機器人論文

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工業機器人的認識與分析

摘要：通過近一個學期的?工業機器人?的課程學習，在教師的講解和自己課下的學習過程中，

我對機器人技術尤其是工業機器人有了較為深刻的認識。我掌握了工業機器人根本的開展歷

程，并了解了機器人的分類和不同場合的性能要求。對于機器人技術有了自己的理解和認識。

并認識到我們的機器人技術還有著極為漫長的道路要走，還需要更加深入的技術探索與研

發。

關鍵詞：工業機器人，開展歷程，分類，展望，技術探索，根本知識。

引言：在接觸?機器人技術?這門課程之前，對于機器人的理解僅僅局限在動漫和電影里機器

人大戰的場面，更現實一些的也是新聞中能有動作的人形機器人。可是一個學期的機器人技

術學習讓我意識到了機器人不僅僅是科幻中的威武，更融入了生活中的方方面面，與我們的

生活息息相關。它的技術開展，實際上契合了我們社會的科學技術的進步史。

工業機器人開展歷程

早在1954年美國喬治·德沃爾設計出第一臺電子可編程序的工業機器人,并于1961年

發表了該項專利,1962年美國通用汽車公司投入使用,標志著第一代機器人誕生。從此,機器人

開場成為人類生活中的現實,隨后日本使工業機器人得到迅速的開展。如今,日本已經成為世

界上工業機器人產量和擁有量最多的國家。20世紀80年代,世界工業生產技術上的高度自動

化和集成化高速開展,同時也使工業機器人得到進一步開展,并在這個時期工業機器人對世界

整個工業經濟的開展起到了關鍵性作用。

機器人作為一種具有高度柔性的自動化裝備,對提高制造生產線的柔性具有特別重要

的意義,它作為現代制造業的主要自動化裝備在制造業中廣泛應用,工業機器人及其自動化成

套設備的擁有量和水平是衡量一個國家制造業綜合實力的重要標志之一,機器人及其自動化

成套裝備已成為目前國內外極受重視的高新技術應用領域。目前,國際上的工業機器人公司

主要分為日系和歐系。日系中主要有安川、OTC、松下、FANUC、不二越、川崎等公司的

產品。歐系中主要有德國的KUKA、CLOOS,瑞典的ABB,意大利的COMAU及奧地利的

IGM公司。據聯合國歐洲經濟委員會(UNECE)和國際機器人聯合會(IFR)的統計,1960~2006

年底,全球已累計安裝175萬多臺,從20世紀下半葉開場,世界機器人產業一直保持著穩步增

長的良好勢頭,世界工業機器人市場前景非常看好。

工業機器人己成為柔性制造系統(FMS)、計算機集成制造系統(CIMS)、工廠自動化(FA)

的自開工具,據專家預測,工業機器人產業是繼汽車、計算機之后出現的一種新的大型高技術

產業。2002年至2004年,根據聯合國歐洲經濟委員會(UNECE)和國際機器人聯合會(IFR)的

統計,世界工業機器人市場前景看好,年增長率平均在10%左右。2005年增長率到達創記錄

的30%,其中亞洲工業機器人增長幅度最為突出,高達45%。2007年,全球新安裝工業機器人

的數量將超過十萬套。

全球現役工業機器人98萬臺,過去的10年工業機器人的技術水平取得了驚人的進步,

傳統的功能型的工業機器人已趨于成熟,各國科學家正在致力于研制具有完全自主能力的、

擬人化的智能機器人。機器人的價格降低約80%,現在仍繼續下降,而歐美勞動力本錢上漲

了40%。現役機器人的平均壽命在10年以上,還可能高達15年以上,它們還易于重新使用。

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由于機器人及自動化成套裝備對提高制造業自動化水平,提高產品質量、生產效率、增強企

業市場競爭力和改善勞動條件等起到了重大的作用,加之本錢大幅度降低和性能的高速提

升,其增長速度較快。在國際上,工業機器人技術在制造業應用范圍越來越廣闊,其標準化、

模塊化、智能化和網絡化的程度也越來越高,功能越來越強,正向著成套技術和裝備的方向開

展,工業機器人自動化生產線成套裝備己成為自動化裝備的主流及未來的開展方向。與此同

時,隨著工業機器人向更深更廣的方向開展以及智能化水平的提高,工業機器人的應用已從

傳統制造業推廣到其他制造業,進而推廣到諸如采礦、農業、建筑、災難救援等非制造行

業,而且在國防軍事、醫療衛生、生活效勞等領域,機器人的應用也越來越多,如無人偵察機(飛

行器)、警備機器人、醫療機器人、家用效勞機器人等均有應用實例。機器人正在為提高人

類的生活質量發揮著越來越重要的作用,己經成為世界各國搶占的高科技制高點。

我國機器人最早表達在魯班的機械設計杰作——可飛木鳥中，是最早記錄的機器人概念

的作品。之后的張衡創造的地動儀和指南車，三國時的木牛流馬，都表達了我國古代勞動人

民的聰明智慧。具有了明顯的機器人的功能與構造。自1662年，日本竹田近江創造了機器

玩偶，機器人進入了一個較為迅速的開展階段。1738年，法國技師設計了機器鴨。1768年，

瑞士鐘表匠設計了寫字偶人等作品，采用了巧妙地機械構造。1893年，加拿大莫爾設計了

能行走的機器人，之后，機器人在各影視作品中廣泛出現，并逐漸贏得了科學家的青睞。

我國的工業機器人研制雖然起步晚，起步于70年代初，其開展過程大致可分為三個階段：

70年代的萌芽期；80年代的開發期；90年代的實用化期。而今經過20多年的開展已經初具

規模。目前我國已生產出局部機器人關鍵元器件，開發出弧焊、點焊、碼垛、裝配、搬運、

注塑、沖壓、噴漆等工業機器人。一批國產工業機器人已效勞于國內諸多企業的生產線上；

一批機器人技術的研究人才也涌現出來。一些相關科研機構和企業已掌握了工業機器人操作

機的優化設計制造技術；工業機器人控制、驅動系統的硬件設計技術；機器人軟件的設計和

編程技術；運動學和軌跡規劃技術；弧焊、點焊及大型機器人自動生產線與周邊配套設備的

開發和制備技術等。某些關鍵技術已到達或接近世界水平。有著廣闊的市場潛力，有著眾多

的人才和資源根底。在機器人技術根底方面，我國開展了機器人運動學、動力學與構型綜合

研究，機器人運動控制算法及機器人編程語言的研究，機器人內、外部傳感器的研究與開發，

多傳感器控制系統的研究，離線編程技術、自診斷、平安保護技術等，根本掌握了工業機器

人的所有關鍵技術。在機器人控制裝置研制方面，我國已經開發出雙處理器、多處理器和分

層控制裝置，不少裝置已經投入實際應用，主控計算機的檔次也逐漸升級。在機器人操作器

研制方面，我國已經能夠設計和生產點焊、弧焊、噴漆、裝配等各類機器人，不少機器人擁

有自主知識產權。其中，國產自動導引小車市場開拓最為成功，不僅牢牢占據國內市場，而

且批量出口海外。在國家政策的鼓勵支持下，在市場經濟和國際競爭愈演愈烈的未來，我們

一定能夠完全自主制造出自己的工業機器人，并且將工業機器人推廣應用到制造與非制造等

廣闊的行業中，提高我國勞動力本錢，提高我國企業的生產效率和國際競爭力。

而國外因為如前所述，有著較為悠久的研究和開展歷史，所以現在也擁有較為高端的

機器人技術。如日本和美國，在機器人技術的綜合研究水平上處于領先的地位。美國是工業

機器人的誕生地，根底雄厚，技術先進。現今美國有著一批具有國際影響力的工業機器人供

給商，像AdeptTechnologe、AmericanRobot、EmersomIndustrialAutomation等。

德國工業機器人的數量占世界第三，僅次于日本和美國，其智能機器人的研究和應用

在世界上處于領先地位。目前在普及第一代工業機器人的根底上，第二代工業機器人經推廣

應用成為主流安裝機型，而第三代智能機器人已占有一定比重并成為開展的方向。

世界上的機器人供給商分為日系和歐系。瑞典的ABB公司是世界上最大機器人制造公

司之一。1974年研發了世界上第一臺全電控式工業機器人IRB6，主要應用于工件的取放和

物料搬運。1975年生產出第一臺焊接機器人。到1980年兼并Trallfa噴漆機器人公司后，其

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機器人產品趨于完備。ABB公司制造的工業機器人廣泛應用在焊接、裝配鑄造、密封涂膠、

材料處理、包裝、噴漆、水切割等領域。

德國的KUKARoboterGmbh公司是世界上幾家頂級工業機器人制造商之一。1973年研

制開發了KUKA的第一臺工業機器人。年產量到達一萬臺左右。所生產的機器人廣泛應用

在儀器、汽車、航天、食品、制藥、醫學、鑄造、塑料等工業，主要用于材料處理、機床裝

備、包裝、堆垛、焊接、外表休整等領域。

日系是工業機器人制造的主要派系，其代表有FANUC、安川、川崎、OTC、松下、不

二越等國際知名公司。FANUC是世界上最大的機器人制造商之一，并研發了較多的數控系

統。如我們學校的加工實訓中心，加工中心數控車床等都是采用了發那科系統。

到目前，機器人技術已經開展呈全新的綜合性穿插學科，涉及了力學，機器人拓撲學，

機械學，電子學，生物學等等學科領域。隨著機器人的開展也可將機器人開展總結為三個歷

程：

第一代機器人：只能以示教再現動作的機器人，目前大多現在應用的機器人都是采用這

一方式。

第二代機器人：帶有可感知環境的裝置，具有反應控制的技術，并越來越多的應用于現

在的市場中。

第三代機器人：也是智能機器人，具有復雜的感知功能，可以進展復雜的邏輯推理。目

前推廣有一定的技術限制。這也是未來的機器人技術的開展方向。

工業機器人的組成及原理

20世紀中期,隨著計算機技術、自動化技術和原子能技術的開展,工業機器人開場在美國

得到研究和開展,使其在工業生產中得以廣泛使用。工業機器人的最初出現是傳統的機構學

與近代電子技術相結合的產物,如今工業機器人是綜合了多學科而形成的高新技術產物,是當

代十分活潑的研究開發領域。為了跟上社會進步、經濟開展的步伐,工業機器人以不同的種

類正逐步應用在到各行各業,對國民經濟開展有著舉足輕重的作用。一個機器人系統一般由

操作機〔機械本體〕、驅動單元、控制器和為機器人進展作業而連接的外部設備組成。操作

機是機器人完成作業的實體,它具有與人手臂相似的動作功能；驅動單元是用來為操作機及

各部件提供動力和運動的裝置；控制器是對機器人的起動、停頓等進展操作的裝置,它指揮

機器人按規定的要求動作；人工智能系統是智能機器人所具有的，它包括了感覺系統和決策、

規劃智能系統。

現代工業自動化領域中應用的各種操作機器人是目前工業機器人技術中最成熟的一類，這

種工業機器人實質上是一類能根據預先將程序編制在存儲裝置中，然后操作程序自動重復執

行，進展完全代替人工作業的自動化機器。工業機器人構成是個閉環系統，通過運動控制器、

伺服驅動器、機器人本體、傳感器等部件可以完成人們需要的功能。工廠中高性能通用型工

業機器人一般采用關節型的機械構造，每個關節由獨立的驅動電機控制，通過計算機對驅動

單元的功率放大電路進展控制，實現機器人的運動控制操作。關節型工業機器人的組成由人

機界面(示教器)、伺服驅動器、運動控制器(下位機)、機器人本體等組成，通過機器人末端

帶不同的夾具來實現不同的功能。示教器是對機器人狀態的監控及發出運動指令局部，

是人跟機器人信息交互的唯一窗口;伺服驅動器是對伺服電機的控制，是機械手臂運動的動

力源;運動控制器是各個關節的位姿運算單元，正解和逆解程序的執行、運行都在其中計算。

機器人本體是執行機構，是實現要求功能的最直接部件。

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機器人分類：

按照不同的標準，機器人有著不同的分類。如按照開發內容與應用機器人可分為：工業

機器人，操縱性機器人，智能機器人。其中，工業機器人主要完成工業生產中的作業。操縱

性機器人又可分為效勞機器人和特種作業機器人等，成為較為受關注的方向。智能機器人具

有興旺的感應系統，具有一定的智能性。

按照性能指標分類，那么有超大型機器人，大型機器人，中型機器人，小型機器人和超

小型機器人。其主要分類標注即為負載能力和作業空間。

按照機器人構造形式分類，又有多種不同的分法如，依據，坐標形式來劃分，可分為直

角坐標型，圓柱坐標系，球坐標型和關節坐標型的機器人。依照控制方式來分，可分為電動

和連續軌跡控制機器人。依照驅動方式來分，那么有氣力驅動，液力驅動，電力驅動，和新

型驅動方式等。分類標準不同，那么有不同的形式。

隨著科學技術的不斷進步,我國工業機器人已經走上了自主研發階段,這樣標志著我國

工業自動化走向了新的里程碑。按照工業機器人的關鍵技術開展過程其可分為三代:第一代

是示教再現機器人,主要由機器人本體、運動控制器和示教盒組成,操作過程比擬簡單。第一

代機器人使用示教盒在線示教編程,并保存示教信息。當機器人自動運行時,由運動控制器解

析并執行存儲的示教程序,使機器人實現預定動作。第二代是離線編程機器人,該機器人編程

系統是采用離線式計算機實體模型仿真技術,首先建立起機器人及其工作環境的實體模

型,再采用實際的正逆解算法,通過對實體模型的控制和操作。第三代是智能機器人,它除了具

有第一代和第二代的特點以外可帶有各種傳感器,這類機器人對外界環境不但具有感覺能

力,而且具有獨立判斷的能力等。

機器人技術應用非常廣泛，不同的機器人的應用領域不同，尤其是工業機器人，在制

造業和其他行業中廣泛應用。

〔1〕點焊、弧焊機器人

應用在汽車、摩托車、工程機械、鍋爐等領域，如點焊汽車底盤、車體等其他部件，

弧焊也可用于裝配。

〔2〕噴涂機器人

應用于汽車、建材、家電、機械行業。如汽車整車自動噴漆，汽車發動機、保險杠、

彈簧、板簧、駕駛室等自動噴漆，衛生陶瓷等自動噴釉，玻璃纖維加強水泥預制板的噴涂，

電視機、電冰箱、洗衣機、電腦、手機等外殼自動噴漆，減速器等自動噴漆，汽車燈、車門

防水簾、車身底板、塑料件等自動涂膠等。

〔3〕搬運機器人

應用于機械、汽車制造業，用以完成產品和物料的自動輸送。

〔4〕網絡機器人

應用在通信和遠距離控制，承當環境觀測等工作，通過網架實現動作等。

〔5〕其他機器人

如軍用機器人，爆炸物處理機器人，檢測航路和障礙物機器人，加汽油機器人-定量加

注汽油、柴油、潤滑油、清潔液、防凍液等，水下機器人、探月車等。

機器人的根本應用及技術參數

目前機器人主要用于汽車行業和電子行業，在機械制造行業用途最多。如焊接機器人，

噴涂機器人，搬運機器人，裝配機器人等，應用極為廣泛。機器人的根本組成分為三局部，

機械局部，傳感局部與控制局部。主體即機座和執行機構，包括臂部、腕部和手部，有的機

器人還有行走機構。大多數工業機器人有3～6個運動自由度，其中腕部通常有1～3個運動

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自由度；驅動系統包括動力裝置和傳動機構，用以使執行機構產生相應的動作；控制系統是

按照輸入的程序對驅動系統和執行機構發出指令信號，并進展控制。其中包括六大子系統，

驅動系統，機械系統，感知系統，人機交互系統，機器人-環境交互系統和控制系統。而主

要技術參數為自由度，分辨率，精度，重復定位精度，工作范圍和最大工作速度及承載能力。

工業機器人的前景展望

敏捷制造策略的提出，為工業機器人的開展提供了新的機遇。敏捷制造的根本思想是企業

能迅速將其組織和裝備重組，快速響應市場變化生產出滿足用戶需求的個性化產品。敏捷制

造要求企業底層的生產設備具有柔性和可動態重組的能力。機器人是一種具有高度柔性的自

動化生產設備。如果我們站在更高的層次，將機器人視為一種有感知、思維和行動的機器，

那么敏捷生產設備就應當是新一代機器人化的機器。這將為工業機器人的開展提出更高的要

求。

如今，機器人技術正逐漸向具有行走能力，多種感覺能力和對作業環境的較強適應能力

的方向開展。

在興旺國家中，工業機器人自動化生產線成套設備已成為自動化裝備的主流及未來的開展

方向。國外汽車行業、電子電器行業、工程機械等行業已經大量使用工業機器人自動化生產

線，以保證產品質量，提高生產效率，同時防止了大量的工傷事故。全球諸多國家近半個世

紀的工業機器人的使用實踐說明，工業機器人的普及是實現自動化生產，提高社會生產效率，

推動企業和社會生產力開展的有效手段。如日本工業機器人產業早在上世紀90年代就已經

普及了第一和第二類工業機器人，并到達了其工業機器人開展史的鼎盛時期。而今已在第開

展三、四類工業機器人的路上取得了舉世矚目的成就。日本下一代機器人開展重點有：低本

錢技術、高速化技術、小型和輕量化技術、提高可靠性技術、計算機控制技術、網絡化技術、

高精度化技術、視覺和觸覺等傳感器技術等。

我國工業開展的趨勢也契合世界主流技術的開展。我國在某些關鍵技術上有所突破,但

還缺乏整體核心技術的突破,具有中國知識產權的工業機器人那么很少。目前我國機器人技

術相當于國外興旺國家20世紀80年代初的水平,特別是在制造工藝與裝備方面,不能生產高

精細、高速與高效的關鍵部件。我國目前取得較大進展的機器人技術有:數控機床關鍵技術

與裝備、隧道掘進機器人相關技術、工程機械智能化機器人相關技術、裝配自動化機器人相

關技術。現已開發出金屬焊接、噴涂、澆鑄裝配、搬運、包裝、激光加工、檢驗、真空、自

動導引車等的工業機器人產品,主要應用于汽車、摩托車、工程機械、家電等行業。

總體來說，機器人的技術前景如下：

1：工業機器人性能不斷提高〔高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修〕，而單機

價格不斷下降。

2：機械構造向模塊化、可重構化開展。

3：工業機器人控制系統向基于PC機的開放型控制器方向開展，便于標準化、網絡化；

器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化構造。

4：機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統的位置、速度、加速度等傳感器外，

裝配、焊接機器人還應用了視覺、力覺等傳感器。

5：虛擬現實技術在機器人中的作用已從仿真、預演開展到用于過程控制，如使遙控機

器人操作者產生置身于遠端作業環境中的感覺來操縱機器人。

6：致力于操作者與機器人的人機交互控制，即遙控加局部自主系統構成完整的監控遙

控操作系統，使智能機器人走出實驗室進入實用化階段。

工業機器人的技術探索

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計算機技術的不斷開展和進步使得機器人技術的開展一次次的到達新的水平。上至航天

技術，下至微型機器人，深海開發。機器人技術已經拓展到全球經濟的諸多領域，成為高新

科技的重要組成局部。人類文明的開展和科學技術的進步，已經和機器人技術的研究應用產

生了密切的關系，相輔相成。

機器人技術是綜合了計算機、控制論、機構學、信息和傳感技術、人工智能、仿生學等

多學科而形成的高新技術，是當代研究十分活潑，應用日益廣泛的領域。機器人應用情況，

也成為一個國家工業自動化水平的重要標志，所以機器人已成為國際研究的熱點之一，各國

紛紛探索開拓其實際應用的領域。

機器人技術已經開展呈全新的綜合性穿插學科，涉及了力學，機器人拓撲學，機械學，

電子學，生物學等等學科領域。設計的學科范圍有：1：機械手設計2：機器人運動學與動

力學3:機器人軌跡設計規劃4：機器人驅動技術5：機器人傳感器6：機器人視覺7：機器人

控制語言和編程8:智能機器人技術等多方面的技術。

目前針對機器人系統已經掌握了較為系統的技術知識體系。對于機械系統設計應把握的

技術原那么：最小運動慣量，尺度規劃材料的選用，剛度的設計，可靠性與工藝性。其對應

的技術要求為：采用最小運動慣量原那么，可增加操作機運動平穩性，提高操作機動力學特

性；當設計要求滿足一定工作空間要求時，通過尺度優化以選定最小的臂桿尺寸，這將有利

于操作機剛度的提高，使運動慣量進一步降低；由于機器人從手腕、小臂、大臂到機座是依

次作為負載起作用的，選用高強度材料以減輕零部件的質量是十分必要的；機器人設計中，

剛度是比強度更重要的問題，要使剛度最大，必須恰當地選擇桿件剖面形狀和尺寸，提高支

承剛度和接觸剛度，合理地安排作用在臂桿上的力和力矩，盡量減少桿件的彎曲變形；機器

人是一種高精度、高集成度的自動機械系統，良好的加工和裝配工藝性是設計時要表達的重

要原那么之一。僅有合理的構造設計而無良好的工藝性，必然導致機器人性能的降低和本錢

的提高。以上都是我們在實際的機器人制造及檢驗生產中都必須把握的技術原那么。對于機

器人傳感器系統的技術要求，應把握以下幾點：精度高、重復性好；穩定性和可靠性好；抗

干擾能力強。

未來的機器人技術將朝著自學習、自適應、智能性控制方向開展，因此對于機器人的技

術提出了更高的要求。如：機器人執行機構研究方面，其重點將集中在各種具有柔性感、靈

巧性手爪和手臂上；機器人的動力和驅動機構要求開發形狀記憶合金、人工肌肉、壓電元件、

撓性軸等新型驅動器等;解決微型機器人研究的關鍵技術等。

在目前我們的根底學習中，我們更應該理解并掌握機器人的運動分析，包括齊次坐標及

變換，位姿分析和正向運動學。真正理解了機器人的靜力分析和動力學，掌握機器人的軌跡

規劃和本體根本構造及控制系統的根本組成。這樣，在以后的深入學習中，我們才可能更好

的解決新型機器人技術的關鍵性障礙，為機器人的技術探索與開展做出自己的奉獻。

參考文獻

1:機器人技術根底及其應用謝存禧張鐵

2:國產機器人走向實用化—機器人技術的應用

3：世界機器人最新統計數據