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机器人技术集中了机械工程、电子技术、计算机、自动控制和人工智能等多学科的最新研究成果，是当代科学技术应用最活跃的领域之一。自20世纪60年代至今，机器人发展已经取得了实质性的进步和成果。
在工业发达国家，工业机器人经历半个多世纪的发展，其技术日趋成熟，在汽车行业、机械加工行业、电子电气行业、橡胶及塑料行业、食品行业、物流行业和制造业等工业领域得到广泛的应用。工业机器人作为先进制造业中不可替代的重要装备，已成为衡量国家制造业水平和科技水平的重要标志。《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》明确指出：“发展战略性新兴产业已成为世界主要国家抢占新一轮经济和科技发展制高点的重大战略。”该决定将“高端装备制造产业”列为7大战略性新型产业之一。工业机器人行业作为高端装备制造产业的重要组成部分，未来发展空间巨大。
虽然机器人问世已有几十年，但目前关于机器人仍然没有一个统一、严格、准确的定义。其原因之一就是机器人还在发展，新的机型不断涌现，机器人可实现的功能不断增多。而根本原因是机器人涉及了人的概念，这就使什么是机器人成为一个难以回答的哲学问题。
美国机器人工业协会（RIA）给出的定义：机器人是一种用于搬运各种材料、零件、工具的可编程的多功能操作器或是通过可变程序的动作来执行各种任务的特殊机械装置。
日本工业机器人协会（JRA）给出的定义：机器人是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。
德国标准（VDI）中的定义：机器人是具有多自由度的能进行各种动作的自动机器，它的动作是可以顺序控制的。轴的关节角度或轨迹可以不靠机械调节，而由程序或传感器加以控制。工业机器人具有执行器、工具及制造用的辅助工具，可以完成材料搬运和制造等操作。
我国科学家对机器人的定义：机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具有与人或生物相似的智能，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。
关于机器人的分类，国际上没有指定统一的标准。从不同的角度，有不同的分类方法。按应用领域分类，机器人可分为3类：产业机器人、极限作业机器人和服务型机器人。
（1）产业机器人按照服务产业种类的不同，又可分为工业机器人、农业机器人、林业机器人和医疗机器人等。
（2）极限作业机器人是指应用于人们难以进入的极限环境，如宇宙空间、海底等，并在这些环境中完成作业任务的机器人。
（3）服务型机器人是指用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人，包括娱乐机器人、福利机器人、保安机器人等。
本节主要对工业机器人进行介绍。按从低级到高级的发展程度，工业机器人分为以下几类：
（1）第一代机器人是指只能以示教再现方式工作的工业机器人。
（2）第二代机器人带有一些可感知环境的装置，可通过反馈控制使其在一定程度上适应变化的环境。
（3）第三代机器人是智能机器人，其具有多种感知功能，可进行复杂的逻辑推理、判断及决策，可在作业环境中独立行动，具有发现问题并自主地解决问题的能力。这类机器人具有高度的适应性和自治能力。
（4）第四代机器人为情感型机器人，它具有人类式的情感。具有情感的机器人是机器人发展的最高层次，也是机器人科学家的梦想。
按控制方式不同可将工业机器人分为操作机器人、程序控制机器人、示教再现机器人、数控机器人和智能机器人等。
（1）操作机器人（Operating Robot）是指人可在一定距离处直接操纵其进行作业的机器人。通常采用主从方式实现对操作机器人的遥控操作。
（2）程序控制机器人（Sequence Control Robot）可按预先给定的程序、条件、位置等信息进行作业，其在工作过程中的动作顺序是固定的。
（3）示教再现机器人（Playback Robot）的工作原理：由人操纵机器人执行任务，并记录这些动作，机器人进行作业时按照记录的信息重复执行同样的动作。示教再现机器人的出现标志着工业机器人广泛应用的开始。示教再现方式目前仍然是工业机器人控制的主流方法。
（4）数控机器人（Numerical Control Robot）动作的信息由编制的计算机程序提供，数控机器人依据这一信息进行作业。
（5）智能机器人（Intelligent Robot）具有触觉、力觉或简单的视觉以及能感知和理解外部环境信息的能力，或更进一步增加自适应、自学习功能，即使其工作环境发生变化，也能够成功地完成作业任务。它能按照人给的“宏指令”自选或自编程序去适应环境，并自动完成更为复杂的工作。
按臂部的运动形式可将工业机器人分为4种：直角坐标机器人（图2-1-1）、圆柱坐标机器人（图2-1-2）、球坐标机器人（图2-1-3）和关节机器人（图2-1-4）。直角坐标机器人的臂部可沿3个正交的坐标轴移动；圆柱坐标机器人的臂部可做升降、回转和伸缩动作；球坐标机器人的臂部能回转、俯仰和伸缩；关节机器人的臂部有多个转动关节。
图2-1-1 直角坐标机器人
图2-1-2 圆柱坐标机器人
图2-1-3 球坐标机器人
图2-1-4 关节机器人
按执行机构运动的控制机能，其又可分点位型机器人和连续轨迹型机器人。点位型机器人只控制执行机构由一点到另一点的准确定位，适用于机床上下料、点焊和一般搬运、装卸等作业；连续轨迹型机器人可控制执行机构按给定轨迹运动，适用于连续焊接和涂装等作业。如图2-1-5～图2-1-8所示。
图2-1-5 上下料机器人
图2-1-6 搬运码垛机器人
图2-1-7 焊接机器人
图2-1-8 涂装机器人
按照程序输入方式，其可分为编程输入型机器人和示教输入型机器人。编程输入型是指将计算机上已经编好的作业程序文件，通过RS232串口或者以太网等通信方式传送到机器人控制柜的类型。示教输入型机器人的示教方法有两种：一种是由操作者用手动控制器（示教器），将指令信号传给驱动系统，使执行机构按要求的动作顺序和运动轨迹操演一遍；另一种是由操作者直接拧动执行机构，使其按要求的动作顺序和运动轨迹操演一遍。在示教过程的同时，工作程序的信息即自动存入程序存储器中。在机器人自动工作时，控制系统从程序存储器中检出相应信息，将指令信号传给驱动机构，使执行机构再现示教的各种动作。示教输入型的工业机器人即为示教再现机器人。
工业机器人系统主要由机器人本体、控制器和示教器组成，如图2-1-9所示。
图2-1-9 工业机器人系统
机器人本体主要由机械臂、驱动系统、传动单元和传感器等部分组成。
1）机械臂
机械臂通常包括基座、腰部、臂部（大臂和小臂）和腕部等部分，如图2-1-10所示。
图2-1-10 机器臂的基本结构
2）驱动系统
机器人驱动系统的作用是为执行机构提供动力，常用的驱动方式有液压驱动、气压驱动和电气驱动3种类型，见表2-1-1。工业机器人多采用电气驱动，其中驱动器多采用交流伺服电动机，且大都采用一个关节一个的布置方式。
表2-1-1 3种驱动方式的特点比较
（续表）
3）传动单元
工业机器人广泛采用的机械传动单元是减速器，主要有两类：RV减速器和谐波减速器。
（1）RV减速器主要由太阳轮（中心轮）、行星轮、转臂（曲柄轴）、转臂轴承、摆线轮、针齿、刚性盘与输出盘等零部件组成。具有较高的疲劳强度和刚度以及较长的寿命，回差精度稳定。高精度机器人传动多采用RV减速器。RV减速器的结构示意图如图2-1-11所示。
图2-1-11 RV减速器的结构示意图
（2）谐波减速器通常由3个基本构件组成，包括一个有内齿的刚轮，一个工作时可产生径向弹性变形并带有外齿的柔轮和一个装在柔轮内部、呈椭圆形、外圈带有柔性滚动轴承的波发生器，这3个基本构件可任意固定一个，其余的一个为主动件，另一个为从动件。谐波减速器的结构示意图如图2-1-12所示。
图2-1-12 谐波减速器的结构示意图
4）传感器
传感器处于连接外界环境与机器人的接口位置，是机器人获取信息的窗口。根据传感器在机器人上的应用目的与使用范围的不同，将其分为两类：内部传感器和外部传感器。
（1）内部传感器：用于检测机器人自身的状态，如测量回转关节位置的轴角编码器、测量速度以控制其运动的测速计。
（2）外部传感器：用于检测机器人所处的环境和对象状况，如视觉传感器。它可为高端机器人控制提供更多的适应能力，也给工业机器人增加了自动检测功能。外部传感器可进一步分为末端执行器传感器和环境传感器。
工业机器人的控制器是机器人的大脑，控制器内部主要由主计算板、轴计算板、机器人六轴驱动器、串口测量板、安全面板、电容、辅助部件和各种连接线组成，它通过这些硬件和软件的结合来操作机器人，并协调机器人与其他设备之间的关系。图2-1-13所示为第二代IRC 5紧凑型控制器。
示教器又称为示教编程器，是机器人系统的核心部件，主要由液晶屏幕和操作按钮组成，可由操作者手持移动，它是机器人的人机交互接口。对机器人的操作可通过示教器来完成，如点动机器人，编写、测试和运行机器人程序，设定、查阅机器人状态设置和位置等。ABB示教器如图2-1-14所示。
图2-1-13 第二代IRC 5紧凑型控制器
图2-1-14 ABB示教器
机器人的自由度是指描述机器人本体（不含末端执行器）相对于基坐标系（机器人坐标系）进行独立运动的数目。机器人的自由度表示机器人动作灵活的尺度，一般以轴的直线移动、摆动或旋转动作的数目来表示。工业机器人一般采用空间开链连杆机构，其中的运动副（转动副或移动副）常称为关节，关节个数通常为工业机器人的自由度数，六自由度工业机器人如图2-1-15所示。
工作空间又称为工作范围、工作区域。机器人的工作空间是指机器人手臂末端或手腕中心（或手部安装点）所能到达的所有点的集合，不包括手部本身所能到达的区域。由于末端执行器的形状和尺寸是多种多样的，因此为真实反映机器人的特征参数，工作空间是机器人未装任何末端执行器时的最大可达空间。机器人的工作空间如图2-1-16所示。工作空间的形状和大小是十分重要的，机器人在执行某个作业时，可能会因存在手部不能到达的作业死区而不能完成任务。
图2-1-15 六自由度工业机器人
图2-1-16 机器人的工作区间
负载是指机器人在工作时能够承受的最大载重。如果将零件从一个位置搬至另一个位置，就需要将零件的重量和机器人手爪的重量计算在负载内。目前工业机器人负载范围为0.5～800kg。
工业机器人的工作准确度包含定位准确度（也称为绝对准确度）和重复定位准确度。定位准确度是指机器人手部到达位置与目标位置之间的差异，用反复多次测试的定位结果的代表点与指定位置之间的距离来表示。重复定位准确度是指机器人重复定位手部于同一目标位置的能力，用实际位置值的分散程度来表示。目前，工业机器人的重复定位准确度为0.01～0.5mm。根据作业任务和末端持重的不同，对机器人的重复定位准确度的要求也不同，见表2-1-2。
表2-1-2 典型应用下工业机器人的额定负载与重复定位准确度
ABB工业机器人一般有4个坐标系，即大地坐标系、基坐标系、工具坐标系和工件坐标系，如图2-1-17所示。
（1）大地坐标系可定义机器人单元，所有其他坐标系均与大地坐标系直接或间接相关。
（2）基坐标系是机器人示教与编程时经常使用的坐标系之一，原点定义在机器人安装面与第一转动轴的交点处， X 轴向前， Z 轴向上， Y 轴按右手法则确定。
（3）工具坐标系的原点定义在工具中心点（Tool Center Point，TCP）上，且假定工具的有效方向为 X 轴（有些机器人厂商将工具的有效方向定义为 Z 轴），而 Y 轴、 Z 轴由右手法则确定。在进行相对于工件不改变工具姿态的平移操作时，选用该坐标系最为适宜。
（4）工件坐标系即用户自定义坐标系。工件坐标系是在工具活动区域内相对于基坐标系设定的坐标系。可通过坐标系标定或者参数设置来确定工件坐标系的位置与方向。每一个工件坐标系与标定工件坐标系时使用的工具相对应，机器人编程时就是在工件坐标系中创建目标和路径的。如果工具在工件坐标系A中和在工件坐标系B中的轨迹相同，则可将A中的轨迹复制一份给B，无须对相同的重复轨迹编程。所以，巧妙地建立和应用工件坐标系可以减少示教点数，简化示教编程过程。
图2-1-17 工业机器人坐标系
工业机器人有以下特点：
（1）可重复。编程生产自动化的进一步发展是柔性自动化。工业机器人可随其工作环境变化的需要再编程，因此它在小批量多品种具有均衡高效率的柔性制造过程中能发挥功用，是柔性制造系统中的一个重要组成部分。
（2）拟人化。工业机器人在机械结构上有类似人的腰部、大臂、小臂、手腕、手爪等部分，在控制上有计算机。此外，智能化工业机器人还有许多模拟人类五感的传感器，如皮肤型接触传感器、力传感器、负载传感器、视觉传感器、声觉传感器等。传感器提高了工业机器人对周围环境的自适应能力。
（3）通用性。除了专用工业机器人，一般工业机器人在执行不同的作业任务时具有较好的通用性。例如，更换工业机器人的末端操作器（手爪、工具等）便可执行不同的作业任务。
（4）技术先进。工业机器人集精密化、柔性化、智能化、网络化等特点的先进制造技术于一体，通过对过程实施检测、控制、优化、调度、管理和决策，增加产量、提高质量、降低成本、减少资源消耗及环境污染，是工业自动化水平的最高体现。
（5）技术升级。工业机器人与自动化成套装备具有精细制造、精细加工及柔性生产等技术特点，是继动力机械、计算机之后，出现的全面延伸人的体力和智力的新一代生产工具，是实现生产数字化、自动化、网络化及智能化的重要手段。
（6）应用领域广泛。工业机器人与自动化成套装备是生产过程中的关键设备，可用于制造、安装、检测、物流等生产环节，并广泛应用于汽车整车及汽车零部件、工程机械、轨道交通、低压电器、电力、IC装备、军工、烟草、冶金等行业，应用领域非常广泛。
（7）技术综合性强。工业机器人与自动化成套装备，集中并融合了众多学科研究成果，涉及多项技术领域，包括微电子技术、计算机技术、机电一体化技术、工业机器人控制技术、机器人动力学及仿真、机器人构件有限元分析、激光加工技术、模块化程序设计、智能测量、建模加工一体化、工厂自动化及精细物流等先进制造技术。第三代智能机器人不仅具有获取外部环境信息的各种传感器，还具有记忆能力、语言理解能力、图像识别能力、推理判断能力等人工智能，技术综合性强。
我国工业机器人尽管在某些关键技术上有所突破，但还缺乏整体核心技术的突破，特别是在制造工艺与成套装备方面，缺乏高精密、高速与高效的减速机、伺服电动机、控制器等关键部件。需要对以下核心关键技术开展攻关：模块化、可重构的工业机器人新型机构设计；基于实时操作系统和高速通信总线的高性能开放式控制系统；在高速、重载工作环境下的工业机器人优化设计；高精度工业机器人的运动规划和伺服控制；三维虚拟仿真和工业机器人生产线集成技术；复杂环境下机器人动力学控制；工业机器人故障远程诊断与修复技术等。
控制器、伺服电动机、减速器是工业机器人三大核心零部件，它们对整个工业机器人的性能指标起着关键作用，由通用性和模块化的部件单元构成。
我国工业机器人的关键部件，尤其是在高精密减速机方面，与技术发达国家的差距尤为突出，制约了我国国产工业机器人产业的成熟及国际竞争力的形成。我国工业机器人的诸多技术仍停留在仿制层面，创新能力不足，制约了工业机器人市场的快速发展，并且仍然存在重视工业机器人系统研发，但忽视关键技术突破等问题，使得工业机器人的某些核心技术处于试验阶段，制约了我国工业机器人的产业化进程，致使我国工业机器人的关键部件主要依赖进口。
工业机器人机械臂和机械手在制造业应用中有时需要进行模仿人手的灵巧操作。通过在高精度高可靠性感知、规划和控制性方面开展关键技术研发，使机械手获得人手级别的触觉感知阵列，其动力学性能超过人手，能够进行整只手握取，并能实现像加工厂工人一样在加工制造过程中的灵活操作。
在工业机器人的创新机构和高效率驱动器方面，通过改进机械结构和执行机构，可以提高工业机器人的精度、可重复性、分辨率等各项性能。工业机器人驱动器和执行机构的设计、材料的选择，需要考虑工业机器人的驱动安全性。创新机构集中在提高机器人的自重比和合理化人机交互的机构上。
工业机器人可在由静态障碍物、车辆和行人组成的非结构化环境中实现安全的自主导航，如在装配生产线上对原材料进行装卸处理的搬运机器人，从原材料到成品的高效运输的AGV机器人，以及类似于入库存储和调配的后勤操作、采矿和建筑装备工业机器人的自主导航均为关键技术，需要进一步进行深入研发和技术攻关。一个典型的应用为无人驾驶汽车的自主导航，通过研发实现车辆在有清晰照明和路标的任意现代化城镇中行驶，并使其在安全性方面可以与有人驾驶的车辆相提并论。无人驾驶车辆的自动导航技术在一些领域甚至能比人类做得更好，如通过矿区或建筑区、倒车入库、并排停车以及紧急情况下的减速和停车等。
未来的工业机器人将大大提高环境感知能力。检测机器人及周围设备要能及时检测零部件和产品组件的生产情况，并能估算出生产人员的情绪和身体状态，需要高精度的触觉、力觉传感器和图像解析算法。环境感知的重大技术挑战是研发非侵入式的生物传感器及表达人类行为和情绪的模型。通过高精度传感器构建用于装配任务和跟踪任务进度的物理模型，以减少自动化生产环节中的不确定性。多品种小批量生产的工业机器人将更加智能、更加灵活，而且将可在非结构化环境中运行，并且这种环境中有人类/生产者参与，因而增加了环境感知与传感技术的难度，需要攻克的关键技术主要为3D环境感知与传感的自动化，使机器人在非结构化环境中也可实现批量生产产品。
未来工业机器人的研发越来越强调新型人机合作的重要性，需要研究沉浸式图形化环境，三维全息环境建模，真实三维虚拟现实装置以及力、温度、振动等多物理场作用效应人机交互装置。为了达到机器人与人类生活行为环境以及人类自身和谐共处的目标，需要解决的关键问题包括：机器人本质安全问题，保障机器人与人及环境间的绝对安全共处；任务环境的自主适应问题，自主适应个体差异、任务及生产环境；多样化作业工具的操作问题，灵活使用各种执行器完成复杂操作；人机高效协同问题，准确理解人的需求并主动协助。在生产环境中，注重人类与机器人之间交互的安全性。根据终端用户的需求，设计工业机器人系统以及相关产品和任务，将保证人机交互的自然操作不仅是安全的而且效益更高。人和机器人的交互操作设计包括自然语言、手势、视觉和触觉感知技术等，也是未来机器人发展的核心技术。工业机器人必须容易示教，而且要易于人类进行学习操作。机器人系统应设立学习辅助功能，以实现机器人的使用、维护、错误诊断和故障恢复等。
基于实时操作系统和高速通信总线的工业机器人开放式控制系统，采用基于模块化结构的机器人分布式软件结构设计，实现机器人系统不同功能之间的无缝连接。通过合理划分机器人模块，降低机器人系统集成难度，提高机器人控制系统软件体系的实时性；攻克现有机器人开源软件与机器人操作系统兼容性、工业机器人模块化软硬件设计与接口规范及集成平台的软件评估与测试方法、工业机器人控制系统硬件和软件开放性等关键技术；综合考虑总线实时性要求，攻克工业机器人伺服通信总线技术，针对不同应用和不同性能的工业机器人对总线的要求，攻克总线通信协议技术，支持总线通信的分布式控制系统体系结构，支持典型多轴工业机器人控制系统及其与工厂自动化设备的快速集成。
工业机器人技术正逐渐向着具有行走能力、多种感知能力及对作业环境有较强自适应能力的方向发展。当前，美国和日本仍然是对全球机器人技术发展最有影响力的国家。美国在工业机器人技术的综合研究水平上处于领先地位，而日本生产的工业机器人在数量、种类方面居世界首位。
根据国际机器人联合会（International Federation of Robotics，IFR）的数据统计，2016年全球工业机器人销量约29.4万台，相较于2015年增长15%；2017年较2016年增长了18%，总销量达到了34.7万台；2018年全球工业机器人出货量42.2万台，创下新纪录。自2008年全球金融危机以来，工业机器人销售量屡创历史新高，其中亚太地区的需求为主要的市场动能，带来的销售量约占全球市场的65%。
在全球市场需求的带动下，工业机器人四大家族及部分零部件大厂纷纷扩建或新设生产线，提升产能，以满足屡创新高的市场需求。例如，德国的KUKA于2018年年初启用上海第二期厂房，并于2019年在广东顺德建厂，使整体产能提升至现有的4倍，抢占汽车及电子产业市场；ABB在中国设立了全球最大的生产基地，继在珠海之后，建立青岛、重庆机器人应用中心，提升销售和所在地服务的水平；日本安川电机2017年重组中国工厂，并在欧洲投资2500万欧元，希望借此缩短供应链及交货期，拓展欧洲市场；日本 FANUC 2018年投资630亿日元在现有的筑波工厂邻近地区兴建新厂，月产工业机器人2000台。
针对作为工业机器人三大关键零部件之一的减速机，哈默纳科公司（Harmonic Drive Systems Inc.）兴建了一座月产量达10万台减速机的工厂，月产能扩增了2.5倍。约占全球六成市场份额的纳博特斯克（Nabtesco Corperation）计划投入70亿日元，在日本及中国进行增产投资，年产量提高三成，达84万台。
在智慧制造的风潮下，不论从需求面、供给面或是投资人的立场，都在显示产业对自动化发展的需求，其中工业机器人更是构建智慧制造的重要一环。
我国工业机器人在技术上已经取得了较大进展，其市场也逐渐成熟，应用上已经遍及各行各业，目前取得较大进展的工业机器人技术有：隧道挖掘机器人相关技术、装配自动化机器人相关技术、工程机械智能化机器人相关技术等。虽然我国工业机器人技术取得很大进步，在某些关键技术上有所突破，但还缺乏整体核心技术的突破，完全具有中国知识产权的工业机器人很少。目前我国机器人技术相当于发达国家20世纪80年代的水平，特别是在制造工艺与装备方面，还不能生产高速高精密的关键部件。所以，我国工业机器人技术发展的战略目标是：根据21世纪初我国国民经济对先进制造及自动化技术的需求，瞄准国际前沿高新技术发展方向，创新性地研究和开发工业机器人技术领域的基础技术、产品技术和系统技术。未来我国工业机器人技术发展的重点：一是在危险、恶劣环境下作业的工业机器人，主要有防暴机器人、星球探测机器人、高压带电清扫机器人、油气管道清淤工业机器人等；二是仿生工业机器人，主要有移动机器人、无线遥控操作机器人等；三是应用于医药行业、建筑行业、机械加工行业等的工业机器人，其发展趋势是智能化、低成本、高可靠性和易于集成控制。
工业机器人硬件部分主要由机器人本体、电控柜、人机交互器组成。以奇瑞自主研发的机器人为例，机器人本体结构由奇瑞的研发团队完成，减速机采用日本进口RV减速机，电控部分采用松下、三洋、贝加莱等伺服驱动器，很好地完成插补、前馈等功能，使工业机器人性能达到国际同行标准。其中，电控柜采用自主研发的基于双循环系统的温控电柜，适用环境恶劣的焊装、冲压等车间；人机交互采用自主研发的示教器，操作简单，功能齐全，已经申请国家专利。目前，我国正在研发自己的伺服驱动器和工业机器人专用减速机。
软件控制部分是工业机器人的“心脏”，随着科技的发展，工业机器人软件部分也发展迅速，根据实际需要，我国相继研发了具有点焊、弧焊、搬运、视觉、涂胶等功能的软件控制系统。自主研发的工业机器人从下位机到上位机都自主开发出了应用软件，包括下位机的正、逆解运动学算法，上位机的离线编程及在线编程程序，满足了我国制造业现场应用情况，其软件界面简单美观，操作方便，功能齐全。