工业机器人概述

第一节　工业机器人概述

一、工业机器人及其发展

1960年，美国报纸《美国金属市场》中使用了工业机器人一词。工业机器人的定义为“具有自动控制的操作功能和移动功能，能够按照程序实施各种作业的用于工业的机械”。该定义有如下内涵:所谓“自动控制的操作功能”是指在计算机或控制器控制下完成操作的功能。“移动功能”可以是步行、无轨道、有轨道等各种形态。所谓“能够按照程序实施”是指操作能够程序化，如果变更程序则可以进行其他种类的操作。

据此，工业机器人是指在工业中应用的一种能进行自动控制的、可重复编程的、多功能的、多自由度的、多用途的操作机，能搬运材料、工件或操持工具，用以完成各种作业。且这种操作机可以固定在一个地方，也可以安装在往复运动的小车上。

工业机器人具有钢手铁臂，工业上一般用来从事体力劳动，国际劳工组织给它起名为“钢领工人”。“钢领工人”在世界上早已形成了一支浩浩荡荡的产业大军。示教再现型工业机器人是机器人的第一代(图12-1)，它一般是“瞎子”、“聋子”和“哑巴”，对外界没有感觉识别能力，它只是通用性很强的自动化机器而已。如“尤尼梅特”和“沃尔萨特兰”这两种最早的工业机器人是示教再现型机器人的典型代表。它由人操纵机械手臂做一遍应当完成的动作或通过“示教控制盒”发出指令让机械手臂动作，在动作过程中机器人会自动将这一过程存入记忆装置。当机器人工作时，能再现人教给它的动作，并能自动重复执行。这类机器人不具有外界信息的反馈能力，很难适应变化的环境。

20世纪70年代，第二代机器人——适应型机器人(图12-2)有了较大发展，它对外界环境变化有感知能力，电脑对感觉器官获得的信号进行加工，做出判断，产生控制作用，操纵机器人的手和脚，在适应外界条件变化情况下完成各种工作任务。如:有触觉的机械手可轻松自如地抓取鸡蛋，具有嗅觉的机器人能分辨出不同饮料和酒类。

第三代机器人是智能机器人(图12-3)，它具有人工智能，能听、能看、能说、能判断环境状况，并且有记忆、推理和决策的能力。因而能够完成更加复杂的动作。中央电脑控制手臂和行走装置，使机器人的手完成作业，脚完成移动，机器人能够用自然语言与人对话。智能机器人的“智能”特征就在于它具有与外部世界——对象、环境和人相适应、相协调的工作机能。从控制方式看，智能机器人不同于工业机器人的“示教、再现”，不同于遥控机器人的“主-从操纵”，而是以一种“认知-适应”的方式自律地进行操作。

图12-1　第一代机器人

图12-2　第二代机器人

图12-3　第三代机器人

智能机器人在发生故障时，通过自我诊断装置能判断出故障部位，并能自我修复。今天，智能机器人的应用范围大大地扩展了，除工农业生产外，机器人应用到各行各业，已具备了人类的特点。机器人向着智能化、拟人化方向发展的道路是没有止境的。现在已有很多智能机器人得到了实际应用。

随着科技进步与时代发展，20世纪90年代，工业机器人抓几百千克的东西，手臂每秒移动一两米，定位精度达到零点几个毫米，已经不算什么很高级的了。

二、工业机器人在生产中的优势

采用机器人究竟有哪些好处呢?首先，机器人具有人类不能达到的耐力和精确性能。

加拿大一家公司的显像管生产线，用一种样子像龙门吊的机器人用橡皮吸盘把加工好的显像管从机床上吸起来，再放到悬吊架子上。12s可以搬1只，15个月搬运50万只没出一次差错。不论环境如何恶劣，机器人的“精力和情绪”都不会受影响。它不会偷懒，不会违反规章制度和操作规程，所以很少出差错，而且产品质量很高。

机器人的另一个长处是不怕酷暑严寒，不怕高温剧毒、不怕辐射和污染，不怕危险，不怕“死”，干活快，缩短生产周期，减少生产成本。

例如，在美国纽约的一家灯泡厂里，机器人负责清除温度计水银柱中的气泡。水银有毒，过去工人操作都要十分小心，可机器人毫不在乎，只要7分半钟，机器人就能完成这个共有394个步骤的电脑程序，处理24箱温度计，过去要13个工人干1小时，现在只要有一个机器人就绰绰有余。

另外，由机器人、电脑、数控机床可以组成“柔性生产线”。这是相对于以前的“刚性”生产线而言的，过去的流水生产线、自动生产线，生产的产品是牢固的，若是想改变生产线生产的产品品种，必须重新改建(改造)生产线。“柔性生产线”则有灵活性，只要把电脑中的生产程序、工艺过程改变一下，它就可以生产出不同品种的产品来。柔性生产线有很多优点，它最适合于完成多品种中小批量产品的生产，可以缩短产品制造时间，提高设备利用率。可把劳动力、机床数量、占地面积、生产成本减少二分之一左右。

采用工业机器人可以组成无人工厂。在这种工厂里，除白天有少数人做巡视检查，处理一些问题，增加或修改一些指令，参加某些劳动外。全天的全部生产产品过程都是自动进行的。从原料入厂，到零件加工、装配成产品进行检验，直到成品入库。都是由工业机器人、自动化机床、无人搬运小车、“计算机辅助设计与制造系统”和电脑控制中心来完成的。自动化生产工厂也就是无人化工厂，是工业生产的一种发展方向。在这种工厂里，工业机器人成了企业的主宰。

三、我国在工业机器人方面所取得的成绩

我国的工业机器人从20世纪80年代开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人;其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线(站)上获得规模应用，弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外相比还有一定的距离，如:可靠性低于国外产品;机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距;在应用规模上，我国已安装的国产工业机器人约200台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一个客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程。

我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人，6000米水下无缆机器人(图12-4)的成果居世界领先水平，在2001年的云南抚仙湖考古首次采用“CR-02”6000米水下机器人为我们展示了奇异的水下世界;还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种;在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大。

图12-4　水下机器人