20世紀(jì)50年代末，工業(yè)機(jī)器人最早開始投入使用。

　　20世紀(jì)70年代末，由美國Unimation公司推出的PUMA系列機(jī)器人，為多關(guān)節(jié)、多CPU二級計算機(jī)控制，全電動，有專用VAL語言和視覺、力覺傳感器，這標(biāo)志著工業(yè)機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)完全成熟。PUMA至今仍然工作在工廠第一線。

　　20世紀(jì)80年代，機(jī)器人進(jìn)入了普及期，隨著制造業(yè)的發(fā)展，使工業(yè)機(jī)器人在發(fā)達(dá)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，以滿足多品種、少批量的需要。

　　20世紀(jì)90年代，隨著計算機(jī)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功能的機(jī)器人已經(jīng)實(shí)用化并開始推廣，具有視覺、觸覺、高靈巧手指、能行走的第三代智能機(jī)器人相繼出現(xiàn)并開始走向應(yīng)用。

　　一般來說，工業(yè)機(jī)器人由三大部分六個子系統(tǒng)組成。

　　三大部分是機(jī)械部分、傳感部分和控制部分。

　　六個子系統(tǒng)可分為機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、感知系統(tǒng)、機(jī)器人-環(huán)境交互系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。

　　1.機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

　　從機(jī)械結(jié)構(gòu)來看，工業(yè)機(jī)器人總體上分為串聯(lián)機(jī)器人和并聯(lián)機(jī)器人。串聯(lián)機(jī)器人的特點(diǎn)是一個軸的運(yùn)動會改變另一個軸的坐標(biāo)原點(diǎn)，而并聯(lián)機(jī)器人一個軸運(yùn)動則不會改變另一個軸的坐標(biāo)原點(diǎn)。早期的工業(yè)機(jī)器人都是采用串聯(lián)機(jī)構(gòu)。并聯(lián)機(jī)構(gòu)定義為動平臺和定平臺通過至少兩個獨(dú)立的運(yùn)動鏈相連接，機(jī)構(gòu)具有兩個或兩個以上自由度，且以并聯(lián)方式驅(qū)動的一種閉環(huán)機(jī)構(gòu)。并聯(lián)機(jī)構(gòu)有兩個構(gòu)成部分，分別是手腕和手臂。手臂活動區(qū)域?qū)顒涌臻g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(jī)器人相比較，并聯(lián)機(jī)器人具有剛度大、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、承載能力大、微動精度高、運(yùn)動負(fù)荷小的優(yōu)點(diǎn)。在位置求解上，串聯(lián)機(jī)器人的正解容易，但反解十分困難；而并聯(lián)機(jī)器人則相反，其正解困難，反解卻非常容易。

　　2.驅(qū)動系統(tǒng)

　　驅(qū)動系統(tǒng)是向機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)提供動力的裝置。根據(jù)動力源不同，驅(qū)動系統(tǒng)的傳動方式分為液壓式、氣壓式、電氣式和機(jī)械式4種。早期的工業(yè)機(jī)器人采用液壓驅(qū)動。由于液壓系統(tǒng)存在泄露、噪聲和低速不穩(wěn)定等問題，并且功率單元笨重和昂貴，目前只有大型重載機(jī)器人、并聯(lián)加工機(jī)器人和一些特殊應(yīng)用場合使用液壓驅(qū)動的工業(yè)機(jī)器人。氣壓驅(qū)動具有速度快、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、維修方便、價格低等優(yōu)點(diǎn)。但是氣壓裝置的工作壓強(qiáng)低，不易精確定位，一般僅用于工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器的驅(qū)動。氣動手抓、旋轉(zhuǎn)氣缸和氣動吸盤作為末端執(zhí)行器可用于中、小負(fù)荷的工件抓取和裝配。電力驅(qū)動是目前使用最多的一種驅(qū)動方式，其特點(diǎn)是電源取用方便，響應(yīng)快，驅(qū)動力大，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(qū)動電機(jī)一般采用步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)，目前也有采用直接驅(qū)動電機(jī)，但是造價較高，控制也較為復(fù)雜，和電機(jī)相配的減速器一般采用諧波減速器、擺線針輪減速器或者行星齒輪減速器。由于并聯(lián)機(jī)器人中有大量的直線驅(qū)動需求，直線電機(jī)在并聯(lián)機(jī)器人領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。[3]

　　3.感知系統(tǒng)

　　機(jī)器人感知系統(tǒng)把機(jī)器人各種內(nèi)部狀態(tài)信息和環(huán)境信息從信號轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)器人自身或者機(jī)器人之間能夠理解和應(yīng)用的數(shù)據(jù)和信息，除了需要感知與自身工作狀態(tài)相關(guān)的機(jī)械量，如位移、速度和力等，視覺感知技術(shù)是工業(yè)機(jī)器人感知的一個重要方面。視覺伺服系統(tǒng)將視覺信息作為反饋信號，用于控制調(diào)整機(jī)器人的位置和姿態(tài)。機(jī)器視覺系統(tǒng)還在質(zhì)量檢測、識別工件、食品分揀、包裝的各個方面得到了廣泛應(yīng)用。感知系統(tǒng)由內(nèi)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(jī)器人的機(jī)動性、適應(yīng)性和智能化水平。[3]

　　4.機(jī)器人-環(huán)境交互系統(tǒng)

　　機(jī)器人-環(huán)境交互系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與外部環(huán)境中的設(shè)備相互聯(lián)系和協(xié)調(diào)的系統(tǒng)。機(jī)器人與外部設(shè)備集成為一個功能單元，如加工制造單元、焊接單元、裝配單元等。當(dāng)然也可以是多臺機(jī)器人集成為一個去執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)的功能單元。

　　5.人機(jī)交互系統(tǒng)

　　人機(jī)交互系統(tǒng)是人與機(jī)器人進(jìn)行聯(lián)系和參與機(jī)器人控制的裝置。例如：計算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)

　　控制系統(tǒng)的任務(wù)是根據(jù)機(jī)器人的作業(yè)指令以及從傳感器反饋回來的信號，支配機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)去完成規(guī)定的運(yùn)動和功能。如果機(jī)器人不具備信息反饋特征，則為開環(huán)控制系統(tǒng)；具備信息反饋特征，則為閉環(huán)控制系統(tǒng)。根據(jù)控制原理可分為程序控制系統(tǒng)、適應(yīng)性控制系統(tǒng)和人工智能控制系統(tǒng)。根據(jù)控制運(yùn)動的形式可分為點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制。

　　相比于傳統(tǒng)的工業(yè)設(shè)備，工業(yè)機(jī)器人有眾多的優(yōu)勢，比如機(jī)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(jì)效益顯著等特點(diǎn)，使得它們可以在高危環(huán)境下進(jìn)行作業(yè)。

　　1.機(jī)器人的易用性

　　在我國，工業(yè)機(jī)器人廣泛應(yīng)用于制造業(yè)，不僅僅應(yīng)用于汽車制造業(yè)，大到航天飛機(jī)的生產(chǎn)，軍用裝備，高鐵的開發(fā)，小到圓珠筆的生產(chǎn)都有廣泛的應(yīng)用。并且已經(jīng)從較為成熟的行業(yè)延伸到食品，醫(yī)療等領(lǐng)域。由于機(jī)器人技術(shù)發(fā)展迅速，與傳統(tǒng)工業(yè)設(shè)備相比，不僅產(chǎn)品的價格差距越來越小，而且產(chǎn)品的個性化程度高，因此在一些工藝復(fù)雜的產(chǎn)品制造過程中，可以讓工業(yè)機(jī)器人替代傳統(tǒng)設(shè)備，這樣就可以在很大程度上提高經(jīng)濟(jì)效率。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，從2016年到2017年，全球工業(yè)機(jī)器人的總銷量已經(jīng)從29.4萬臺突破到34.6萬臺?？梢姽I(yè)機(jī)器人應(yīng)用范圍之廣。

　　2.智能化水平高

　　隨著計算機(jī)控制技術(shù)的不斷進(jìn)步，工業(yè)機(jī)器人將逐漸能夠明白人類的語言，同時工業(yè)機(jī)器人可以完成產(chǎn)品的組件，這樣就可以讓工人免除復(fù)雜的操作。工業(yè)生產(chǎn)中焊接機(jī)器人系統(tǒng)不僅能實(shí)現(xiàn)空間焊縫的自動實(shí)時跟蹤，而且還能實(shí)現(xiàn)焊接參數(shù)的在線調(diào)整和焊縫質(zhì)量的實(shí)時控制，可以滿足技術(shù)產(chǎn)品復(fù)雜的焊接工藝及其焊接質(zhì)量、效率的迫切要求。另外隨著人類探索空間的擴(kuò)展，在極端環(huán)境如太空、深水以及核環(huán)境下，工業(yè)機(jī)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(jī)械手，顧名思義，通過仿照人類的手型而生產(chǎn)出來的機(jī)械手，它生產(chǎn)一件產(chǎn)品耗時是固定的。同樣的生存周期內(nèi)，使用機(jī)械手的產(chǎn)量也是固定的，不會忽高忽低。并且每一模的產(chǎn)品生產(chǎn)時間是固定化，產(chǎn)品的成品率也高，使用機(jī)器人生產(chǎn)更符合老板利益。

　　工廠采用工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)，是可以解決很多安全生產(chǎn)方面的問題。對于由于個人原因，如不熟悉工作流程、工作疏忽、疲勞工作等導(dǎo)致安全生產(chǎn)隱患，統(tǒng)統(tǒng)都可以避免了。

　　4.易于管理，經(jīng)濟(jì)效益顯著

　　企業(yè)可以很清晰的知道自己每天的生產(chǎn)量，根據(jù)自己所能夠達(dá)到的產(chǎn)能去接收訂單和生產(chǎn)商品。而不會去盲目預(yù)估產(chǎn)量或是生產(chǎn)過多產(chǎn)品產(chǎn)生浪費(fèi)的現(xiàn)象。而工廠每天對工業(yè)機(jī)器人的管理，也會比管理員工簡單得多。[5]

　　工業(yè)機(jī)器人可以24小時循環(huán)工作，能夠做到生產(chǎn)線的最大產(chǎn)量，并且無需給予加班的工時費(fèi)用。對于企業(yè)來說，還能夠避免員工長期高強(qiáng)度工作后產(chǎn)生的疲勞、生病帶來的請假等誤工的情況。生產(chǎn)線換用工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)后，企業(yè)生產(chǎn)只需要留下少數(shù)能夠操作維護(hù)工業(yè)機(jī)器人的員工對工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行維護(hù)作業(yè)就可以了。經(jīng)濟(jì)效益非常的顯著。

　　1.本體設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

　　（1）傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　擬定總體方案，確定機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式，并據(jù)此進(jìn)行初步的傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計，零件結(jié)構(gòu)設(shè)計，三維建模。要求設(shè)計者對機(jī)器人常見的結(jié)構(gòu)形式，常見的傳動原理和傳動結(jié)構(gòu)，減速器的類型和特點(diǎn)非常的熟悉和了解，要有較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計能力和經(jīng)驗。

　　（2）減速器選型

　　要對減速器的結(jié)構(gòu)類型，性能參數(shù)的含義有深刻理解，會對減速器進(jìn)行選型和計算校核。要會對減速器進(jìn)行檢測、測試，檢測的內(nèi)容主要包括噪音、抖動、輸出扭矩、扭轉(zhuǎn)剛度、背隙、重復(fù)定位精度和定位精度等。減速器的振動會引起機(jī)器人末端的抖動，降低機(jī)器人的軌跡精度。減速器振動有多種原因，其中共振是共性的問題，機(jī)器人企業(yè)必須掌握抑制或者避免出現(xiàn)共振的方法。

　　（3）電機(jī)選型

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

　　（4）仿真分析

　　進(jìn)行靜力學(xué)和動力學(xué)的仿真分析，對電機(jī)、減速器的選型校核，對本體零部件進(jìn)行強(qiáng)度、剛度校核，降低本體重量，提高機(jī)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(shè)計

　　結(jié)構(gòu)設(shè)計采用最簡化設(shè)計原則；本體鑄鐵件采用綜合性能較好的球墨鑄鐵材料，鑄鋁件采用流動性好的鑄造材料，采用金屬模鑄造；裝配要有詳細(xì)的裝配工藝指導(dǎo)書，裝配過程中有部件和單軸的測試；裝配完后要有整機(jī)性能測試和耐久拷機(jī)測試；提高整機(jī)的防護(hù)等級設(shè)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(jī)伺服關(guān)鍵技術(shù)

　?。?）電機(jī)

　?、佥p量化

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

　?、诟咚?/p>

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

　?、壑彬?qū)、中空

　　隨著協(xié)作機(jī)器人的不斷成熟和推廣，機(jī)器人結(jié)構(gòu)的輕量化、緊湊化要求提高，發(fā)展高力矩直接驅(qū)動電機(jī)、盤式中空電機(jī)等機(jī)器人專用電機(jī)也是未來的趨勢。

　?。?）伺服

　　①快速響應(yīng)，精確定位

　　伺服的響應(yīng)時間直接影響到機(jī)器人的快速起停效果，影響機(jī)器人的工作效率和節(jié)拍。

　?、跓o傳感器方式實(shí)現(xiàn)彈性碰撞

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

　　③驅(qū)動多合一、驅(qū)控一體。

　　驅(qū)動多合一，多核CPU多軸驅(qū)控一體化集成技術(shù)，提高系統(tǒng)性能，降低驅(qū)動體積與成本。

　?、茉诰€自適應(yīng)抖振抑制

　　工業(yè)機(jī)器人懸臂結(jié)構(gòu)極易在多軸聯(lián)動、重載及快速起停時引起抖動。機(jī)器人本體剛度要與電機(jī)伺服剛度參數(shù)相匹配，剛度過高，會造成振動，剛度過低會造成起停反應(yīng)緩慢。機(jī)器人在不同的位置和姿態(tài)，以及在不同的工裝負(fù)載下剛度都不一樣，很難通過提前設(shè)置伺服剛度值能滿足所有工況的需求。在線自適應(yīng)抖振抑制技術(shù)，提出免參數(shù)調(diào)試的智能控制策略，同時兼顧剛度匹配、抖振抑制的需求，可以抑制機(jī)器人末端抖動，提高末端定位精度。

　　3.控制關(guān)鍵技術(shù)

　?。?）運(yùn)動解算及軌跡規(guī)劃

　　運(yùn)動求解，最佳路徑規(guī)劃，提高機(jī)器人的運(yùn)動精度和工作效率。

　?。?）動力學(xué)補(bǔ)償

　　一般工業(yè)機(jī)器人是一個串聯(lián)懸臂式結(jié)構(gòu)，剛性弱，運(yùn)動復(fù)雜，容易發(fā)生變形和抖動，是一個需要運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)相結(jié)合的課題。為了改善機(jī)器人的動態(tài)性能和提高運(yùn)動精度，機(jī)器人控制系統(tǒng)必須建立動力學(xué)模型，進(jìn)行動力學(xué)補(bǔ)償。補(bǔ)償?shù)膬?nèi)容主要包括重力補(bǔ)償、慣量補(bǔ)償、摩擦補(bǔ)償、耦合補(bǔ)償?shù)取?/p>

　　（3）標(biāo)定補(bǔ)償

　　機(jī)器人機(jī)械本體由于加工誤差和裝配誤差的原因，難以避免會和理論數(shù)學(xué)模型存在偏差，會降低機(jī)器人TCP精度和軌跡精度，如在焊接和離線編程使用時會受到嚴(yán)重影響。通過檢測和算法標(biāo)定補(bǔ)償機(jī)器人的模型參數(shù)，可以較好地解決此問題。

　?。?）工藝包完善

　　控制系統(tǒng)要與實(shí)際工程應(yīng)用相結(jié)合，系統(tǒng)除不斷升級，功能更加強(qiáng)大外，還要根據(jù)行業(yè)應(yīng)用的需求不斷開發(fā)和完善工藝包，有利于積累行業(yè)工藝經(jīng)驗，對客戶來說使用更方便，操作更簡單，效率更高。

　　1.在碼垛方面的應(yīng)用

　　在各類工廠的碼垛方面，自動化極高的機(jī)器人被廣泛應(yīng)用，人工碼垛工作強(qiáng)度大，耗費(fèi)人力，員工不僅需要承受巨大的壓力，而且工作效率低。搬運(yùn)機(jī)器人能夠根據(jù)搬運(yùn)物件的特點(diǎn)，以及搬運(yùn)物件所歸類的地方，在保持其形狀的和物件的性質(zhì)不變的基礎(chǔ)上，進(jìn)行高效的分類搬運(yùn)，使得裝箱設(shè)備每小時能夠完成數(shù)百塊的碼垛任務(wù)。在生產(chǎn)線上下料、集裝箱的搬運(yùn)等方面發(fā)揮及其重要的作用。

　　2.在焊接方面的應(yīng)用

　　焊接機(jī)器人主要承擔(dān)焊接工作，不同的工業(yè)類型有著不同的工業(yè)需求，所以常見的焊接機(jī)器人有點(diǎn)焊機(jī)器人、弧焊機(jī)器人、激光機(jī)器人等。汽車制造行業(yè)是焊接機(jī)器人應(yīng)用最廣泛的行業(yè)，在焊接難度、焊接數(shù)量、焊接質(zhì)量等方面就有著人工焊接無法比擬的優(yōu)勢。

　　3.在裝配方面的應(yīng)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(jī)器人代替。裝配機(jī)器人的研發(fā)，結(jié)合了多種技術(shù)，包括通訊技術(shù)、自動控制、光學(xué)原理、微電子技術(shù)等。研發(fā)人員根據(jù)裝配流程，編寫合適的程序，應(yīng)用于具體的裝配工作。裝配機(jī)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(fù)雜精細(xì)，所以我們選用裝配機(jī)器人來進(jìn)行電子零件，汽車精細(xì)部件的安裝。

　　4.在檢測方面的應(yīng)用

　　機(jī)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(qū)域、有毒區(qū)域、核污染區(qū)域、高危未知區(qū)域進(jìn)行探測。還有人類無法具體到達(dá)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(zāi)現(xiàn)場的生命探測等均有建樹。

　　發(fā)展趨勢

　　1.人機(jī)協(xié)作

　　隨著機(jī)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。拖動示教、人工教學(xué)技術(shù)的成熟，使得編程更簡單易用，降低了對操作人員的專業(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(jī)器人從預(yù)編程、示教再現(xiàn)控制、直接控制、遙操作等被操縱作業(yè)模式向自主學(xué)習(xí)、自主作業(yè)方向發(fā)展。智能化機(jī)器人可根據(jù)工況或環(huán)境需求，自動設(shè)定和優(yōu)化軌跡路徑、自動避開奇異點(diǎn)、進(jìn)行干涉與碰撞的預(yù)判并避障等。

　　3.智能化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化

　　越來越多的3D視覺、力傳感器會使用到機(jī)器人上，機(jī)器人將會變得越來越智能化。隨著傳感與識別系統(tǒng)、人工智能等技術(shù)進(jìn)步，機(jī)器人從被單向控制向自己存儲、自己應(yīng)用數(shù)據(jù)方向發(fā)展，逐漸信息化。隨著多機(jī)器人協(xié)同、控制、通信等技術(shù)進(jìn)步，機(jī)器人從獨(dú)立個體向相互聯(lián)網(wǎng)、協(xié)同合作方向發(fā)展。