一.工业机器人的技术意义
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国家战略
符合国家制造强国战略
（将机器人列为重点领域和优先主题）
《中国制造2025》
机器人：围绕汽车、机械、电子、危险品制造、国家军工、化工、轻工等工业机器人、特种机器人，积极研发新产品，促进机器人标准化、模块化发展、扩张市场应用。
01
工业革命
工业机器人技术已经成为支撑新工业革命的核心基础！
▼如今大多数机器人的起源都可以追述到早期工业机器人的设计。
▼工业机器人是迄今为止机器人技术最为重要的商业应用。有竞争力的工业制造包括三方面：高产量、高质量、低成本，工业机器人被认为是制造业领域的中流砥柱。
▼虽然在大规模的制造业中，尤其是汽车制造和相关组件装配中，机器人已经得到妥善的使用，但是仍有很多富有挑战性的问题需要解决。
▼如果机器人能更容易安装，能与其他制造过程集成和编程，尤其具备自适应感知和自动纠错恢复能力，那么可行的应用范围将被大大地拓宽。
▼为了使机器人产生保持在一个足够的产量上，一个机器人的设计应当能满足潜在应用最大集的需要。
▼由于通用的机器人并不存在，因此产生了各种不同类别的针对不同负载能力的机器人设计。
▼一个机器人工作单元由一个或多个机器人组成，并具有控制器和周围相应的设备。
▼不断提高的安全标准允许直接的人机协作，使得机器人和工人得以分享同样的工作环境。
二、工业机器人历史概述义
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工业机器人的诞生
1954年乔治 德沃尔申请了一个“可编程关节式转移物料装置”的专利▼
约瑟夫 恩格尔伯格与德沃尔合作成立了世界上第一个机器人公司Unimation▼
1959年研制出第一台工业机器人Unimate，并在1961年将其应用到汽车生产线上，用于将铸件中的零件取出。Unimation是Universal和Automation组合。▼
1960年被称为机器人元年。▼
德沃尔和恩格尔被称为工业机器人之父。▼
第一台安装在
福特汽车公司的机器人
世界上第一个机器人发明专利
02
工业机器人的早期发展
①、工业机器人的早期发展
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● 左图：1973年IRB-6工业机器人，是第一个革命性的系列机器人产品，纯电气驱动由微型计算机用于编程和控制，非常结实，寿命超过20年。
● 右图：日本山梨大学广志牧野提出了SCARA机器人方法，第一台SCARA机器人Hirata公司的AR-300于1978年诞生于日本，结合了竖直方向的刚性和平面转动的灵活性。
● 该图为其下一代产品AR-i350
SCARA,The Selective Compliance Assembly Robot Arm可选择柔顺装配机械手
②、工业机器人的早期发展
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● 左图：1974年，Cincinnati Milacron公司研制出第一个微处理器控制的机器人T3,液压驱动，图中给出的是后来推出的电机驱动机器人。70年代并入ABB公司，
● 右图：6轴PUMA（Programmable Universal Machine for Assembly）接近人的手臂,于1979年由Unimation公司推出，成为最流行的手臂之一，在那以后许多年成为机器人研究得参考对象。
③、工业机器人的早期发展
● 工业机器人应用中早期较为前沿的应用试点焊流水线和录像机VCR装配。
1985年工业机器人日恩出现在汽车车体电焊的焊接流水线上。
● 左图为法国雪铁龙CX汽车的生产线情景
● 右图为1989年，索尼公司的一个VCR自动装配线，带有多个手抓工具翻SCARA。
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④、工业机器人的早期发展
● 左图：MORO(移动机器人,1984)，由Frauenhofer IPA. Stuttgart开发,是第一个结合有线移动平台的机器臂原型，它沿着埋在地板中的线缆移动。移动机器臂特别应用于高自动化洁净间自动装载和卸载处理设备。
● 右图MLR公司结合人工操作的自动叉车-举升机，带有自动导航和箱体装载（卸载）。通过使用激光扫描仪和反光带或其他标记（墙壁、台柱）避免了单纯埋线导航技术的限制。
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03
工业机器人最新发展
● 左图：用于高速抓取的ABB FlexPicker并联机器人
● 右图：KUKA轻量化机械臂
● 并联机（Parallel Kinematic Machines.PKM）低惯性、高刚度，允许精确高速移动，最早由Clacel提出了4轴并联机器人，可达10g加速度。
● 德国宇航中心（DLR）长期研发成果，自负与负重之比为1:1.7，用于模仿人手臂进行人机协作。
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三、工业机器人典型应用
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工业机器人焊接
●手工焊接需要高技术工人
●焊接中小瑕疵，将导致严重后果。
●机器人焊接：
* 轨迹具有高度的可重复性和定位精度;
* 完备的关节机器人有6个自由度;
* 通常将机器人放在导航上扩展工作空间;
* 有效最大载荷是6到100kg;
* 一般采用可编程逻辑控制器（PLC）;
* 先进机器人采用现场总线和以太网控制.
02
工业机器人车身装配
● 车身装备就成为了占据主导地位的机器人应用实例，因为机器人自动化所带来的优点和收益极为明显·处理和定位金属薄板、定点焊接和传送车身框架对工人来说是有相当风险的或需要消耗很大体力的任务。
● 车体装配通常步骤：金属板压出车体，进行固体和拼接，点焊，然后喷涂车体，最终装配成车体（车门，仪表盘，挡风玻璃，电动座椅和轮胎等）。
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03
工业机器人喷涂
●
挪威的Trallfa公司于1969年开发了一种简单的盘式喷涂机器人。● 能容纳气体的中空手腕和喷涂缆绳允许快速敏捷的移动。机器人的喷枪得到明显的改进，从而可以利用很少的喷漆和溶剂得到统一的质量，可以在不同喷漆颜色间切换。
● 可以利用编程系统提出集成化的过程仿真，以此优化喷漆沉积、厚度以及覆盖面。
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04
工业机器人取放作业
● 基于激光三角测量原理，在离线计算中转换为具有离散空间角度的CAD虚拟物体；产生每个视点的特征图并存入数据库；实际特征与仿真集匹配方法可以确定物体的位置，从而选择无冲突轨迹。
● 黑箱抓取问题目前还有没有通用的完美解决方案。
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工业机器人加工与测量
● 相对于车床或铣床，标准机器人拥有更少的刚度，但更大的灵活性；
● 一个串联机器人的刚度通常在其整个工作空间各向异性地变化；
● 机器人连续动作必须是自动生成，这需要结合带有工件的几何形状的工艺信息。
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人机协作任务
● 操作者可以在机器人减速工作时抓住开关，启动机器人的协作模式，通过手柄几乎不费力的牵引机器人，在最后装配中使用齿轮箱以较高精度进入齿轮轴架。
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四、典型工业机器人
五、机器人的定义、分类与组成
01
机器人的定义
● 1.机械装置
● 2.具有自动控制系统
● 3.可再编程（不同任务）
▽ 机器人的核心问题
▽ 用工程的方法实现人体所特有的动作功能，以及完成这些功能所必要的智能。
02
机器人的分类
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工业机器人机构分类
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工业机器人发展水平
▼第一代机器人（使用主流）
示教再现、顺序控制；由于其不具有传感器的反馈信息，因此不能在作业过程中从外界不断获取信息，来改善其自易的行动品质，故应用范围和精度受到限制。
▼第二代机器人（研发主流）
有若干传感器，能对自身运动状态和外部环境进行探测，从而调整率先编程地操作。关键技术是“视觉”和“触觉”，目前还未能达到完善的实用阶段，尚有待于进一步研究和开发。
▼第三代机器人（期望主流）
能感知外界环境与对象物，对复杂信息进行准确处理，对自己行为作出自主决策能力的智能机器人，能实现搜索，追踪，辨色识图等多种仿生动作；具有专家知识、语音功能和自学习能力的人工智能。
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工业机器人研究内容
▽机器人抓取技术 ▽机器人操作技术
▽机器人移动技术 ▽机器人驱动技术
▽机器人传感技术 ▽机器人控制技术
▽机器人设计 ▽机器人外骨骼
▽机器人轨迹规划 ▽机器人视觉
▽多机器人协作技术 ▽人工智能
▽机器人软件与机器人语音
▽机器人体系结构与操作系统
▽机器人运动学、静力学与动力学
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06
工业机器人基本组成
六、工业机器人的抓取技术
01
机器人手分类及对比
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● 灵巧手的不足：电机多，机构复杂，传感复杂，出力小，控制难，成本昂贵。
● 欠驱动机构的核心优势：引入了自适应抓取的动作模式，成为当前热点。
● 除此之外，还有特种机器人手---不拟人的，没有手指的机器人手。
灵巧手---- （1）美国UTAH/MIT手
● 出现在1982年；
● 美国Utah大学工程设计中心和MIT人工智能实验室共同开发；
● 外形酷似人手，有4个手指，16个自由度。
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灵巧手---- （2）英国Shadow灵巧手
灵巧手---- （3）北航、哈工大灵巧手
灵巧手----（4）HIT/DLR-II手（中国&德国）
灵巧手---- （5）HIT/DLR-II手（中国&德国）
灵巧手---- （6）美国UTAH/MIT手
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自适应欠驱动机器人手研究图景
欠驱动机器人手---- （1）自适应抓取原理
欠驱动机器人手---- （2）六连杆平夹自适应手
欠驱动机器人手---- （3）五连杆平夹自适应手
欠驱动机器人手---- （4）上交大的索驱欠驱动手
欠驱动机器人手----
（5）日本SQUSE公司的拟人机器人手
欠驱动机器人手---- （6）韩国“双绞线手”
欠驱动机器人手---- （7）FESTO公司的柔性手
欠驱动机器人手---- （8）“树叶手”
欠驱动机器人手----
（9）北航和FESTO公司的章鱼触手
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特种机器人手
特种机器人手---- （1）“干爪手”
特种机器人手---- （2）“球状手”
特种机器人手---- （3）“磁流变手”
特种机器人手---- （4）FESTO公司的“水袋手”
七、工业机器人操作技术
01
结构化环境操作
02
快速变化环境操作
03
多机协同操作
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多臂固定式机器人
● 美国一家人工智能公司研制，会使用所有的理发工具，
● 包括
剪刀、推子拥有三只手臂，三个摄像头，共有29个自由度，能够完成十分灵活自由的多项工作
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单臂移动机器人
06
PR2机器人
07
Baxter机器人
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丰田双臂移动机器人
八、工业机器人移动技术
01
轮式移动交互机器人
02
阿里小G快递机器人
03
天猫曹操分拣机器人
04
京东快递无人车
05
切比雪夫连杆双足机器人
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无人机
▼ 谷歌2014年开始测试快递无人机
▼ 谷歌快递无人机采用了4个电动旋翼，固定翼展约1.5米，重约8.6kg，无需跑道即可起降。
▼ GPS/摄像头、无人电设备，以及惯性测量传感器
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水下无人车
还包括：
▼ 轮式移动扫地机器人
▼ 表情交互机器人
▼ Deliverbot快递机器人
▼ 亚马逊Kiva分拣机器人
▼ 独球轮式机器人
▼ 双足机器人
▼ 多足移动机器人
▼ 波士顿动力公司Atlas机器人
▼ 美国DURUS双足机器人
▼ 轮腿复合机器人
九、工业机器人技术的发展趋势
▼ 机器人及智能装备不断向智能化、协作型极高适应能力方向发展。
▼ 机器人的平均价格大幅下降，自动化技术越来越便宜。机器人的性能参数比如速度、载荷能力、平均故障间隔时间得到显著的改善。
▼ 多机器人能通过一个控制器实时编程和协调同步，使得这机器人可以在同一个工作空间精确协同地工作。
▼ 用于物体识别、定位和优良控制的视觉系统越来越多地成为机器人控制器的一部分。
▼零件层---机器人材料、结构
刚性和柔性分别能满足部分要求，面对更广大的应用范围和通用性，需要结合起来达到刚柔并济的新型机器人。
▼ 部件层---机器人智能技术
目前云平台的计算能力已经能够提高较好的计算性能，多传感器融合、多机器人信息交互的大数据实时处理技术对于处理复杂问题变得可行。
▼系统层---共融机器人系统
为了机器人能够与作业环境、操作者和其他机器人之间自然互动，实现人和机器人之间、机器人与机器人之间的协同智能操作。
▼云层---服务器端大数据采集与处理系统
