工业机器人课程论文Word格式文档下载.docx
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一、机器人由来
1920年捷克作家卡雷尔·
查培克在《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。
现在，国际上对机器人的概念已经逐渐趋近一致。
一般说来，人们都可以接受这种说法，即机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。
联合国标准化组织采纳了美国机器人协会给机器人下的定义：
“一种可编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机；
或是为了执行不同的任务而具有可改变和可编程动作的专门系统。
二、机器人的发展历程
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；
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。
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。
目前，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。
1962年-1963年传感器的应用提高了机器人的可操作性。
人们试着在机器人上安装各种各样的传感器，包括1961年恩斯特采用的触觉传感器，托莫维奇和博尼1962年在世界上最早的“灵巧手”上用到了压力传感器，而麦卡锡1963年则开始在机器人中加入视觉传感系统，并在1965年，帮助MIT推出了世界上第一个带有视觉传感器，能识别并定位积木的机器人系统。
1965年约翰·
霍普金斯大学应用物理实验室研制出Beast机器人。
Beast已经能通过声纳系统、光电管等装置，根据环境校正自己的位置。
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、“有感觉”的机器人，并向人工智能进发。
1968年美国斯坦福研究所公布他们研发成功的机器人Shakey。
它带有视觉传感器，能根据人的指令发现并抓取积木,不过控制它的计算机有一个房间那么大。
Shakey可以算是世界第一台智能机器人，拉开了第三代机器人研发的序幕。
1969年日本早稻田大学加藤一郎实验室研发出第一台以双脚走路的机器人。
加藤一郎长期致力于研究仿人机器人，被誉为“仿人机器人之父”。
日本专家一向以研发仿人机器人和娱乐机器人的技术见长，后来更进一步，催生出本田公司的ASIMO和索尼公司的QRIO。
1973年世界上第一次机器人和小型计算机携手合作，就诞生了美国CincinnatiMilacron公司的机器人T3。
1978年美国Unimation公司推出通用工业机器人PUMA，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。
1984年英格伯格再推机器人Helpmate，这种机器人能在医院里为病人送饭、送药、送邮件。
同年，他还预言：
“我要让机器人擦地板，做饭，出去帮我洗车，检查安全”。
1998年丹麦乐高公司推出机器人（Mind-storms）套件，让机器人制造变得跟搭积木一样，相对简单又能任意拼装，使机器人开始走入个人世界。
1999年日本索尼公司推出犬型机器人爱宝（AIBO），当即销售一空，从此娱乐机器人成为目前机器人迈进普通家庭的途径之一。
2002年美国iRobot公司推出了吸尘器机器人Roomba，它能避开障碍，自动设计行进路线，还能在电量不足时，自动驶向充电座。
Roomba是目前世界上销量最大、最商业化的家用机器人。
2006年6月，微软公司推出MicrosoftRoboticsStudio，机器人模块化、平台统一化的趋势越来越明显，比尔·
盖茨预言，家用机器人很快将席卷全球。
工业机器人在世界其他主要国家的发展：
1）美国是工业机器人的诞生地，基础雄厚，技术先进。
现今美国有着一批具有国际影响力的工业机器人供应商，像AdepAmericanRobot、EmersomIndustrialAutomation等。
2）德国工业机器人的数量占世界第三，仅次于日本和美国，其智能机器人的研究和应用在世界上处于领先地位。
目前在普及第一代工业机器人的基础上，第二代工业机器人经推广应用成为主流安装机型，而第三代智能机器人已占有一定比重并成为发展的方向。
世界上的机器人供应商分为日系和欧系。
瑞典的ABB公司是世界上最大机器人制造公司之一。
1974年研发了世界上第一台全电控式工业机器人IRB6，主要应用于工件的取放和物料搬运。
1975年生产出第一台焊接机器人。
3）日本工业机器人产业早在上世纪90年代就已经普及了第一和第二类工业机器人，并达到了其工业机器人发展史的鼎盛时期。
而今已在第发展三、四类工业机器人的路上取得了举世瞩目的成就。
日本下一代机器人发展重点有：
低成本技术、高速化技术、小型和轻量化技术、提高可靠性技术、计算机控制技术、网络化技术、高精度化技术、视觉和触觉等传感器技术等。
相比之下，中国的工业机器人的发展：
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，目前我们尚未掌握，这是影响我国机器人产业发展的一个重要瓶颈。
近几年，我国工业机器人及含工业机器人的自动化生产线相关产品的年产销额已突破十亿元。
目前国内市场年需求量在3000台左右，年销售额在20亿元以上。
统计数据显示，中国市场上工业机器人总共拥有量近万台，占全球总量的0.56%，其中完全国产工业机器人（行业内规模比较大的前三家工业机器人企业）行业集中度占30%左右，其余都是从日本、美国、瑞典、德国、意大利等20多个国家引进的。
国产工业机器人目前主要以国内市场应用为主，年出口量为100台左右，年出口额为0.2亿以上。
我国未来工业机器人技术发展的重点有：
第一，危险、恶劣环境作业机器人：
主要有防暴、高压带电清扫、星球检测、油汽管道等机器人；
第二，医用机器人：
主要有脑外科手术辅助机器人，遥控操作辅助正骨等；
第三，仿生机器人：
主要有移动机器人，网络遥控操作机器人等。
其发展趋势是智能化、低成本、高可靠性和易于集成。
工业机器人市场竞争越来越激烈，中国制造业面临着与国际接轨、参与国际分工的巨大挑战，加快工业机器人技术的研究开发与生产是我们抓住这个历史机遇的主要途径。
因此我国工业机器人行业要认识到以下几点情况：
第一，工业机器人技术是我国由制造大国向制造强国转变的主要手段和途径，政府要对国产工业机器人有更多的政策与经济支持，参考国外先进经验，加大技术投入与改造；
第二，在国家的科技发展计划中，应该继续对智能机器人研究开发与应用给予大力支持，形成产品和自动化制造装备同步协调的新局面；
第三，部分国产工业机器人已经与国外相当，企业采购工业机器人时不要盲目进口，应该综合评估，立足国产。
三、机器人构造
机器人一般由执行机构、驱动装置、检测装置和控制系统等组成。
执行机构即机器人本体，其臂部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，关节个数通常即为机器人的自由度数。
根据关节配置型式和运动坐标形式的不同，机器人执行机构可分为直角坐标式、圆柱坐标式、极坐标式和关节坐标式等类型。
出于拟人化的考虑，常将机器人本体的有关部位分别称为基座、腰部、臂部、腕部、手部（夹持器或末端执行器）和行走部（对于移动机器人）等。
检测装置的作用是实时检测机器人的运动及工作情况，根据需要反馈给控制系统，与设定信息进行比较后，对执行机构进行调整，以保证机器人的动作符合预定的要求。
作为检测装置的传感器大致可以分为两类：
一类是内部信息传感器，用于检测机器人各部分的内部状况，如各关节的位置、速度、加速度等，并将所测得的信息作为反馈信号送至控制器，形成闭环控制。
另一类是外部信息传感器，用于获取有关机器人的作业对象及外界环境等方面的信息，以使机器人的动作能适应外界情况的变化，使之达到更高层次的自动化，甚至使机器人具有某种“感觉”，向智能化发展，例如视觉、声觉等外部传感器给出工作对象、工作环境的有关信息，利用这些信息构成一个大的反馈回路，从而将大大提高机器人的工作精度。
控制系统有两种方式。
一种是集中式控制，即机器人的全部控制由一台微型计算机完成。
另一种是分散（级）式控制，即采用多台微机来分担机器人的控制，如当采用上、下两级微机共同完成机器人的控制时，主机常用于负责系统的管理、通讯、运动学和动力学计算，并向下级微机发送指令信息；
作为下级从机，各关节分别对应一个CPU，进行插补运算和伺服控制处理，实现给定的运动，并向主机反馈信息。
根据作业任务要求的不同，机器人的控制方式又可分为点位控制、连续轨迹控制和力（力矩）控制。
四、工业机器人的应用
工业机器人在各个方面的应用。
1）工业机器人在机床上应用渐成发展趋势。
如果说20世纪90年代机床创新的最大成就是发明并联机床的话，那么当今工业机器人在机床上的应用已成为发展的一大趋向。
今年9月，在汉诺威机床展览会（EMO2005）上，工业机器人在机床上的应用非常抢眼，而且应用的领域也在扩大。
德国DMG公司的GMC35lin数控多轴自动车床，就是配置FMB公司的6轴机器人，进行上下料搬运工作。
DMG的另一台新品DMC635V立式加工中心，也是配了两台FANUC工业机器人，一台机器人负责工件的上下料，另一台则负责工件在机床主轴上的装取。
瑞士KUMMER公司的k250车床，是一台设计独特的新颖机床。
车头箱可在顶梁导轨上纵向运动，也可作Z向进出运动。
正面刀架设于机床正前方，可以上下运动。
而ABB公司的工业机器人就起到自动上下料的作用，它把毛坯放进主轴的弹簧夹头内，加工完又将其取回。
意大利意沃乐公司的一台修边、倒角DC-5机器人装置特别引人注目。
该机器人可以对主轴上的零件修边和去毛刺，甚至机器人可以加装动力头，用刀具对零件进行加工。
机器人已从传统的搬运、喷漆、焊接工作范围扩展到了金属切削及抛光领域。
随着社会的不断发展和进步，势必劳动力的成本将越来越高，对环保及安全的要求将越来越严，所以工业机器人的应用前景广阔。
2）工业机器人在汽车焊接中的应用。
焊接技术作为制造业的传统基础工艺与技术，在工业中应用的历史并不长，但它的发展却是非常迅速的。
焊接机器人是在工业机器人基础上发展起来的先进焊接设备，是从事焊接（包括切割与喷涂）的工业机器人，主要用于工业自动化领域，其广泛应用于汽车及其零部件制造、摩托车、工程机械等行业，在汽车生产的冲压、焊装、涂装、总装四大生产工艺过程都有广泛应用，其中应用最多的以弧焊、点焊为主。
典型的焊接机器人系统有如下几种形式：
焊接机器人工作站、焊接机器人生产线、焊接专机。
焊接机器人系统一般适合中、小批量生产，被焊工件的焊缝可以短而多，形状较复杂。
柔性焊接线特别适合产品品种多，每批数量又很少的情况下采用。
焊接专机适合批量大、改型慢的产品，对焊缝数量较少、较长，形状规矩的工件也较为适用，至于选用哪种自动化焊接生产形式，需根据企业的实际情况而定。
纵观整个汽车工业的焊接现状，不难分析出汽车工业的焊接发展趋势为：
发展自动化柔性生产系统。
而工业机器人，因集自动化生产和灵活性生产特点于一身，故轿车生产近年来大规模、迅速地使用了机器人。
在焊接方面，主要使用的是点焊机器人和弧焊机器人。
特别是近几年，国内的汽车生产企业非常重视焊接的自动化。
如一汽引进的捷达车身焊装车间的13条生产线的自动化率达80%以上，各条线都由计算机（可编程控制器PLC-3）控制，自动完成工件的传送和焊接。
焊接由R30型极坐标式机器人和G60肘节式机器人共61台进行，机器人驱动由微机控制，数字和文字显示，磁带记录仪输入和输出程序。
机器人的动作采用点到点的序步轨迹，具有很高的焊接自动化水平，既改善了工作条件，提高了产品质量和生产率，又降低材料消耗。
类似的高水平的生产线，在上海、武汉等地都有引进。
但这些毕竟还远不能适应我国民族汽车工业迅速发展的需要，我们必须坚持技术创新，大力加速发展高效节能的焊接新材料、新工艺和新设备，发展应用机器人技术，发展轻便灵巧的智能设备，建立高效经济的焊接自动化系统，必须用计算机及信息技术改造传统产业，提高档次。
随着我国汽车工业的发展和对自动化水平要求的不断提高，将为焊接机器人市场的快速增长提供了一个良好的机会。
预计国内企业对焊接机器人的需求量将以30%以上的速度增长。
从机器人技术发展趋势看，焊接机器人不断向智能化方向发展，完全实现生产系统中机器人的群体协调和集成控制，从而达到更高的可靠性和安全性。
而采用焊接机器人的汽车生产企业在高技术、高质量、低成本条件下必将获得高速发展，也必将为汽车产业的发展带来新的生机。
相信，在不久的将来，通过我们的共同努力，国内汽车行业的焊接技术会逐步缩短与国外先进焊装技术水平的差距，迎接WTO带给汽车工业的机遇和挑战。
五、工业机器人的发展前景
在发达国家中，工业机器人自动化生产线成套设备已成为自动化装备的主流及未来的发展方向。
国外汽车行业、电子电器行业、工程机械等行业已经大量使用工业机器人自动化生产线，以保证产品质量，提高生产效率，同时避免了大量的工伤事故。
全球诸多国家近半个世纪的工业机器人的使用实践表明，工业机器人的普及是实现自动化生产，提高社会生产效率，推动企业和社会生产力发展的有效手段。
1990年10月，国际机器人工业人士在丹麦首都哥本哈根召开了一次工业机器人国际标准大会，并在这次大会上通过了一个文件，把工业机器人分为四类：
⑴顺序型。
这类机器人拥有规定的程序动作控制系统；
⑵沿轨迹作业型。
这类机器人执行某种移动作业，如焊接。
喷漆等；
⑶远距作业型。
比如在月球上自动工作的机器人；
⑷智能型。
这类机器人具有感知、适应及思维和人机通信机能。
日本工业机器人产业早在上世纪90年代就已经普及了第一和第二类工业机器人，并达到了其工业机器人发展史的鼎盛时期。
根据日本政府2007年指定的一份计划，日本2050年工业机器人产业规模将达到1.4兆日元，拥有百万工业机器人。
按照一个工业机器人等价于10个劳动力的标准，百万工业机器人相当于千万劳动力，是目前日本全部劳动人口的15%。
我国工业机器人起步于70年代初，其发展过程大致可分为三个阶段：
70年代的萌芽期；
80年代的开发期；
90年代的实用化期。
而今经过20多年的发展已经初具规模。
目前我国已生产出部分机器人关键元器件，开发出弧焊、点焊、码垛、装配、搬运、注塑、冲压、喷漆等工业机器人。
一批国产工业机器人已服务于国内诸多企业的生产线上；
一批机器人技术的研究人才也涌现出来。
一些相关科研机构和企业已掌握了工业机器人操作机的优化设计制造技术；
工业机器人控制、驱动系统的硬件设计技术；
机器人软件的设计和编程技术；
运动学和轨迹规划技术；
弧焊、点焊及大型机器人自动生产线与周边配套设备的开发和制备技术等。
某些关键技术已达到或接近世界水平。
一个国家要引入高技术并将其转移为产业技术（产业化），必须具备5个要素和有着“机器人王国”之称的日本相比，我国有着截然不同的基本国情，那就是人口多，劳动力过剩。
刺激日本发展工业机器人的根本动力就在于要解决劳动力严重短缺的问题。
所以，我国工业机器人起步晚发展缓。
但是正如前所述，广泛使用机器人是实现工业自动化，提高社会生产效率的一种十分重要的途径。
我国正在努力发展工业机器人产业，引进国外技术和设备，培养人才，打开市场。
日本工业机器人产业的辉煌得益于本国政府的鼓励政策，我国在十一五纲要中也体现出了对发展工业机器人的大力支持。
没有机器人，人将变为机器。
随着社会的发展，社会分工越来越细，尤其在现代化的大生产中，有的人每天就只管拧同一个部位的一个螺母，有的人整天就是接一个线头，就像电影《摩登时代》中演示的那样，人们感到自己在不断异化，各种职业病开始产生。
于是人们强烈希望用某种机器代替自己工作。
于是人们研制出了机器人，代替人完成那些枯燥、单调、危险的工作。
由于机器人的问世，使一部分工人失去了原来的工作，于是有人对机器人产生了敌意。
“机器人上岗，人将下岗。
”不仅在我国，即使在一些发达国家如美国，也有人持这种观念。
其实这种担心是多余的，任何先进的机器设备，都会提高劳动生产率和产品质量，创造出更多的社会财富，也就必然提供更多的就业机会，这已被人类生产发展史所证明。
任何新事物的出现都有利有弊，只不过利大于弊，很快就得到了人们的认可。
比如汽车的出现，它不仅夺了一部分人力车夫、挑夫的生意，还常常出车祸，给人类生命财产带来威胁。
虽然人们都看到了汽车的这些弊端，但它还是成了人们日常生活中必不可少的交通工具。
英国一位著名的政治家针对关于工业机器人的这一问题说过这样一段话：
“日本机器人的数量居世界首位，而失业人口最少，英国机器人数量在发达国家中最少，而失业人口居高不下”，这也从另一个侧面说明了机器人是不会抢人饭碗的。
美国是机器人的发源地，机器人的拥有量远远少于日本，其中部分原因就是因为美国有些工人不欢迎机器人，从而抑制了机器人的发展。
日本之所以能迅速成为机器人大国，原因是多方面的，但其中很重要的一条就是当时日本劳动力短缺，政府和企业都希望发展机器人，国民也都欢迎使用机器人。
由于使用了机器人，日本也尝到了甜头，它的汽车、电子工业迅速崛起，很快占领了世界市场。
从现在世界工业发展的潮流看，发展机器人是一条必由之路。
没有机器人，人将变为机器；
有了机器人，人仍然是主人。
不论是工业机器人还是特种机器人（尤其是服务机器人）都存在一个与人相处的问题，最重要的是不能伤害人。
美国正在研究一种航天器内使用的机器人，计划在两年之后被宇航员带入太空，做一些宇航员无法做到的事情，成为宇航员最得力的助理。
这种机器人只有垒球那么大，可以对航天器中的生命维持系统进行自动监视、摄像和排除障碍等，同时还可以代替已损坏的传感器完成监视任务。
六、我国机器人市场的九大特点
1）市场需求增长速度快：
有关专家预测，我国机器人到2010年拥有量为17300台，年销售额为93.1亿元。
根据发达国家产业发展与升级的历程和工业机器人产业化发展趋势，机器人的需求每年将以40%的速度增长，到2015年我国机器人市场的容量约达十几万台套。
2）从事机器人研发和制造的单位多：
目前我国从事机器人研究与制造的技术力量相对分散，企业生产规模小，产品质量不稳定，没有形成一个研发中心、产业集群、规模企业与知名品牌。
我国的工业机器人从20世纪80年代“七五”科技攻关开始起步，目前，我国从事机器人研发和制造的单位200多家。
由于人事管理体制的束缚，机器人研发的技术力量相对分散，难以形成合力。
由于技术、市场、政策等多方面的不确定性，企业也不愿投入巨资，进行机器人的规模化生产。
3）机器人市场容量大：
据预测，目前我国仅汽车行业、电子和家电行业、烟草行业、新能源电池行业等，年需求机器人自动化生产线装备线就达300多条，产值约为60多亿元，这些自动化生产线需要配套大量的工业机器人。
4）使用机器人的工种、行业、地区、企业相对集中：
就使用的工种而言，弧焊、点焊、装配、喷涂机器人应用的最多；
其次是搬运、上下料（冲压、压铸、铸锻、注塑等用的大多是上下料机器人）；
就使用的行业而言，大机械行业（机械制造和汽车工业）占用户的65％，电子电器和邮电通讯占用户的13％，工业机器人主要应用在汽车、机械制造等行业；
就使用的地区而言，我国工业机器人的使用主要集中在广东、江苏、上海、北京等地,拥有量占全国的一半以上；
就使用的企业而言，外商独资企
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