工业机器人

最常用的机器人构型是关节型机器人、SCARA 机器人、Delta机器人和直角坐标型机器人（也可称之为龙门机器人或x-y-z机器人）。一般情况下，按照机器人学的定义，大多数类型的机器人都属于机械臂的范畴(这个词的使用中来自于“机械手”，在国际标准化组织标准1738中)。机器人表现出不同程度的自主性:

• 一些机器人被编程为忠实地一遍又一遍地执行特定的动作(重复动作)，没有其它变化并且具有高精度。这些动作由指定一系列协调运动的方向、加速度、速度、减速度和距离的程序设定决定。
• 还有一些机器人在操作对象的方向上或者在对象本身上执行的任务上更加灵活，机器人甚至可能需要识别这些任务。例如，为了获得更精确的导航，机器人通常包含机器视觉子系统，作为它们的视觉传感器，连接到强大的计算机或控制器上^[3]。 人工智能，或者说它被认为是什么，正在成为现代工业机器人中越来越重要的因素。

已知最早的符合国际标准化组织定义的工业机器人是由“比尔”格里菲斯·泰勒于1937年出版于《麦卡诺杂志》，1938年3月。^[4][5]类似起重机的设备几乎完全使用麦卡诺零件制造，并由单个电机驱动。拥有五个运动轴，包括抓取和抓取旋转。自动化是通过使用穿孔纸带给螺线管通电来实现的，这有助于起重机控制杆的移动。机器人可以按照预先编程的程序来堆叠木块。每个运动所需的电机转数首先绘制在方格纸上。然后，这些信息被传输到纸带上，纸带也由机器人的单个马达驱动。克里斯·舒特在1997年给这个机器人制造了一个完整的复制品。

1954年，乔治·德沃尔申请了第一个机器人技术专利(1961年批准)。第一家生产机器人的公司是尤尼梅逊，由乔治·德沃尔和Joseph F. Engelberger在1956年成立。尤尼梅逊机器人也被称为可编程传送机。因为它们最初的主要用途是将物体从一个点转移到另一个点，相距不到十几英尺。他们使用液压 驱动器，并在关节中进行坐标编程，即各关节的角度在示教阶段存储进去并在操作中重复使用。它们精确到1/10000英寸以内^[6](注意:虽然精度对于机器人来说不是一个合适的测量标准，通常是根据可重复精度来评估的——见下文)。尤尼梅逊公司后来将他们的技术授权给川崎重工业和GKN，分别在日本和英国生产尤尼梅逊机械手。一段时间以来，尤尼梅逊公司唯一的竞争对手是俄亥俄州的辛辛那提 米拉克龙公司。这种情况在20世纪70年代末发生了根本变化，当时几家日本大型企业集团开始生产类似的工业机器人。

1969年，Victor Scheinman在斯坦福大学发明了斯坦福机器臂，一台全电动六轴关节机器人，可以像人的手臂一样运动。这使得它能够精确地在空间中遵循任意路径，并将机器人的潜在用途扩展到更复杂的领域，如组装和焊接。然后，Victor Scheinman在麻省理工学院 人工智能实验室设计了第二个手臂，被称为“MIT机械臂”。Victor Scheinman获得了尤尼梅逊公司的研究资助，并将这些设计出售给尤尼梅逊公司。尤尼梅逊公司在通用汽车的支持下进一步开发了这些设计，后来将其生产为可编程通用装配机 (PUMA)并销售。

工业机器人在欧洲迅速发展。1973年，ABB机器人和库卡机器人都向市场推出了机器人。ABB机器人(前瑞典通用电机公司)推出了IRB 6，是世界上第一个市场上可买到的全电动微处理器控制机器人。首批两个IRB 6机器人被出售给瑞典的马格努松，用于打磨和抛光弯管，并于1974年1月安装使用。同样1973年，库卡机器人公司制造了第一个机器人，被称为FAMULUS ，^[7][8]也是最早拥有六个机电驱动轴的关节机器人之一。

20世纪70年代末，人们对机器人技术的兴趣增加。许多美国公司进入了这个领域，包括像通用电气和通用汽车这样的大公司（它们和FANUC日本有限公司组成了合资企业 FANUC机器人公司），还有美国的初创公司Automatix和Adept Technology。在1984年，机器人产业的鼎盛时期，尤尼梅逊公司被西屋公司以1.07亿美元收购。在1988年，西屋公司把尤尼梅逊公司出售给了法国的staubi Faverges SCA公司，该公司仍在为一般工业和洁净室应用生产机器人，2004年末，甚至还买下了博世的机器人部门。

只有少数非日本公司最终设法在这个市场上生存下来，主要的公司是:Adept Technology 、史努比、瑞典 - 瑞士公司 ABB 、德国公司库卡机器人公司和意大利公司柯马。

3.1 定义参数

• 轴的数量–两个轴需要到达平面上的任何一点；到达空间中的任何一点都需要三个轴。为了完全控制臂末端的方向(即手腕)还需要三个轴(偏航、俯仰和滚转)。一些设计(例如SCARA机器人)在成本、速度和精度方面权衡了运动可能性的限制。
• 自由度–这通常与轴的数量相同。
• 工作空间–机器人可以到达的空间区域。
• 运动学–机器人中刚性构件和关节的实际布置，决定了机器人可能的运动。机器人运动学的类别包括关节式、笛卡尔式、平行式和SCARA式。
• 承载能力或有效载荷–机器人能举起多少重量。
• 速度–机器人能以多快的速度定位手臂末端。这可以根据每个轴的角速度或线速度来定义，或者定义为复合速度，即当所有轴都移动时臂末端的速度。
• 加速–轴加速的速度。由于这是一个限制因素，机器人可能无法在短距离或需要频繁改变方向的复杂路径上达到其指定的最大速度。
• 准确–机器人能多接近指令位置。当测量机器人的绝对位置并与命令位置进行比较时，误差是精度的量度。精度可以通过外部感测来提高，例如视觉系统或红外线。请参见机器人校准。精度可以随工作包线内的速度和位置以及有效载荷而变化(参见合规性)。
• 可重复性–机器人返回编程位置的能力。这与准确性不同。当被告知去某个X-Y-Z位置时，它可能只能到达距离那个坐标的1mm以内。这将是它的精度，可以通过校准来提高。但是如果该位置被示教到控制器存储器中，并且每次发送到那里时，它都返回到示教位置的0.1mm以内，那么重复性将在0.1mm以内。

准确性和可重复性是不同的衡量标准。重复性通常是机器人最重要的标准，与测量中的“精度”概念相似——参见准确性和精确性。ISO 9283^[9]列出了一种既能测量准确度又能测量重复性的方法。通常，机器人会被多次发送到示教位置，并且在访问4个其他位置后，每次返回该位置时都会测量误差。然后使用这些样品在所有三维空间的标准差来量化重复性。一个典型的机器人当然会产生超过这个值的位置误差，这可能是该过程出现的一个问题。此外，重复性在工作包络的不同部分是不同的，并且也随着速度和有效载荷而变化。ISO 9283规定，精度和重复性应在最大速度和最大有效载荷下测量。这是一个最差的数值，而机器人在轻负载和低速度下可以更精确和更可重复。工业过程中的可重复性还取决于末端执行器(例如抓具)的精度，甚至取决于将抓具与被抓物体匹配的“手指”的设计。例如，如果机器人从螺钉的头部抓起螺钉，螺钉可能处于随机角度。随后将螺钉插入孔中的尝试很容易失败。这些和类似的情况可以通过导入来改善，例如通过使孔的入口逐渐变细。

• 运动控制–对于一些应用，例如简单的抓放装配，机器人只需要重复返回到有限数量的示教位置。对于更复杂的应用，如焊接和精加工(喷漆)，必须连续控制运动以遵循空间路径，并控制方向和速度。
• 动力源–一些机器人使用电动马达，少部分机器人使用液压致动器。前者更快，后者更强。后者在喷漆等应用中更有优势，在喷漆中电火花可能引发爆炸；然而，臂的内部低压力可以防止易燃气体以及其他污染物进入。如今，市场上很难看到液压驱动的机器人。主要原因是额外的密封、无刷电机和防火花保护简化了能够在爆炸性环境中工作的设备的构造。
• 驱动–一些机器人通过齿轮将电动机连接到关节上；另一些将马达直接连接到关节(直接驱动)中。使用齿轮会导致可测量的“齿隙”，即在轴上的自由运动。较小的机械臂经常使用高速、低扭矩的直流电机，这通常需要高传动比；存在惯性冲击的缺点。这种情况下，经常使用谐波驱动。
• 顺从性-这是当力施加到机器人轴上时，机器人轴将移动的角度或距离的度量。由于顺从性，当机器人到达承载其最大有效载荷的位置时，它将处于比没有承载有效载荷时略低的位置。当携带高有效载荷时，顺从性也可能是超调的原因，在这种情况下，加速度需要降低。

3.2 机器人编程和界面

工业机器人的运动和序列的设置或编程通常是通过将机器人控制器连接到便携式、台式计算机或(内部或互联网)网络来进行的。

机器人和机器以及外围设备的集合被称为工作单元，或单元。典型的单元可能包含一个零件进料器、成型机和一个机器人。各种机器由一台计算机或可编程逻辑控制器集成和控制。机器人如何与单元中的其他机器交互必须进行编程，既要考虑它们在单元中的位置，也要与它们同步。

软件:计算机安装有相应的接口软件。计算机的使用大大简化了编程过程。根据系统设计，专门的机器人软件可以在机器人控制器或计算机中运行，也可以在两者中运行。

有两个基本实体需要示教(或编程):位置数据和程序。例如，在将螺钉从进料器移动到孔的任务中，必须首先示教或编程进料器和孔的位置。其次，将螺钉从进料器送到孔中的程序必须与任何涉及的输入/输出一起编程，例如指示螺钉何时在进料器中准备好被拾取的信号。机器人软件的目的是完成这两种编程任务。

示教机器人位置可以通过多种方式实现:

位置命令可以使用图形用户界面或基于文本的命令将机器人定向到所需位置，其中可以指定和编辑所需的X-Y-Z位置。

示教盒：机器人位置可以通过示教器来示教。这是一个手持控制和编程单元。这种装置的共同特点是能够手动将机器人送到所需的位置，或者“一英寸”或“慢跑”来调整位置。它们也有改变速度的方法，因为小心定位通常需要低速，或者在通过新的或修改的例程进行测试运行时。通常还包括一个大的急停按钮。通常一旦机器人被编程，示教器就不再用了。所有示教盒都配有一个3位紧急开关。在手动模式下，仅当机器人处于中间位置(部分按下)时，它才允许机器人移动。如果它被完全压入或完全释放，机器人就会停止。这一操作原理允许使用自然反射来增加安全性。

牵着鼻子走：这是许多机器人制造商提供的技术。在这种方法中，一个用户握住机器人的操纵器，而另一个人输入命令，使机器人断电，使其跛行。然后，用户用手将机器人移动到所需位置和/或沿所需路径移动，同时软件将这些位置记录到存储器中。该程序稍后可以将机器人运行到这些位置或沿着示教路径运行。这种技术常适用于喷漆等任务。

离线编程：是整个单元、机器人和工作空间中的所有机器或仪器被图形化映射的地方。然后可以在屏幕上移动机器人，并模拟该过程。机器人模拟器用于为机器人创建嵌入式应用程序，而不依赖于机器人手臂和末端执行器的物理操作。机器人仿真的优势在于它节省了机器人应用程序设计的时间。它还可以提高与机器人设备相关联的安全水平，因为在系统被激活之前，可以尝试和测试各种“假设”场景。[8]机器人仿真软件提供了一个平台来教授、测试、运行和调试用各种编程语言编写的程序。

机器人模拟工具允许机器人程序方便地编写和调试离线与程序的最终版本在实际机器人上测试。在虚拟世界中预览机器人系统行为的能力允许在应用于“真实世界”系统之前尝试和测试各种机制、设备、配置和控制器。机器人模拟器能够使用几何建模和运动学建模来提供工业机器人模拟运动的实时计算。

其他此外，机器操作员经常使用用户界面设备，通常是用作操作员控制面板的触摸屏单元。操作员可以从一个程序切换到另一个程序，在程序中进行调整，还可以操作可以集成在同一机器人系统中的大量外围设备。这些包括末端执行器、向机器人提供部件的进料器、传送带、紧急停止控制器、机器视觉系统、安全联锁系统、条形码打印机和几乎无限阵列的其它工业设备，这些设备通过操作员控制面板进行访问和控制。

编程后，示教盒或PC通常断开连接，机器人随后在安装在其控制器中的程序上运行。然而，计算机通常用于“监督”机器人和任何外围设备，或者为访问许多复杂的路径和例程提供额外的存储。

3.3 臂端工具

最基本的机器人外围设备是末端执行器，或臂端工具(EOT)。末端执行器的常见例子包括焊接设备(如MIG焊枪、点焊机等)、喷枪以及研磨和去毛刺设备(如气动圆盘或皮带研磨机、毛刺机等)和抓具(可以抓住物体的装置，通常是机电的或气动的)。拾取物体的其他常见方法是通过真空或磁体。末端执行器通常非常复杂，与被处理的产品相匹配，并且通常能够一次拾取一系列产品。他们可以利用各种传感器来帮助机器人系统定位、搬运和定位产品。

3.4 控制运动

对于给定的机器人，完全定位末端执行器(夹具、焊炬等)所需的唯一参数是每个关节的角度或线性轴的位移(或两者的组合，用于机器人形式，如SCARA)。然而，有许多不同的方法来定义这些点。定义点最常见和最方便的方法是为其指定一个笛卡尔坐标，即“末端执行器”相对于机器人原点在X, Y和Z方向上的位置，单位为mm。此外，根据特定机器人可能具有的关节类型，还必须指定末端执行器在偏航、俯仰和滚动中的方向以及工具点相对于机器人面板的位置。对于关节臂，这些坐标必须由机器人控制器转换成关节角度，这种转换被称为笛卡尔变换，对于多轴机器人，这可能需要迭代或递归地执行。关节角度和实际空间坐标之间关系的数学称为运动学。请参见机器人控制

通过笛卡尔坐标的定位可以通过将坐标输入系统或使用在X-Y-Z方向移动机器人的示教盒来完成。对于人类操作员来说，可视化上/下、左/右等运动要容易得多。而不是一次移动一个关节。当到达期望的位置时，然后以某种特定于正在使用的机器人软件的方式来定义它，例如下面的P1 - P5。

3.5 典型编程

大多数铰接机器人通过在存储器中存储一系列位置，并在编程序列的不同时间移动到这些位置来执行任务。例如，将物品从一个地方移动到另一个地方的机器人可能有一个简单的“拾取和放置”程序，类似于以下程序:

定义P1-P5点:

1. 安全高于工件(定义为P1)
2. A上方10厘米(定义为P2)
3. 处于从bin A(定义为P3)参加的位置
4. B上方10厘米(定义为P4)
5. 处于从b仓(定义为P5)参与的位置

定义程序:

1. 搬到P1
2. 搬到P2
3. 搬到P3
4. 关闭夹子
5. 搬到P2
6. 搬到P4
7. 移至P5
8. 打开夹子
9. 搬到P4
10. 搬到P1并完成

关于这在常用机器人语言中的表现示例，请参见《工业机器人编程》。

3.6 奇点

美国工业机器人和机器人系统国家标准——安全要求(ANSI/RIA R15.06-1999)将奇点定义为“两个或多个机器人轴共线对齐导致机器人运动和速度不可预测的情况”。这在使用“三关节手腕”的机器人手臂中最为常见。这是一个手腕，控制偏航、俯仰和滚动的手腕的三个轴都通过一个公共点。手腕奇异性的一个例子是当机器人行进的路径导致机器人手腕的第一和第三轴(即机器人的轴4和6)对齐时。第二腕轴然后试图在零时间内旋转180°，以保持末端执行器的方位。这个奇点的另一个常见术语是“手腕翻转”。奇异性的结果可能非常显著，并且可能对机器人手臂、末端执行器和生产过程产生不利影响。一些工业机器人制造商试图通过稍微改变机器人的路径来避免这种情况。另一种方法是减缓机器人的行进速度，从而降低手腕进行过渡所需的速度。ANSI/RIA规定，如果奇点发生在系统被手动操作时，机器人制造商应该让用户意识到。

当腕部中心位于以轴线1为中心且半径等于轴线1和4之间距离的圆柱体上时，腕部分隔的垂直铰接六轴机器人会出现第二种奇异性。这被称为肩部奇点。一些机器人制造商还提到对齐奇点，其中轴1和6重合。这只是肩部奇点的一个子案例。当机器人经过肩部奇点附近时，关节1旋转得非常快。

当腕部中心与轴2和3位于同一平面时，腕部分隔的垂直铰接六轴机器人出现第三种也是最后一种奇点。

奇点与万向节锁现象密切相关，万向节锁具有相似的轴排列的根本原因。

这里有一段视频说明了这三种类型的单一配置。^[10]

根据国际机器人联合会(国际财务报告准则)2018年世界机器人报告，到2017年底，大约有2097500个可操作的工业机器人。到2021年底，这一数字估计将达到3，788，000人。^[11]2017年，国际财务报告准则估计工业机器人的全球销售额为162亿美元。包括软件、外围设备和系统工程的成本，机器人系统的年营业额估计在2017年为480亿美元。^[11]

中国是最大的工业机器人市场，2017年售出了137，900台。^[11]日本拥有最大的工业机器人操作库存，2015年底为286，554台。^[12]2018年，美国工业机器人制造商向美国工厂运送了35880台机器人，比2017年增加了7%。^[13]

工业机器人的最大客户是汽车工业，占33%的市场份额，然后是电气/电子工业，占32%，金属和机械工业，占12%，橡胶和塑料工业，占5%，食品工业占3%。^[11]在纺织、服装和皮革行业，有1，580个单位在运作。^[14]

估计全球工业机器人年供应量(单位):^[11]

国际机器人联合会预测，到2020年，世界范围内采用工业机器人的人数将会增加，他们估计全球工厂将会安装170万台新机器人[2017年国际财务报告准则]。自动化技术的快速进步(例如固定机器人、协作和移动机器人以及外骨骼)有可能改善工作条件，但也可能在制造工作场所引入工作场所危害。^[15] [1]尽管缺乏专门与机器人相关的职业监测数据，但来自美国的研究人员美国国家职业安全卫生研究所(NIOSH)在1992年至2015年间，通过关键词搜索确定了61例与机器人相关的死亡劳工统计局(BLS)致命职业伤害普查研究数据库(参见职业机器人研究中心)中。根据美国劳工统计局的数据，NIOSH和它的州合作伙伴调查了4起与机器人相关的死亡事故死亡评估和控制评估计划。此外，职业安全与健康管理局(OSHA)已经调查了几十起与机器人相关的死亡和受伤事件，这些事件可以在职业安全与健康管理局事故搜索页面。随着时间的推移，由于越来越多的协作和共存机器人、动力外骨骼和自主车辆进入工作环境，伤亡人数可能会增加。

安全标准正由机器人工业协会和美国国家标准协会联合制定。[2] 2017年10月5日，职业安全与健康管理局、NIOSH和放射免疫研究所签署了一份联盟，旨在共同努力提高技术专业知识，识别和帮助解决与传统工业机器人相关的潜在工作场所危害，以及新出现的人机协作装置和系统技术，并帮助识别减少工作场所危害所需的研究。10月16日，NIOSH成立了职业机器人研究中心，旨在“提供科学领导，指导职业机器人的开发和使用，以提高工人的安全、健康和福祉。”迄今为止，NIOSH及其合作伙伴确定的研究需求包括:跟踪和预防伤害和死亡，促进安全机器控制和维护程序的干预和传播战略，以及将有效的循证干预转化为工作场所实践。