工业机器人的研究进展

摘要：工业机器人是为了适应制造业规模化生产，解决单调、重复的体力劳动和提高生产质量而代替人工作业的产品。诞生于20世纪 60 年代 , 在 20 世纪 90 年代得到迅速发展 , 是最先产业化的机器人技术。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 ,应用日益广泛。工业机器人种类繁多，典型的工业机器人有可以进行自动化搬运作业的搬运机器人；在仓库中负责攫取、搬运的堆垛机器人；从事切割、焊接、喷涂的焊接机器人；用于各种电器制造及组件装配的装配机器人；可进行自动喷漆或喷涂其他涂料的喷漆机器人；以及能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的机械手。机器人技术是具有前瞻性、战略性的高技术领域。工业机器人的普及更是实现自动化生产，提高社会生产效率，推动企业和社会生产力发展的有效手段。工业机器人自动化装备的主流及未来的发展方向。

关键词：工业机器人 典型机器人 发展方向

0 前言

工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器人，工业机器人是自动执行工作的机器装置，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。它可以接受人类指挥，也可以按照预先编排的程序运行，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201X年XX月XX日

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快速更新换代起着十分重要的作用。

机器人技术的发展，是一个多科学技术共同发展的一个综合性的结果，也同时，为社会经济发展产生了一个重大影响的一门科学技术，另一方面它也是生产力发展的需求的必然结果，也是人类自身发展的必然结果。全球诸多国家近半个世纪的工业机器人的使用实践表明，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发展的有效手段。在汽车行业、电子电器行业、工程机械等行业已经大量使用工业机器人作为自动化生产线，以保证产品质量，提高生产效率，同时避免了大量的工伤事故。所以，工业机器人的研究与发展，具有广泛而深远的意义。

1 发展历程

自1946年第一台数字电子计算机问世以来，计算机取得了惊人的进步，向高速度、大容量、低价格的方向发展。

大批量生产的迫切需求推动了自动化技术的进展，其结果之一便是1952年数控机床的诞生。与数控机床相关的控制、机械零件的研究又为机器人的开发奠定了基础。

另一方面，原子能实验室的恶劣环境要求某些操作机械代替人处理放射性物质。在这一需求背景下，美国原子能委员会的阿尔贡研究所于1947年开发了遥控机械手，1948年又开发了机械式的主从机械手。

机器人的历史并不算长，1959年美国英格伯格和德沃尔制造出世界上第一台工业机器人，机器人的历史才真正开始。

英格伯格在大学攻读伺服理论，这是一种研究运动机构如何才能更好地跟踪控制信号的理论。德沃尔曾于1946年发明了一种系统，可以“重演”所记录的机器的运动。1954年,德沃尔又获得可编程机械手专利，这种机械手臂按程序进行工作，可以根据不同的工作需要编制不同的程序，因此具有通用性和灵活性，英格伯格和德沃尔都在研究机器人，认为汽车工业最适于用机器人干活，因为是用重型机器进行工作，生产过程较为固定。1959年，英格伯格和德沃尔联手制造出第一台工业机器人。

1954年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节，利用人手对机器人进行动作示教，机器人能实现动作的记录和再现。这就是所谓的示教再现机器人。现有的机器人差不多都采用这种控制方式。

作为机器人产品最早的实用机型（示教再现）是1962年美国AMF公司推的“VERSTRAN”和UNIMATION公司推出的“UNIMATE”。这些工业机器人的控制方式与数控机床大致相似，但外形特征迥异，主要由类似人的手和臂组成。

1965年，MIT的Roborts演示了第一个0501001502002503003502003年制造业中每10000名雇员拥有的工业机器人数量（单位：台）201X年XX月XX日

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具有视觉传感器的、能识别与定位简单积木的机器人系统。

1967年日本成立了人工手研究会（现改名为仿生机构研究会），同年召开了日本首届机器人学术会。

1970年在美国召开了第一届国际工业机器人学术会议。1970年以后，机器人的研究得到迅速广泛的普及。

1973年，辛辛那提·米拉克隆公司的理查德·豪恩制造了第一台由小型计算机控制的工业机器人，它是液压驱动的，能提升的有效负载达45公斤。

到了1980年，工业机器人才真正在世界范围内普及。

2、典型工业机器人

2.1装配机器人

装配机器人是柔性自动化装配系统的核心设备，由机器人操作机、控制器、末端执行器和传感系统组成。其中操作机的结构类型有水平关节型、直角坐标型、多关节型和圆柱坐标型等；控制器一般采用多CPU或多级计算机系统，实现运动控制和运动编程；末端执行器为适应不同的装配对象而设计成各种手爪和手腕等；传感系统又来获取装配机器人与环境和装配对象之间相互作用的信息。

常用的装配机器人主要有可编程通用装配操作手(Programmable Universal Manipula-tor for Assembly)即PUMA 机器人（最早出现于1978年，工业机器人的祖始）和平面双关节型机器人(Selective Compliance Assembly Robot Arm)即SCARA机器人两种类型。与一般工业机器人相比，装配机器人具有精度高、柔顺性好、工作范围小、能与其他系统配套使用等特点，主要用于各种电器的制造行业。

装配机器人的大量作业是轴与孔的装配，为了在轴与孔存在误差的情况下进行装配，应使机器人具有柔顺性。主动柔顺性是根据传感器反馈的信息而从动柔顺心则利用不带动力的机构来控制手爪的运动以补偿其位置误差。例如美国Draper实验室研制的远心柔顺装置RCC(Remote Center Compliance device)，一部分允许轴作侧向移动而不转动,另一部分允许轴绕远心（通常位于离手爪最远的轴端）转动而不移动，分别补偿侧向误差和角度误差，实现轴孔装配。

装配机器人主要用于各种电器制造（包括家用电器,如电视机、录音机、洗衣机、电冰箱、吸尘器）、小型电机、汽车及其部件、计算机、玩具、机电产品及其组件的装配等方面。

2.1.1 PUMA 机器人

美国Unimation 公司1977年研制的PUMA是一种计算机控制的多关节装配机器人。一般有5或6个自由度,即腰、肩、肘的回转以及手腕的弯曲、旋转和扭转等功能。其控制系统由微型计算机、伺服系统、输入输出系统和外部设备组成。采用VALⅡ作为编程语言,例如语句“APPRO ART，50”表示手部运动到PART上方50mm处。PART的位置可以键入也可示教。VAL具有连续轨迹运动和矩阵变换的功能。

2.1.2 SCARA机器人

大量的装配作业是垂直向下的,它要求手爪的水平(X，Y)移动有较大的柔顺性，以补偿位置误差。而垂直(Z)移动以及绕水平轴转动则有较大的刚性,以便准确有力地装配。另外还要求绕Z 轴转动有较大的柔顺性，以便于键或花键配合。日本山梨大学研制出SCARA机器人,它的结构特点满足了201X年XX月XX日XXX 工业机器人的研究进展

上述要求。其控制系统也比较简单,如SR-3000机器人采用微处理机对θ1,θ2,Z 三轴（直流伺服电机）实现半闭环控制，对s 轴（步进电机）进行开环控制。编程语言采用与

BASIC相近的SERF。最新版本Level4具有坐标变换、直线和圆弧插补、任意速度设定、以文字命名的子程序以及检错等功能。SCARA机器人是目前应用较多的类型之一。

2.2

焊接机器人

焊接机器人是从事焊接（包括切割与喷涂）的工业机器人。根据国际标准化组织（ISO）工业机器人术语标准焊接机器人的定义，工业机器人是一种多用途的、可重复编程的自动控制操作机（Manipulator），具有三个或更多可编程的轴，用于工业自动化领域。为了适应不同的用途，机器人最后一个轴的机械接口，通常是一个连接法兰，可接装不同工具或称末端执行器。焊接机器人就是在工业机器人的末轴法兰装接焊钳或焊（割）枪的，使之能进行焊接，切割或热喷涂。

随着电子技术、计算机技术、数控及机器人技术的发展，自动弧焊机器人工作站, 从60年代开始用于生产以来，其技术已日益成熟，主要有以下优点：

（1）稳定和提高焊接质量；

（2）提高劳动生产率；

（3）改善工人劳动强度，可在有害环境下工作；

（4）降低了对工人操作技术的要求；

（5）缩短了产品改型换代的准备周期，减少相应的设备投资。

因此，在各行各业已得到了广泛的应用。

焊接机器人目前已广泛应用在汽车制造业，汽车底盘、座椅骨架、导轨、消声器以及液力变矩器等焊接，尤其在汽车底盘焊接生产中得到了广泛的应用。丰田公司已决定将点焊作为标准来装备其日本国内和海外的所有点焊机器人。用这种技术可以提高焊接质量，因而甚至试图用它来代替某些弧焊作业。在短距离内的运动时间也大为缩短。该公司最近推出一种高度低的点焊机器人，用它来焊接车体下部零件。这种矮小的点焊机器人还可以与较高的机器人组装在一起，共同对车体上部进行加工，从而缩短了整个焊接生产线长度。国内生产的桑塔纳、帕萨特、别克、赛欧、波罗等后桥、副车架、摇臂、悬架、减振器等轿车底盘零件大都是以MIG焊接工艺为主的受力安全零件，主要构件采用冲压焊接，板厚平均为1.5～4mm，焊接主要以搭接、角接接头形式为主，焊接质量要求相当高，其质量的好坏直接影响到轿车的安全性能。应用机器人焊接后，大大提高了焊接件的外观和内在质量，并保证了质量的稳定性和降低劳动强度，改善了劳动环境。

2.2.1 点焊机器人

点焊对焊接机器人的要求不是很高。因为点焊只需点位控制，至于焊钳在点与点之间的移动轨迹没有严格要求，这也是机器人最早只能用于点焊的原因。点焊用机器人不仅要有足够的负载能力，而且在点与点之间移位时速度要快捷，动作要平稳，定位要准确，以减少移位的时间，提高工作效率。点焊机器人需要有多大的负载能力，取决于所用的焊钳形式。对于用与变压器分离的焊钳，30～45kg负载的机器人就足够了。但是，这种焊钳一方面由于二次电缆线长，电能损耗201X年XX月XX日

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大，也不利于机器人将焊钳伸入工件内部焊接；另一方面电缆线随机器人运动而不停摆动，电缆的损坏较快。因此，目前逐渐增多采用一体式焊钳。这种焊钳连同变压器质量在70kg左右。考虑到机器人要有足够的负载能力，能以较大的加速度将焊钳送到空间位置进行焊接，一般都选用100～150kg负载的重型机器人。为了适应连续点焊时焊钳短距离快速移位的要求。新的重型机器人增加了可在0.3s内完成50mm位移的功能。这对电机的性能，微机的运算速度和算法都提出更高的要求。

图3

点焊机器人

2.2.2 弧焊机器人

弧焊过程比点焊过程要复杂得多，工具中心点（TCP），也就是焊丝端头的运动轨迹、焊枪姿态、焊接参数都要求精确控制。所以，弧焊用机器人除了前面所述的一般功能外，还必须具备一些适合弧焊要求的功能。

虽然从理论上讲，有5个轴的机器人就可以用于电弧焊，但是对复杂形状的焊缝，用5个轴的机器人会有困难。因此，除非焊缝比较简单，否则应尽量选用6轴机器人。

弧焊机器人除前面提及的在作“之”字形拐角焊或小直径圆焊缝焊接时，其轨迹应能贴近示教的轨迹之外，还应具备不同摆动样式的软件功能，供编程时选用，以便作摆动焊，而且摆动在每一周期中的停顿点处，机器人也应自动停止向前运动，以满足工艺要求。此外，还应有接触寻位、自动寻找焊缝起点位置、电弧跟踪及自动再引弧功能等。

图4

弧焊机器人

2.3

机械手

机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度

。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度是机

械手设计的关

键参数。自由

度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有2～3个自由度。控制系统是通过对机械手每个自由度的电机的控制，来完成特定动作。同时接收传感器反馈的信息，形成稳定的闭环控制。控制系统的核心通常是由单片机或dsp等微控制芯片构成，通过对其编程实现所要功能。

机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。

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图5

机械手

机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件。

机械手可以减省工人、提高效率、降低成本、提高产品品质、安全性好、提升工厂形象。

图6

机械手

多关节机械手的优点是:动作灵活、运动惯性小、通用性强、能抓取靠近机座的工件，并能绕过机体和工作机械之间的障碍物进行工作.随着生产的需要，对多关节手臂的灵活性，定位精度及作业空间等提出越来越高的要求。多关节手臂也突破了传统的概念，其关节数量可以从三个到十几个甚至更多，其外形也不局限于像人的手臂，而根据不同的场合有所变化，多关节手臂的优良性能是单关节机械手所不能比拟的。

2.3.1 SS系列旋臂式机械手

斜臂式机械手主要适用于30-250吨卧式射出成型机的成品或水口取出,上下手臂有单截式和双截式两种,整机上下、引拔、旋出、旋入均为全气压驱动,经济实惠型机械手.可提升产能(10%-30%)、降低产品不良率、节约人工、保障操作人员的安全性。

图7

SS系列旋臂式机械手

特点： （1）全机采用铝合金精密铸造,轻巧、耐用; （2）引拔臂和上下手臂采用高强度铝合金结构粱配合进口的高刚性精密线性滑轨,运行平稳,噪音低,磨擦低,经久耐用; （3）超薄型夹具,适合开模距离小的模具,霍尔式夹取确认,灵敏可靠; （4）自动检测报警安全保护,如气压不足或突发故障会自动报警,并自动弹出防落气缸,保证机械手臂和模具的安全; （5）预留真空吸取功能,可同时吸夹产品,适合两板模取出; （6）选用双截式手臂,特殊的倍速结构设计,大幅度缩短上下手臂的结构高度,缩短取出时间,,增加稳定性,适用于较低的厂房; （7）具有外部输出点,可控制输送带、承接台等辅助设备; （8）可选购CE机型,符合201X年XX月XX日

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EUROMAP/SPI的标准及配置标准接口。

2.3.2 AX系列立式注塑机专用机械手臂

手臂使用线性滑轨搭配铝合金挤型梁,左右旋转更换容易,也可选择无左右旋转,夹具可选购180度旋转,连杆式夹具,超强挟持力.

特点

（1）掌上型控制系统对话式操作，可以切换中文或英文页面，操作简单易学习，不占空间。

（2）八组内建标准程式，可储存12组教导程式，可以完全满足生产形式及需求。 （3）50组模具记忆功能，可以节省换模的设定调整。 （4）自动侦测故障显示与操作器上，并自动记录方便与故障排除。 （5）手动操作时，可以显示所有的输出与输入接点于操作器上，维修方便快捷。 （6）LED显示重要讯号，如安全门，开模完，允许关模，顶针，成品检测。 （7）备用输出点可以连接其他自动化设备，如输送带，喷离型剂（Silicon）组或是空压剪等。8、自动运转下可以修改各项延迟时间与计数，方便于操作。

（8）可选购具CE规格，符合EUROMAP或SPI的规定。

（10）可以选择EUROMAP12或者EUROMAP67与成型机连接的标准。

图8

AX系列立式注塑机专用机械手臂

2.3.3 AD系列轻型横走式机械手

主要适用于50-200吨卧式射出成型机的成品或水口取出,上下手臂有单截式和双截式两种,横行驱动方式可采用气压驱动、变频马达驱动和AC伺服马达驱动,适合于两板及三板模.可提升产能(20%-30%)、降低产品不良率、节约人工、精确控制产量及保障操作人员的安全性。

特点

（1）横行可采用进口无杆缸、变频马达或AC伺服马达驱动,配合两组进口高刚性精密线性滑轨,运行平稳,噪音低,磨擦系数低,经久耐用; （2）手臂采用单截式进口的高刚性精密线性滑轨上下结构,可选配双截式手臂,特殊的皮带倍速结构设计, 只需一半的行程即可达到全行程大幅度缩短上下手臂的结构高度,提高上下行的速度及稳定性,并可配合厂房高度低的场所. （3）自动检测报警安全保护,如气压不足或突发故障会自动报警,并自动弹出防落气缸,保证机械手臂和模具的安全;

（4）可选购CE机型,符合EUROMAP/SPI的标准及配置标准接口。

图9

AD系列轻型横走式机械手

2.3.4 AD中型横走系列机械手

主要适用于50-280吨卧式射出成型机的成品取出, 可增加副臂用于三板模的水口取出,上下手臂均采用双截式手臂,横行驱动方式可采用变频马达驱动和AC伺服马达驱动,上下和引拔均为气压驱动,成品臂上下轴可选购AC伺服马达驱动,增加模内的取出201X年XX月XX日

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效率.

特点

（1）横行标准采用进口变频马达驱动, 运行平稳而经济.可选购AC伺服马达驱动,运行速度快而精准,定位精度达±0.1MM;

（2）横行、上下、引拔臂采用高刚性精密直线线性滑轨,耐磨耗,低噪音.平稳寿命长; （3）双截式上下手臂采用质量轻、高刚性的铝合金结构梁,配合进口的高刚性精密直线线性滑轨导向运行,其特殊的皮带倍速结构设计, 只需一半的行程即可达到全行程,大幅度缩短上下手臂的结构高度,提高上下行的速度及稳定性,并可配合厂房高度低的场所. （4）自动检测报警安全保护,如气压不足或突发故障会自动报警,并自动弹出防落气缸,保证机械手臂和模具的安全; （5）上下及引拔行程调节和位置调整标准采用手动调位方式,可选购电动调位方式,节省调整时间,增加操作的安全性. （6）成品臂上下轴如选购AC伺服马达驱动，可提高上下动作速度，节省模内时间，增加效率，并可在模外设置不同的置物高度，定位精度达±0.2MM。 （7）可选购CE机型,符合EUROMAP/SPI的标准及配置标准接口。

图10

AD中型横走系列机械手

2.3.5 AD大型横走系列机械手

主要适用于400-4000吨卧式射出成型机的成品取出, 可增加副臂用于三板模的水口取出,上下手臂均采用双截式手臂,横行驱动方式标准为变频马达驱动，可选购AC伺服马达驱动,上下和引拔均为气压驱动。成品臂上下轴可选购AC伺服马达驱动,增加模内的取出效率.

特点 （1）横行标准采用进口变频马达驱动, 运行平稳而经济.可选购AC伺服马达驱动,运行速度快而精准,定位精度达±0.1MM;

（2）横行、上下、引拔臂采用高刚性精密直线线性滑轨,耐磨耗,低噪音.平稳寿命长;

（3）双截式上下手臂采用质量轻、高刚性的铝合金结构梁,配合进口的高刚性精密直线线性滑轨导向运行,其特殊的皮带倍速结构设计, 只需一半的行程即可达到全行程,大幅度缩短上下手臂的结构高度,提高上下行的速度及稳定性,并可配合厂房高度低的场所；

（4）自动检测报警安全保护,如气压不足或突发故障会自动报警,并自动弹出防落气缸,保证机械手臂和模具的安全;

（5）上下及引拔行程调节和位置调整标准采用手动调位方式,可选购电动调位方式,节省调整时间,增加操作的安全性；

（6）成品臂上下轴如选购AC伺服马达驱动，可提高上下动作速度，节省模内时间，增加效率，并可在模外设置不同的置物高度，定位精度达±0.2MM；

（7）可选购CE机型,符合EUROMAP/SPI的标准及配置标准接口。

图11

AD大型横走系列机械手

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发展展望

在发达国家中，工业机器人自动化生产201X年XX月XX日

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线成套设备已成为自动化装备的主流及未来的发展方向。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，同时避免了大量的工伤事故。全球诸多国家近半个世纪的工业机器人的使用实践表明，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发展的有效手段。

机器人技术是具有前瞻性、战略性的高技术领域。国际电气电子工程师协会IEEE的科学家在对未来科技发展方向进行预测中提出了4个重点发展方向，机器人技术就是其中之一。

随着科技的不断进步，机器人会越来越普及，越来越完善。

参 考 文 献

[1] 王旭东.工业机器人开放式控制系统设计分析与基础研究,2005. Wang Xudong.Industrial robot control system design and analysis,and basic research,2005 [2]

刘阳.工业机器人遥操作控制系统设计——嵌入式伺服控制器设计,2003 Liu Yang.Industrial robot teleoperation control system design - embedded servo controller design, 2003 [3]

张明山.直角坐标机器人的设计方法,2009 Zhang Mingshan.Cartesian coordinate robot design method,2009 [4]

赵延顺. PLC的工业机器人关节直流伺服系统,2010 Zhao Yanshun. The PLC industrial robot joint DC servo system,2010 [5] 张闻达.关于运动控制新技术的研究,2005 Zhang Wenda. Research on motion control technology,2005 [6] 罗维平,向阳. 六轴机器人模糊控制系统设计,2011 Luo Yangping,Xiang Yang. Six-axis robot Fuzzy Control System Design,2011 [7] 陈月明.装配机械人的在注塑工业的应用,2011 Chen Yueming. Assembly machinery in the injection molding industry,2011 [8] 李宏义.我国工业机器人进展,2009 Li Hongyi. Progress of China "s industrial robots,2009 [9] 孙朝阳.注塑机专用机械手的研究及应用,2010 Sun Zhaoyang. Research and Application of the injection molding machine dedicated manipulator, 2010 [10]林睿

.工业机器人在汽车焊接中的应用,2007 Lin Rui. The application of industrial robots in automotive welding,2007 [11]柳鹏.我国工业机器人发展及趋势,2012 Liu Peng. Developments and trends of China "s industrial robots,2012 [12]Thomas Zenr.A brief history of robots,2007 [13]Denies Frank.Industrial Robots Programming,2010 [14]T.James Douglas.FANUC Robotics - Industrial Robot Automation,2009 [15]G.C.Alexander.Force Control of Robotic Systems ,2011 [16]J.Pacino.World"s Most Powerful Industrial Robot,2008

作者简介

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