一.工業機器人的技術意義
01
國家戰略
符合國家制造強國戰略
（將機器人列為重點領域和優先主題）
《中國製造2025》
機器人：圍繞汽車、機械、電子、危險品製造、國家軍工、化工、輕工等工業機器人、特種機器人，積極研發新產品，促進機器人標準化、模塊化發展、擴張市場應用。
01
工業革命
工業機器人技術已經成為支撐新工業革命的核心基礎！
▼如今大多數機器人的起源都可以追述到早期工業機器人的設計。
▼工業機器人是迄今為止機器人技術最為重要的商業應用。有競爭力的工業製造包括三方面：高產量、高質量、低成本，工業機器人被認為是製造業領域的中流砥柱。
▼雖然在大規模的製造業中，尤其是汽車製造和相關組件裝配中，機器人已經得到妥善的使用，但是仍有很多富有挑戰性的問題需要解決。
▼如果機器人能更容易安裝，能與其他製造過程集成和編程，尤其具備自適應感知和自動糾錯恢復能力，那麼可行的應用範圍將被大大地拓寬。
▼為了使機器人產生保持在一個足夠的產量上，一個機器人的設計應當能滿足潛在應用最大集的需要。
▼由於通用的機器人並不存在，因此產生了各種不同類別的針對不同負載能力的機器人設計。
▼一個機器人工作單元由一個或多個機器人組成，並具有控制器和周圍相應的設備。
▼不斷提高的安全標準允許直接的人機協作，使得機器人和工人得以分享同樣的工作環境。
二、工業機器人歷史概述義
01
工業機器人的誕生
1954年喬治 德沃爾申請了一個“可編程關節式轉移物料裝置”的專利▼
約瑟夫 恩格爾伯格與德沃爾合作成立了世界上第一個機器人公司Unimation▼
1959年研製出第一臺工業機器人Unimate，並在1961年將其應用到汽車生產線上，用於將鑄件中的零件取出。Unimation是Universal和Automation組合。▼
1960年被稱為機器人元年。▼
德沃爾和恩格爾被稱為工業機器人之父。▼
第一臺安裝在
福特汽車公司的機器人
世界上第一個機器人發明專利
02
工業機器人的早期發展
①、工業機器人的早期發展
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● 左圖：1973年IRB-6工業機器人，是第一個革命性的系列機器人產品，純電氣驅動由微型計算機用於編程和控制，非常結實，壽命超過20年。
● 右圖：日本山梨大學廣志牧野提出了SCARA機器人方法，第一臺SCARA機器人Hirata公司的AR-300於1978年誕生於日本，結合了豎直方向的剛性和平面轉動的靈活性。
● 該圖為其下一代產品AR-i350
SCARA,The Selective Compliance Assembly Robot Arm可選擇柔順裝配機械手
②、工業機器人的早期發展
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● 左圖：1974年，Cincinnati Milacron公司研製出第一個微處理器控制的機器人T3,液壓驅動，圖中給出的是後來推出的電機驅動機器人。70年代併入ABB公司，
● 右圖：6軸PUMA（Programmable Universal Machine for Assembly）接近人的手臂,於1979年由Unimation公司推出，成為最流行的手臂之一，在那以後許多年成為機器人研究得參考對象。
③、工業機器人的早期發展
● 工業機器人應用中早期較為前沿的應用試點焊流水線和錄像機VCR裝配。
1985年工業機器人日恩出現在汽車車體電焊的焊接流水線上。
● 左圖為法國雪鐵龍CX汽車的生產線情景
● 右圖為1989年，索尼公司的一個VCR自動裝配線，帶有多個手抓工具翻SCARA。
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④、工業機器人的早期發展
● 左圖：MORO(移動機器人,1984)，由Frauenhofer IPA. Stuttgart開發,是第一個結合有線移動平臺的機器臂原型，它沿著埋在地板中的線纜移動。移動機器臂特別應用於高自動化潔淨間自動裝載和卸載處理設備。
● 右圖MLR公司結合人工操作的自動叉車-舉升機，帶有自動導航和箱體裝載（卸載）。通過使用激光掃描儀和反光帶或其他標記（牆壁、臺柱）避免了單純埋線導航技術的限制。
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03
工業機器人最新發展
● 左圖：用於高速抓取的ABB FlexPicker並聯機器人
● 右圖：KUKA輕量化機械臂
● 並聯機（Parallel Kinematic Machines.PKM）低慣性、高剛度，允許精確高速移動，最早由Clacel提出了4軸並聯機器人，可達10g加速度。
● 德國宇航中心（DLR）長期研發成果，自負與負重之比為1:1.7，用於模仿人手臂進行人機協作。
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三、工業機器人典型應用
01
工業機器人焊接
●手工焊接需要高技術工人
●焊接中小瑕疵，將導致嚴重後果。
●機器人焊接：
* 軌跡具有高度的可重複性和定位精度;
* 完備的關節機器人有6個自由度;
* 通常將機器人放在導航上擴展工作空間;
* 有效最大載荷是6到100kg;
* 一般採用可編程邏輯控制器（PLC）;
* 先進機器人採用現場總線和以太網控制.
02
工業機器人車身裝配
●
● 車體裝配通常步驟：金屬板壓出車體，進行固體和拼接，點焊，然後噴塗車體，最終裝配成車體（車門，儀表盤，擋風玻璃，電動座椅和輪胎等）。
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03
工業機器人噴塗
● 挪威的Trallfa公司於1969年開發了一種簡單的盤式噴塗機器人。
● 能容納氣體的中空手腕和噴塗纜繩允許快速敏捷的移動。機器人的噴槍得到明顯的改進，從而可以利用很少的噴漆和溶劑得到統一的質量，可以在不同噴漆顏色間切換。
● 可以利用編程系統提出集成化的過程仿真，以此優化噴漆沉積、厚度以及覆蓋面。
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04
工業機器人取放作業
● 基於激光三角測量原理，在離線計算中轉換為具有離散空間角度的CAD虛擬物體；產生每個視點的特徵圖並存入數據庫；實際特徵與仿真集匹配方法可以確定物體的位置，從而選擇無衝突軌跡。
● 黑箱抓取問題目前還有沒有通用的完美解決方案。
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05
工業機器人加工與測量
● 相對於車床或銑床，標準機器人擁有更少的剛度，但更大的靈活性；
● 一個串聯機器人的剛度通常在其整個工作空間各向異性地變化；
● 機器人連續動作必須是自動生成，這需要結合帶有工件的幾何形狀的工藝信息。
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06
人機協作任務
● 操作者可以在機器人減速工作時抓住開關，啟動機器人的協作模式，通過手柄幾乎不費力的牽引機器人，在最後裝配中使用齒輪箱以較高精度進入齒輪軸架。
▼
四、典型工業機器人
五、機器人的定義、分類與組成
01
機器人的定義
● 1.機械裝置
● 2.具有自動控制系統
● 3.可再編程（不同任務）
▽ 機器人的核心問題
▽ 用工程的方法實現人體所特有的動作功能，以及完成這些功能所必要的智能。
02
機器人的分類
03
工業機器人機構分類
04
工業機器人發展水平
▼第一代機器人（使用主流）
示教再現、順序控制；由於其不具有傳感器的反饋信息，因此不能在作業過程中從外界不斷獲取信息，來改善其自易的行動品質，故應用範圍和精度受到限制。
▼第二代機器人（研發主流）
有若干傳感器，能對自身運動狀態和外部環境進行探測，從而調整率先編程地操作。關鍵技術是“視覺”和“觸覺”，目前還未能達到完善的實用階段，尚有待於進一步研究和開發。
▼第三代機器人（期望主流）
能感知外界環境與對象物，對複雜信息進行準確處理，對自己行為作出自主決策能力的智能機器人，能實現搜索，追蹤，辨色識圖等多種仿生動作；具有專家知識、語音功能和自學習能力的人工智能。
05
工業機器人研究內容
▽機器人抓取技術 ▽機器人操作技術
▽機器人移動技術 ▽機器人驅動技術
▽機器人傳感技術 ▽機器人控制技術
▽機器人設計 ▽機器人外骨骼
▽機器人軌跡規劃 ▽機器人視覺
▽多機器人協作技術 ▽人工智能
▽機器人軟件與機器人語音
▽機器人體系結構與操作系統
▽機器人運動學、靜力學與動力學
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06
工業機器人基本組成
六、工業機器人的抓取技術
01
機器人手分類及對比
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● 靈巧手的不足：電機多，機構複雜，傳感複雜，出力小，控制難，成本昂貴。
● 欠驅動機構的核心優勢：引入了自適應抓取的動作模式，成為當前熱點。
● 除此之外，還有特種機器人手---不擬人的，沒有手指的機器人手。
靈巧手---- （1）美國UTAH/MIT手
● 出現在1982年；
● 美國Utah大學工程設計中心和MIT人工智能實驗室共同開發；
● 外形酷似人手，有4個手指，16個自由度。
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靈巧手---- （2）英國Shadow靈巧手
靈巧手---- （3）北航、哈工大靈巧手
靈巧手----（4）HIT/DLR-II手（中國&德國）
靈巧手---- （5）HIT/DLR-II手（中國&德國）
靈巧手---- （6）美國UTAH/MIT手
02
自適應欠驅動機器人手研究圖景
欠驅動機器人手---- （1）自適應抓取原理
欠驅動機器人手---- （2）六連桿平夾自適應手
欠驅動機器人手---- （3）五連桿平夾自適應手
欠驅動機器人手---- （4）上交大的索驅欠驅動手
欠驅動機器人手----
（5）日本SQUSE公司的擬人機器人手
欠驅動機器人手---- （6）韓國“雙絞線手”
欠驅動機器人手---- （7）FESTO公司的柔性手
欠驅動機器人手---- （8）“樹葉手”
欠驅動機器人手----
（9）北航和FESTO公司的章魚觸手
03
特種機器人手
特種機器人手---- （1）“幹爪手”
特種機器人手---- （2）“球狀手”
特種機器人手---- （3）“磁流變手”
特種機器人手---- （4）FESTO公司的“水袋手”
七、工業機器人操作技術
01
結構化環境操作
02
快速變化環境操作
03
多機協同操作
04
多臂固定式機器人
● 美國一家人工智能公司研製，會使用所有的理髮工具，
● 包括 剪刀、推子擁有三隻手臂，三個攝像頭，共有29個自由度，能夠完成十分靈活自由的多項工作
05
單臂移動機器人
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PR2機器人
07
Baxter機器人
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豐田雙臂移動機器人
八、工業機器人移動技術
01
輪式移動交互機器人
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阿里小G快遞機器人
03
天貓曹操分揀機器人
04
京東快遞無人車
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切比雪夫連桿雙足機器人
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無人機
▼ 谷歌2014年開始測試快遞無人機
▼ 谷歌快遞無人機採用了4個電動旋翼，固定翼展約1.5米，重約8.6kg，無需跑道即可起降。
▼ GPS/攝像頭、無人電設備，以及慣性測量傳感器
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水下無人車
還包括：
▼ 輪式移動掃地機器人
▼ 表情交互機器人
▼ Deliverbot快遞機器人
▼ 亞馬遜Kiva分揀機器人
▼ 獨球輪式機器人
▼ 雙足機器人
▼ 多足移動機器人
▼ 波士頓動力公司Atlas機器人
▼ 美國DURUS雙足機器人
▼ 輪腿複合機器人
九、工業機器人技術的發展趨勢
▼ 機器人及智能裝備不斷向智能化、協作型極高適應能力方向發展。
▼ 機器人的平均價格大幅下降，自動化技術越來越便宜。機器人的性能參數比如速度、載荷能力、平均故障間隔時間得到顯著的改善。
▼ 多機器人能通過一個控制器實時編程和協調同步，使得這機器人可以在同一個工作空間精確協同地工作。
▼ 用於物體識別、定位和優良控制的視覺系統越來越多地成為機器人控制器的一部分。
▼零件層---機器人材料、結構
剛性和柔性分別能滿足部分要求，面對更廣大的應用範圍和通用性，需要結合起來達到剛柔並濟的新型機器人。
▼ 部件層---機器人智能技術
目前雲平臺的計算能力已經能夠提高較好的計算性能，多傳感器融合、多機器人信息交互的大數據實時處理技術對於處理複雜問題變得可行。
▼系統層---共融機器人系統
為了機器人能夠與作業環境、操作者和其他機器人之間自然互動，實現人和機器人之間、機器人與機器人之間的協同智能操作。
▼雲層---服務器端大數據採集與處理系統