1工业机器人导论

课程名称 工业机器人导论 题目名称 工业机器人导论 学 院 机电工程学院 专 业 机械设计制造及其自动化 （机电工程方向) 年级班别 2009 级提高（1）班 学 号 3109000383 学生姓名 罗佳彬 指导教师 刘建群 2013 年 5 月 1 工业机器人导论 一、工业机器人技术概念 工业机器人由操作机（机械本体） 、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置 构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业 的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对 稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起 着十分重要的作用。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，是当代研究十分活跃， 应用日益广泛的领域。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标 志。机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器 特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能 力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义 上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性 设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。 二、工业机器人技术发展现状 在普及第一代工业机器人的基础上，第二代工业机器人已经推广，成为主 流安装机型，第三代智能机器人已占有一定比重（占日本 1998 年安装台数的 10%，销售额的 36%） （1 ）机械结构：1）已关节型为主流，80 年代发明的使 用于装配作业的平面关节机器人约占总量的 1/3。 90 年代初开发的适应于窄小 空间、快节奏、360 度全工作空间范围的垂直关节机器人大量用于焊接和上、 下料。2）应 3K 和汽车、建筑、桥梁等行业需求，超大型机器人应运而生。如 焊接树 10 米长、10 吨以上大构件的弧焊机器人群，采取蚂蚁啃骨头的协作机 构。3）CAD、CAE 等技术已普遍用于设计，仿真和制造中。 （2）控制技术：1)大多数采用 32 位 CPU，控制轴数多达 27 轴，NC 技术、 离线编程技术大量采用。2)协调控制技术日趋成熟，实现了多手与变位机、多 机器人的协调控制，正逐步实现多智能体的协调控制。3)采用基于 PC 的开放结 构的控制系统已成为一股潮流，其成本低、具有标准现场网络功能。 （3）驱动技术：1)80 年代发展起来的 AC 侍服驱动已成为主流驱动技术用 2 于工业机器人中。DD 驱动技术则广泛地用于装配机器人中。2)新一代的侍服电 机与基于微处理器的智能侍服控制器相结合已由 FANUC 等公司开发并用于工 业机器人中，在远程控制中已采用了分布式智能驱动新技术。 （4）应用智能化的传感器：装有视觉传感器的机器人数量呈上升趋势，不 少机器人装有两种传感器，有些机器人留了多种传感器接口。 （5）通用机器人编程语言：在 ABB 公司的 20 多个小型号产品中，采用了 通用模化块语言 RAPID。最近美国“机器人工作空间技术公司 ”开发了 RobotScriptV.10 通用语言，运行于该公司的通用机器人控制器 URC 的 Win NT/95 环境。该语言易学医用，可用于各种开发环境，与大多数 WINDOWS 软件产品兼容。 （6）网络通用方式：大部分机器人采用了 Ether 网 络通讯方式，占总量的 41.3，其它采用 RS-232、RA-422、RS-485 等通讯接口。 （7）高速、高精度、多功能化：目前，最快的装配机器人最大合成速度为 16.5m/s。位置重复精度为正负 0.01mm。但有一种速度竞达到 80m/s；而另一种 并连机构的 NC 机器人，其位置重复精度大 1 微秒。 （8）集成化与系统化：当今工业机器人技术的另一特点是应用从单机、单 元向系统发展。百台以上的机器人群与微机及周边智能设备和操作人员形成一 个大群体（多智能体） 。跨国大集团的垄断和全球化的生产将世界众多厂家的产 品连接在一起，实现了标准化、开放化、网络化的“虚拟制造” ，为工业机器人 系统化的发展推波助澜。 三、技术发展趋势 随着计算机技术的不断向智能化方向发展，机器人应用领域的不断扩展和 深化以及在系统（FMS、CIMS）中的群体应用，工业机器人也在不断向智能化方 向发展，以适应“敏捷制造” （AgileManufacturing） ，满足多样化、个性化的 需要，并适应多变的非结构环境作业，向非制造领域进军。 （1）感觉功能：感觉功能方面将实现多传感器信息的融合，以检测多变的 外部环境，做出判断和决策，其实质类似于人的五官和身体的综合感觉功能， 包括视觉、触觉、力觉、滑觉、接近觉、压觉、听觉、味觉、臭觉、温觉等。 研究包括各类传感信息的采集及融合处理、传感器与驱动器一体化技术、感觉 3 功能继承模块等。 （2）控制智能化：由引导教向 NC，离线编程发展，进而发展到进一步应 用。随着系统化、集成化生产的发展，基于 PC 的开放式控制系统将机器人控制 和车间一级控制的发展方向，国外专家预测，2007 年它将占 30。 （3）移动功能的智能化：为解决长距离搬运作业、大作业对象、多作业对 象及极限作业等问题，需开发自主移动系统（包括滑动、滚动、行走、爬行、 跳跃、飞行等） 。 （4）系统应用与集成化：支持以人为核心的生产系统，实现生 产系统中机器人群体协调功能、群智能和多机通讯协议，开发能理解人的意志 的“同事机器人” 。国外专家预测，2000 你后有可能 IMS 要走向 MA(R)S（多智 能体系统） ，而该系统中的“同事机器人” （Cobot）将成为操作人员不可或缺的 伙伴。围绕着各种机器人与人共存的诸多课题，正在兴起一门新学科“软机器 人学” 。 （5）安全可靠性：由于大量不确定因素的存在，要实现智能化的安全可靠 性，机器人必须具有对各种意外情况的应变能力，及时采取预防措施和安全对 策，包括硬件级、软件级、应用级和人机系统级的自诊断和自修复故障。 （6）微型化：向微型化发展，开发毫米级机器人，用于微加工、医学、宇 宙和海洋开发等领域。就使用性和成本来看，毫米级最可行。 （7）多传感器信息融合与配置技术：机器人的传感器配置和融合技术在 水泥生产过程控制和污水处理自动控制系统中的应用包括面向工艺过程的多传 感器融合和配置技术；采用智能传感器的现场总线技术；面向工艺要求的新型 传感器研制。机电一体化智能传感器：包括具有感知、自主运动、自清污 （自调整、自适应）的机电一体化传感器研究；面向工艺要求的运动机构设计、 实现检测和清污的自主运动；调节控制系统；机器人机构和控制技术在传感器 设计中的应用。 四、国外工业机器人现状 机器人是最典型的机电一体化数字化装备，技术附加值很高，应用范围很 广，作为先进制造业的支撑技术和信息化社会的新兴产业，将对未来生产和社 会发展起越来越重要的作用。国外专家预测，机器人产业是继汽车、计算机之 后出现的新的大型高技术产业。据国际机器人联合会（IFR）统计，世界机器人 4 市场前景看好，从 20 世纪下半叶起，世界机器人产业一直保持着稳步增长的良 好势头。进入 90 年代，机器人产品发展速度加快，年增长率平均在 10%左右， 2000 年增长率上升到 15%，预计 21 世纪初，工作在各领域的工业机器人将突 破 100 万台。正如2l 世纪日本创建机器人社会技术发展战略报告 指出， “机 器人技术（RT）与信息技术（IT）一样，在强化产业竞争力方面是极为重要的 战略高技术领域。培育未来机器人产业是支撑 2l 世纪日本产业竞争力的产业战 略之一，具有非常重要的意义。 ”最近，韩国也将智能机器人作为十大战略产业 之一列入国家发展规划（20032007 年） ，现正在实施中。 机器人广泛应用于各行各业。主要进行焊接、装配、搬运、加工、喷涂、 码垛等复杂作业。目前，全球现役工业机器人 83 万台。过去 10 年，机器人的 价格降低约 80%，现在继续下降，而欧美劳动力成本上涨了 40%。现役机器人 的平均寿命在 10 年以上，可能高达 15 年，它们还易于重新使用。由于机器人 及自动化成套装备对提高制造业自动化水平，提高产品质量和生产效率、增强 企业市场竞争力、改善劳动条件等起到了重大的作用，加之成本大幅度降低和 性能的迅速提高，其增长速度较快。据国际机器人联合会及联合国欧洲经济委 员会（UCENE）统计，如表 l 所示，2001 年机器人安装量为 7.8 万台套，年增 长率 9%。机器人的应用主要有两种方式，一种是机器人工作单元，另一种是带 机器人的生产线，并且后者在国外已经成为机器人应用的主要方式。以机器人 为核心的自动化生产线适应了现代制造业多品种、少批量的柔性生产发展方向， 具有广阔的市场发展前景和强劲生命力，已开发出多种面向汽车、电气机械等 行业的自动化成套装备和生产线产品。在发达国家，机器人自动化生产线已形 成一个巨大的产业，年市场容量约为 1000 亿美元。像国际上著名公司 ABB、Comau、KUKA、BOSCH 、NDC、SWISSLOG、村田等都是机器人自动 化生产线及物流与仓储自动化设备的集成供应商。 据日本工业机器人协会统计，早期的日本工业机器人产业年产值约为 50 亿 日元，经过 70 年代的应用期和 80 年代的普及期，1981 年产值达到 1000 亿日 元，到 1991 年提高到 6000 亿日元，到 2000 年，其产值达到 10800 亿日元， 2005 年将达到 18500 亿日元。据国际机器人协会统计，2003 年工业机器人发货 量呈现强劲增长势头。与 2002 年相比，2003 年全球范围内机器人的订货量增 5 长约 10%以上。预计，工业机器人的世界市场将从 2002 年的 68600 台套增长到 2006 年的 91100 多台套，年平均增长 7.4%。 五、国内工业机器人现状 我国的机器人研究开发工作始于 20 世纪 70 年代初，到现在已经历了 30 年 的历程。前 10 年处于研究单位自行开展研究工作状态，发展比较缓慢。1985 年后开始列入国家有关计划，发展比较快。特别是在“七五” 、 “八五” 、 “九五” 机器人技术国家攻关、 “863”高技术发展计划的重点支持下，我国的机器人技 术取得了重大发展。在机器人基础技术方面：诸如机器人机构的运动学、动力 学分析与综合研究，机器人运动的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，具有多传感器控制系统的研究，离线编程技术、 遥控机器人的控制技术等均取得长足进展，并在实际工作中得到应用。 在机器人的单元技术和基础元部件的研究开发方面：诸如交直流伺服电机 及其驱动系统、测速发电机、光电编码器、液压（气动）元部件、滚珠丝杠、 直线滚动导轨、谐波减速器、RV 减速器、十字交叉滚子轴承、薄壁轴承等均开 发出一些样机或产品。但这些元部件距批量化生产还有一段距离。 在机器人控制装置的研制方面：已开发出具有双 CPU、多 CPU 和分级分层控制 的机器人控制装置多台，主控计算机的档次也逐渐升级。 在机器人操作机研制方面：已开发出一些先进的操作机和特种机器人，如 AGV（自动导引车） ，壁面爬行机器人，重复定位精度为O.024mm 的装配机器 人，可潜入海底 6000m 的水下机器人，移动机器人，移动遥控机器人，主从操 作机器人等，有些已达实用化水平并用于实际工程。 在机器人的应用工程方面：目前国内已建立了多条弧焊机器人生产线，装 配机器人生产线，喷涂生产线和焊装生产线。国内的机器人技术研发力量已经 具备了大型机器人工程设计和实施的能力，整体性能已达到国际同类产品的先 进水平，而整体价格仅为国外同类产品的三分之二甚至一半，具有很好的性能 价格比和市场竞争力。 据统计， “九五”期间，我国工业机器人的需求量以每年 30以上的速度增长。 2000 年，我国工业机器人的拥有量约为 3500 台，其中以点焊、弧焊、喷漆、 6 注塑、装配、搬运、冲压等各类机器人为主，销售额为 67 亿元。19862000 年产品销量如表 3 所示。据有关专家预测，我国机器人 2005 年拥有量将增至 7600 台，年销售额为 28.7 亿元；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，到 2015 年中国机器人市场的容量约达十几万台套。我国近几年机器人自动化生产 线已经不断出现，并给用户带来显著效益。随着我国工业企业自动化水平的不 断提高，机器人自动化线的市场也会越来越大，并且逐渐成为自动化生产线的 主要方式。我国机器人自动化生产线装备的市场刚刚起步，而国内装备制造业 正处于由传统装备向先进制造装备转型的时期，这就给机器人自动化生产线研 究开发者带来巨大商机。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，年需求此类自动化线就达 300 多条，产值约为 60 多亿元人民币。预计在 2005 年左右需求此类自动化生产线达到 600 条。据初步 测算， “十一五”期间汽车制造业的需求市场容量将达到 800 多亿元人民币。 我国现有主要生产工业机器人厂家其生产规模较小，这与当前市场需求有 较大差距。生产规模达到大批量生产能力，才能提高机器人的稳定性、可靠性 及降低成本，才能占领国内市场。目前主要生产第一代示教再现型机器人。随 着建筑施工、石化、食品、核工业、水下、高空及微加工行业的需求，将推出 一批新机型，如大负载、高精度、蛇形的、无人飞行器以及家用、病人护理、 盲人引导犬等。目前正在逐步建立上海、沈阳、北京机器人及其自动化生产线 产业基地，开发出一批有市场前景的，具有自主知识产权的机器人及其自动化 生产线产品。进一步加强与外企合作，引入先进技术及资金使我国成为国际生 产机器人基地，占领国内市场，走向世界。 六、工业机器人市场现状 1、工业机器人的需求情况 工业机器人发展长期以来受限于成本较高与国内劳动力价格低廉的状况,随 着中国经济持续快速的发展,近几年的国民生产总值年平均增长率更是保持在 9%左 右,人民生活水平不断地提高,劳动力供应格局已经逐步从“买方”市场转为 “卖方”市场、由供远大于求转向供求平衡。作为制造业主力的农民工也从早 7 期的仅解决温饱问题到现在对薪资和工作条件提出了更高的要求。这些情况使 得许多劳动密集型企业为了提高劳动生产率所采用的增加工人数量、延长工人 劳动时间的方法变得成本高昂,同时也受到法律的限制和政策的阻碍。无论是企 业还是社会都认识到必须采取从改善机器设备入手,提高技术和资金的密集度来 减少用工量以应对这种改变。总之,劳动力过剩程度降低、单个工人成本上升、 对产品质量更高的要求、国家对装备制造业的重视等变化改善了机器人的使用 环境,工业机器人及技术在中国已逐步得到了政府和企业的重视。随着机器人知 识的广泛普及,人们对于各种机器人的了解与认识逐步深化,利用机器人技术提 升我国工业发展水平、从制造业大国向强国转变,提高人民生活质量成为全社会 的共识。 2、工业机器人的销售情况 国家 863 机器人技术主题自成立以来一直重视机器人技术在产业中的推广 和应用,长期以来推进机器人技术以提升传统产业,利用机器人技术发展高新产 业。目前,政府正在使用各种办法加大中国装备制造业在市场中占据的份额,并 提供优惠措施鼓励更多企业使用机器人及技术以提升技术水平。国内越来越多 的企业在生产中采用了工业机器人,各种机器人生产厂家的销售量都有大幅度的 提高。根据我国海关统计,最近 4 年来许多企业在华的销售量甚至是前面十几年 销售量的几倍,年平均增长率超过 40%。2001 年我国工业机器人海关进出口数量 不过是 3774 台,国内生产数量约 700 台左右。2004 年市场规模已经增长到万台 左右,数量和金额相对于 2001 年都增长了两倍。2004 年国产工业机器人数量突 破了 1400 台,产值突破 8 亿元人民币。进口机器人数量超过 9000 台,其中多功 能机器人约 1700 台,简易机器人 7500 台,进口额约 25 亿美元。德国 CLOOS 公司 在华焊接机器人销售量 2000 年以前为 47 台,2000 年以后已经突破 121 台,销售 量翻了近 3 倍。可以预见,中国的工业机器人产业不久后将会作为一种在国民经 济中占据重要地位的产业而存在。 3、国内工业机器人的市场特征 （1）.以汽车制造业为主的制造业发展促进了工业机器人的发展。汽车制造业 属于技术、资金密集型产业,也是工业机器人应用最广泛的行业。在我国,工业 机器人的最初应用是在汽车和工程机械行业,主要用于汽车及工程机械的喷涂及 8 焊接。2000 年开始,受国家宏观政策调控及居民消费水平提高的影响,我国汽车 工业进入了一个高速增长期。面对这种局面,国际汽车巨头纷纷进入中国市场并 与我国企业合资设厂或扩大原有生产规模,国内企业也纷纷转型或加大对汽车行 业的投资,整个行业增产扩能增加了对工业机器人需求。据不完全统计,最近几 年国内厂家所生产的工业机器人有超过一半是提供给汽车行业的,海关进出口增 长数据与汽车行业增长数据具有较高的相关度。可知,汽车工业的发展是近几年 我国工业机器人增长的原动力之一。 （2.）沿海经济发达地区是工业机器人的主要市场。我国工业机器人的使用集 中在广东、江苏、上海、北京等地,工业机器人的拥有量占全国的一半以上,这 种分布态势和增长趋势符合我国现阶段经济发展状况。我国经济最具活力的地 区已经从珠江三角洲地区扩展到长江三角洲地区,而且长江三角洲地区在制造业 中所占的比重越来越大。 （3）外商独资企业、中外合资企业和国有企业是工业机器人的主要客户。工业 机器人属于技术含量高,价格相对昂贵的制造装备,采用工业机器人较多的企业, 一般对产品的质量要求较高,企业在市场上具有更高的影响力。现阶段,工业机 器人使用量最多的仍是外商独资或中外合资企业。国有企业也在加大对工业机 器人的采购用于技术改造,如汽车行业中的一汽、二汽、上汽等,它们的产品在 市场上已经具有了相当强的竞争力,它们对工业机器人有着较大的需求,同时采 购上它们能够得到国家和政府的支持,因此制造业中的大中型国有企业的工业机 器人使用量一直很大,而且在未来相当长的时间内仍将保持这种增长势头。另外,我 国的民营企业正逐渐认识到工业机器人的优势,对工业机器人的采用量也在逐步 增加,虽然装备的数量上与以上企业仍存在较大差距,但是增长的速度惊人,将很 快成为工业机器人市场的重要客户。 （4）国内进口工业机器人的国家和地区分布。20012004 年我国进口的工业 机器人主要来自日本与台湾,2004 年日本对华出口金额占我国进口工业机器人 金额的一半。 七、工业机器人产业未来发展 目前国际机器人界都在加大科研力度，进行机器人共性技术的研究，并朝 9 着智能化和多样化方向发展。主要研究