工业机器人的基本结构

浅述中国工业机器人特点、应用及其发展方向

一、引言

工业机器人诞生于20世纪60年代,在20世纪90年代得到迅速发展,是最先产业化的机器人技术。它是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术,是当代研究十分活跃、应用日益广泛的领域。随着各应用领域产品加工精度要求的提高，焊接、切割等生产环节逐步由机器人代替手工操作，再加上人们对工作环境要求的提高，高危、有毒等恶劣条件的工作需要由机器人逐步替代，增加了对机器人产品的市场需求。

二、工业机器人带来的效益

发达国家的使用经验表明:使用工业机器人可以降低废品率和产品成本,提高了机床的利用率,降低了工人误操作带来的残次零件风险等,其带来的一系列效益也是十分明显的,例如减少人工用量、减少机床损耗、加快技术创新速度、提高企业竞争力等。机器人具有执行各种任务特别是高危任务的能力,平均故障间隔期达60000小时以上,比传统的自动化工艺更加先进。采用工业机器人还有如下优点:第一,改善劳动条件,逐步提高生产效率;第二,更强与可控的生产能力,加快产品更新换代;第三,提高零件的处理能力与产品质量;第四,消除枯燥无味的工作,节约劳动力;第五,提供更安全的工作环境,降低工人的劳动强度,减少劳动风险;第六,提高机床;第七,减少工艺过程中的工作量及降低停产时间和库存;第八,提高企业竞争力。

在面临全球性竞争的形势下,制造商们正在利用工业机器人技术来帮助生产价格合理的优质产品。一个公司想要获得一个或多个竞争优势,实现机器人自动化生产将是推动业务发展的有效手段。

三、国内工业机器人市场

工业机器人发展长期以来受限于成本较高与国内劳动力价格低廉的状况,随着中国经济持续快速的发展,近几年的国民生产总值年平均增长率更是保持在9%左右,人民生活水平不断地提高,劳动力供应格局已经逐步从“买方”市场转为“卖方”市场、由供远大于求转向供求平衡。作为制造业主力的农民工也从早期的仅解决温饱问题到现在对薪资和工作条件提出了更高的要求。这些情况使得许多劳动密集型企业为了提高劳动生产率所采用的增加工人数量、延长工人劳动时间的方法变得成本高昂,同时也受到法律的限制和政策的阻碍。无论是企业还是社会都认识到必须采取从改善机器设备入手,提高技术和资金的密集度来减少用工量以应对这种改变。总之,劳动力过剩程度降低、单个工人成本上升、对产品质量更高的要求、国家对装备制造业的重视等变化改善了机器人的使用环境,工业机器人及技术在中国已逐步得到了政府和企业的重视。随着机器人知识的广泛普及,人们对于各种机器人的了解与认识逐步深化,利用机器人技术提升我国工业发展水平、从制造业大国向强国转变,提高人民生活质量成为全社会的共识。 四、我国机器人技术应用研究进展及发展趋势

工业机器人的结构与技术参数

工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备。自从1962年美国研制出世界上第一台工业机器人以来，机器人技术及其产品发展很快，已成为柔性制造系统(FMS)、自动化工厂(FA)、计算机集成制造系统(CIMS)的自动化工具。

广泛采用工业机器人，不仅可提高产品的质量与产量，而且对保障人身安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料消耗以及降低生产成本，有着十分重要的意义。和计算机、网络技术一样，工业机器人的广泛应用正在日益改变着人类的生产和生活方式。

一、常用运动学构形

1、笛卡尔操作臂

优点：很容易通过计算机控制实现，容易达到高精度。缺点：妨碍工作, 且占地面积大, 运动速度低, 密封性不好。

①焊接、搬运、上下料、包装、码垛、拆垛、检测、探伤、分类、装配、贴标、喷码、打码、(软仿型)喷涂、目标跟随、排爆等一系列工作。

②特别适用于多品种，便批量的柔性化作业，对于稳定，提高产品质量，提高劳动生产率，改善劳动条件和产品的快速更新换代有着十分重要的作用。

2、铰链型操作臂(关节型)

关节的关节全都是旋转的， 类似于人的手臂,工业机器人中最常见的结构。它的工作范围较为复杂。 ①汽车零配件、模具、钣金件、塑料制品、运动器材、玻璃制品、陶瓷、航空等的快速检测及产品开发。

②车身装配、通用机械装配等制造质量控制等的三坐标测量及误差检测。

③古董、艺术品、雕塑、卡通人物造型、人像制品等的快速原型制作。

④汽车整车现场测量和检测。

⑤人体形状测量、骨骼等医疗器材制作、人体外形制作、医学整容等。

3、SCARA操作臂

SCARA机器人常用于装配作业, 最显著的特点是它们在x-y平面上的运动具有较大的柔性, 而沿z轴具有很强的刚性, 所以, 它具有选择性的柔性。这种机器人在装配作业中获得了较好的应用。

工业机器人的基本工作原理,工业机器人结构系统

机器人是最典型的机电一体化数字化装备，技术附 加值高，应用范围广，作为先进制造业的支撑技术和信 息化社会的新兴产业，将对未来生产和社会发展起越来 越重要的作用。从20世纪下半叶起，世界机器人产业 一直保持着稳步增长的良好势头。根据发达国家产业 发展与升级的历程和工业机器人产业化发展趋势，到 2015年中国机器人市场的容量约达十几万台套。

1工业机器人的基本工作原理

工业机器人是一种生产装备，其基本功能是提供 作业所须的运动和动力．其基本工作原理是通过操作机 上各运动构件的运动．自动地实现手部作业的动作功能 及技术要求。因此在基本功能及基本工作原理上，工业 机器人与机床有相同之处：二者的末端执行器都有位置 变化要求，而且都是通过坐标运动来实现末端执行器的 位置变化要求。当然机器人也有其独特的要求，是按关 节形式运动为主，同时机器人的灵活性要求很高，其刚 度、精度要求相对较低。

2工业机器人结构系统

2．1工业机器人构造

从功能角度分析可将机器人分解成四个部分：操作 机、末端执行器、传感系统、控制器。

操作机：是由机座、手臂和手腕、传动机构、驱动 系统等组成．其功能是使手腕具有某种工作空间，并调 整手腕使末端执行器实现作业任务要求的动作。 末端执行器：也叫工业机器人的手部，它是安装在 工业机器人手腕上直接抓握工件或执行作业的部件。 感器系统：是指要机器人与人一样有效的完成工 作。必须对外界状况进行判断的感觉功能。与机器人控 制最紧密相关的是触觉。视觉适合于检测对象是否存 在，检测其大概的位置、姿势等状态。相比之下，触觉 协助视觉．能够检测出对象更细微的状态。 控制器：机器人控制系统是机器人的大脑，是决定 机器人功能和性能的主要因素。主要是控制工业机器人 在工作空间中的运动位置、姿态和轨迹、操作顺序及动 作的时间等。具有编程简单、软件菜单操作、友好的人 机交互界面、在线操作提示和使用方便等特点。在机器 人中采

工业机器人的组成结构

工业机器人一般由主构架（手臂）、手腕、驱动系统、测量系统、控制器及传感器等组成。图1是

工业机器人的典型结构。机器人手臂具有3个自由度（运动坐标轴），机器人作业空间由手臂运动范

围决定。手腕是机器人工具（如焊枪、喷嘴、机加工刀具、夹爪）与主构架的连接机构，它具有3个

自由度。驱动系统为机器人各运动部件提供力、力矩、速度、加速度。测量系统用于机器人运动部件的位移、速度和加速度的测量。控制器（RC）用于控制机器人各运动部件的位置、速度和加速度，使

机器人手爪或机器人工具的中心点以给定的速度沿着给定轨迹到达目标点。通过传感器获得搬运对象

和机器人本身的状态信息，如工件及其位置的识别，障碍物的识别，抓举工件的重量是否过载等。

图1 工业机器人的典型结构

工业机器人运动由主构架和手腕完成，主构架具有3个自由度，其运动由两种基本运动组成，即

沿着坐标轴的直线移动和绕坐标轴的回转运动。不同运动的组合，形成各种类型的机器人（如图2）：①直角坐标型（如图2a是三个直线坐标轴）；②圆柱坐标型（如图2b是两个直线坐标轴和一个回转

轴）；③球坐标型（如图2c是一个直线坐标轴和两个回转轴）；④关节型（如图2d是三个回转轴关

节和图2e是三个平面运动关节）。

a）直角坐标型 b）圆柱坐标型 c）球坐标型 d）多关节型 e）平面关节型

图2 工业机器人的基本结构形式