工業機器人

工業機器人是一種典型的自動執行工作的機電一體化設備國際標準化組織將工業機器人定義為自動化、速度和位置可控、可重復編程的、自行控制和加工各種零件和工具，執行和完成各種操作的多用途操作機，可以是固定式的，也可以是移動式的。工業機器人一般由四個主要部分組成：機械系統、傳感系統、驅動系統和控制系統。主要技術是傳感器技術、信息處理技術、驅動技術和控制技術等。工業機器人的分類方法有很多種，常見的有按控制方式分類和按運動鏈區分常見的應用場景包括組裝、協作、搬運、焊接、噴漆等。經過長期的探索和研究，工業機器人領域發展迅速，技術逐漸成熟，智能化程度不斷提高工業機器人作為先進裝備制造中不可或缺的工具，是為了提高工業生產效率、工業機器人作為解放和發展生產力的重要支撐，未來對工業機器人的投入將持續增加，工業機器人將走向人機合作、自主性和多機器人合作。

工業機器人是指面向工業領域的多關節機械手或多自由度機器人，可以實現自動控制、可重復編程、多用途、可以在三個或三個以上軸上編程的多用途操作機，可以是固定的，也可以是移動的，主要用于工業自動化，在加工過程中通過自動控制來執行一些操作，包括焊接機器人、搬運機器人、噴涂機器人等。這些工業機器人在工業生產領域完成相關操作，具有多個自由度、高附加值、它應用廣泛，其發展水平也反映了一個國家 美國制造自動化和生產水平。

工業機器人效率高、高速度、產品質量高等優點，其動作是由編程軟件和控制裝置共同制定的。它的自動化特點使它們能夠一天24小時工作，并能在高污染環境下工作、高低溫、在高風險環境中操作，因此被廣泛應用于不同的行業和領域。典型的應用包括焊接、噴漆、搬運、裝配、產品檢驗和測試等。工業機器人的種類很多，其中最常見的區別特征就是關節臂的伸出距離、有效載荷能力等。工業機器人技術的應用也提高了生產率和利潤，同時減少了勞動密集型工作。

工業機器人沒有不是一開始就存在的，而是工業發展到一定階段的產物。在現代工業機器人發明之前，工業機器人技術還處于想象和探索階段。1921年，捷克作家卡雷爾·卡佩克（Karel Capek）最早用在他創作的一部科幻電影里“機器人”這個術語。1940年，美國作家艾薩克·阿西莫夫（Isaac   Asimov）提出“機器人三守則”，讓工業機器人更貼近人類。1937年，比爾?格里菲斯?泰勒（Bill Griffith  P.Taylor）發明了一種機械臂，這是已知最早適應ISO標準的機器人。

之后，工業機器人進入生產和初步發展階段1954年，美國發明家喬治·德沃爾（George Devol）我申請了一個程序化物體轉移的專利，主要是把物體從一個點轉移到另一個點，被認為是現代工業機器人最早的雛形。1958年的喬治·德瓦爾正在與年輕的美國工程師和企業家約瑟夫·恩格爾伯格（Joseph   engelberg）合作后成立了第一家工業機器人公司Unimation他們發明了一種機械臂，可以根據預先編程的指令拿起和放好東西。

工業機器人

1961年，工業機器人首次在通用汽車公司投入使用美國工廠從壓鑄機中提取零件。1970年第一屆工業機器人國際研討會在芝加哥召開，證明了工業機器人技術研究已經成為一個充滿活力的研究領域。

1969年，斯坦福大學的維克多·申曼（Victor   Sherman）發明了斯坦福arm，這是一個全電動的六自由度關節機器人以arm為研究原型，為解決工程問題而設計，由當時最先進的計算機DEC PDP開發-6控制。它具有一個非人類的運動學配置，具有一個移動關節和五個旋轉關節，這使得機器人運動學方程足夠簡單以加速計算隨后的機器人設計受到沈曼概念的強烈影響。 

工業機器人經過一段時間的發展，已經進入技術快速進步和商業規模應用階段與之前相比，這一時期的技術有了很大的進步，也呈現出快速商業化應用的特點。

1973年，德國庫卡（KUKA）制造了它的第一個工業機器人，命名為FAMULUS，這是世界上第一個由電機驅動的六軸工業機器人。同年，ASEA公司（現為ABB公司）世界與中國美國第一個商用微處理器控制的全電動工業機器人IRB問世-6它允許連續運動，這是許多實際應用的先決條件，如電弧焊或材料去除。

1978年，山梨大學的穆楊葉（Hiroshi Makino）發明了選擇性柔順裝配機械手SCARA，這是世界 第一臺水平關節工業機器人。1984年，工業機器人動力學和精度的進一步優化誕生了第一個直接驅動的SCARA工業機器人，命名為AdeptOne。

20世紀70年代末，許多公司進入工業機器人領域，工業機器人開始轉向智能化階段。2006年，庫卡公司（KUKA）介紹了他們的LBR輕型原型機器人，這是一種緊湊的7自由度機械臂，具有先進的扭矩控制能力，適用于高性能的工程作業。發那科，日本，2010（FANUC）公司推出“學習控制機器人”它減少了機器人在運動過程中的振動。

根據國際機器人協會的統計，全球工業機器人的銷量正在穩步增長，特別是從2005年到2014年，新安裝工業機器人的年均增長率達到14%工業機器人產業持續快速發展，工業機器人技術日趨智能化、隨著模塊化系統化的發展，智能制造的發展是大勢所趨，工業機器人的重要性將與日俱增。

機械系統

機械系統主要由傳動機構和連桿組形成的開環或閉環運動鏈兩部分組成。連桿與人體大臂、手臂等，通常會移動和旋轉。移動關節可以使連桿做直線運動，旋轉關節可以實現構件之間的轉動。由關節和連桿組成的機械裝置通常包括一個臂、手腕和手，這些部位可以根據需要向一定方向運動，執行指定的工作。

驅動系統

驅動系統是為各種機械部件提供動力的裝置，它包括驅動器和執行器。它的傳動形式是氣動的、液壓式、電動式和機械式。致動器可以直接與工業機器人臂連接、手腕或手與連桿或關節相連，或通過傳動裝置如齒輪與運動部件相連。

傳感系統

傳感系統將工業機器人的各種信息轉換成機器本身和機器人之間可以理解和使用的數據和信息，完成與其工作狀態相關的物理量（如位移、速度、力等）的感知。傳感系統由內部傳感器模塊和外部傳感器模塊組成，其功能是將機器人的運動學信息和外部環境信息傳遞給工業機器人的控制系統。

控制系統

控制系統的主要工作是通過操作指令和傳感器反饋的信息來控制機器人，使其完成預定的動作和功能。根據傳感裝置傳輸的信息，確定機械系統各部分的運動軌跡、速度、加速度和外界條件，保證機器各部分在規定的時間按照預設的步驟工作。根據反饋特性，可分為開環控制系統、半閉環控制系統和閉環控制系統。

工業機器人的關鍵技術是對傳感器采集的數據進行處理，經過處理后，按照既定的程序，利用電機完成一項任務。軟件對加工過程的幫助并不完美這時，制造過程中先進的硬件設施對提高產品的生產加工效率起著非常重要的作用。工業機器人智能化程度高，涉及技術范圍廣主要技術如下。

傳感器技術

將傳感器技術應用于工業機器人，實現了各種數據的實時采集，靈敏度高，綜合性能強，能有效采集、定位和防護功能。傳感器作為傳感系統的傳感設備，是實現自動控制和調節的關鍵技術功能越強大，傳感系統的自動化程度就越高。

信息處理技術

傳感器收集大量信息后，由中央處理器進行處理與常規的機械裝置相比，工業機器人最大的特點是可以與各種信息處理系統緊密結合，其中最常用的是微處理器技術。

驅動技術

在工業機器人中，必須有一個特殊的機械裝置來執行信息處理的結果最常見的是用電機驅動，用曲柄就可以實現傳動、皮帶、鉸鏈等將旋轉運動轉化為其他形式的運動，在三維坐標中實現不同的動作。執行機構的運動是以坐標的形式定位的，所以運動的精度相當高。因為實現不同的目標需要不同的運動方式，所以工業機器人的驅動方式也是不同的。

控制技術

控制技術是工業機器人的核心技術，主要涉及位置控制、軌跡規劃、力（矩）控制、智能控制等。工業機器人可以根據其工作特點選擇相應的控制模式。根據它們的運動坐標，可分為直角坐標空間運動控制和關節空間運動控制。工業機器人的位置控制是實現機械手各關節沿既定軌跡運動，從而保證其在既定軌跡上運動。

無伺服機器人

無伺服控制機器人由單向、具有無反饋機構開環控制的工業機器人。沒有伺服控制的機器人的操作性能相對有限工業機器人按照預定的程序順序工作，并采用限位開關、制動器、插銷板、音序器等等來控制它。插銷板用于定義工業機器人的工作順序，通常可以調整。定序器是一種定時開關或步進裝置，可以按照預先確定的適當順序開啟驅動器能量。接通電源后，機器人的傳動系統控制機器人運動機器人移動到限位開關的指定區域后，限位開關改變工作狀態，向定序器發出信號，停止移動。

伺服控制機器人

伺服控制機器人具有更強的工作能力伺服控制系統是使對象的輸出控制量任意跟蹤輸入目標的自動控制系統該系統的受控對象可以是機械手的位置、速度、加速度、受到的作用力等。將傳感器得到的反饋與已知設備輸出的總數據進行比較，得到誤差信號并放大，從而激活工業機器人的驅動系統，然后按照特定的規則移動終端驅動機構，使其達到預定的位置或速度這些過程被稱為反饋控制系統。

串聯機器人

串聯機器人的機械構件采用開放式運動鏈結構，即一組連桿通過轉動關節或移動關節連接，其運動模式根據構件間運動副的不同分為四類：笛卡兒臂可以向三個方向移動；圓柱坐標式臂可以升降、回轉和伸縮運動；球坐標型臂具有旋轉、俯仰、伸縮等功能；多關節協調臂由多個旋轉關節串聯而成，可以到達球體空間的大部分位置。

串聯機器人由于結構簡單操作方便靈活性強工作面積大等優點，得到了廣泛的應用。其缺點是運動鏈長，剛性差，運動精度低。另外，由于串聯機器人需要在每個鉸鏈上安裝傳動機構，每個動臂部分的慣性矩比較大，不適合高速運行。

并聯機器人

并聯機器人的機械部分采用閉鏈結構，包括固定平臺和通過兩條以上自由運動鏈與固定平臺連接的運動平臺，并聯驅動。并聯機器人的自由度可分為兩個自由度、三自由度和四自由度等。

并聯機器人有工作空間小的缺陷，但其傳動機構可以放在固定平臺上或附近，使運動部件重量輕、速度快、動態響應好。同時，節點之間的誤差可以相互抵消、彌補，從而提高了系統的運動精度，并聯機器人具有較高的剛度、結構緊湊等特點，因此被廣泛應用于要求高剛度的場合、高精度、高負載、其中不需要大的工作空間。

其他類型

除了上述常用的按控制方式和按運動鏈形式分類外，還有許多其他的分類方法。例如，根據系統功能的分類，可以分為：在固定的地方工作的特殊機器人，有固定的程序，沒有獨立的控制系統；控制系統獨立、一種動作靈活，能夠通過改變控制程序完成多項任務的通用機器人；具有記憶功能，可完成復雜動作，適用于多工位頻繁變換工作路線的示教再現機器人；以及具有各種感覺功能的智能機器人，能夠通過比較識別做出決策，自動進行反饋補償，完成預定工作。根據驅動方式也有電機驅動的電驅動機器人和壓縮空氣驅動的氣動機器人。

協作機器人

這是工業機器人在制造業最常見的應用他們可以裝卸加工設備，從傳送帶上取下產品放入袋子或容器中，并按順序排列隨機產品。一般用在變量數量少的時候，因為要處理的對象種類少，所以末端工具更直接。在工作環境中，要拾取和放置的物體具有預定的尺寸、形狀、紋理和重量等。因此，機器人需要使用的夾持器類型可以針對特定對象進行優化，并且更容易確定機器人的夾持力。

裝配機器人

制造業中的裝配描述了通過連接將子系統或組件組合成更復雜的系統。制造業中的裝配包括四個過程組：連接、搬運、控制和輔助過程（清洗、調整、標記等）工業機器人用于實現裝配自動化，尤其是汽車行業，是最早采用工業機器人進行裝配的行業之一。如今，裝配機器人的應用已經遠遠超出了汽車領域，越來越多地應用于高度柔性的工作單元，對小零件的高速裝配需求日益增加。裝配機器人將成為工人和工人的通用工具手，這將大大提高在工作場所裝配的精度和速度。

搬運機器人

物料搬運是工業機器人最基本的應用在倉庫和工廠中，最常見的任務之一是運輸貨物這些活動的附加值很低，因此很適合自動化。多虧了機器人的速度、精度、隨著穩定性等方面的提高，搬運機器人能搬運的東西越來越多，越來越普及既有利于減少運輸貨物所需的人工，又避免了安全問題它采用各種傳感器來防止事故。

噴涂機器人

工業涂裝是用油漆或其他涂料覆蓋工件的過程。在制造中，要涂漆或涂層的零件的形狀和尺寸都有明確的規定，操作重復性很高因此，噴漆和涂層操作非常適合工業機器人。通過使用該噴涂機器人，工人不必暴露于有害煙霧或過量噴涂，并且提高了安全性。工業噴涂機器人在汽車制造中已經使用了幾十年它可以保持噴嘴與工件之間的精確距離和噴嘴的移動速度，這是避免誤差的關鍵。所有工作由工業噴涂機器人完成，實現高度自動化，精確調節壓力和流量，保證產品加工質量，與人工處理一致、準確性和速度優勢。 

焊接機器人

焊接是一種混合熔融填充材料的過程（焊料）通過放入接頭將零件連接在一起的過程填充材料的熔化溫度低于工件的熔化溫度。工業機器人典型的焊接工藝是點焊，用于車身裝配和氣體保護金屬電弧焊隨著激光光源的小型化和機器人運動精度的提高，激光焊接也應運而生。工業機器人點焊技術在汽車工業中應用廣泛與手工焊接相比，大大提高了生產速度，質量更高，提高了工人的勞動強度安全。激光焊接使用激光束直接連接工件與電弧焊不同，電弧焊使用填料將兩種金屬連接在一起。激光焊接有助于實現自動化，因為激光束的寬度、可以精確控制穿透工件的深度以及光束的路徑和速度。

人機協作

傳統的工業機器人必須在防護圍欄等障礙物后面工作，與人保持距離，避免對人體造成傷害，這對工業機器人的效率影響很大。人機合作是人類認知和工業機器人工作效率的有機統一，可以幫助人們安全方便地操作，簡化編程過程，降低對操作人員的要求工作能力。

自主化

目前大部分工業機器人都是依靠預編程、示教再現，而且隨著時間的推移，工業機器人會逐漸自主學習、獨立工作等方向，根據實際工作環境而定、工作內容，自動設定和優化軌跡路徑，探測，避障等功能。

基于深度學習的工業機器人技術

在日益復雜的應用場景中，利用深度學習處理大數據，可以有效處理高復雜度環境下的多維問題。工業機器人與人工智能技術的融合將大大提高機器人的智能水平，從而達到更高的精度和效率，減少事故，實現人機合作、協同工作的目的。

多機器人協作

工業機器人能做的工作越來越復雜，越來越精密，越來越難以實現多機器人協作是目前工業機器人領域的一個重要課題。為了實現多機器人協同工作，需要處理好機器人之間的通信和決策問題，否則會影響工作的完成，導致工作效率的下降，嚴重時甚至會造成安全事故。

模塊化可重構技術

大多數情況下，工業機器人只能完成單一操作，或者重復不同的操作。工作條件和環境的變化將使工業機器人難以快速適應新的需求因此，基于模塊化和可重構的工業機器人技術逐漸被研究和重視。模塊化、可重構技術是指在系統集成過程中，通過組合各種模塊，快速制造出具有多種功能的機器人，能夠滿足不同的需求，適應不同的工作環境，實現高效率高質量的工作要求。

基于多傳感器融合的工業機器人技術

在復雜的工作條件和環境下，或者有多種要求的任務中，依靠單一的傳感器將無法實現快速、高效率地工作。因此，基于多傳感器的工業機器人技術日益成為人們關注的焦點。為了確保應用中的高可靠性、高穩定性和高效率，基于多傳感器的傳感器集成技術必須解決通信、傳輸等關鍵問題。