机器人发展史

1、工业机器人的发展史讲解思路概述目的：使更多的学生了解、明白什么是工业机器人并且喜爱上它怎么了解？使用工业机器人的发展史来贯穿以下几点什么是工业机器人？为什么会出现工业机器人？工业机器人能干什么？机器人的发展史。未来机器人的走向。我国目前机器人的情况。什么是工业机器人？主要介绍原理和分类。为什么会出现机器人？首台工业机器人出现的原因和其工业机器人功能。说到功能涉及出机器人能干什么原因涉及出机器人的发展史（机器人的历程，未来机器人的走向，我国目前机器人的情况）1 工业机器人的原理及分类国际机器人联合会将机器人定义如下:机器人是一种半 自主或全自主工作的机器,它能完成有益于人类的 工作,应用于生产过

2、程称为工业机器人,应用于特 殊环境称为专用机器人(特种机器人),应用于家庭 或直接服务人称为(家政)服务机器人。这种内涵广 义的理解是机器人自动化机器,而不应该理解为如翻译的像人一样机器。 20 世纪中期,随着计算机技术、自动化技术和 原子能技术的发展,工业机器人开始在美国得到研 究和发展,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,是当代十分活跃的研究开 发领域。为了跟上社会进步、经济发展的步伐,工 业机器人以不同的种类正逐步应用在到各行各业, 对国民经济发展有着举足轻重的作用。1.1工业

3、机器人的工作原理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,进行完全代替人工作 业的自动化机器。其系统构成如图 1 所示。 图 1工业机器人系统基本构成 由图 1 可知,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 节型的机械结构,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行控制 ,实现机器人的运动控制操作。 其控制系统原理流程图如图 2 所示。

4、 图 2工业机器人控制系统原理图由图 2 可知,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 控及发出运动指令部分,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。1.2工业机器人的分类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

5、程碑。按照工业机器人的关 键技术发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 较 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。 这类机器人通常采用点到点运动,连续轨迹再现的 控制方法,可以完成直线和圆弧的连续轨迹运动, 然而复杂曲线的运动则由多段圆弧和直线组合而 成。由于操作的容易性、可视性强,所以在当前工 业中应用最多。 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

6、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,在离 线的情况下进行路径规划,然后通过编程对实体模 型进行三维动画仿真,以检验编程的正确性,最后 将正确的代码传递给机器人控制柜,以控制机器人 运动,完成了离线编程。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、记 忆 、推 理 和 决 策 的 能 力 ,能 适 应 外 部 对 象 、环 境 协 调地工作,能完成更加复杂的动作。在工作时通过 传感器获得外部的信息,并进行信息反馈,然后灵 活调整工作状态,保证在适应环境

7、的情况下完成工 作。此机器人用在弧焊和搬运工作中较多。 在我国,由于机器人技术以及研发的落后,工 业机器人主要应用在制造业,如汽车制造行业和工程机械行业,主要用于汽车及工程机械的喷涂、焊接及搬运岗位。 2工业机器人的的出现早在 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,机器人开始成为 人类生活中的现实,随后日本使工业机器人得到迅 速的发展。 3机器人的发展史现代工业机器人的发展开始于 20 世纪中期, 依托计算机、自动化以及原子能的快速发展。为 了满足大

8、批量产品制造的迫切需求,并伴随着相关 自动化技术的发展,数控机床于 1952 年诞生,同 时数控机床的控制系统、伺服电动机、减速器等关 键零部件为工业机器人的开发打下了坚实的基础; 同时,在原子能等核辐射环境下的作业,迫切需要 特殊环境作业机械臂代替人进行放射性物质的操作 与处理,基于此种需求,1947 年美国阿尔贡研究所 研发了遥操作机械手,1948 年接着研制了机械式 的主从机械手。1954 年美国的戴沃尔对工业机器 人的概念进行了定义,并进行了专利申请。1962 年美国的 AMF 公司推出的“UNIMATE”,是工业 机器人较早的实用机型,其控制方式与数控机床 类似,但在外形上由类似于人

9、的手和臂组成。1965 年,一种具有视觉传感器并能对简单积木进行识别、 定位的机器人系统在美国麻省理工大学研制完 成。1967 年机械手研究协会在日本成立,并召开 了首届日本机器人学术会议。1970 年第一届国际 工业机器人学术会议在美国举行,促进了机器人相 关研究的发展。1970 年以后,工而机器人的研究得 到广泛、较快的发展。1967 年日本川崎重工业公司首先从美国引进机器人及技术,建立生产厂房,并于 1968 年试制出 第一台日本产通用机械手机器人。经过短暂的摇篮阶段,日本的工业机器人很快进入实用阶段,并由汽车业逐步扩大到制造业其他领域。1980年被称 为日本的“机器人普及元年”,日本开

10、始在各个领域 推广使用机器人,这大大缓解了市场劳动力严重短 缺的社会矛盾。19801990年日本的工业机器人处 于鼎盛时期。20 世纪 90 年代,装配与物流搬运 的工业机器人开始应用。 从 1960 年开始,经过 50 年发展,工业机器人 产业化整机的世界规模 100 亿120 亿美元,年销售 台套 16 万台套,累计装机量 120 万150 万台套, 考虑相关软件、零部件及系统集成应用整体规模在 300 亿500 亿美元市场,近 5 年市场增长率 10%。 4现代工业机器人功能自从 20 世纪 60 年代以来,工业机器人在工业 发达国家越来越多的领域得到了应用,尤其是在汽 车生产线上得到了

11、广泛应用,并在在制造业中,如毛坯制造(冲压、压铸、锻造等)、机械加工、焊接、 热处理、表面涂覆、打磨抛光、上下料、装配、检测及仓库堆垛等作业中得到应用,提高了加工效率与产品的一致性。作为先进制造业中典型的机电 一体化数字化装备,工业机器人已经成为衡量一个 国家制造业水平和科技水平的重要标志。5现代工业机器人各国发展计划工业机器人作为高端制造装备的重要组成部 分,技术附加值高,应用范围广,是我国先进制造 业的重要支撑技术和信息化社会的重要生产装备, 将对未来生产和社会发展及增强军事国防实力都具 有十分重要的意义,有望成为继汽车、飞机、计算 机之后出现的又一战略性新兴产业。世界各国工业机器人发展计

12、划。世界各国纷纷将突破机器人技术、发展机器人产业摆在本国科技发展的重要战略地位。美国、日本、欧洲、韩国等国家和地区都非常重视机器人技术与产业的发展,将机器人产业作为战略产业,纷纷制定其机器人国家发展战略规划。5.1 别国工业机器人发展计划美国相关机器人发展计划。美国机器人发展起 步早,其发展思路是立足于相关机器人核心技术实 现产业化,并提出了相关的工业机器人发展计 划。2011 年 6 月美国总统奥巴马在卡耐基梅隆 大学讲话中,提出“NRI 国家机器人发展计划 (NASA,NSF,NIH)”,希望振兴美国制造业。 接着,美国在 2013 年 3 月提出了“美国机器人发展 发展路线图”,将围绕制

13、造业攻克工业机器人的强适 应性和可重构的装配、仿人灵巧操作、基于模型的 集成和供应链的设计、自主导航、非结构化环境的 感知、教育训练、机器人与人共事的本质安全性等 关键技术。 日本相关工业机器人发展计划。日本一贯将工 业机器人技术列入国家的发展计划和重大项目,不 论在技术方面,还是在市场规模方面,日本称得上 是“机器人大国”。日本提出了机器人路线图,包含 三个领域,即“新世纪工业机器人”、“服务机器 人”和“特种机器人”,并从技术图中的重要技术 明确其性能和技术指标,并提到创建和扩大机器人 的早期市场,缩短满足多种需求的机器人的开发时 间、降低成本、扩大加入的企业。智能机器人技术 软件计划(2

14、0072011 年)资助 9700 万人民币,基本 机器人技术开放式创新改进传统技术(20082010年)资助约 1 000 万人民币,先进机器人单元技 术战略开发计划(20062010 年)预算 5 447 万人民币。欧洲相关工业机器人发展计划。欧盟第七研发框架计划(20072013 年)投入机器人研究经费达 6 亿欧元,未来的研究计划(20132020 年)对机器人 研究的经费投入将达到 140 亿欧元,另外还提出了 20022022 年欧洲机器人研究与应用的路线图。韩国相关工业机器人发展计划。韩国工业机器 人产业起步较晚,但发展速度较快。韩国于 20 世纪 80 年代末开始大力发展工业机

15、器人技术,在政府的 资助和引导下,由现代重工集团牵头,用了 10 年的 时间形成其工业机器人体系,目前韩国的汽车工业 大量应用其本国的机器人。韩国将机器人与互联网 相结合,提出了“839”战略计划，其中智能机 器人是其提出的九项核心技术之一。韩国在 2003 年提出了“十大未来发展动力产业”计划,2004 年 韩国信息通信部提出“IT839”计划,及其“无 所不在的机器人伙伴”项目,2008 后每年 4 000 亿 韩元(约合 22 亿人民币);2009 年韩国政府提出 了“第一次智能型机器人基本计划”,计划在 2013 年以前投入 1 万亿韩元(约合 55 亿人民币)。 世界工业机器人的发展

16、模式。世界各国的工业 机器人产业发展过程,分为三种不同的发展模式, 即日本模式、欧洲模式和美国模式。 新一轮工业革命呼唤着工业机器人产业的发展,市场激烈竞争、小批量多品种客户定制、劳动力成本不断上升、新技术突破进步对工业机器人存在着迫切的需求。信息化、智能化、绿色化将是未来制造业的重要发展方向,以工业机器人等为主体的技术与装备将成为未来制造强国的重要标志,在促进我国智 能制造的发展,推动工业机器人产业化突破方面具有重要的意义。 随着我国劳动力成本的逐年增加,老龄化社会的到来,可进行传统加工制造业的一线工人将保 持逐年减少的趋势,同时社会服务的成本将增加, 我国对工业机器人及自动化加工装备的需求

17、将逐步 增加。国际制造环境竞争的日益激烈,客户可定制、 柔性加工制造、成本投入与效率提高、整合全球资 源逐渐成为制造业竞争力的核心要素。 因而,我国工业机器人的市场需求是刚性与持 续的,期望一个新时代到来,厂厂都有机器人。 工业机器人发展的临界点已经到来,工业机器人发 展将是中国制造业历史上一次机遇与革命。52国内工业机器人技术与产业发展现状我国工业机器人面临着历史上难得的发展机遇,包括政策红利、经济转型升级等刚性需求的释 放。制造业的转型升级将推动我国高端制造装备的 发展,我国制造业需要实现从“大”到“强”,同时 国内外经济环境的变化将倒逼产业转型升级,我国 制造业将从依靠廉价劳动力、破环资

18、源与环境的粗 放式发展模式向依靠提高生产效率、环境友好型的 精细式发展模式进行转变。工业机器人作为我国高 端装备制造的基础设备之一,是我国“十二五”发 展规划中高端制造装备战略性新兴产业的重要组成 部分,也是其他战略性新兴产业发展的重要基础装 备。随着我国产业的逐步转型升级,以工业机器人为代表的智能装备将实现爆发式增长。 长期以来,由于我国人口众多、劳动力价格低廉、生产技术水平相对落后,工业机器人的应用受到了很大限制。但是,随着工业机器人价格的降低和性能指标的提高,我国人工成本的增加、工作环境的改变和多元化的市场竞争,各企业面临着重重压力。工业机器人及配套的自动化装备作为一个速成长中的新兴产业

19、,将对未来生产和社会发展发挥着越来越重要的作用。据统计,“十一五”期间,我国工业机器人的 需求量快速增长,市场规模数据如图 4、图 5 所示(数 据来源:IFR)。截止 2010 年,我国工业机器人拥 有量达到 4 万台以上,主要包括焊接、喷涂、注塑、 装配、搬运、冲压等各类机器人。 国内在工业机器人研发方面,沈阳新松机器人 自动化股份有限公司在自动导引车(Automated guided vehicle,AGV) 等方面取得重要市场突破, 哈尔滨博实自动化股份有限公司重点在石化等行业 的自动包装与码垛机器人方面进行产品开发与产业 化推广应用,广州数控设备有限公司研发了自主 知识产权的工业机器人产品,用于机床上下料 等,