任務(wù) (2).機器人的定義及發(fā)展

1+X工業(yè)機器人應(yīng)用編程實訓(xùn)

隨著《中國制造2025》的出臺，未來中國制造業(yè)將向著智能制造方向邁進(jìn)。工業(yè)機器人在智能制造業(yè)中的地位非常重要，其在工廠自動化和柔性制造系統(tǒng)中起著關(guān)鍵作用。以“符合人才培養(yǎng)需求，知識與技能一體”為指導(dǎo)思想，以培養(yǎng)學(xué)生對工業(yè)機器人的編程、操作能力為根本目的進(jìn)行編寫。從實用的角度出發(fā)，深入淺出地介紹了工業(yè)機器人的編程與操作、I/O通信的使用等內(nèi)容，使讀者結(jié)合具體的工業(yè)應(yīng)用案例來對照學(xué)習(xí)具體的編程指令及參數(shù)設(shè)置，加深對編程指令的理解。

（1）采用任務(wù)驅(qū)動方式編寫，教學(xué)內(nèi)容圍繞任務(wù)展開，每個任務(wù)都包括任務(wù)描述、知識鏈接、任務(wù)實施、任務(wù)評價等環(huán)節(jié)，任務(wù)由簡單到復(fù)雜，循序漸進(jìn)地展開。（2）學(xué)習(xí)任務(wù)服務(wù)于實際應(yīng)用，教學(xué)內(nèi)容涉及工業(yè)機器人的編程、調(diào)試、通信等知識技能，可以直接與企業(yè)中的工業(yè)機器人相關(guān)工作進(jìn)行銜接，具有很強的參考性和可操作性。（3）以培養(yǎng)知識、技能、素質(zhì)為主線，結(jié)合高職院校學(xué)生的認(rèn)知能力和專業(yè)特點，按照學(xué)習(xí)任務(wù)合理地安排學(xué)習(xí)進(jìn)度與內(nèi)容。（4）按照教、學(xué)、做相結(jié)合的原則進(jìn)行編寫，結(jié)合理論實踐一體化原則，適用于情境化教學(xué)。

中國制造2025，是中國政府實施制造強國戰(zhàn)略第一個十年的行動綱領(lǐng)。《中國制造2025》提出，堅持“創(chuàng)新驅(qū)動、質(zhì)量為先、綠色發(fā)展、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、人才為本”的基本方針，堅持“市場主導(dǎo)、政府引導(dǎo)，立足當(dāng)前、著眼長遠(yuǎn)，整體推進(jìn)、重點突破，自主發(fā)展、開放合作”的基本原則，通過“三步走”實現(xiàn)制造強國的戰(zhàn)略目標(biāo)：第一步，到2025年邁入制造強國行列；第二步，到2035年中國制造業(yè)整體達(dá)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，綜合實力進(jìn)入世界制造強國前列。

《中國制造2025》拓展

工業(yè)機器人在智能制造中的應(yīng)用優(yōu)勢

生產(chǎn)效益是企業(yè)追求的目標(biāo)，創(chuàng)新發(fā)展的動力，在工業(yè)生產(chǎn)中，工業(yè)機器人可替代工人去完成高難度的工作，降低人工成本。同時，枯燥機械化操作容易使工人產(chǎn)生情緒，影響工作精度。機器人可以很好地持續(xù)保障工作的精度，提高產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量?？梢?，在智能制造中，工業(yè)機器人的應(yīng)用可提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本，制造企業(yè)可獲得更高的生產(chǎn)效益。此外，在工業(yè)生產(chǎn)中，工業(yè)機器人可與不同數(shù)控機床連接，進(jìn)行多種產(chǎn)品生產(chǎn)，為柔性生產(chǎn)線建設(shè)提供幫助。整個過程無需人工操作，工業(yè)機器人可24h進(jìn)行工件生產(chǎn)，表現(xiàn)出生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品精度高、一致性強等優(yōu)勢。工業(yè)機器人在智能制造業(yè)中的應(yīng)用

在鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)中，工業(yè)機器人可以大展身手。第一，自動拆捆機器人可自動測量捆帶和卷邊的位置，進(jìn)行剪裁，并將捆帶壓縮為最小尺寸，運輸至廢料斗中。第二，自動取樣機器人可以自動取出小車中的試樣板，并在試樣板上粘貼標(biāo)簽。有些流水線上還單獨使用了自動貼標(biāo)簽機器人，自動完成標(biāo)簽的打印、拾取與粘貼操作。當(dāng)然，最常見的還是無人化行車，通過計算機編程，可按照最短路線行駛，自動完成鋼卷吊裝、信息識別與存儲等操作，實現(xiàn)準(zhǔn)確定位、輕裝輕卸。其實，工業(yè)機器人應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域就是汽車制造領(lǐng)域。如今，汽車制造的各個環(huán)節(jié)基本都由機器人完成主要工作，寶馬、大眾、東風(fēng)日產(chǎn)等等，都有它們固定的機器人供應(yīng)商，協(xié)助配合完成機器人部署。學(xué)習(xí)這門課的重要性工業(yè)機器人在智能制造中的應(yīng)用，可提高產(chǎn)品生產(chǎn)效益，建設(shè)柔性生產(chǎn)線，實現(xiàn)產(chǎn)品制造的智能化、高效化發(fā)展。為了增強工業(yè)機器人在智能制造中的應(yīng)用，需加強人才培養(yǎng)、技術(shù)創(chuàng)新與性能優(yōu)化等工作，加大工業(yè)機器人在智能制造中的應(yīng)用廣度與深度，推動智能制造的進(jìn)一步發(fā)展。當(dāng)然，推進(jìn)智能制造是一項復(fù)雜而龐大的系統(tǒng)工程，也是一件新生事物，這需要一個不斷探索、試錯的過程，難以一蹴而就，更不能急于求成。所以，需要我們當(dāng)代大學(xué)生認(rèn)真學(xué)習(xí)這門課，為智能制造貢獻(xiàn)自己的本領(lǐng)。項目一

認(rèn)識工業(yè)機器人（幫助學(xué)生明確學(xué)習(xí)目標(biāo)，樹立理想信念）任務(wù)1.1機器人的定義及發(fā)展任務(wù)1.2工業(yè)機器人的基本組成與分類任務(wù)1.3認(rèn)識ABB工業(yè)機器人任務(wù)1.4工業(yè)機器人的維護與保養(yǎng)知識目標(biāo)

1.了解機器人的定義及發(fā)展；2.掌握工業(yè)機器人的組成；3.掌握工業(yè)機器人各個組成部分的功能；4.了解常用的ABB工業(yè)機器人的型號和參數(shù)；5.掌握ABB工業(yè)機器人的應(yīng)用注意事項；6.掌握工業(yè)機器人的維護和保養(yǎng)知識。項目一認(rèn)識工業(yè)機器人能力目標(biāo)1.能夠根據(jù)機器人的特征進(jìn)行分類；2.能夠根據(jù)要求選用ABB工業(yè)機器人；3.能夠合理檢查控制器的散熱情況；4.能夠采用正確的方法清理示教器；5.能夠?qū)C器人的本體進(jìn)行合理的維護；6.能夠進(jìn)行軸制動測試。任務(wù)一機器人的定義及發(fā)展任務(wù)描述了解機器人的定義和各個國家對機器人定義的區(qū)別，掌握機器人在我國的標(biāo)準(zhǔn)定義；能夠根據(jù)機器人的特征對機器人進(jìn)行分類。

知識鏈接

一、機器人的定義由于機器人的應(yīng)用領(lǐng)域眾多、發(fā)展速度快，加上它又涉及人類的有關(guān)概念，因此，對于機器人，世界各國標(biāo)準(zhǔn)化機構(gòu)甚至同一國家的不同標(biāo)準(zhǔn)化機構(gòu)至今尚未形成一個統(tǒng)一、準(zhǔn)確、世界所公認(rèn)的嚴(yán)格定義。

例如，歐美國家一般認(rèn)為，機器人是一種“由計算機控制、可通過編程改變動作的多功能、自動化機械”；而日本作為機器人生產(chǎn)的大國，則將機器人分為“能夠執(zhí)行人體上肢(手和臂)類似動作”的工業(yè)機器人和“具有感覺和識別能力，并能夠控制自身行為”的智能機器人兩大類?？陀^地說，歐美國家的機器人定義側(cè)重于其控制方式和功能，其定義和現(xiàn)行的工業(yè)機器人比較接近；而日本的機器人定義關(guān)注的是機器人的結(jié)構(gòu)和行為特性，而且已經(jīng)考慮到現(xiàn)代智能機器人的發(fā)展需要，其定義更為準(zhǔn)確。

作為參考，目前在相關(guān)資料中使用較多的機器人定義主要有以下幾種。（1）國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(InternationalOrganizationforStandardization，ISO)的定義：機器人是一種“自動的、位置可控的、具有編程能力的多功能機械手”，這種機械手具有幾個軸，能夠借助可編程序操作來處理各種材料、零件、工具和專用裝置，執(zhí)行各種任務(wù)。（2）日本機器人協(xié)會（JapanRobotAssociation，JRA）將機器人分為工業(yè)機器人和智能機器人兩大類，工業(yè)機器人是一種“能夠執(zhí)行人體上肢（手和臂）類似動作的多功能機器”，智能機器人是一種“具有感覺和識別能力，并能夠控制自身行為的機器”。（3）美國機器人協(xié)會（RoboticsIndustriesAssociation，RIA）的定義：機器人是一種“用于移動各種材料、零件、工具或?qū)Ｓ醚b置的，通過可編程的動作來執(zhí)行各種任務(wù)的，具有編程能力的多功能機械手”。（4）我國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T12643—2013《機器人與機器人裝備詞匯》的定義：機器人是一種能夠自動定位控制，可重復(fù)編程的，多功能的、多自由度的操作機構(gòu)，能搬運材料、零件或操持工具，用于完成各種作業(yè)。

以上標(biāo)準(zhǔn)化機構(gòu)及專門組織對機器人的定義，都是在特定時間所得出的結(jié)論，多偏重于工業(yè)機器人，但科學(xué)技術(shù)對未來是無限開放的，當(dāng)代智能機器人無論在外觀還是在功能、智能化程度等方面，都已超出傳統(tǒng)工業(yè)機器人的范疇。機器人正在不斷地向人類活動的各個領(lǐng)域滲透，它所涵蓋的內(nèi)容越來越豐富，其應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展空間正在不斷延伸與擴大，這也是機器人與其他自動化設(shè)備的重要區(qū)別。

二、機器人的發(fā)展機器人最早用于工業(yè)領(lǐng)域，主要用來協(xié)助人類完成重復(fù)、頻繁、單調(diào)、長時間的工作，或在高溫、粉塵、有毒、輻射、易燃、易爆等惡劣而危險的環(huán)境下作業(yè)。隨著社會進(jìn)步、科學(xué)技術(shù)發(fā)展和智能化技術(shù)研究的深入，各式各樣具有感知、決策、行動和交互能力，可應(yīng)用于不同領(lǐng)域、各種特殊要求的智能機器人相繼被研發(fā)出來。機器人已開始進(jìn)入生產(chǎn)、生活的各個領(lǐng)域，并在其中某些領(lǐng)域逐步取代人類而獨立從事相關(guān)工作。根據(jù)機器人現(xiàn)有的技術(shù)水平，人們一般將機器人產(chǎn)品分為以下三代。

1.第一代機器人第一代機器人一般是指能通過離線編程或示教操作生成程序，并再現(xiàn)動作的機器人。第一代機器人所使用的技術(shù)和數(shù)控機床十分相似，既可通過離線編制的程序控制機器人的運動，又可通過手動示教操作（數(shù)控機床稱為teachin操作）記錄運動過程生成程序。第一代機器人的全部行為完全由人控制，它沒有分析和推理能力，不能改變程序動作，無智能性，其控制以示教、再現(xiàn)為主，故又稱示教再現(xiàn)機器人。第一代機器人現(xiàn)在已經(jīng)使用和普及，圖1-1-1所示的工業(yè)機器人大都屬于第一代機器人。

第一代機器人：示教再現(xiàn)型機器人這類機器人是通過一個計算機，來控制一個多自由度的機械，通過示教存儲程序和信息，工作時把信息讀取出來，然后發(fā)出指令，這樣的話機器人可以重復(fù)的根據(jù)人當(dāng)時示教的結(jié)果，再現(xiàn)出這種動作，該類機器人的特點是它對外界的環(huán)境沒有感知。拓展

2.第二代機器人第二代機器人裝備有一定數(shù)量的傳感器，它能獲取作業(yè)環(huán)境、操作對象等簡單信息，并通過計算機的分析與處理，做出簡單的推理，從而適當(dāng)調(diào)整自身的動作和行為。例如，在圖1-1-2所示的探測機器人上，可通過所安裝的攝像頭及視覺傳感系統(tǒng)，識別圖像，判斷和規(guī)劃探測車的運動軌跡，它對外部環(huán)境具有一定的適應(yīng)能力。第二代機器人已具備一定的感知和簡單推理等能力，有一定程度的智能，故又稱感知機器人或低級智能機器人，當(dāng)前使用的大多數(shù)服務(wù)機器人或多或少都已經(jīng)具備第二代機器人的特征。

20世紀(jì)60年代中期開始，美國麻省理工學(xué)院、斯坦福大學(xué)、英國愛丁堡大學(xué)等陸續(xù)成立了機器人實驗室，研究帶傳感器的、“有感覺”的機器人，這種機器人后來被稱為第二代機器人。1965年，美國麻省理工學(xué)院（MIT）的Roborts演示了第一個具有視覺傳感器的、能識別與定位簡單積木的機器人系統(tǒng)。同年，美國約翰·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實驗室研制出Beast機器人，Beast機器人已經(jīng)能通過聲納系統(tǒng)、光電管等裝置，根據(jù)環(huán)境校正自己的位置。拓展

圖1-1-1第一代機器人圖1-1-2第二代機器人

3.第三代機器人第三代機器人具有高度的自適應(yīng)能力，有多種感知機能，可通過復(fù)雜的推理做出判斷和決策，自主決定機器人的行為，具有相當(dāng)程度的智能，故稱為智能機器人。第三代機器人目前主要用于家庭、個人服務(wù)及軍事、航天等領(lǐng)域，總體尚處于實驗和研究階段，目前還只有美國、日本、德國等少數(shù)發(fā)達(dá)國家掌握和應(yīng)用。圖1-1-3所示為第三代機器人。圖1-1-3第三代機器人

1968年，美國斯坦福研究所（StanfordResearchInstitute，簡稱SRI）公布了他們研發(fā)成功的移動式機器人Shakey，它裝備了視覺傳感器、碰撞傳感器、驅(qū)動電機以及編碼器，能夠自主進(jìn)行感知、環(huán)境建模、行為規(guī)劃并執(zhí)行任務(wù)（如尋找木箱并將其推到指定目的位置）。Shakey可以算是世界上第一臺智能機器人，從此，第三代機器人的研發(fā)拉開序幕。拓展

工業(yè)機器人是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機械手或多自由度的機器人。很多人也喜歡叫它機械臂，它是自動執(zhí)行工作的機器裝置，是靠自身動力和控制能力來實現(xiàn)各種功能的一種機器。它可以接受人類的指揮，也可以按照預(yù)先編排的程序運行?，F(xiàn)代的工業(yè)機器人還可以根據(jù)人工智能技術(shù)制定的原則綱領(lǐng)行動。1954年，美國戴沃爾最早提出了工業(yè)機器人的概念，并申請的專利。該專利的要點是借助伺服技術(shù)控制機器人的關(guān)節(jié)，利用人手對機器人進(jìn)行動作示教，機器人能實現(xiàn)動作的記錄和再現(xiàn)，這就是所謂的示教再現(xiàn)機器人。1959年，第一臺工業(yè)機器人在美國誕生，開創(chuàng)了機器人發(fā)展的新紀(jì)元，之后日本使機器人得到迅速的發(fā)展，目前，日本人已經(jīng)稱為世界上工業(yè)機器人產(chǎn)量和擁有量最多的國家。20世紀(jì)80年代，生產(chǎn)技術(shù)的高度自動化和集成化，工業(yè)機器人得以進(jìn)一步發(fā)展，并在這個時代起著十分重要的作用。

拓展

工業(yè)機器人發(fā)展史

第一代工業(yè)機器人一般指工業(yè)上大量試用的可編程機器人及遙控操作機。1982年，美國通用汽車公司在裝配線上為機器人裝備了視覺系統(tǒng)，從而宣告了第二代機器人——感知機器人的問世。（有外部傳感器，可進(jìn)行離線編程，能在傳感系統(tǒng)的支持下，具有不同程度感知環(huán)境并自行修正程序的功能）第三代機器人——自治機器人，正在各國研制和發(fā)展，出了具有感知功能外，還具有一定的決策和規(guī)劃能力，能根據(jù)人的命令或按照所處環(huán)境自行作出決策規(guī)劃動作，即按任務(wù)編程。我國的機器人研究工作起步比較晚，從“七五”開始國家投入資金，對工業(yè)機器及其零部件進(jìn)行攻關(guān)，完成了示教再現(xiàn)式工業(yè)機器人成套技術(shù)的開發(fā)和研制。1986年，國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃開始實施，智能機器人主題跟蹤世界機器人技術(shù)前沿，已經(jīng)取得了一大批科研成果，并成果地研制出了一批特種機器人。拓展

從20世紀(jì)90年代初起，我國的國民經(jīng)濟進(jìn)入了實現(xiàn)兩個根本轉(zhuǎn)變時期，掀起了新一輪的經(jīng)濟體制改革和技術(shù)進(jìn)步熱潮。我國的工業(yè)機器人又在實踐中邁進(jìn)一大步，先后研制出了點焊、弧焊、裝配、噴漆、切割、搬運、包裝碼垛等各種用途的機器人，并實施了一批機器人應(yīng)用工程，形成了一批機器人產(chǎn)業(yè)化基地拓展

任務(wù)實施（1）總結(jié)機器人的定義。（2）根據(jù)機器人的特征對其進(jìn)行分類。

工業(yè)機器人指由操作機（機械本體）、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和傳感裝置構(gòu)成的一種仿人操作、自動控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的光機電一體化生產(chǎn)設(shè)備，特別適合于多品種、變批量的彈性制造系統(tǒng)。一、工業(yè)機器人按臂部的運動形式分為四種：1、直角坐標(biāo)型的臂部可沿三個直角坐標(biāo)移動；2、圓柱坐標(biāo)型的臂部可作升降、回轉(zhuǎn)和伸縮動作；3、球坐標(biāo)型的臂部能回轉(zhuǎn)、俯仰和伸縮；4、關(guān)節(jié)型的臂部有多個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)。二、工業(yè)機器人按執(zhí)行機構(gòu)運動的控制機能又可分點位型和連續(xù)軌跡型。1、點位型只控制執(zhí)行機構(gòu)由一點到另一點的準(zhǔn)確定位，適用于機床上下料、點焊和一般搬運、裝卸等作業(yè)；拓展

2、連續(xù)軌跡型可控制執(zhí)行機構(gòu)按給定軌跡運動，適用于連續(xù)焊接和涂裝等作業(yè)。三、工業(yè)機器人按程序輸入方式區(qū)分有編程輸入型和示教輸入型兩類：1、編程輸入型是將計算機上已編好的作業(yè)程序文件，通過RS232串口或者以太網(wǎng)等通信方式傳送到機器人控制柜。2、示教輸入型的示教方法有兩種：一種是由操作者用手動控制器(示教操縱盒)，將指令信號傳給驅(qū)動系統(tǒng)，使執(zhí)行機構(gòu)按要求的動作順序和運動軌跡操演一遍；另一種是由操作者直接領(lǐng)動執(zhí)行機構(gòu)，按要求的動作順序和運動軌跡操演一遍。在示教過程的同時，工作程序的信息即自動存入程序存儲器中在機器人自動工作時，控制系統(tǒng)從程序存儲器中檢出相應(yīng)信息，將指令信號傳給驅(qū)動機構(gòu)，使執(zhí)行機構(gòu)再現(xiàn)示教的各種動作。示教輸入程序的工業(yè)機器人稱為示教再現(xiàn)型工業(yè)機器人。拓展

四、智能工業(yè)機器人具有觸覺、力覺或簡單的視覺的工業(yè)機器人，能在較為復(fù)雜的環(huán)境下工作；如具有識別功能或更進(jìn)一步增加自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)功能，即成為智能型工業(yè)機器人。它能按照人給的“宏指令”自選或自編程序去適應(yīng)環(huán)境，并自動完成更為復(fù)雜的工作。二、工業(yè)機器人的特點自20世紀(jì)60年代初第一代機器人在美國問世以來，工業(yè)機器人的研制和應(yīng)用有了飛速的發(fā)展，但工業(yè)機器人最顯著的特點歸納有以下幾個。1.可編程。生產(chǎn)自動化的進(jìn)一步發(fā)展是柔性自動化。工業(yè)機器人可隨其工作環(huán)境變化的需要而再編程，因此它在小批量多品種具有均衡高效率的柔性制造過程中能發(fā)揮很好的功用，是柔性制造系統(tǒng)（FMS）中的一個重要組成部分。拓展

2.擬人化。工業(yè)機器人在機械結(jié)構(gòu)上有類似人的行走、腰轉(zhuǎn)、大臂、小臂、手腕、手爪等部分，在控制上有電腦。此外，智能化工業(yè)機器人還有許多類似人類的“生物傳感器”，如皮膚型接觸傳感器、力傳感器、