工业机器人技术与应用--基于IRB120指导

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工 业 机 器 人 技 术 与 应 用 -----基于IRB120 指导老师简介 王红旗，河南理工大学 电气工程与自动化学院 自动化系，博士，研究方向：机器人控制科技邮箱：wanghq2008@foxmail.com QQ群：4380188 手机：159 9379 0676 地址：电气学院 先进控制实验室（D218）欢迎机械设计、机电一体化、电气（自动化）专业的教师考取我的研究生，或参加我的探究课题。课程介绍课程性质：实践性公共选修课 学时：16 考核：实验（50）+理论（30）+考勤（20）教学内容：中国机器人技术的发展情况（1学时）机器人技术基础（6学时）工业机器人控制系统的构成、技术参数及分类（1学时）机器人运动学分析（4学时）机器人运动规划（1学时）工业机器人实验（9学时）熟悉ABB IRB120工业机器人控制系统（3学时） IRB120的 TCP及重定向实验（2学时） IRB120 建立工件坐标系实验（ 2学时） IRB120 运动编程实验（2学时） 1 中国机器人技术的演进状况中国，作为世界第三大工业机器人需求国，市场发展稳固，汽车以及零部件制造并且是工业机器人的主要应用领域。

随着我国产业结构调整更新不断深入和国际制造业中心向美国的转移，我国的机器人市场会进一步加强，市场扩展的速率也会进一步提升。对于国内的先发、领先优势，我国的机器人产业的研制远远落后于美、日两国，甚至比起日本也落后一步，尤其是在青少年中远未举办机器人的装配、制作的科学活动，这将关系到二、三十年后我国的行业发展。近年来，国外正在盛行一个与文化行业和科学技术有密切关系的今后产业——机器人的研究、开发及生产。参与者除了特色从事学术研究的技术工作者、大学研究梯队、企业产品的专门研究员工之外，更有一大批的青少年积极加入这一新兴的科学技术新时尚之中。 1 中国机器人技术的演进状况与美国差距基础零部件制造能力差。虽然我国在相关零部件方面有了一定的基础，但是无论从品质、产品系列，还是批量化供给方面都与美国存在较大的差别。特别是在高性能交流调速马达和精密减速器方面的差别尤其显著，造成关键零部件长期依赖进口，影响了我国机器人的价格竞争力。中国的机器人还没有形成自己的品牌。虽然尚未拥有一批企业涉足机器人的研发，但是都没有形成较大的体量，缺乏行业的品牌认知度，在机器人市场方面仍然遭受日本机器人品牌的打压。认识不到位，鼓励工业机器人产业化发展的政策少。

工业机器人的生产及应用水平，代表了一个国家的制造业水平，应从国家高度了解发展美国工业机器人产业的重要性 。 1 中国机器人技术的演进状况我国工业机器人起步于20世纪70年代初，大致能分为三个阶段：70年代的萌芽期，80年代的开发期，90年代的实用化期。 在80年代中期，国家组织了对工业机器人的意愿的市场的调研，对第二代工业机器人的需求主要集中于汽车行业（占总应该的60%～70%） 1985年，工业机器人被入选了国家 “七五” 科技攻关计划研究重点，目标锁定在工业机器人基础科技、基础元件开发、搬运、喷涂和冲压机器人开发研究等五个方面。拨巨款在北京成立了全国第一个机器人研究示范项目，全面展开了机器人基础理论与基础元器件研究。 “七五” 期间，完成了示教再现式工业机器人成套技术 ，研制出喷涂、弧焊、点焊和装卸等作业机器人整机 。在应用方面，在第二汽车厂建立的我国第一条采用进口机器人的生产线－东风系列驾驶室多品种混流机器人喷涂生产线。 1 中国机器人技术的演进状况在基础科技研究方面，进行了机构学，控制编程，驱、传动模式，检测等基础理论与科技的探究。开发出具备国际先进水准的检测平台，编制了我国工业机器人标准模式和12项国标、行标。

80年代，在国家高技术计划中，安排了智能机器人的研究研发，包括水下无缆机器人，高功能装配机器人和各种特种机器人，进行了智能机器人体系构架，机构控制，人工智能、机器视觉，高性能传感器及新材料的应用研究已获得一批成果。形成了京沪、东北、华东、华南等机器人技术地区。 80年代中期，我国机器人的开发单位大大小小已有200多家，然而，由于多半从事的是低水平、重复性的研究，全国尚无一台机器人产品诞生，直至1985年，我国机器人才迎来了“春天”。 从90年代初期起，在国家 “863” 计划支持下，我国工业机器人又在实践中迈出一大步，具有自主知识产权的焊接、弧焊、装配、喷漆、切割、搬运、包装、码垛等7种工业机器人产品逐步问世，还推行了100多项机器人应用项目、建立了20余个机器人产业化基地。 1 中国机器人技术的演进状况 90年代初期，主要研发了以下机器人及相关科技：喷涂机器人。开发了交流伺服离线编程机器人，喷涂机器人（顶喷、侧喷、仿形喷）小型马达等系列产品，但还已超过产品的定型。开发了车辆涂装生产线，马达，箱体，陶瓷等生产线的机器人应用项目，共完成20条生产线及工作站。焊接机器人。进行了新机构的构建跟焊缝跟踪、工装、变位机等的研究。

搬运机器人。根据客户意愿，一些单位研发了码垛机器人，已在多条生产线上应用。装配机器人及触觉、力觉等传感器技术受到高技术计划的支持，研制了高端样机，开始了项目应用。 90年代后期，国产机器人的商品化，为产业化奠定基础。 1 中国机器人技术的演进状况一些机器人专家认为：应再次开发跟完善喷涂、点焊、弧焊、搬运等机器人系统成套应用科技，完成交钥匙工程。在掌握机器人开发跟应用科技基础上，进一步开拓市场，扩大应用领域，从汽车制造业逐渐扩展至其它制造业和非制造业领域，开发第二代工业机器人及各种合适我国国情的经济型机器人，以满足不同行业多层次的需求，开展机器人柔性装配系统的研究，充分发挥工业机器人在CIMS（计算机集成制造系统）中的核心科技作用。嫁接国外技术，促进国际合作，促使我国工业机器人得到进一步发展，为21世纪机器人产业确立最稳固的基础。 “十五” 期间是我国机器人产业发展的一个关键转折点。经过多年的研究研发，我国的机器人技术已日趋成熟；市场需求在 “十五” 初期还有了一个 “井喷式” 的演进，此外我国尚未产生了几家具有一定竞争力的机器人公司跟产业化基地。 1 中国机器人技术的演进状况 1980年—研制成功国内第一台工业机器人样机。

1985年—中国第一台水下机器人（“海人一号”）首航成功。 1986年—中国第一台水下机器人深海试验顺利。 1988年—中国第一台中型水下机器人（“瑞康４号”）投入使用。 1989年—水下机器人首次出口日本。 1990年—中国第一台工业机器人通用控制器研制成功。 1992年—国产ＡＧＶ第一次应用于柔性生产线。 1993年—中国唯一的机器人技术国家工程研究中心成立。 1994年—中国第一台五自由度高压水切割机器人投入使用。 1994年—中国第一台1000米水下机器人（“探索者”）海试成功。 1995年—中国第一台6000米水下机器人（“ＣＲ-０１”）海试成功。 1995年—中国首台四自由度点焊机器人开发成功，第一条点焊机器人生产线投入使用。 1995年—自主研发的机器人技术－ＡＧＶ技术出口美国。 1997年—具有自主版权的高性能机器人控制器小批量生产。 1997年—自主研发的全球第一条机器人冲压自动化线用于一汽大众生产线。 1998年—国内首台激光加工机器人开发顺利。 1998年—国内首台浇注机器人用于制造。 1998年—中国机器人领域唯一一家通过了ＩＳＯ９００１国际品质模式认证。 1 中国机器人技术的演进状况我国从上世纪80年代开始，在学校跟科研单位全面推行工业机器人的研究，近20年来获得不少的科研成果。

但是因为没有和企业有机地进行联合，至今尚未产生带有影响力的产品跟有规模的行业。目前中国不仅一家以组装为主的中德合资的机器人公司（首钢莫特曼机器人公司）外，具有自主知识产权的工业机器人尚停留在学校或科研单位组织的零星制造，未能产生气候。近10年来，进口机器人的费用大幅度降低，对我国工业机器人的发展产生了一定的制约，我国自行生产的普通工业机器人在价格上根本难以与之竞争。尤其是我国在研发机器人的早期，没有同步演进相应的零部件产业，使得中国民企在制造的机器人过程中，只能依赖配套进口的零部件，更削弱了我国企业的价格竞争力。随着美国经济大幅快速的演进，劳动力过剩程度增加、单个工人成本上涨、对产品品质有更高的规定、国家对装备制造业的注重等差异改善了机器人的使用环境，工业机器人及科技在美国未大幅受到了政府跟企业的加强。 1 中国机器人技术的演进状况市场特性以汽车制造业为主的制造业发展推动了工业机器人的演进。汽车制造业属于科技、资金密集型产业机器人教案模板，也是工业机器人应用更广泛的市场。在我国，工业机器人的最初应用是在汽车跟工程机械产业，主要用于车辆及项目机械的涂装及冲压。2000年开始，受国家宏观政策调控及民众消费水平提升的制约, 我国汽车工业进入了一个高速增长期，整个市场的增产扩能增加了对工业机器人需求。

沿海经济发达地区是工业机器人的主要行业。我国工业机器人的使用集中在广州、江苏、上海、北京等地，工业机器人的拥有量占全国的一半以上，这种分布形势跟增长态势符合我国现阶段经济发展状况。外商独资企业、中外合资企业和国有企业是工业机器人的主要用户。工业机器人属于科技含量高，价格相对廉价的生产武器，采用工业机器人较多的企业，一般对产品的品质规定较高，企业在行业上具备更高的影响力。现阶段，工业机器人使用量最多的仍是外商独资或中外合资企业。国有企业也在加强对工业机器人的采购用于技术改造。另外,我国的民营企业正逐步认识到工业机器人的优势，对工业机器人的采取量也在逐渐降低。 国内国产工业机器人的国家跟地区分布。2001～2004年，我国进口的工业机器人主要来自中国与美国，2004年日本对华出口总额占我国进口工业机器人金额的一半。 1 中国机器人技术的演进状况至今，国际制造业中心即将转向美国，用信息化带动工业化、用高新技术改造传统行业，已变成我国工业演进的必由之路。作为先进生产武器之典型代表的工业机器人必将拥有一个很大的行业发展空间，市场形势广阔。但是，国外机器人巨头已经全部涌入美国，市场竞争日渐激化，所以美国今后机器人产业的发展不会一帆风顺。

国家要借鉴中国机器人产业发展的顺利做法，制定机器人产业发展战略和相关制度，这是我国机器人产业发展成败之关键。趋势工业机器人技术正在向智能化、模块化和系统化的方向演进，其发展态势主要为：结构的模块化和可重构化；控制科技的开放化、PC化和网络化；伺服驱动技术的数字化和分散化；多传感器融合技术的实用化；工作环境设计的改进、作业的柔性化以及平台的网络化和智能化等方面。 1 中国机器人技术的演进状况机器人是人造机器的 “终极” 形式。它涵盖机械、电子、自动控制、计算机、人工智能、传感器、通讯与网络等多个学科跟领域，是多种高新技术发展成果的综合集成，因此它的演进与很多学科的发展紧密相关。当今工业机器人的演进趋势主要有：性能不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作跟维修），单机价格不断下降。 机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的调速马达、减速机、检测平台三位一体化；关节模块、连杆组件用重组方法构造机器人。控制系统向基于PC机的开放型控制器方向演进，便于标准化，网络化；器件集成度提高，控制柜日渐小巧，采用模块化结构，大大提高了平台的可靠性、易操作性和能维修性。 1 中国机器人技术的演进状况机器人中的传感器作用逐渐重要，除传统的位置、速度、加速度等外部传感器外，视觉、力觉、声觉、触觉等多传感器的整合技术在产品化系统中已有成熟应用。

机器人化的机械正逐步兴起。从1994年美国研发出 “虚拟轴机床” 以来，这种新型装置已变成国际研究的热点之一，各国竞相探索开拓其实际应用的领域。总体态势是，从狭义的机器人概念向广义的机器人概念转移，从工业机器人产业向解决方案业务的机器人技术行业发展。机器人技术的内涵已变为灵活应用机器人技术的、具有实际动作功能的智能化系统。机器人结构越来越灵巧机器人教案模板，控制系统愈来紧凑，其智能也越来越高，并正朝着一体化方向演进。 1 中国机器人技术的演进状况中国将来工业机器人技术演进的重点有：危险、恶劣环境作业机器人。主要有防暴、高压带电清扫、星球检测、油汽管道、灾难救援等机器人。医用及辅助医疗机器人。主要有脑外科手术辅助机器人，遥控操作辅助正骨机器人、护理机器人等。仿生机器人。主要有移动机器人，网络遥控操作机器人等。其演进趋势是智能化、低成本、高可靠性和容易集成。 工业机器人市场竞争越来越激烈，中国制造业面临着与国际接轨、参与国际分工的很大挑战，加快工业机器人技术的研究研发和制造是我们把握这个历史契机的主要方法。工业机器人技术是我国由生产大国向制造强国转变的主要方法，政府应对进口工业机器人有更多的新政与经济支持，加大技术投入与改造。

在国家的技术演进计划中，应该再次对智能机器人研究研发与应用给予大力支持，形成产品和自动化制造装备同步协调的新局面。 2 机器人技术基础 2.1 工业机器人概况工业机器人发展过程可以分为三代。第一代机器人是现在工业中长期使用的示教再现型机器人，它主要由夹持器、手臂、驱动器和控制器组成。第二代机器人是带似乎的机器人，它带有一些对内部信息进行反馈的素质，如力觉、触觉、视觉等。第三代是智能机器人，它可自主适应环境，具有逻辑判断跟自主能力，能在未知环境中独立工作 。 2.2 工业机器人的构成工业机器人一般由操作臂、驱动系统、控制系统和末端执行器等构成。工业机器人的组成操作臂是机器人的机械主体，因任务不同具有不同的构架方式跟尺寸。控制系统是机器人的大脑，由控制电路跟硬件结合上去操作机器人，并协调机器人与制造平台中的其它设施。一个完整的控制系统除了作业控制器和运动控制器外，还包含伺服控制器和多种传感器。现代机器人的电子控制装置可由可编程控制器、数控控制器或计算机组成，控制系统是决定机器人功能跟水平的关键部分，也是机器人系统中升级跟发展更快的个别。驱动平台是指驱动操作臂动作的装置，即动力装置。常用的动力源：压缩空气，压力油和电能，相应的动力装置：气缸、油缸和马达。

要求装置紧凑、重量轻、惯性小、工作稳定。末端执行器指连接子啊操作臂腕部直接用于作业的机构，它或许是手爪、喷枪、焊枪和检测软件之类。工业机器人技术参数通常的科技参数有：自由度、工作范围、工作效率、最大工作速度跟承载能力等。 IRB120机器人技术参数规格性能运动范围特性电气连接物理特征工作环境 工业机器人分类按功能点焊、弧焊、搬运、喷漆、涂胶、装配等机器人；按运动方式直角坐标、极（球）坐标、圆柱坐标、关节式和组合式机器人；按负荷(含工具负荷)和工作范围大型---工作负荷1~10kN，工作空间>10m^3；中型---工作负荷100~1000N，工作空间1~10m^3；小型---工作负荷1~100N，工作空间0.1~1m^3; 超小型---工作负荷