产业机器人

[拼音]：chanye jiqiren

[外文]：industrial robot

计算机控制的可再编程的多功能操作器，又称工业机器人。它能在三维空间内完成多种操作。一般的产业机器人，如工业用机器人由手臂、腕、末端执行器和机身等部分组成，具有类似人类上肢的多自由度的运动功能，较高级的产业机器人是具有感觉、识别和决策功能的智能机器人。

发展概况

产业机器人出现于20世纪50年代。1954年，美国的G.C.德沃申请具有记忆和重复操作功能的机器人专利。1958年根据这个专利研制出机器人样机。1960年美国开始使用“产业机器人”一词。1962年前后生产出弗塞特兰和尤尼梅特两种产业机器人产品。60年代中期，日本、英国等国相继引进产业机器人并开展了相应的研究工作。产业机器人的应用能提高生产率，改善劳动条件,把人从危险、恶劣等劳动环境下替换出来,因此各方面对它的需求量日益增长，而自动控制、微型计算机的发展又为提高产业机器人的性能和降低成本创造了有利条件。据80年代初统计，世界产业机器人的台数每年以30～40％的速率增长。第一代的示教再现型产业机器人开始普及，具有感觉(触觉、视觉等)功能的第二代产业机器人也开始投入使用。第三代产业机器人──智能机器人处于研究实验阶段。

种类和功能

产业机器人的种类繁多，分类方法也不统一。可按运动形态、运动轨迹、驱动方式、输入信息方式进行分类（图1）。产业机器人按手臂运动形态可分为直角坐标型（图2c）、圆柱坐标型（图2a）、极坐标型（图2b）和多关节型（图2d）。直角坐标型活动范围大；极坐标型能俯仰、回转和伸缩,可拾取地面的物品;圆柱坐标型能上下、伸缩和回转，占地小；而多关节型动作灵活、可以绕开障碍抓取工件，但抓的重量不大，结构和控制复杂。产业机器人按驱动方式分类，有液压式、气动式、电动式三种。液压式的操作力大、体积小（与气动相比）、动作平稳,但漏油问题不易解决，需要高压油源，功耗大,油路管道多，安装维修不方便。气动式比液压式干净，但出力比液压小，常用于简易机器人，作为机器人的手爪夹紧机构。电动式传动机构体积小、反应灵敏，有利于提高机器人的速度。采用这种驱动方式的机器人日渐增多。产业机器人按输入信息方式分类，可分为可编程序型机器人、数控机器人和智能机器人。可编程序型机器人是根据在线编程（示教）或离线编程的程序按顺序地进行各阶段动作的操作器，预定的程序是可变的。数控机器人是按照穿孔纸带、卡片或数字键盘所给的指令程序、位置或其他信息进行作业的操作器。智能机器人是通过感觉和识别来决定行动的机器人。工业中应用较多的是示教再现机器人和有感觉的产业机器人。机器人按照控制方式可分为点位控制型和连续轨迹型。前者只严格控制机器人的手从一点到另一点的位置，不控制移动轨迹，例如抓放式机器人，只控制它将工件从某一位置上抓起和放到需要的位置，而不管它沿着什么路径移动。后者不但严格控制起止位置，还严格控制移动轨迹，例如焊缝的长度和形状（直线、圆弧或某种曲线）都是确定的，要求机器人的手严格按照焊缝进行焊接，而不能偏离焊缝去选择另外的移动路径（见弧焊机器人）。连续轨迹控制系统一般由插补器（直线插补器、圆弧插补器或其他二次曲线插补器）构成。此外，采用电子计算机和现代控制理论方法构成机器人决策系统和适应控制系统，可以扩大机器人的功能和适应能力。

示教再现机器人

这种机器人的编程由操作员通过示教操作盘或直接把持操作器末端的执行器（手爪）来完成。机器人还通过具有存储装置的伺服控制系统把动作的相应位置、动作范围、动作速度、顺序等信息存入存储器中，需要时读出记忆的信息再现示教的动作。

70年代以来，出现了由微型计算机和接口组成的机器人控制系统，它由示教操纵器、控制板、键盘、显示器等部分组成，只要输入起点和终点的位置、运动轨迹和方向等数据，控制系统就能自动进行插值和坐标变换的几何运算，然后将数据分配给机器人的各坐标系统以控制调节手爪的位置。采用示教方法编程比较费事，在现场编程时还得把生产停下来。如果采用程序设计语言，把机器人的程序编译成人机对话形式，事先把程序和数据存储在存储器内，操作人员只要用程序语言在键盘上把指令输入到计算机中，计算机就能通过记忆装置、演算装置和驱动装置使机器人按指令完成动作。这种方式能在现场随时编制程序。

有感觉的产业机器人

一般的产业机器人没有感觉，工件存放位置、姿态稍有改变机器人就束手无策。70年代以来出现带有传感器的产业机器人。例如，加工用的机器人若装上传感器（触觉、视觉等），就能判断工作对象的位置是否正确。如果工件在正确位置上就直接抓握，并把工件装到机床或托板上，或者卸下来。如果工件的位置与规定位置不符，则根据传感器的信号进行修正后再抓握。具有视觉的适应系统是一种较为完善的机器人系统，它能根据视觉输入信息及时在计算机中形成关节的位置和路径数据，并将数据送至接口以控制手臂动作，而不必预先用编程方法确定位置和路径数据。例如传送带上的零件是一个运动目标，机器人要跟踪并抓起它就需要具有决策和适应能力，这就要求机器人确定在每一种情况下手应该在什么位置，实时计算出所有关节的相应角位移。产业机器人具有识别对象的位置、状况并作出相应动作的能力，便向智能化前进了一大步。

应用

产业机器人主要用于工业领域，如压力加工、机械加工、焊接、喷涂、装配、电镀、铸造等。

压力加工

一般的压力加工作业在一个工序上只进行几秒钟，由人取放工件具有很大的危险性。采用机器人来完成取料、上料、定位、加工、取出工件等作业，既能保证人身安全生产效率又高。

机械加工

在机械制造厂中，工人劳动量约70％用于传送和装卸工件。这些操作虽然简单，但由于要经常更换各种工件和刀具，加工工序多变，普通的装卸和传送机构很难胜任，只有用机器人才能实现这些操作的自动化。在单机或机械加工自动线上，可用机器人抓取传送工件、刀具和材料等。机器人与数控机床、计算机辅助设计和制造等技术结合可构成柔性加工系统，实现生产过程高度自动化。

焊接

焊接作业的环境恶劣,对人体有害,是应用机器人较多的领域。点焊机器人以固定在手部的电极来定位，按照对机器人示教的指令进行点焊作业。弧焊机器人能沿指定的轮廓，以符合电弧焊接规范的运动速度移动固定在手部的焊钳进行焊接工作。在精密焊接中，需要采用带视觉传感器的连续轨迹控制的机器人，靠传感器确定运动轨迹与焊缝中心的偏离量，并产生校正信号，控制撑动回转台的运动，使构件精确地处于理想焊缝位置上。此外，校正信号还通过参数控制接口来调整焊接电压和焊丝的进给速度以保证焊缝质量。

喷涂

喷涂也是对人体危害较大的作业。产业机器人在手部装以喷枪，可对物件一边作相对运动一边喷涂。它能精确地控制喷枪与物件表面的距离，喷涂均匀、节省涂料（见喷漆机器人）。

装配

装配是需要手工操作最多的工种之一。用一般的自动装置无法替代。采用机器人可实现自动装配。装配机器人要比其他机器人更为灵巧和完善。例如人将轴承装入轴承孔内是通过视觉和手指的感觉获得配合是否准确的反馈信息，再通过手指对轴承不断地进行调整，直到使两者配合程度合适为止。机器人要做到这一点，必须装上传感器,具有触觉和视觉功能。70年代以来,已研制出自动装配电机、制动器、打字机等产品的各种装配机器人。

展望

微型计算机、自动控制、机构学、模式识别和人工智能的发展，为进一步提高产业机器人性能、降低成本和扩大应用范围创造了技术条件。有待研究的课题涉及组合化、传感器、图像识别、人工智能、机器人用的高级语言、扩大应用范围等方面的问题。

（1）组合化、小型化和轻量化:从形态和结构上改进,研制成本低、能满足多种要求的产业机器人系统。

（2）传感器：研制触觉传感器、力觉传感器、滑觉传感器等。视觉传感器除电视摄像机外，还研究采用红外线、超声波、磁场等手段的新型视觉系统。

（3）智能机器人：利用模式识别技术作为识别外界环境的手段，研制能根据感觉信息采取某些决策行动的产业机器人，用于工厂生产线上的装配和检验工序。

（4）用于机器人的高级语言：在发展产业机器人的硬件的同时还须同时发展软件，尤其是需要研制出适于产业机器人普及的高级语言。

（5）扩展机器人的应用范围：80年代以来，产业机器人的应用开始从机械工业向建筑、采掘、农业、林业、水产、社会福利、原子能利用、宇宙开发、海洋开发等方面扩展。人们正在研制或完善建筑用高空作业机器人、采掘作业机器人、水下机器人以及极限作业机器人等。

参考书目

1. 合田周平、木下源一郎著,王棣棠译:《机器人技术》，科学出版社，北京，1977。（合田周平、木下源一郎：《ロボツトエ学》ュロナ社，東京，1977。）

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