工業機器人核心關鍵技術是什麼

① 工業機器人的操作機主要由哪幾個部分組成

由犀靈工業機器人培訓中心老師所介紹的，工業機器人主要構成及成本結構主要為以下：

工業機器人主要由四大部分構成：精密減速器、伺服電機、控制系統與本體。下圖中百分比是各部分整個機器人的成本比例，可以很輕易看出減速器和機器人本體占機器人的成本比重是很大的。

減速器用於提高和確保機器人的工作精度；

伺服電機主要用於反饋和修正位置、速度等參數；

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。

本體是機器人外面最直接的機械結構。

1.減速器

減速器是一種動力傳達機構，以齒輪為核心，由皮帶輪、傳送帶、鏈齒軌、鏈條組合出各類製品，其功能均在於「降低動力旋轉速度，輸出與減速比相配的扭矩（力）」，即「降低速度，將較小的力轉換為較大的力」。

目前應用於機器人領域的減速機主要有兩種，一種是RV減速機，另一種是諧波減速機。在關節型機器人中，由於RV減速機具有更高的剛度和回轉精度，一般將RV減速機放置在機座、大臂、肩部等重負載的位置，價格也較高，而將諧波減速機放置在小臂、腕部或手部。另外一種行星減速機主要應用於簡單機器人。占據60%機器人市場份額的發那科、ABB、安川電機、庫卡四大家族都是向納博特斯克和哈默納科采購，因而短期博特斯克和哈默納科主導市場的格局仍難以改變，其餘市場被住友、SEJINIGB、SPINEA等占據。近年來盡管與日本產品在輸入轉速、傳動精度、傳動效率等方面存在較大差距，積極介入的國內減速機廠商並逐步形成了自己的產品系列，並實現批量生產，如蘇州綠的諧波傳動科技的諧波減速機，南通振康的RV減速機。

2.伺服電機

伺服技術是工業機器人的關鍵技術，在機器認成本組成里僅次於減速器。

伺服系統主要分為兩部分，一是伺服電機，二是控制器。

（1）伺服電機主要用於驅動機器人的關節，要求具備最大功率質量比和扭矩慣量比、高啟動轉矩、低慣量和較寬廣且平滑的調速范圍；

（2）控制器可對其內部參數進行人工設定而實現對機器人的位置控制、速度控制和轉矩控制等多種功能。

目前，國外伺服企業在中國的市場佔有率達80%，其中日本品牌佔比為50%，其著名品牌包括松下、三菱電機、安川、三洋、富士等，產品特點是：技術和性能水平比較符合中國用戶的需求；歐美品牌佔比30%，美國以羅克韋爾、丹納赫、帕光等聞名，而德國則擁有西門子、倫茨、博世力士樂、施耐德等品牌。國產品牌占據了20%的市場，其中內地品牌和台灣品牌分別占據10%的市場，中國台灣以東元和台達為代表，其技術水準和價格水平居於進口中端產品和內地品牌之間；中國內地的品牌主要有華中數控、廣數等。

3.控制系統

機器人控制系統是機器人的重要組成部分，用於對操作機的控制，以完成特定的工作任務。

機器人控制器包含運動控制卡、示教盒和主計算機模塊。運動控制卡是控制器的底層結構，有時也可以作為簡單控制器。其產品和研究主要集中於美國和日本，並有成熟的產品；示教盒是機器人控制系統的重要組成部分，操作者通過示教盒進行手動示教，控制機器人達到不同位姿，並記錄各個位姿坐標；主計算機模塊是整個控制系統的中樞部分，主要包括主板、CPU、FROM/SRAM組件及伺服卡，負責控制器內部及外圍設備的信號交換和處理。

國外系統集成商因為專注於機器人普及率高，國外大型系統集成商通常是在某種工藝裡面具有很強的競爭優勢。與國內本體廠商面對國外企業強大的競爭不同，國內系統集成商卻擁有本土的許多比較優勢，包括渠道優勢、價格優勢、工程師紅利等。系統集成項目是非標准化的，每個項目都不一樣，不能100%復制，所以比較難上規模。因此，系統集成商很難通過並購的方式擴張規模。按工業機器人的需求及更新市場規模測算，2020年我國工業機器人控制器的市場需求33億元左右。此外，控制器的使用不僅僅局限在工業機器人領域，在其它高端設備上的應用也非常普遍。機器人控制器的主要供應商主要包括包括國外的幾大主機廠商和國內的眾為興、固高科技等企業。目前國內企業開發的控制器可滿足基本功能需求。從目前的技術來看，機器人的核心部件中控制器偏軟體（其軟體成本佔比約40%）最易突破，目前國內企業開發的工業機器人控制器產品已經可以滿足大部分功能需求，固高科技在PC based控制器領域市佔率接近50%。國外的機器人四大巨頭中，除了安川電機的機器人控制器屬於外購，其它三家企業均採用自製的控制器。

4.本體

機器人本體作為機器人行業最為直接的表現者，關繫到機器人的終端應用市場。

國外的機器人本體企業憑借長時間的技術和經驗積累，在技術上明顯強於國內機器人本體，因此，當前，國外的機器人本體廠商占據了我國機器人市場約90%的份額。

② 中國製造2025在機器人領域的重點有些什麼

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，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。

工業機器人的典型應用包括焊接、刷漆、組裝、採集和放置（例如包裝、碼垛和SMT）、產品檢測和測試等，具有高效性、持久性、高效率和准確性。

工業機器人是先進製造業的關鍵支撐裝備。大力發展工業機器人產業，對於打造中國製造新優勢，推動工業轉型升級，加快製造強國建設具有重要意義。

發展工業機器人，要重點打造四種基本能力，五種關鍵零部件，六種標志性產品。

四項基礎能力

一、機器人共性關鍵技術

在工業領域，共性關鍵技術大致可分為兩類：

1.工業機器人關鍵技術：重點突破高性能工業機器人工業設計、運動控制、精確參數辨識補償、協同作業與調度、示教/編程等關鍵技術。

2.新一代機器人技術：重點開展人工智慧、機器人深度學習等基礎前沿技術研究，突破機器人通用控制軟體平台、人機共存、安全控制、高集成一體化關節、靈巧手等核心技術。

為加強共性關鍵技術研究，《機器人產業發展規劃（2016－2020年）》強調，針對智能製造和工業轉型升級對工業機器人的需求，重點突破制約我國機器人發展的共性關鍵技術。積極跟蹤機器人未來發展趨勢，提早布局新一代機器人技術的研究。

二、機器人創新中心

《機器人產業發展規劃（2016－2020年）》強調，充分利用和整合現有科技資源和研發力量，組建面向全行業的機器人創新中心，打造政產學研用緊密結合的協同創新載體。

重點圍繞人工智慧、感知與識別、機構與驅動、控制與交互等，開展基礎和共性關鍵技術研究，深入開展高端製造業領域的前沿基礎研究和應用基礎研究，推進科技成果的轉移擴散和商業化應用，強化國際交流與合作，培養機器人專業研發設計人才。

三、機器人產業標准

《機器人產業發展規劃（2016－2020年）》強調，要發揮企業參與制修訂標準的積極性，研究制訂一批機器人國家標准、行業標准和團體標准，主要包括機器人用RV減速機通用技術條件等通用技術標准、機器人整機電磁兼容技術要求和試驗方法等檢測標准、工業機器人編程和操作圖形用戶介面等通信控制標准、設計平台標准和噴塗機器人系統應用規范等應用標准。

四、國家機器人檢測與評定中心

《機器人產業發展規劃（2016－2020年）》強調，建立並完善以國家機器人檢測與評定中心為代表的機器人檢驗與認證機構，面向機器人整機及關鍵功能部件兩方面內容開展檢測與評定工作。

整機性能評價包括：安全、性能、環境適應性、噪音水平、電磁兼容性、可靠性及測控軟體評價等；

功能部件檢測評定包括：零件質量、零部件安全及性能、雜訊、環境適應性、材質和介面等。

五種關鍵零部件

一、高精密減速器

精密減速器，在機械傳動領域是連接動力源和執行機構之間的中間裝置，通常它把電動機、內燃機等高速運轉的動力通過輸入軸上的小齒輪，嚙合輸出軸上的大齒輪，從而達到降低轉速，增加轉矩的目的。

沒有減速器，機器人關節臂就不能正常運轉。

精密減速機根據精度可分為標准精度和高精度；根據用途可分為軍用和民用；根據運行的環境可分為標准環境、低溫環境、清潔室環境和真空環境。

目前國際上具備大規模生產能力且產品性能可靠的RV減速器製造企業較少，全球絕大多數市場份額已被日本企業占據。國產減速器價格雖然便宜，供貨期短，但產品性能與國外產品存在較大差距。因此，國產減速器大多隻能供給中、低端機器人使用，無法滿足高端機器人市場需求。

為此，《機器人發展規劃》明確，通過發展高強度耐磨材料技術、加工工藝優化技術、高速潤滑技術、高精度裝配技術、可靠性，探索壽命檢測技術以及新型傳動機理，發展適合機器人應用的高效率、低重量、長期免維護的系列化減速器。

二、高性能機器人專用伺服電機和驅動器

伺服電機作為控制系統中的執行元件，是影響機器人工作性能的主要因素之一。機器人伺服系統由伺服電機、伺服驅動器、指令機構三大部分構成，伺服電機是執行機構，就是靠它來實現運動的，伺服驅動器是伺服電機的功率電源，指令機構是發脈沖或者給速度用於配合伺服驅動器正常工作的。

目前，高啟動轉矩、大轉矩、低慣量的交、直流伺服電動機在工業機器人中得到廣泛的應用。國產伺服電機在以下方面仍需突破：

一是外形普遍較長，外觀粗糙，很難應用在一些高檔機器人上面。

二是信號接插件的可靠性需要改進，而且需要朝小型化、高密度化以及與伺服電機本體的集成設計的方向優化，方便安裝、調試、更換。

三是另一項核心技術——高精度的編碼器，尤其機器人上用的多圈絕對值編碼器，嚴重依賴進口，是制約我國高檔機器人發展的很大瓶頸。

四是缺失基礎性研究，包括絕對值編碼器技術、高端電機的產業化製造技術等等。

五是伺服系統各部分產業協同不夠，導致伺服電機和驅動系統整體性能難以發揮。

伺服電機不僅直接關乎國內機器人企業的市場競爭力，長遠來看，對於整個中國機器人產業的發展具有戰略意義。為此《機器人發展規劃》特別強調，通過高磁性材料優化、一體化優化設計、加工裝配工藝優化等技術的研究，提高伺服電機的效率，降低功率損失，實現高功率密度。發展高力矩直接驅動電機、盤式中空電機等機器人專用電機。

三、高速高性能控制器

指揮機器人工作的是人類嗎？不，是控制器。工業機器人控制器主要控制機器人在工作空間中的運動位置、姿態和軌跡，操作順序及動作的時間等。

控制器是發布命令的「決策機構」，是自動化工廠的大腦。掌握控制器的主導權，相當於控制了機器人的性能。在中國，四大家族的控制器市場佔比為53%，其中，發那科佔比16%，庫卡佔比14%，ABB機器人佔比12%。而國產品牌控制器市場佔比不及16%，可見在中國控制器領域，國產程度較低。

目前國產控制器市場主要存在以下問題：

1、國產控制器可控制的機器人類型齊全，但在操作精度、穩定性、響應速度、易用性等方面還有很大的進步空間。

2、機器人本體和零部件綁定效應強，一般成熟的機器人企業都能實現本體和核心零部件的自主研發和掌控，因此，國產單純做控制器的企業難以突圍。

3、國產控制器性價比高，這個既是優勢也是劣勢，優勢是可佔領對機器人精度要求不高的中低端市場和新興領域；劣勢主要表現在對於高端市場，道阻且長。

為此，《機器人發展規劃》特別強調，通過高性能關節伺服、振動抑制技術、慣量動態補償技術、多關節高精度運動解算及規劃等技術的發展，提高高速變負載應用過程中的運動精度，改善動態性能。發展並掌握開放式控制器軟體開發平台技術，提高機器人控制器可擴展性、可移植性和可靠性。

四、感測器

感測器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，並將其按一定規律轉換成電信號或者其他可供測量的信號輸出，以滿足信息傳輸、處理、儲存、顯示、記錄、控制等要求。

工業機器人的准確操作取決於對其自身狀態、操作對象及作業環境的准確認識，這種認識正是通過感測器實現的。

由於行業起步晚、競爭壓力大，我國感測器發展依然面臨三大困境。

首先是關鍵技術尚未突破。感測器的設計技術囊括了多種學科、理論、材料和工藝知識，突破起來十分困難，目前，在人才匱乏、研發成本高昂、企業惡性競爭激烈的情況下，我國還沒有突破感測器一些共性關鍵技術。

其次是產業化能力不足。國內感測器產品不配套且不成系列，重復生產、惡性競爭多發，使得產品可靠性較差、低端偏移較為嚴重，只能長期依賴國外進口。

再次是資源不集中。目前我國感測器企業有1600餘家，但大都以小微企業為主，盈利能力不強，缺乏技術引領的龍頭企業，最終導致資金、技術、企業布局、產業結構、市場等方面都變現出分散的狀態，資源得不到有效集中，產業發展也遲遲無法走向成熟。

為此，《機器人發展規劃》特別強調重點開發關節位置、力矩、視覺、觸覺等感測器，滿足機器人產業的應用需求。

五、末端執行器

末端執行器指的是任何一個連接在機器人邊緣（關節）具有一定功能的工具。這可能包含機器人抓手，機器人工具快換裝置，機器人碰撞感測器，機器人旋轉連接器，機器人壓力工具，順從裝置，機器人噴塗槍，機器人毛刺清理工具，機器人弧焊焊槍，機器人電焊焊槍等等。機器人末端執行器通常被認為是機器人的外圍設備，機器人的附件，機器人工具，手臂末端工具（EOA）。

隨著工業機器人快速發展，末端執行器也獲得了龐大的應用與發展空間。為此，《機器人發展規劃》特別強調，要重點開發抓取與操作功能的多指靈巧手和具有快換功能的夾持器等末端執行器，滿足機器人產業的應用需求。

六大標志性機器人

中國製造業想要實現智能製造，不僅需要開發、應用多種多樣的工業機器人，更要加快發展以全自主編程智能工業機器人、人機協作機器人為代表的六大標志性工業機器人，推進工業機器人向中高端邁進。

1.全自主編程智能工業機器人

根據《機器人產業發展規劃》的相關規定，滿足智能製造及先進製造業發展的全自主編程工業機器人，自由度要在6以上，適應工件尺寸范圍在1m*1m*0.3m以上。該類工業機器人需要具備智能工藝專家系統，自動獲取信息，生成作業程序（全過程非示教，自動編程時間小於1秒），以滿足噴塗、拋光、打磨等復雜的作業要求。

2.弧焊機器人

弧焊機器人即用於自動弧焊的工業機器人，其組成原理與點焊機器人基本相同，主要應用於各類汽車零部件的焊接生產。弧焊機器人通常由機器人本體、控制系統、示教器、焊接電源、焊槍、焊接夾具、安全防護設施等多個部分組成。

在向中高端升級的過程中，弧焊機器人要廣泛應用焊縫軌跡電弧跟蹤、高壓接觸感知、焊縫坡口寬度電弧跟蹤等多種關鍵技術，集中研發6自由度多關節機器人，達到中厚板弧焊機器人額定負載≥10kg，薄板弧焊機器人額定負載6kg等技術指標。

3.人機協作機器人

人機協作機器人是與人類在共同工作空間中有近距離互動的機器人，是當下工業機器人領域的發展重點。以往大部分的工業機器人是自動作業或是在有限的導引下作業，不需要考慮和人類近距離互動。而隨著工業4.0越來越近，人與機器攜手合作、發揮各自的專長，也就越來越必要，越來越迫切了。

面向未來智造趨勢的人機協作機器人，應是6自由度以上的多關節機器人，自重負載比小於4，重復定位精度±0.05mm，力控精度<5N，碰撞安全監測響應時間<0.3s，選配本體感應皮膚的整臂安全感應距離<1cm，防護等級IP54。應適用於柔性、靈活度和精準度要求較高的行業（如電子、醫葯、精密儀器等），同時滿足更多工業生產中的操作需要。

4.重載AGV

AGV即無人搬運車(Automated Guided vehicle)的簡稱。通過裝備自動化導引裝置，AGV可以沿規定路徑行駛，並完成物料搬運與安全保護，可代替叉車及拖車等傳統搬運設備，實現少人化乃至無人化操作。

AGV機器人具有極高的工作效率，不僅大大降低了人工成本，也極大地減少了工作中的意外事故，因此在工業領域異常火熱，也是未來智能製造領域必不可少的搬運裝備。

在促進工業機器人邁向中高端領域的過程中，重載機器人是一大標志性產品。根據《機器人發展規劃》，重載AGV的指標有以下幾項——

驅動方式：全輪驅動；最大負載能力40000Kg；最大速度：直線20m/min；轉彎半徑：2m；輔助磁導航精度：±10mm；防碰裝置：激光防碰；舉升裝置：車體自舉升；舉升行程：最大100mm。

5.雙臂機器人

隨著現代製造業不斷向智能製造方向邁進，單臂機器人的局限性越來越明顯，不能完成的工作任務、不能適應工作場景越來越多。在此情況下，雙臂機器人應運而生。雙臂雙動力器人模仿了人體雙臂的協作原理、具備雙臂分別操作功能。雙臂甚至多臂協作機器人，完美適應並有效促進了智能製造，實現了機器與人的完美協同、共存共享。

根據《機器人產業發展規劃》，雙臂機器人的核心指標包括以下幾個方面——

每個單臂6自由度以上，關節轉動速度≥±180°/s，雙臂平均功耗<500W，擁有雙臂碰撞檢測的路徑規劃功能，集成雙目視覺定位誤差<1mm，2指/3指柔性手爪行程≥50mm，抓取力≥30N，重復定位精度±0.05mm，適用於3C電子等行業的零件組裝產線。

6.真空（潔凈）機器人

真空（潔凈）機器人是一種在真空環境下工作的機器人，主要應用於半導體工業中，實現晶圓在真空腔室內的傳輸。研發真空機器人的關鍵技術包括真空環境下傳動潤滑、直驅控制、動態偏差檢測與校正及碰撞檢測與保護等。

真空機械手通用性強、用量大、受限制、難進口，是制約半導體裝備整機的研發進度和整機產品競爭力的關鍵部件，當下已成為嚴重製約我國半導體設備整機裝備製造的「卡脖子」問題。

根據相關政策標准，符合我國智能製造確實的真空機器人，應滿足真空最大負載15kg，潔凈最大負載210kg，重復定位精度±0.05～0.1mm等核心指標。

③ 工業機器人主要控制技術有哪些

工業機器人控制技術的主要任務就是控制工業機器人在工作空間中的運動位置，姿態和軌跡、操作順序及動作的時間等。具有編程簡單、軟體菜單操作、友好的人機交互界面等特點。對機器人驅動系統的測試的一個重點就是電機響應測試，這具體可參考致遠電子的電機測試系統。

④ 簡述工業機器人主要應用場合

1、輸送線。

機器人系統：通過機器人在特定工位上准確、快速完成部件的裝配，能使生產線達到較高的自動化程度；機器人可遵照一定的原則相互調整，滿足工藝點的節拍要求；備有與上層管理系統的通信介面。

機器人及輸送線物流自動化系統可應用於建材、家電、電子、化纖、汽車、食品等行業。

2、塗膠。

機器人塗膠工作站是機器人中心研製開發的機器人應用系統，主要包括機器人、供膠系統、塗膠工作台、工作站控制系統及其它周邊配套設備。

為了提高系統的可靠性，塗膠工作站中的機器人和供膠系統，一般採用國外產品，根據用戶的需求，進行工作台、控制櫃及周邊配套設備的設計製造，並完成塗膠系統的集成。

該工作站自動化程度高，適用於多品種、大批量生產，可廣泛地應用於汽車風擋、汽車摩托車車燈、建材門窗、太陽能光伏電池塗膠等行業。

3、焊接。

隨著電子技術、計算機技術、數控及機器人技術的發展，自動弧焊機器人工作站，從60年代開始用於生產以來，其技術已日益成熟。

4、自動裝箱。

機器人自動裝箱、碼垛工作站是一種集成化的系統，它包括工業機器人、控制器、編程器、機器人手爪、自動拆/疊盤機、托盤輸送及定位設備和碼垛模式軟體等。它還配置自動稱重、貼標簽和檢測及通訊系統，並與生產控制系統相連接，以形成一個完整的集成化包裝生產線。

5、自動焊接。

轉軸自動焊接工作站用於以轉軸為基體（上置若干懸臂）的各類工件的焊接，它由焊接機器人、回轉雙工位變位機（若干個工位）及工裝夾具組成，在同一工作站內通過使用不同的夾具可實現多品種的轉軸自動焊接，焊接的相對位置精度很高。

由於採用雙工位變位機，焊接的同時，其他工位可拆裝工件，極大地提高了效率。

(4)工業機器人核心關鍵技術是什麼擴展閱讀

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。

⑤ 工業機器人涉及到那些技術

機器人操作機構

通過有限元分析、模態分析及模擬設計等現代設計方法的運用，實現機器人操作機構的優化設計。探索新的高強度輕質材料，進一步提高負載/自重比。

此外採用先進的RV減速器及交流伺服電機，使機器人操作機幾乎成為免維護系統。機構向著模塊化、可重構方向發展。

機器人控制系統

開放式、模塊化的控制系統。向基於PC機的開放型控制器方向發展，便於標准化、網路化;器件集成度提高，控制櫃日見小巧，且採用模塊化結構;大大提高了系統的可靠性、易操作性和可維修性。控制系統的性能進一步提高，已由過去控制標準的6軸機器人發展到現在能夠控制21軸甚至27軸，並且實現了軟體伺服和全數字控制。人機界面更加友好，語言、圖形編程界面正在研製之中。機器人控制器的標准化和網路化，以及基於PC機網路式控制器已成為研究熱點。編程技術除進一步提高在線編程的可操作性之外，離線編程的實用化將成為研究重點，在某些領域的離線編程已實現實用化。

機器人感測技術

機器人中的感測器作用日益重要，除採用傳統的位置、速度、加速度等感測器外，裝配、焊接機器人還應用了激光感測器、視覺感測器和力感測器，並實現了焊縫自動跟蹤和自動化生產線上物體的自動定位以及精密裝配作業等，大大提高了機器人的作業性能和對環境的適應性。

遙控機器人則採用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多感測器的融合技術來進行環境建模及決策控制。為進一步提高機器人的智能和適應性，多種感測器的使用是其問題解決的關鍵。其研究熱點在於有效可行的多感測器融合演算法，特別是在非線性及非平穩、非正態分布的情形下的多感測器融合演算法。另一問題就是感測系統的實用化。

機器人遙控和監控技術

在一些諸如核輻射、深水、有毒等高危險環境中進行焊接或其它作業，需要有遙控的機器人代替人去工作。當代遙控機器人系統的發展特點不是追求全自治系統，而是致力於操作者與機器人的人機交互控制，即遙控加局部自主系統構成完整的監控遙控操作系統，使智能機器人走出實驗室進入實用化階段。

虛擬機器人技術

虛擬現實技術在機器人中的作用已從模擬、預演發展到用於過程式控制制，如使遙控機器人操作者產生置身於遠端作業環境中的感覺來操縱機器人。基於多感測器、多媒體和虛擬現實以及臨場感技術，實現機器人的虛擬遙操作和人機交互。

⑥ 工業機器人的技術原理是什麼

工業機器人的技術原理：
機器人控制系統是機器人的大腦，是決定機器人功能和性能的主要因素。
工業機器人控制技術的主要任務就是控制工業機器人在工作空間中的運動位置、姿態和軌跡、操作順序及動作的時間等。具有編程簡單、軟體菜單操作、友好的人機交互界面、在線操作提示和使用方便等特點。
關鍵技術包括：
(1)開放性模塊化的控制系統體系結構：採用分布式CPU計算機結構，分為機器人控制器(RC)，運動控制器(MC)，光電隔離I/O控制板、感測器處理板和編程示教盒等。機器人控制器(RC)和編程示教盒通過串口/CAN匯流排進行通訊。機器人控制器(RC)的主計算機完成機器人的運動規劃、插補和位置伺服以及主控邏輯、數字I/O、感測器處理等功能，而編程示教盒完成信息的顯示和按鍵的輸入。
(2)模塊化層次化的控制器軟體系統：軟體系統建立在基於開源的實時多任務操作系統Linux上，採用分層和模塊化結構設計，以實現軟體系統的開放性。整個控制器軟體系統分為三個層次：硬體驅動層、核心層和應用層。三個層次分別面對不同的功能需求，對應不同層次的開發，系統中各個層次內部由若干個功能相對對立的模塊組成，這些功能模塊相互協作共同實現該層次所提供的功能。
(3)機器人的故障診斷與安全維護技術：通過各種信息，對機器人故障進行診斷，並進行相應維護，是保證機器人安全性的關鍵技術。
(4)網路化機器人控制器技術：當前機器人的應用工程由單台機器人工作站向機器人生產線發展，機器人控制器的聯網技術變得越來越重要。控制器上具有串口、現場匯流排及乙太網的聯網功能。可用於機器人控制器之間和機器人控制器同上位機的通訊，便於對機器人生產線進行監控、診斷和管理。

⑦ 工業機器人涉及那些技術

四、工業機器人關鍵技術1.機器人基本系統構成工業機器人由3大部分6個子系統組成。3大部分是機械部分、感測部分和控制部分。6個子系統可分為機械結構系統、驅動系統、感知系統、機器人環境交互系統、人機交互系統和控制系統。
工業機器人系統構成1)工業機器人的機械結構系統由機座、手臂、末端操作器三大部分組成，每一個大件都有若干個自由度的機械繫統。若基座具備行走機構，則構成行走機器人；若基座不具備行走及彎腰機構，則構成單機器人臂。手臂一般由上臂、下臂和手腕組成。末端操作器是直接裝在手腕上的一個重要部件，它可以是二手指或多手指的手抓，也可以是噴漆槍、焊具等作業工具。2)驅動系統，要使機器人運作起來，需要在各個關節即每個運動自由度上安置傳動裝置，這就是驅動系統。驅動系統可以是液壓傳動、氣壓傳動、電動傳動、或者把它們結合起來應用綜合系統，可以是直接驅動或者通過同步帶、鏈條、輪系、諧波齒輪等機械傳動機構進行間接傳動。3)感知系統由內部感測器模塊和外部感測器模塊組成，用以獲得內部和外部環境狀態中有意義的信息。智能感測器的使用提高了機器人的機動性、適應性和智能化的水準。人類的感受系統對感知外部世界信息是極其靈巧的，然而，對於一些特殊的信息，感測器比人類的感受系統更有效。4)機器人環境交換系統是現代工業機器人與外部環境中的設備互換聯系和協調的系統。工業機器人與外部設備集成為一個功能單元，如加工單元、焊接單元、裝配單元等。當然，也可以是多台機器人、多台機床或設備、多個零件存儲裝置等集成為一個去執行復雜任務的功能單元。5)人機交換系統是操作人員與機器人控制並與機器人聯系的裝置，例如，計算機的標准終端，指令控制台，信息顯示板，危險信號報警器等。該系統歸納起來分為兩大類：指令給定裝置和信息顯示裝置。6)機器人控制系統是機器人的大腦，是決定機器人功能和性能的主要因素。控制系統的任務是根據機器人的作業指令程序以及感測器反饋回來的信號支配機器人的執行機構去完成規定的運動和功能。假如工業機器人不具備信息反饋特徵，則為開環控制系統；若具備信息反饋特徵，則為閉環控制系統。根據控制原理，控制系統可分為程序控制系統、適應性控制系統和人工智慧控制系統。根據控制運行的形式，控制系統可分為點位控制和軌跡控制。點位型只控制執行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。控制系統的任務是根據機器人的作業指令程序以及感測器反饋回來的信號支配機器人的執行機構去完成規定的運動和功能。假如工業機器人不具備信息反饋特徵，則為開環控制系統；若具備信息反饋特徵，則為閉環控制系統。根據控制原理，控制系統可分為程序控制系統、適應性控制系統和人工智慧控制系統。根據控制運行的形式，控制系統可分為點位控制和軌跡控制。一套完整的工業機器人包括機器人本體、系統軟體、控制櫃、外圍機械設備、CCD視覺、夾具/抓手、外圍設備PLC控制櫃、示教器/示教盒。
工業機器人設備下面重點對機器人的驅動系統、感知系統作出介紹。2.機器人的驅動系統工業機器人的驅動系統，按動力源分為液壓，氣動和電動三大類。根據需要也可由這三種基本類型組合成復合式的驅動系統。這三類基本驅動系統的各有自己的特點。液壓驅動系統：由於液壓技術是一種比較成熟的技術。它具有動力大、力(或力矩)與慣量比大、快速響應高、易於實現直接驅動等特點。適於在承載能力大，慣量大以及在防焊環境中工作的這些機器人中應用。但液壓系統需進行能量轉換(電能轉換成液壓能)，速度控制多數情況下採用節流調速，效率比電動驅動系統低。液壓系統的液體泄泥會對環境產生污染，工作雜訊也較高。因這些弱點，近年來，在負荷為100kg以下的機器人中往往被電動系統所取代。青島華東工程機械有限公司研製的全液壓重載機器人如圖所示。其大跨度的承載可達到2000kg，機器人的活動半徑可達到近6m，應用在鑄鍛行業。
全液壓重載機器人
氣壓驅動具有速度快、系統結構簡單、維修方便、價格低等優點。但是由於氣壓裝置的工作壓強低，不易精確定位，一般僅用於工業機器人末端執行器的驅動。氣動手抓、旋轉氣缸和氣動吸盤作為末端執行器可用於中、小負荷的工件抓取和裝配。氣動吸盤和氣動機器人手爪如圖所示。
氣動吸盤和氣動機器人手爪電機驅動是現代工業機器人的一種主流驅動方式，分為4大類電機：直流伺服電機、交流伺服電機、步進電機和直線電機。直流伺服電機和交流伺服電機採用閉環控制，一般用於高精度、高速度的機器人驅動；步進電機用於精度和速度要求不高的場合，採用開環控制；直線電機及其驅動控制系統在技術上已日趨成熟，已具有傳統傳動裝置無法比擬的優越性能，例如適應非常高速和非常低速應用、高加速度，高精度，無空回、磨損小、結構簡單、無需減速機和齒輪絲杠聯軸器等。鑒於並聯機器人中有大量的直線驅動需求，因此直線電機在並聯機器人領域已經得到了廣泛應用。3.機器人的感知系統機器人感知系統把機器人各種內部狀態信息和環境信息從信號轉變為機器人自身或者機器人之間能夠理解和應用的數據、信息，除了需要感知與自身工作狀態相關的機械量，如位移、速度、加速度、力和力矩外，視覺感知技術是工業機器人感知的一個重要方面。視覺伺服系統將視覺信息作為反饋信號，用於控制調整機器人的位置和姿態。這方面的應用主要體現在半導體和電子行業。機器視覺系統還在質量檢測、識別工件、食品分揀、包裝的各個方面得到了廣泛應用。通常，機器人視覺伺服控制是基於位置的視覺伺服或者基於圖像的視覺伺服，它們分別又稱為三維視覺伺服和二維視覺伺服，這兩種方法各有其優點和適用性，同時也存在一些缺陷，於是有人提出了2.5維視覺伺服方法。基於位置的視覺伺服系統，利用攝像機的參數來建立圖像信息與機器人末端執行器的位置/姿態信息之間的映射關系，實現機器人末端執行器位置的閉環控制。末端執行器位置與姿態誤差由實時拍攝圖像中提取的末端執行器位置信息與定位目標的幾何模型來估算，然後基於位置與姿態誤差，得到各關節的新位姿參數。基於位置的視覺伺服要求末端執行器應始終可以在視覺場景中被觀測到，並計算出其三維位置姿態信息。消除圖像中的干擾和雜訊是保證位置與姿態誤差計算準確的關鍵。二維視覺伺服通過攝像機拍攝的圖像與給定的圖像（不是三維幾何信息）進行特徵比較，得出誤差信號。然後，通過關節控制器和視覺控制器和機器人當前的作業狀態進行修正，使機器人完成伺服控制。相比三維視覺伺服，二維視覺伺服對攝像機及機器人的標定誤差具有較強的魯棒性，但是在視覺伺服控制器的設計時，不可避免地會遇到圖像雅克比矩陣的奇異性以及局部極小等問題。針對三維和二維視覺伺服方法的局限性，F.Chaumette等人提出了2.5維視覺伺服方法。它將攝像機平動位移與旋轉的閉環控制解耦，基於圖像特徵點，重構物體三維空間中的方位及成像深度比率，平動部分用圖像平面上的特徵點坐標表示。這種方法能成功地把圖像信號和基於圖像提取的位姿信號進行有機結合，並綜合他們產生的誤差信號進行反饋，很大程度上解決了魯棒性、奇異性、局部極小等問題。但是，這種方法仍存在一些問題需要解決，如怎樣確保伺服過程中參考物體始終位於攝像機視野之內，以及分解單應性矩陣時存在解不唯一等問題。在建立視覺控制器模型時，需要找到一種合適的模型來描述機器人的末端執行器和攝像機的映射關系。圖像雅克比矩陣的方法是機器人視覺伺服研究領域中廣泛使用的一類方法。圖像的雅克比矩陣是時變的，所以，需要在線計算或估計。4.機器人關鍵基礎部件機器人共4大組成部分，本體成本佔22%，伺服系統佔24%，減速器佔36%，控制器佔12%。機器人關鍵基礎部件是指構成機器人傳動系統，控制系統和人機交互系統，對機器人性能起到關鍵影響作用，並具有通用性和模塊化的部件單元。機器人關鍵基礎部件主要分成以下三部分：高精度機器人減速機，高性能交直流伺服電機和驅動器，高性能機器人控制器等。1）減速機減速機是機器人的關鍵部件，目前主要使用兩種類型的減速機：諧波齒輪減速機和RV減速機。

諧波傳動方法由美國發明家C.WaltMusser於20世紀50年代中期發明。諧波齒輪減速機主要由波發生器、柔性齒輪和剛性齒輪3個基本構件組成，依靠波發生器使柔性齒輪產生可控彈性變形，並與剛性齒輪相嚙合來傳遞運動和動力，單級傳動速比可達70～1000，藉助柔輪變形可做到反轉無側隙嚙合。與一般減速機比較，輸出力矩相同時，諧波齒輪減速機的體積可減小2/3，重量可減輕1/2。柔輪承受較大的交變載荷，因而其材料的抗疲勞強度、加工和熱處理要求較高，製造工藝復雜，柔輪性能是高品質諧波齒輪減速機的關鍵。
諧波齒輪減速機傳動原理德國人LorenzBaraen於1926年提出擺線針輪行星齒輪傳動原理，日本帝人株式會社（TEIJINSEIKICo.，Ltd）於20世紀80年代率先開發了RV減速機。RV減速機由一個行星齒輪減速機的前級和一個擺線針輪減速機的後級組成。相比於諧波齒輪減速機，RV減速機具有更好的回轉精度和精度保持性。
減速機陳仕賢發明了活齒傳動技術。第四代活齒傳動——全滾動活齒傳動（oscillatory roller transmission，ORT）已成功地應用到多種工業產品中。在ORT基礎上提出的復式滾動活齒傳動（compound oscillatory roller transmission，CORT）不但具有RV傳動類似的優點，而且克服了RV傳動曲軸軸承受力大、壽命低的缺點，進一步提高了使用壽命和承載能力；CORT的結構使其在同樣的精度指標下回差更小，運動精度和剛度更高，緩解了RV傳動要求製造精度高的缺陷，可相對降低加工要求，減少製造成本。CORT是我國自主開發的，擁有自主知識產權。鞍山耐磨合金研究所和浙江恆豐泰減速機製造有限公司均開發成功了機器人用CORT減速機。
ORT減速機 CORT減速機目前在高精度機器人減速機方面，市場份額的75%均兩家日本減速機公司壟斷，分別為提供RV擺線針輪減速機的日本Nabtesco和提供高性能諧波減速機的日本Harmonic Drive。包括 ABB, FANUC, KUKA,MOTOMAN在內國際主流機器人廠商的減速機均由以上兩家公司提供，與國內機器人公司選擇的通用機型有所不同的是，國際主流機器人廠商均與上述兩家公司簽訂了戰略合作關系，提供的產品大部分為在通用機型基礎上根據各廠商的特殊要求進行改進後的專用型號。國內在高精度擺線針輪減速機方面研究起步較晚，僅在部分院校，研究所有過相關研究。目前尚無成熟產品應用於工業機器人。近年來國內部分廠商和院校開始致力高精度擺線針輪減速機的國產化和產業化研究，如浙江恆豐泰，重慶大學機械傳動國家重點實驗室，天津減速機廠，秦川機床廠，大連鐵道學院等。在諧波減速機方面，國內已有可替代產品，如北京中技克美，北京諧波傳動所，但是相應產品在輸入轉速，扭轉高度，傳動精度和效率方面與日本產品還存在不小的差距，在工業機器人上的成熟應用還剛剛起步。國內外工業機器人主流高精度諧波減速機性能比較如下表所示。
表1 主流高精度諧波減速機性能比較註：上表比較數據來自相近型號：HD ：CSF-17-100中技克美：XB1-40-100傳動效率測試工況：輸入轉速1000r/min，溫度40°扭轉剛度測試條件：20%額定扭矩內國內外工業機器人主流高精度擺線針輪減速機性能比較如下表所示。
表2 主流高精度RV擺線針輪減速機性能比較註：上表比較數據來自相近型號：RV：100CCYCLO：F2CF-C35傳動效率測試工況：輸出轉速15r/min，額定扭矩2）伺服電機在伺服電機和驅動方面，目前歐系機器人的驅動部分主要由倫茨，Lust，博世力士樂等公司提供，這些歐系電機及驅動部件過載能力，動態響應好，驅動器開放性強，且具有匯流排介面，但是價格昂貴。而日系品牌工業機器人關鍵部件主要由安川，松下，三菱等公司提供，其價格相對降低，但是動態響應能力較差，開放性較差，且大部分只具備模擬量和脈沖控制方式。國內近年來也開展了大功率交流永磁同步電機及驅動部分基礎研究和產業化，如哈爾濱工業大學，北京和利時，廣州數控等單位，並且具備了一點的生產能力，但是其動態性能，開放性和可靠性還需要更多的實際機器人項目應用進行驗證。
3）控制器在機器人控制器方面，目前國外主流機器人廠商的控制器均為在通用的多軸運動控制器平台基礎上進行自主研發。目前通用的多軸控制器平台主要分為以嵌入式處理器（DSP，POWER PC）為核心的運動控制卡和以工控機加實時系統為核心的PLC系統，其代表分別是Delta Tau的PMAC卡和Beckhoff的TwinCAT系統。國內的在運動控制卡方面，固高公司已經開發出相應成熟產品，但是在機器人上的應用還相對較少。5.機器人操作系統通用的機器人操作系統（robot operating system，ROS）是為機器人而設計的標准化的構造平台，它使得每一位機器人設計師都可以使用同樣的操作系統來進行機器人軟體開發。ROS將推進機器人行業向硬體、軟體獨立的方向發展。硬體、軟體獨立的開發模式，曾極大促進了PC、筆記本電腦和智能手機技術的發展和快速進步。ROS的開發難度比計算機操作系統更大，計算機只需要處理一些定義非常明確的數學運算任務，而機器人需要面對更為復雜的實際運動操作。ROS提供標准操作系統服務，包括硬體抽象、底層設備控制、常用功能實現、進程間消息以及數據包管理。ROS分成兩層，低層是操作系統層，高層則是用戶群貢獻的機器人實現不同功能的各種軟體包。現有的機器人操作系統架構主要有基於linux的Ubuntu開源操作系統。另外，斯坦福大學、麻省理工學院、德國慕尼黑大學等機構已經開發出了各類ROS系統。微軟機器人開發團隊2007年也曾推出過一款「Windows機器人版」。6.機器人的運動規劃為了提高工作效率，且使機器人能用盡可能短的時間完成特定的任務，必須有合理的運動規劃。離線運動規劃分為路徑規劃和軌跡規劃。路徑規劃的目標是使路徑與障礙物的距離盡量遠同時路徑的長度盡量短；軌跡規劃的目的主要是機器人關節空間移動中使得機器人的運行時間盡可能短，或者能量盡可能小。軌跡規劃在路徑規劃的基礎上加入時間序列信息，對機器人執行任務時的速度與加速度進行規劃，以滿足光滑性和速度可控性等要求。示教再現是實現路徑規劃的方法之一，通過操作空間進行示教並記錄示教結果，在工作過程中加以復現，現場示教直接與機器人需要完成的動作對應，路徑直觀且明確。缺點是需要經驗豐富的操作工人，並消耗大量的時間，路徑不一定最優化。為解決上述問題，可以建立機器人虛擬模型，通過虛擬的可視化操作完成對作業任務的路徑規劃。路徑規劃可在關節空間中進行。Gasparetto以五次B樣條為關節軌跡的插值函數，並將加加速度的平方相對於運動時間的積分作為目標函數進行優化，以確保各個關節運動足夠光滑。劉松國通過採用五次B樣條對機器人的關節軌跡進行插補計算，機器人各個關節的速度、加速度端點值，可根據平滑性要求進行任意配置。另外，在關節空間的軌跡規劃可避免操作空間的奇異性問題。Huo等人設計了一種關節空間中避免奇異性的關節軌跡優化演算法，利用6自由度弧焊機器人在任務過程中某個關節功能上的冗餘，將機器人奇異性和關節限製作為約束條件，採用TWA方法進行優化計算。關節空間路徑規劃與操作空間路徑規劃對比，具有以下優點：①避免了機器人在操作空間中的奇異性問題；②由於機器人的運動是通過控制關節電機的運動，因此在關節空間中，避免了大量的正運動學和逆運動學計算；③關節空間中各個關節軌跡便於控制的優化。
五、工業機器人分類
工業機器人按不同的方法可分下述類型：
工業機器人分類1.從機械結構來看，分為串聯機器人和並聯機器人。1）串聯機器人的特點是一個軸的運動會改變另一個軸的坐標原點，在位置求解上，串聯機器人的正解容易，但反解十分困難；2）並聯機器人採用並聯機構，其一個軸的運動則不會改變另一個軸的坐標原點。並聯機器人具有剛度大、結構穩定、承載能力大、微動精度高、運動負荷小的優點。其正解困難反解卻非常容易。串聯機器人和並聯機器人如圖所示。
串聯機器人 並聯機器人2.工業機器人按操作機坐標形式分以下幾類：（坐標形式是指操作機的手臂在運動時所取的參考坐標系的形式。）1）直角坐標型工業機器人其運動部分由三個相互垂直的直線移動（即PPP）組成，其工作空間圖形為長方形。它在各個軸向的移動距離，可在各個坐標軸上直接讀出，直觀性強，易於位置和姿態的編程計算，定位精度高，控制無耦合，結構簡單，但機體所佔空間體積大，動作范圍小，靈活性差，難與其他工業機器人協調工作。2）圓柱坐標型工業機器人其運動形式是通過一個轉動和兩個移動組成的運動系統來實現的，其工作空間圖形為圓柱，與直角坐標型工業機器人相比，在相同的工作空間條件下，機體所佔體積小，而運動范圍大，其位置精度僅次於直角坐標型機器人，難與其他工業機器人協調工作。3）球坐標型工業機器人球坐標型工業機器人又稱極坐標型工業機器人，其手臂的運動由兩個轉動和一個直線移動（即RRP,一個回轉，一個俯仰和一個伸縮運動）所組成，其工作空間為一球體，它可以作上下俯仰動作並能抓取地面上或教低位置的協調工件，其位置精度高，位置誤差與臂長成正比。4）多關節型工業機器人又稱回轉坐標型工業機器人，這種工業機器人的手臂與人一體上肢類似，其前三個關節是回轉副（即RRR），該工業機器人一般由立柱和大小臂組成，立柱與大臂見形成肩關節，大臂和小臂間形成肘關節，可使大臂做回轉運動和俯仰擺動，小臂做仰俯擺動。其結構最緊湊，靈活性大，佔地面積最小，能與其他工業機器人協調工作，但位置精度教低，有平衡問題，控制耦合，這種工業機器人應用越來越廣泛。5）平面關節型工業機器人它採用一個移動關節和兩個回轉關節（即PRR），移動關節實現上下運動，而兩個回轉關節則控制前後、左右運動。這種形式的工業機器人又稱（SCARA(Seletive Compliance Assembly Robot Arm)裝配機器人。在水平方向則具有柔順性，而在垂直方向則有教大的剛性。它結構簡單，動作靈活，多用於裝配作業中，特別適合小規格零件的插接裝配，如在電子工業的插接、裝配中應用廣泛。3.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：1）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。2）示教輸入型的示教方法有兩種：示教盒示教和操作者直接領動執行機構示教。示教盒示教由操作者用手動控制器（示教盒），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。採用示教盒進行示教的工業機器人使用比較普遍，一般的工業機器人均配置示教盒示教功能，但是對於工作軌跡復雜的情況，示教盒示教並不能達到理想的效果，例如用於復雜曲面的噴漆工作的噴漆機器人。
機器人示教盒由操作者直接領動執行機構進行示教，則是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。
六、工業機器人性能評判指標表示機器人特性的基本參數和性能指標主要有工作空間、自由度、有效負載、運動精度、運動特性、動態特性等。