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第七章 工业机器人,7-1 概述 7-2 机械与驱动系统 7-3 工业机器人控制技术 7-4 机器人技术及应用,7.1 工业机器人概述,1920年，捷克作家 Karel Capek （卡雷尔·卡佩克）的科幻剧《 Rossum‘s Universal Robots 》（《罗萨姆的万能机器人》），剧中描写了一批能从事各项劳动、听命于人的机器，取名为“ Robota”（捷克语），含义为： forced worker（奴隶）Karel Capek （ 1890 －1938 ）,机器人的出现及发展（1920-1948理论发展阶段） 1939年，纽约世博会上展出了西屋电气公司制造的家用机器人Elektro它可以行走，会说77个字； 1942年，美国科幻巨匠阿西莫夫提出机器人“三定律” 1948年，维纳出版《控制论》，提出以计算机为核心的自动化工厂,机器人的出现及发展（1949-1978机器人技术发展阶段） 1954年，George Devol（美）提出机器人外形不一定要象人的样子，但要能做人所能完成的工作同年他和J. Engleberger设计了一台可编程的机器人；并申请了专利； 1961年，George Devol研制出第一台采用伺服控制技术的工业机器人“ Unimates”。

它是一台连杆机构与数控技术结合起来的设备； 60年代，工业机器人进入成长期，机器人开始向实用化方向发展，并被用于焊接和喷涂等作业中；,机器人的出现及发展（1949-1978机器人技术发展阶段） 1968年，美国斯坦福研究所公布研发成功机器人Shakey它带有视觉传感器，能根据人的指令发现并抓取积木，不过控制它的计算机有一个房间那么大Shakey可以算是世界第一台智能机器人，拉开了第三代机器人研发的序幕 1969年，日本早稻田大学加藤一郎研制世界首台双脚行走机器人，成为“仿人机器人之父” 70年代，机器人进入实用化日本成为“机器人王国”； 1974年，Cincinati Milacron 推出了第一台小型计算机控制的工业机器人T3，它可以举起100磅重的物体，并可跟踪在装配线上的工件；,机器人的出现及发展（1980-至今 智能机器人发展阶段） 80年代，工业机器人进入普及时代，开始在汽车、电子等行业得到大量使用，推动了机器人产业的发展； 1982年，研制出第一台示教再现机器人 90年代，工业机器人的生产与需求进入高潮期；出现了具有感知、决策、动作能力的智能机器人，产生了智能机器或机器人化机器。

1991年底世界上已有53万台工业机器人 1998年，丹麦乐高公司推出机器人套件，让机器人制造变得相对简单又能任意拼装，使机器人开始走入个人世界 1999年，日本索尼公司推出犬型机器人爱宝(AIBO)，从此娱乐机器人成为机器人迈进普通家庭的途径之一机器人的出现及发展（1980-至今 智能机器人发展阶段） 2002年，丹麦iRobot公司推出了吸尘器机器人Roomba，它能避开障碍，自动设计行进路线，还能在电量不足时，自动驶向充电座 2006年，微软公司推出Microsoft Robotics Studio，机器人模块化、平台统一化的趋势越来越明显，比尔•盖茨预言，家用机器人很快将席卷全球 随着信息技术的发展，机器人的概念和应用领域将不断扩大中国工业机器人发展概况 起步于70年代初期，大致经历了三个阶段：70年代萌芽期，80年代开发期，90年代的适用化期 1972年开始研发自己的机器人 20世纪80年代，机器人进入跨越式发展时期 1986年，国家立项“七五”机器人攻关计划 1987年，国家“863”计划将机器人的研发列入资助范围 90年代初期，先后研制出了点焊、弧焊、装配、喷涂、切割、搬运、包装垛码等机器人，形成了一批机器人产业化基地。

部分技术接近国际前沿，机器人传感器和机器人控制技术方面比较落后，机器人应用方面差距较大7.1 工业机器人概述,GB/T 12643-1990的定义：是一种能够自动控制、可以重复编程、多功能、多自由度的操作机，能够搬运材料、工件和操持工具 操作机：具有和人手臂相似的动作功能，可在空间抓放物体或进行其他操作的机械装置7.1 工业机器人概述,7.1 工业机器人概述,总括起来可以认为，机器人是具有以下特点的机电一体自动装置： 具有高度灵活性的多功能机电装置，可通过改编程序获得灵活性，更换端部工具实现多种功能 具有移动自身、操作对象的机构，能实现人手或脚的某些基本功能 具有某些类似于人的智能有一定感知，能识别环境及操作对象具有理解指令，适应环境，规划作业操作过程的能力7.1 工业机器人概述,机器人的四大特征,仿生特征：模仿人的肢体动作 自动特征：自动完成作业任务 柔性特征：对作业具有广泛适应性 智能特征：具有对外界的感知能力,7.1 工业机器人概述,随着新兴领域的不断发展，推动了机器人装备量的上升至2011年年产量134，100台的水平我国在2011年新安装各类工业机器人约9500台，市场保有量为48，600台。

7.1 工业机器人概述,日本机器人数量据世界首位其中日本的工业机器人密度达到了世界平均水平的10倍 （1）日本每万名工人拥有295台工业机器人；新加坡169台；韩国164台；德国163台 （2）虽然排在前三位的国家都在亚洲，不过欧洲却是世界上工业机器人密度最大的地区欧洲国家工业机器人密度为每万名工人50台，美洲为平均31台，亚洲平均27台7.1 工业机器人概述,中国: 沈阳新松,工业机器人的组成,执行系统：末端执行器、手腕、手臂、机座 控制系统：决策级、策略级、执行级 驱动系统：电气、液压、气动、机械 传感系统：视觉、触觉、听觉,7.1 工业机器人概述,工业机器人本体成本占22%，伺服占24%，减速器占36%，控制器为12%工业机器人的分类,按运动机构分类,7.1 工业机器人概述,机器人的运动组合形式分类,7.1 工业机器人概述,7.1 工业机器人概述, 按照技术水平划分：,• 第二代：初步智能机器人（感知机器人），具有不同程度感知环境并自行修正程序的功能可完成较为复杂的作业，如装配，检查等• 第一代：示教再现型，具有记忆能力目前，绝大部分应用中的工业机器人均属于这一类缺点是操作人员的水平影响工作质量。

• 第三代：智能机器人，具有高度的适应性，具有自行学习、推理、决策等功能，处在研究阶段机器人的技术级别分类,7.1 工业机器人概述,7.1 工业机器人概述,按运动方式分,7.1 工业机器人概述,按驱动方式分,7.1 工业机器人概述,按控制方式类,7.1 工业机器人概述,按负载能力划分,座椅装配搬运机器人,7.1 工业机器人概述,机器人常用术语,7.1 工业机器人概述,机器人常用术语,7.1 工业机器人概述,创建机器人的目的,协助或取代人类的劳动，解放人类,7.1 工业机器人概述,机器人评价指标,智能：感觉和感知，包括记忆、运算、比较、推理、鉴别、判断、决策、学习和逻辑推理等； 机能：变通性、通用性和空间占有性等； 物理性：力、速度、连续运行能力，可靠性、连用性和寿命等7.2 机械与驱动系统,一、工业机器人机械系统 1. 末端执行器——手部 （1）机械式夹持器：手抓、传动机构、驱动装置等 （2）吸附式末端执行器：吸盘、基板、支撑杆等 （3）多指灵巧手：手指、传感器等,通常，工业机器人的手部为一独立部件，且为专用部件，只能应用于几种形状、重量、尺寸相近的对象一、工业机器人机械系统 ２. 手腕 末端执行器和手臂的联接部件，用于调整或改变末端执行器的方位，一般由三个独立的回转关节组成。

7.2 机械与驱动系统,回转（x） 俯仰（y） 偏摆（z）,一、工业机器人机械系统 ２. 手腕 手腕设计的原则： 1. 尽量不设置手腕； 2.手腕结构尽可能简化，自由度能越少越好； 3.手腕结构紧凑、重量轻、手腕驱动尽量采用分离式7.2 机械与驱动系统,一、工业机器人机械系统 3. 手臂 用于支撑手腕和末端执行器，扩大活动范围，完成伸缩、回转、升降或摆动等动作 驱动方式： 液压驱动、气压驱动、电力驱动、复合驱动,7.2 机械与驱动系统,一、工业机器人机械系统 4. 机座 机器人基础部分，起支撑作用 分类： 固定式 移动式,7.2 机械与驱动系统,二、工业机器人驱动系统,7.2 机械与驱动系统,工业机器人对驱动系统的基本要求 （1）驱动系统结构简单、重量轻, 单位重量的输出功率高, 效率高； （2）响应速度要快,动作平滑,不产生冲击； （3）能灵活控制, 位移和速度偏差要小； （4）安全可靠, 操作和维护方便； （5）环境的负面影响小机械式驱动系统 优点：可靠性高、运行稳定、成本低等 缺点：重量大、动作平滑性差、噪声大等,二、工业机器人驱动系统,7.2 机械与驱动系统,二、工业机器人驱动系统,7.2 机械与驱动系统,液压式驱动系统 优点：抓取能力大（可高达上百公斤，油压可达7Mpa）、传动平稳、动作灵敏等。

缺点：对密封性要求较高、不宜在高温或低温现场工作，需配备液压系统等二、工业机器人驱动系统,7.2 机械与驱动系统,气压式驱动系统 优点：结构简单、动作迅速、价格低廉 缺点：对密封性要求较高、不宜在高温或低温现场工作，需配备气压系统、工作速度稳定性差等二、工业机器人驱动系统,7.2 机械与驱动系统,电气式驱动系统 优点：结构简单紧凑、动作迅速 缺点：有一定的冲击、平稳性较差等7.3 工业机器人的控制技术,工业机器人的控制大致分为三类,位置控制（Position Control） 力控制（Force Control） 顺应控制（Compliance Control）,7.3 工业机器人的控制技术,位置控制（Position Control）,位置控制是预先在指定的坐标系上，对机器人末端执行器的位置和姿态进行控制 通常，末端执行器的位置和姿态是在三维空间描述的，包含三个位移分量和三个旋转分量，它们分别表示末端执行器在空间的位置和方向（姿态），一般以机器人上某个关节为基座标进行描述7.3 工业机器人的控制技术,7.3 工业机器人的控制技术,7.4 机器人技术及应用,世界上先进的机器人——ASIMO,7.4 机器人技术及应用,世界上先进的机器人——火星探路者,火星探路者(Mars Pathfinder, MPF)是美国国家航空航天局的1996年火星探测计划。

火星探路者于1997年07月04日在火星表面着陆它携带的索杰纳号火星车，是人类送往火星的第一部火星车7.4 机器人技术及应用,世界上先进的机器人——RobotCub,RobotCub是由欧洲联盟委员会资助长达5年的项目主要目标是研究一个名为iCub的2岁大的人形机器人对世界的认知能力这是一个在不同方面公开的项目：它分成了很多项目，开放源代码，并在全世界征求合作伙伴7.4 机器人技术及应用,世界上先进的机器人——HRP-2,HRP-2身高154厘米、体重58公斤，可以单手工作，跳舞也不成问题制造它们的日本新能源产业技术综合开发机构宣布，他们的目标是到2030年，这款帮助人类生活的机器人能够走入寻常百姓家7.4 机器人技术及应用,焊接机器人,7.4 机器人技术及应用,日本 汽车等车辆行业占45% 造船占11% 机器制造占8% 金属制造占7% 电机占5% 桥梁占2% 其它占22%,焊接机器人,7.4 机器人技术及应用,焊接机器人组成,焊接 机器人,本体 控制柜,焊接电源 送丝机 焊枪,7.4 机器人技术及应用,焊接机器人的应用,焊接 机器人,箱体焊接工作站 不锈钢气室焊接工作站 轴类焊接工作站 螺柱焊接工作站,刚性焊接生产线 柔性焊接生产线,机器人应用,7.4 工业机器人应用,。