20世紀50年代末，工業(yè)機器人最早開(kāi)始投入使用。

　　20世紀70年代末，由美國Unimation公司推出的PUMA系列機器人，為多關(guān)節、多CPU二級計算機控制，全電動(dòng)，有專(zhuān)用VAL語(yǔ)言和視覺(jué)、力覺(jué)傳感器，這標志著(zhù)工業(yè)機器人技術(shù)已經(jīng)完全成熟。PUMA至今仍然工作在工廠(chǎng)第一線(xiàn)。

　　20世紀80年代，機器人進(jìn)入了普及期，隨著(zhù)制造業(yè)的發(fā)展，使工業(yè)機器人在發(fā)達國家走向普及，并向高速、高精度、輕量化、成套系列化和智能化發(fā)展，以滿(mǎn)足多品種、少批量的需要。

　　20世紀90年代，隨著(zhù)計算機技術(shù)、智能技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，第二代具有一定感覺(jué)功能的機器人已經(jīng)實(shí)用化并開(kāi)始推廣，具有視覺(jué)、觸覺(jué)、高靈巧手指、能行走的第三代智能機器人相繼出現并開(kāi)始走向應用。

　　一般來(lái)說(shuō)，工業(yè)機器人由三大部分六個(gè)子系統組成。

　　三大部分是機械部分、傳感部分和控制部分。

　　六個(gè)子系統可分為機械結構系統、驅動(dòng)系統、感知系統、機器人-環(huán)境交互系統、人機交互系統和控制系統。

　　1.機械結構系統

　　從機械結構來(lái)看，工業(yè)機器人總體上分為串聯(lián)機器人和并聯(lián)機器人。串聯(lián)機器人的特點(diǎn)是一個(gè)軸的運動(dòng)會(huì )改變另一個(gè)軸的坐標原點(diǎn)，而并聯(lián)機器人一個(gè)軸運動(dòng)則不會(huì )改變另一個(gè)軸的坐標原點(diǎn)。早期的工業(yè)機器人都是采用串聯(lián)機構。并聯(lián)機構定義為動(dòng)平臺和定平臺通過(guò)至少兩個(gè)獨立的運動(dòng)鏈相連接，機構具有兩個(gè)或兩個(gè)以上自由度，且以并聯(lián)方式驅動(dòng)的一種閉環(huán)機構。并聯(lián)機構有兩個(gè)構成部分，分別是手腕和手臂。手臂活動(dòng)區域對活動(dòng)空間有很大的影響，而手腕是工具和主體的連接部分。與串聯(lián)機器人相比較，并聯(lián)機器人具有剛度大、結構穩定、承載能力大、微動(dòng)精度高、運動(dòng)負荷小的優(yōu)點(diǎn)。在位置求解上，串聯(lián)機器人的正解容易，但反解十分困難；而并聯(lián)機器人則相反，其正解困難，反解卻非常容易。

　　2.驅動(dòng)系統

　　驅動(dòng)系統是向機械結構系統提供動(dòng)力的裝置。根據動(dòng)力源不同，驅動(dòng)系統的傳動(dòng)方式分為液壓式、氣壓式、電氣式和機械式4種。早期的工業(yè)機器人采用液壓驅動(dòng)。由于液壓系統存在泄露、噪聲和低速不穩定等問(wèn)題，并且功率單元笨重和昂貴，目前只有大型重載機器人、并聯(lián)加工機器人和一些特殊應用場(chǎng)合使用液壓驅動(dòng)的工業(yè)機器人。氣壓驅動(dòng)具有速度快、系統結構簡(jiǎn)單、維修方便、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。但是氣壓裝置的工作壓強低，不易精確定位，一般僅用于工業(yè)機器人末端執行器的驅動(dòng)。氣動(dòng)手抓、旋轉氣缸和氣動(dòng)吸盤(pán)作為末端執行器可用于中、小負荷的工件抓取和裝配。電力驅動(dòng)是目前使用最多的一種驅動(dòng)方式，其特點(diǎn)是電源取用方便，響應快，驅動(dòng)力大，信號檢測、傳遞、處理方便，并可以采用多種靈活的控制方式，驅動(dòng)電機一般采用步進(jìn)電機或伺服電機，目前也有采用直接驅動(dòng)電機，但是造價(jià)較高，控制也較為復雜，和電機相配的減速器一般采用諧波減速器、擺線(xiàn)針輪減速器或者行星齒輪減速器。由于并聯(lián)機器人中有大量的直線(xiàn)驅動(dòng)需求，直線(xiàn)電機在并聯(lián)機器人領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛應用。[3]

　　3.感知系統

　　機器人感知系統把機器人各種內部狀態(tài)信息和環(huán)境信息從信號轉變?yōu)闄C器人自身或者機器人之間能夠理解和應用的數據和信息，除了需要感知與自身工作狀態(tài)相關(guān)的機械量，如位移、速度和力等，視覺(jué)感知技術(shù)是工業(yè)機器人感知的一個(gè)重要方面。視覺(jué)伺服系統將視覺(jué)信息作為反饋信號，用于控制調整機器人的位置和姿態(tài)。機器視覺(jué)系統還在質(zhì)量檢測、識別工件、食品分揀、包裝的各個(gè)方面得到了廣泛應用。感知系統由內部傳感器模塊和外部傳感器模塊組成，智能傳感器的使用提高了機器人的機動(dòng)性、適應性和智能化水平。[3]

　　4.機器人-環(huán)境交互系統

　　機器人-環(huán)境交互系統是實(shí)現機器人與外部環(huán)境中的設備相互聯(lián)系和協(xié)調的系統。機器人與外部設備集成為一個(gè)功能單元，如加工制造單元、焊接單元、裝配單元等。當然也可以是多臺機器人集成為一個(gè)去執行復雜任務(wù)的功能單元。

　　5.人機交互系統

　　人機交互系統是人與機器人進(jìn)行聯(lián)系和參與機器人控制的裝置。例如：計算機的標準終端、指令控制臺、信息顯示板、危險信號報警器等。

　　6.控制系統

　　控制系統的任務(wù)是根據機器人的作業(yè)指令以及從傳感器反饋回來(lái)的信號，支配機器人的執行機構去完成規定的運動(dòng)和功能。如果機器人不具備信息反饋特征，則為開(kāi)環(huán)控制系統；具備信息反饋特征，則為閉環(huán)控制系統。根據控制原理可分為程序控制系統、適應性控制系統和人工智能控制系統。根據控制運動(dòng)的形式可分為點(diǎn)位控制和連續軌跡控制。

　　相比于傳統的工業(yè)設備，工業(yè)機器人有眾多的優(yōu)勢，比如機器人具有易用性、智能化水平高、生產(chǎn)效率及安全性高、易于管理且經(jīng)濟效益顯著(zhù)等特點(diǎn)，使得它們可以在高危環(huán)境下進(jìn)行作業(yè)。

　　1.機器人的易用性

　　在我國，工業(yè)機器人廣泛應用于制造業(yè)，不僅僅應用于汽車(chē)制造業(yè)，大到航天飛機的生產(chǎn)，軍用裝備，高鐵的開(kāi)發(fā)，小到圓珠筆的生產(chǎn)都有廣泛的應用。并且已經(jīng)從較為成熟的行業(yè)延伸到食品，醫療等領(lǐng)域。由于機器人技術(shù)發(fā)展迅速，與傳統工業(yè)設備相比，不僅產(chǎn)品的價(jià)格差距越來(lái)越小，而且產(chǎn)品的個(gè)性化程度高，因此在一些工藝復雜的產(chǎn)品制造過(guò)程中，可以讓工業(yè)機器人替代傳統設備，這樣就可以在很大程度上提高經(jīng)濟效率。根據數據統計顯示，從2016年到2017年，全球工業(yè)機器人的總銷(xiāo)量已經(jīng)從29.4萬(wàn)臺突破到34.6萬(wàn)臺?？梢?jiàn)工業(yè)機器人應用范圍之廣。

　　2.智能化水平高

　　隨著(zhù)計算機控制技術(shù)的不斷進(jìn)步，工業(yè)機器人將逐漸能夠明白人類(lèi)的語(yǔ)言，同時(shí)工業(yè)機器人可以完成產(chǎn)品的組件，這樣就可以讓工人免除復雜的操作。工業(yè)生產(chǎn)中焊接機器人系統不僅能實(shí)現空間焊縫的自動(dòng)實(shí)時(shí)跟蹤，而且還能實(shí)現焊接參數的在線(xiàn)調整和焊縫質(zhì)量的實(shí)時(shí)控制，可以滿(mǎn)足技術(shù)產(chǎn)品復雜的焊接工藝及其焊接質(zhì)量、效率的迫切要求。另外隨著(zhù)人類(lèi)探索空間的擴展，在極端環(huán)境如太空、深水以及核環(huán)境下，工業(yè)機器人也能利用其智能將任務(wù)順利完成。

　　3.生產(chǎn)效率及安全性高

　　機械手，顧名思義，通過(guò)仿照人類(lèi)的手型而生產(chǎn)出來(lái)的機械手，它生產(chǎn)一件產(chǎn)品耗時(shí)是固定的。同樣的生存周期內，使用機械手的產(chǎn)量也是固定的，不會(huì )忽高忽低。并且每一模的產(chǎn)品生產(chǎn)時(shí)間是固定化，產(chǎn)品的成品率也高，使用機器人生產(chǎn)更符合老板利益。

　　工廠(chǎng)采用工業(yè)機器人生產(chǎn)，是可以解決很多安全生產(chǎn)方面的問(wèn)題。對于由于個(gè)人原因，如不熟悉工作流程、工作疏忽、疲勞工作等導致安全生產(chǎn)隱患，統統都可以避免了。

　　4.易于管理，經(jīng)濟效益顯著(zhù)

　　企業(yè)可以很清晰的知道自己每天的生產(chǎn)量，根據自己所能夠達到的產(chǎn)能去接收訂單和生產(chǎn)商品。而不會(huì )去盲目預估產(chǎn)量或是生產(chǎn)過(guò)多產(chǎn)品產(chǎn)生浪費的現象。而工廠(chǎng)每天對工業(yè)機器人的管理，也會(huì )比管理員工簡(jiǎn)單得多。[5]

　　工業(yè)機器人可以24小時(shí)循環(huán)工作，能夠做到生產(chǎn)線(xiàn)的最大產(chǎn)量，并且無(wú)需給予加班的工時(shí)費用。對于企業(yè)來(lái)說(shuō)，還能夠避免員工長(cháng)期高強度工作后產(chǎn)生的疲勞、生病帶來(lái)的請假等誤工的情況。生產(chǎn)線(xiàn)換用工業(yè)機器人生產(chǎn)后，企業(yè)生產(chǎn)只需要留下少數能夠操作維護工業(yè)機器人的員工對工業(yè)機器人進(jìn)行維護作業(yè)就可以了。經(jīng)濟效益非常的顯著(zhù)。

　　1.本體設計關(guān)鍵技術(shù)

　?。?）傳動(dòng)結構設計

　　擬定總體方案，確定機器人的結構形式，并據此進(jìn)行初步的傳動(dòng)結構設計，零件結構設計，三維建模。要求設計者對機器人常見(jiàn)的結構形式，常見(jiàn)的傳動(dòng)原理和傳動(dòng)結構，減速器的類(lèi)型和特點(diǎn)非常的熟悉和了解，要有較強的結構設計能力和經(jīng)驗。

　?。?）減速器選型

　　要對減速器的結構類(lèi)型，性能參數的含義有深刻理解，會(huì )對減速器進(jìn)行選型和計算校核。要會(huì )對減速器進(jìn)行檢測、測試，檢測的內容主要包括噪音、抖動(dòng)、輸出扭矩、扭轉剛度、背隙、重復定位精度和定位精度等。減速器的振動(dòng)會(huì )引起機器人末端的抖動(dòng)，降低機器人的軌跡精度。減速器振動(dòng)有多種原因，其中共振是共性的問(wèn)題，機器人企業(yè)必須掌握抑制或者避免出現共振的方法。

　?。?）電機選型

　　必須要對電機的工作特性非常了解，并會(huì )對電機扭矩、功率、慣量進(jìn)行計算和校核。

　?。?）仿真分析

　　進(jìn)行靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的仿真分析，對電機、減速器的選型校核，對本體零部件進(jìn)行強度、剛度校核，降低本體重量，提高機器人工作效率，降低成本。對三維模型進(jìn)行模態(tài)分析，計算出固有頻率，有助于進(jìn)行共振抑制。

　?。?）可靠性設計

　　結構設計采用最簡(jiǎn)化設計原則；本體鑄鐵件采用綜合性能較好的球墨鑄鐵材料，鑄鋁件采用流動(dòng)性好的鑄造材料，采用金屬模鑄造；裝配要有詳細的裝配工藝指導書(shū)，裝配過(guò)程中有部件和單軸的測試；裝配完后要有整機性能測試和耐久拷機測試；提高整機的防護等級設計，提高電柜的抗干擾能力，以適用不同工作環(huán)境的使用。

　　2.電機伺服關(guān)鍵技術(shù)

　?。?）電機

　?、佥p量化

　　對機器人來(lái)說(shuō)，電機的尺寸和重量非常敏感，通過(guò)高磁性材料優(yōu)化、一體化優(yōu)化設計、加工裝配工藝優(yōu)化等技術(shù)的研究，提高伺服電機的效率，減小電機空間尺寸和降低電機重量，是機器人電機的關(guān)鍵技術(shù)之一。

　?、诟咚?/p>

　　在減速比不能較大調整的情況，電機的最高轉速則直接影響著(zhù)機器人的末端速度和工作節拍；而且速比太低會(huì )影響電機的慣量匹配，因此提高電機的最高轉速也是機器人電機的關(guān)鍵技術(shù)之一。

　?、壑彬?、中空

　　隨著(zhù)協(xié)作機器人的不斷成熟和推廣，機器人結構的輕量化、緊湊化要求提高，發(fā)展高力矩直接驅動(dòng)電機、盤(pán)式中空電機等機器人專(zhuān)用電機也是未來(lái)的趨勢。

　?。?）伺服

　?、倏焖夙憫?，精確定位

　　伺服的響應時(shí)間直接影響到機器人的快速起停效果，影響機器人的工作效率和節拍。

　?、跓o(wú)傳感器方式實(shí)現彈性碰撞

　　安全性是衡量機器人性能的一個(gè)重要指標。加入力或力矩傳感器會(huì )使結構更復雜，成本更高，基于編碼器、電機電流耦合關(guān)系的無(wú)傳感彈性碰撞技術(shù)，可以在不改變本體結構，不增加本體成本的條件下，在一定程度上提高機器人的安全性。

　?、垓寗?dòng)多合一、驅控一體。

　　驅動(dòng)多合一，多核CPU多軸驅控一體化集成技術(shù)，提高系統性能，降低驅動(dòng)體積與成本。

　?、茉诰€(xiàn)自適應抖振抑制

　　工業(yè)機器人懸臂結構極易在多軸聯(lián)動(dòng)、重載及快速起停時(shí)引起抖動(dòng)。機器人本體剛度要與電機伺服剛度參數相匹配，剛度過(guò)高，會(huì )造成振動(dòng)，剛度過(guò)低會(huì )造成起停反應緩慢。機器人在不同的位置和姿態(tài)，以及在不同的工裝負載下剛度都不一樣，很難通過(guò)提前設置伺服剛度值能滿(mǎn)足所有工況的需求。在線(xiàn)自適應抖振抑制技術(shù)，提出免參數調試的智能控制策略，同時(shí)兼顧剛度匹配、抖振抑制的需求，可以抑制機器人末端抖動(dòng)，提高末端定位精度。

　　3.控制關(guān)鍵技術(shù)

　?。?）運動(dòng)解算及軌跡規劃

　　運動(dòng)求解，最佳路徑規劃，提高機器人的運動(dòng)精度和工作效率。

　?。?）動(dòng)力學(xué)補償

　　一般工業(yè)機器人是一個(gè)串聯(lián)懸臂式結構，剛性弱，運動(dòng)復雜，容易發(fā)生變形和抖動(dòng)，是一個(gè)需要運動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)相結合的課題。為了改善機器人的動(dòng)態(tài)性能和提高運動(dòng)精度，機器人控制系統必須建立動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)補償。補償的內容主要包括重力補償、慣量補償、摩擦補償、耦合補償等。

　?。?）標定補償

　　機器人機械本體由于加工誤差和裝配誤差的原因，難以避免會(huì )和理論數學(xué)模型存在偏差，會(huì )降低機器人TCP精度和軌跡精度，如在焊接和離線(xiàn)編程使用時(shí)會(huì )受到嚴重影響。通過(guò)檢測和算法標定補償機器人的模型參數，可以較好地解決此問(wèn)題。

　?。?）工藝包完善

　　控制系統要與實(shí)際工程應用相結合，系統除不斷升級，功能更加強大外，還要根據行業(yè)應用的需求不斷開(kāi)發(fā)和完善工藝包，有利于積累行業(yè)工藝經(jīng)驗，對客戶(hù)來(lái)說(shuō)使用更方便，操作更簡(jiǎn)單，效率更高。

　　1.在碼垛方面的應用

　　在各類(lèi)工廠(chǎng)的碼垛方面，自動(dòng)化極高的機器人被廣泛應用，人工碼垛工作強度大，耗費人力，員工不僅需要承受巨大的壓力，而且工作效率低。搬運機器人能夠根據搬運物件的特點(diǎn)，以及搬運物件所歸類(lèi)的地方，在保持其形狀的和物件的性質(zhì)不變的基礎上，進(jìn)行高效的分類(lèi)搬運，使得裝箱設備每小時(shí)能夠完成數百塊的碼垛任務(wù)。在生產(chǎn)線(xiàn)上下料、集裝箱的搬運等方面發(fā)揮及其重要的作用。

　　2.在焊接方面的應用

　　焊接機器人主要承擔焊接工作，不同的工業(yè)類(lèi)型有著(zhù)不同的工業(yè)需求，所以常見(jiàn)的焊接機器人有點(diǎn)焊機器人、弧焊機器人、激光機器人等。汽車(chē)制造行業(yè)是焊接機器人應用最廣泛的行業(yè)，在焊接難度、焊接數量、焊接質(zhì)量等方面就有著(zhù)人工焊接無(wú)法比擬的優(yōu)勢。

　　3.在裝配方面的應用

　　在工業(yè)生產(chǎn)中，零件的裝配是一件工程量極大的工作，需要大量的勞動(dòng)力，曾經(jīng)的人力裝配因為出錯率高，效率低而逐漸被工業(yè)機器人代替。裝配機器人的研發(fā)，結合了多種技術(shù)，包括通訊技術(shù)、自動(dòng)控制、光學(xué)原理、微電子技術(shù)等。研發(fā)人員根據裝配流程，編寫(xiě)合適的程序，應用于具體的裝配工作。裝配機器人的最大特點(diǎn)，就是安裝精度高、靈活性大、耐用程度高。因為裝配工作復雜精細，所以我們選用裝配機器人來(lái)進(jìn)行電子零件，汽車(chē)精細部件的安裝。

　　4.在檢測方面的應用

　　機器人具有多維度的附加功能。它能夠代替工作人員在特殊崗位上的工作，比如在高危領(lǐng)域如核污染區域、有毒區域、核污染區域、高危未知區域進(jìn)行探測。還有人類(lèi)無(wú)法具體到達的地方，如病人患病部位的探測、工業(yè)瑕疵的探測、在地震救災現場(chǎng)的生命探測等均有建樹(shù)。

　　發(fā)展趨勢

　　1.人機協(xié)作

　　隨著(zhù)機器人從與人保持距離作業(yè)向與人自然交互并協(xié)同作業(yè)方面發(fā)展。拖動(dòng)示教、人工教學(xué)技術(shù)的成熟，使得編程更簡(jiǎn)單易用，降低了對操作人員的專(zhuān)業(yè)要求，熟練技工的工藝經(jīng)驗更容易傳遞。

　　2.自主化

　　目前機器人從預編程、示教再現控制、直接控制、遙操作等被操縱作業(yè)模式向自主學(xué)習、自主作業(yè)方向發(fā)展。智能化機器人可根據工況或環(huán)境需求，自動(dòng)設定和優(yōu)化軌跡路徑、自動(dòng)避開(kāi)奇異點(diǎn)、進(jìn)行干涉與碰撞的預判并避障等。

　　3.智能化、信息化、網(wǎng)絡(luò )化

　　越來(lái)越多的3D視覺(jué)、力傳感器會(huì )使用到機器人上，機器人將會(huì )變得越來(lái)越智能化。隨著(zhù)傳感與識別系統、人工智能等技術(shù)進(jìn)步，機器人從被單向控制向自己存儲、自己應用數據方向發(fā)展，逐漸信息化。隨著(zhù)多機器人協(xié)同、控制、通信等技術(shù)進(jìn)步，機器人從獨立個(gè)體向相互聯(lián)網(wǎng)、協(xié)同合作方向發(fā)展。