1.1 工业机器人

工业机器人顾名思义，就是主要用于工业领域中的机器人。工业机器人是目前应用最广泛的机器人，其中大部分工业机器人的主体结构是刚性高的机械手臂。工业机器人的最大特点是：相对于人类，它可以拥有更快的运动速度，可以搬更重的东西，而且定位精度相当高。

工业机器人是现代制造业重要的自动化装备，集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体。它可以根据外部来的信号，自动进行各种操作。它是应用计算机进行控制的替代人进行工作的高度自动化系统，是典型的机电一体化的产品。

1.1.1 工业机器人的用处

1962年美国研制出了世界上第一台工业机器人，自此以后，工业机器人技术及其产品发展迅速，已成为柔性制造系统（FMS）、自动化工厂（FA）、计算机集成制造系统（CIMS）的自动化工具。如同计算机、网络技术等现代科技产物一样，工业机器人得到广泛应用，日益改变着人类的生产和生活方式。工业机器人在实现智能化、多功能化、柔性自动化生产、提高产品质量、代替人在恶劣环境条件下工作中发挥了重大作用。

20世纪80年代以来，工业机器人技术逐渐成熟，并迅速推广，目前已经应用在许多工业生产的领域，如汽车制造、工程机械、机车车辆、电子电器、计算机和信息、生物制药等领域。目前应用工业机器人最广泛的领域是汽车工业及汽车零部件制造业，如图1-1所示。工业机器人普及率基本呈现出稳定的逐年上升趋势（2009年由于金融危机，工业机器人供应量出现了暂时下滑），如图1-2所示。

工业机器人的出现，极大地改变了人类的生产方式和作业方式。许多原本需要人工劳动的地方，现在都可以使用机器人来代替，特别是那些机械性、重复性和高度危险的作业，现在都基本上使用机器人来完成。工业机器人将人类从繁重的工业劳动领域解脱了出来，极大提高了工业生产效率。工业机器人的广泛采用，不仅提高了产品的质量与数量，而且对于保障人身安全、改善劳动环境、减轻劳动强度、提高劳动生产率、节约材料消耗以及降低生产成本有着十分重要的意义。图1-3～图1-8所示为各种工业机器人。

1.1.2 工业机器人的特点

工业机器人一般是由连杆机构、控制系统、周边设备组合而形成的机械臂。从外观上看，工业机器人更像一种智能化的连杆机构，它的基本物理结构是将机构学中的连杆和运动副相互连接而构成的开式运动链。连杆机构如图1-9所示。

在部分书籍或资料中，也有将这类机器人视为单纯的“机械手”，并没有归入“机器人”的类别中。而本书将其也归纳为广义上的机器人。一方面是因为现代机械手的智能化程度越来越高，未来出现类似电影《钢铁侠》里面那种全智能的机械手（图1-10）也不无可能，而那种机械手除了外形不像人以外，其余地方几乎和人类一模一样，甚至还有人类的“喜怒哀乐”情绪。另一方面，将智能机械手归入机器人中，也方便读者更容易接受机器人在日常生活中“随处可见”的概念，进一步提高读者对机器人的兴趣。

1.1.3 工业机器人的类别

工业机器人除了连杆机构的形式外，还有其他多种结构形式。这些不同的结构形式都可以用坐标特性来描述。工业机器人最常见的结构形式是用其坐标特性来描述的。按坐标形式的不同可分为直角坐标型工业机器人、圆柱坐标型工业机器人、极坐标型工业机器人和关节坐标型工业机器人。下面以三关节工业机器人为例，简要介绍这几类工业机器人。

（1）直角坐标型工业机器人

直角坐标型工业机器人如图1-11所示。其运动部分由三个相互垂直的直线移动（通常用“P”表示直线运动）的线性关节组成的机器人，其工作空间图形为长方形。各构件之间的运动只能是滑动，不能转动。它在各个轴向的移动距离，可在各个坐标轴上直接读出。

直角坐标型工业机器人的优、缺点对比见表1-1。

（2）圆柱坐标型工业机器人

圆柱坐标型工业机器人是具有一个转动关节（通常用“R”表示），其余关节为滑动关节的机器人。如图1-12所示。其工作空间图形为圆柱，控制简单，但结构也较为庞大。

与直角坐标型工业机器人相比，在相同的工作空间条件下，圆柱坐标工业机器人机体所占体积小，而运动范围大，其位置精度仅次于直角坐标型机器人，难与其他工业机器人协调工作。

（3）极坐标型工业机器人

极坐标型工业机器人也称为球坐标型工业机器人，它是具有两个转动关节，其余为移动关节的机器人。这类机器人结构紧凑、占地面积小，但计算较为复杂，有位置误差。极坐标如图1-13所示，极坐标型工业机器人如图1-14所示。

（4）关节坐标型工业机器人

关节坐标型工业机器人是由三个旋转关节所组成的机器人（即RRR），如图1-15所示。这种工业机器人的手臂与人体上肢类似，类似于人的手臂。该类机器人结构最紧凑，灵活性大，占地面积最小，工作空间大，能与其他工业机器人协调工作，但位置精度较低，有平衡问题，控制存在耦合，这种工业机器人应用越来越广泛。

1.1.4 工业机器人的发展状况

目前，美国在工业机器人技术的综合研究水平上仍然处于世界领先地位，其基础雄厚，技术先进。而日本的工业机器人在数量、种类上面则居世界首位。德国工业机器人的总数占世界第三位，仅次于美国和日本，德国工业机器人的研究和应用处于世界领先地位。

我国的工业机器人产业起步较晚，但在不断地进步和发展中，和国际同行相比，尚且有一定的差距。这主要是因为工业机器人的许多核心技术我们尚未掌握。 qepvKO3+ka6xdniXVjvZVWvHe4WAL9lFbsqYrQ7wlNGpnPV9OjJsOq1QoIrOXx5P