如何真正用好工業機器人

① 工業機器人的發展與應用

工業機器人是面向工業領域的多關節機械手或多自由度的機器人。工業機器人是自動執行工作的機器裝置，是靠自身動力和控制能力來實現各種功能的一種機器。它可以接受人類指揮，也可以按照預先編排的程序運行，現代的工業機器人還可以根據人工智慧技術制定的原則綱領行動。 發展史1920年捷克作家卡雷爾·查培克在其劇本《羅薩姆的萬能機器人》中最早使用機器人一詞，劇中機器人 最早的關節機器人「Robot」這個詞的本意是苦力，即劇作家筆下的一個具有人的外表，特徵和功能的機器，是一種人造的勞力。它是最早的工業機器人設想。20世紀40年代中後期，機器人的研究與發明得到了更多人的關心與關注。50年代以後，美國橡樹嶺國家實驗室開始研究能搬運核原料的遙控操縱機械手，如圖0.2所示，這是一種主從型控制系統，主機械手的運動。系統中加入力反饋，可使操作者獲知施加力的大小，主從機械手之間有防護牆隔開，操作者可通過觀察窗或閉路電視對從機械手操作機進行有效的監視，主從機械手系統的出現為機器人的產生為近代機器人的設計與製造作了鋪墊。1954年美國戴沃爾最早提出了工業機器人的概念，並申請了專利。該專利的要點是藉助伺服技術控制機器人的關節，利用人手對機器人進行動作示教，機器人能實現動作的記錄和再現。這就是所謂的示教再現機器人。現有的機器人差不多都採用這種控制方式。1959年UNIMATION公司的第一台工業機器人在美國誕生，開創了機器人發展的新紀元。UNIMATION的VAL（very advantage language)語言也成為機器人領域最早的編程語言在各大學及科研機構中傳播，也是各個機器人品牌的最基本範本。其機械結構也成為行業的模板。其後，UNIMATION公司被瑞士STAUBLI收購，並利用STAUBLI的技術優勢，進一步得以改良發展。日本第一台機器人由KAWASAKI從UNIMATION進口，並由kawasaki模仿改進在國內推廣。特點戴沃爾提出的工業機器人有以下特點:將數控機床的伺服軸與遙控操縱器的連桿 工業機器人機構聯接在一起，預先設定的機械手動作經編程輸入後，系統就可以離開人的輔助而獨立運行。這種機器人還可以接受示教而完成各種簡單的重復動作，示教過程中，機械手可依次通過工作任務的各個位置，這些位置序列全部記錄在存儲器內，任務的執行過程中，機器人的各個關節在伺服驅動下依次再現上述位置，故這種機器人的主要技術功能被稱為「可編程」和「示教再現」。1962年美國推出的一些工業機器人的控制方式與數控機床大致相似，但外形主要由類似人的手和臂組成。後來，出現了具有視覺感測器的、能識別與定位的工業機器人系統。[1]工業機器人最顯著的特點有以下幾個：(1)可編程。生產自動化的進一步發展是柔性啟動化。工業機器人可隨其工作環境變化的需要而再編程，因此它在小批量多品種具有均衡高效率的柔性製造過程中能發揮很好的功用，是柔性製造系統中的一個重要組成部分。(2)擬人化。工業機器人在機械結構上有類似人的行走、腰轉、大臂、小臂、手腕、手爪等部分，在控制上有電腦。此外，智能化工業機器人還有許多類似人類的「生物感測器」，如皮膚型接觸感測器、力感測器、負載感測器、視覺感測器、聲覺感測器、語言功能等。感測器提高了工業機器人對周圍環境的自適應能力。(3)通用性。除了專門設計的專用的工業機器人外，一般工業機器人在執行不同的作業任務時具有較好的通用性。比如，更換工業機器人手部末端操作器（手爪、工具等）便可執行不同的作業任務。(4)工業機器技術涉及的學科相當廣泛，歸納起來是機械學和微電子學的結合-機電一體化技術。第三代智能機器人不僅具有獲取外部環境信息的各種感測器，而且還具有記憶能力、語言理解能力、圖像識別能力、推理判斷能力等人工智慧，這些都是微電子技術的應用，特別是計算機技術的應用密切相關。因此，機器人技術的發展必將帶動其他技術的發展，機器人技術的發展和應用水平也可以驗證一個國家科學技術和工業技術的發展水平。當今工業機器人技術正逐漸向著具有行走能力、具有多種感知能力、具有較強的對作業環境的自適應能力的方向發展。當前，對全球機器人技術的發展最有影響的國家是美國和日本。美國在工業機器人技術的綜合研究水平上仍處於領先地位，而日本生產的工業機器人在數量、種類方面則居世界首位。構造分類工業機器人由主體、驅動系統和控制系統三個基本部分組成。主體即機座和執行機構，包括臂部、腕部和手部，有的機器人還有行走機構。大多數工業機器人有3～6個運動自由度，其中腕部通常有1～3個運動自由度；驅動系統包括動力裝置和傳動機構，用以使執行機構產生相應的動作；控制系統是按照輸入的程序對驅動系統和執行機構發出指令信號，並進行控制。工業機器人按臂部的運動形式分為四種。直角坐標型的臂部可沿三個直角坐標移動；圓柱坐標型的臂部可作升降、回轉和伸縮動作；球坐標型的臂部能回轉、俯仰和伸縮；關節型的臂部有多個轉動關節。工業機器人按執行機構運動的控制機能，又可分點位型和連續軌跡型。點位型只控制執行 工業機器人機構由一點到另一點的准確定位，適用於機床上下料、點焊和一般搬運、裝卸等作業；連續軌跡型可控制執行機構按給定軌跡運動，適用於連續焊接和塗裝等作業。工業機器人按程序輸入方式區分有編程輸入型和示教輸入型兩類。編程輸入型是將計算機上已編好的作業程序文件，通過RS232串口或者乙太網等通信方式傳送到機器人控制櫃。示教輸入型的示教方法有兩種：一種是由操作者用手動控制器(示教操縱盒)，將指令信號傳給驅動系統，使執行機構按要求的動作順序和運動軌跡操演一遍；另一種是由操作者直接領動執行機構，按要求的動作順序和運動軌跡操演一遍。在示教過程的同時，工作程序的信息即自動存入程序存儲器中在機器人自動工作時，控制系統從程序存儲器中檢出相應信息，將指令信號傳給驅動機構，使執行機構再現示教的各種動作。示教輸入程序的工業機器人稱為示教再現型工業機器人。具有觸覺、力覺或簡單的視覺的工業機器人，能在較為復雜的環境下工作；如具有識別功能或更進一步增加自適應、自學習功能，即成為智能型工業機器人。它能按照人給的「宏指令」自選或自編程序去適應環境，並自動完成更為復雜的工作。應用工業機器人在工業生產中能代替人做某些單調、頻繁和重復的長時間作業，或是危險、惡劣環境下的作業，例如在沖壓、壓力鑄造、熱處理、焊接、塗裝、塑料製品成形、機械加工和簡單裝配等工序上，以及在原子能工業等部門中，完成對人體有害物料的搬運或工藝操作。20世紀50年代末，美國在機械手和操作機的基礎上，採用伺服機構和自動控制等技術，研製出有通用性的獨立的工業用自動操作裝置，並將其稱為工業機器人；60年代初，美國研製成功兩種工業機器人，並很快地在工業生產中得到應用；1969年，美國通用汽車公司用21台工業機器人組成了焊接轎車車身的自動生產線。此後，各工業發達國家都很重視研製和應用工業機器人。由於工業機器人具有一定的通用性和適應性，能適應多品種中、小批量的生產，70年代起，常與數字控制機床結合在一起，成為柔性製造單元或柔性製造系統的組成部分。

② 如何從零開始學習工業機器人

第一、先到一些網路上看一些文字記錄及視頻，通過視頻學習工業機器人的使用。

③ 工業機器人的主要應用方式

①機器人碼垛
包裝的種類、工廠環境和客戶需求等將碼垛變成包裝工廠里一個頭痛的難題，選用碼垛機器人最大的優勢是解放勞動力，一台碼垛機至少可以代替三四個工人的工作量，大大削減了人工成本。碼垛機器人是將包裝貨物整齊的、自動的碼垛，在末端執行器安裝有機械介面，可以跟換抓手，使碼垛機器人應用在更多的場合，其應用在工業生產和立體化倉庫。碼垛機器人的使用無疑會大大的提高生廠力，降低工人的工作強度，在個別惡劣的工作環境下還對工人的人身安全起到有效保障的作用。
②機器人沖壓
沖壓機器人能代替人工作業的繁瑣重復勞動以實現生產的機械全自動化，能在不同的環境下高速運作的情況下還能確保人身安全，因而廣泛應用於機械製造、冶 金、電子、輕工和原子能等企業，因為這些行業在生產過程中的重復動作相對比較多，所以在這些行業中利用沖壓機器人的價值會很高。這些行業利用沖壓機器人生產商品的效率會很高，從而為企業帶來更高的利潤。機械手全自動化解決方案：節省人力物力，降低企業在生產過程中的成本。取出生產好的產品放置在輸送帶或承接台上傳送到指定目標地點，只要一人管理或一人同時看兩台甚至更多台注塑機，可大大節省人工，節約人工工資成本，做成自動流水線更能節省廠地的使用范圍。
③機器人分揀
分揀工作是內部物流最復雜的一環，往往人工工時耗費最多。自動分揀機器人能夠實現 24 小時不間斷分揀；佔地面積小，分揀效率高，可減少70%人工；精準、高效，提升工作效率，降低物流成本。
機器人高速分揀可以在快速流水線作業中准確跟蹤傳送帶的速度，通過視覺智能識別物體的位置、顏色、形狀、尺寸等，並按照特定的要求進行裝箱、分揀、排列等工作，以其快速靈活的特點大大提高了企業生產線的效率，降低了企業的運營成本。
④機器人焊接
採用機器人進行焊接作業可以極大地提高生產效益和經濟效率；焊接的參數對焊接結果起到決定性作用，人工焊接時，速度、干伸長等都是變化的。機器人的移動速度快，可達3m/s，甚至更快，採用機器人焊接比同樣用人工焊接效率可提高2～4倍，焊接質量優良且穩定。

⑤機器人激光切割

激光切割時利用工業機器人靈活快速的工作性能，根據客戶切割加工工件尺寸的大小不同，可以選擇機器人正裝或者倒裝，對不同產品進行示教編程或者離線編程，機器人的第六軸裝載光纖激光切割頭對不規則工件進行三維切割。加工成本低廉，設備雖然一次性投入較貴，但連續的，大量的加工最終使每個工件的綜合成本降低下來。
⑥機器人噴塗
噴塗機器人又叫噴漆機器人，是可進行自動噴漆或噴塗其他塗料的工業機器人。噴塗機器人精確地按照軌跡進行噴塗，無偏移並完美地控制噴槍的啟動。確保指定的噴塗厚度，偏差量控制在最小。噴塗機器人噴塗能減少噴塗和噴劑的浪費，延長過濾壽命，降低噴房泥灰含量，顯著加長過濾器工作時間，減少噴房結垢。輸送級別提高30%！

⑦機器人視覺應用

機器人視覺技術是把機器視覺加入到工業機器人應用系統中，相互協調完成相應工作。採用工業機器人視覺技術，能夠避免一些外在因素對檢驗精度的影響，有效克服溫度、速度的影響，提高檢驗的精度。機器視覺可以對產品的外形、顏色、大小、亮度、長度等進行檢測，搭配工業機器人可以完成物料的定位、追蹤、分揀、裝配等需求。

⑧機床上下料

機床上下料機器人系統，主要用於加工單元和自動生產線待加工毛坯件的上料、加工完工件的下料、機床與機床之間工序轉換工件的搬運以及工件翻轉，實現車削、銑削、磨削、鑽削等金屬切削機床的自動化加工。

機器人與機床的緊密結合，不僅是自動化生產水平的提高，更是工廠生產效率革新與競爭力的提升。機械加工上下料需要重復持續的作業，並要求作業的一致性與精準性，而一般工廠對配件的加工工藝流程需要多台機床多道工序的連續加工製成……隨著用工成本的提高及生產效率提升帶來的生產壓力，加工能力的自動化程度及柔性製造能力成為工廠競爭力提升的關卡。機器人代替人工上下料作業，通過自動供料料倉、輸送帶等方式，實現高效的自動上下料系統。

工業機器人在現在社會的生產和發展中已經扮演了一個越來越重要的角色了，相信隨著科技的不斷提升，工業機器人的用武之地也將更加廣闊！

④ 如何構建與人類協作的工業機器人

安全而高效的人類交互機器人——或稱為「協作機器人」(cobotics)，將會對組裝生產線、家務勞動服務、健康保險領域以及物流產業產生革新作用。
汽車製造商和航空航天設備生產商都已經大規模引用自動化的機器人系統，英國航空公司(BAESystems)在本月早些時候也宣布了要使用協作機器人來建造軍用飛機的計劃。

1、隔離
但截至目前，工業機器人在「與人類共享空間」方面仍談不上安全可靠——僅美國市場，每年因機器人造成的意外死亡就有20多起——因此大多數時候，機器人活動的區域是需要用屏障圍護起來的。

「它們在搬運重物等單一操作上，非常高效實用。但是它們只能進行盲目且沒有智慧移動，因此在過程中一旦觸碰到人，就很可能造成嚴重事故，甚至導致死亡。」德國弗勞恩霍夫研究所工廠操作和自動化研究員JosSaenz表示。

與早期機器人不同，「協作機器人」安裝有感測器並具備安全特性，能有效地偵測周圍出現的人及作出相應反應。這樣的設計讓人和機器人組成了完美搭配：後者的強度和精確度配合前者的視覺、感知、思維和適應力將可釋放出更高效的生產力。

人與機器人的組合至少在現在而言是融洽的，因為人類具備的很多技能如今並不可以通過程序被創造出來。「有很多的經驗和非書本上的知識是沒有辦法用程序代碼表達的。譬如，一個工人可以察覺得到某些狀況不對，或者電鑽的震動不合往常，或者某個材料太硬。」Saenz表示，「想要通過文檔的形式把這些記錄下來，將很難做到。」

2、避免受傷
在利用「協作機器人」方面走得比較靠前的是BMW。2013年，BMW為旗下位於美國南加州的工廠安裝了由丹麥UniversalRobots公司設計生產的機器人。該機器人可以在工人手握車門組件的情況下，通過噴射膠水以幫助完成汽車車門的隔離和水封操作。沒有這些機器人，傳統的手工操作將十分費力，並且還可能會導致手腕職業傷。

「我們感興趣的是人體工學和安全性。機器人可以生產線上進行推拉這樣重復性的操作而不受到傷害。」BMW組裝和物流部門負責人RichMorris表示，「這些機器人與工人協同工作，工人們都愛死它了。」

但是當一個工人距離機器人太近了會怎樣?「機器人首先會警告說你靠得太近。」Morris表示，「然後它會停止當前操作。」

今年，機器人又被應用到了另一人體工程學繁重的任務上：向車底盤的孔內插入硬橡膠。「很多工人在做這件事時導致大拇指受傷。」Morris解釋道。起初，BMW通過3D列印開發了保護骨骼來支撐手指，但如今擁有「超級拇指」的協作機器人已經完全接管了這項任務。

3、通過示範來學習
最高級的協作機器人在功能上是靈活的，因此同一款機器人型號可以輕松的跟進任務的不同而重新切換模式，如排列任務、裝卸貨任務以及處理原材料任務等模式。

RethinkRobotics設計的Baxter機器人擁有兩只機械臂和一個動態表情面部(屏幕)。該機器人可以通過被示範訓練來學習執行各類任務：人類可以控制機器人的手臂，並指定一系列動作，機器人會記住並重復，從而達到示範學習的目的。而頭部的屏幕則會通過表情提示告知周圍的人當前正在執行的任務，或者正遭遇的問題。

首個脫離實驗室並投入實際使用的Baxter，是2015年2月由澳大利亞糖果巨頭Haigh"sChocolates引進的巧克力挑揀機器人。該機器人與其他工廠工人協同工作，全程無保護無隔離。

4、靈活性和精度
協作機器人下一個主要適用領域是消費者電子品的組裝生產，該行業目前主要依賴人力。
今年3月，Baxter迎來了一個「一隻手」的小兄弟Sawyer，該機器人被設計用於執行電路板測試和機器操作等目的。

此外，幾乎同一時間，總部在瑞士蘇黎世的abb公司也推出了名為YuMi的機器人，該機器人配有大量感測器，可以精準地將線穿過縫衣針。

YuMi的小尺寸和移動范圍等特點讓其成為了小型組裝生產線的完美搭配，譬如智能手機、筆記本電腦和平板電腦等。

「這些特點對於在工廠中最大化利用空間，以及在小型工作室中安裝機器人是至關重要的。」ABB營銷部門主管StevenWyatt表示。

一旦協作機器人在工業界廣泛裝配並完成測試，它們就有可能會立即出現在家庭市場上，當然這其中也有不少特別的挑戰。

「在工業環境中，會出現的人類通常都是18歲以上的成年人，足夠理解工作環境中穿戴護目鏡和硬皮鞋的重要性。但是在家庭環境下，一切都會變得不同，譬如寵物和小孩會在地上滾爬等。」Saenz指出，「不過家庭市場卻是一個更大的市場。」

⑤ 工業機器人是如何更好地實現它的運動控制

工業機器人的運動控制主要是實現點位運動（ PTP ） 和 連續路徑運動（C P ） 兩種。

⑥ 企業該如何運用機器人實現工業自動化呢

近年來，自動化智能化這個問題顯得越來越突出，工業上使用自動化設備也成為衡量一家工廠的生產水平是否先進，高效，穩定的標准。
工業機器人應用於中國製造業雖然才短短20餘年，但它不再是遙不可及的目標。目前自動化設備機器人等已應用在在多個領域，如汽車製造、工程機械、電子電氣以及航空航天等行業。
如今，再談起機器人，人們腦海所想到的不再是科幻電影中駭人聽聞的殺戮機器，以及要改造人類的「入侵者」，而是一台集合了計算機、控制、感測和人工智慧等多種技術的高科技產品。中國因各種原因正在成為世界最大的「機器人工廠」，機器人時代即將提前來臨。
雖然我國從20世紀70年代便開始啟動了機器人的研發工作，略晚於歐美日本等國，但自動化生產業步伐卻一直緩慢。據了解，目前國內大約有300家從事機器人研發的機構和企業，主要分布在科研院所和高校及沿海地區的，但這其中基本實現了研究成果產業化的不過三四十家。
歐力克斯擁有自主研發能力，是國內專注於自動點膠機、自動焊錫機和機器人等自動化設備研發製造的實力企業，目前已經擁有超過30項專利技術。
現階段，國內市場機器設備基本實現了Made in China 的局面，並且實現了自主的技術輸出，讓中國工業機器人技術已在世界佔有一席之地，奠定了自主發展中國機器人產業的基礎。從社會經濟角度來看，中國自動化設備技術的發展，為中國實現全自動化有了良好的開端。