一目標位置的能力，以實際位置值的分散程度來表示。實際應用中常以重復測試結果的標準偏差值的3倍來表示，它是衡量一系列誤差值的密集度。圖2-33所示為工業機器人定位精度和重復定位精度圖例。圖2-33

工業機器人定位精度和重復定位精度圖例2.2工業機器人的結構與主要參數三、工作范圍工作范圍是指機器人手臂末端或手腕中心所能達到的所有點的集合，也叫做工作區域。因為末端操作器的形狀和尺寸是多種多樣的，為了真實地反映機器人的特征參數，一般工作范圍是指不安裝末端操作器的工作區域。工作范圍的形狀和大小是十分重要的，機器人在執行某作業時可能會因為存在手部不能到達的作業死區而不能完成任務，圖2-34是ABBIRB120和IRB1410工業機器人的工作范圍示意圖。圖2-34IRB120和IRB1410工作范圍示意圖2.2工業機器人的結構與主要參數四、最大工作速度最大工作速度，有的廠家指工業機器人自由度上最大的穩定速度，有的廠家指手臂末端最大合成速度，通常歐洲技術參數中就有說明。工作速度越高，工作效率就越高。但是，工作速度越高就要花費更多的實踐去升速和降速。2.2工業機器人的結構與主要參數五、承載能力承載能力是指機器人在工作范圍內的任何位置上所能承受的最大質量。承載能力不僅決定于負載的重量，而且與機器人運行的速度、加速度的大小和方向有關。為了安全起見，承載能力這一技術指標是指高速運行時的承載能力。承載能力不僅指負載，而且包括了機