3.工业机器人的应用

（1）流水线“蓝领”——装配机器人

装配机器人是为完成装配作业而设计的工业机器人。

工业机器人具有学习能力

装配机器人是柔性自动化装配系统的核心设备，由机器人操作机、控制器、末端执行器和传感系统组成。其中，操作机的结构类型有水平关节型、直角坐标型、多关节型和圆柱坐标型等；控制器一般采用多CPU（计算机的中央处理器）或多级计算机系统，实现运动控制和运动编程；末端执行器为适应不同的装配对象而设计成各种手爪和手腕等；传感系统用来获取装配机器人与环境和装配对象之间相互作用的信息。

可以加工复杂孔系的工业机器人

常用的装配机器人主要有可编程通用装配操作手，即“PUMA”机器人（最早出现于1978年，工业机器人的祖始）和平面双关节型机器人（即SCARA机器人）两种类型。

与一般工业机器人相比，装配机器人具有精度高、柔顺性好、工作范围小、能与其他系统配套使用等特点，主要用于各种电器制造，包括家用电器（如电视机、录音机、洗衣机、电冰箱、吸尘器）、小型电机、汽车及其部件、计算机、玩具、机电产品及其组件的装配等方面。

1978年，美国的Unimation公司（现在叫Staubli Unimation）推出通用工业机器人“PUMA”，标志着工业机器人技术已经完全成熟。至今在一些工厂仍然可以看到PUMA工作的身影。

以PUMA 560为例，其所确定的关节式机器人的几何模型、一般工业机器人的安全保障措施、机器人的初始化以及初始校准过程等等技术，在工业机器人制造领域一直都得到应用。

PUMA 560型工业机器人，由PUMA 560机械手臂、控制器、示教盒和控制软件等组成。

SCARA（选择顺应性装配机器手臂）是一种圆柱坐标型的特殊类型的工业机器人。

工业机器人（SCARA）

1978年，日本山梨大学牧野洋发明了SCARA，该机器人具有四个轴和四个运动自由度（包括X、Y、Z方向的平动自由度和绕Z轴的转动自由度）。该系列的操作手在其动作空间的四个方向具有有限刚度，而在剩下的其余两个方向上具有无限大刚度。

SCARA操作系统

SCARA系统在x、y方向上具有顺从性，而在Z轴方向具有良好的刚度，这一特性特别适合于装配工作，例如将一个圆头针插入一个圆孔，因此SCARA系统首先大量用于装配印刷电路板和电子零部件。

SCARA的另一个特点是它串接的两杆结构，类似人的手臂，可以伸进有限空间中作业然后收回，适合于搬动和取放物件，如集成电路板等。

如今SCARA机器人还广泛应用在塑料工业、汽车工业、电子产品工业、药品工业和食品工业等领域。它的主要职能是搬取零件和装配工作，它的第一个轴和第二个轴具有转动特性，第三和第四个轴可以根据工作的需要的不同，制造成相应多种不同的形态，并且一个具有转动、另一个具有线性移动的特性。由于其具有特定的形状，决定了其工作范围类似于一个扇形区域。

SCARA机器人可以被制造成各种大小，最常见的工作半径在100～1000毫米，此类的SCARA机器人的净载重量在1～200千克。

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你知道我国的“精密1号”装配机器人吗?

精密1号装配机器人是我国国家“863”计划智能机器人主题立项研制的一台SCARA结构的4轴装配机器人型号样机。

精密1号装配机器人采用直接驱动技术，具有较高的运动速度和定位精度，并且配有高性能的视觉和力觉传感器，控制系统以英特尔公司的“iSBC386/12”系列计算机和“iRMXⅢ”实时多任务操作系统为基础，采用上、下两级分布式计算机结构。控制系统除具有一般的机器人控制器的功能外，还具有用户多任务编程、可基于视觉和力觉传感器信息控制、离线编程和图形动画仿真等特性。

全自动化的汽车生产车间

（2）车间“熟练工”——喷漆机器人

喷漆机器人是可进行自动喷漆或喷涂其他涂料的工业机器人。中国研制出的几种型号的喷漆机器人投入使用后都取得了较好的经济效果。

喷漆机器人主要由机器人本体、计算机和相应的控制系统组成，液压驱动的喷漆机器人还包括液压油源，如油泵、油箱和电机等。

喷漆工业机器人

喷漆机器人多采用5或6自由度关节式结构，手臂有较大的运动空间，并可做复杂的轨迹运动，其腕部一般有2～3个自由度，可灵活运动。较先进的喷漆机器人腕部采用柔性手腕，既可向各个方向弯曲，又可转动，其动作类似人的手腕，能方便地通过较小的孔伸入工件内部，喷涂其内表面。

喷漆机器人一般采用液压驱动，这种驱动具有动作速度快、防爆性能好等特点，可通过手把手示教或点位示数来实现示教。

喷漆机器人被广泛应用在汽车、仪表、电器、搪瓷等工艺生产部门。

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为什么要用喷漆机器人来代替传统的工人呢?

在喷漆行业，为了避免人在有毒、易燃、易爆的恶劣环境下工作，减少喷漆废品，提高喷漆质量和劳动生产率，从而实现喷漆自动化，因此喷漆机器人应运而生。

大多数喷漆机器人采用液压多关节式，主要是为保证喷漆环境下的工作安全，严禁采用易产生电火花的电器设备。

（3）工业“裁缝”——焊接机器人

焊接机器人是从事焊接（包括切割与喷涂）的工业机器人。

随着电子技术、计算机技术、数控及机器人技术的发展，焊接机器人的技术已日益成熟，优点日益突出：稳定和提高焊接质量；提高劳动生产率；改善工人劳动强度，可在有害环境下工作；降低了对工人操作技术的要求；缩短了产品改型换代的准备周期，减少相应的设备投资。

焊接工业机器人

因此，焊接机器人在各行各业已得到了广泛的应用。

焊接机器人主要包括机器人和焊接设备两部分。机器人由机器人本体和控制柜（硬件及软件）组成。而焊接装备，以弧焊及点焊为例，则由焊接电源、送丝机（弧焊）、焊枪（钳）等部分组成。对于智能机器人而言，还应有传感系统，如激光或摄像传感器及其控制装置等。

焊接机器人目前已广泛应用在汽车制造业，汽车底盘、座椅骨架、导轨、消声器以及液力变矩器等焊接，尤其在汽车底盘焊接生产中得到了广泛的应用。

①手艺高超——弧焊机器人

弧焊机器人是用于进行自动弧焊的工业机器人。弧焊机器人的组成和原理与点焊机器人基本相同，中国在20世纪80年代中期研制出华宇—Ⅰ型弧焊机器人。

一般的弧焊机器人是由示教盒、控制盘、机器人本体及自动送丝装置、焊接电源等部分组成。

弧焊机器人可以在计算机的控制下实现连续轨迹控制和点位控制，还可以利用直线插补和圆弧插补功能焊接由直线及圆弧所组成的空间焊缝。

弧焊机器人

弧焊机器人主要有熔化极焊接作业和非熔化极焊接作业两种类型，具有可长期进行焊接作业、保证焊接作业的高生产率、高质量和高稳定性等特点。随着技术的发展，弧焊机器人正向着智能化的方向发展。

②技术过硬——点焊机器人

点焊机器人是用于点焊自动作业的工业机器人。世界上第一台点焊机在1965年开始使用，是美国Unimation公司推出的Unimate机器人，中国在1987年自行研制成第一台点焊机器人——华宇—Ⅰ型点焊机器人。

点焊机器人由机器人本体、计算机控制系统、示教盒和点焊焊接系统几部分组成，由于为了适应灵活动作的工作要求，通常点焊机器人选用关节式工业机器人的基本设计，一般具有六个自由度：腰转、大臂转、小臂转、腕转、腕摆及腕捻。

点焊工业机器人

点焊钳

点焊机器人的驱动方式有液压驱动和电气驱动两种。其中电气驱动具有保养维修简便、能耗低、速度高、精度高、安全性好等优点，因此应用较为广泛。

点焊机器人按照示教程序规定的动作、顺序和参数进行点焊作业，其过程是完全自动化的，并且具有与外部设备通信的接口，可以通过这一接口接受上一级主控与管理计算机的控制命令进行工作。

使用点焊机器人最多的领域应当属汽车车身的自动装配车间。

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工业中应用焊接机器人有什么意义?

焊接机器人之所以能够占据整个工业机器人总量的40％以上，与焊接这个特殊的行业有关，焊接作为工业“裁缝”，是工业生产中非常重要的加工手段，同时由于焊接烟尘、弧光、金属飞溅的存在，焊接的工作环境又非常恶劣，焊接质量的好坏对产品质量起着决定性的影响。

机器人焊接模拟图

（1）稳定和提高焊接质量，保证其均一性。焊接参数如焊接电流、电压、焊接速度及焊接干伸长度等对焊接结果起决定作用。采用机器人焊接时对于每条焊缝的焊接参数都是恒定的，焊缝质量受人的因素影响较小，降低了对工人操作技术的要求，因此焊接质量是稳定的。而人工焊接时，焊接速度、干伸长等都是变化的，因此很难做到质量的均一性。

（2）改善了工人的劳动条件。采用机器人焊接工人只是用来装卸工件，远离了焊接弧光、烟雾和飞溅等，对于点焊来说工人不再搬运笨重的手工焊钳，使工人从大强度的体力劳动中解脱出来。

（3）提高劳动生产率。机器人没有疲劳，一天可24小时连续生产，另外随着高速高效焊接技术的应用，使用机器人焊接，效率提高的更加明显。

（4）产品周期明确，容易控制产品产量。机器人的生产节拍是固定的，因此安排生产计划非常明确。

（5）可缩短产品改型换代的周期，减小相应的设备投资。可实现小批量产品的焊接自动化。机器人与专机的最大区别就是它可以通过修改程序以适应不同工件的生产。

（4）力大无比——搬运机器人

搬运机器人是可以进行自动化搬运作业的工业机器人。最早的搬运机器人出现在1960年的美国，Versatran和Unimate两种机器人首次用于搬运作业。(www.daowen.com)

搬运作业是指用一种设备握持工件，从一个加工位置移到另一个加工位置的过程。

搬运机器人可安装不同的末端执行器以完成各种不同形状和状态的工件搬运工作，这就大大减轻了人类繁重的体力劳动。

目前，世界上使用的搬运机器人超过10万台，被广泛应用在机床上下料、冲压机自动化生产线、自动装配流水线、码垛搬运、集装箱等的自动搬运。部分发达国家已制定出人工搬运的最大限度，超过限度的必须由搬运机器人来完成。

搬运工业机器人

（5）亲身涉险——采矿机器人

采矿业是一种劳动条件相当恶劣的生产行业，存在着振动、粉尘、煤尘、瓦斯、冒顶等不安全因素，这些不安全因素极大地威胁着井下工人的生命安全。

韩国深海采矿机器人

因此，采矿业迫切要求开发各种不同用途的机器人以取代人类从事的各种有毒、有害及危险环境下的工作。此外，采掘工艺一般比较复杂，这种复杂工作很难用一般的自动化机械完成，采用带有一定智能并且具有相当灵活度的机器人是目前最理想的方法。

①特殊煤层采掘机器人

目前，人们一般都用综合机械化采煤机采煤，但对于薄煤层这样一类的特殊情况，运用综合机械化采煤机采煤就很不方便，有时甚至是不可能的。因此，采用遥控机器人进行特殊煤层的采掘是最佳的方法。这种采掘机器人能拿起各种工具，比如高速转机、电动机和其他采爆器械等，并且能操作这些工具。

这种机器人的肩部装有强光源和视觉传感器，这些能及时将采区前方的情况传送给操作人员。

②凿岩机器人

这种机器人是利用传感器来确定巷道的上缘，这样就可以自动瞄准巷道缝，然后把钻头按规定的间隔布置好，钻孔过程用微机控制，随时根据岩石硬度调整钻头的转速和力的大小以及钻孔的形状，这样可以大大提高生产率，人只要在安全的地方监视整个作业过程就行了。

凿岩机器人

③井下喷浆机器人

井下喷浆作业是一项很繁重并且危害人体健康的作业，目前这种作业主要由人操作机械装置来完成，这种方法的缺陷很多。采用喷浆机器人不仅可以提高喷涂质量，也可以将人从恶劣和繁重的作业环境中解放出来。

④瓦斯、地压检测机器人

瓦斯和冲击地压是井下作业中的两个不安全的自然因素，一旦发生突然事故，是相当危险和严重的。但瓦斯和冲击地压在形成突发事故之前，都会表现出种种迹象，如岩石破裂等。采用带有专用新型传感器的移动式机器人，连续监视采矿状态，以便及早发现事故突发的先兆，人们就可以采取相应的预防措施。

随着机器人研究的不断深入和发展，采矿机器人的应用领域会越来越宽，经济效益和社会效益也会越来越显著。

井下采煤

石油采煤

（6）按部就班——食品工业机器人

目前人们已经开发出的食品工业机器人有包装罐头机器人、自动午餐机器人和切割牛肉机器人等。在这里我们以用机器人来切割牛的前半身为例来对食品工业机器人做一简要的介绍。

食品工业车间

从设计机器人的角度来看，切割牛的前半身要考虑的细节十分的复杂，因为从牛的身体结构来看，每头牛的肢体虽然大致一样，但还是有很多不相同的地方。机器人系统必须要选择对每头牛的最佳切割方法，最大限度地减少牛肉的浪费。实际上，要使机器人系统能熟练地模仿一个熟练屠宰工人的动作，最终的解决办法将是把传感器技术、人工智能和机器人制造等多项高技术集成起来，使机器人系统能自动适应产品加工中的各种变化。

切割牛肉的机器人将要加工的牛的肢体与数据库中存储的以前的牛的肢体的切割信息进行比较来加工每一头牛，这样就可以沿着每刀切割所定的初始路线方向来确定刀的起点和终点，然后用机器人驱动刀切入牛的身体里面。

会做饭的机器人

传感器系统监视切割时所用力量的大小，来确定刀是否在切割骨头，同时把信息反馈给机器人控制系统，以控制刀片只沿着骨头的轮廓移动，从而避免损坏刀片。

在具体操作时，每一头牛的前半身通过固定装置送给机器人屠宰系统，并且由机器人的视觉装置进行鉴定。视觉装置的图像数据连同存储在数据库里的其他牛的前半身参数：比如重量、牛的身体结构等，一起送入机器人的数据处理系统中进行处理，确定与待切割牛的前半身最为相似的初始鉴定数据。这样就可以提供切割的起刀点，起刀方向和初始路线，并利用初始路线来检验现在被切割牛的前半身的切割进展情况。

“保姆”机器人

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1.为奥运服务的机器人们

奥运福娃机器人的眼睛会动、能行走、会简单的语言和肢体动作，主要向中外旅客提供礼仪迎宾服务，非常逗人喜爱。

奥运环保监测机器人主要对奥运中心区的再生水供排系统对管道的流量、破损、异物等进行实时监测。

价值130万元的“机器战警”——排爆机器人能在刑警的操控之下，灵活准确地接近爆炸物，射击孔瞄准爆炸物。

翻译机器人能在任何时间、场所，对任何人和任何设备进行多语言服务。

2.全球机器人产业迎来高速发展时代

国际机器人联合会发布数据说，2007年全球机器人行业总销售量比2006年增长10％，到2010年全球机器人年销量将达到910万个，机器人的使用范围逐步扩展到工业、政府部门、家庭等各个领域。

而无论在使用、生产还是出口方面，日本一直是全球领先者，目前日本已经有130余家专业的机器人制造商。

3.爬壁机器人

爬壁机器人是可以在垂直墙壁上攀爬并完成作业的自动化机器人。爬壁机器人主要用于石化企业对圆柱形大罐进行探伤检查或喷漆处理，或进行建筑物的清洁和喷涂。它还可以用于消防和造船等行业。

日本在爬壁机器人研究上发展迅速，中国也于20世纪90年代以来进行类似的研究。

如果发现在数据库中没有与之相匹配的数据，则机器人系统可以根据预先确定的程序来确定起刀点，并且存储这个数据，留待以后使用。当每一刀切割完成以后，机器人系统就自动地转移到下一个起刀点，开始下一刀的切割过程，也就是重复上面的步骤。当最后一刀切割结束时，牛的骨头就被剔出，整个过程也就处理完毕了，于是装送装置自动送入下一头牛的前半身，开始新的一轮切割过程。

现在研制成功的切割牛肉的机器人能切下占总重量60％的牛肉，人们还在不断地改进它的性能，以便使它能切下更多的牛肉。

（7）省时省力——涂胶机器人

随着制造业的不断发展，机器人在涂胶等行业也逐步有了相当广泛的应用。

涂胶机器人

设计一个涂胶系统的首要任务是根据机器人所要完成的工作，先确定机器人的结构组成，可以是龙门式、挂壁安装式等，再按工作要求所给出各轴的运动行程、负载、运动速度、加速度、动作周期来选每个运动轴直线运动单元的型号，所配驱动电机及所配精密行星减速机的型号。

采用机器人后可以使涂胶和点胶的工作效率大为提高，省去大量人力，大量降低成人工成本。

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怎样选取涂胶机器人?

涂胶机器人现在在各个行业都有广泛的应用。

在汽车制造行业，需要涂胶的地方有很多：发动机机盖涂胶、减变速箱涂胶、横梁及车窗涂胶等。另外，还广泛应用在聚氨酯涂胶、热溶胶、发泡胶等。在仪器仪表的密封胶的点涂上也大量应用自动涂胶机器人。

选用涂胶机器人，首先应该了解涂胶的胶体性能，是否需要加热，是否需要流量控制，黏性调节等；在确定点涂的工件特征，确定需要多少个运动机构，用怎样一个运动过程比较合适，同时就可以确认工作的幅面，确定最大的有效运动范围。如果是多种工件的涂胶，就要考虑最大工件需要的空间；另外，还要注意夹具和运动机构的配合，是否需要电子到位等信号。

最后要考虑有什么特殊的工作属性，比如是否需要两把或者多把胶枪，工作后是否需要换枪，整个胶枪及附属结构的重量，这样就可以完全地将机械的结构勾勒出来，并准确选取合适的涂胶机器人。

（8）技艺非凡——核工业机器人

核电站是核能利用的一个重要方面，受到了世界各国的高度重视。但是这些核电站在建造阶段没有考虑使用机器人遥控作业技术的应用，因此，现有的核电站应用机器人就必须以其定型的格局为前提，选择合适的机器人来完成某些任务。

建设中的核电站

核工业机器人是应用在辐射环境下的特种机器人。机器人在这里完成的工作不是在生产线的规定位置完成已经安排好的任务，它要完成的是位置不定的多种多样变化的工作。

随着核工业和机器人技术的发展，不少国家研制成功了真正的远距离控制的核工业机器人。例如有美国的SAMSIN型、德国的EMSM系列、法国的MA23—SD系列等。

压水堆核电站

目前大多数核工业机器人采用的是车轮或履带，或车轮和履带相结合的行走方式，只有少数的机器人采用多足或两足行走方式。为了实现远距离控制，核工业机器人具有各种各样的传感器设备。现在研制成功的核工业机器人一般都携带有照明灯、摄像机和导航设备，并且通过一根很柔软的电线连接到它的机械手上，这样它就可以顺利地在现场行走，到达目的地。

核工业机器人是一种十分灵活，能做各种姿态运动以及可以操作各种工具的设备，对危险环境有着极好的应变能力。一般的核工业机器人需要有这样的几个特点：

①适应不同的环境和高可靠性。机器人在核电站内进行工作时，多半是操作高放射性物质，一旦发生故障，不仅本身将受到放射性污染，而且还会造成污染范围的扩大。所以要保证核工业机器人有很强的环境适应能力和很高的可靠性，使它在工作时不会发生故障。

②适用性强。核电站内的设备很多，各种管道错综复杂，通道狭隘，工作空间小。因此要求核工业机器人能顺利通过各种障碍物和狭隘的通道，并且最好能根据需要操作不同的设备。

现在世界上的核工业机器人已经有几百台了，然而这些机器人大多缺乏感知功能（如视觉、听觉、触觉等），手的灵巧性也不够，对付核工业的恶劣环境影响的能力还有待提高。这些都是发展新型核工业机器人所要克服的困难。