工业机器人概述
工业机器人的名词解释
工业机器人的名词解释
工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由
度的机器装置，具有一定的自动性，可依靠自身的动力能源和控制能力实现各种工业加工制造功能。
它能够接受人类指挥，也可以按照预先编排的程序运行，现代的工业机器人还可以根据人工智能技术制定的原则纲领行动。
工业机器人由主体、驱动系统和控制系统三个基本部分组成。
主体即机座和执行机构，包括臂部、腕部和手部，有的机器人还有行走机构。
控制系统用来发出指令和执行指令，相当于人类的大脑；驱动系统通过接收指令来行走和工作，相当于人的手和脚。
工业机器人的应用范围很广，涵盖电子、物流、化工等各个工业领域。
它能够提高生产效率、降低成本、保证产品质量，并且能够完成危险或难以进行的劳作，为人类带来诸多便利。
此外，工业机器人能力的评价标准包括智能、机能和物理能等方面。
智能指感觉和感知，包括记忆、运算、比较、鉴别、判断、决策、学习和逻辑推理等；机能指变通性、通
用性或空间占有性等；物理能指力、速度、可靠性、联用性和寿命等。
总的来说，工业机器人是一种重要的自动化生产工具，能够为现代工业生产带来巨大的变革和发展。
工业机器人介绍
工业机器人介绍工业机器人是一种自动化生产设备，主要用于工业制造领域。
它在工厂生产线上完成各种作业，例如：搬运、装配、焊接、喷涂和质量检测等工作。
下面详细介绍工业机器人的定义、分类、工作原理、应用和发展趋势。
一、定义工业机器人是指可编程、可重复、多关节、自动操作的机器人系统。
工业机器人是通过计算机程序控制完成多种任务的一种自动化生产设备。
二、分类根据使用目的和系统构成，工业机器人可分为以下几类：1. 按工作领域划分（1）组装、喷涂类机器人（2）焊接、切割类机器人（3）搬运类机器人（4）质量检测类机器人（5）特种加工类机器人2. 按系统构成划分（1）电气式机器人（2）液压式机器人（3）气动式机器人（4）其他形式机器人三、工作原理工业机器人通常由机械手臂、控制器、传感器等组成。
其中机械手臂是最核心的部件。
机械手臂有多个关节，可以完成各种复杂的操作，例如旋转、抬升、伸缩等；控制器负责控制机械手臂进行工作，控制器一般会采用PLC 或者PC 控制系统；传感器用于实时监测机器人运动状态和环境变化，例如摄像头、触发传感器、测量仪器等。
四、应用工业机器人广泛应用于各种自动化生产线中，例如：1. 汽车制造业在汽车制造业中，工业机器人主要用于车身焊接、喷涂、装配和检测等工作。
2. 电子制造业在电子制造业中，工业机器人主要用于半导体芯片制造、电路板组装、精密零件加工等领域。
3. 医疗器械制造业在医疗器械制造业中，工业机器人主要用于人造关节、假肢等产品加工。
4. 食品饮料制造业在食品饮料制造业中，工业机器人主要用于瓶装饮料的装瓶、封口和标签贴合等工作。
五、发展趋势工业机器人具有高效率、高质量、高稳定性等优点，已成为制造业自动化的必然趋势。
随着人工智能和物联网技术的不断发展，工业机器人将越来越智能化和人性化，成为实现智能制造的核心设备之一。
未来，工业机器人将更加灵活、高速、精准和安全，为各个行业的生产端提供更多支持和帮助。
工业机器人介绍
2、健康福利服务机器人
健康福利服务机器人是指在 医院里为医生或病人提供服 务的服务机器人。图中是直 接为病人提供康复治疗的服 务机器人。他可以提供指定 负载力和行走速度的步行训 练和为腿部受伤的病人提供 术后康复训练治疗。许多研 究单位和公司正在积极开发 的各种类型的智能轮椅和智 能病床也都属于健康福利服 务机器人。
工业生产中的应用
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。
构造与分类
工业机器人由主体、驱动系统和控制系统三个基本部 分组成。主体即机座和执行机构，包括臂部、腕部和 手部，有的机器人还有行走机构。大多数工业机器人 有3～6个运动自由度，其中腕部通常有1～3个运动 自由度；驱动系统包括动力装置和传动机构，用以使 执行机构产生相应的动作；控制系统是按照输入的程 序对驱动系统和执行机构发出指令信号，并进行控制。
间接驱动方式图例（1）：
间接驱动方式图例（2）：
3．材料的选择：
选择机器人本体的材料，应从机器人的性 能要求出发，满足机器人的设计和制造要 求。如： 机器人的臂和机器人整体是运动的，则要 求采用轻质材料。 精密机器人，则要求材料具有较好的刚性。 还要考虑材料的可加工性等。 机器人常用的材料有：碳素结构钢、铝合 金、硼纤维增强合金、陶瓷等。
二、服务机器人分类
按服务对象和应用目的不同，可以分为以下六类： 医疗服务机器人 健康福利服务机器人 公共服务机器人 家庭服务机器人 娱乐机器人 教育机器人
工业机器人简介
控制系统
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硬件系统
工业机器人控制系统通常采用高性能的硬件设备，如处理器、内存、存
储设备等，以实现快速、准确的运动控制。
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软件系统
工业机器人控制系统软件通常采用专用的机器人控制系统软件，如ROS （Robot Operating System）等，以实现机器人的运动规划、轨迹生 成、碰撞检测等功能。
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工业机器人结构与原理
机械结构
关节结构
工业机器人通常采用关节式结构 ，由多个关节连接构成，每个关 节可以独立运动，实现机器人的
灵活操作。
末端执行器
工业机器人末端执行器是机器人 直接与工件接触的部位，根据作 业需求，末端执行器可以设计成 各种形状和功能，如夹具、喷枪
、焊枪等。
传动系统
工业机器人传动系统包括电机、 减速器、传动机构等，用于驱动
通过机器人对生产线的优化，可以减 少人工干预，降低生产成本，提高产 品质量。
生产线监控
机器人可以实时监测生产线的运行状 态，及时发现并处理异常情况，确保 生产过程的稳定性和可靠性。
物料搬运与装配
物料搬运
工业机器人可以用于物料的搬运，包括原材料、半成品和成品等 ，实现快速、准确、高效的物料搬运。
装配作业
应用领域与优势
应用领域
工业机器人广泛应用于汽车制造、电子制造、食品加工、金属加工等各个行业 ，提高了生产效率和产品质量。
优势
工业机器人具有高效、精准、稳定、可靠等优点，能够替代人工完成危险、繁 重、重复的工作，提高生产效率和降低成本。同时，工业机器人还能够提高产 品质量和一致性，减少人为因素对生产过程的影响。
运动控制技术
关节控制
机电一体化技术 笫8章 工业机器人
② 柱面坐标机器人
θ
r
工业机器人的坐标结构形式 直角坐标系 柱面坐标系 球面坐标系 多关节坐标系
x
柱面坐标机器人 主要由旋转基座、垂直移动和 水平移动轴构成，具有一个回转和两个平移自由 度，其动作空间呈圆柱形。
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③ 球面坐标机器人
β
工业机器人的坐标结构形式
θ
r
直角坐标系 柱面坐标系 球面坐标系 多关节坐标系
第五：瑞士史陶比尔（ STAUBLI ） 史陶比尔集团有着100多年的发展历史，是一家在纺织机械，工业快速接头和工业机器 人三大领域保持领先地位的世界知名企业。为了向客户就近提供更好、更快捷的服务， 1997年史陶比尔集团在亚洲建立了首家制造工厂-史陶比尔（杭州）公司。秉承史陶比尔 一贯的优良传统和专业精神，史陶比尔(杭州)公司竭诚向客户提供创新、完美的解决方案 和优质的技术支持和服务。
一般,机器人自由度等于它的关节数,大多是有6-8个自由度， 自由度越多，机器人的功能就越强。图8-2左图所示的就是具有6 个自由度的工业机器人，各关节动作是由电动执行装置和齿轮减 速传动机械来实现的。6个自由度如下：
①手臂扫掠（腰左转或右转）； ②肩旋转（肩向上或向下）；
③肘伸展（肘缩进或伸出）；
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“机器人学三原则”
这三个原则如下：
1）机器人不得伤害人或由于故障而使人遭受不幸； 2）机器人应执行人们下达的命令，除非这些命令与第 一原则相矛盾；
3）机器人应能保护自己的生存，只要这种保护行为不 与第一或第二原则相矛盾。
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2.工业机器人的基本参数
机器人的基本参数主要有工作空间、自由度、有效负载、运动 精度、运动特性、动态特性等。
工业机器人概述
工业机器人分类
平面关节型机器人又称为SCARA型机器人 是圆柱坐标机器人的一种形式，SCARA机器 人有3个旋转关节，其轴线相互平行，在平面 内进行定位和定向。另一个关节是移动关节， 用于完成末端件在垂直于平面的运动。具有精 度高，有较大动作范围，坐标计算简单，结构 轻便，响应速度快，但是负载较小，主要用于 电子、分拣等领域。
安全注意事项
静电放电危险！
ESD （静电放电）是电势不同的两个物体 间的静电传导，它可以通过直接接触传导，也可 以通过感应电场传导。 搬运部件或部件容器时， 未接地的人员可能会传导大量的静电荷。 这一 放电过程可能会损坏敏感的电子设备。所以有此 标识的情况下，要做好静电放电防护。
安全注意事项
紧急停止！
安全注意事项
关闭总电源！
在进行机器人的安装，维修和保养时切记要 将总电源关闭。带电作业可能会产生致命性后果。 如不慎遭高压电击可能会导致心博停止、烧伤或 其它严重伤害。
安全注意事项
与机器人保持足够安全距离！
在调试与运行机器人时，它可能会执行一些 意外的或不规范的运动。 并且，所有的运动都 会产生很大的力量，从而严重伤害个人和／或损 坏机器人工作范围内的任何设备。所以时刻警惕 与机器人保持足够的安全距离。
工业机器人发展
工业机器人最显著的特点如下：
(3)通用性：除了专门设计的专用的工业机器人外， 一般工业机器人在执行不同的作业任务时具有较好的通用 性。比如，更换工业机器人手部末端操作器（手爪、工具 等）便可执行不同的作业任务。
工业机器人发展
自工业革命以来，人力劳动已经逐渐被机械所取代， 而这种变革为人类社会创造出巨大的财富，极大地推动了 人类社会的进步。时至今日，机电一体化、机械智能化等 技术应运而生。人类充分发挥主观能动性，进步增强对机 械的利用效率，使之为我们创造更加巨大的生产力，并在 一定程度上维护了社会的和谐。
工业机器人简介
圆柱坐标型操作机，它有两个移动关节和一个转动关 节，末端操作器的安装轴线之位姿由(z，r，θ)坐标 予以表示。 该种型式的工业机器人，空间尺寸较小，工作范围较 大，末端操作器可获得较高的运动速度。它的缺点 是末端操作器离z轴愈远，其切向线位移的分辨精度 就愈低。
3.球坐标型
球坐标型操作机它有两个转动关节和一个移动关节， 末端操作器的安装轴线之位姿由(θ，φ， r)坐标予以 表示。该种型式的工业机器人，空间尺寸较小，工 作范围较大。
三.工业机器人的组成及功能
工业机器人由三大部分五个子系统组成。三大部分 是机械部分、传感部分和控制部分执行机构、驱动 系统、传动系统、控制系统 及智能系统部分组成。 执行机构是机器人赖以完成各种作业的主体部分。 通常为开式空间连杆机构。 驱动-传动机构由驱动器和传动机构组成。传动有机 械式、电气式、液压式、气动式和复合式等。而驱 动器有步进电机、伺服电机、液压马达和液压缸等。
末端操作器
自由度的末端操作器
四.工业机器人的分类与性能
1.直角坐标型 它有三个移动关节，可使末端操作器作三个方向的独 立位移。 优点：定位精度较高，空间轨迹规划与求解相对较容 易，计算机控制相对较简单。 缺点：它的不足是空间尺寸较大，运动的灵活性相对 较差，运动的速度相对较低。
2.圆柱坐标型
工业机器人
一.工业机器人的历程
1960 年美国 AMF 公司生产了首台工业生产柱坐标型 Versatran机器人，可进行点位和轨迹控制。 1979年，Unimation 推出PUMA 机器人：多关节、全电 机驱动、多CPU二级控制，采用VAL专用语言，可配视 觉、触觉、力觉传感器。 新世纪 —— 智能机器人，更完善的环境感知能力，还 具有逻辑思维、判断和决策能力，可根据作业要求与 环境信息自主工作。
工业机器人
工业机器人定义：工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器装置，它能自动执行工作，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。
它可以接受人类指挥，也可以按照预先编排的程序运行，现代的工业机器人还可以根据人工智能技术制定的原则纲领行动。
工业机器人的应用领域：应用领域广泛工业机器人与自动化成套装备是生产过程的关键设备，可用于制造、安装、检测、物流等生产环节，并广泛应用于汽车整车及汽车零部件、工程机械、轨道交通、低压电器、电力、IC装备、军工、烟草、金融、医药、冶金及印刷出版等众多行业，广泛使用在点焊、弧焊、装配、材料加工、物流搬运、码垛、拾取及包装、机床上下料、喷涂及喷装等工艺流程著名工业机器人厂家：发那科（FANUC）——日本FANUC（发那科）是日本一家专门研究数控系统的公司，成立于1956年，是世界上最大的专业数控系统生产厂家，目前占据全球70%的数控系统市场份额。
该公司的机器人产品系列多达240种，负重从0.5公斤到1.35吨，广泛应用于装配、搬运、焊接、铸造、喷涂、码垛等不同生产环节。
库卡（KUKARoboterGmbh）——德国库卡（KUKA）是世界工业机器人和自动控制系统领域的顶尖制造商，产品广泛应用于汽车、冶金、食品和塑料成形等行业。
KUKA在全球拥有20多个子公司，其中大部分是销售和服务中心。
共产品最通用的应用范围包括工厂焊接、操作、码垛、包装、加工或其他自动化作业。
ABBRobotics机器人——瑞典ABB集团总部位于瑞士苏黎世，由两个历史均达100多年的国际性企业瑞典的阿西亚（ASEA）和瑞士的布朗勃法瑞（BBCBrownBoveri）在1988年合并而成。
ABB是电力和自动化技术领域的领导者，其机器人产品和解决方案广泛应用于汽车制造、食品饮料、计算机和消费电子等众多行业的焊接、装配、搬运、喷涂、精加工、包装和码垛等不同作业环节。
安川电机（YaskawaElectricCo.）——日本安川电机自1977年研制出第一台全电动工业机器人以来，已有28年的机器人研发生产历史，旗下拥有Motoman美国、瑞典、德国以及SyneticsSolutions美国公司等子公司。
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机器人的机械系统
球坐标型(2RP)
特点：中心支架附 近的工作范围大,两个转 动驱动装置容易密封, 覆盖工作空间较大。 但 该坐标复杂, 难于控制, 且直线驱动装置仍存在 密封及工作死区的问题。
机器人的机械系统
关节坐标型/拟人型(3R)
关节机器人的 关节全都是旋 转的, 类似于 人的手臂,工业 机器人中最常 见的结构。它 的工作范围较 为复杂。
机械部分
机械机构系统
传感部分
机器人－环境交互系统
机器人的系统构成
感受系统由内部传感器 模块和外部传感器模块 组成, 用以获取内部和 外部环境状态中有意义 的信息。智能传感器的 用提高了机器人的机动 性、适应性和智能化的 水准。
对于一些特殊的信息, 传 感器比人类的感受系统 更有效。
驱动系统
概念：要使机器人运行起来, 需给各个关节即每个运动自由度安置传动装置。
作用：提供机器人各部位、各关节动作的原动力
驱动系统可以是液压传动、 气动传动、电动传 动, 或者把它们结合起来应用的综合系统; 可以是直 接驱动或者是通过同步带、链条、轮系、谐波齿轮等 机械传动机构进行间接驱动。
机器人－环境交互系统
机器人-环境交互系 统是实现工业机器 人与外部环境中的 设备相互联系和协 调的系统。
人机交互系统
人机交互系统是使操作人员参与 机器人控制并与机器人进行联系的 装置。该系统归纳起来分为两类: 指令给定装置和信息显示装置。
机器人的机械系统
机器人机械系统
工业机器人的机械系统一般是由 连杆关节和其他形式的运动副组 成。机械系统通常包括机座立柱 手臂手腕末端执行器以及腰肩肘等
关节。
机器人的机械
机器人的机械系统
圆柱坐标型(R2P）)
优点：计算简单; 直线部分可采用液压 驱动,可输出较大的动力; 能够伸入型腔式 机器内部。
缺点：它的手臂可以到达的空间受到 限制, 不能到达近立柱或近地面的空间; 直 线驱动部分难以密封、防尘; 后臂工作时, 手臂后端会碰到工作范围内的其它物体。 这类操作机在水平转台上装有立柱，水平 臂可沿立柱上下运动并可在水平方向伸缩。 其工作范围较大，运动速度较高，但随着 水平臂沿水平方向伸长，其线位移分辨精 度越来越低。
机器人的机械系统
并不是所有的手腕都必须具备三个自由度，而是根据实际使 用的工作性能要求来确定。分为单自由度手腕、二自由度手 腕和三自由度手腕
按照驱动方式可以分为 直接驱动手腕：
驱动源直接装在手腕上。 驱动性能好的驱动电机或液压马达。 远距离传动手腕： 有时为了保证具有足够大的驱动力，驱动装置又 不能做得足够小，同时也为了减轻手腕的重量。
机器人的机械系统
并联机构（Parallel Mechanism，简称 PM），可以定义为动平台和定平台 通过至少两个独立的运动链相连接， 机构具有两个或两个以上自由度， 且以并联方式驱动的一种闭环机构。 2 特点 （1）无累积误差，精度较高； （2）驱动装置可置于定平台上或接 近定平台的位置，这样运动部分重 量轻，速度高，动态响应好； （3）结构紧凑，刚度高，承载能力 大； （4）完全对称的并联机构具有较好 的各向同性； （5）工作空间小较小； 并联机器人在需要快速响应高刚度、 高精度或者大载荷而无须很大工作 空间的领域内得到了广泛应用。
关节型工业机器人
SCARA机器人
SCARA（Selective Compliance Assembly Robot Arm，中文译名：选 择顺应性装配机器手臂）是一种圆柱 坐标型的特殊类型的工业机器人。 SCARA机器人有3个旋转关节，其轴线 相互平行，在平面内进行定位和定向。 另一个关节是移动关节，用于完成末 端件在垂直于平面的运动。手腕参考 点的位置是由两旋转关节的角位移φ1 和φ2，及移动关节的位移z决定的， 即p=f(φ1,φ2,z)，如图所示。这类机器 人的结构轻便、响应快，例如Adept1 型SCARA机器人运动速度可达10m/s， 比一般关节式机器人快数倍。它最适 用于平面定位，垂直方向进行装配的 作业。
并联机器人
机器人的机械系统
机器人机座 机器人基座可 分为固定式和 行走式两种， 大部分为固定 式。
机器人手臂 手臂是机器人 执行机构中的 重要部件，它 的作用是将被 抓取的工件运 送到给定的位 置上。
关节坐标型
平面关节型
机器人的机械系统
手腕
机器人手腕是连接末端操作器和手臂的部件，作用是调节或改变工 件的方位，具有独立的自由度。为了使手部能处于空间任意方向， 要求腕部能实现对空间三个坐标轴X、Y、Z的旋转运动。这便是腕 部运动的三个自由度，分别称为翻转R（Roll）、俯仰P（Pitch）和 偏转Y（Yaw）。
D
XXXX
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
工业机器人介绍 机器人基本结构
机器人机械系统 末端操作器
机器人控制系统
工业机器人应用 程序设计简介
工业机器人
按ISO8373，其定义为：位置可以固定或移动，能够实现自动控制、可重 复编程、多功能多用途、末端操作器的位置要在3个或3个以上自由度内，可 编程的工业自动化设备。
工业机器人最早应用于 汽车制造业，常用于焊 接、喷漆、上下料和搬 运。可以代替人从事危 险、有毒、低温和高热 的恶劣环境中工作。工 业机器人与数控加工中 心、自动搬运小车以及 自动 检测系统可组成柔 性制造系统（FMS）和计 算机集成制造系统 （CIMS），实现生产自 动化。
分类
直角坐标机器人 圆柱坐标机器人 球坐标机器人 关节坐标机器人
气动 液压 电动
人工操纵机器人 固定程序机器人 可编程序机器人 重演式示教机器人
串联式 并联式
感 受 系 统
工业机器人由三大部 分六个子系统组成。 三大部分分别是机械 部分、传感部分和控 制部分。
控制 部分
人机交互系统
控制系统 驱动系统
机器人的各关节运动副和连杆构件组成了不同的坐标形式。 常见的主体结构形式有：直角坐标式、圆柱坐标式、球面 坐标式、关节坐标式。
关节坐标型
平面关节型
机器人的机械系统
直角坐标机器人
优点：很容易通过计算 机控制实现，容易达到 高精度。 缺点：妨碍工作, 且占 地面积大, 运动速度低, 密封性不好
直角坐标机器人的工作空间示意图