工业机器人

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在工厂里的运行的机器人。

工业机器人，按照ISO 8373 定义，它是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器人。工业机器人是自动执行工作的机器装置，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。它可以接受人类指挥，也可以按照预先编排的程序运行，现代的工业机器人还可以根据人工智能技术制定的原则纲领行动。

工业机器人的典型应用包括焊接、刷漆、组装、采集和放置（例如包装、码垛（Palletizer）和 SMT）、产品检测和测试等; 所有的工作的完成都具有高效性、持久性、速度和准确性。

工业机器人能在三维空间内完成多种操作。一般的产业机器人，如工业用机器人由手臂、腕、末端执行器和机身等部分组成，具有类似人类上肢的多自由度的运动功能，较高级的产业机器人是具有感觉、识别和决策功能的智能机器人。

形式和特色

在德国食品工厂，自动化的工业机器人码垛各种食品，例如面包等。

最常使用的机器人构造为关节型机器人（articulated robot）、SCARA机器人、delta机器人和直角座标机器人（cartesian coordinate robot）（高架机器人（gantry）或x-y-z机器人）。

机器人会展现不同程度的自律：

  • 一些机器人系通过程序设计而能忠实、无变异、高度准确的一再执行特定动作（反复动作）。这些动作取决于程序设定的常式，这些常式订定一系列协同动作的方向、加速度、速度、减速度、距离。
  • 其他机器人则更有弹性，因为这些机器人可能连作业目标的方位，甚或对目标所需完成的作业，都需要进行辨识。例如，为了更精确的导引，机器人常包含机器视觉子系统做为其视觉感测器，连接到强大的电脑或控制器。对于现代工业机器人而言，人工智能、或者任何被误认为人工智能的东西，成为日益重要的因素。

工业机器人历史

乔治·戴沃尔（George Devol）最早提出了工业机器人的概念，并在1954年申请了专利。 (专利批准在1961年). 在1956年，戴沃尔和约瑟夫·恩盖尔柏格（Joseph Engelberger）基于戴沃尔的原先专利，合作建立了Unimation|Unimation公司。1959年Unimation公司的Unimate（第一台工业机器人）在美国诞生，开创了机器人发展的新纪元。

Unimation公司以后授权其技术给川崎重工和GKN，分别在日本和英国生产Unimates工业机器人。在一段时间以来，Unimation的唯一竞争对手是美国俄亥俄州的辛辛那提米拉克龙公司(Cincinnati Milacron Inc.)。但是，在1970年代后期，在几家大型日本企业集团开始生产类似的工业机器人之后，这局面从根本上改变了。

工业机器人在欧洲兴起得相当快，在1973年ABB机器人公司和库卡机器人(KUKA)公司就把机器人带入市场。

在70年代末，对于机器人技术的兴趣在增加，许多美国公司进入该领域，包括例如通用电气和通用汽车公司（其成立的与日本发那科公司合资的发那科(FANUC)机器人公司等大型公司。美国的创业公司包括Automatix和Adept Technology。在1984年的机器人热潮时期，Unimation公司被西屋电气公司以$1.07亿美元收购。西屋电气公司于1988年将Unimation公司出售给法国史陶比尔Faverges SCA公司，这家公司仍然制造关节型机器人适用于一般工业和洁净室的应用，并且于2004年底甚至收购博世公司的机器人事业部。

市场结构

根据国际机器人联合会（International Federation of Robotics，IFR）发布的在2012年世界机器人研究报告，在2011年年底为至少有1,153,000个运行的工业机器人。预计这个数字到2015年年底将达到1,575,000个。

根据国际机器人联合会2011年度的估计，工业机器人全球销售额为85亿美元。包括软件，外围设备和系统工程的成本后，机器人系统的年度营业额估计在2011年达到255亿美元。

日本政府估计，该行业可能从约在2006年52亿美元到在2010年接近260亿美元，并在2025年激增至700亿美元。在2005年，日本已有超过370,000个正在运行的工业机器人。在2007年的国家技术发展路线图中，贸易部呼吁到2025年要在全国各地安装100万台工业机器人。

技术说明

定义参数

  • 轴数 – 在一平面中取得任意点需要两个轴；在空间中取得任意点需要三个轴。要完全控制手臂终端（意即手腕）的指向，需要另外三个轴，即平摆、俯仰及横摇（yaw, pitch, and roll）。某些设计（例如SCARA机器人）牺牲运动性以换取成本、速度、精度。
  • 自由度 – 通常跟轴数一样。
  • 工作包络面（Envelope (motion)） – 在空间中机器人可触及的区域。
  • 运动学 – 机器人的刚体元件及关节的实际配置，决定了机器人所有可能的动作。机器人运动学的类别包含关节型、卡式座标型、平行型及SCARA。
  • 承载量或载重量 – 机器人能举起多少重量。
  • 速率 – 机器人能多快使其手臂终端就定位。本参数可由各轴的角速率或线速率定义，或者以复合速率，意即以手臂终端速率来定义。
  • 加速度 – 一轴能多快加速。此系一限制因素，因为在进行短距离移动或需要常常改变方向的复杂路径时，机器人可能无法达到其最大速度。
  • 准确度 – 机器人可以多接近要求位置。准确度的度量方式即机器人的绝对位置与要求位置的差距。利用外部感测设备如视觉系统或红外线，可改善准确度。
  • 再现性 – 机器人再次回到程序设定的某位置的能力有多好。这跟准确度不一样。可能告诉它去某X-Y-Z位置的时候，它只走到距离那个位置不到1 mm的地方，那么这是准确度问题，可以通过校正改善。但是如果那个位置经教导并置入控制器内存，而每次它都回到距离教导位置0.1mm之内的地方，则其再现性在0.1mm以内。

准确度及再现性是截然不同的度量方式。再现性对机器人而言通常是最重要的规范，而且它类似测量中的“精确度”─参照准确度及精密度。ISO 9283 确立测量准确度及再现性的方法。一般而言，机器人会被送去一个教导位置数次，每次都会前往4个其他位置再回到教导位置，然后测量误差值。接着用这些样本在三度空间中的标准差来量化再现性。一般的机器人当然可能会发生超过再现性的位置误差，而这可能是程序问题。再者，工作包络的不同部位会有不一样的再现性，而且再现性也会随着速率跟酬载而变。ISO 9283规定要在最大速度及在最大酬载下测量准确度及再现性。然而如此产生的数据比较悲观，因为机器人在轻负载及速度时的准确度及再现性会好很多。工业程序中的再现性也受到端接器（例如握爪）的准确度影响，甚至也受到握爪上用来抓取物件的“手指”设计的影响。例如，如果机器人从螺丝的头部拾起这个螺丝，螺丝可能会呈现随机的角度。后续尝试把螺丝放进螺丝孔的动作就很容易失败。诸如此类的情境可以通过“导入特征”加以改善，像是使孔的入口呈锥形（倒角）。

  • 运动控制 ─ 对于某些应用，像是简单的采集和放置的组装作业，机器人只需要在数量有限的预先教导位置之间往返。对于更复杂的应用，像是焊接及涂装（喷漆），一定要沿着空间中的路径以指定的方位及速度持续控制运动。
  • 动力源 ─ 有些机器人使用电动马达，其他则使用液压致动器。前者会比较快，后者则是出力较大且有利于喷漆之类的应用，因为火花可能引发爆炸；然而，手臂内部的低度加压空气可防止可燃蒸气及其他污染物进入。
  • 驱动 ─ 有些机器人通过齿轮连接马达及关节；其他则是马达直接连接关节（直接驱动）。使用齿轮导致可测量到的“背隙”，这是一轴的自由移动。较小的机器人手臂常常运用高速、低扭矩的DC马达，通常需要较高的齿轮比，而这会有背隙的缺点，在这样的案例常会改用谐波齿轮减速器(Harmonic drive)。
  • 顺应性 ─ 这是施加力量于机器人一轴能使之移动的角度或距离总量的度量。因为顺应性的关系，在携带最大酬载时机器人走到的位置会比没有携带任何酬载的时候稍微低一些。在携带高酬载而需要降低加速度的场合，顺应性也会对超越量有所影响。

机器人程序编写及介面

工业机器人的运动及顺序的设定或程序编写，一般是将机器人控制器连接到笔记本电脑、桌上型电脑或网络（内部网络或网际网络）来进行教导。

一台机器人以及一群机器或周边设备的集合称为工作单元或单元。典型的单元可能包含一台零件给料器、一台射出机以及一台机器人。这几样机器“整合”在一起，由单一计算机或PLC控制。一定要以程序编写机器人如何与单元中的其他机器互动，同时要顾及它们在单元中的位置并且和它们协同作业。

软件：对应的介面软件会安装在计算机里。使用计算机会大幅简化程序编写过程。取决于系统设计，专用的机器人软件会在机器人控制器中运行、在计算机中运行、或者在二者中运行。

必须教导（或以程序编写）的两个要素：位置资料及步骤。例如，在把螺丝从给料器移动到一个洞的作业里，给料器跟洞的位置一定要事先教导或输入程序。接着，把螺丝从给料器放到洞里的步骤一定要和任何相关的I/O一起编写成程序，例如给料器里的螺丝已经可取用的指示讯号。机器人软件的目的在于使程序编写作业容易些。

有好几种方法可以教导位置给机器人：

位置命令：使用GUI或者纯文字命令指定或编辑所需的X-Y-Z位置可以引导机器人到所需位置。

教导器：可以通过教导器来教导机器人位置，它是一种手持控制及程序编写单元。如此单元的共同特征是手动把机器人送到所需位置，或者以“吋进”调整位置。它们也有改变速度的手段，因为在小心定位、测试新程序或测试修改过的程序的时候，通常会需要用较低的速度进行。通常会附有一个大大的急停按钮。一般而言，只要机器人程序设定完成，就无须再使用教导器。

牵着鼻子走（Lead-by-the-nose）：这是许多机器人制造商会提供的技巧。使用此方法时，一个使用者抓住机器人的机械臂，同时另一个人输入命令以除去机器人的能源让它变得无力。使用者接着用手将机器人移动到所需位置及/或沿着所需路径移动，同时软件将这些位置记录在内存里。程序后续可以运行机器人到这些位置或者使机器人沿着教导路径运行。这种技巧在喷漆之类的作业很常用。

离线编写程序：将整个单元、机器人及工作空间里所有的机械或设备都绘制成图像，然后在屏幕上移动机器人以模拟程序。机器人模拟器用来建立机器人的嵌入式应用程序，而不用靠实际操作机器臂跟端接器。机器人模拟的好处是在于它节省机器人应用的设计时间。这也能提升攸关机器人设备的安全层级，因为可以在系统启动前尝试、测试各种“这么做会怎样”的情境。机器人模拟软件让各种程序语言撰写的程序可以进行教导、测试、运行、除错。

机器人模拟工具：使机器人程序易于撰写、离线除错，而只在实际的机器人测试最后版本的程序。这让我们把种种机构、装置、架构、控制器应用到“现实世界”之前，就可以在虚拟世界预览机器人系统的运作，进行各种尝试及测试。机器人模拟器能够以几何模型及运动学模型即时计算、模拟工业机器人的运动。除此之外，操作机器人的作业员经常使用人机介面装置(一般是触控屏幕)做为控制面板，用以切换程序、调整程序。控制面板也可以操作周边装置的主机，这些周边装置可能和同一套机器人系统整合在一起，包含端接器、提供零件给机器人的给料器、输送带、急停控制、机器视觉系统、安全互锁系统、条码打印机等等。通常程序编写完毕后，会将教导器或PC断线，而机器人会依安装在其控制器的程序运行。然而，通常会有计算机用于“督导”机器人和周边设备，或者提供额外的储存空间给大量的复杂路径及常式。

手臂终端工具

最重要的机器人周边设备是端接器，或者手臂终端工具(EOT)。常见的终端工具实例有焊接装置(例如MIG焊枪、点焊器等等)、喷枪以及研磨及去毛边装置(例如碟式或带式气动研磨器、打光轮等等)、以及夹持器(可抓取物件的装置，通常是电动或气动机械，拿取物件的另一种常见手段是用真空吸取)。端接器通常非常复杂，而且会对应要处理的产品，常常要能一次拿取一排产品。它们会利用多种感测器帮助机器人系统确认产品位置、拿取产品、并置放产品到定位。

参见


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