工業(yè)機器人技術(shù)基礎(chǔ)（微課版）課件全套 模塊1-8 認(rèn)識工業(yè)機器人-工業(yè)機器人應(yīng)用

模塊一認(rèn)識工業(yè)機器人學(xué)習(xí)導(dǎo)讀隨著“工業(yè)4.0”概念的提出，以智能工廠、智慧制造為主題的第四次工業(yè)革命已經(jīng)悄然來臨，其最終目標(biāo)是建立高度靈活的、自動化的產(chǎn)品與服務(wù)的生產(chǎn)模式。工業(yè)機器人作為自動化技術(shù)的集大成者，是該生產(chǎn)模式的重要組成單元。當(dāng)前，機器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對工業(yè)機器人編程與操作的技能型人才的需求越來越緊迫，開展工業(yè)機器人技術(shù)專業(yè)人才培養(yǎng)尤為重要。知識目標(biāo)

了解工業(yè)機器人的發(fā)展歷史；

了解工業(yè)機器人的定義；

了解工業(yè)機器人的分類及用途；

了解工業(yè)機器人的發(fā)展趨勢。能力目標(biāo)

能夠準(zhǔn)確理解工業(yè)機器人的定義；

能夠清楚工業(yè)機器人的不同分類方法和不同的用途；

能夠認(rèn)識工業(yè)機器人的四大品牌。素養(yǎng)目標(biāo)

提高思維能力，激發(fā)學(xué)習(xí)工業(yè)機器人的興趣；

認(rèn)識掌握工業(yè)機器人技能的重要性，增強責(zé)任感和榮譽感。思維導(dǎo)圖1.1工業(yè)機器人的發(fā)展歷史1.1.1早期機器人的發(fā)展“機器人”是存在于多種語言和文字中的新造詞，它體現(xiàn)了人類長期以來的一種愿望，即創(chuàng)造出一種像人一樣的機器或“人造人”，以便能夠代替人進行各種工作。直到幾十年前，“機器人”才作為專業(yè)術(shù)語被加以引用，然而機器人的概念在人類的想象中已存在三千多年了。早在我國西周時代（公元前1046—前771年），就流傳著有關(guān)巧匠偃師獻給周穆王歌舞機器人的故事。東漢時期（公元

25—220

年），我國科學(xué)家張衡，不僅發(fā)明了震驚世界的“候風(fēng)地動儀”，還發(fā)明了測量路程用的“記里鼓車”，車上裝有木人、鼓和鐘，每走1里（1里=0.5km），擊鼓一次，每走10里擊鐘一次，奇妙無比，如圖1-1所示。三國時期的蜀漢（公元221—263年），丞相諸葛亮既是一位軍事家，又是一位發(fā)明家。他成功地創(chuàng)造出“木牛流馬”，可以用于運送軍用物資，這可能是最早的陸地軍用機器人，如圖1-2所示。

圖1-1“候風(fēng)地動儀”與“記里鼓車”

圖1-2

“木牛流馬”模型1.1.1早期機器人的發(fā)展在國外，也有一些國家較早進行了機器人的研制。1662年，日本人竹田近江，利用鐘表技術(shù)發(fā)明了能進行表演的自動機器玩偶。1770年，美國科學(xué)家發(fā)明了一種報時鳥，一到整點，這種鳥的翅膀、頭便開始運動，同時發(fā)出聲音，它的主彈簧驅(qū)動齒輪轉(zhuǎn)動，使活塞壓縮空氣而發(fā)出聲音，同時齒輪轉(zhuǎn)動時帶動凸輪轉(zhuǎn)動，從而驅(qū)動翅膀、頭運動。1893年，加拿大人摩爾設(shè)計的能行走的機器人“安德羅丁”，是以蒸汽為動力的。這些機器人工藝珍品，標(biāo)志著人類在機器人從夢想到現(xiàn)實這一漫長道路上，前進了一大步。

圖1-1“候風(fēng)地動儀”與“記里鼓車”

圖1-2

“木牛流馬”模型1.1.2近代機器人的發(fā)展圖1-3卡雷爾·恰佩克與羅薩姆的

萬能機器人920年，捷克斯洛伐克劇作家卡雷爾·恰佩克在他的科幻劇目《羅薩姆的萬能機器人》（見圖1-3）中，第一次提出了“機器人”（Robot）這個名詞，這被當(dāng)成機器人一詞的起源。在捷克語中，Robot這個詞是指一個賦役的奴隸。20世紀(jì)初期，“機器人”這個詞已經(jīng)活躍在各個國家中，由于人們對機器人不了解，因此對它的誕生既不安又期待。他們并不知道即將被發(fā)明出來的機器人對他們的生活會產(chǎn)生什么樣的影響，也不知道應(yīng)該把機器人看作寵物，還是怪物。針對人類社會對即將問世的機器人的不安，美國著名科學(xué)幻想小說家阿西莫夫于1950年在他的小說《我，機器人》中，首先使用了“機器人學(xué)”（Robotics）這個詞來描述與機器人有關(guān)的科學(xué)，并提出了有名的“機器人三守則”：（1）機器人必須不危害人類，也不允許眼看人將受害而袖手旁觀；（2）機器人必須絕對服從于人類，除非這種服從有害于人類；（3）機器人必須保護自身不受傷害，除非為了保護人類或者是人類命令它做出犧牲。這3條守則給機器人賦以新的倫理性，并使機器人概念通俗化，更易于為人類社會所接受。至今，它仍為機器人研究人員、設(shè)計制造廠家和用戶提供十分有意義的指導(dǎo)方針。1．20世紀(jì)50年代機器人的發(fā)展被譽為“工業(yè)機器人之父”的約瑟夫·恩格爾伯格（JosephEngelberger）創(chuàng)建了世界上第一個機器人公司——Unimation，并參與設(shè)計了第一臺Unimate（尤尼梅特）機器人（見圖1-4）。這是一臺用于壓鑄的5軸機器人，其手臂的控制由一臺計算機完成。它采用了分離式固體數(shù)控元件，并裝有存儲信息的磁鼓，能夠記憶完成180個工作步驟。與此同時，另一家公司—AMF也開始研制機器人，即Versatran（VersatileTransfer）機器人。它采用液壓驅(qū)動，主要用于機器之間的物料運輸。該機器人的手臂可以繞底座回轉(zhuǎn)，沿垂直方向升降，也可以沿半徑方向伸縮。Unimate機器人是一種球坐標(biāo)型機器人，它采用了當(dāng)時先進的電液伺服驅(qū)動技術(shù)和磁鼓存儲技術(shù)。這種機器人不僅可以執(zhí)行預(yù)先編程的任務(wù)，還可以通過示教來學(xué)習(xí)新的動作。其靈活性和多功能性使其成為當(dāng)時制造業(yè)中的一項重要技術(shù)創(chuàng)新。Unimate機器人的發(fā)明標(biāo)志著工業(yè)機器人技術(shù)的開端，為自動化生產(chǎn)和工業(yè)制造邁出了重要的一步。Unimate機器人的誕生為后來的工業(yè)機器人技術(shù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，對工業(yè)自動化產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。至今，工業(yè)機器人已經(jīng)成為現(xiàn)代制造業(yè)中不可或缺的一部分，它們在裝配、焊接、搬運等方面發(fā)揮著重要作用。世界上第一臺工業(yè)機器人如圖1-5所示。

圖1-4

第一臺Unimate機器人圖1-5

世界上第一臺工業(yè)機器人2．20世紀(jì)60年代和70年代機器人的發(fā)展20世紀(jì)60年代和70年代是機器人發(fā)展較快較好的時期，這期間的各項研究發(fā)明有效地推動了機器人技術(shù)的發(fā)展和推廣。雖然，編程機器人在20世紀(jì)50年代是一種新穎而有效的制造工具，但到了20世紀(jì)60年代，利用傳感器反饋大大增強機器人柔性的趨勢就已經(jīng)很明顯了。20世紀(jì)60年代早期，H.A.厄恩斯特于1962年介紹了帶有觸覺傳感器的計算機控制機械手的研制情況。這種被稱為MH-1的裝置能“感覺”到塊狀材料，用此信息控制機械手把塊狀材料堆起來，不需要操作員幫助。這種工作是機器人在合理的非結(jié)構(gòu)性環(huán)境中具有自適應(yīng)特性的一例。機械手系統(tǒng)是6自由度ANLModel-8型操作機，由一臺TX-O計算機通過接口裝置進行控制。此研究項目后來成為MAC計劃的一部分，在機械手上又增加了電視攝像機，開始進行機器感覺研究。與此同時，湯姆·威克和博奈也于1962年研制出一種裝有壓力傳感器的手爪樣機，可檢測物體，并向電動機輸入反饋信號，啟動一種或兩種抓取方式。一旦手爪接觸到物體，與物體大小和質(zhì)量成比例的信息就通過這些壓力敏感元件傳輸?shù)接嬎銠C。1963年，美國機械與鑄造公司推出了Versatran機器人商品，同年初，還研制了多種操作機手臂，如Roehampton型和Edinburgh型手臂。這時，其他國家（特別是日本）也開始認(rèn)識到工業(yè)機器人的潛力。早在1968年，日本川崎重工業(yè)株式會社與Unimation公司談判，購買了其機器人專利。1969年，機器人出現(xiàn)了不尋常的新發(fā)展，通用電氣公司為美國陸軍研制了一種試驗性步行車。同年，該公司研制出了“波士頓”機械手，次年又研制出了“斯坦?！睓C械手，如圖1-6所示。“斯坦?！睓C械手裝有攝像機和計算機控制器。把這些機械手用作機器人的操作機，一些重大的機器人研究工作就開始了。對“斯坦?！睓C械手所做的一項實驗是根據(jù)各種策略自動地堆放塊狀材料。在當(dāng)時，對于自動機器人來說，這是一項非常復(fù)雜的工作。在20世紀(jì)70年代，大量的研究工作把重點放在使用外部傳感器來改善機械手的操作上。1973年，博爾斯和保羅在斯坦福使用視覺和力反饋，演示了使用與PDP-10計算機相連并由計算機控制的“斯坦?！睓C械手裝配自動水泵的操作。幾乎同時，IBM公司的威爾和格羅斯曼在1975年研制了一個帶有觸覺和力覺傳感器的由計算機控制的機械手，用于完成有20個零件的打字機機械裝配工作。

2．20世紀(jì)60年代和70年代機器人的發(fā)展

1973年，德國庫卡（KUKA）公司將其使用的Unimate機器人研發(fā)改造成其第一臺產(chǎn)業(yè)機器人，命名為Famulus，這是世界上第一臺機電驅(qū)動的6軸機器人，如圖1-7所示。1974年，第一臺由小型計算機控制的工業(yè)機器人走向市場。美國辛辛那提·米拉克龍公司的理查德·霍恩（RichardHohn）開發(fā)出第一臺由小型計算機控制的工業(yè)機器人，并將其命名為T3，即“TheTomorrowTool”。這是世界上第一次機器人和小型計算機的“攜手合作”。同年，瑞典通用電機公司（ASEA，ABB公司的前身）開發(fā)出世界上第一臺全電力驅(qū)動、由微處理器控制的工業(yè)機器人IRB6，如圖1-8所示。IRB6主要應(yīng)用于工件的取放和物料的搬運，首臺IRB6運行于瑞典南部的一家小型機械工程公司。IRB6采用仿人化設(shè)計，其手臂動作模仿人類手臂的動作，載質(zhì)量6

kg，5軸。IRB6的S1控制器是第一個使用英特爾8位微處理器的控制器，內(nèi)存容量為16

KB?？刂破饔?6個數(shù)字I/O接口，通過16個按鍵編程，并具有4位數(shù)的LED顯示屏。

圖1-6“斯坦?！睓C械手

圖1-7

世界上第一臺機電驅(qū)動的6軸機器人

圖1-8

IRB6機器人2．20世紀(jì)60年代和70年代機器人的發(fā)展

1978年，日本山梨大學(xué)（UniversityofYamanashi）的牧野洋（HiroshiMakino）發(fā)明了選擇順應(yīng)性裝配機器人手臂（SelectiveComplianceAssemblyRobotArm，SCARA），如圖1-9所示。SCARA具有4個軸和4個運動自由度（包括x、y、z軸方向的平動自由度和繞z軸的轉(zhuǎn)動自由度）。SCARA系統(tǒng)在x、y軸方向上具有順從性，而在z軸方向具有良好的剛度，此特性特別適合裝配工作。SCARA的另一個特點是其串接的兩桿結(jié)構(gòu)類似人的手臂，可以伸進有限空間中作業(yè)然后收回，適用于搬運和取放物件（如集成電路板等）。1979年，Unimation公司推出了PUMA系列工業(yè)機器人，全電力驅(qū)動、關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)、多CPU二級微機控制、采用VAL專用語言，可配置視覺、觸覺的力感受器，是一種技術(shù)較為先進的機器人，如圖1-10所示。整個20世紀(jì)70年代，出現(xiàn)了很多的機器人商品，并在工業(yè)生產(chǎn)中逐步推廣應(yīng)用。隨著計算機科學(xué)技術(shù)、控制技術(shù)和人工智能技術(shù)的發(fā)展，機器人的研究開發(fā)，無論是水平還是規(guī)模都得到迅速發(fā)展。據(jù)國外統(tǒng)計，到1980年全世界約有2萬余臺機器人在工業(yè)中得到應(yīng)用。圖1-9

SCARA圖1-10

PUMA系列工業(yè)機器人3．20世紀(jì)80年代以后機器人的發(fā)展

進入20世紀(jì)80年代后，機器人生產(chǎn)繼續(xù)保持20世紀(jì)70年代后期的發(fā)展勢頭。到20世紀(jì)80年代中期，機器人制造業(yè)已成為發(fā)展最快和最好的行業(yè)之一。機器人在汽車、電子等行業(yè)中大量使用，機器人的研發(fā)水平和實用規(guī)模都得到迅速發(fā)展。1985年前后，發(fā)那科（FANUC）和GMF公司先后推出交流伺服驅(qū)動的工業(yè)機器人產(chǎn)品。20世紀(jì)80年代后期，傳統(tǒng)機器人用戶對工業(yè)機器人的應(yīng)用已經(jīng)飽和，造成工業(yè)機器人產(chǎn)品的積壓，不少機器人廠家倒閉或被兼并，使國際機器人學(xué)研究和機器人產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)不景氣的情況。20世紀(jì)90年代初，機器人產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)復(fù)蘇和繼續(xù)發(fā)展跡象，世界機器人數(shù)量逐年增加，增長率也較高，1998年，丹麥樂高公司推出了機器人套件，讓機器人的制造變得像搭積木一樣相對簡單又能任意拼裝，從而使機器人開始走入個人世界。機器人以較好的發(fā)展勢頭進入21世紀(jì)。2002年，丹麥iRobot公司推出了吸塵器機器人Roomba，它能避開障礙，自動設(shè)計行進路線，還能在電量不足時，自動駛向充電座，這是目前世界上銷量非常大、商業(yè)化極其成功的家用機器人。人性化、重型化、智能化已經(jīng)成為未來機器人產(chǎn)業(yè)的主要發(fā)展趨勢。美國研制了一種名為“大狗”的新型機器人，如圖1-11所示。與以往各種機器人不同的是，“大狗”機器人并不依靠輪子行進，而是通過其身下的4條“鐵腿”，這種機器人具有高機動能力。“2011年可以說是工業(yè)機器人發(fā)展50多年以來最成功的一年，自從第一臺工業(yè)機器人安裝運行至今，全世界共售出230多萬臺工業(yè)機器人，而且工業(yè)機器人將迎來更美好的未來?！?012年5月23日，國際機器人聯(lián)合會（InternationalFederationofRobotics，IFR）主席——ShinsukeSakakibara博士在德國慕尼黑的自動化展上發(fā)表如上感言。圖1-11

“大狗”機器人1.1.3未來機器人的展望在制造工業(yè)中，由于多數(shù)工業(yè)產(chǎn)品的使用壽命逐漸縮短，品種需求增多，產(chǎn)品的生產(chǎn)就要從傳統(tǒng)的單一品種成批大量生產(chǎn)逐步向多品種小批量柔性生產(chǎn)過渡。由各種加工裝備、機器人、物料傳送裝置和自動化倉庫組成的柔性制造系統(tǒng)，以及由計算機統(tǒng)一調(diào)度的更大規(guī)模的集成制造系統(tǒng)，將逐步成為制造工業(yè)的主要生產(chǎn)手段。隨著工業(yè)機器人數(shù)量的快速增長和工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，人們對機器人的工作能力也提出了更高的要求，特別是需要各種不同智能程度的機器人。這些智能機器人，有的能夠模擬人類用兩條腿走路，可在凹凸不平的地面上移動；有的具有視覺和觸覺功能，能夠進行獨立操作、自動裝配和產(chǎn)品檢驗；有的具有自主控制和決策能力。這些智能機器人，不僅應(yīng)用了各種反饋傳感器，而且應(yīng)用了人工智能中各種學(xué)習(xí)、推理和決策技術(shù)。智能機器人還應(yīng)用了許多最新的智能技術(shù)，如臨場感技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、多真體技術(shù)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、遺傳算法和遺傳編程技術(shù)、放聲技術(shù)、多傳感器集成和融合技術(shù)以及納米技術(shù)等。智能機器人將是未來機器人技術(shù)發(fā)展的方向。技能訓(xùn)練時間事件1950年

1954年

1962年

1968年

1978年

1979年

1998年

通過對以上內(nèi)容的學(xué)習(xí)，以及進一步查閱資料了解工業(yè)機器人的發(fā)展歷程，按表1-1所示的時間順序，總結(jié)機器人發(fā)展歷程中的重要事件。美國科學(xué)幻想小說家阿西莫夫在小說《我，機器人》中提出“機器人三守則”，并使用“機器人學(xué)”（Robotics）一詞被譽為“工業(yè)機器人之父”的約瑟夫?恩格爾伯格創(chuàng)建Unimation公司，并參與設(shè)計第一臺Unimate機器人丹麥樂高公司推出機器人套件Unimation公司推出PUMA系列工業(yè)機器人日本山梨大學(xué)的牧野洋發(fā)明SCARA（選擇順應(yīng)性裝配機器人手臂）日本川崎重工業(yè)株式會社與Unimation公司談判，購買其機器人專利美國機械與鑄造公司推出Versatran機器人商品1.2.1工業(yè)機器人的定義工業(yè)機器人可以接受人類指揮，也可以按照預(yù)先編排的程序運行，現(xiàn)代的工業(yè)機器人還可以根據(jù)人工智能技術(shù)制定的原則和綱領(lǐng)行動。當(dāng)代機器人的應(yīng)用如圖1-12所示。工業(yè)機器人是機器人家族中的重要一員，也是目前在技術(shù)上發(fā)展非常成熟、應(yīng)用極多的一類機器人。世界各國對工業(yè)機器人的定義不盡相同。美國工業(yè)機器人協(xié)會（RIA）對工業(yè)機器人的定義：“工業(yè)機器人是設(shè)計用來搬運物料、部件、工具或?qū)ｉT裝置的可重復(fù)編程的多功能操作器，并可通過改變程序的方法來完成各種不同任務(wù)?！比毡竟I(yè)機器人協(xié)會（JIRA）對工業(yè)機器人的定義：“工業(yè)機器人是一種裝備有記憶裝置和末端執(zhí)行器的，能夠轉(zhuǎn)動并通過自動化完成各種移動來代替人類勞動的通用機器?！钡聡こ處焻f(xié)會（VDI）對工業(yè)機器人的定義：“工業(yè)機器人是具有多自由度的、能進行各種動作的自動機器，它的動作是可以順序控制的，軸的關(guān)節(jié)角度或軌跡可以不靠機械調(diào)節(jié)，而由程序或傳感器加以控制。工業(yè)機器人具有執(zhí)行器、工具及制造用的輔助工具，可以完成材料搬運和制造等操作?！眹H標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）對工業(yè)機器人的定義：“一種能自動控制、可重復(fù)編程、多功能、多自由度的操作機，能搬運材料、工件或操持工具，來完成各種作業(yè)”。目前國際上大多數(shù)國家遵循ISO所下的定義。工業(yè)機器人按ISO8373:2021定義為：“位置可以固定或移動，能夠?qū)崿F(xiàn)自動控制、可重復(fù)編程、多功能多用處、末端執(zhí)行器的位置要在3個或3個以上自由度內(nèi)可編程的工業(yè)自動化設(shè)備”。這里的自由度就是指可運動或轉(zhuǎn)動的軸的個數(shù)。圖1-12

當(dāng)代機器人的應(yīng)用我國對工業(yè)機器人的定義，“科普中國”科學(xué)百科詞條編寫與應(yīng)用工作項目中指出：“工業(yè)機器人是廣泛用于工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機械手或多自由度的機器裝置，具有一定的自動性，可依靠自身的動力能源和控制能力實現(xiàn)各種工業(yè)加工制造功能。工業(yè)機器人被廣泛應(yīng)用于電子、物流、化工等各個工業(yè)領(lǐng)域之中?！?.2.1工業(yè)機器人的定義20世紀(jì)80年代，機器人產(chǎn)業(yè)得到了巨大的發(fā)展，成為機器人發(fā)展的一個里程碑，1980年也被稱為“機器人元年”。為滿足汽車行業(yè)蓬勃發(fā)展的需要，這個時期開發(fā)出點焊機器人、弧焊機器人、噴涂機器人以及搬運機器人這四大類型的工業(yè)機器人，其系列產(chǎn)品已經(jīng)成熟并形成產(chǎn)業(yè)化規(guī)模，有力地推動了制造業(yè)的發(fā)展。為了進一步提高產(chǎn)品質(zhì)量和市場競爭力，裝配機器人及柔性裝配線又相繼開發(fā)成功。進入20世紀(jì)80年代以后，裝配機器人和柔性裝配技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，并進入一個大發(fā)展時期。現(xiàn)在，工業(yè)機器人已發(fā)展成為一個龐大的家族，并與數(shù)值控制（NumericalControl，CN）、可編程控制器（ProgrammableLogicController，PLC）一起成為工業(yè)自動化的三大技術(shù)，應(yīng)用于制造業(yè)的各個領(lǐng)域之中。自20世紀(jì)50年代末第一代機器人在美國問世以來，工業(yè)機器人的研制和應(yīng)用有了飛速的發(fā)展。工業(yè)機器人顯著的特點可歸納為以下幾個。（1）可編程。生產(chǎn)自動化的進一步發(fā)展是柔性自動化。工業(yè)機器人可隨其工作環(huán)境變化的需要而再編程，因此它在小批量、多品種、具有均衡高效率的柔性制造過程中能發(fā)揮很好的作用，是柔性制造系統(tǒng)（FlexibleManufacturingSystem，F(xiàn)MS）中的一個重要組成部分。（2）擬人化。工業(yè)機器人在機械結(jié)構(gòu)上有類似人的大臂、小臂、手腕、手等功能結(jié)構(gòu)，在控制上有類似人腦的控制器。此外，智能化工業(yè)機器人還有許多類似人類的“生物傳感器”，如皮膚型觸覺傳感器、力傳感器、負(fù)載傳感器、視覺傳感器、聲覺傳感器、語言功能等。傳感器提高了工業(yè)機器人對周圍環(huán)境的自適應(yīng)能力。（3）通用性。除了專門設(shè)計的專用工業(yè)機器人外，一般工業(yè)機器人在執(zhí)行不同的作業(yè)任務(wù)時具有較好的通用性。比如，更換工業(yè)機器人手部（手爪、工具等）便可使之執(zhí)行不同的作業(yè)任務(wù)。（4）機電一體化。工業(yè)機器人技術(shù)涉及的學(xué)科相當(dāng)廣泛，但是歸納起來是機械學(xué)和微電子學(xué)的結(jié)合，即機電一體化技術(shù)。第三代智能機器人不僅具有獲取外部環(huán)境信息的各種傳感器，還具有記憶能力、語言理解能力、圖像識別能力、推理判斷能力等人工智能能力，這些都和微電子技術(shù)的應(yīng)用，特別是計算機技術(shù)的應(yīng)用密切相關(guān)。因此，機器人技術(shù)的發(fā)展必將帶動其他技術(shù)的發(fā)展，機器人技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用水平也可以驗證一個國家科學(xué)技術(shù)和工業(yè)技術(shù)的發(fā)展水平。1.2.2工業(yè)機器人行業(yè)發(fā)展分析中國是制造業(yè)大國，多項政策的推出對工業(yè)機器人行業(yè)的發(fā)展起到推動、規(guī)劃作用，供應(yīng)鏈的發(fā)展逐步進入快車道，工業(yè)機器人依托的數(shù)字技術(shù)、人工智能、虛擬現(xiàn)實和三維圖形技術(shù)均被寫入各項規(guī)劃中，為工業(yè)機器人行業(yè)的發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)。我國工業(yè)機器人市場仍處于供不應(yīng)求的階段，企業(yè)通過提高生產(chǎn)水平來提高產(chǎn)能是現(xiàn)階段的發(fā)展重點。工業(yè)機器人的范圍不斷擴大。從能夠快速、精確處理所有有效載荷的傳統(tǒng)籠式機器人，到可以與人類安全地工作并完全集成到工作臺中的新型協(xié)作機器人，不得不說，世界科技正在飛速發(fā)展。隨著工業(yè)機器人向更深、更廣方向的發(fā)展以及機器人智能化水平的提高，機器人的應(yīng)用范圍還在不斷地擴大，已從汽車制造業(yè)推廣到電子、電器等其他制造業(yè)，進而推廣到諸如采礦業(yè)、建筑業(yè)以及水電系統(tǒng)維護維修等各種非制造行業(yè)。機器人正在為提高人類的生活質(zhì)量發(fā)揮著重要的作用。1.2.3工業(yè)機器人發(fā)展的障礙（1）核心技術(shù)與算法的缺乏?？刂破魇枪I(yè)機器人的大腦，負(fù)責(zé)控制和協(xié)調(diào)機器人的動作，伺服電機和驅(qū)動器用于精確控制機器人的速度和位置。核心技術(shù)與算法上的缺失限制了對機器人的精細(xì)控制和智能化水平，導(dǎo)致機器人性能不穩(wěn)定，故障率較高。（2）自主創(chuàng)新能力還需加強。缺乏自主研發(fā)的核心技術(shù)意味著創(chuàng)新能力受限，無法快速響應(yīng)市場需求變化或開發(fā)出具有獨特優(yōu)勢的產(chǎn)品。未來，在工業(yè)機器人領(lǐng)域需要開發(fā)更強大的深度學(xué)習(xí)和強化學(xué)習(xí)算法，使機器人能夠自我學(xué)習(xí)，從經(jīng)驗中改進行為，以適應(yīng)各種復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境和任務(wù)，朝著更加智能、自主和安全的方向發(fā)展，從而在工業(yè)自動化、物流、制造和服務(wù)等多個領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。技能訓(xùn)練在表1-2中寫出不同國家對工業(yè)機器人的定義。表1-2工業(yè)機器人的定義國家工業(yè)機器人的定義美國

日本

德國

中國

工業(yè)機器人是設(shè)計用來搬運物料、部件、工具或?qū)ｉT裝置的可重復(fù)編程的多功能操作器，并可通過改變程序的方法來完成各種不同任務(wù)工業(yè)機器人是一種裝備有記憶裝置和末端執(zhí)行器的，能夠轉(zhuǎn)動并通過自動化完成各種移動來代替人類勞動的通用機器工業(yè)機器人是具有多自由度的、能進行各種動作的自動機器，它的動作是可以順序控制的，軸的關(guān)節(jié)角度或軌跡可以不靠機械調(diào)節(jié)，而由程序或傳感器加以控制。工業(yè)機器人具有執(zhí)行器、工具及制造用的輔助工具，可以完成材料搬運和制造等操作工業(yè)機器人是廣泛用于工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機械手或多自由度的機器裝置，具有一定的自動性，可依靠自身的動力能源和控制能力實現(xiàn)各種工業(yè)加工制造功能，被廣泛應(yīng)用于電子、物流、化工等各個工業(yè)領(lǐng)域之中技能訓(xùn)練在下面所列品牌中，找出工業(yè)機器人的四大品牌，填寫在表1-3中并分析其特點。日本發(fā)那科、瑞士ABB、日本安川、德國庫卡、日本松下、瑞士史陶比爾。表1-3工業(yè)機器人的特點特點

日本發(fā)那科

瑞士ABB

日本安川

德國庫卡

工業(yè)機器人四大品牌全電力驅(qū)動、關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)、多CPU二級微機控制、采用VAL專用語言，可配置視覺、觸覺的力感受器，技術(shù)較為先進1974年推出世界上第一臺全電力驅(qū)動、由微處理器控制的工業(yè)機器人IRB6，仿人化設(shè)計，手臂動作模仿人類手臂動作，采用英特爾8位微處理器的控制器在伺服電機和驅(qū)動器技術(shù)方面具有優(yōu)勢，其工業(yè)機器人產(chǎn)品在控制精度和驅(qū)動性能方面表現(xiàn)出色1973年將使用的Unimate機器人研發(fā)改造成第一臺機電驅(qū)動的6軸機器人Famulus，在工業(yè)自動化領(lǐng)域具有較高的可靠性和穩(wěn)定性1.3工業(yè)機器人的分類關(guān)于工業(yè)機器人的分類，國際上沒有制定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，可按運動形式、驅(qū)動方式、負(fù)載質(zhì)量、自由度、應(yīng)用領(lǐng)域等劃分。其中，按照工業(yè)機器人臂部的運動形式以及按照工業(yè)機器人的驅(qū)動方式分類，應(yīng)用最為廣泛。1.3.1按工業(yè)機器人臂部的運動形式分類工業(yè)機器人按臂部的運動形式可分為直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型、球坐標(biāo)型、關(guān)節(jié)型、串聯(lián)型、并聯(lián)型以及混聯(lián)型等類型。1．直角坐標(biāo)型工業(yè)機器人工業(yè)機器人臂部空間的位置變化是通過沿著3個相互垂直的軸線移動來實現(xiàn)的，常用于生產(chǎn)設(shè)備的上下料和高精度的裝配以及檢測作業(yè)。一般直角坐標(biāo)型工業(yè)機器人的臂部可以垂直上下移動（z方向），并可以沿著滑架和橫梁上的導(dǎo)軌進行水平二維平面的移動（x、y方向）。顯然直角坐標(biāo)型工業(yè)機器人的臂部有3個移動關(guān)節(jié)，即3個自由度。直角坐標(biāo)型工業(yè)機器人具有結(jié)構(gòu)簡單，編程容易，在x、y、z

3個方向的運動沒有耦合，便于控制系統(tǒng)的設(shè)計，直線運動速度快，定位精度高，避障性能較好的優(yōu)點。但直角坐標(biāo)型工業(yè)機器人的工作范圍小，靈活性較差；導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，維護比較困難，導(dǎo)軌暴露面大，不如轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)密封性好；結(jié)構(gòu)尺寸較大，占地面積較大；移動部分慣量較大，增加了對驅(qū)動性能的要求。直角坐標(biāo)型工業(yè)機器人如圖1-13所示。圖1-13

直角坐標(biāo)型工業(yè)機器人1.3.1按工業(yè)機器人臂部的運動形式分類2．圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機器人圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機器人的臂部有2個移動關(guān)節(jié)和1個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，末端執(zhí)行器的安裝軸線的位姿由(z,r,θ)坐標(biāo)表示，其主體具有3個自由度：腰部轉(zhuǎn)動、升降運動、手臂伸縮運動。圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機器人控制精度較高、控制較簡單、結(jié)構(gòu)緊湊；對比直角坐標(biāo)型工業(yè)機器人，可以在垂直和徑向兩個方向往復(fù)運動；采用伸縮套筒式結(jié)構(gòu)，在腰部轉(zhuǎn)動時可以把手臂縮回，從而減少轉(zhuǎn)動慣量及力學(xué)負(fù)載；空間尺寸較小，工作范圍較大，末端執(zhí)行器可獲得較高的運動速度。但由于機身結(jié)構(gòu)的原因，手臂不能到達(dá)底部，末端執(zhí)行器離z軸越遠(yuǎn)，增大了機器人的工作范圍，其切向線位移的控制精度就越低。圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機器人如圖1-14所示。圖1-14

圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機器人1.3.1按工業(yè)機器人臂部的運動形式分類3．球坐標(biāo)型工業(yè)機器人球坐標(biāo)型工業(yè)機器人的臂部有2個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和1個移動關(guān)節(jié)，末端執(zhí)行器的安裝軸線的位姿由(θ,φ,r)坐標(biāo)表示。機械手臂能夠里外伸縮移動，在垂直平面內(nèi)擺動以及繞底座在水平面內(nèi)移動。球坐標(biāo)型工業(yè)機器人與圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機器人相比，在占據(jù)同樣空間的情況下，其工作范圍擴大了，還能將臂部伸向地面，完成從地面提取工件的任務(wù)。但運動直觀性差，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，臂端的位置誤差會隨臂的伸長而增大。球坐標(biāo)型工業(yè)機器人如圖1-15所示。圖1-15

球坐標(biāo)型工業(yè)機器人4．關(guān)節(jié)型工業(yè)機器人關(guān)節(jié)型工業(yè)機器人的臂部主要由底座、大臂和小臂組成。大臂和小臂間的轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)稱為肘關(guān)節(jié)，大臂和底座間的轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)稱為肩關(guān)節(jié)，底座可以繞垂直軸線轉(zhuǎn)動，稱為腰關(guān)節(jié)。關(guān)節(jié)型工業(yè)機器人具有結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、靈活性好、手部到達(dá)位置精準(zhǔn)、避障性能較好、沒有移動關(guān)節(jié)、關(guān)節(jié)密封性能好、摩擦小、慣量小、關(guān)節(jié)驅(qū)動力小、能耗較低等優(yōu)點。但它在運動過程中存在平衡問題，控制存在耦合；當(dāng)大臂和小臂舒展開時，機器人結(jié)構(gòu)剛度不高。關(guān)節(jié)型工業(yè)機器人如圖1-16所示。圖1-16

關(guān)節(jié)型工業(yè)機器人1.3.1按工業(yè)機器人臂部的運動形式分類5．串聯(lián)型工業(yè)機器人串聯(lián)型工業(yè)機器人（以下簡稱串聯(lián)機器人）是一個開放的運動鏈，如圖1-17所示，其所有運動桿并沒有形成封閉的結(jié)構(gòu)鏈。串聯(lián)機器人的工作空間大，運動分析比較容易，可以避免產(chǎn)生驅(qū)動軸之間的耦合效應(yīng)。但各軸必須要獨立控制，并且需要搭配編碼器和傳感器來提高機構(gòu)運動時的精度。串聯(lián)機器人研究較為成熟，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、控制簡單、運動空間大等優(yōu)點，已成功應(yīng)用于諸多場合，如各種機床、裝配車間等。圖1-17

串聯(lián)型工業(yè)機器人1.3.1按工業(yè)機器人臂部的運動形式分類6．并聯(lián)型工業(yè)機器人并聯(lián)型工業(yè)機器人（以下簡稱并聯(lián)機器人）和傳統(tǒng)工業(yè)用串聯(lián)機器人在應(yīng)用上構(gòu)成互補關(guān)系，它是一個封閉的運動鏈，如圖1-18所示。并聯(lián)機器人不易產(chǎn)生動態(tài)誤差，無誤差積累，精度較高。另外，其結(jié)構(gòu)緊湊穩(wěn)定，輸出軸大部分承受軸向力，機器剛度高，承載能力強。但是，并聯(lián)機器人在位置求解上正解比較困難，而反解較容易。并聯(lián)機器人和串聯(lián)機器人各有優(yōu)缺點，與傳統(tǒng)的串聯(lián)機器人相比，并聯(lián)機器人具有以下特點。（1）并聯(lián)機器人的末端同時由多根連桿支承，與串聯(lián)機器人相比，剛度更大，而且結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。（2）并聯(lián)機器人的驅(qū)動裝置可以安放在靠近機架的位置，避免機器人運動過程中的位置干涉，減小系統(tǒng)的慣量，提升動力性能。（3）并聯(lián)機器人在設(shè)計過程中經(jīng)常采用對稱式的結(jié)構(gòu)，其協(xié)同性好，互換性也較高。（4）串聯(lián)機器人末端上存在的誤差是各個關(guān)節(jié)誤差的累積，所以誤差大、精度低，而并聯(lián)機器人則沒有串聯(lián)機器人那樣的誤差累積放大關(guān)系，所以誤差小、精度高。（5）并聯(lián)機器人的動力學(xué)特性較好，甚至在增大尺寸的條件下仍能保持較好的動力學(xué)特性。（6）在位置求解上，串聯(lián)機器人的運動學(xué)正解較容易，但反解較困難，而并聯(lián)機器人的正解較困難，反解較容易。圖1-18

并聯(lián)型工業(yè)機器人1.3.1按工業(yè)機器人臂部的運動形式分類在實際生活中，常見的并聯(lián)機器人為3自由度并聯(lián)機器人和6自由度并聯(lián)機器人，其中3自由度并聯(lián)機器人的并聯(lián)機構(gòu)種類較多，形式較復(fù)雜，一般有以下形式。平面3自由度并聯(lián)機構(gòu)，如3-RRR機構(gòu)，它具有2個移動機構(gòu)和一個轉(zhuǎn)動機構(gòu)；球面3自由度并聯(lián)機構(gòu)，如3-UPS-1-S球面機構(gòu)，該類機構(gòu)的運動學(xué)正、反解都相對較簡單，是一種應(yīng)用很廣泛的三維移動空間機構(gòu)。3自由度并聯(lián)機器人如圖1-19所示。圖1-19

3自由度并聯(lián)機器人6

自由度并聯(lián)機構(gòu)是國內(nèi)外學(xué)者研究得最多的并聯(lián)機構(gòu)，廣泛應(yīng)用在飛行模擬器、6維力與力矩傳感器和并聯(lián)機床等領(lǐng)域。但這類機構(gòu)有很多關(guān)鍵性技術(shù)問題沒有得到解決或沒有完全得到解決，比如運動學(xué)正解、動力學(xué)模型的建立以及并聯(lián)機床的精度標(biāo)定等。6自由度并聯(lián)機器人如圖1-20所示。圖1-20

6自由度并聯(lián)機器人1.3.1按工業(yè)機器人臂部的運動形式分類7．混聯(lián)型工業(yè)機器人混聯(lián)型工業(yè)機器人（以下簡稱混聯(lián)機器人）采用新型機構(gòu)，是以并聯(lián)機構(gòu)為基礎(chǔ)，在并聯(lián)機構(gòu)中嵌入具有多個自由度的串聯(lián)機構(gòu)構(gòu)成的一個復(fù)雜的混聯(lián)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜，屬于對并聯(lián)機構(gòu)的補償和優(yōu)化?；炻?lián)機器人具有并聯(lián)機器人剛度大、承載能力強、速度高、精度高的特點，又具有串聯(lián)機器人運動空間大、控制簡單、操作靈活的特性，多用于高速度和高精度的場合。除在應(yīng)用工藝上常用于食品、醫(yī)藥、3C（3C是指結(jié)合計算機、通信和消費性電子三大科技產(chǎn)品整合應(yīng)用的資訊家電產(chǎn)業(yè)）、日化、物流等行業(yè)中的理料、分揀、轉(zhuǎn)運外，它還憑借多角度拾取優(yōu)勢擴大了工業(yè)機器人的應(yīng)用范圍。混聯(lián)機器人有3P-2R和3P-3R兩種常見的組成結(jié)構(gòu)，擁有混聯(lián)機器人的企業(yè)并不多見。（1）混聯(lián)

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軸機器人由3P-2R結(jié)構(gòu)組成，即3自由度的并聯(lián)機構(gòu)與2自由度的串聯(lián)機構(gòu)，將并聯(lián)機構(gòu)的處理快速、精度高與串聯(lián)末端拾取位姿靈活的特點相結(jié)合，可實現(xiàn)將平行放置的物料沿平行方向x軸±360°及沿豎直方向y軸±90°翻轉(zhuǎn)放置的操作。該類機器人一次作業(yè)只對上半曲面進行拾取，故而5自由度可以滿足靈活作業(yè)要求?；炻?lián)型工業(yè)機器人如圖1-21所示。（2）混聯(lián)6軸機器人由3P-3R結(jié)構(gòu)組成，即3自由度的并聯(lián)機構(gòu)與3自由度的串聯(lián)機構(gòu)，實現(xiàn)了更大空間的運行，在保持了原有并聯(lián)機構(gòu)的特點之外，增加了拾取物品位姿隨機、末端擺放自由靈活、理料與分揀雙工藝結(jié)合的特點。運用3D相機完成立體物料的視覺信息捕捉后，機器人可根據(jù)物料在三維空間內(nèi)的位置與角度進行判斷，解決了以往機器人只能進行平面抓取的弊端，實現(xiàn)對堆疊來料的快速理料，同時也開拓了對不規(guī)則、不平整來料進行涂膠、注塑等新工藝，豐富了應(yīng)用場景?；炻?lián)6軸機器人如圖1-22所示。

圖1-21混聯(lián)型工業(yè)機器人

圖1-22混聯(lián)6軸機器人1.3.1按工業(yè)機器人臂部的運動形式分類混聯(lián)機器人的出現(xiàn)為工業(yè)機器人應(yīng)用拓寬了場景，能更加有效地結(jié)合市場需求，滿足客戶個性化定制需要，建立行之有效的自動化解決方案，幫助我國制造業(yè)提升企業(yè)的核心競爭力和盈利能力，加快企業(yè)轉(zhuǎn)型升級。

圖1-21混聯(lián)型工業(yè)機器人

圖1-22混聯(lián)6軸機器人1.3.2按工業(yè)機器人的驅(qū)動方式分類工業(yè)機器人的驅(qū)動方式，按動力源的不同分為氣動、液壓和電動三大類。根據(jù)需要可由這3種基本類型組合成復(fù)合式的驅(qū)動系統(tǒng)。1．氣動式工業(yè)機器人氣動式工業(yè)機器人在一些特定的工業(yè)場景中具有廣泛應(yīng)用，特別是在一些易燃易爆的環(huán)境中，因為它們不會產(chǎn)生火花。此外，氣動式工業(yè)機器人還常用于一些需要高速、短程運動的應(yīng)用，如裝配線上的零件傳送和組裝等。然而，氣動式工業(yè)機器人也存在一些局限性，比如在需要高扭矩、高精度和長程運動方面的應(yīng)用相對有限。另外，氣動系統(tǒng)的能效較低，使用氣動式工業(yè)機器人可能會導(dǎo)致能源浪費。隨著技術(shù)的發(fā)展，一些新的氣動元件和控制技術(shù)的出現(xiàn)，有望改善氣動式工業(yè)機器人的性能和應(yīng)用范圍。氣動式工業(yè)機器人如圖1-23所示。2．液壓式工業(yè)機器人液壓式工業(yè)機器人是一種利用液壓系統(tǒng)作為其主要驅(qū)動力的自動化設(shè)備，常見于汽車制造業(yè)、重型機械加工以及需要高強度操作的場合。此外，在一些特定的工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，如金屬加工、建筑工程、冶金等，可以幫助提高生產(chǎn)效率、降低人力成本，并在一些特殊環(huán)境下取代人工操作，提高工作安全性和效率。隨著技術(shù)的不斷進步，液壓式工業(yè)機器人的應(yīng)用范圍和性能也在不斷提升。液壓式工業(yè)機器人如圖1-24所示。圖1-23氣動式工業(yè)機器人

圖1-24

液壓式工業(yè)機器人1.3.2按工業(yè)機器人的驅(qū)動方式分類3．電動式工業(yè)機器人電動式工業(yè)機器人因其高效、精準(zhǔn)和環(huán)保的特點，在現(xiàn)代工業(yè)自動化中占據(jù)了主導(dǎo)地位，擁有先進的控制系統(tǒng)，可以進行復(fù)雜的路徑規(guī)劃、速度控制和力控制，實現(xiàn)高度靈活和精確的動作。為了增加扭矩和減小速度，電動機通常會連接到精密的齒輪減速器，如行星齒輪減速器或諧波齒輪減速器。編碼器用于監(jiān)測電動機的旋轉(zhuǎn)角度和速度，從而實現(xiàn)閉環(huán)控制，確保機器人運動的精度?？刂栖浖试S用戶編程和調(diào)試機器人的動作，通常支持多種編程語言和接口標(biāo)準(zhǔn)，便于與生產(chǎn)線上的其他設(shè)備集成。電動式工業(yè)機器人如圖1-25所示。圖1-25

電動式工業(yè)機器人技能訓(xùn)練請把下列工業(yè)機器人按不同分類方式歸類，并填入表1-4中。直角坐標(biāo)型工業(yè)機器人、圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機器人、球坐標(biāo)型工業(yè)機器人、關(guān)節(jié)型工業(yè)機器人、串聯(lián)型工業(yè)機器人和并聯(lián)型工業(yè)機器人、氣動式工業(yè)機器人、液壓式工業(yè)機器人、電動式工業(yè)機器人。表1-4工業(yè)機器人種類工業(yè)機器人分類方法工業(yè)機器人類型按臂部運動形式

按驅(qū)動方式

直角坐標(biāo)型工業(yè)機器人、圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機器人、球坐標(biāo)型工業(yè)機器人、關(guān)節(jié)型工業(yè)機器人、串聯(lián)型工業(yè)機器人、并聯(lián)型工業(yè)機器人、混聯(lián)型工業(yè)機器人氣動式工業(yè)機器人、液壓式工業(yè)機器人、電動式工業(yè)機器人1.4.1機器人搬運應(yīng)用目前搬運仍然是機器人的第一大應(yīng)用領(lǐng)域，占機器人應(yīng)用整體的40%左右。許多自動化生產(chǎn)線需要使用機器人進行上下料、搬運以及碼垛等操作。如圖1-26所示，機器人在搬運模具。近年來，隨著協(xié)作機器人的興起，搬運機器人的市場份額一直呈增長態(tài)勢。圖1-26機器人搬運模具1.4.2機器人機械加工應(yīng)用機械加工機器人主要從事的應(yīng)用領(lǐng)域包括零件鑄造、激光切割以及水射流切割，由于市面上有許多自動化設(shè)備可以勝任機械加工的任務(wù)，因此這類機器人的應(yīng)用量并不高。如圖1-27所示，機器人在切割板材。圖1-27機器人切割板材1.4.3機器人噴涂應(yīng)用機械加工機器人主要從事的應(yīng)用領(lǐng)域包括零件鑄造、激光切割以及水射流切割，由于市面上有許多自動化設(shè)備機器人噴涂主要指的是涂裝、點膠、噴漆等工作，其應(yīng)用領(lǐng)域包括汽車行業(yè)噴涂、家具行業(yè)繪畫、一般工業(yè)噴涂。汽車行業(yè)憑借其產(chǎn)量大、節(jié)奏快、噴涂表面要求高等特點，成為噴涂機器人應(yīng)用最廣泛的行業(yè)，如圖1-28所示。自動噴漆輸送系統(tǒng)、機器人噴漆/烘干設(shè)備等的應(yīng)用，提高了噴漆產(chǎn)品合格率，減少了人工成本。隨著人們對綠色生活的追求，木器家具廣泛使用水性涂料，形狀較規(guī)則的桌板、門板已廣泛采用水性漆自動噴涂，而對于形狀不規(guī)則的桌腿等工件，噴涂機器人得到了一定程度的應(yīng)用。陶瓷衛(wèi)浴產(chǎn)品表面釉料已廣泛采用機器人噴涂；亞克力衛(wèi)浴產(chǎn)品表面玻璃纖維增強樹脂材料也有一些企業(yè)在研究采用機器人噴涂。機械制造、航空航天、特種裝備等工業(yè)領(lǐng)域，其工件形狀復(fù)雜、尺寸多變、同種工件數(shù)量少，噴涂機器人的應(yīng)用比較廣泛。隨著玻璃纖維增強塑料復(fù)合材料在衛(wèi)浴、汽車、航空航天、游艇等方面的廣泛應(yīng)用，噴涂機器人將會發(fā)揮更大的作用。可以勝任機械加工的任務(wù)，因此這類機器人的應(yīng)用量并不高。如圖1-27所示，機器人在切割板材。圖1-28噴涂機器人在汽車行業(yè)的應(yīng)用1.4.4機器人裝配應(yīng)用裝配機器人主要從事零部件的安裝、拆卸以及修復(fù)等工作，近年來機器人傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展，機器人應(yīng)用越來越多樣化，直接導(dǎo)致裝配機器人應(yīng)用比例的下滑。裝配機器人在電子行業(yè)的應(yīng)用包括表面貼裝、線路板組裝、檢測和測試等，如圖1-29所示。圖1-29裝配機器人在電子行業(yè)的應(yīng)用1.4.5機器人焊接應(yīng)用機器人焊接應(yīng)用主要包括在汽車行業(yè)中使用的點焊和弧焊，雖然點焊機器人比弧焊機器人更受歡迎，但是弧焊機器人近年來發(fā)展勢頭十分迅猛。許多加工車間都逐步引入焊接機器人（見圖1-30），用來實現(xiàn)焊接作業(yè)自動化。圖1-30焊接機器人技能訓(xùn)練不同應(yīng)用領(lǐng)域機器人的結(jié)構(gòu)特點把下面不同應(yīng)用領(lǐng)域的工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)特點填寫到表1-5中。工業(yè)機器人從事的應(yīng)用領(lǐng)域包括零件鑄造、激光切割以及水射流切割；涂裝、點膠、噴漆；零部件的安裝、拆卸以及修復(fù)；點焊和弧焊；上下料、搬運以及碼垛。表1-5工業(yè)機器人結(jié)構(gòu)特點工業(yè)機器人應(yīng)用領(lǐng)域結(jié)構(gòu)特點機器人機械加工應(yīng)用

機器人噴涂應(yīng)用

機器人裝配應(yīng)用

機器人焊接應(yīng)用

機器人搬運應(yīng)用

通常具有較高的精度和剛性，以適應(yīng)零件鑄造、激光切割、水射流切割等高精度加工需求，可能配備專用的加工工具和傳感器需要具備良好的靈活性和防腐蝕性能，以適應(yīng)涂裝、點膠、噴漆等工作，可能配備特殊的噴涂裝置和防護措施要求高精度和良好的靈活性，以完成零部件的安裝、拆卸及修復(fù)等工作，通常配備多種傳感器和靈活的末端執(zhí)行器需要具備穩(wěn)定性和精確的軌跡控制能力，以實現(xiàn)點焊和弧焊等焊接作業(yè)，通常具有專門的焊接夾具和控制系統(tǒng)注重高負(fù)載能力和運動速度，以完成上下料、搬運、碼垛等任務(wù)，結(jié)構(gòu)設(shè)計上通常具有較大的工作范圍和承載能力鞏固練習(xí)2．簡述工業(yè)機器人的發(fā)展歷史。1．簡述工業(yè)機器人的主要應(yīng)用場景。早期（古代—20世紀(jì)初）：古希臘、中國西周、東漢、三國時期已有機械裝置雛形；17—19世紀(jì)，日本、美國、加拿大出現(xiàn)自動玩偶、報時鳥、蒸汽驅(qū)動機器人。近代（20世紀(jì)—21世紀(jì)初）：1920年“機器人”一詞起源于捷克戲??；1950年阿西莫夫提出“機器人三守則”；1954年第一臺Unimate機器人誕生；1960—1980年代，傳感器、計算機控制技術(shù)推動機器人發(fā)展，日本、德國等國家開始廣泛應(yīng)用；1990年代后，智能機器人、協(xié)作機器人興起，如丹麥樂高機器人套件、iRobot吸塵器機器人。未來展望：向智能化、柔性化、人機協(xié)作方向發(fā)展，應(yīng)用于更多非制造領(lǐng)域。

工業(yè)機器人主要應(yīng)用于搬運（占比約40%，如上下料、碼垛）、機械加工（零件鑄造、激光切割）、噴涂（汽車涂裝、家具噴漆）、裝配（電子元件安裝）、焊接（汽車點焊、弧焊）等領(lǐng)域，覆蓋汽車制造、電子、物流、化工等多個行業(yè)。

鞏固練習(xí)核心技術(shù)與算法缺乏：控制器、伺服電機等核心部件依賴進口，智能化水平受限，導(dǎo)致性能不穩(wěn)定、故障率高。自主創(chuàng)新能力不足：缺乏自主研發(fā)的核心技術(shù)，難以快速響應(yīng)市場需求，產(chǎn)品同質(zhì)化嚴(yán)重，國際競爭力較弱。5．說明工業(yè)機器人的發(fā)展障礙。4．簡述不同國家對工業(yè)機器人的定義。美國（RIA）：強調(diào)可重復(fù)編程、多功能操作器，用于搬運物料或工具。日本（JIRA）：注重記憶裝置和末端執(zhí)行器，強調(diào)自動化移動代替人類勞動。德國（VDI）：突出多自由度、程序控制，可完成材料搬運和制造操作。中國（科普中國）：定義為多關(guān)節(jié)機械手或多自由度裝置，具備自動性，應(yīng)用于工業(yè)加工制造。搬運：自動化生產(chǎn)線上下料、碼垛，如機器人搬運模具。機械加工：激光切割板材、零件鑄造。噴涂：汽車行業(yè)噴漆、家具水性漆噴涂。裝配：電子行業(yè)線路板組裝、零部件安裝。焊接：汽車制造中的點焊、弧焊作業(yè)。3．簡述工業(yè)機器人的應(yīng)用領(lǐng)域，并舉例說明。模塊二工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)導(dǎo)讀工業(yè)機器人是集機械、電子、控制、計算機、傳感器、人工智能等多學(xué)科先進技術(shù)于一體的現(xiàn)代制造業(yè)重要的自動化裝備。工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)參數(shù)對機器人起著非常重要的作用，反映了它可以勝任的工作、具有的最高操作性能等情況，是設(shè)計、應(yīng)用機器人時必須考慮的問題。工業(yè)機器人結(jié)構(gòu)主要包括執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)等，執(zhí)行機構(gòu)是工業(yè)機器人的本體結(jié)構(gòu)；驅(qū)動系統(tǒng)是將能源傳送到執(zhí)行機構(gòu)的裝置；控制系統(tǒng)是根據(jù)機器人的作業(yè)指令以及從傳感器反饋回來的信號，支配執(zhí)行機構(gòu)去完成規(guī)定的運動和功能的結(jié)構(gòu)；傳感系統(tǒng)是一種包含多個傳感器和處理單元的綜合性系統(tǒng)，可以對環(huán)境信息進行感知、采集、處理和傳輸?shù)榷囗椚蝿?wù)。與計算機、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)類似，工業(yè)機器人的廣泛應(yīng)用正在日益改變?nèi)祟惖纳a(chǎn)和生活方式，了解工業(yè)機器人的組成部分、結(jié)構(gòu)以及技術(shù)參數(shù)就顯得尤為重要。知識目標(biāo)

了解工業(yè)機器人的系統(tǒng)組成；

掌握工業(yè)機器人的機械結(jié)構(gòu)。能力目標(biāo)

熟練掌握工業(yè)機器人的組成部分及其作用；

能夠掌握工業(yè)機器人執(zhí)行機構(gòu)的工作原理。素養(yǎng)目標(biāo)

培養(yǎng)學(xué)生深入思考的能力；

在學(xué)習(xí)過程中提高學(xué)生的思維能力，使學(xué)生感受學(xué)習(xí)的快樂；

認(rèn)識掌握工業(yè)機器人相關(guān)技能的重要性，提升學(xué)生的勞動精神和工匠精神。思維導(dǎo)圖2.1.1執(zhí)行機構(gòu)工業(yè)機器人通常由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和傳感系統(tǒng)4部分組成。執(zhí)行機構(gòu)是機器人賴以完成工作任務(wù)的實體部分，通常由一系列連桿、關(guān)節(jié)或其他形式的運動副組成，也可以理解為工業(yè)機器人的機械結(jié)構(gòu)部分。從功能的角度分析，工業(yè)機器人的執(zhí)行機構(gòu)由手部、腕部、臂部、腰部等組成，如圖2-1所示。

圖2-1工業(yè)機器人的執(zhí)行機構(gòu)2.1.2驅(qū)動系統(tǒng)工業(yè)機器人的驅(qū)動系統(tǒng)是向執(zhí)行機構(gòu)各部件提供動力的裝置，包括驅(qū)動器和傳動機構(gòu)兩部分，它們通常與執(zhí)行機構(gòu)連成一體。驅(qū)動器的驅(qū)動方式通常分為電力驅(qū)動、液壓驅(qū)動、氣動驅(qū)動以及把它們結(jié)合起來應(yīng)用的綜合驅(qū)動。常用的傳動機構(gòu)有諧波傳動機構(gòu)、螺旋傳動機構(gòu)、鏈傳動機構(gòu)、帶傳動機構(gòu)以及各種齒輪傳動機構(gòu)等。

2.1.2驅(qū)動系統(tǒng)

1.電力驅(qū)動電力驅(qū)動是指利用電動機產(chǎn)生的力或力矩直接或經(jīng)過減速機構(gòu)來驅(qū)動機器人，以獲得所需的位置、速度和加速度。由于低慣量，大轉(zhuǎn)矩，交、直流伺服電動機及其配套的伺服驅(qū)動器（交流變頻器、直流脈沖寬度調(diào)制器）被廣泛采用，且不需能量轉(zhuǎn)換，使用方便，控制靈活，這類驅(qū)動系統(tǒng)在機器人中被大量選用。電力驅(qū)動系統(tǒng)的缺點是大多數(shù)電動機后面需安裝精密的傳動機構(gòu)，直流有刷電動機不能直接用于防爆的環(huán)境中，成本也比氣動驅(qū)動系統(tǒng)和液壓驅(qū)動系統(tǒng)高。但因這類驅(qū)動系統(tǒng)優(yōu)點比較突出，在機器人控制中比較常見。機器人的電力驅(qū)動如圖2-2所示。圖2-2機器人的電力驅(qū)動2.1.2驅(qū)動系統(tǒng)

2.液壓驅(qū)動由于液壓驅(qū)動系統(tǒng)需進行能量轉(zhuǎn)換（電能轉(zhuǎn)換成液壓能），速度控制多數(shù)情況下采用節(jié)流調(diào)速，因此效率比電力驅(qū)動系統(tǒng)低。液壓驅(qū)動系統(tǒng)的液體泄漏會對環(huán)境產(chǎn)生污染，工作噪聲也較大。因這些弱點，近年來，在負(fù)荷為100

kg以下的機器人中液壓驅(qū)動系統(tǒng)往往被電力驅(qū)動系統(tǒng)所取代。機器人的液壓驅(qū)動如圖2-3所示。

圖2-3機器人的液壓驅(qū)動

2.1.2驅(qū)動系統(tǒng)

3．氣動驅(qū)動氣動驅(qū)動系統(tǒng)通常由氣缸、氣閥、氣罐和空壓機等組成，以壓縮空氣來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)進行工作，具有速度快、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、維修方便、價格低等特點，適用于中、小負(fù)荷的機器人中。但因難以實現(xiàn)伺服控制，氣動驅(qū)動系統(tǒng)多用于開環(huán)程序控制的機器人中，如上下料機器人和沖壓機器人。機器人的氣動驅(qū)動如圖2-4所示。圖2-4機器人的氣動驅(qū)動2.1.3控制系統(tǒng)工業(yè)機器人控制系統(tǒng)是自動化生產(chǎn)的神經(jīng)中樞，由控制計算機、示教器、驅(qū)動系統(tǒng)（雖然從整個機器人的角度看它是獨立的一環(huán)，但在控制系統(tǒng)中，驅(qū)動系統(tǒng)也被視為執(zhí)行控制指令的部分，即接收控制信號并驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動）、傳感系統(tǒng)（在工業(yè)機器人架構(gòu)中單獨列出，但在控制系統(tǒng)中，它被視作提供反饋信息的組件，幫助控制系統(tǒng)實時調(diào)整機器人的行為）及外圍設(shè)備接口構(gòu)成?？刂朴嬎銠C處理邏輯，示教盒用于編程與監(jiān)控；驅(qū)動系統(tǒng)將信號轉(zhuǎn)化為運動，感知系統(tǒng)監(jiān)測狀態(tài)與環(huán)境?？刂葡到y(tǒng)通過軟件系統(tǒng)協(xié)調(diào)，實現(xiàn)記憶、示教再現(xiàn)、路徑規(guī)劃等功能，確保機器人高效、準(zhǔn)確地執(zhí)行任務(wù)，與生產(chǎn)環(huán)境無縫對接。這一系統(tǒng)的核心作用在于精準(zhǔn)控制與實時調(diào)整，支撐著現(xiàn)代制造業(yè)的自動化流程。工業(yè)機器人的控制原理如圖2-5所示機器人控制器是機器人控制系統(tǒng)的核心，對機器人的性能起著決定性的影響，主要控制機器人在工作空間中的運動位置、姿態(tài)和軌跡、操作順序及動作的時間等。機器人的控制器主要包括兩個部分，控制柜和示教器，其中控制柜包含多個PLC控制模塊，用于控制機器人的運動；示教器則用于編程和發(fā)送控制命令給控制柜，以控制機器人運動。圖2-5工業(yè)機器人的控制原理2.1.3控制系統(tǒng)1．機器人的控制柜器人的控制柜（見圖2-6）一般由主電源、計算機供電單元、計算機控制模塊、輸入和輸出板（I/O板）、用戶連接端口、示教器接線端口、各軸計算機板、各軸伺服電動機的驅(qū)動單元等組成。機器人的控制柜內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)硬件主要有控制模塊和驅(qū)動模塊?？刂颇K主要包含控制操縱器動作的主要計算機，包括RAPID程序的執(zhí)行和信號處理模塊。驅(qū)動模塊包含電子設(shè)備的模塊，可為操縱器的電動機供電，驅(qū)動模塊最多可以包含9個驅(qū)動單元，每個驅(qū)動單元控制一個操縱器關(guān)節(jié)，標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)機器人有

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個軸，即

6

個關(guān)節(jié)，因此工業(yè)機器人的操縱器通常使用一個驅(qū)動模塊。圖2-6機器人的控制柜2.1.3控制系統(tǒng)2．機器人的示教器示教器又叫示教編程器，是機器人控制系統(tǒng)的核心部件，是進行機器人的手動操縱、程序編寫、參數(shù)配置以及監(jiān)控用的手持裝置，主要由觸摸屏、控制桿、專用的硬件按鍵和緊急停止開關(guān)等組成，如圖2-7（a）所示。示教器是用來注冊和存儲機械運動或處理記憶的設(shè)備，由電子系統(tǒng)或計算機系統(tǒng)組成，控制者在操作時只需要手持示教器，通過按鍵將信號傳送到控制柜的存儲器中，就能實現(xiàn)對機器人的控制。示教器的操作面板由各種操作按鍵、狀態(tài)指示燈構(gòu)成，只完成基本功能操作，如圖2-7（b）所示。圖2-7機器人的示教器2.1.4傳感系統(tǒng)傳感系統(tǒng)是機器人的重要組成部分，機器人的傳感系統(tǒng)包括視覺系統(tǒng)、聽覺系統(tǒng)、觸覺系統(tǒng)、嗅覺系統(tǒng)以及味覺系統(tǒng)等。這些傳感系統(tǒng)由一些對圖像、聲音、壓力、氣味、味道敏感的交換器（即傳感器）組成。不同種類的壓力傳感器如圖2-8（a）所示。按其采集信息的位置，傳感器一般可分為內(nèi)部和外部兩類，其中內(nèi)部傳感器是機器人完成運動控制所必需的傳感器，如位置傳感器、速度傳感器等，用于采集機器人內(nèi)部信息，是構(gòu)成機器人的不可缺少的基本元件。傳統(tǒng)的工業(yè)機器人僅采用內(nèi)部傳感器，用于對機器人運動、位置及姿態(tài)進行精確控制。外部傳感器主要讓機器人對外部環(huán)境具有一定程度的適應(yīng)能力，從而表現(xiàn)出一定程度的智能性。傳感器將接收到的信息傳送到運動控制器，從而控制工業(yè)機器人運動，如圖2-8（b）所示。圖2-8機器人的傳感系統(tǒng)2.2.1工業(yè)機器人的手部工業(yè)機器人的執(zhí)行機構(gòu)主要包括手部、腕部、臂部、腰部等。工業(yè)機器人的手部屬于末端執(zhí)行器，是裝在工業(yè)機器人腕部上直接抓握工件或執(zhí)行作業(yè)任務(wù)的部件，也是決定完成作業(yè)好壞、作業(yè)柔性優(yōu)劣的關(guān)鍵部件之一。機器人手部能根據(jù)計算機發(fā)出的命令執(zhí)行相應(yīng)的動作，是執(zhí)行命令的機構(gòu)，具有識別的功能。為了使機器人手部具有觸覺，可在手掌和手指上裝上帶有彈性觸點的元件，如想使其感知冷暖可裝上熱敏元件。在各關(guān)節(jié)的連接軸上裝有精巧的電位器，可將手指的彎曲角度轉(zhuǎn)換成“外形彎曲信息”，把外形彎曲信息和各關(guān)節(jié)產(chǎn)生的接觸信息一起送入計算機，通過計算就能迅速判斷機械手所抓物體的形狀和大小。2.2.1工業(yè)機器人的手部1．工業(yè)機器人手部的基本特征工業(yè)機器人的手部具有四大基本特征。（1）手部與腕部相連處可拆卸。手部與腕部有機械接口，當(dāng)機器人作業(yè)對象不同時，可以方便地拆卸和更換手部。（2）手部是工業(yè)機器人的末端執(zhí)行器。它可以像人手那樣具有手指，也可以是不具備手指的手；可以是類人的手爪，也可以是進行專業(yè)作業(yè)的工具，如裝在機器人腕部的噴漆槍、焊接工具等。具有復(fù)雜感知能力的智能化手爪的出現(xiàn)，增加了工業(yè)機器人作業(yè)的靈活性和可靠性。（3）手部的通用性比較差。工業(yè)機器人手部通常是專用的裝置，比如一種手爪往往只能抓握一種或幾種在形狀、尺寸、質(zhì)量等方面相近的工件，一種工具只能執(zhí)行一種作業(yè)任務(wù)。（4）手部是一個獨立的部件。假如把腕部歸屬于臂部，那么工業(yè)機器人機械系統(tǒng)的三大件就是手部、臂部和腰部。2.2.1工業(yè)機器人的手部2．工業(yè)機器人手部設(shè)計問題（1）考慮被抓握對象的幾何參數(shù)和機械特性。幾何參數(shù)包括工件尺寸、可能給予抓握表面的數(shù)目、可能給予抓握表面的位置和方向、夾持表面之間的距離、夾持表面的幾何形狀。機械特性包括質(zhì)量、材料、固有穩(wěn)定性、表面質(zhì)量和品質(zhì)、表面狀態(tài)、工件溫度。（2）考慮手部和機器人匹配情況。手部一般用法蘭式機械接口與腕部相連接，手部自身質(zhì)量也增加了機械臂的負(fù)載。接口匹配時手部可以更換，即手部形式可以不同，但是與腕部的機械接口必須相同。手部自身質(zhì)量不能太大，機器人能抓取工件的質(zhì)量是機器人的承載能力減去手部自身質(zhì)量。手部自身質(zhì)量要與機器人承載能力相匹配。（3）考慮環(huán)境條件。作業(yè)區(qū)域內(nèi)的環(huán)境狀況很重要，比如高溫、水、油等不同環(huán)境會影響手部的工作。一個鍛壓機械手要從高溫爐內(nèi)取出紅熱的鍛件坯料就必須保證手部的開合、驅(qū)動在高溫環(huán)境中均能正常工作。（4）磁力吸盤要求工件表面清潔、平整、干燥，以保證能可靠地吸附。磁力吸盤的計算主要是電磁吸盤中電磁鐵吸力的計算以及鐵心截面積、線圈導(dǎo)線直徑和線圈匝數(shù)等參數(shù)的計算。要根據(jù)實際應(yīng)用環(huán)境選擇工作情況系數(shù)和安全系數(shù)。2.2.1工業(yè)機器人的手部3．工業(yè)機器人手部的類型由于被握工件的形狀、尺寸、質(zhì)量、材質(zhì)等不同，工業(yè)機器人的末端執(zhí)行器也是多種多樣的，大致可以分為以下幾類：夾鉗式取料手、吸附式取料手、仿生多指靈巧手、專用操作器及換接器等。（1）夾鉗式取料手夾鉗式取料手與人手相似，是工業(yè)機器人廣為應(yīng)用的一種手部形式。夾鉗式取料手由手指、驅(qū)動裝置、傳動機構(gòu)及支架組成，通過手指的開與合實現(xiàn)對物體的松開與夾持，如圖2-9所示。手指是直接與工件接觸的部件。手部松開和夾緊工件是通過手指的張開與閉合來實現(xiàn)的。機器人的手部一般有兩個或多個手指，其結(jié)構(gòu)形式常取決于被夾持工件的形狀和特性。指端的形狀有平面指、V形指、尖指、長指、薄指、特形指等，如圖2-10和圖2-11所示。圖2-11所示的3種V形指端用于夾持圓柱形工件。平面指一般用于夾持方形工件（具有兩個平行平面）、板料或細(xì)小棒料。尖指一般用于夾持小型或柔性工件，長指一般用于夾持熾熱的工件，以免熱輻射對手部傳動機構(gòu)的影響。薄指一般用于夾持位于狹窄工作場地的細(xì)小工件，以避免和周圍障礙物相碰。指面的類型有光滑指面、齒形指面和柔性指面等。光滑指面平整光滑，可用來夾持已加工表面，避免已加工表面受損。齒形指面刻有齒紋，可增加夾持工件時的摩擦力，以確保夾持牢靠，多用來夾持表面粗糙的毛坯或半成品。柔性指面內(nèi)鑲有橡膠、泡沫、石棉等物質(zhì)，有增加摩擦力、保護工件表面、隔熱等作用，一般用于夾持已加工表面、熾熱件，或夾持薄壁件和脆性工件。圖2-9夾鉗式取料手1—手指；2—傳動機構(gòu)；3—驅(qū)動裝置；4—支架；5—工件2.2.1工業(yè)機器人的手部（2）吸附式取料手吸附式取料手靠吸附力取料，根據(jù)吸附方式的不同分為氣吸附和磁吸附兩種，適用于大平面、易碎（玻璃、磁盤等）、微小物體的吸附。①氣吸附式取料手。氣吸附式取料手是利用吸盤內(nèi)的壓力和大氣壓之間的壓力差而工作的，按形成壓力差的方法，可分為真空吸附式、氣流負(fù)壓吸附式、擠壓排氣式等，具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、吸附力分布均勻等優(yōu)點，對于薄片狀如板材、紙張、玻璃等物體的搬運更有優(yōu)越性，廣泛應(yīng)用于非金屬材料的吸附。但它要求物體表面較平整光滑，無孔無凹槽。a．真空吸附式取料手。圖2-12所示為真空吸附式取料手，其真空的產(chǎn)生是利用了真空泵，真空度較高，主要零件為碟形橡膠吸盤1，通過固定環(huán)2安裝在支承桿4上，支承桿由螺母5固定在基板6上。取料時，碟形橡膠吸盤與物體表面接觸，橡膠吸盤在邊緣既起到密封作用，又起到緩沖作用，然后真空抽氣，吸盤內(nèi)腔形成真空，吸取物料。放料時，管路接通大氣，失去真空，物體放下。為避免在取、放料時產(chǎn)生撞擊，有的還在支承桿上配有彈簧緩沖。為了更好地適應(yīng)物體吸附面的傾斜狀況，有的還在橡膠吸盤背面設(shè)計有球鉸鏈。圖2-12真空吸附式取料手1—蝶形橡膠吸盤；2—固定環(huán)；3—墊片；

4—支承桿；5—螺母；6—基板2.2.1工業(yè)機器人的手部b．氣流負(fù)壓吸附式取料手。氣流負(fù)壓吸附式取料手如圖2-13所示，利用的是流體力學(xué)的原理，當(dāng)需要取料時，壓縮空氣高速流經(jīng)圖2-13（a）所示噴嘴5，其出口處的氣壓低于吸盤腔內(nèi)的氣壓，于是腔內(nèi)的氣體被高速氣流帶走而形成負(fù)壓，完成取料動作；當(dāng)需要放料時，切斷壓縮空氣即可。這種取料手需要壓縮空氣，但工廠里較易取得，故成本較低。c．?dāng)D壓排氣式取料手。擠壓排氣式取料手如圖2-14所示，其工作原理為取料時，橡膠吸盤壓緊物體，橡膠吸盤變形，擠出腔內(nèi)多余的空氣，取料手上升，靠橡膠吸盤的恢復(fù)力形成負(fù)壓，將物體吸?。环帕蠒r，壓下拉桿3，使吸盤腔與大氣相連通而失去負(fù)壓。該取料手結(jié)構(gòu)簡單，但吸附力小，吸附狀態(tài)不易長期保持。1—橡膠吸盤；2—心套；3—透氣螺釘；4—支承桿；

5—噴嘴；6—噴嘴套1—氣源；2—電磁閥；3—真空發(fā)生器；4—消聲器；

5—壓力開關(guān)；6—氣爪圖2-13氣流負(fù)壓吸附式取料手圖2-14擠壓排氣式取料手1—橡膠吸盤；2—彈簧；3—拉桿2.2.1工業(yè)機器人的手部②磁吸附式取料手。磁吸附式取料手的吸盤有電磁吸盤和永磁吸盤兩種，具有體積小、自重輕、持力強、可在水里使用等特點，廣泛應(yīng)用于機械加工、倉庫等搬運吊裝過程中對塊狀、圓柱形磁性鋼鐵材料工件的吸附，可大大提高工件裝卸、搬運的效率，是工廠、碼頭、倉庫、交通運輸?shù)葓龊侠硐氲牡跹b工具。在機器人手部裝上電磁鐵，通過電磁吸力把工件吸住。在線圈通電的瞬時，由于空氣間隙的存在，磁阻很大，線圈的電感和啟動電流很大，這時產(chǎn)生的電磁吸力就會將工件吸住，一旦斷電，電磁吸力消失，工件就會松開。若采用永久磁鐵作為吸盤，則必須強迫性地取下工件。電磁吸盤只能吸住鐵磁材料制成的工件，吸不住有色金屬和非金屬材料制成的工件。磁力吸盤的缺點是被吸取工件有剩磁，吸盤上常會吸附一些鐵屑，致使不能可靠地吸住工件，而且磁力吸盤只適用于對工件要求不高或有剩磁也無妨的場合。對于不允許有剩磁的工件如鐘表零件及儀表零件等，不能選用磁力吸盤，可選用真空吸盤。另外，鋼、鐵等磁性物質(zhì)在溫度為723℃以上時磁性會消失，故高溫條件下不宜使用磁力吸盤。電磁鐵工作原理如圖2-15（a）所示。當(dāng)線圈1通電后，在鐵心2內(nèi)外產(chǎn)生磁場，磁力線穿過鐵心，空氣間隙和銜鐵3被磁化并形成回路，銜鐵受到電磁吸力F的作用被牢牢吸住。實際使用時，往往采用圖2-15（b）所示的盤式電磁鐵，銜鐵是固定的，銜鐵內(nèi)用隔磁材料將磁力線切斷，當(dāng)銜鐵接觸鐵磁零件時，零件被磁化形成磁力線回路，并受到電磁吸力而被吸住。圖2-15電磁鐵1—線圈；2—鐵心；3—銜鐵2.2.1工業(yè)機器人的手部圖2-16所示為盤狀磁吸附式取料手結(jié)構(gòu)。鐵心1和磁盤3之間用黃銅焊料焊接并構(gòu)成隔磁環(huán)2，這樣使鐵心1成為內(nèi)磁極，磁盤3成為外磁極。其磁路由殼體6的外圈，經(jīng)磁盤3、工件和鐵心，再到殼體內(nèi)圈形成閉合回路，以此來吸附工件。鐵心、磁盤和殼體均采用8～10號低碳鋼制成，可減少剩磁，并在斷電時不吸或少吸鐵屑。蓋5為用黃銅或鋁板制成的隔磁材料，用以壓住線圈11，防止工作過程中線圈的活動。擋圈7、8用以調(diào)整鐵心和殼體的軸向間隙，即磁路氣隙δ，在保證鐵心正常轉(zhuǎn)動的情況下，氣隙越小越好，氣隙越大，則電磁吸力會顯著地減小，因此，一般取δ＝0.1～0.3mm。在機器人臂部的孔內(nèi)可做軸向微量的移動，但不能轉(zhuǎn)動。鐵心1和磁盤3一起裝在軸承10上，用以實現(xiàn)在不停車的情況下自動上下料。圖2-17所示為幾種電磁式吸盤吸料。圖2-17（a）為吸附滾動軸承底座的電磁式吸盤；圖2-17（b）為吸取鋼板的電磁式吸盤；圖2-17（c）為吸取齒輪用的電磁式吸盤；圖2-17（d）為吸附多孔鋼板用的電磁式吸盤。圖2-16盤狀磁吸附式取料手結(jié)構(gòu)1—鐵心；2—隔磁環(huán)；3—磁盤；4—卡環(huán)；5—蓋；6—殼體；7、8—擋圈；9—螺母；10—軸承；11—線圈；12—螺釘2.2.1工業(yè)機器人的手部（3）仿生多指靈巧手目前，大部分工業(yè)機器人的手部只有2個手指，而且手指上一般沒有關(guān)節(jié)。簡單的夾鉗式取料手不能適應(yīng)物體外形的變化，不能使物體表面承受比較均勻的夾持力，無法對復(fù)雜形狀、不同材質(zhì)的物體實施夾持和操作。為了提高機器人手爪和腕部的操作能力、靈活性和快速反應(yīng)能力，使機器人手部能像人手一樣進行各種復(fù)雜的作業(yè)，如裝配作業(yè)、維修作業(yè)、設(shè)備操作以及機器人模特的禮儀手勢等，設(shè)計出了柔性手和多指靈巧手。①柔性手。柔性手能對不同外形的物體實施抓取，并使物體表面受力比較均勻。圖2-18所示為多關(guān)節(jié)柔性腕部，每個手指由多個關(guān)節(jié)串聯(lián)而成。手指傳動部分由牽引鋼絲繩及摩擦滾輪組成，每個手指由兩根鋼絲繩牽引，一側(cè)為握緊，另一側(cè)為放松。驅(qū)動源可采用電動機或液壓、氣動元件。柔性腕部可抓取外形凹凸不平的物體并使物體受力較為均勻。圖2-17電磁式吸盤吸料圖2-18多關(guān)節(jié)柔性腕部2.2.1工業(yè)機器人的手部圖2-19所示為用柔性材料做成的柔性手。一端固定，另一端為自由端的雙管合一的柔性管狀手爪，當(dāng)一側(cè)管內(nèi)充氣體或液體、另一側(cè)管內(nèi)抽氣或抽液時形成壓力差，柔性手爪就向抽空側(cè)彎曲。此種柔性手適用于抓取輕型、圓形物體，如玻璃器皿等。②多指靈巧手。如圖2-20所示，多指靈巧手有多個手指，每個手指有3個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，每一個關(guān)節(jié)的自由度都是獨立控制的。因此，幾乎人的手指能完成的各種復(fù)雜動作它都能模仿，諸如擰螺釘、彈鋼琴、做禮儀手勢等動作。在手部配置觸覺、力覺、視覺、溫度傳感器，將會使多指靈巧手功能更加完善。多指靈巧手的應(yīng)用前景十分廣泛，可在各種極限環(huán)境下完成人無法實現(xiàn)的操作，如在核工業(yè)、宇宙空間作業(yè)，在高溫、高壓、高真空環(huán)境下作業(yè)等。圖2-20多指靈巧手圖2-19柔性手

1—工件；2—手爪；3—電磁閥；4—油缸2.2.1工業(yè)機器人的手部（4）專用操作器及換接器機器人是一種通用性很強的自動化設(shè)備，可根據(jù)作業(yè)要求，再配上各種專用的末端執(zhí)行器后，就能完成各種動作。如在通用機器人上安裝焊槍就使其成為一臺焊接機器人，安裝擰螺母機則使其成為一臺裝配機器人。目前許多由專用電動、氣動工具改型而成的操作器，如擰螺母機、焊槍、電磨頭、電銑頭、拋光頭、激光切割機等，所形成的一整套系列供用戶選用，使機器人能勝任各種工作。

①專用操作器。圖

2-21

所示是一個裝有電磁吸盤式換接器的機器人腕部以及各種專用末端執(zhí)行器，電磁吸盤直徑60

mm，質(zhì)量為1

kg，吸力1100

N，換接器可接通電源、信號、壓力氣源和真空源，電插頭有18芯，氣路接頭有5路。為了保證連接位置的精度，設(shè)置了兩個定位銷。在各末端執(zhí)行器的端面裝有換接器座，平時陳列于工具架上，需要使用時機器人腕部上的換接器電磁吸盤可從正面吸牢換接器座，接通電源和氣源，然后從側(cè)面將末端執(zhí)行器推出工具架，機器人便可進行作業(yè)。②

換接器或自動手爪更換裝置。使用一臺通用機器人，要在作業(yè)時能自動更換不同的末端執(zhí)行器，就需要配置具有快速裝卸功能的換接器。換接器由換接器插座和換接器插頭兩部分組成，分別裝在機器腕部和末端執(zhí)行器上，能夠?qū)崿F(xiàn)機器人對末端執(zhí)行器的快速自動更換。圖2-21裝有電磁吸盤式換接器的機器人腕部和各種專用末端執(zhí)行器1—氣路接口；2—定位銷；3—電接頭；4—電磁吸盤2.2.1工業(yè)機器人的手部專用末端換接器的要求是同時具備氣源、電源及信號的快速連接與切換功能；能承受末端執(zhí)行器的工作載荷；在失電、失氣情況下，機器人停止工作時不會自行脫離；具有一定的換接精度等。圖2-22所示為氣動換接器和專用末端執(zhí)行器庫。該換接器也分成兩部分：一部分裝在腕部上，稱為換接器；另一部分裝在末端執(zhí)行器上，稱為配合器。利用氣動鎖緊器將兩部分進行連接，并使用位置指示燈以表示電路、氣路是否接通。具體實施時，各種末端執(zhí)行器放在工具架上，組成一個專用末端執(zhí)行器庫。③多工位換接裝置。某些機器人作業(yè)任務(wù)較為集中，需要換接一定量的末端執(zhí)行器，又不必配備數(shù)量較多的末端執(zhí)行器庫。這時，可以在機器人腕部上設(shè)置一個多工位換接裝置。例如，在機器人柔性裝配線某個工位上，機器人要依次裝配墊圈、螺釘?shù)葞追N零件，裝配采用多工位換接裝置，可以從幾個供料處依次抓取幾種零件，然后逐個進行裝配，既可以節(jié)省幾臺專用機器人，也可以避免通用機器人頻繁換接末端執(zhí)行器，節(jié)省裝配作業(yè)時間。多工位換接裝置如圖2-23所示，就像數(shù)控加工中心的刀庫一樣，可以有棱錐型和棱柱型兩種形式。棱錐型換接裝置可保證手爪軸線和腕部軸線一致，受力較合理，但其傳動機構(gòu)較為復(fù)雜；棱柱型換接裝置傳動機構(gòu)較為簡單，但其手爪軸線和腕部軸線不能保持一致，受力不良。圖2-22氣動換接器和專用末端執(zhí)行器庫1—末端執(zhí)行器庫；2—操作器過渡法蘭；3—位置

指示燈；4—換接器氣路；5—連接法蘭；6—過渡法蘭；

7—換接器；8—換接器配合端；9—末端執(zhí)行器圖2-23多工位換接裝置2.2.1工業(yè)機器人的手部4．傳動機構(gòu)傳動機構(gòu)是向手指傳遞運動和動力，以實現(xiàn)夾緊和松開動作的機構(gòu)。該機構(gòu)根據(jù)手指開合的動作特點分為回轉(zhuǎn)型和平移型?；剞D(zhuǎn)型又分為一支點回轉(zhuǎn)和多支點回轉(zhuǎn)。根據(jù)手爪夾緊方式，回轉(zhuǎn)型又可分為擺動回轉(zhuǎn)型和平動回轉(zhuǎn)型。（1）回轉(zhuǎn)型傳動機構(gòu)夾鉗式手部中應(yīng)用較多的是回轉(zhuǎn)型傳動機構(gòu)，其手指就是一對杠桿，一般再同斜楔、滑槽