10项目一 工业机器人基础知识 目录

项目一工业机器人基础知识1介绍

现在的制造行业中，工业机器人已经成为生产的主角，不仅仅是在汽车、电子这种传统行业里，现在像是医药、物流这类新兴的行业中，工业机器人的发展势头也是越来越良好。本项目就机器人的发展史及响应的分类和工业机器人的基本结构作了详细的介绍，就工业机器人的工种进行分类阐述。2目录任务一工业机器人发展史3任务二工业机器人定义和分类任务三工业机器人系统组成任务四工业机器人主要技术参数任务五工业机器人使用安全注意事项任务一工业机器人发展史一、从国外的技术发展历程来看，工业机器人技术的发展经历了三个阶段。

工业机器人领域的第一件专利由乔治·德沃尔在1958年申请，名为可编程的操作装置。约瑟夫·恩格尔伯格对此专利很感兴趣，联合德沃尔在1959年共同制造了世界上第一台工业机器人，称之为Robot，其含义是“人手把着机械手，把应当完成的任务做一遍，机器人再按照事先教给它们的程序进行重复工作”，并主要用于工业生产的铸造、锻造、冲压、焊接等生产领域，特称为工业机器人。1.产生和初步发展阶段：1958年-1970年5任务一工业机器人发展史任务一工业机器人发展史2.技术快速进步与商业化规模运用阶段：1970年—1984年

这一时期的技术相较于此前有很大进步，工业机器人开始具有一定的感知功能和自适应能力的离线编程，可以根据作业对象的状况改变作业内容。伴随着技术的快速进步发展，这一时期的工业机器人还突出表现为商业化运用迅猛发展的特点，工业机器人的“四大家族”——库卡、ABB、安川、FANUC公司分别在1974年、1976年、1978年和1979年开始了全球专利的布局。6ABB工业机器人

ABB是全球领先的工业机器人技术供应商，提供机器人产品，模块化制造单元及服务。我们致力于帮助客户提高生产效率、改善产品质量、提升安全水平。ABB机器人能满足您任何应用的需求。ABB在世界范围内安装了超过30万台机器人。7任务一工业机器人发展史KUKA

库卡(KUKA)机器人有限公司于1995年建立于德国巴伐利亚州的奥格斯堡，是世界领先的工业机器人制造商之一。库卡机器人公司在全球拥有20多个子公司，大部分是销售和服务中心，其中包括：美国,墨西哥,巴西,日本,韩国,中国台湾,印度和绝大多数欧洲国家。公司的名字，KUKA（库卡），是KellerundKnappichAugsburg的四个首字母组合,它同时是库卡公司所有产品的注册商标。8任务一工业机器人发展史FANUC发那科机器人

1974年，FANUC工业机器人问世——基于伺服、数控基础，1976年投放市场；1984年，FANUC新址建成，CNC工厂、产机工厂、基础技术研究所建成；1992年，FANUC机器人学校开办，为客户和员工提供实体样机技术培训；1999年，FANUC智能机器人生产，并很快成为FANUC最重要的产品。2008年，FANUC机器人销量领先，全球机器人销量达20万台，成为工业机器人的巨头；9任务一工业机器人发展史3.智能机器人阶段：1985年至今。

智能机器人带有多种传感器，可以将传感器得到的信息进行融合，有效地适应变化的环境，因而具有很强的自适应能力、学习能力和自治功能。在2000年以后，美国、日本等国都开始了智能军用机器人研究，并在2002年由美国波士顿公司和日本公司共同申请了第一件“机械狗”（BostonDynamicsBigDog）智能军用机器人专利，2004年在美国政府DARPA/SPAWAR计划支持下申请了智能军用机器人专利。

10任务一工业机器人发展史二、我国的工业机器人发展历程、起步相对较晚，大致可分为4个阶段。

由于当时国家经济条件等因素的制约，我国主要从事工业机器人基础理论的研究，在机器人造助学、机构学等方面取得了一定的进展，为后续工业机器人的研究奠定了基础。

11任务一工业机器人发展史1.理论研究阶段：20世纪70年代到80年代初。

随着工业发达国家开始大量应用和普及工业机器人，我国的工业机器人研究得到政府的重视和支持，国家组织了对工业机器人需求行业的调研，投入大量的资金开展工业机器人的研究，进入了样机开发阶段。

12任务一工业机器人发展史2.样机研发阶段：20世纪80年代中后期

我国在这一阶段研制出平面关节型统配机器人、直角坐标机器人、弧焊机器人、点焊机器人等7种工业机器人系列产品，102种特种机器人，实施了100余项机器人应用工程。为了促进国产机器人的产业化，在90年代末建立了9个机器人产业化基地和7个科研基地。

13任务一工业机器人发展史3.示范应用阶段：20世纪90年代

《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》突出增强自主创新能力这一条主线，着力营造有利于自主创新的政策环境，加快促进企业成为创新主体，大力倡导企业为主体，产学研紧密结合，国内一大批企业或自主研制或与科研院所合作，加入工业机器人研制和生产行列，我国工业机器人进入初步产业化阶段。14任务一工业机器人发展史4.初步产业化阶段：21世纪以来

经过上述四个阶段的发展，我国的工业机器人得到一定程度的普及。国内也涌现了一批工业机器人厂商，这些厂商中既有像新松这样的国内机器人技术的引领者，也有像南京埃斯顿、广州数控、华中数控这些伺服、数控系统厂商。15任务一工业机器人发展史新松

新松机器人自动化股份有限公司成立于2000年，隶属中国科学院，是一家以机器人技术为核心的高科技上市公司。作为中国机器人领军企业及国家机器人产业化基地，新松拥有完整的机器人产品线及工业4.0整体解决方案。以创新、开放和共赢的思维引领行业进步，以领先的产品和服务为全球客户持续创造价值。现拥有4000余人的研发创新团队，形成以自主核心技术、核心零部件、核心产品及行业系统解决方案为一体的全产业价值链。16任务一工业机器人发展史广州数控

广州数控设备有限公司（简称：广州数控、GSK）成立于1991年，被誉为中国南方数控产业基地。面向数控机床行业、自动化控制领域、注塑制品行业，广州数控为用户可提供机床数控系统、伺服驱动、伺服电机、数控机床连锁营销、机床数控化工程，自动化控制系统、工业机器人、精密数控注塑机、数控培训学院，为用户提供自动化制造全过程解决方案。广州数控是国家科技重大专项、国家863科技计划项目、国家智能制造专项承担单位。公司优良的生产设备和工艺流程，科学规范的质量控制体系使每套产品合格出品17任务一工业机器人发展史华中数控

武汉华中数控股份有限公司创立于1994年，是首批国家级创新企业、中国机械工业联合会智能制造分会副理事长单位、中国机床工具工业协会副理事长单位、数控系统分会理事长单位。武汉华中数控股份有限公司依托华中科技大学，长期致力于自主产权的高档数控系统研发与产业化，用“中国大脑”装备“中国制造”，已成为我国发展数控技术的领军队伍，在打破国外封锁、振兴民族数控产业方面做出了重要贡献，为国家经济发展和工业安全“堵枪眼”。18任务一工业机器人发展史19任务二工业机器人定义和分类一、机器人的定义20任务二工业机器人定义和分类1.机器人的定义（1）美国机器人协会（RIA）的定义机器人是“一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置的，通过可编程序动作来执行种种任务的，并具有编程能力的多功能机械手（manipulator）”。这一定义叙述得较为具体，但技术含义并不全面，可概括为工业机器人。

（2）日本工业机器人协会（JIRA）的定义机器人是“一种装备有记忆装置和末端执行器（endeffector）的，能够转动并通过自动完成各种移动来代替人类劳动的通用机器”。同时还可进一步分为两种情况来定义：1）工业机器人是“一种能够执行与人体上肢（手和臂）类似动作的多功能机器”2）智能机器人是“一种具有感觉和识别能力，并能控制自身行为的机器。”21任务二工业机器人定义和分类（3）美国国家标准局（NBS）的定义机器人是“一种能够进行编程并在自动控制下执行某些操作和移动作业任务的机械装置”，这也是一种比较广义的机器人的定义。（4）国际标准化组织（ISO）的定义“机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能机械手，这种机械手具有几个轴，能够借助于可编程序操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行种种任务”。22任务二工业机器人定义和分类（5）英国简明牛津字典的定义机器人是“貌似人的自动机，具有智力的和顺从于人但不具人格的机器”，这是一种对理想机器人的描述，到目前为止，尚未有与人类相似的机器人出现。（6）我国科学家对机器人的定义随着机器人技术的发展，我国也面临讨论和制订关于机器人技术各项标准的问题，其中也包括对机器人的定义，我国科学家对机器人的定义是：“机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器”。23任务二工业机器人定义和分类2.机器人的特点

（1）通用性（2）适应性二、工业机器人的分类

1.按照技术水平分类（1）示教再现型机器人

第一代工业机器人是示教再现型，具有记忆能力。这类机器人能够按照人类预先示教的轨迹、行为、顺序和速度重复作业。24任务二工业机器人定义和分类（2）感知机器人第二代工业机器人具有环境感知装置，对外界环境有一定感知能力，并具有听觉、视觉、触觉等功能。工作时，根据感觉器官（传感器）获得的信息，灵活调整自己的工作状态，保证在适应环境的情况下完成工作。目前已进入应用阶段

25任务二工业机器人定义和分类（3）智能机器人第三代工业机器人称为智能机器人，如图所示。具有高度的适应性，有自行学习、推理、决策等功能，处在研究阶段。26任务二工业机器人定义和分类2.按照坐标形式分类（1）直角坐标型机器人

直角坐标型机器人的手部在空间三个相互垂直的X、Y、Z方向作移动运动，构成一个直角坐标系，运动是独立的（有3个独立自由度），其动作空间为一长方体。如图所示，其特点是控制简单，运动直观性强，易达到高精度，但操作灵活性差，运动的速度较低，操作范围较小而占据的空间相对较大。27任务二工业机器人定义和分类（2）圆柱坐标型机器人圆柱坐标型机器人机座上具有一个水平转台，在转台上装有立柱和水平臂，水平臂能上下移动和前后伸缩，并能绕立柱旋转，在空间构成部分圆柱面（具有一个回转和两个平移自由度）。特点是其工作范围较大，运动速度较高，但随着水平臂沿水平方向伸长，其线位移分辨精度越来越低。著名的Versatran机器人就是典型的圆柱坐标机器人。28任务二工业机器人定义和分类（3）极坐标型机器人（球面坐标型）

极坐标型机器人工作臂不仅可绕垂直轴旋转，还可绕水平轴作俯仰运动，且能沿手臂轴线作伸缩运动（其空间位置分别由旋转、摆动和平移3个自由度）。著名的Unimate机器人就是这种类型的机器人。其特点是结构紧凑，所占空间体积小于直角坐标和圆柱坐标机器人，但仍大于关节型机器人，操作比圆柱坐标型更为灵活。

29任务二工业机器人定义和分类（4）多关节坐标型机器人

多关节坐标机器人由多个旋转和摆动机构组合而成。其特点是操作灵活性最好，运动速度较高，操作范围大，但精度受手臂位姿的影响，实现高精度运动较困难。对喷涂、装配、焊接等多种作业都有良好的适应性，应用范围越来越广。

30任务二工业机器人定义和分类31任务三工业机器人系统组成1.工业机器人由主体、驱动系统和控制系统三个基本部分组成。

（1）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个运动自由度。32任务三工业机器人系统组成（2）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。33任务三工业机器人系统组成（3）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，并进行控制。34任务三工业机器人系统组成2.工业机器人控制系统所要达到的功能（1）记忆功能存储作业顺序、运动路径、运动方式、运动速度和与生产工艺有关的信息。（2）示教功能离线编程，在线示教，间接示教。在线示教包括示教盒和导引示教两种。（3）与外围设备联系功能输入和输出接口、通信接口、网络接口、同步接口。35任务三工业机器人系统组成（4）坐标设置功能有关节、绝对、工具、用户自定义四种坐标系。(5）人机接口示教盒、操作面板、显示屏。（6）传感器接口位置检测、视觉、触觉、力觉等。（7）位置伺服功能机器人多轴联动、运动控制、速度和加速度控制、动态补偿等。（8）故障诊断安全保护功能运行时系统状态监视、故障状态下的安全保护和故障自诊断。36任务三工业机器人系统组成37任务三工业机器人系统组成3.工业机器人控制系统的组成（1）控制计算机控制系统的调度指挥机构。一般为微型机、微处理器有32位、64位等，如奔腾系列CPU以及其他类型CPU。（2）示教盒示教机器人的工作轨迹和参数设定，以及所有人机交互操作，拥有自己独立的CPU以及存储单元，与主计算机之间以串行通信方式实现信息交互。38任务三工业机器人系统组成（3）操作面板图片由各种操作按键、状态指示灯构成，只完成基本功能操作。（4）硬盘和软盘存储存储机器人工作程序的外围存储器。（5）数字和模拟量输入输出各种状态和控制命令的输入或输出。39任务三工业机器人系统组成（6）打印机接口记录需要输出的各种信息。（7）传感器接口用于信息的自动检测，实现机器人柔顺控制，一般为力觉、触觉和视觉传感器。（8）轴控制器完成机器人各关节位置、速度和加速度控制。（9）辅助设备控制用于和机器人配合的辅助设备控制，如手爪变位器等。（10）通信接口实现机器人和其他设备的信息交换，一般有串行接口、并行接口等。40任务三工业机器人系统组成（11）网络接口1）Ethernet接口可通过以太网实现数台或单台机器人的直接PC通信，数据传输速率高达10Mbit/s，可直接在PC上用windows库函数进行应用程序编程之后，支持TCP/IP通信协议，通过Ethernet接口将数据及程序装入各个机器人控制器中。2）Fieldbus接口支持多种流行的现场总线规格，如Devicenet、ABRemoteI/O、Interbus-s、profibus-DP、M-NET等。41任务三工业机器人系统组成42任务四工业机器人主要技术参数

一、自由度

机器人的自由度是指描述机器人本体（不含末端执行器）相对于基座标系（机器人坐标系）进行独立运动的数目。机器人的自由度表示机器人动作灵活的尺度，一般以轴的直线移动、摆动或旋转动作的数目来表示。工业机器人一般采用空间开链连杆机构，其中的运动副（转动副或移动副）常称为关节，关节个数通常即为工业机器人的自由度数，大多数工业机器人有3～6个运动自由度，如图所示，该工业机器人共有6个自由度。

43任务四工业机器人主要技术参数

二、工作空间工作空间又叫作工作范围、工作区域。机器人的工作空间是指机器人手臂末端或手腕中心（手臂或手部安装点）所能到达的所有点的集合，不包括手部本身所能到达的区域。由于末端执行器的形状和尺寸是多种多样的，因此为真实反映机器人的特征参数，工作空间是机器人未装任何末端执行器情况下的最大空间，机器人外形尺寸和工作空间如图所示。

44任务四工业机器人主要技术参数三、负载能力负载是指机器人在工作时能够承受的最大载重。如果将零件从一个位置搬至另一个位置，就需要将零件的重量和机器人手爪的重量计算在负载内。目前使用的工业机器人负载范围可从0.5kg直至800kg，如，ABB1205/0.8，这个型号的具体含义是，IRB120型工业机器人，最大负载能力承重5kg，工作范围0.8m。45任务四工业机器人主要技术参数四、工作精度工业机器人工作精度是指定位精度（也称绝对精度）和重复定位精度。定位精度是指机器人手部实际到达位置与目标位置之间的差异，用反复多次测试的定位结果的代表点与指定位置之间的距离来表示。重复定位精度是指机器人重复定位手部于同一目标位置的能力，以实际位置值的分散程度来表示。目前，工业机器人的重复精度可达±0.01~±0.5mm。根据作业任务和末端持重的不同，机器人的重复精度亦要求不同，见表所示。46任务四工业机器人主要技术参数作业任务额定负载/kg重复定位精度/mm搬运5~200±0.2~±0.5码垛50~800±0.5点焊50~350±0.2~±0.3弧焊3~20±0.08~±0.1涂装5~20±0.2~±0.5装配2~5±0.02~±0.036~10±0.06~±0.0810~20±0.06~±0.1五、最大工作速度厂家不同对最大工作速度规定的内容亦有不同，有的厂家定义为机器人主要自由度上最大的稳定速度；有的厂家定义为手臂末端最大的合成速度，通常在技术参数中加以说明。显而易见，工作速度越高，工作效率越高。然而工作速度越高就要花费更多的时间去升速或降速，或者对机器人最大加速度变化率的要求更高。47任务四工业机器人主要技术参数48任务五

工业机器人使用安全注意事项

一、操作人员安全注意事项

操作人员要尽量避免进入安全栅栏内进行作业。

其他安全注意事项如下:1.不需要操作机器人时，应断开机器人控制装置的电源，或者在按下急停按钮的状态下进行作业。2.应在安全栅栏外进行机器人系统的操作。3.为了预防负责操作的作业人员以外者意外进人，或者为了避免操作者进人危险场所，应设置防护栅栏和安全锁，如图所示。。

49任务五工业机器人使用安全注意事项

其他安全注意事项如下:4.应在操作者伸手可及之处设置急停按钮。（事故案例）5.在进行示教作业之前，应确认机器人或者外围设备没有处在危险的状态且没有异常。6.在迫不得已的情况下需要进人机器人的动作范围内进行示教作业时，应事先确认安全装置（如急停按钮、示教器的安全开关等）的位置和状态等。7.程序员应特别注意，勿使其他人员进人机器人的动作范围。

50任务五工业机器人使用安全注意事项

其他安全注意事项如下:8.编程时应尽可能在安全栅栏的外边进行。因不得已情形而需要在安全栅栏内进行时，应注意下列事项:（1）仔细查看安全栅栏内的情况确认没有危险后再进入栅栏内部。（2）要做到随时都可以按下急停按钮。（3）应以低速运行机器人。（4）应在确认清楚整个系统的状态后进行作业，以避免由于针对外围设备的遥控指令和动作等而导致作业人员陷入危险境地。。

51任务五工业机器人使用安全注意事项

二、维修人员安全注意事项

1.在机器人运转过程中切勿进人机器人的动作范围内。2.应尽可能在断开机器人和系统电源的状态下进行作业，当接通电源时，有的作业有触电的危险。此外，应根据需要上好锁，以使其他人员不能接通电源。3.在通电中因迫不得已的情况而需要进人机器人的动作范围内时，应在按下操作箱（操作面板）或者示教器的急停按钮后再入内。此外，作业人员应挂上“正在进行维修作业”的标牌，提醒其他人员不要随意操作机器人，如图所示。52任务五工业机器人使用安全注意事项

二、维修人员安全注意事项

4.在进行维修作业