机器人论文

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工业机器人的认识与分析

摘要：通过近一个学期的?工业机器人?的课程学习，在教师的讲解和自己课下的学习过程中，

我对机器人技术尤其是工业机器人有了较为深刻的认识。我掌握了工业机器人根本的开展历

程，并了解了机器人的分类和不同场合的性能要求。对于机器人技术有了自己的理解和认识。

并认识到我们的机器人技术还有着极为漫长的道路要走，还需要更加深入的技术探索与研

发。

关键词：工业机器人，开展历程，分类，展望，技术探索，根本知识。

引言：在接触?机器人技术?这门课程之前，对于机器人的理解仅仅局限在动漫和电影里机器

人大战的场面，更现实一些的也是新闻中能有动作的人形机器人。可是一个学期的机器人技

术学习让我意识到了机器人不仅仅是科幻中的威武，更融入了生活中的方方面面，与我们的

生活息息相关。它的技术开展，实际上契合了我们社会的科学技术的进步史。

工业机器人开展历程

早在1954年美国乔治·德沃尔设计出第一台电子可编程序的工业机器人,并于1961年

发表了该项专利,1962年美国通用汽车公司投入使用,标志着第一代机器人诞生。从此,机器人

开场成为人类生活中的现实,随后日本使工业机器人得到迅速的开展。如今,日本已经成为世

界上工业机器人产量和拥有量最多的国家。20世纪80年代,世界工业生产技术上的高度自动

化和集成化高速开展,同时也使工业机器人得到进一步开展,并在这个时期工业机器人对世界

整个工业经济的开展起到了关键性作用。

机器人作为一种具有高度柔性的自动化装备,对提高制造生产线的柔性具有特别重要

的意义,它作为现代制造业的主要自动化装备在制造业中广泛应用,工业机器人及其自动化成

套设备的拥有量和水平是衡量一个国家制造业综合实力的重要标志之一,机器人及其自动化

成套装备已成为目前国内外极受重视的高新技术应用领域。目前,国际上的工业机器人公司

主要分为日系和欧系。日系中主要有安川、OTC、松下、FANUC、不二越、川崎等公司的

产品。欧系中主要有德国的KUKA、CLOOS,瑞典的ABB,意大利的COMAU及奥地利的

IGM公司。据联合国欧洲经济委员会(UNECE)和国际机器人联合会(IFR)的统计,1960~2006

年底,全球已累计安装175万多台,从20世纪下半叶开场,世界机器人产业一直保持着稳步增

长的良好势头,世界工业机器人市场前景非常看好。

工业机器人己成为柔性制造系统(FMS)、计算机集成制造系统(CIMS)、工厂自动化(FA)

的自开工具,据专家预测,工业机器人产业是继汽车、计算机之后出现的一种新的大型高技术

产业。2002年至2004年,根据联合国欧洲经济委员会(UNECE)和国际机器人联合会(IFR)的

统计,世界工业机器人市场前景看好,年增长率平均在10%左右。2005年增长率到达创记录

的30%,其中亚洲工业机器人增长幅度最为突出,高达45%。2007年,全球新安装工业机器人

的数量将超过十万套。

全球现役工业机器人98万台,过去的10年工业机器人的技术水平取得了惊人的进步,

传统的功能型的工业机器人已趋于成熟,各国科学家正在致力于研制具有完全自主能力的、

拟人化的智能机器人。机器人的价格降低约80%,现在仍继续下降,而欧美劳动力本钱上涨

了40%。现役机器人的平均寿命在10年以上,还可能高达15年以上,它们还易于重新使用。

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由于机器人及自动化成套装备对提高制造业自动化水平,提高产品质量、生产效率、增强企

业市场竞争力和改善劳动条件等起到了重大的作用,加之本钱大幅度降低和性能的高速提

升,其增长速度较快。在国际上,工业机器人技术在制造业应用范围越来越广阔,其标准化、

模块化、智能化和网络化的程度也越来越高,功能越来越强,正向着成套技术和装备的方向开

展,工业机器人自动化生产线成套装备己成为自动化装备的主流及未来的开展方向。与此同

时,随着工业机器人向更深更广的方向开展以及智能化水平的提高,工业机器人的应用已从

传统制造业推广到其他制造业,进而推广到诸如采矿、农业、建筑、灾难救援等非制造行

业,而且在国防军事、医疗卫生、生活效劳等领域,机器人的应用也越来越多,如无人侦察机(飞

行器)、警备机器人、医疗机器人、家用效劳机器人等均有应用实例。机器人正在为提高人

类的生活质量发挥着越来越重要的作用,己经成为世界各国抢占的高科技制高点。

我国机器人最早表达在鲁班的机械设计杰作——可飞木鸟中，是最早记录的机器人概念

的作品。之后的张衡创造的地动仪和指南车，三国时的木牛流马，都表达了我国古代劳动人

民的聪明智慧。具有了明显的机器人的功能与构造。自1662年，日本竹田近江创造了机器

玩偶，机器人进入了一个较为迅速的开展阶段。1738年，法国技师设计了机器鸭。1768年，

瑞士钟表匠设计了写字偶人等作品，采用了巧妙地机械构造。1893年，加拿大莫尔设计了

能行走的机器人，之后，机器人在各影视作品中广泛出现，并逐渐赢得了科学家的青睐。

我国的工业机器人研制虽然起步晚，起步于70年代初，其开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多年的开展已经初具

规模。目前我国已生产出局部机器人关键元器件，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效劳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。某些关键技术已到达或接近世界水平。有着广阔的市场潜力，有着众多

的人才和资源根底。在机器人技术根底方面，我国开展了机器人运动学、动力学与构型综合

研究，机器人运动控制算法及机器人编程语言的研究，机器人内、外部传感器的研究与开发，

多传感器控制系统的研究，离线编程技术、自诊断、平安保护技术等，根本掌握了工业机器

人的所有关键技术。在机器人控制装置研制方面，我国已经开发出双处理器、多处理器和分

层控制装置，不少装置已经投入实际应用，主控计算机的档次也逐渐升级。在机器人操作器

研制方面，我国已经能够设计和生产点焊、弧焊、喷漆、装配等各类机器人，不少机器人拥

有自主知识产权。其中，国产自动导引小车市场开拓最为成功，不仅牢牢占据国内市场，而

且批量出口海外。在国家政策的鼓励支持下，在市场经济和国际竞争愈演愈烈的未来，我们

一定能够完全自主制造出自己的工业机器人，并且将工业机器人推广应用到制造与非制造等

广阔的行业中，提高我国劳动力本钱，提高我国企业的生产效率和国际竞争力。

而国外因为如前所述，有着较为悠久的研究和开展历史，所以现在也拥有较为高端的

机器人技术。如日本和美国，在机器人技术的综合研究水平上处于领先的地位。美国是工业

机器人的诞生地，根底雄厚，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

给商，像AdeptTechnologe、AmericanRobot、EmersomIndustrialAutomation等。

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根底上，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开展的方向。

世界上的机器人供给商分为日系和欧系。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。到1980年兼并Trallfa喷漆机器人公司后，其

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机器人产品趋于完备。ABB公司制造的工业机器人广泛应用在焊接、装配铸造、密封涂胶、

材料处理、包装、喷漆、水切割等领域。

德国的KUKARoboterGmbh公司是世界上几家顶级工业机器人制造商之一。1973年研

制开发了KUKA的第一台工业机器人。年产量到达一万台左右。所生产的机器人广泛应用

在仪器、汽车、航天、食品、制药、医学、铸造、塑料等工业，主要用于材料处理、机床装

备、包装、堆垛、焊接、外表休整等领域。

日系是工业机器人制造的主要派系，其代表有FANUC、安川、川崎、OTC、松下、不

二越等国际知名公司。FANUC是世界上最大的机器人制造商之一，并研发了较多的数控系

统。如我们学校的加工实训中心，加工中心数控车床等都是采用了发那科系统。

到目前，机器人技术已经开展呈全新的综合性穿插学科，涉及了力学，机器人拓扑学，

机械学，电子学，生物学等等学科领域。随着机器人的开展也可将机器人开展总结为三个历

程：

第一代机器人：只能以示教再现动作的机器人，目前大多现在应用的机器人都是采用这

一方式。

第二代机器人：带有可感知环境的装置，具有反应控制的技术，并越来越多的应用于现

在的市场中。

第三代机器人：也是智能机器人，具有复杂的感知功能，可以进展复杂的逻辑推理。目

前推广有一定的技术限制。这也是未来的机器人技术的开展方向。

工业机器人的组成及原理

20世纪中期,随着计算机技术、自动化技术和原子能技术的开展,工业机器人开场在美国

得到研究和开展,使其在工业生产中得以广泛使用。工业机器人的最初出现是传统的机构学

与近代电子技术相结合的产物,如今工业机器人是综合了多学科而形成的高新技术产物,是当

代十分活泼的研究开发领域。为了跟上社会进步、经济开展的步伐,工业机器人以不同的种

类正逐步应用在到各行各业,对国民经济开展有着举足轻重的作用。一个机器人系统一般由

操作机〔机械本体〕、驱动单元、控制器和为机器人进展作业而连接的外部设备组成。操作

机是机器人完成作业的实体,它具有与人手臂相似的动作功能；驱动单元是用来为操作机及

各部件提供动力和运动的装置；控制器是对机器人的起动、停顿等进展操作的装置,它指挥

机器人按规定的要求动作；人工智能系统是智能机器人所具有的，它包括了感觉系统和决策、

规划智能系统。

现代工业自动化领域中应用的各种操作机器人是目前工业机器人技术中最成熟的一类，这

种工业机器人实质上是一类能根据预先将程序编制在存储装置中，然后操作程序自动重复执

行，进展完全代替人工作业的自动化机器。工业机器人构成是个闭环系统，通过运动控制器、

伺服驱动器、机器人本体、传感器等部件可以完成人们需要的功能。工厂中高性能通用型工

业机器人一般采用关节型的机械构造，每个关节由独立的驱动电机控制，通过计算机对驱动

单元的功率放大电路进展控制，实现机器人的运动控制操作。关节型工业机器人的组成由人

机界面(示教器)、伺服驱动器、运动控制器(下位机)、机器人本体等组成，通过机器人末端

带不同的夹具来实现不同的功能。示教器是对机器人状态的监控及发出运动指令局部，

是人跟机器人信息交互的唯一窗口;伺服驱动器是对伺服电机的控制，是机械手臂运动的动

力源;运动控制器是各个关节的位姿运算单元，正解和逆解程序的执行、运行都在其中计算。

机器人本体是执行机构，是实现要求功能的最直接部件。

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机器人分类：

按照不同的标准，机器人有着不同的分类。如按照开发内容与应用机器人可分为：工业

机器人，操纵性机器人，智能机器人。其中，工业机器人主要完成工业生产中的作业。操纵

性机器人又可分为效劳机器人和特种作业机器人等，成为较为受关注的方向。智能机器人具

有兴旺的感应系统，具有一定的智能性。

按照性能指标分类，那么有超大型机器人，大型机器人，中型机器人，小型机器人和超

小型机器人。其主要分类标注即为负载能力和作业空间。

按照机器人构造形式分类，又有多种不同的分法如，依据，坐标形式来划分，可分为直

角坐标型，圆柱坐标系，球坐标型和关节坐标型的机器人。依照控制方式来分，可分为电动

和连续轨迹控制机器人。依照驱动方式来分，那么有气力驱动，液力驱动，电力驱动，和新

型驱动方式等。分类标准不同，那么有不同的形式。

随着科学技术的不断进步,我国工业机器人已经走上了自主研发阶段,这样标志着我国

工业自动化走向了新的里程碑。按照工业机器人的关键技术开展过程其可分为三代:第一代

是示教再现机器人,主要由机器人本体、运动控制器和示教盒组成,操作过程比拟简单。第一

代机器人使用示教盒在线示教编程,并保存示教信息。当机器人自动运行时,由运动控制器解

析并执行存储的示教程序,使机器人实现预定动作。第二代是离线编程机器人,该机器人编程

系统是采用离线式计算机实体模型仿真技术,首先建立起机器人及其工作环境的实体模

型,再采用实际的正逆解算法,通过对实体模型的控制和操作。第三代是智能机器人,它除了具

有第一代和第二代的特点以外可带有各种传感器,这类机器人对外界环境不但具有感觉能

力,而且具有独立判断的能力等。

机器人技术应用非常广泛，不同的机器人的应用领域不同，尤其是工业机器人，在制

造业和其他行业中广泛应用。

〔1〕点焊、弧焊机器人

应用在汽车、摩托车、工程机械、锅炉等领域，如点焊汽车底盘、车体等其他部件，

弧焊也可用于装配。

〔2〕喷涂机器人

应用于汽车、建材、家电、机械行业。如汽车整车自动喷漆，汽车发动机、保险杠、

弹簧、板簧、驾驶室等自动喷漆，卫生陶瓷等自动喷釉，玻璃纤维加强水泥预制板的喷涂，

电视机、电冰箱、洗衣机、电脑、手机等外壳自动喷漆，减速器等自动喷漆，汽车灯、车门

防水帘、车身底板、塑料件等自动涂胶等。

〔3〕搬运机器人

应用于机械、汽车制造业，用以完成产品和物料的自动输送。

〔4〕网络机器人

应用在通信和远距离控制，承当环境观测等工作，通过网架实现动作等。

〔5〕其他机器人

如军用机器人，爆炸物处理机器人，检测航路和障碍物机器人，加汽油机器人-定量加

注汽油、柴油、润滑油、清洁液、防冻液等，水下机器人、探月车等。

机器人的根本应用及技术参数

目前机器人主要用于汽车行业和电子行业，在机械制造行业用途最多。如焊接机器人，

喷涂机器人，搬运机器人，装配机器人等，应用极为广泛。机器人的根本组成分为三局部，

机械局部，传感局部与控制局部。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

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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，并进展控制。其中包括六大子系统，

驱动系统，机械系统，感知系统，人机交互系统，机器人-环境交互系统和控制系统。而主

要技术参数为自由度，分辨率，精度，重复定位精度，工作范围和最大工作速度及承载能力。

工业机器人的前景展望

敏捷制造策略的提出，为工业机器人的开展提供了新的机遇。敏捷制造的根本思想是企业

能迅速将其组织和装备重组，快速响应市场变化生产出满足用户需求的个性化产品。敏捷制

造要求企业底层的生产设备具有柔性和可动态重组的能力。机器人是一种具有高度柔性的自

动化生产设备。如果我们站在更高的层次，将机器人视为一种有感知、思维和行动的机器，

那么敏捷生产设备就应当是新一代机器人化的机器。这将为工业机器人的开展提出更高的要

求。

如今，机器人技术正逐渐向具有行走能力，多种感觉能力和对作业环境的较强适应能力

的方向开展。

在兴旺国家中，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开展

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，同时防止了大量的工伤事故。全球诸多国家近半个世

纪的工业机器人的使用实践说明，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开展的有效手段。如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，并到达了其工业机器人开展史的鼎盛时期。而今已在第开

展三、四类工业机器人的路上取得了举世瞩目的成就。日本下一代机器人开展重点有：低本

钱技术、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。

我国工业开展的趋势也契合世界主流技术的开展。我国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,具有中国知识产权的工业机器人那么很少。目前我国机器人技

术相当于国外兴旺国家20世纪80年代初的水平,特别是在制造工艺与装备方面,不能生产高

精细、高速与高效的关键部件。我国目前取得较大进展的机器人技术有:数控机床关键技术

与装备、隧道掘进机器人相关技术、工程机械智能化机器人相关技术、装配自动化机器人相

关技术。现已开发出金属焊接、喷涂、浇铸装配、搬运、包装、激光加工、检验、真空、自

动导引车等的工业机器人产品,主要应用于汽车、摩托车、工程机械、家电等行业。

总体来说，机器人的技术前景如下：

1：工业机器人性能不断提高〔高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修〕，而单机

价格不断下降。

2：机械构造向模块化、可重构化开展。

3：工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向开展，便于标准化、网络化；

器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化构造。

4：机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，

装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器。

5：虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演开展到用于过程控制，如使遥控机

器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。

6：致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥

控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。

工业机器人的技术探索

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计算机技术的不断开展和进步使得机器人技术的开展一次次的到达新的水平。上至航天

技术，下至微型机器人，深海开发。机器人技术已经拓展到全球经济的诸多领域，成为高新

科技的重要组成局部。人类文明的开展和科学技术的进步，已经和机器人技术的研究应用产

生了密切的关系，相辅相成。

机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等

多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活泼，应用日益广泛的领域。机器人应用情况，

也成为一个国家工业自动化水平的重要标志，所以机器人已成为国际研究的热点之一，各国

纷纷探索开拓其实际应用的领域。

机器人技术已经开展呈全新的综合性穿插学科，涉及了力学，机器人拓扑学，机械学，

电子学，生物学等等学科领域。设计的学科范围有：1：机械手设计2：机器人运动学与动

力学3:机器人轨迹设计规划4：机器人驱动技术5：机器人传感器6：机器人视觉7：机器人

控制语言和编程8:智能机器人技术等多方面的技术。

目前针对机器人系统已经掌握了较为系统的技术知识体系。对于机械系统设计应把握的

技术原那么：最小运动惯量，尺度规划材料的选用，刚度的设计，可靠性与工艺性。其对应

的技术要求为：采用最小运动惯量原那么，可增加操作机运动平稳性，提高操作机动力学特

性；当设计要求满足一定工作空间要求时，通过尺度优化以选定最小的臂杆尺寸，这将有利

于操作机刚度的提高，使运动惯量进一步降低；由于机器人从手腕、小臂、大臂到机座是依

次作为负载起作用的，选用高强度材料以减轻零部件的质量是十分必要的；机器人设计中，

刚度是比强度更重要的问题，要使刚度最大，必须恰当地选择杆件剖面形状和尺寸，提高支

承刚度和接触刚度，合理地安排作用在臂杆上的力和力矩，尽量减少杆件的弯曲变形；机器

人是一种高精度、高集成度的自动机械系统，良好的加工和装配工艺性是设计时要表达的重

要原那么之一。仅有合理的构造设计而无良好的工艺性，必然导致机器人性能的降低和本钱

的提高。以上都是我们在实际的机器人制造及检验生产中都必须把握的技术原那么。对于机

器人传感器系统的技术要求，应把握以下几点：精度高、重复性好；稳定性和可靠性好；抗

干扰能力强。

未来的机器人技术将朝着自学习、自适应、智能性控制方向开展，因此对于机器人的技

术提出了更高的要求。如：机器人执行机构研究方面，其重点将集中在各种具有柔性感、灵

巧性手爪和手臂上；机器人的动力和驱动机构要求开发形状记忆合金、人工肌肉、压电元件、

挠性轴等新型驱动器等;解决微型机器人研究的关键技术等。

在目前我们的根底学习中，我们更应该理解并掌握机器人的运动分析，包括齐次坐标及

变换，位姿分析和正向运动学。真正理解了机器人的静力分析和动力学，掌握机器人的轨迹

规划和本体根本构造及控制系统的根本组成。这样，在以后的深入学习中，我们才可能更好

的解决新型机器人技术的关键性障碍，为机器人的技术探索与开展做出自己的奉献。

参考文献

1:机器人技术根底及其应用谢存禧张铁

2:国产机器人走向实用化—机器人技术的应用

3：世界机器人最新统计数据