第01篇工业机器人绪论
第1章 工业机器人概论PPT课件
控制系统
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第1章 工业机器人概论
工业机器人技术基础
■工业机器人示教器
示教器是人机交互的一个接口，也称示教盒或示教编程器，主要由液晶屏和可供 触摸的操作按键组成。操作时由控制者手持设备，通过按键将需要控制的全部信 息通过与控制器连接的电缆送入控制柜中的存储器中，实现对机器人的控制。示 教器是机器人控制系统的重要组成部分，操作者可以通过示教器进行手动示教， 控制机器人到达不同位姿，并记录各个位姿点坐标，也可以利用机器人语言进行 在线编程，实现程序回放，让机器人按编写好的程序完成轨迹运动。
随着工业机器人的应用越来越广泛，我国也在积极推动我国机器人产业的发展。
尤其是进入“十三.五”以来，国家出台的《机器人产业发展规划（2016-2020）》对机
器人产业进行了全面规划，要求行业、企业搞好系列化、通用化、模块化设计，积极
推进工业机器人产业化进程。
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第1章 工业机器人概论
工业机器人技术基础
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第1章 工业机器人概论
工业机器人技术基础
1.1 工业机器人定义及其发展 工业机器人定义 定义虽不同，但有一定的共性： 工业机器人是由仿生机械结构，电机、减速机和控制系统组成的，用于从 事工业生产，能够自动执行工作指令的机械装置。它可以接受人类指挥， 也可以按照预先编排的程序运行，现代工业机器人还可以根据人工智能技 术制定的原则和纲领行动。 一般情况下，工业机器人应该具有四个特征： 1. 特定的机械结构； 2. 从事各种工作的通用性能； 3. 具有感知、学习、计算、决策等不同程度的智能； 4. 相对独立性。
量22.5万台，亚洲的销量占到2/3，中国市场的机器人销量近45500台，增长35%。到目
前为止，全球的主要机器人市场集中在亚洲、澳洲、欧洲、北美，其累计安装量已超
工业机器人技术基础第1章 工业机器人概论
法国
英国 意大利、瑞典等
注重机器人基础研究
二十世纪70年代末开始研究，但 中途限制发展 发展迅速
中国
70年代萌芽期，80年代的开发期 和90年代后的应用期。
靠后
沈阳新松、 清华、哈工 大
国际上的工业机器人公司主要分为日系和欧系。
日系有：安川、OTC、松下、 发那科 (FANUC)和安川电机 (Yaskawa)。 欧系有：德国的KUKA、CLOOS、瑞典的ABB、意大利的COMAU，英国的
第一，创新能力较弱，核心技术和核心关键部件受制于人，尤其是高精度的减速器长
期需要进口，缺乏自主研发产品，影响总体机器人产业发展。 第二，产业规模小，市场满足率低，相关基础设施服务体系建设明显滞后。中国工业
机器人企业虽然形成了自己的部分品牌，但不能与国际知名品牌形成有力竞争。
第三，行业归口，产业规划需要进一步明确。 随着工业机器人的应用越来越广泛，我国也在积极推动我国机器人产业的发展。 尤其是进入“十三.五”以来，国家出台的《机器人产业发展规划（2016-2020）》对机 器人产业进行了全面规划，要求行业、企业搞好系列化、通用化、模块化设计，积极 推进工业机器人产业化进程。
工业机器人技术基础
目 录
第一章 工业机器人概论
第二章 工业机器人的数学基础
第三章 工业机器人的机械系统 第四章 工业机器人的动力系统 第五章 工业机器人的感知系统 第六章 工业机器人的控制系统
第七章 工业机器人编程与调试
第1章 工业机器人概论
工业机器人技术基础
主要内容
1.1 工业机器人定义及其发展（了解） 1.2 工业机器人基本组成及技术参数（掌握）
第1章 工业机器人概论
工业机器人技术基础
工业机器人-绪论-1
------In Capeks play, robots were humanoid (human-like in form) machines created by Rossum and his son to be used as servants for people.
表面处理、打孔、焊接
图06 激光加工机器人
和模具修复等。
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真空机器人
真空机器人是一种在真
空环境下工作的机器人，
主要应用于半导体工业
中，实现晶圆在真空腔
室内的传输。真空机械
手难进口、受限制、用
量大、通用性强，其成
为制约了半导体装备整
机的研发进度和整机产
品竞争力的关键技术。
而且国外对中国买家严
加审查，归属于禁运产
• 工业机器人的研究源于遥控机械手和数控机床的研发。
•
20世纪50年代以后，美国橡树岭国家实验室开始研
究能搬运核原料的遥控操纵机械手，这是一种主从型控制
系统，主机械手的运动。系统中加入力反馈，可使操作者
获知施加力的大小，主从机械手之间有防护墙隔开，操作
者可通过观察窗或闭路电视对从机械手操作机进行有效的
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2) “Robotics”
-----from Issac Asimov, who used this word for the first time to describe the science of robots.
1959年第一台工业机器人在美 国诞生（Unimation），开创了机 器人发展的新纪元。
工业机器人第一章
缺点：
油液的黏度受温度影响，影响工作性能； 液体泄漏难以克服，要求液压元件制造精度高； 需要提供相应的供油系统和严格的滤油装置；
2.2 驱动机构
一、各种驱动方式的优缺点 ㈡ 气压驱动
优点： 压缩空气黏度小，容易达到高速（1m/s)； 工厂一般都自有空气压缩机站，可提供压缩空气，不必再额 外的添加动力设备，而且空气介质对环境无污染，使用安全； 气动元件工作压力低，因此制造要求也低一些，价格低廉； 空气具有压缩性，是系统能够实现过载自动保护；
机器人最显著特点：
（1）拟人功能：
（2）可编程：机器人具有‘智力’或具有 ‘感觉’和‘识别’能力，可随工作环境变化而 再编程。因此电动玩具不是机器人。 （3）通用性：一般机器人在执行不同的作 业任务时，具有较好的通用性。 （4）机电一体化 ：工业机器人技术是机械 学和微电子学的结合
二、工业机器人与环境交互
第一章
概论
1.1 机器人概述 1.2 机器人的分类 1.3 工业机器人的组成与技术参数
1.1 机器人概述
一、机器人定义及特点
美国机器人工业协会（RIA）提出的机器人 定义为：“机器人是一种用于移动各种材料、零 件、工具或专用装置，通过可编程序动作来执行 各种任务并具有编程能力的多功能机械手。”
直角坐标式
优点： 缺点：
主要用于生产设备的上下料、高精 度的装配和检测等。
导轨面的保养维护比较困难，不能像转动关节的轴承那样很好 的密封；
导轨面的支承结构增加了机器人的重量，并减少了有效工作范 围； 为了减少摩擦需要用很长的直线滚动导轨，价格高； 结构尺寸与有效工作范围相比显得庞大；
第二章
工业机器人机械系统设计
第一章工业机器人
第1章工业机器人及其发展1.1工业机器人的发展历史回顾“机器人”（Robota）一词最早出现在本世纪初的科幻小说中，是剧作家笔下的具有人的外表、特征和功能的机器，是一种人造的劳动力。
在我国采用的是意译，而实际上的机器人特别是工业机器在外型上很少与人相似之处。
现代机器人的研究始于20世纪中期，其技术背景是计算机和自动化的发展以及原子能的开发和利用。
自1946年第一台数字电子计算机（ENIAC）研制成功以来，计算机取得了惊人的进步，目前正向高速、大容量、低价格的方向发展。
省力化和大批量生产等的迫切要求，推动了自动化技术的进展，其结果之一便是1952年数控机床的诞生。
另一方面，原子能实验室的恶劣环境要求某种操作机械代替人处理放射性物质，在这一背景下，美国原子能委员会的尔贡研究所于1941年开发了遥控机械手，1946年又开发了机械式的主从机械手。
1954年美国George .Devol最早提出了工业机器人的思想,发明了一种可编程序的关节型搬运装置,并申请了专利,该专利的要点是借助于伺服技术控制机器人的关节,利用人手对机器人进行示教,机器人能实现动作的记录和再现,这就是所谓的示教再现机器人。
在此基础上，1958年美国的CONSOLIDATEEL公司制造了第一台工业机器人；作为机器人产业出售的最早实用机器人是1962年美国AMF公司推出的“VERSTRAN”和“UNIMATION”公司推出的“UNIMATE”，这些工业机器人的控制方式与NC机床大致相同，但外形特征迥异，主要由类似人的手和臂组成。
由于历史条件和技术水平的关系，60年代机器人发展较慢。
70年代后，焊接、喷漆机器人相继在工业中得到应用和推广。
随着计算机技术、控制技术、人工智能的发展，机器人技术也得到了迅速发展，出现了更为先进的可配视觉、触觉的机器人。
80年代，为了适应市场多变的需要，制造业在生产方式上产生了质的飞跃，多品种、小批量概念诞生，出现了适应此种生产模式的以NC 机床、加工中心和工业机器人为代表的柔性制造系统FMS。
第一章《工业机器人的概论》PPT课件
激光焊缝跟踪机器人
➢ 第三代机器人
第三代工业机器人称为智能机器人，具有发 现问题，并且能自主地解决问题的能力，尚 处于实验研究阶段。作为发展目标，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， 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。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。这类机器人具有高度的适应性和 自治能力。尽管经过多年来的不懈研究，人 们研制了很多各具特点的试验装置，提出大 量新思想、新方法，但现有工业机器人的自 适应技术还是十分有限的。
可编程控制器(PLC) 工业机器人 计算机辅助设计和制造(CAD/CAM) 工业机器人技术需要的是一种跨学科、跨专业的 综合型人才，尤其是横跨工业机器人技术本身和 PLC等技术的人才。
两个层面的人才： (1)操作、编程、使用和维护（中职培养目标） (2)前者+系统集成应用（大专及以上培养目标）
工业机器人的种类
研发机构---多种机器人。制造-重视工 业机器人应用。
机器人之父—熊有伦-机器人技术基础-1995 年出版
应用阶段：1987-2000年
1975-1985，研究的初步阶段。沈阳自动 化、一汽等
初步产业化阶段：2001-2013 广州数控、沈阳新松、奇瑞装备等 -- 工业机器人批量生产阶段
创新研究与人才培养：2014-今后 研发：关键技术---创新-理论-自主产权 - 发展阶段
自己完成
采购与成套设计相结合。本 国国内基本上不生产普通的 工业机器人，企业需要机器 人通常由工程公司进口，再
自行设计、制造配套的 外围设备
(完整)工业机器人技术及应用(教案)1-绪论
第一章绪论1.1 什么是工业机器人1。
2 为何发展工业机器人1。
3 工业机器人发展概况1.3.1 工业机器人的诞生1。
3。
2 工业机器人的发展1.4 工业机器人的分类及应用1。
4。
1 工业机器人的分类1.4。
2 工业机器人的应用学习目标＊掌握工业机器人的定义*了解工业机器人的发展事由和历程*熟悉工业机器人的常见分类及其行业应用导入案例富士康“百万机器人”上岗折射中国制造业升级2011 年，富士康 CEO 郭台铭表示，希望到 2012 年底装配 30 万台机器人，到 2014 年装配100 万台,要在 5 到 10 年数年内通过自动化消除简单重复性的工序。
机器人的投产使用，可将目前的人力资源转移到具备更高附加值的岗位上，这也符合将我国“人口红利”转为“人才红利"的大目标.这一工业机器人的井喷潮涌，何时会蔓延到“中国制造”的每一个工厂、每一条生产线、每一个工序、每一个工位上，将为“中国制造”的转型提“智”做出何等贡献？我们对此充满期待。
课堂认知1。
1 什么是工业机器人机器人涉及到人的概念,成为一个难以回答的哲学问题。
美国:一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置的，通过程序动作来执行种种任务的,并具有编程能力的多功能操作机。
日本：一种带有存储器件和末端操作器的通用机械，它能够通过自动化的动作替代人类劳动。
中国: 一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或者生物相似的智能能力,如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。
ISO一种能自动控制，可重复编程，多功能、多自由度的操作机，能搬运材料、工件或操持工具来完成各种作业。
广义地说:工业机器人是一种在计算机控制下的可编程的自动机器。
它具有四个基本特征：①特定的机械机构②通用性③不同程度的智能④独立性1.2 为何发展机器人让机器人替人类干那些人不愿干、干不了、干不好的工作。
ABB 给出十大投资机器人的理由：第一，降低运营成本;第二，提升产品质量与一致性；第三，改善员工的工作环境;第四，扩大产能；第五，增强生产的柔性；第六，减少原料浪费，提高成品率;第七，满足安全法规，改善生产安全条件；第八，减少人员流动，缓解招聘技术工人的压力；第九，降低投资成本,提高生产效率；最后一点，节约宝贵的生产空间。
01第一章 KUKA机器人绪论
后来居上，并在工业生产的应用上及机器人制造业上很快超过了美国，产品在国际市场上形成了较强的竞争力。
进入20世纪80年代之后，美国才感到形势紧迫，政府和企业界才开始真正重视机器人。制定和采取了相应 的政策和措施，一方面鼓励工业界发展和应用机器人，另一方面制订计划、提高投资，增加机器人的研究经费， 把机器人看成美国再次工业化的特征，使美国的机器人迅速发展。80年代中后期，随着各大厂家应用机器人的
1.1 工业机器人的应用、发展和分类
（1）直角坐标系
-- 产品分类与应用
直角坐标系机器人模型
直角坐标系机器人实体
直角坐标机器人 具有空间上相互垂直的多个直线移动轴，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，其动作空间为一长方体。
1.1 工业机器人的应用、发展和分类
（2）柱面坐标系
-- 产品分类与应用
1.1 工业机器人的应用、发展和分类
2 、按机器人的机构特征划分 工业机器人的结构形式
-- 产品分类与应用
按机器人结构坐标系特点方式 1）直角坐标型机器人
工业机器人的结构形式
直角轴线的移动来实现机器人 手部空间位置的改变。 2）圆柱坐标型机器人 通过两个移动和一个转动实现位置的改变。 3）极坐标型机器人 运动由一个直线运动和两个转动组成。 4）关节型机器人 运动由前后的俯仰及立柱的回转组成。
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2020年9月18日
智能与控制工程研究所
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现代机器人的发展历史
二战期间（1938-1945）
由于核工业和军事工业的发展，研制了 “遥控操纵器”（Teleoperator） 主要用于放射性材料的生产和处理过程。
70年代 机器人技术发展成为专门学科
机器人产业得到蓬勃发展，机器人技术发展成为专门学科，称之为机器 人学（Robotics）。
机器人的应用领域进一步扩大，不同的应用场所，导致了各种坐标系统、 各种结构的机器人相继出现，大规模集成电路和计算机技术飞跃发展使 机器人的控制性能大大提高，成本不断下降。
智能与控制工程研究所
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第一章 绪论
ChapterⅠ Introduction
1.1 机器人名称的由来 1.3 机器人的定义和分类 1.5 操纵机器人 1.7 机器人的应用 1.9 我国机器人研究的简况
1.2 机器人的发展历史 1.4 机器人的结构与控制方式 1.6 智能机器人 1.8 未来机器人的发展方向
1738年，法国天才技师杰克·戴·瓦克逊发明了一只机器鸭，它会嘎 嘎叫，会游泳和喝水，还会进食和排泄。
1773年，著名的瑞士钟表匠杰克·道罗斯和他的儿子利·路易·道罗斯 制造出自动书写玩偶、自动演奏玩偶等，他们创造的自动玩偶是利 用齿轮和发条原理而制成的，它们有的拿着画笔和颜色绘画，有的 拿着鹅毛蘸墨水写字，结构巧妙，服装华丽，在欧洲风靡一时。
2020年9月18日
智能与控制工程研究所( About “Robot” )
机器人的英文名词是Robot，Robot一词最早出现在 1920年捷克作家卡雷尔·卡佩克（Karel Capek）所写的一 个剧本中，这个剧本的名字为 《 Rossum’s Universal Robots 》，中文意思是“罗萨姆的万能机器人”。
2020年9月18日
智能与控制工程研究所
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80年代 开始进入智能机器人研究阶段
80年代，不同结构、不同控制方法和不同用途的工业机器人在工业发达国 家真正进入了实用化的普及阶段。
随着传感技术和智能技术的发展，开始进入智能机器人研究阶段。
机器人视觉、触觉、力觉、接近觉等项研究和应用，大大提高了机器人的 适应能力，扩大了机器人的应用范围，促进了机器人的智能化进程。
剧中的人造劳动者取名为Robota，捷克语的意思是 “苦力”、“奴隶”。英语的Robot一词就是由此而来的， 以后世界各国都用Robot作为机器人的代名词。
2020年9月18日
智能与控制工程研究所
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1.2 机器人的发展历史
( The Developing History of Robots )
古代“机器人”——现代机器人的雏形
机器人原理及控制技术
工业机器人http://
黄心汉
华中科技大学控制科学与工程系
章节安排
第一章 绪论 第三章 运动学方程 第五章 微分变换 第七章 控制 第九章 静态力
第二章 齐次变换 第四章 逆运动学方程 第六章 动力学 第八章 运动轨迹 第十章 力控与顺应控制
2020年9月18日
(6) 机器人语言；
(7) 装置与系统结构；
(8) 机器人智能等。
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智能与控制工程研究所
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1.3 机器人的定义和分类
（Definition and Classifying for Robots）
经历了40多年的发展，机器人技术逐步形成了一门新的综合性学科 — 机器人学（Robotics）
它包括有基础研究和应用研究两个方面
主要研究内容有：
(1) 机械手设计；
(2) 机器人运动学、动力学和控制；
(3) 轨迹设计和路径规划； (4) 传感器(包括内部传感器和外部传感器)；
(5) 机器人视觉；
人类对机器人的幻想与追求已有3000多年的历史
西周时期，我国的能工巧匠偃师研制出的歌舞艺人，是我国最早记载 的机器人。
春秋后期，据《墨经》记载，鲁班曾制造过一只木鸟，能在空中飞行 “三日不下” 。
公元前2世纪，古希腊人发明了最原始的机器人──太罗斯，它是以水、 空气和蒸汽压力为动力的会动的青铜雕像，它可以自己开门，还可以 借助蒸汽唱歌。
1947年，对这种较简单的机械装置进行了改进，采用电动伺服方式，使 其 从 动 部 分 能 跟 随 主 动 部 分 运 动 ， 称 为 " 主 从 机 械 手 " （ Master-Slave Manipulator）。
1949-1953 美国麻省理工学院开始研制数控铣床
随 着 先 进 飞 机 制 造 的 需 要 ， 美 国 麻 省 理 工 学 院 辐 射 实 验 室 （ MIT Radiation Laboratory）开始研制数控铣床。
1960年美国“联合控制公司”（Consolidated Control）根据Devol的专利 技术，研制出第一台真正意义上的工业机器人，并成立了Unimation公司， 开始定型生产名为Unimate的工业机器人。
两年后，美国“机床与铸造公司”（AMF）也生产了另一种可编程工业 机器人Versatran。
1800年前的汉代，大科学家张衡不仅发明了地动仪，而且发明了计 里鼓车，计里鼓车每行一里，车上木人击鼓一下，每行十里击钟一下。
2020年9月18日
智能与控制工程研究所
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后汉三国时期，蜀国丞相诸葛亮成功地创造出了“木牛流马”，并 用其在崎岖山路中运送军粮，支援前方战争。
1662年，日本的竹田近江利用钟表技术发明了自动机器玩偶，并在 大阪的道顿堀演出。
1953年研制成功能按照模型轨迹做切削动作的多轴数控铣床。
1954年 “可编程”“示教再现”机器人
美国人George C. Devol设计制作了世界上第一台机器人实验装置，并发 表了题为《适用于重复作业的通用性工业机器人》的文章。
2020年9月18日
智能与控制工程研究所
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60年代 机器人产品正式问世，机器人技术开始形成