工業(yè)機(jī)器人指的是能在人的控制下智能工作，并能完美替代人力在生產(chǎn)線上工作的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度的機(jī)器裝置。與人力相比，工業(yè)機(jī)器人具有低成本、高效率以及24小時(shí)工作的特點(diǎn)。近年來，隨著國(guó)內(nèi)勞動(dòng)力成本不斷上漲，我國(guó)制造業(yè)勞動(dòng)力優(yōu)勢(shì)不顯，制造業(yè)亟待向智能化轉(zhuǎn)型，工業(yè)機(jī)器人呈現(xiàn)強(qiáng)勁發(fā)展的態(tài)勢(shì)。

我國(guó)是工業(yè)機(jī)器人消費(fèi)大國(guó)，從2013年其就連續(xù)兩年成為全球第一大工業(yè)機(jī)器人消費(fèi)市場(chǎng)。汽車制造、電子、橡膠塑料、軍工、航空制造、食品工業(yè)、醫(yī)藥設(shè)備與金屬制品等領(lǐng)域常有工業(yè)機(jī)器人“身影”。其中汽車工業(yè)的應(yīng)用最多，比例達(dá)38%。廣東、江蘇、上海、北京等地是我國(guó)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)主要集中的地區(qū)，擁有的工業(yè)機(jī)器人數(shù)量占據(jù)全國(guó)工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)的半壁江山。

不過，由于核心技術(shù)缺乏，我國(guó)工業(yè)機(jī)器人消費(fèi)嚴(yán)重依賴國(guó)外企業(yè)，尤其在減速機(jī)、伺服電機(jī)、控制器等核心零部件上，我國(guó)本土機(jī)器人企業(yè)受制于人，只能購(gòu)買高昂的國(guó)外設(shè)備，這需要國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人廠商不斷提高技術(shù)，加大研發(fā)水平，早日擺脫國(guó)外機(jī)器人品牌對(duì)中國(guó)工業(yè)機(jī)器人消費(fèi)市場(chǎng)的控制。

考慮到目前全球制造業(yè)工業(yè)機(jī)器人密度為55，而中國(guó)工業(yè)機(jī)器人密度僅為21，遠(yuǎn)低于日韓德美等發(fā)達(dá)國(guó)家，以及智能制造背景下，“機(jī)器換人”政策不斷落地，未來我國(guó)工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)還有很大的增長(zhǎng)空間。匯川技術(shù)、機(jī)器人、智云股份、科遠(yuǎn)股份、秦川機(jī)床等相關(guān)概念公司將在機(jī)器人紅利下取得較好發(fā)展。

工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展階段

工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展通?？梢?guī)劃分為三代：

1、第一代工業(yè)機(jī)器人：

通常是指目前國(guó)際上商品化與使用化的“可編程的工業(yè)機(jī)器人”，又稱“示教再現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人”，即為了讓工業(yè)機(jī)器人完成某項(xiàng)作業(yè)，首先由操作者將完成該作業(yè)所需要的各種知識(shí)（如運(yùn)動(dòng)軌跡、作業(yè)條件、作業(yè)順序和作業(yè)時(shí)間等），通過直接或間接手段，對(duì)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行“示教”，工業(yè)機(jī)器人將這些知識(shí)記憶下來后，即可根據(jù)“再現(xiàn)”指令，在一定精度范圍內(nèi)，忠實(shí)的重復(fù)再現(xiàn)各種被示教的動(dòng)作。1962年美國(guó)萬能自動(dòng)化公司的第一臺(tái)Unimate工業(yè)機(jī)器人在美國(guó)通用汽車公司投入使用，標(biāo)志著第一代工業(yè)機(jī)器人的誕生。

2、第二代工業(yè)機(jī)器人：

通常是指具有某種智能（如觸覺、力覺、視覺等）功能的“智能機(jī)器人”。即有傳感器得到觸覺、力覺和視覺等信息計(jì)算機(jī)處理后，控制機(jī)器人的操作機(jī)完成相應(yīng)的適當(dāng)操作。1982年美國(guó)通用汽車在裝配線上為工業(yè)機(jī)器人裝備了視覺系統(tǒng)，從而宣布了新一代智能工業(yè)機(jī)器人的問世。

3、第三代工業(yè)機(jī)器人：

即所謂的“只治式工業(yè)機(jī)器人”。它不僅具有感知功能，而且還有一定的決策及規(guī)劃能力。第一代工業(yè)機(jī)器人目前仍處在實(shí)驗(yàn)室研究階段。工業(yè)機(jī)器人經(jīng)歷了誕生---成長(zhǎng)---成熟期后，已成為制造業(yè)中不可缺少的核心裝備，世界上有約75萬臺(tái)工業(yè)機(jī)器人正與工人朋友并肩戰(zhàn)斗在個(gè)條生產(chǎn)線上。

特種機(jī)器人作為機(jī)器人家族的后起之秀，由于其用途廣泛而大有后來居上之勢(shì)，仿人機(jī)器人、農(nóng)業(yè)機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人、水下機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人、軍用機(jī)器人、娛樂機(jī)器人等各種用途發(fā)特種機(jī)器人紛紛面世，而且正以飛快的速度向?qū)嵱没~進(jìn)。

工業(yè)機(jī)器人的分類

工業(yè)機(jī)器人按不同的方法可分下述類型

1、工業(yè)機(jī)器人按操作機(jī)坐標(biāo)形式分以下幾類：（坐標(biāo)形式是指操作機(jī)的手臂在運(yùn)動(dòng)時(shí)所取的參考坐標(biāo)系的形式。）

（1）直角坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人

其運(yùn)動(dòng)部分由三個(gè)相互垂直的直線移動(dòng)（即PPP）組成，其工作空間圖形為長(zhǎng)方形。它在各個(gè)軸向的移動(dòng)距離，可在各個(gè)坐標(biāo)軸上直接讀出，直觀性強(qiáng)，易于位置和姿態(tài)的編程計(jì)算，定位精度高，控制無耦合，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但機(jī)體所占空間體積大，動(dòng)作范圍小，靈活性差，難與其他工業(yè)機(jī)器人協(xié)調(diào)工作。

（2）圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人

其運(yùn)動(dòng)形式是通過一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)和兩個(gè)移動(dòng)組成的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的，其工作空間圖形為圓柱，與直角坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人相比，在相同的工作空間條件下，機(jī)體所占體積小，而運(yùn)動(dòng)范圍大，其位置精度僅次于直角坐標(biāo)型機(jī)器人，難與其他工業(yè)機(jī)器人協(xié)調(diào)工作。

（3）球坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人

又稱極坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人，其手臂的運(yùn)動(dòng)由兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)和一個(gè)直線移動(dòng)（即RRP,一個(gè)回轉(zhuǎn)，一個(gè)俯仰和一個(gè)伸縮運(yùn)動(dòng)）所組成，其工作空間為一球體，它可以作上下俯仰動(dòng)作并能抓取地面上或教低位置的協(xié)調(diào)工件，其位置精度高，位置誤差與臂長(zhǎng)成正比。

（4）多關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人

又稱回轉(zhuǎn)坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人，這種工業(yè)機(jī)器人的手臂與人一體上肢類似，其前三個(gè)關(guān)節(jié)是回轉(zhuǎn)副（即RRR），該工業(yè)機(jī)器人一般由立柱和大小臂組成，立柱與大臂見形成肩關(guān)節(jié)，大臂和小臂間形成肘關(guān)節(jié)，可使大臂做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和俯仰擺動(dòng)，小臂做仰俯擺動(dòng)。其結(jié)構(gòu)最緊湊，靈活性大，占地面積最小，能與其他工業(yè)機(jī)器人協(xié)調(diào)工作，但位置精度教低，有平衡問題，控制耦合，這種工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用越來越廣泛。

（5）平面關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人

它采用一個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)和兩個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)（即PRR），移動(dòng)關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動(dòng)，而兩個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)則控制前后、左右運(yùn)動(dòng)。這種形式的工業(yè)機(jī)器人又稱（SCARA(SeletiveComplianceAssemblyRobotArm)裝配機(jī)器人。在水平方向則具有柔順性，而在垂直方向則有教大的剛性。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)作靈活，多用于裝配作業(yè)中，特別適合小規(guī)格零件的插接裝配，如在電子工業(yè)的插接、裝配中應(yīng)用廣泛。

2、工業(yè)機(jī)器人按驅(qū)動(dòng)方式分以下幾類：

（1）氣動(dòng)式工業(yè)機(jī)器人

這類工業(yè)機(jī)器人以壓縮空氣來驅(qū)動(dòng)操作機(jī)，其優(yōu)點(diǎn)是空氣來源方便，動(dòng)作迅速，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單造價(jià)低，無污染，缺點(diǎn)是空氣具有可壓縮性，導(dǎo)致工作速度的穩(wěn)定性較差，又因氣源壓力一般只有6kPa左右，所以這類工業(yè)機(jī)器人抓舉力較小，一般只有幾十牛頓，最大百余牛頓。

（2）液壓式工業(yè)機(jī)器人

液壓壓力比氣壓壓力高得多，一般為70kPa左右，故液壓傳動(dòng)工業(yè)機(jī)器人具有較大的抓舉能力，可達(dá)上千牛頓。這類工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)平穩(wěn)，動(dòng)作靈敏，但對(duì)密封要求較高，且不宜在高溫或低溫環(huán)境下工作。

（3）電動(dòng)式工業(yè)機(jī)器人

這是目前用得最多的一類工業(yè)機(jī)器人，不僅因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)品種眾多，為工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)提供了多種選擇，也因?yàn)樗鼈兛梢赃\(yùn)用多種靈活控制的方法。早期多采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，后來發(fā)展了直流伺服驅(qū)動(dòng)單元，目前交流伺服驅(qū)動(dòng)單元也在迅速發(fā)展。這些驅(qū)動(dòng)單元或是直接驅(qū)動(dòng)操作機(jī)，或是通過諸如諧波減速器的裝置來減速后驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)十分緊湊、簡(jiǎn)單。

工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)

機(jī)器人系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)由機(jī)器人的機(jī)構(gòu)部分、傳感器組、控制部分及信息處理部分組成。其中控制系統(tǒng)是機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的一個(gè)核心環(huán)節(jié)。

1、工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)所要達(dá)到的功能

機(jī)器人控制系統(tǒng)用于對(duì)操作機(jī)的控制，以完成特定的工作任務(wù)，其基本功能如下：

（1）記憶功能：

存儲(chǔ)作業(yè)順序、運(yùn)動(dòng)路徑、運(yùn)動(dòng)方式、運(yùn)動(dòng)速度和與生產(chǎn)工藝有關(guān)的信息。

（2）示教功能：

離線編程，在線示教，間接示教。在線示教包括示教盒和導(dǎo)引示教兩種。

（3）與外圍設(shè)備聯(lián)系功能：

輸入和輸出接口、通信接口、網(wǎng)絡(luò)接口、同步接口。

（4）坐標(biāo)設(shè)置功能：

有關(guān)節(jié)、絕對(duì)、工具、用戶自定義四種坐標(biāo)系。

（5）人機(jī)接口：

示教盒、操作面板、顯示屏。

（6）傳感器接口：

位置檢測(cè)、視覺、觸覺、力覺等。

（7）位置伺服功能：

機(jī)器人多軸聯(lián)動(dòng)、運(yùn)動(dòng)控制、速度和加速度控制、動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)取?/p>

（8）故障診斷安全保護(hù)功能：

運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)視、故障狀態(tài)下的安全保護(hù)和故障自診斷。

2、工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的組成

集中控制系統(tǒng)框圖

用一臺(tái)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)全部控制功能，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，但實(shí)時(shí)性差，難以擴(kuò)展，在早期的機(jī)器人中常采用這種結(jié)構(gòu)，其構(gòu)成框圖，如圖所示。

基于PC的集中控制系統(tǒng)里，充分利用了PC資源開放性的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)很好的開放性：多種控制卡，傳感器設(shè)備等都可以通過標(biāo)準(zhǔn)PCI插槽或通過標(biāo)準(zhǔn)串口、并口集成到控制系統(tǒng)中。

集中式控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：硬件成本較低，便于信息的采集和分析，易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)控制，整體性與協(xié)調(diào)性較好，基于PC的系統(tǒng)硬件擴(kuò)展較為方便。其缺點(diǎn)也顯而易見：系統(tǒng)控制缺乏靈活性，控制危險(xiǎn)容易集中，一旦出現(xiàn)故障，其影響面廣，后果嚴(yán)重；由于工業(yè)機(jī)器人的實(shí)時(shí)性要求很高，當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行大量數(shù)據(jù)計(jì)算，會(huì)降低系統(tǒng)實(shí)時(shí)性，系統(tǒng)對(duì)多任務(wù)的響應(yīng)能力也會(huì)與系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性相沖突；此外，系統(tǒng)連線復(fù)雜，會(huì)降低系統(tǒng)的可靠性。

（2）主從控制系統(tǒng)：

采用主、從兩級(jí)處理器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的全部控制功能。主CPU實(shí)現(xiàn)管理、坐標(biāo)變換、軌跡生成和系統(tǒng)自診斷等；從CPU實(shí)現(xiàn)所有關(guān)節(jié)的動(dòng)作控制。其構(gòu)成框圖，如圖。

主從控制方式系統(tǒng)實(shí)時(shí)性較好，適于高精度、高速度控制，但其系統(tǒng)擴(kuò)展性較差，維修困難。

分布式控制系統(tǒng)框圖

分布式控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于：系統(tǒng)靈活性好，控制系統(tǒng)的危險(xiǎn)性降低，采用多處理器的分散控制，有利于系統(tǒng)功能的并行執(zhí)行，提高系統(tǒng)的處理效率，縮短響應(yīng)時(shí)間。

對(duì)于具有多自由度的工業(yè)機(jī)器人而言，集中控制對(duì)各個(gè)控制軸之間的藕合關(guān)系處理得很好，可以很簡(jiǎn)單的進(jìn)行補(bǔ)償。但是，當(dāng)軸的數(shù)量增加到使控制算法變得很復(fù)雜時(shí)，其控制性能會(huì)惡化。而且，當(dāng)系統(tǒng)中軸的數(shù)量或控制算法變得很復(fù)雜時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的重新設(shè)計(jì)。與之相比，分布式結(jié)構(gòu)的每一個(gè)運(yùn)動(dòng)軸都由一個(gè)控制器處理，這意味著，系統(tǒng)有較少的軸間耦合和較高的系統(tǒng)重構(gòu)性。

“工業(yè)4.0”是指繼蒸汽機(jī)、電氣化與自動(dòng)化后的第四次工業(yè)革命，它將傳統(tǒng)工業(yè)與數(shù)字信息技術(shù)結(jié)合，借助大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能生產(chǎn)。在中國(guó)，“工業(yè)4.0”意味著國(guó)家制造業(yè)的升級(jí)，為此中國(guó)專門提出了“中國(guó)制造2025”的發(fā)展目標(biāo)，目標(biāo)提出我國(guó)要在2025年前，從制造業(yè)大國(guó)邁入制造業(yè)強(qiáng)國(guó)。