前沿讲座论文
工业机器人
—机械工程前沿讲座课程论文
学院：动力与机械学院
姓名：方配丰
学号：2010202080035
摘要
工业机器人是20世纪重大高科技成果之一，机器人产品已在社会的许多领域得到广泛应用，为提高世界工业自动化水平发挥了重要作用。从机器人诞生到现在，机器人技术经历了一个长期缓慢的发展过程。随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展，机器人技术也得到了飞速发展。机器人技术代表了机电一体化技术的最高研究成果，涉及机械工程、电子技术、计算机技术、自动控制理论及人工智能等多门学科，是当代科学技术发展最活跃的领域之一。工业机器人是一种能自动控制、可重复编程、多功能、多自由度的操作机。它们通常配有机械手、刀具或其它可装配的加工具，能够搬运材料、工件，完成各种作业，是一种柔性自动化设备。研究机器人的作用和应用状况，分析其发展趋势，将有助于更好地发展我国的机器人产业。
关键词：机器人工业发展现状趋势
工业机器人
机器人（Robot）是自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。它的任务是协助或取代人类工作的工作，例如生产业、建筑业，或是危险的工作。机器人是利用机械传动、现代微电子技术组合而成的一种能模仿人某种技能的机械电子设备，它是在电子、机械及信息技术的基础上发展而来的。
一、工业机器人发展历程
工程学科的一个共同点是：先有工程实践。机器人学的诞生也不例外，是随着工业机器人的诞生与发展而进行的，直至七十年代，工业机器人整个系统基本定型，发展主要在于单元器件性能的逐步改进。这时机器人学向深度和广度发展，成为一门非常综合和活跃的学科，这也是工程性质学科的另一个共同点：到一定时期，理论将超前于工程实践。
工业机器人是指在工业环境中应用的机器人，是一种能自动控制的，可重复编程的、多功能的、多自由的、多用途的操作机，是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进金属于一体的重要现代化制造业自动化装备。工业机器人已成为柔性制造系统(FMS)、工厂自动化(FA)、计算机集成制造系统(CIMS)的自动工具。
机器人的历史并不算长，进入20世纪以后，机器人的研究与开发得到了更多人的关心与支持，一些实用化的机器人相继问世，1927年美国西屋公司工程师温兹利制造了第一个机器人“电报箱”，并在纽约举行的世界博览会上展出。它是一个电动机器人，装有无线电发报机，可以回答一些问题，但该机器人还不能走动。1959年美国英格伯格和德沃尔制造出世界上第一台工业机器人，机器人的历史才真正开始。德沃尔曾于1946年发明了一种系统，可以“重演”所记录的机器的运动。1954年,德沃尔又获得可编程机械手专利，这种机械手臂按程序进行工作，可以根据不同的工作需要编制不同的程序，因此具有通用性和灵活性，英格伯格和德沃尔都在研究机器人，认为汽车工业最适于用机器人干活，因为是用重型机器进行工作，生产过程较为固定。1959年，英格伯格和德沃尔联手制造出第一台工业机器人，并由此开创了机器人发展的新纪元。
作为机器人产品最早的实用机型（示教再现）是1962年美国AMF公司推的“VERSTRAN”和UNIMATION公司推出的“UNIMATE”。这些工业机器人的控制方式与数控机床大致相似，但外形特征迥异，主要由类似人的手和臂组成。
1965年，MIT的Roborts演示了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。
1967年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。
1970年在美国召开了第一届国际工业机器人学术会议。1970年以后，机器人的研究得到迅速广泛的普及。
1973年，辛辛那提·米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45公斤。
到了1980年，工业机器人才真正在日本普及，故称该年为“机器人元年”。
随后，工业机器人在日本得到了巨大发展，日本也因此而赢得了“机器人王国的美称”。
1984年，英格伯格再次推出机器人Helpmate，这种机器人能在医院为病人送饭送药和送邮件。
1996年，本田公司推出仿人型机器人P2，双足行走机器人的研究达到了一个新的高度。
1998年，丹麦乐高公司推出机器人Mind-storms套件，机器人开始进入个人世界。
1999年，日本索尼公司推出机器人偶爱宝(AIBO)，娱乐机器人迈入普通家庭。
2002年，美国iRobot公司推出了吸尘器机器人Roombar，为世界上商业化最成功的家用机器人。
2006年，微软公司推出Microsoft Robitics Studio机器人，从此机器人模块化平台统一化的趋势越来越明显。
如今，国际上工业机器人技术在制造业应用范围越来越广泛，现已从传统制造业推广到其他制造业，进而推广到诸如采矿、建筑、农业、灾难救灾等各种非制造行。
二、工业机器人的结构及工作原理
1、概述
机器人系统是由机器人和作业对象及环境共同组成的，其中包括机器人机械系统，驱动系统，控制系统，和感知系统四的部分组成。可以说机器人的组成部分与人类极为类似。一个典型的机器人有一套可移动的身体结构、一部类似于马达的装置、一套传感系统、一个电源和一个用来控制所有这些要素的计算机“大脑”。从本质上讲，机器人
是由人类制造的“动物”，它们是模仿人类和动物行为的机器。
2、结构
工业机器人的机械系统包括机身，臂部，手腕，末端操作器和行走机构等部分组成，每一部分都有若干自由度的机械系统。此外，有的机器人还具有行走机构，若具有行走机构则构成行走机器人，若没有则构成单机器人手臂。工业机器人的机械机械系统相当于人的身体（骨骼，手，臂，腿等）。
驱动系统主要是指驱动机械系统动作的驱动装置。这部分的作用相当于人的肌肉。根据驱动源的不同，驱动系统分为电气，液压，气压以及把它们结合起来应用的综合系统。电气驱动在工业机器人中应用的最为广泛，主要分为步进电动机，直流伺服电机和交流伺服电机三种。液压驱动运动平稳，且负载能力大，对于重载的搬运和零件加工机器人，采用液压驱动比较合理。但液压驱动管道复杂，清洁困难，因此限制了在装配作业中的作用。无论电气还是液压驱动的机器人，其手爪的开合都采用气动形式。
控制系统的任务是根据机器人的作业指令程序及从传感器反馈回来的信号，控制机器人的执行机构，使其完成规定的运动和功能。如果机器人不具备信息反馈特征，则该控制系统称为开环控制系统；如果机器人具备信息反馈特征，则还控制系统称为闭环控制系统。该部分主要由计算机硬件和控制软件组成。软件主要有人与机器人联系的人机交互系统和控制算法等组成。该部分的作用相当于人的大脑。
感知系统由内部传感器和外部传感器组成，其作用是获取机器人内部和外部环境信息，并把这些信息反馈给控制系统。内部状态传感器用于检测各个关节的位置，速度等变量，为闭环伺服控制系统提供反馈信息。外部状态传感器用于检测机器人与周围环境之间的一些状态变量，如距离，接近程度和接触情况等，用于引导机器人，便于其实别物体并作出相应处理。该部分的作用相当于人的五官。
3、工作原理及应用
机器人系统实际上是一个典型的机电一体化系统，其工作原理为：控制系统发出动作指令，控制驱动器动作，驱动器带动机械系统运动，使末端操作器到达空间某一位置和实现某一姿态，实施一定的作业任务。末端操作器在空间的实时位姿由感知系统反馈给控制系统，控制系统把实际位姿与目标位姿相比较，发出下一个动作指令，如此循环，直到完成作业任务为止。
工业机器人在工业生产中能代替人做某些单调、频繁和重复的长时间作业，或是危
险、恶劣环境下的作业，例如在冲压、压力铸造、热处理、焊接、涂装、塑料制品成形、机械加工、金属制品业和简单装配等工序上，以及在原子能工业等部门中，完成对人体有害物料的搬运或工艺操作。在日、美、西欧等一些工业发达的国家中，工业机器人得到越来越广泛的应用。
随着科技的发展，机器人功能和性能的不断改善和提高，机器人的应用领域日益在扩大，其应用范围已不限于工业，还用于农业、林业、交通运输业、原子能工业、医疗、福利事业、海洋和深空探测等事业中。
三、工业机器人最新进展情况
（1）机器人操作机：通过有限元分析、模态分析及仿真设计等现代设计方法的运用，机器人操作机已实现了优化设计。以德国KUKA公司为代表的机器人公司，已将机器人并联平行四边形结构改为开链结构，拓展了机器人的工作范围，加之轻质铝合金材料的应用，大大提高了机器人的性能。此外采用先进的RV减速器及交流伺服电机，使机器人操作机几乎成为免维护系统。
（2）并联机器人：采用并联机构，利用机器人技术，实现高精度测量及加工，这是机器人技术向数控技术的拓展，为将来实现机器人和数控技术一体化奠定了基础。意大利COMAU公司，日本FANUC等公司已开发出了此类产品。
（3）控制系统：控制系统的性能进一步提高，已由过去控制标准的6轴机器人发展到现在能够控制21轴甚至27轴，并且实现了软件伺服和全数字控制。人机界面更加友好，基于图形操作的界面也已问世。编程方式仍以示教编程为主，但在某些领域的离线编程已实现实用化。
（4）传感系统：激光传感器、视觉传感器和力传感器在机器人系统中已得到成功应用，并实现了焊缝自动跟踪和自动化生产线上物体的自动定位以及精密装配作业等，大大提高了机器人的作业性能和对环境的适应性。日本KAWASAKI、YASKAWA、FANUC和瑞典ABB、德国KUKA、REIS等公司皆推出了此类产品。
（5）网络通信功能：日本YASKAWA和德国KUKA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向网络化应用迈进了一大步，也使机器人由过去的专用设备向标准化设备发展。
（6）可靠性：由于微电子技术的快速发展和大规模集成电路的应用，使机器人系统的可靠性有了很大提高。过去机器人系统的可靠性MTBF一般为几千小时，而现在已
达到5万小时，几冬天可以满足任何场合的需求。
四、国内工业机器人技术的发展与现状
我国机器人研究工作起步较晚，于1972年才开始研制自己的工业机器人。进入80年代后，在高技术浪潮的冲击下，随着改革开放的不断深入，我国机器人技术的开发与研究得到了政府的重视与支持。“七五”期间，国家投入资金，对工业机器人及其零部件进行攻关，完成了示教再现式工业机器人成套技术的开发，研制出了喷涂、点焊、弧焊和搬运机器人。1986年国家高技术研究发展计划（863计划）开始实施，智能机器人主题跟踪世界机器人技术的前沿，经过几年的研究，取得了一大批科研成果，成功地研制出了一批特种机器人。
从90年代初期起，我国的国民经济进入实现两个根本转变时期，掀起了新一轮的经济体制改革和技术进步热潮，我国的工业机器人又在实践中迈进一大步，先后研制出了点焊、弧焊、装配、喷漆、切割、搬运、包装码垛等各种用途的工业机器人，并实施了一批机器人应用工程，形成了一批机器人产业化基地，为我国机器人产业的腾飞奠定了基础。
在机器人的单元技术和基础元部件开发方面：诸如交直流伺服电机及其驱动系统、测速发电机、光电编码器、液压元部件等均开发出一些样机和产品。但这些元部件距批量化生产还有一段距离。
在机器人装置方面：以开发出具有双CPU、多CPU和分级控制的机器人控制装置多台，主控计算机的档次也逐渐升级。
在机器人操作方面机制方面：已开发出一些先进的操作机和特种机器人，如AVG、壁面爬行机器人，重复定位精度为0.024mm的装配机器人，可潜入海底6000m的水下机器人，移动机器人，移动遥控机器人等，有些已达到实用化水平并应用于实际工程。
在应用工程方面：目前国内已建立了多条弧焊机器人生产线，装配机器人生产线，喷涂生产线和焊接生产线。国内的机器人技术研发力量已达到国际同类产品的先进水平，而整体价格仅为国外同类产品的三分之二甚至一半，具有很好的性能价格比和市场竞争力。
我国工业机器人发展的战略目标是：根据2l世纪初我国国民经济对先进制造及自动化技术的需求，瞄准国际前沿高技术发展方向创新性地研究和开发工业机器人技术领域的基础技术、产品技术和系统技术。未来工业机器人技术发展的重点有：第一，危险、
恶劣环境作业机器人：主要有防暴、高压带电清扫、星球检测、油汽管道等机器人；第二，医用机器人：主要有脑外科手术辅助机器人，遥控操作辅助正骨等；第三，仿生机器人：主要有移动机器人，网络遥控操作机器人等。其发展趋势是智能化、低成本、高可靠性和易于集成。工业机器人市场竞争越来越激烈，中国制造业面临着与国际接轨、参与国际分工的巨大挑战，加快工业机器人技术的研究开发与生产是我们抓住这个历史机遇的主要途径。因此我国工业机器人行业要认识到以下几点情况：第一，工业机器人技术是我国由制造大国向制造强国转变的主要手段和途径，政府要对国产工业机器人有更多的政策与经济支持，参考国外先进经验，加大技术投入与改造；第二，在国家的科技发展计划中，应该继续对智能机器人研究开发与应用给予大力支持，形成产品和自动化制造装备同步协调的新局面；第三，部分国产工业机器人已经与国外相当，企业采购工业机器人时不要盲目进口，应该立足国产，经综合评估，然后作出安排。
五、目前研究热点及发展趋势
目前国际机器人界都在加大科研力度，进行机器人共性技术的研究，并朝着智能化和多样化方向发展。主要研究内容集中在以下10个方面：
1. 工业机器人操作机结构的优化设计技术：探索新的高强度轻质材料，进一步提高负载/自重比，同时机构向着模块化、可重构方向发展。
2．机器人控制技术：重点研究开放式，模块化控制系统，人机界面更加友好，语言、图形编程界面正在研制之中。机器人控制器的标准化和网络化，以及基于PC机网络式控制器已成为研究热点。编程技术除进一步提高在线编程的可操作性之外，离线编程的实用化将成为研究重点。
3．多传感系统：为进一步提高机器人的智能和适应性，多种传感器的使用是其问题解决的关键。其研究热点在于有效可行的多传感器融合算法，特别是在非线性及非平稳、非正态分布的情形下的多传感器融合算法。另一问题就是传感系统的实用化。
4．机器人的结构灵巧，控制系统愈来愈小，二者正朝着一体化方向发展。
5．机器人遥控及监控技术，机器人半自主和自主技术，多机器人和操作者之间的协调控制，通过网络建立大范围内的机器人遥控系统，在有时延的情况下，建立预先显示进行遥控等。
6．虚拟机器人技术：基于多传感器、多媒体和虚拟现实以及临场感技术，实现机器人的虚拟遥操作和人机交互。
7．多智能体（multi-agent）调控制技术：这是目前机器人研究的一个崭新领域。主要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。
8．微型和微小机器人技术（micro/miniature robotics）:这是机器人研究的一个新的领域和重点发展方向。过去的研究在该领域几乎是空白，因此该领域研究的进展将会引起机器人技术的一场革命，并且对社会进步和人类活动的各个方面产生不可估量的影响，微小型机器人技术的研究主要集中在系统结构、运动方式、控制方法、传感技术、通信技术以及行走技术等方面。
9．软机器人技术（soft robotics）:主要用于医疗、护理、休闲和娱乐场合。传统机器人设计未考虑与人紧密共处，因此其结构材料多为金属或硬性材料，软机器人技术要求其结构、控制方式和所用传感系统在机器人意外地与环境或人碰撞时是安全的，机器人对人是友好的。
总体趋势是，从狭义的机器人概念向广义的机器人技术概念转移，从工业机器人产业向解决方案业务的机器人技术产业发展。机器人技术的内涵已变为“灵活应用机器人技术的、具有实际动作功能的智能化系统”。机器人结构越来越灵巧，控制系统愈来愈小，其智能也越来越高，并正朝着一体化方向发展。
参考文献：
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