工业机器人

       它可以接受人类指挥，也可以按照预先编排的程序运行，现代的工业机器人还可以根据人工智能技术制定的原则纲领行动。

由来

　　1920年捷克作家卡雷尔·查培克在其剧本《罗萨姆的万能机器人》中最早使用机器人一词，剧中机器人“Robot”这个词的本意是苦力，即剧作家笔下的一个具有人的外表，特征和功能的机器，是一种人造的劳力。它是最早的工业机器人设想。

　　20世纪40年代中后期，机器人的研究与发明得到了更多人的关心与关注。50年代以后，美国橡树岭国家实验室开始研究能搬运核原料的遥控操纵机械手，如图0.2所示，这是一种主从型控制系统，主机械手的运动。系统中加入力反馈，可使操作者获知施加力的大小，主从机械手之间有防护墙隔开，操作者可通过观察窗或闭路电视对从机械手操作机进行有效的监视，主从机械手系统的出现为机器人的产生为近代机器人的设计与制造作了铺垫。

　　1954年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节，利用人手对机器人进行动作示教，机器人能实现动作的记录和再现。这就是所谓的示教再现机器人。现有的机器人差不多都采用这种控制方式。1959年UNIMATION公司的第一台工业机器人在美国诞生，开创了机器人发展的新纪元。

　　UNIMATION的VAL（veryadvantagelanguage)语言也成为机器人领域最早的编程语言在各大学及科研机构中传播，也是各个机器人品牌的最基本范本。其机械结构也成为行业的模板。其后，UNIMATION公司被瑞士STAUBLI收购，并利用STAUBLI的技术优势，进一步得以改良发展。日本第一台机器人由KAWASAKI从UNIMATION进口，并由kawasaki模仿改进在国内推广。

特点

　　戴沃尔提出的工业机器人有以下特点：将数控机床的伺服轴与遥控操纵器的连杆机构联接在一起，预先设定的机械手动作经编程输入后，系统就可以离开人的辅助而独立运行。这种机器人还可以接受示教而完成各种简单的重复动作，示教过程中，机械手可依次通过工作任务的各个位置，这些位置序列全部记录在存储器内，任务的执行过程中，机器人的各个关节在伺服驱动下依次再现上述位置，故这种机器人的主要技术功能被称为“可编程”和“示教再现”。

　　1962年美国推出的一些工业机器人的控制方式与数控机床大致相似，但外形主要由类似人的手和臂组成。后来，出现了具有视觉传感器的、能识别与定位的工业机器人系统。

　　当今工业机器人技术正逐渐向着具有行走能力、具有多种感知能力、具有较强的对作业环境的自适应能力的方向发展。当前，对全球机器人技术的发展最有影响的国家是美国和日本。美国在工业机器人技术的综合研究水平上仍处于领先地位，而日本生产的工业机器人在数量、种类方面则居世界首位。

构造分类

　　工业机器人由主体、驱动系统和控制系统三个基本部分组成。主体即机座和执行机构，包括臂部、腕部和手部，有的机器人还有行走机构。大多数工业机器人有3～6个运动自由度，其中腕部通常有1～3个运动自由度；驱动系统包括动力装置和传动机构，用以使执行机构产生相应的动作；控制系统是按照输入的程序对驱动系统和执行机构发出指令信号，并进行控制。

　　工业机器人按臂部的运动形式分为四种。直角坐标型的臂部可沿三个直角坐标移动；圆柱坐标型的臂部可作升降、回转和伸缩动作；球坐标型的臂部能回转、俯仰和伸缩；关节型的臂部有多个转动关节。

　　工业机器人按执行机构运动的控制机能，又可分点位型和连续轨迹型。点位型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。

　　工业机器人按程序输入方式区分有编程输入型和示教输入型两类。编程输入型是将计算机上已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。

　　示教输入型的示教方法有两种：一种是由操作者用手动控制器(示教操纵盒)，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领动执行机构，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。示教输入程序的工业机器人称为示教再现型工业机器人。

　　具有触觉、力觉或简单的视觉的工业机器人，能在较为复杂的环境下工作；如具有识别功能或更进一步增加自适应、自学习功能，即成为智能型工业机器人。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。

应用

　　工业机器人在工业生产中能代替人做某些单调、频繁和重复的长时间作业，或是危险、恶劣环境下的作业，例如在冲压、压力铸造、热处理、焊接、涂装、塑料制品成形、机械加工和简单装配等工序上，以及在原子能工业等部门中，完成对人体有害物料的搬运或工艺操作。

　　20世纪50年代末，美国在机械手和操作机的基础上，采用伺服机构和自动控制等技术，研制出有通用性的独立的工业用自动操作装置，并将其称为工业机器人；60年代初，美国研制成功两种工业机器人，并很快地在工业生产中得到应用；1969年，美国通用汽车公司用21台工业机器人组成了焊接轿车车身的自动生产线。此后，各工业发达国家都很重视研制和应用工业机器人。

　　由于工业机器人具有一定的通用性和适应性，能适应多品种中、小批量的生产，70年代起，常与数字控制机床结合在一起，成为柔性制造单元或柔性制造系统的组成部分。

关键技术

本体设计关键技术

　　（1）传动结构设计

　　拟定总体方案，确定机器人的结构形式，并据此进行初步的传动结构设计，零件结构设计，三维建模。要求设计者对机器人常见的结构形式，常见的传动原理和传动结构，减速器的类型和特点非常的熟悉和了解，要有较强的结构设计能力和经验。

　　（2）减速器选型

　　要对减速器的结构类型，性能参数的含义有深刻理解，会对减速器进行选型和计算校核。要会对减速器进行检测、测试，检测的内容主要包括噪音、抖动、输出扭矩、扭转刚度、背隙、重复定位精度和定位精度等。减速器的振动会引起机器人末端的抖动，降低机器人的轨迹精度。减速器振动有多种原因，其中共振是共性的问题，机器人企业必须掌握抑制或者避免出现共振的方法。 

　　（3）电机选型

　　必须要对电机的工作特性非常了解，并会对电机扭矩、功率、惯量进行计算和校核。

　　（4）仿真分析

　　进行静力学和动力学的仿真分析，对电机、减速器的选型校核，对本体零部件进行强度、刚度校核，降低本体重量，提高机器人工作效率，降低成本。对三维模型进行模态分析，计算出固有频率，有助于进行共振抑制。 

　　（5）可靠性设计

　　结构设计采用最简化设计原则；本体铸铁件采用综合性能较好的球墨铸铁材料，铸铝件采用流动性好的铸造材料，采用金属模铸造；装配要有详细的装配工艺指导书，装配过程中有部件和单轴的测试；装配完后要有整机性能测试和耐久拷机测试；提高整机的防护等级设计，提高电柜的抗干扰能力，以适用不同工作环境的使用。 

电机伺服关键技术

　　（1）电机

　　①轻量化

　　对机器人来说，电机的尺寸和重量非常敏感，通过高磁性材料优化、一体化优化设计、加工装配工艺优化等技术的研究，提高伺服电机的效率，减小电机空间尺寸和降低电机重量，是机器人电机的关键技术之一。

　　②高速

　　在减速比不能较大调整的情况，电机的最高转速则直接影响着机器人的末端速度和工作节拍；而且速比太低会影响电机的惯量匹配，因此提高电机的最高转速也是机器人电机的关键技术之一。

　　③直驱、中空

　　随着协作机器人的不断成熟和推广，机器人结构的轻量化、紧凑化要求提高，发展高力矩直接驱动电机、盘式中空电机等机器人专用电机也是未来的趋势。 

　　（2）伺服

　　①快速响应，精确定位

　　伺服的响应时间直接影响到机器人的快速起停效果，影响机器人的工作效率和节拍。

　　②无传感器方式实现弹性碰撞

　　安全性是衡量机器人性能的一个重要指标。加入力或力矩传感器会使结构更复杂，成本更高，基于编码器、电机电流耦合关系的无传感弹性碰撞技术，可以在不改变本体结构，不增加本体成本的条件下，在一定程度上提高机器人的安全性。 

　　③驱动多合一、驱控一体。

　　驱动多合一，多核CPU多轴驱控一体化集成技术，提高系统性能，降低驱动体积与成本。 

　　④在线自适应抖振抑制

　　工业机器人悬臂结构极易在多轴联动、重载及快速起停时引起抖动。机器人本体刚度要与电机伺服刚度参数相匹配，刚度过高，会造成振动，刚度过低会造成起停反应缓慢。机器人在不同的位置和姿态，以及在不同的工装负载下刚度都不一样，很难通过提前设置伺服刚度值能满足所有工况的需求。在线自适应抖振抑制技术，提出免参数调试的智能控制策略，同时兼顾刚度匹配、抖振抑制的需求，可以抑制机器人末端抖动，提高末端定位精度。

控制关键技术

　　（1）运动解算及轨迹规划

　　运动求解，最佳路径规划，提高机器人的运动精度和工作效率。

　　（2）动力学补偿

　　一般工业机器人是一个串联悬臂式结构，刚性弱，运动复杂，容易发生变形和抖动，是一个需要运动学和动力学相结合的课题。为了改善机器人的动态性能和提高运动精度，机器人控制系统必须建立动力学模型，进行动力学补偿。补偿的内容主要包括重力补偿、惯量补偿、摩擦补偿、耦合补偿等。

　　（3）标定补偿

　　机器人机械本体由于加工误差和装配误差的原因，难以避免会和理论数学模型存在偏差，会降低机器人TCP精度和轨迹精度，如在焊接和离线编程使用时会受到严重影响。通过检测和算法标定补偿机器人的模型参数，可以较好地解决此问题。  

　　（4）工艺包完善

　　控制系统要与实际工程应用相结合，系统除不断升级，功能更加强大外，还要根据行业应用的需求不断开发和完善工艺包，有利于积累行业工艺经验，对客户来说使用更方便，操作更简单，效率更高。

国内发展

　　中国的工业机器人

　　我国工业机器人起步于70年代初期，经过20多年的发展，大致经历了3个阶段：70年代的萌芽期，80年代的开发期和90年代的适用化期。

　　70年代是世界科技发展的一个里程碑：人类登上了月球，实现了金星、火星的软着陆。我国也发射了人造卫星。世界上工业机器人应用掀起一个高潮，尤其在日本发展更为迅猛，它补充了日益短缺的劳动力。在这种背景下，我国于1972年开始研制自己的工业机器人。

　　进入80年代后，在高技术浪潮的冲击下，随着改革开放的不断深入，我国机器人技术的开发与研究得到了政府的重视与支持。“七五”期间，国家投入资金，对工业机器人及其零部件进行攻关，完成了示教再现式工业机器人成套技术的开发，研制出了喷涂、点焊、弧焊和搬运机器人。1986年国家高技术研究发展计划（863计划）开始实施，智能机器人主题跟踪世界机器人技术的前沿，经过几年的研究，取得了一大批科研成果，成功地研制出了一批特种机器人。

　　从90年代初期起，我国的国民经济进入实现两个根本转变时期，掀起了新一轮的经济体制改革和技术进步热潮，我国的工业机器人又在实践中迈进一大步，先后研制出了点焊、弧焊、装配、喷漆、切割、搬运、包装码垛等各种用途的工业机器人，并实施了一批机器人应用工程，形成了一批机器人产业化基地，为我国机器人产业的腾飞奠定了基础。

　　虽然中国的工业机器人产业在不断的进步中，但和国际同行相比，差距依旧明显。从市场占有率来说，更无法相提并论。工业机器人很多核心技术，当前我们尚未掌握，这是影响我国机器人产业发展的一个重要瓶颈。

发展历史

       20世纪50年代末，工业机器人最早开始投入使用。约瑟夫·恩格尔贝格（Joseph F.Englberger）利用伺服系统的相关灵感，与乔治·德沃尔（GeorgeDevol）共同开发了一台工业机器人——“尤尼梅特”（Unimate），率先于1961年在通用汽车的生产车间里开始使用。最初的工业机器人构造相对比较简单，所完成的功能也是捡拾汽车零件并放置到传送带上，对其他的作业环境并没有交互的能力，就是按照预定的基本程序精确地完成同一重复动作。“尤尼梅特”的应用虽然是简单的重复操作，但展示了工业机械化的美好前景，也为工业机器人的蓬勃发展拉开了序幕。自此，在工业生产领域，很多繁重、重复或者毫无意义的流程性作业可以由工业机器人来代替人类完成。

       20世纪60年代，工业机器人发展迎来黎明期，机器人的简单功能得到了进一步的发展。机器人传感器的应用提高了机器人的可操作性，包括恩斯特采用的触觉传感器；托莫维奇和博尼在世界上最早的“灵巧手”上用到了压力传感器；麦卡锡对机器人进行改进，加入视觉传感系统，并帮助麻省理工学院推出了世界上第一个带有视觉传感器并能识别和定位积木的机器人系统。此外，利用声呐系统、光电管等技术，工业机器人可以通过环境识别来校正自己的准确位置。

       自20世纪60年代中期开始，美国麻省理工学院、斯坦福大学、英国爱丁堡大学等陆续成立了机器人实验室。美国兴起研究第二代带传感器的、“有感觉”的机器人，并向人工智能进发。

       20世纪70年代，随着计算机和人工智能技术的发展，机器人进入了实用化时代。像日立公司推出的具有触觉、压力传感器，7轴交流电动机驱动的机器人；美国Milacron公司推出的世界第一台小型计算机控制的机器人，由电液伺服驱动，可跟踪移动物体，用于装配和多功能作业；适用于装配作业的机器人还有像日本山梨大学发明的SCARA平面关节型机器人等。

       20世纪70年代末，由美国Unimation公司推出的PUMA系列机器人，为多关节、多CPU二级计算机控制，全电动，有专用VAL语言和视觉、力觉传感器，这标志着工业机器人技术已经完全成熟。PUMA至今仍然工作在工厂第一线。

       20世纪80年代，机器人进入了普及期，随着制造业的发展，使工业机器人在发达国家走向普及，并向高速、高精度、轻量化、成套系列化和智能化发展，以满足多品种、少批量的需要。

       到了20世纪90年代，随着计算机技术、智能技术的进步和发展，第二代具有一定感觉功能的机器人已经实用化并开始推广，具有视觉、触觉、高灵巧手指、能行走的第三代智能机器人相继出现并开始走向应用。

       2020年，中国机器人产业营业收入首次突破1000亿元。“十三五”期间，工业机器人产量从7.2万套增长到21.2万套，年均增长31%。从技术和产品上看，精密减速器、高性能伺服驱动系统、智能控制器、智能一体化关节等关键技术和部件加快突破、创新成果不断涌现，整机性能大幅提升、功能愈加丰富，产品质量日益优化。行业应用也在深入拓展。例如，工业机器人已在汽车、电子、冶金、轻工、石化、医药等52个行业大类、143个行业中类广泛应用。

       2022年，嘉腾机器人推出国内首台差速20吨AGV驱动单元，该驱动单元采用差速重载动力模组以及控制策略，增强了产品实用性和耐用性。据悉，重载AGV可用于航天、高压容器、大型基建工程、模块化建筑工程等行业。

安装

       在工业生产领域中，工业机器人的安装至为重要，若是安装出现问题，不仅会影响机器人设备的使用性能，同时还会导致工业机器人使用寿命降低，并会对工业生产安全造成影响，对企业的经济效益造成损伤，因此做好工业机器人的安装工作十分重要，结合以往的工作经验，笔者认为在工业机器人安装过程中，必须要做好以下三个方面的工作。 

       1、了解程序

       在实际安装前，相关人员要对工业机器人的工作程序有详细的了解，明确工业机器人设备零部件之间有哪些关系，哪些设备之间的尺寸位置要做到丝毫不差，而哪些可以适当放宽标准。此外还需对安装图纸进行细化分析，要掌握工业机器人的工作原理和功能结构，并在安装前寻找适当的工具和设备，这样才能更好地为安装效果提供保障。

       2、制定方案

       要结合现场的实际生产情况，对每台工业机器人安装制定详细的方案，同时还应该制定相关的应急方案，确保面面俱到，放矢有度。此外在实际安装前，还应该制定相关的作业指导书，要在作业指导书中明确具体的操作规程、操作要点、需要人员和自检要求等，从而为工业机器人设备安全提供统一依据。同时作业指导书一式多份，如生产公司、监理部门、安装调试部门、现场安装部门等，都应该各自保留一份，这样若是今后出现相关问题，才能有责可追，避免相互扯皮的问题发生。

       3、认知执行

       主要是指每安装完一条工业机器人设备，都需要进行详细的复查，如在安装完工业机器人的连接设备时，就需要对已经安装好的零部件进行关键尺寸的详细复查，这样可以避免因尺寸变化而造成整体返工的问题出现。而在所有的工业机器人设备全部安装结束后，还应该进行一次全面的自检，要尽量在后期调试之前，及时发现问题，并针对性地做出解决，从而达到安装验收一次性合格的高标准，从而为工业机器人设备安装进度提供保障，确保工业机器人设备安装可以在规定的工期内完成。

四大家族

       工业机器人四大家族通常指的是在工业机器人领域具有全球影响力和市场份额的四大企业，它们分别是：

ABB

       简介：ABB是一家总部位于瑞士苏黎世的跨国企业，由瑞典的阿西亚（ASEA）和瑞士的布朗博法瑞（BBC Brown Boveri）在1988年合并而成。ABB是全球领先的工业自动化和电力技术公司，其业务范围广泛，涵盖电力产品、离散自动化、运动控制、过程自动化以及低压产品等多个领域。

       工业机器人业务：ABB的工业机器人业务起源于1974年，以其高精度、高速度和高可靠性而闻名。ABB的工业机器人产品线广泛，包括从小型机器人到大型机器人的全系列产品，能够满足不同行业的需求。ABB的工业机器人广泛应用于汽车制造、电子制造、金属加工等领域，以其卓越的灵活性和精确性执行各种复杂的任务。

库卡（KUKA）

       简介：库卡是一家总部位于德国奥格斯堡的工业机器人制造商，成立于1898年。最初，库卡主要专注于室内和城市照明设备的制造，但随后逐渐将业务扩展到工业机器人领域。

       工业机器人业务：库卡以其高精度、高刚性和高可靠性而闻名，其机器人产品广泛应用于汽车制造、物流、航空航天等领域。库卡的工业机器人不仅性能卓越，而且二次开发的操作难度较低，使得工程师能够轻松上手操作。此外，库卡的机器人还涉足医院的脑外科及放射造影等领域。

发那科（FANUC）

       简介：发那科是一家总部位于日本大阪的工业机器人制造商，成立于1956年。发那科最初专注于数控系统的研发和生产，并随着工业机器人的兴起，迅速将数控技术应用于机器人领域。

       工业机器人业务：发那科的工业机器人以其高速度、高精度和灵活性而著称，广泛应用于汽车制造、电子制造、食品加工等多个行业。发那科一直致力于技术创新和产品性能的提升，使其工业机器人产品在全球市场上具有强大的竞争力。

安川电机（YASKAWA）

       简介：安川电机是一家总部位于日本京都的电机和自动化设备制造商，成立于1915年。安川电机最初主要生产电动马达，随后逐渐将业务扩展到工业机器人领域。

       工业机器人业务：安川电机的工业机器人以其高精度、高速度和高可靠性而著称，广泛应用于汽车制造、电子制造、半导体等多个领域。安川电机在伺服系统和运动控制器等关键零部件的研发和生产方面处于行业领先地位，这使得其工业机器人在性能上具有显著优势。

       这四大工业机器人家族在全球工业机器人市场上占据着举足轻重的地位，不仅推动了全球自动化、机械化产业的快速发展，也为人类社会的进步和繁荣做出了重要贡献。随着科技的不断进步和应用场景的不断拓展，这四大工业机器人家族有望继续引领工业机器人技术的发展，为人类社会的未来带来更多可能性。

专业

       工业机器人专业，通常也被称为工业机器人技术专业，是一个集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科高新技术于一体的综合性专业。随着智能制造和工业4.0的深入推进，工业机器人行业正处于快速发展的阶段，因此该专业的就业前景十分广阔。

专业特点

       多学科融合：工业机器人技术专业涉及多个学科的知识，包括机械、电子、自动控制、计算机、传感器、人工智能等，要求学生具备跨学科的综合能力。

       实践性强：该专业注重实践操作，学生将学习工业机器人的操作、编程、调试与维修等技能，以及工业自动化生产线的设计、安装与维护。

       技术附加值高：工业机器人作为先进的机电一体化数字化装备，对提高产品质量、降低生产成本、改善劳动环境等方面具有重要意义。

主要课程

       工业机器人技术专业的核心课程包括但不限于：

       专业基础课程：电工与电子技术、工程制图与计算机绘图、机械基础、工业机器人技术基础、高级语言程序设计、液压与气压传动、电气控制与CAD技术、智能制造基础等。

       专业核心课程：工业机器人现场编程、可编程控制技术、工业机器人离线编程与仿真、智能视觉技术应用、数字孪生与虚拟调试技术应用、工业机器人应用系统集成、工业机器人系统智能运维等。

就业方向

       工业机器人技术专业的毕业生在就业市场上备受青睐，主要就业方向包括：

       1、制造自动化工程师：在各种制造行业，如汽车、电子、食品加工等领域，负责设计、安装和维护自动化机器人系统。

       2、系统集成专家：集成多种机器人和自动化设备，确保它们在工业生产线中高效协同工作。

       3、维护和支持工程师：提供技术支持和维护服务，确保机器人系统的稳定运行和故障及时解决。

       4、研发工程师：在高科技公司工作，参与新型机器人技术的研发，如增强现实、人工智能在机器人控制中的应用。

       5、销售与市场开发：分析市场需求，推广机器人产品到适合的产业，帮助公司拓展业务和市场份额。

       6、质量控制工程师：确保机器人产品和系统的质量符合行业标准和客户需求。

行业前景

       随着智能制造和工业4.0的深入推进，越来越多的企业和工厂开始采用机器人技术来替代传统的人工生产方式。这不仅提高了生产效率，还降低了生产成本。因此，工业机器人行业正处于风口之上，对于具备相关专业背景的大学生来说，选择工业机器人作为职业发展方向具有广阔的前景。

注意事项

       虽然工业机器人技术专业的就业前景广阔，但学生在选择该专业时也应充分考虑自己的兴趣和职业规划。同时，由于该专业涉及多个学科的知识，学习难度较大，需要学生具备较强的学习能力和实践能力。

       综上所述，工业机器人技术专业是一个充满挑战和机遇的专业，对于有志于投身智能制造和工业自动化领域的学生来说，是一个值得考虑的选择。