《中國制造2025》規(guī)劃了我國制造強國的戰(zhàn)略目標，智能制造成為工業(yè)制造轉(zhuǎn)型的重中之重。在智能化的大勢下骏令，智能裝備下游應(yīng)用領(lǐng)域加快拓展蔬捷，工業(yè)機器人發(fā)展可期。

工業(yè)機器人指的是能在人的控制下智能工作伏社，并能完美替代人力在生產(chǎn)線上工作的多關(guān)節(jié)機械手或多自由度的機器裝置。與人力相比塔淤，工業(yè)機器人具有低成本摘昌、高效率以及24小時工作的特點。近年來高蜂，隨著國內(nèi)勞動力成本不斷上漲聪黎，我國制造業(yè)勞動力優(yōu)勢不顯，制造業(yè)亟待向智能化轉(zhuǎn)型丢华，工業(yè)機器人呈現(xiàn)強勁發(fā)展的態(tài)勢船白。

我國是工業(yè)機器人消費大國，從2013年其就連續(xù)兩年成為全球第一大工業(yè)機器人消費市場码署。汽車制造蒙敦、電子、橡膠塑料朝财、軍工屏烂、航空制造、食品工業(yè)龟栗、醫(yī)藥設(shè)備與金屬制品等領(lǐng)域常有工業(yè)機器人“身影”巾割。其中汽車工業(yè)的應(yīng)用最多，比例達38%焰醇。廣東昧甲、江蘇、上海腿扒、北京等地是我國工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)主要集中的地區(qū)昼牛，擁有的工業(yè)機器人數(shù)量占據(jù)全國工業(yè)機器人市場的半壁江山。

不過康聂，由于核心技術(shù)缺乏匾嘱，我國工業(yè)機器人消費嚴重依賴國外企業(yè)，尤其在減速機早抠、伺服電機霎烙、控制器等核心零部件上，我國本土機器人企業(yè)受制于人蕊连，只能購買高昂的國外設(shè)備悬垃，這需要國產(chǎn)工業(yè)機器人廠商不斷提高技術(shù)，加大研發(fā)水平甘苍，早日擺脫國外機器人品牌對中國工業(yè)機器人消費市場的控制尝蠕。

考慮到目前全球制造業(yè)工業(yè)機器人密度為55烘豌，而中國工業(yè)機器人密度僅為21，遠低于日韓德美等發(fā)達國家看彼，以及智能制造背景下廊佩，“機器換人”政策不斷落地，未來我國工業(yè)機器人市場還有很大的增長空間靖榕。匯川技術(shù)痴坦、機器人、智云股份翎襟、科遠股份遏谭、秦川機床等相關(guān)概念公司將在機器人紅利下取得較好發(fā)展。

工業(yè)機器人的發(fā)展階段

工業(yè)機器人的發(fā)展通呈僬耄可規(guī)劃分為三代：

1思樟、第一代工業(yè)機器人：

通常是指目前國際上商品化與使用化的“可編程的工業(yè)機器人”，又稱“示教再現(xiàn)工業(yè)機器人”径卜，即為了讓工業(yè)機器人完成某項作業(yè)晦哺，首先由操作者將完成該作業(yè)所需要的各種知識（如運動軌跡、作業(yè)條件芽茄、作業(yè)順序和作業(yè)時間等）浪顽，通過直接或間接手段，對工業(yè)機器人進行“示教”俱篡，工業(yè)機器人將這些知識記憶下來后东悔，即可根據(jù)“再現(xiàn)”指令，在一定精度范圍內(nèi)颤枪，忠實的重復(fù)再現(xiàn)各種被示教的動作汗捡。1962年美國萬能自動化公司的第一臺Unimate工業(yè)機器人在美國通用汽車公司投入使用，標志著第一代工業(yè)機器人的誕生畏纲。

2扇住、第二代工業(yè)機器人：

通常是指具有某種智能（如觸覺、力覺盗胀、視覺等）功能的“智能機器人”艘蹋。即有傳感器得到觸覺、力覺和視覺等信息計算機處理后票灰，控制機器人的操作機完成相應(yīng)的適當操作女阀。1982年美國通用汽車在裝配線上為工業(yè)機器人裝備了視覺系統(tǒng)，從而宣布了新一代智能工業(yè)機器人的問世屑迂。

3浸策、第三代工業(yè)機器人：

即所謂的“只治式工業(yè)機器人”。它不僅具有感知功能，而且還有一定的決策及規(guī)劃能力庸汗。第一代工業(yè)機器人目前仍處在實驗室研究階段惫确。工業(yè)機器人經(jīng)歷了誕生---成長---成熟期后，已成為制造業(yè)中不可缺少的核心裝備也隧，世界上有約75萬臺工業(yè)機器人正與工人朋友并肩戰(zhàn)斗在個條生產(chǎn)線上流沦。

特種機器人作為機器人家族的后起之秀，由于其用途廣泛而大有后來居上之勢絮商，仿人機器人邢窜、農(nóng)業(yè)機器人、服務(wù)機器人榛蜻、水下機器人秧梨、醫(yī)療機器人翁漠、軍用機器人盅力、娛樂機器人等各種用途發(fā)特種機器人紛紛面世，而且正以飛快的速度向?qū)嵱没~進舆焕。

工業(yè)機器人的分類

工業(yè)機器人按不同的方法可分下述類型

1按任、工業(yè)機器人按操作機坐標形式分以下幾類：（坐標形式是指操作機的手臂在運動時所取的參考坐標系的形式。）

（1） 直角坐標型工業(yè)機器人

其運動部分由三個相互垂直的直線移動（即PPP）組成棍详，其工作空間圖形為長方形杠滓。它在各個軸向的移動距離，可在各個坐標軸上直接讀出冒萄，直觀性強臊岸，易于位置和姿態(tài)的編程計算，定位精度高尊流，控制無耦合帅戒，結(jié)構(gòu)簡單，但機體所占空間體積大崖技，動作范圍小逻住，靈活性差，難與其他工業(yè)機器人協(xié)調(diào)工作迎献。

（2） 圓柱坐標型工業(yè)機器人

其運動形式是通過一個轉(zhuǎn)動和兩個移動組成的運動系統(tǒng)來實現(xiàn)的瞎访，其工作空間圖形為圓柱，與直角坐標型工業(yè)機器人相比吁恍，在相同的工作空間條件下扒秸，機體所占體積小，而運動范圍大冀瓦，其位置精度僅次于直角坐標型機器人鸦采，難與其他工業(yè)機器人協(xié)調(diào)工作。

（3） 球坐標型工業(yè)機器人

又稱極坐標型工業(yè)機器人，其手臂的運動由兩個轉(zhuǎn)動和一個直線移動（即RRP,一個回轉(zhuǎn)蜗南，一個俯仰和一個伸縮運動）所組成叭蜂，其工作空間為一球體，它可以作上下俯仰動作并能抓取地面上或教低位置的協(xié)調(diào)工件饰测，其位置精度高唬研，位置誤差與臂長成正比。

（4）多關(guān)節(jié)型工業(yè)機器人

又稱回轉(zhuǎn)坐標型工業(yè)機器人靡庵，這種工業(yè)機器人的手臂與人一體上肢類似尼削，其前三個關(guān)節(jié)是回轉(zhuǎn)副（即RRR），該工業(yè)機器人一般由立柱和大小臂組成燕汗，立柱與大臂見形成肩關(guān)節(jié)静瞄，大臂和小臂間形成肘關(guān)節(jié)，可使大臂做回轉(zhuǎn)運動和俯仰擺動枣惨，小臂做仰俯擺動蓄惫。其結(jié)構(gòu)最緊湊，靈活性大邮敛，占地面積最小萨驶，能與其他工業(yè)機器人協(xié)調(diào)工作，但位置精度教低艇肴，有平衡問題腔呜，控制耦合，這種工業(yè)機器人應(yīng)用越來越廣泛再悼。

（5）平面關(guān)節(jié)型工業(yè)機器人

它采用一個移動關(guān)節(jié)和兩個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)（即PRR）核畴，移動關(guān)節(jié)實現(xiàn)上下運動，而兩個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)則控制前后冲九、左右運動谤草。這種形式的工業(yè)機器人又稱（SCARA(Seletive Compliance Assembly Robot Arm)裝配機器人。在水平方向則具有柔順性娘侍，而在垂直方向則有教大的剛性咖刃。它結(jié)構(gòu)簡單，動作靈活憾筏，多用于裝配作業(yè)中嚎杨，特別適合小規(guī)格零件的插接裝配，如在電子工業(yè)的插接氧腰、裝配中應(yīng)用廣泛枫浙。

2、工業(yè)機器人按驅(qū)動方式分以下幾類：

（1）氣動式工業(yè)機器人

這類工業(yè)機器人以壓縮空氣來驅(qū)動操作機三钦，其優(yōu)點是空氣來源方便尼缨，動作迅速疫谱，結(jié)構(gòu)簡單造價低，無污染综货，缺點是空氣具有可壓縮性嚣惭，導(dǎo)致工作速度的穩(wěn)定性較差，又因氣源壓力一般只有6kPa左右螃势，所以這類工業(yè)機器人抓舉力較小罕擒，一般只有幾十牛頓，最大百余牛頓距档。

（2）液壓式工業(yè)機器人

液壓壓力比氣壓壓力高得多氧液，一般為70kPa左右，故液壓傳動工業(yè)機器人具有較大的抓舉能力囱悴，可達上千牛頓沧仿。這類工業(yè)機器人結(jié)構(gòu)緊湊，傳動平穩(wěn)甫题，動作靈敏馁筐，但對密封要求較高，且不宜在高溫或低溫環(huán)境下工作幔睬。

（3） 電動式工業(yè)機器人

這是目前用得最多的一類工業(yè)機器人眯漩，不僅因為電動機品種眾多芹扭，為工業(yè)機器人設(shè)計提供了多種選擇麻顶，也因為它們可以運用多種靈活控制的方法。早期多采用步進電機驅(qū)動舱卡，后來發(fā)展了直流伺服驅(qū)動單元辅肾，目前交流伺服驅(qū)動單元也在迅速發(fā)展。這些驅(qū)動單元或是直接驅(qū)動操作機轮锥，或是通過諸如諧波減速器的裝置來減速后驅(qū)動矫钓，結(jié)構(gòu)十分緊湊、簡單舍杜。

工業(yè)機器人的控制系統(tǒng)

機器人系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)由機器人的機構(gòu)部分新娜、傳感器組、控制部分及信息處理部分組成既绩。其中控制系統(tǒng)是機器人產(chǎn)業(yè)的一個核心環(huán)節(jié)娶停。

1、工業(yè)機器人控制系統(tǒng)所要達到的功能

機器人控制系統(tǒng)用于對操作機的控制殿腺，以完成特定的工作任務(wù)肄慨，其基本功能如下：

（1）記憶功能：

存儲作業(yè)順序、運動路徑瓮窑、運動方式寨铸、運動速度和與生產(chǎn)工藝有關(guān)的信息队屋。

（2）示教功能：

離線編程，在線示教妖啸，間接示教卵手。在線示教包括示教盒和導(dǎo)引示教兩種。

（3）與外圍設(shè)備聯(lián)系功能：

輸入和輸出接口高坚、通信接口亥护、網(wǎng)絡(luò)接口、同步接口粗排。

（4）坐標設(shè)置功能：

有關(guān)節(jié)绎彪、絕對、工具兽赁、用戶自定義四種坐標系状答。

（5）人機接口：

示教盒、操作面板刀崖、顯示屏惊科。

（6）傳感器接口：

位置檢測、視覺亮钦、觸覺馆截、力覺等后德。

（7）位置伺服功能：

機器人多軸聯(lián)動尸曼、運動控制枪素、速度和加速度控制凉适、動態(tài)補償?shù)取?/p>

（8）故障診斷安全保護功能：

運行時系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)視勇剃、故障狀態(tài)下的安全保護和故障自診斷荐多。

2拯勉、工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的組成

機器人控制系統(tǒng)組成框圖

（1）控制計算機：

控制系統(tǒng)的調(diào)度指揮機構(gòu)豹障。一般為微型機蚁滋、微處理器有32位宿接、64位等，如奔騰系列CPU以及其他類型CPU泵李。

（2）示教盒：

示教機器人的工作軌跡和參數(shù)設(shè)定醇盏，以及所有人機交互操作，擁有自己獨立的CPU以及存儲單元虑夕，與主計算機之間以串行通信方式實現(xiàn)信息交互秘乍。

（3）操作面板：

由各種操作按鍵、狀態(tài)指示燈構(gòu)成淫雾，只完成基本功能操作比端。

（4）硬盤和軟盤存儲存：

儲機器人工作程序的外圍存儲器。

（5）數(shù)字和模擬量輸入輸出：

各種狀態(tài)和控制命令的輸入或輸出簇像。

（6）打印機接口：

記錄需要輸出的各種信息侵念。

（7）傳感器接口：

用于信息的自動檢測帚棚，實現(xiàn)機器人柔順控制，一般為力覺捎虚、觸覺和視覺傳感器兆性。

（8）軸控制器：

完成機器人各關(guān)節(jié)位置、速度和加速度控制泳柴。

（9）輔助設(shè)備控制：

用于和機器人配合的輔助設(shè)備控制赋荆，如手爪變位器等。

（10）通信接口：

實現(xiàn)機器人和其他設(shè)備的信息交換懊昨，一般有串行接口窄潭、并行接口等。

（11）網(wǎng)絡(luò)接口

1）Ethernet接口：可通過以太網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)臺或單臺機器人的直接PC通信酵颁，數(shù)據(jù)傳輸速率高達10Mbit/s嫉你，可直接在PC上用windows庫函數(shù)進行應(yīng)用程序編程之后，支持TCP/IP通信協(xié)議躏惋，通過Ethernet接口將數(shù)據(jù)及程序裝入各個機器人控制器中幽污。

2）Fieldbus接口：支持多種流行的現(xiàn)場總線規(guī)格，如Device net簿姨、AB Remote I/O距误、Interbus-s、profibus-DP扁位、M-NET等准潭。

3、工業(yè)機器人控制系統(tǒng)分類

（1）程序控制系統(tǒng)：

給每一個自由度施加一定規(guī)律的控制作用贤牛，機器人就可實現(xiàn)要求的空間軌跡怀程。

（2）自適應(yīng)控制系統(tǒng)：

當外界條件變化時袁挟，為保證所要求的品質(zhì)或為了隨著經(jīng)驗的積累而自行改善控制品質(zhì)钝菲，其過程是基于操作機的狀態(tài)和伺服誤差的觀察，再調(diào)整非線性模型的參數(shù)拘栅，一直到誤差消失為止术偿。這種系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)能隨時間和條件自動改變。

（3）人工智能系統(tǒng)：

事先無法編制運動程序角涯，而是要求在運動過程中根據(jù)所獲得的周圍狀態(tài)信息弓慨，實時確定控制作用。

驅(qū)動方式：參見工業(yè)機器人驅(qū)動系統(tǒng)腻区。

運動方式：

（4）點位式：

要求機器人準確控制末端執(zhí)行器的位姿淤写，而與路徑無關(guān)；

（5）軌跡式：

要求機器人按示教的軌跡和速度運動份良。

（6）控制總線：

國際標準總線控制系統(tǒng)示宫。采用國際標準總線作為控制系統(tǒng)的控制總線骏挎，如VME、MULTI-bus卸酿、STD-bus兜叨、PC-bus。

（7）自定義總線控制系統(tǒng)：

由生產(chǎn)廠家自行定義使用的總線作為控制系統(tǒng)總線衩侥。

（8）編程方式：

物理設(shè)置編程系統(tǒng)国旷。由操作者設(shè)置固定的限位開關(guān)，實現(xiàn)起動茫死，停車的程序操作跪但，只能用于簡單的拾起和放置作業(yè)。

（9）在線編程：

通過人的示教來完成操作信息的記憶過程編程方式峦萎，包括直接示教（即手把手示教）模擬示教和示教盒示教特漩。

（10）離線編程：

不對實際作業(yè)的機器人直接示教，而是脫離實際作業(yè)環(huán)境骨杂，生成示教程序涂身，通過使用高級機器人，編程語言搓蚪，遠程式離線生成機器人作業(yè)軌跡蛤售。

4、機器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

機器人控制系統(tǒng)按其控制方式可分為三類妒潭。

（1）集中控制系統(tǒng)(Centralized Control System )：

集中控制系統(tǒng)框圖

用一臺計算機實現(xiàn)全部控制功能拥宜，結(jié)構(gòu)簡單，成本低仲及，但實時性差挺赞，難以擴展，在早期的機器人中常采用這種結(jié)構(gòu)锭偿，其構(gòu)成框圖津阻，如圖所示。

基于PC 的集中控制系統(tǒng)里挂剪，充分利用了PC 資源開放性的特點宵渡，可以實現(xiàn)很好的開放性：多種控制卡，傳感器設(shè)備等都可以通過標準PCI插槽或通過標準串口她打、并口集成到控制系統(tǒng)中狰碟。

集中式控制系統(tǒng)的優(yōu)點是：硬件成本較低，便于信息的采集和分析栽埠，易于實現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)控制钉呐，整體性與協(xié)調(diào)性較好，基于PC 的系統(tǒng)硬件擴展較為方便镶骗。其缺點也顯而易見：系統(tǒng)控制缺乏靈活性桶现，控制危險容易集中滓窍，一旦出現(xiàn)故障，其影響面廣巩那，后果嚴重吏夯；由于工業(yè)機器人的實時性要求很高，當系統(tǒng)進行大量數(shù)據(jù)計算即横，會降低系統(tǒng)實時性噪生，系統(tǒng)對多任務(wù)的響應(yīng)能力也會與系統(tǒng)的實時性相沖突；此外东囚，系統(tǒng)連線復(fù)雜跺嗽，會降低系統(tǒng)的可靠性。

（2）主從控制系統(tǒng)：

采用主页藻、從兩級處理器實現(xiàn)系統(tǒng)的全部控制功能桨嫁。主CPU實現(xiàn)管理、坐標變換份帐、軌跡生成和系統(tǒng)自診斷等璃吧；從CPU實現(xiàn)所有關(guān)節(jié)的動作控制。其構(gòu)成框圖捎霍，如圖忌颠。

主從控制方式系統(tǒng)實時性較好，適于高精度缨吸、高速度控制敲非，但其系統(tǒng)擴展性較差，維修困難源照。

主從動控制系框圖

（3）分散控制系統(tǒng)(Distribute Control System )：

按系統(tǒng)的性質(zhì)和方式將系統(tǒng)控制分成幾個模塊笋窍，每一個模塊各有不同的控制任務(wù)和控制策略，各模式之間可以是主從關(guān)系锁销，也可以是平等關(guān)系项凉。

這種方式實時性好，易于實現(xiàn)高速们袜、高精度控制必工，易于擴展，可實現(xiàn)智能控制堰怜，是目前流行的方式。

其主要思想是“分散控制滋戳，集中管理”钻蔑，即系統(tǒng)對其總體目標和任務(wù)可以進行綜合協(xié)調(diào)和分配，并通過子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作來完成控制任務(wù)奸鸯，整個系統(tǒng)在功能咪笑、邏輯和物理等方面都是分散的可帽，所以DCS 系統(tǒng)又稱為集散控制系統(tǒng)或分散控制系統(tǒng)。

這種結(jié)構(gòu)中窗怒，子系統(tǒng)是由控制器和不同被控對象或設(shè)備構(gòu)成的映跟，各個子系統(tǒng)之間通過網(wǎng)絡(luò)等相互通訊。分布式控制結(jié)構(gòu)提供了一個開放扬虚、實時努隙、精確的機器人控制系統(tǒng)。分布式系統(tǒng)中常采用兩級控制方式辜昵。

兩級分布式控制系統(tǒng)荸镊，通常由上位機、下為機和網(wǎng)絡(luò)組成堪置。上位機可以進行不同的軌跡規(guī)劃和控制算法躬存，下位機進行插補細分、控制優(yōu)化等的研究和實現(xiàn)攒陋。上位機和下位機通過通訊總線相互協(xié)調(diào)工作灶花，這里的通訊總線可以是RS-232、RS-485筒煌、EEE-488 以及USB 總線等形式凳慈。

現(xiàn)在，以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展為機器人提供了更快速戒舆、穩(wěn)定氨缅、有效的通訊服務(wù)。尤其是現(xiàn)場總線睦柏，它應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場妖局、在微機化測量控制設(shè)備之間實現(xiàn)雙向多結(jié)點數(shù)字通信，從而形成了新型的網(wǎng)絡(luò)集成式全分布控制系統(tǒng)—現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS ( Filed bus Control System )赶馍。

在工廠生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)中细企，將可以通過現(xiàn)場總線連接的設(shè)備統(tǒng)稱為“現(xiàn)場設(shè)備/儀表”。從系統(tǒng)論的角度來說摘甜，工業(yè)機器人作為工廠的生產(chǎn)設(shè)備之一屯掖，也可以歸納為現(xiàn)場設(shè)備。在機器人系統(tǒng)中引入現(xiàn)場總線技術(shù)后襟衰，更有利于機器人在工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中的集成贴铜。

分布式控制系統(tǒng)框圖

分布式控制系統(tǒng)的優(yōu)點在于：系統(tǒng)靈活性好，控制系統(tǒng)的危險性降低瀑晒，采用多處理器的分散控制绍坝，有利于系統(tǒng)功能的并行執(zhí)行，提高系統(tǒng)的處理效率，縮短響應(yīng)時間轩褐。

對于具有多自由度的工業(yè)機器人而言椎咧，集中控制對各個控制軸之間的藕合關(guān)系處理得很好，可以很簡單的進行補償把介。但是勤讽，當軸的數(shù)量增加到使控制算法變得很復(fù)雜時，其控制性能會惡化拗踢。而且脚牍，當系統(tǒng)中軸的數(shù)量或控制算法變得很復(fù)雜時，可能會導(dǎo)致系統(tǒng)的重新設(shè)計秒拔。與之相比墅纲，分布式結(jié)構(gòu)的每一個運動軸都由一個控制器處理，這意味著恐呢，系統(tǒng)有較少的軸間耦合和較高的系統(tǒng)重構(gòu)性游淆。

“工業(yè)4.0”是指繼蒸汽機、電氣化與自動化后的第四次工業(yè)革命节婶，它將傳統(tǒng)工業(yè)與數(shù)字信息技術(shù)結(jié)合擎丘，借助大數(shù)據(jù)、云計算等技術(shù)實現(xiàn)智能生產(chǎn)享积。在中國边久，“工業(yè)4.0”意味著國家制造業(yè)的升級，為此中國專門提出了“中國制造2025”的發(fā)展目標履岂，目標提出我國要在2025年前遏治，從制造業(yè)大國邁入制造業(yè)強國。

（傳感器技術(shù)）

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