10項目一 工業(yè)機器人基礎知識 目錄

項目一工業(yè)機器人基礎知識1介紹

現(xiàn)在的制造行業(yè)中，工業(yè)機器人已經成為生產的主角，不僅僅是在汽車、電子這種傳統(tǒng)行業(yè)里，現(xiàn)在像是醫(yī)藥、物流這類新興的行業(yè)中，工業(yè)機器人的發(fā)展勢頭也是越來越良好。本項目就機器人的發(fā)展史及響應的分類和工業(yè)機器人的基本結構作了詳細的介紹，就工業(yè)機器人的工種進行分類闡述。2目錄任務一工業(yè)機器人發(fā)展史3任務二工業(yè)機器人定義和分類任務三工業(yè)機器人系統(tǒng)組成任務四工業(yè)機器人主要技術參數(shù)任務五工業(yè)機器人使用安全注意事項任務一工業(yè)機器人發(fā)展史一、從國外的技術發(fā)展歷程來看，工業(yè)機器人技術的發(fā)展經歷了三個階段。

工業(yè)機器人領域的第一件專利由喬治·德沃爾在1958年申請，名為可編程的操作裝置。約瑟夫·恩格爾伯格對此專利很感興趣，聯(lián)合德沃爾在1959年共同制造了世界上第一臺工業(yè)機器人，稱之為Robot，其含義是“人手把著機械手，把應當完成的任務做一遍，機器人再按照事先教給它們的程序進行重復工作”，并主要用于工業(yè)生產的鑄造、鍛造、沖壓、焊接等生產領域，特稱為工業(yè)機器人。1.產生和初步發(fā)展階段：1958年-1970年5任務一工業(yè)機器人發(fā)展史任務一工業(yè)機器人發(fā)展史2.技術快速進步與商業(yè)化規(guī)模運用階段：1970年—1984年

這一時期的技術相較于此前有很大進步，工業(yè)機器人開始具有一定的感知功能和自適應能力的離線編程，可以根據作業(yè)對象的狀況改變作業(yè)內容。伴隨著技術的快速進步發(fā)展，這一時期的工業(yè)機器人還突出表現(xiàn)為商業(yè)化運用迅猛發(fā)展的特點，工業(yè)機器人的“四大家族”——庫卡、ABB、安川、FANUC公司分別在1974年、1976年、1978年和1979年開始了全球專利的布局。6ABB工業(yè)機器人

ABB是全球領先的工業(yè)機器人技術供應商，提供機器人產品，模塊化制造單元及服務。我們致力于幫助客戶提高生產效率、改善產品質量、提升安全水平。ABB機器人能滿足您任何應用的需求。ABB在世界范圍內安裝了超過30萬臺機器人。7任務一工業(yè)機器人發(fā)展史KUKA

庫卡(KUKA)機器人有限公司于1995年建立于德國巴伐利亞州的奧格斯堡，是世界領先的工業(yè)機器人制造商之一。庫卡機器人公司在全球擁有20多個子公司，大部分是銷售和服務中心，其中包括：美國,墨西哥,巴西,日本,韓國,中國臺灣,印度和絕大多數(shù)歐洲國家。公司的名字，KUKA（庫卡），是KellerundKnappichAugsburg的四個首字母組合,它同時是庫卡公司所有產品的注冊商標。8任務一工業(yè)機器人發(fā)展史FANUC發(fā)那科機器人

1974年，F(xiàn)ANUC工業(yè)機器人問世——基于伺服、數(shù)控基礎，1976年投放市場；1984年，F(xiàn)ANUC新址建成，CNC工廠、產機工廠、基礎技術研究所建成；1992年，F(xiàn)ANUC機器人學校開辦，為客戶和員工提供實體樣機技術培訓；1999年，F(xiàn)ANUC智能機器人生產，并很快成為FANUC最重要的產品。2008年，F(xiàn)ANUC機器人銷量領先，全球機器人銷量達20萬臺，成為工業(yè)機器人的巨頭；9任務一工業(yè)機器人發(fā)展史3.智能機器人階段：1985年至今。

智能機器人帶有多種傳感器，可以將傳感器得到的信息進行融合，有效地適應變化的環(huán)境，因而具有很強的自適應能力、學習能力和自治功能。在2000年以后，美國、日本等國都開始了智能軍用機器人研究，并在2002年由美國波士頓公司和日本公司共同申請了第一件“機械狗”（BostonDynamicsBigDog）智能軍用機器人專利，2004年在美國政府DARPA/SPAWAR計劃支持下申請了智能軍用機器人專利。

10任務一工業(yè)機器人發(fā)展史二、我國的工業(yè)機器人發(fā)展歷程、起步相對較晚，大致可分為4個階段。

由于當時國家經濟條件等因素的制約，我國主要從事工業(yè)機器人基礎理論的研究，在機器人造助學、機構學等方面取得了一定的進展，為后續(xù)工業(yè)機器人的研究奠定了基礎。

11任務一工業(yè)機器人發(fā)展史1.理論研究階段：20世紀70年代到80年代初。

隨著工業(yè)發(fā)達國家開始大量應用和普及工業(yè)機器人，我國的工業(yè)機器人研究得到政府的重視和支持，國家組織了對工業(yè)機器人需求行業(yè)的調研，投入大量的資金開展工業(yè)機器人的研究，進入了樣機開發(fā)階段。

12任務一工業(yè)機器人發(fā)展史2.樣機研發(fā)階段：20世紀80年代中后期

我國在這一階段研制出平面關節(jié)型統(tǒng)配機器人、直角坐標機器人、弧焊機器人、點焊機器人等7種工業(yè)機器人系列產品，102種特種機器人，實施了100余項機器人應用工程。為了促進國產機器人的產業(yè)化，在90年代末建立了9個機器人產業(yè)化基地和7個科研基地。

13任務一工業(yè)機器人發(fā)展史3.示范應用階段：20世紀90年代

《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》突出增強自主創(chuàng)新能力這一條主線，著力營造有利于自主創(chuàng)新的政策環(huán)境，加快促進企業(yè)成為創(chuàng)新主體，大力倡導企業(yè)為主體，產學研緊密結合，國內一大批企業(yè)或自主研制或與科研院所合作，加入工業(yè)機器人研制和生產行列，我國工業(yè)機器人進入初步產業(yè)化階段。14任務一工業(yè)機器人發(fā)展史4.初步產業(yè)化階段：21世紀以來

經過上述四個階段的發(fā)展，我國的工業(yè)機器人得到一定程度的普及。國內也涌現(xiàn)了一批工業(yè)機器人廠商，這些廠商中既有像新松這樣的國內機器人技術的引領者，也有像南京埃斯頓、廣州數(shù)控、華中數(shù)控這些伺服、數(shù)控系統(tǒng)廠商。15任務一工業(yè)機器人發(fā)展史新松

新松機器人自動化股份有限公司成立于2000年，隸屬中國科學院，是一家以機器人技術為核心的高科技上市公司。作為中國機器人領軍企業(yè)及國家機器人產業(yè)化基地，新松擁有完整的機器人產品線及工業(yè)4.0整體解決方案。以創(chuàng)新、開放和共贏的思維引領行業(yè)進步，以領先的產品和服務為全球客戶持續(xù)創(chuàng)造價值。現(xiàn)擁有4000余人的研發(fā)創(chuàng)新團隊，形成以自主核心技術、核心零部件、核心產品及行業(yè)系統(tǒng)解決方案為一體的全產業(yè)價值鏈。16任務一工業(yè)機器人發(fā)展史廣州數(shù)控

廣州數(shù)控設備有限公司（簡稱：廣州數(shù)控、GSK）成立于1991年，被譽為中國南方數(shù)控產業(yè)基地。面向數(shù)控機床行業(yè)、自動化控制領域、注塑制品行業(yè)，廣州數(shù)控為用戶可提供機床數(shù)控系統(tǒng)、伺服驅動、伺服電機、數(shù)控機床連鎖營銷、機床數(shù)控化工程，自動化控制系統(tǒng)、工業(yè)機器人、精密數(shù)控注塑機、數(shù)控培訓學院，為用戶提供自動化制造全過程解決方案。廣州數(shù)控是國家科技重大專項、國家863科技計劃項目、國家智能制造專項承擔單位。公司優(yōu)良的生產設備和工藝流程，科學規(guī)范的質量控制體系使每套產品合格出品17任務一工業(yè)機器人發(fā)展史華中數(shù)控

武漢華中數(shù)控股份有限公司創(chuàng)立于1994年，是首批國家級創(chuàng)新企業(yè)、中國機械工業(yè)聯(lián)合會智能制造分會副理事長單位、中國機床工具工業(yè)協(xié)會副理事長單位、數(shù)控系統(tǒng)分會理事長單位。武漢華中數(shù)控股份有限公司依托華中科技大學，長期致力于自主產權的高檔數(shù)控系統(tǒng)研發(fā)與產業(yè)化，用“中國大腦”裝備“中國制造”，已成為我國發(fā)展數(shù)控技術的領軍隊伍，在打破國外封鎖、振興民族數(shù)控產業(yè)方面做出了重要貢獻，為國家經濟發(fā)展和工業(yè)安全“堵槍眼”。18任務一工業(yè)機器人發(fā)展史19任務二工業(yè)機器人定義和分類一、機器人的定義20任務二工業(yè)機器人定義和分類1.機器人的定義（1）美國機器人協(xié)會（RIA）的定義機器人是“一種用于移動各種材料、零件、工具或專用裝置的，通過可編程序動作來執(zhí)行種種任務的，并具有編程能力的多功能機械手（manipulator）”。這一定義敘述得較為具體，但技術含義并不全面，可概括為工業(yè)機器人。

（2）日本工業(yè)機器人協(xié)會（JIRA）的定義機器人是“一種裝備有記憶裝置和末端執(zhí)行器（endeffector）的，能夠轉動并通過自動完成各種移動來代替人類勞動的通用機器”。同時還可進一步分為兩種情況來定義：1）工業(yè)機器人是“一種能夠執(zhí)行與人體上肢（手和臂）類似動作的多功能機器”2）智能機器人是“一種具有感覺和識別能力，并能控制自身行為的機器。”21任務二工業(yè)機器人定義和分類（3）美國國家標準局（NBS）的定義機器人是“一種能夠進行編程并在自動控制下執(zhí)行某些操作和移動作業(yè)任務的機械裝置”，這也是一種比較廣義的機器人的定義。（4）國際標準化組織（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，能夠借助于可編程序操作來處理各種材料、零件、工具和專用裝置，以執(zhí)行種種任務”。22任務二工業(yè)機器人定義和分類（5）英國簡明牛津字典的定義機器人是“貌似人的自動機，具有智力的和順從于人但不具人格的機器”，這是一種對理想機器人的描述，到目前為止，尚未有與人類相似的機器人出現(xiàn)。（6）我國科學家對機器人的定義隨著機器人技術的發(fā)展，我國也面臨討論和制訂關于機器人技術各項標準的問題，其中也包括對機器人的定義，我國科學家對機器人的定義是：“機器人是一種自動化的機器，所不同的是這種機器具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規(guī)劃能力、動作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動化機器”。23任務二工業(yè)機器人定義和分類2.機器人的特點

（1）通用性（2）適應性二、工業(yè)機器人的分類

1.按照技術水平分類（1）示教再現(xiàn)型機器人

第一代工業(yè)機器人是示教再現(xiàn)型，具有記憶能力。這類機器人能夠按照人類預先示教的軌跡、行為、順序和速度重復作業(yè)。24任務二工業(yè)機器人定義和分類（2）感知機器人第二代工業(yè)機器人具有環(huán)境感知裝置，對外界環(huán)境有一定感知能力，并具有聽覺、視覺、觸覺等功能。工作時，根據感覺器官（傳感器）獲得的信息，靈活調整自己的工作狀態(tài)，保證在適應環(huán)境的情況下完成工作。目前已進入應用階段

25任務二工業(yè)機器人定義和分類（3）智能機器人第三代工業(yè)機器人稱為智能機器人，如圖所示。具有高度的適應性，有自行學習、推理、決策等功能，處在研究階段。26任務二工業(yè)機器人定義和分類2.按照坐標形式分類（1）直角坐標型機器人

直角坐標型機器人的手部在空間三個相互垂直的X、Y、Z方向作移動運動，構成一個直角坐標系，運動是獨立的（有3個獨立自由度），其動作空間為一長方體。如圖所示，其特點是控制簡單，運動直觀性強，易達到高精度，但操作靈活性差，運動的速度較低，操作范圍較小而占據的空間相對較大。27任務二工業(yè)機器人定義和分類（2）圓柱坐標型機器人圓柱坐標型機器人機座上具有一個水平轉臺，在轉臺上裝有立柱和水平臂，水平臂能上下移動和前后伸縮，并能繞立柱旋轉，在空間構成部分圓柱面（具有一個回轉和兩個平移自由度）。特點是其工作范圍較大，運動速度較高，但隨著水平臂沿水平方向伸長，其線位移分辨精度越來越低。著名的Versatran機器人就是典型的圓柱坐標機器人。28任務二工業(yè)機器人定義和分類（3）極坐標型機器人（球面坐標型）

極坐標型機器人工作臂不僅可繞垂直軸旋轉，還可繞水平軸作俯仰運動，且能沿手臂軸線作伸縮運動（其空間位置分別由旋轉、擺動和平移3個自由度）。著名的Unimate機器人就是這種類型的機器人。其特點是結構緊湊，所占空間體積小于直角坐標和圓柱坐標機器人，但仍大于關節(jié)型機器人，操作比圓柱坐標型更為靈活。

29任務二工業(yè)機器人定義和分類（4）多關節(jié)坐標型機器人

多關節(jié)坐標機器人由多個旋轉和擺動機構組合而成。其特點是操作靈活性最好，運動速度較高，操作范圍大，但精度受手臂位姿的影響，實現(xiàn)高精度運動較困難。對噴涂、裝配、焊接等多種作業(yè)都有良好的適應性，應用范圍越來越廣。

30任務二工業(yè)機器人定義和分類31任務三工業(yè)機器人系統(tǒng)組成1.工業(yè)機器人由主體、驅動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三個基本部分組成。

（1）主體即機座和執(zhí)行機構，包括臂部、腕部和手部，有的機器人還有行走機構。大多數(shù)工業(yè)機器人有3～6個運動自由度，其中腕部通常有1～3個運動自由度。32任務三工業(yè)機器人系統(tǒng)組成（2）驅動系統(tǒng)包括動力裝置和傳動機構，用以使執(zhí)行機構產生相應的動作。33任務三工業(yè)機器人系統(tǒng)組成（3）控制系統(tǒng)是按照輸入的程序對驅動系統(tǒng)和執(zhí)行機構發(fā)出指令信號，并進行控制。34任務三工業(yè)機器人系統(tǒng)組成2.工業(yè)機器人控制系統(tǒng)所要達到的功能（1）記憶功能存儲作業(yè)順序、運動路徑、運動方式、運動速度和與生產工藝有關的信息。（2）示教功能離線編程，在線示教，間接示教。在線示教包括示教盒和導引示教兩種。（3）與外圍設備聯(lián)系功能輸入和輸出接口、通信接口、網絡接口、同步接口。35任務三工業(yè)機器人系統(tǒng)組成（4）坐標設置功能有關節(jié)、絕對、工具、用戶自定義四種坐標系。(5）人機接口示教盒、操作面板、顯示屏。（6）傳感器接口位置檢測、視覺、觸覺、力覺等。（7）位置伺服功能機器人多軸聯(lián)動、運動控制、速度和加速度控制、動態(tài)補償?shù)?。?）故障診斷安全保護功能運行時系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)視、故障狀態(tài)下的安全保護和故障自診斷。36任務三工業(yè)機器人系統(tǒng)組成37任務三工業(yè)機器人系統(tǒng)組成3.工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的組成（1）控制計算機控制系統(tǒng)的調度指揮機構。一般為微型機、微處理器有32位、64位等，如奔騰系列CPU以及其他類型CPU。（2）示教盒示教機器人的工作軌跡和參數(shù)設定，以及所有人機交互操作，擁有自己獨立的CPU以及存儲單元，與主計算機之間以串行通信方式實現(xiàn)信息交互。38任務三工業(yè)機器人系統(tǒng)組成（3）操作面板圖片由各種操作按鍵、狀態(tài)指示燈構成，只完成基本功能操作。（4）硬盤和軟盤存儲存儲機器人工作程序的外圍存儲器。（5）數(shù)字和模擬量輸入輸出各種狀態(tài)和控制命令的輸入或輸出。39任務三工業(yè)機器人系統(tǒng)組成（6）打印機接口記錄需要輸出的各種信息。（7）傳感器接口用于信息的自動檢測，實現(xiàn)機器人柔順控制，一般為力覺、觸覺和視覺傳感器。（8）軸控制器完成機器人各關節(jié)位置、速度和加速度控制。（9）輔助設備控制用于和機器人配合的輔助設備控制，如手爪變位器等。（10）通信接口實現(xiàn)機器人和其他設備的信息交換，一般有串行接口、并行接口等。40任務三工業(yè)機器人系統(tǒng)組成（11）網絡接口1）Ethernet接口可通過以太網實現(xiàn)數(shù)臺或單臺機器人的直接PC通信，數(shù)據傳輸速率高達10Mbit/s，可直接在PC上用windows庫函數(shù)進行應用程序編程之后，支持TCP/IP通信協(xié)議，通過Ethernet接口將數(shù)據及程序裝入各個機器人控制器中。2）Fieldbus接口支持多種流行的現(xiàn)場總線規(guī)格，如Devicenet、ABRemoteI/O、Interbus-s、profibus-DP、M-NET等。41任務三工業(yè)機器人系統(tǒng)組成42任務四工業(yè)機器人主要技術參數(shù)

一、自由度

機器人的自由度是指描述機器人本體（不含末端執(zhí)行器）相對于基座標系（機器人坐標系）進行獨立運動的數(shù)目。機器人的自由度表示機器人動作靈活的尺度，一般以軸的直線移動、擺動或旋轉動作的數(shù)目來表示。工業(yè)機器人一般采用空間開鏈連桿機構，其中的運動副（轉動副或移動副）常稱為關節(jié)，關節(jié)個數(shù)通常即為工業(yè)機器人的自由度數(shù)，大多數(shù)工業(yè)機器人有3～6個運動自由度，如圖所示，該工業(yè)機器人共有6個自由度。

43任務四工業(yè)機器人主要技術參數(shù)

二、工作空間工作空間又叫作工作范圍、工作區(qū)域。機器人的工作空間是指機器人手臂末端或手腕中心（手臂或手部安裝點）所能到達的所有點的集合，不包括手部本身所能到達的區(qū)域。由于末端執(zhí)行器的形狀和尺寸是多種多樣的，因此為真實反映機器人的特征參數(shù)，工作空間是機器人未裝任何末端執(zhí)行器情況下的最大空間，機器人外形尺寸和工作空間如圖所示。

44任務四工業(yè)機器人主要技術參數(shù)三、負載能力負載是指機器人在工作時能夠承受的最大載重。如果將零件從一個位置搬至另一個位置，就需要將零件的重量和機器人手爪的重量計算在負載內。目前使用的工業(yè)機器人負載范圍可從0.5kg直至800kg，如，ABB1205/0.8，這個型號的具體含義是，IRB120型工業(yè)機器人，最大負載能力承重5kg，工作范圍0.8m。45任務四工業(yè)機器人主要技術參數(shù)四、工作精度工業(yè)機器人工作精度是指定位精度（也稱絕對精度）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。目前，工業(yè)機器人的重復精度可達±0.01~±0.5mm。根據作業(yè)任務和末端持重的不同，機器人的重復精度亦要求不同，見表所示。46任務四工業(yè)機器人主要技術參數(shù)作業(yè)任務額定負載/kg重復定位精度/mm搬運5~200±0.2~±0.5碼垛50~800±0.5點焊50~350±0.2~±0.3弧焊3~20±0.08~±0.1涂裝5~20±0.2~±0.5裝配2~5±0.02~±0.036~10±0.06~±0.0810~20±0.06~±0.1五、最大工作速度廠家不同對最大工作速度規(guī)定的內容亦有不同，有的廠家定義為機器人主要自由度上最大的穩(wěn)定速度；有的廠家定義為手臂末端最大的合成速度，通常在技術參數(shù)中加以說明。顯而易見，工作速度越高，工作效率越高。然而工作速度越高就要花費更多的時間去升速或降速，或者對機器人最大加速度變化率的要求更高。47任務四工業(yè)機器人主要技術參數(shù)48任務五

工業(yè)機器人使用安全注意事項

一、操作人員安全注意事項

操作人員要盡量避免進入安全柵欄內進行作業(yè)。

其他安全注意事項如下:1.不需要操作機器人時，應斷開機器人控制裝置的電源，或者在按下急停按鈕的狀態(tài)下進行作業(yè)。2.應在安全柵欄外進行機器人系統(tǒng)的操作。3.為了預防負責操作的作業(yè)人員以外者意外進人，或者為了避免操作者進人危險場所，應設置防護柵欄和安全鎖，如圖所示。。

49任務五工業(yè)機器人使用安全注意事項

其他安全注意事項如下:4.應在操作者伸手可及之處設置急停按鈕。（事故案例）5.在進行示教作業(yè)之前，應確認機器人或者外圍設備沒有處在危險的狀態(tài)且沒有異常。6.在迫不得已的情況下需要進人機器人的動作范圍內進行示教作業(yè)時，應事先確認安全裝置（如急停按鈕、示教器的安全開關等）的位置和狀態(tài)等。7.程序員應特別注意，勿使其他人員進人機器人的動作范圍。

50任務五工業(yè)機器人使用安全注意事項

其他安全注意事項如下:8.編程時應盡可能在安全柵欄的外邊進行。因不得已情形而需要在安全柵欄內進行時，應注意下列事項:（1）仔細查看安全柵欄內的情況確認沒有危險后再進入柵欄內部。（2）要做到隨時都可以按下急停按鈕。（3）應以低速運行機器人。（4）應在確認清楚整個系統(tǒng)的狀態(tài)后進行作業(yè)，以避免由于針對外圍設備的遙控指令和動作等而導致作業(yè)人員陷入危險境地。。

51任務五工業(yè)機器人使用安全注意事項

二、維修人員安全注意事項

1.在機器人運轉過程中切勿進人機器人的動作范圍內。2.應盡可能在斷開機器人和系統(tǒng)電源的狀態(tài)下進行作業(yè)，當接通電源時，有的作業(yè)有觸電的危險。此外，應根據需要上好鎖，以使其他人員不能接通電源。3.在通電中因迫不得已的情況而需要進人機器人的動作范圍內時，應在按下操作箱（操作面板）或者示教器的急停按鈕后再入內。此外，作業(yè)人員應掛上“正在進行維修作業(yè)”的標牌，提醒其他人員不要隨意操作機器人，如圖所示。52任務五工業(yè)機器人使用安全注意事項

二、維修人員安全注意事項

4.在進行維修作業(yè)