工业机器人核心关键技术是什么

① 工业机器人的操作机主要由哪几个部分组成

由犀灵工业机器人培训中心老师所介绍的，工业机器人主要构成及成本结构主要为以下：

工业机器人主要由四大部分构成：精密减速器、伺服电机、控制系统与本体。下图中百分比是各部分整个机器人的成本比例，可以很轻易看出减速器和机器人本体占机器人的成本比重是很大的。

减速器用于提高和确保机器人的工作精度；

伺服电机主要用于反馈和修正位置、速度等参数；

控制系统是按照输入的程序对驱动系统和执行机构发出指令信号，并进行控制。

本体是机器人外面最直接的机械结构。

1.减速器

减速器是一种动力传达机构，以齿轮为核心，由皮带轮、传送带、链齿轨、链条组合出各类制品，其功能均在于“降低动力旋转速度，输出与减速比相配的扭矩（力）”，即“降低速度，将较小的力转换为较大的力”。

目前应用于机器人领域的减速机主要有两种，一种是RV减速机，另一种是谐波减速机。在关节型机器人中，由于RV减速机具有更高的刚度和回转精度，一般将RV减速机放置在机座、大臂、肩部等重负载的位置，价格也较高，而将谐波减速机放置在小臂、腕部或手部。另外一种行星减速机主要应用于简单机器人。占据60%机器人市场份额的发那科、ABB、安川电机、库卡四大家族都是向纳博特斯克和哈默纳科采购，因而短期博特斯克和哈默纳科主导市场的格局仍难以改变，其余市场被住友、SEJINIGB、SPINEA等占据。近年来尽管与日本产品在输入转速、传动精度、传动效率等方面存在较大差距，积极介入的国内减速机厂商并逐步形成了自己的产品系列，并实现批量生产，如苏州绿的谐波传动科技的谐波减速机，南通振康的RV减速机。

2.伺服电机

伺服技术是工业机器人的关键技术，在机器认成本组成里仅次于减速器。

伺服系统主要分为两部分，一是伺服电机，二是控制器。

（1）伺服电机主要用于驱动机器人的关节，要求具备最大功率质量比和扭矩惯量比、高启动转矩、低惯量和较宽广且平滑的调速范围；

（2）控制器可对其内部参数进行人工设定而实现对机器人的位置控制、速度控制和转矩控制等多种功能。

目前，国外伺服企业在中国的市场占有率达80%，其中日本品牌占比为50%，其着名品牌包括松下、三菱电机、安川、三洋、富士等，产品特点是：技术和性能水平比较符合中国用户的需求；欧美品牌占比30%，美国以罗克韦尔、丹纳赫、帕光等闻名，而德国则拥有西门子、伦茨、博世力士乐、施耐德等品牌。国产品牌占据了20%的市场，其中内地品牌和台湾品牌分别占据10%的市场，中国台湾以东元和台达为代表，其技术水准和价格水平居于进口中端产品和内地品牌之间；中国内地的品牌主要有华中数控、广数等。

3.控制系统

机器人控制系统是机器人的重要组成部分，用于对操作机的控制，以完成特定的工作任务。

机器人控制器包含运动控制卡、示教盒和主计算机模块。运动控制卡是控制器的底层结构，有时也可以作为简单控制器。其产品和研究主要集中于美国和日本，并有成熟的产品；示教盒是机器人控制系统的重要组成部分，操作者通过示教盒进行手动示教，控制机器人达到不同位姿，并记录各个位姿坐标；主计算机模块是整个控制系统的中枢部分，主要包括主板、CPU、FROM/SRAM组件及伺服卡，负责控制器内部及外围设备的信号交换和处理。

国外系统集成商因为专注于机器人普及率高，国外大型系统集成商通常是在某种工艺里面具有很强的竞争优势。与国内本体厂商面对国外企业强大的竞争不同，国内系统集成商却拥有本土的许多比较优势，包括渠道优势、价格优势、工程师红利等。系统集成项目是非标准化的，每个项目都不一样，不能100%复制，所以比较难上规模。因此，系统集成商很难通过并购的方式扩张规模。按工业机器人的需求及更新市场规模测算，2020年我国工业机器人控制器的市场需求33亿元左右。此外，控制器的使用不仅仅局限在工业机器人领域，在其它高端设备上的应用也非常普遍。机器人控制器的主要供应商主要包括包括国外的几大主机厂商和国内的众为兴、固高科技等企业。目前国内企业开发的控制器可满足基本功能需求。从目前的技术来看，机器人的核心部件中控制器偏软件（其软件成本占比约40%）最易突破，目前国内企业开发的工业机器人控制器产品已经可以满足大部分功能需求，固高科技在PC based控制器领域市占率接近50%。国外的机器人四大巨头中，除了安川电机的机器人控制器属于外购，其它三家企业均采用自制的控制器。

4.本体

机器人本体作为机器人行业最为直接的表现者，关系到机器人的终端应用市场。

国外的机器人本体企业凭借长时间的技术和经验积累，在技术上明显强于国内机器人本体，因此，当前，国外的机器人本体厂商占据了我国机器人市场约90%的份额。

② 中国制造2025在机器人领域的重点有些什么

工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器人，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、码垛和SMT）、产品检测和测试等，具有高效性、持久性、高效率和准确性。

工业机器人是先进制造业的关键支撑装备。大力发展工业机器人产业，对于打造中国制造新优势，推动工业转型升级，加快制造强国建设具有重要意义。

发展工业机器人，要重点打造四种基本能力，五种关键零部件，六种标志性产品。

四项基础能力

一、机器人共性关键技术

在工业领域，共性关键技术大致可分为两类：

1.工业机器人关键技术：重点突破高性能工业机器人工业设计、运动控制、精确参数辨识补偿、协同作业与调度、示教/编程等关键技术。

2.新一代机器人技术：重点开展人工智能、机器人深度学习等基础前沿技术研究，突破机器人通用控制软件平台、人机共存、安全控制、高集成一体化关节、灵巧手等核心技术。

为加强共性关键技术研究，《机器人产业发展规划（2016－2020年）》强调，针对智能制造和工业转型升级对工业机器人的需求，重点突破制约我国机器人发展的共性关键技术。积极跟踪机器人未来发展趋势，提早布局新一代机器人技术的研究。

二、机器人创新中心

《机器人产业发展规划（2016－2020年）》强调，充分利用和整合现有科技资源和研发力量，组建面向全行业的机器人创新中心，打造政产学研用紧密结合的协同创新载体。

重点围绕人工智能、感知与识别、机构与驱动、控制与交互等，开展基础和共性关键技术研究，深入开展高端制造业领域的前沿基础研究和应用基础研究，推进科技成果的转移扩散和商业化应用，强化国际交流与合作，培养机器人专业研发设计人才。

三、机器人产业标准

《机器人产业发展规划（2016－2020年）》强调，要发挥企业参与制修订标准的积极性，研究制订一批机器人国家标准、行业标准和团体标准，主要包括机器人用RV减速机通用技术条件等通用技术标准、机器人整机电磁兼容技术要求和试验方法等检测标准、工业机器人编程和操作图形用户接口等通信控制标准、设计平台标准和喷涂机器人系统应用规范等应用标准。

四、国家机器人检测与评定中心

《机器人产业发展规划（2016－2020年）》强调，建立并完善以国家机器人检测与评定中心为代表的机器人检验与认证机构，面向机器人整机及关键功能部件两方面内容开展检测与评定工作。

整机性能评价包括：安全、性能、环境适应性、噪音水平、电磁兼容性、可靠性及测控软件评价等；

功能部件检测评定包括：零件质量、零部件安全及性能、噪声、环境适应性、材质和接口等。

五种关键零部件

一、高精密减速器

精密减速器，在机械传动领域是连接动力源和执行机构之间的中间装置，通常它把电动机、内燃机等高速运转的动力通过输入轴上的小齿轮，啮合输出轴上的大齿轮，从而达到降低转速，增加转矩的目的。

没有减速器，机器人关节臂就不能正常运转。

精密减速机根据精度可分为标准精度和高精度；根据用途可分为军用和民用；根据运行的环境可分为标准环境、低温环境、清洁室环境和真空环境。

目前国际上具备大规模生产能力且产品性能可靠的RV减速器制造企业较少，全球绝大多数市场份额已被日本企业占据。国产减速器价格虽然便宜，供货期短，但产品性能与国外产品存在较大差距。因此，国产减速器大多只能供给中、低端机器人使用，无法满足高端机器人市场需求。

为此，《机器人发展规划》明确，通过发展高强度耐磨材料技术、加工工艺优化技术、高速润滑技术、高精度装配技术、可靠性，探索寿命检测技术以及新型传动机理，发展适合机器人应用的高效率、低重量、长期免维护的系列化减速器。

二、高性能机器人专用伺服电机和驱动器

伺服电机作为控制系统中的执行元件，是影响机器人工作性能的主要因素之一。机器人伺服系统由伺服电机、伺服驱动器、指令机构三大部分构成，伺服电机是执行机构，就是靠它来实现运动的，伺服驱动器是伺服电机的功率电源，指令机构是发脉冲或者给速度用于配合伺服驱动器正常工作的。

目前，高启动转矩、大转矩、低惯量的交、直流伺服电动机在工业机器人中得到广泛的应用。国产伺服电机在以下方面仍需突破：

一是外形普遍较长，外观粗糙，很难应用在一些高档机器人上面。

二是信号接插件的可靠性需要改进，而且需要朝小型化、高密度化以及与伺服电机本体的集成设计的方向优化，方便安装、调试、更换。

三是另一项核心技术——高精度的编码器，尤其机器人上用的多圈绝对值编码器，严重依赖进口，是制约我国高档机器人发展的很大瓶颈。

四是缺失基础性研究，包括绝对值编码器技术、高端电机的产业化制造技术等等。

五是伺服系统各部分产业协同不够，导致伺服电机和驱动系统整体性能难以发挥。

伺服电机不仅直接关乎国内机器人企业的市场竞争力，长远来看，对于整个中国机器人产业的发展具有战略意义。为此《机器人发展规划》特别强调，通过高磁性材料优化、一体化优化设计、加工装配工艺优化等技术的研究，提高伺服电机的效率，降低功率损失，实现高功率密度。发展高力矩直接驱动电机、盘式中空电机等机器人专用电机。

三、高速高性能控制器

指挥机器人工作的是人类吗？不，是控制器。工业机器人控制器主要控制机器人在工作空间中的运动位置、姿态和轨迹，操作顺序及动作的时间等。

控制器是发布命令的“决策机构”，是自动化工厂的大脑。掌握控制器的主导权，相当于控制了机器人的性能。在中国，四大家族的控制器市场占比为53%，其中，发那科占比16%，库卡占比14%，ABB机器人占比12%。而国产品牌控制器市场占比不及16%，可见在中国控制器领域，国产程度较低。

目前国产控制器市场主要存在以下问题：

1、国产控制器可控制的机器人类型齐全，但在操作精度、稳定性、响应速度、易用性等方面还有很大的进步空间。

2、机器人本体和零部件绑定效应强，一般成熟的机器人企业都能实现本体和核心零部件的自主研发和掌控，因此，国产单纯做控制器的企业难以突围。

3、国产控制器性价比高，这个既是优势也是劣势，优势是可占领对机器人精度要求不高的中低端市场和新兴领域；劣势主要表现在对于高端市场，道阻且长。

为此，《机器人发展规划》特别强调，通过高性能关节伺服、振动抑制技术、惯量动态补偿技术、多关节高精度运动解算及规划等技术的发展，提高高速变负载应用过程中的运动精度，改善动态性能。发展并掌握开放式控制器软件开发平台技术，提高机器人控制器可扩展性、可移植性和可靠性。

四、传感器

传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并将其按一定规律转换成电信号或者其他可供测量的信号输出，以满足信息传输、处理、储存、显示、记录、控制等要求。

工业机器人的准确操作取决于对其自身状态、操作对象及作业环境的准确认识，这种认识正是通过传感器实现的。

由于行业起步晚、竞争压力大，我国传感器发展依然面临三大困境。

首先是关键技术尚未突破。传感器的设计技术囊括了多种学科、理论、材料和工艺知识，突破起来十分困难，目前，在人才匮乏、研发成本高昂、企业恶性竞争激烈的情况下，我国还没有突破传感器一些共性关键技术。

其次是产业化能力不足。国内传感器产品不配套且不成系列，重复生产、恶性竞争多发，使得产品可靠性较差、低端偏移较为严重，只能长期依赖国外进口。

再次是资源不集中。目前我国传感器企业有1600余家，但大都以小微企业为主，盈利能力不强，缺乏技术引领的龙头企业，最终导致资金、技术、企业布局、产业结构、市场等方面都变现出分散的状态，资源得不到有效集中，产业发展也迟迟无法走向成熟。

为此，《机器人发展规划》特别强调重点开发关节位置、力矩、视觉、触觉等传感器，满足机器人产业的应用需求。

五、末端执行器

末端执行器指的是任何一个连接在机器人边缘（关节）具有一定功能的工具。这可能包含机器人抓手，机器人工具快换装置，机器人碰撞传感器，机器人旋转连接器，机器人压力工具，顺从装置，机器人喷涂枪，机器人毛刺清理工具，机器人弧焊焊枪，机器人电焊焊枪等等。机器人末端执行器通常被认为是机器人的外围设备，机器人的附件，机器人工具，手臂末端工具（EOA）。

随着工业机器人快速发展，末端执行器也获得了庞大的应用与发展空间。为此，《机器人发展规划》特别强调，要重点开发抓取与操作功能的多指灵巧手和具有快换功能的夹持器等末端执行器，满足机器人产业的应用需求。

六大标志性机器人

中国制造业想要实现智能制造，不仅需要开发、应用多种多样的工业机器人，更要加快发展以全自主编程智能工业机器人、人机协作机器人为代表的六大标志性工业机器人，推进工业机器人向中高端迈进。

1.全自主编程智能工业机器人

根据《机器人产业发展规划》的相关规定，满足智能制造及先进制造业发展的全自主编程工业机器人，自由度要在6以上，适应工件尺寸范围在1m*1m*0.3m以上。该类工业机器人需要具备智能工艺专家系统，自动获取信息，生成作业程序（全过程非示教，自动编程时间小于1秒），以满足喷涂、抛光、打磨等复杂的作业要求。

2.弧焊机器人

弧焊机器人即用于自动弧焊的工业机器人，其组成原理与点焊机器人基本相同，主要应用于各类汽车零部件的焊接生产。弧焊机器人通常由机器人本体、控制系统、示教器、焊接电源、焊枪、焊接夹具、安全防护设施等多个部分组成。

在向中高端升级的过程中，弧焊机器人要广泛应用焊缝轨迹电弧跟踪、高压接触感知、焊缝坡口宽度电弧跟踪等多种关键技术，集中研发6自由度多关节机器人，达到中厚板弧焊机器人额定负载≥10kg，薄板弧焊机器人额定负载6kg等技术指标。

3.人机协作机器人

人机协作机器人是与人类在共同工作空间中有近距离互动的机器人，是当下工业机器人领域的发展重点。以往大部分的工业机器人是自动作业或是在有限的导引下作业，不需要考虑和人类近距离互动。而随着工业4.0越来越近，人与机器携手合作、发挥各自的专长，也就越来越必要，越来越迫切了。

面向未来智造趋势的人机协作机器人，应是6自由度以上的多关节机器人，自重负载比小于4，重复定位精度±0.05mm，力控精度<5N，碰撞安全监测响应时间<0.3s，选配本体感应皮肤的整臂安全感应距离<1cm，防护等级IP54。应适用于柔性、灵活度和精准度要求较高的行业（如电子、医药、精密仪器等），同时满足更多工业生产中的操作需要。

4.重载AGV

AGV即无人搬运车(Automated Guided vehicle)的简称。通过装备自动化导引装置，AGV可以沿规定路径行驶，并完成物料搬运与安全保护，可代替叉车及拖车等传统搬运设备，实现少人化乃至无人化操作。

AGV机器人具有极高的工作效率，不仅大大降低了人工成本，也极大地减少了工作中的意外事故，因此在工业领域异常火热，也是未来智能制造领域必不可少的搬运装备。

在促进工业机器人迈向中高端领域的过程中，重载机器人是一大标志性产品。根据《机器人发展规划》，重载AGV的指标有以下几项——

驱动方式：全轮驱动；最大负载能力40000Kg；最大速度：直线20m/min；转弯半径：2m；辅助磁导航精度：±10mm；防碰装置：激光防碰；举升装置：车体自举升；举升行程：最大100mm。

5.双臂机器人

随着现代制造业不断向智能制造方向迈进，单臂机器人的局限性越来越明显，不能完成的工作任务、不能适应工作场景越来越多。在此情况下，双臂机器人应运而生。双臂双动力器人模仿了人体双臂的协作原理、具备双臂分别操作功能。双臂甚至多臂协作机器人，完美适应并有效促进了智能制造，实现了机器与人的完美协同、共存共享。

根据《机器人产业发展规划》，双臂机器人的核心指标包括以下几个方面——

每个单臂6自由度以上，关节转动速度≥±180°/s，双臂平均功耗<500W，拥有双臂碰撞检测的路径规划功能，集成双目视觉定位误差<1mm，2指/3指柔性手爪行程≥50mm，抓取力≥30N，重复定位精度±0.05mm，适用于3C电子等行业的零件组装产线。

6.真空（洁净）机器人

真空（洁净）机器人是一种在真空环境下工作的机器人，主要应用于半导体工业中，实现晶圆在真空腔室内的传输。研发真空机器人的关键技术包括真空环境下传动润滑、直驱控制、动态偏差检测与校正及碰撞检测与保护等。

真空机械手通用性强、用量大、受限制、难进口，是制约半导体装备整机的研发进度和整机产品竞争力的关键部件，当下已成为严重制约我国半导体设备整机装备制造的“卡脖子”问题。

根据相关政策标准，符合我国智能制造确实的真空机器人，应满足真空最大负载15kg，洁净最大负载210kg，重复定位精度±0.05～0.1mm等核心指标。

③ 工业机器人主要控制技术有哪些

工业机器人控制技术的主要任务就是控制工业机器人在工作空间中的运动位置，姿态和轨迹、操作顺序及动作的时间等。具有编程简单、软件菜单操作、友好的人机交互界面等特点。对机器人驱动系统的测试的一个重点就是电机响应测试，这具体可参考致远电子的电机测试系统。

④ 简述工业机器人主要应用场合

1、输送线。

机器人系统：通过机器人在特定工位上准确、快速完成部件的装配，能使生产线达到较高的自动化程度；机器人可遵照一定的原则相互调整，满足工艺点的节拍要求；备有与上层管理系统的通信接口。

机器人及输送线物流自动化系统可应用于建材、家电、电子、化纤、汽车、食品等行业。

2、涂胶。

机器人涂胶工作站是机器人中心研制开发的机器人应用系统，主要包括机器人、供胶系统、涂胶工作台、工作站控制系统及其它周边配套设备。

为了提高系统的可靠性，涂胶工作站中的机器人和供胶系统，一般采用国外产品，根据用户的需求，进行工作台、控制柜及周边配套设备的设计制造，并完成涂胶系统的集成。

该工作站自动化程度高，适用于多品种、大批量生产，可广泛地应用于汽车风挡、汽车摩托车车灯、建材门窗、太阳能光伏电池涂胶等行业。

3、焊接。

随着电子技术、计算机技术、数控及机器人技术的发展，自动弧焊机器人工作站，从60年代开始用于生产以来，其技术已日益成熟。

4、自动装箱。

机器人自动装箱、码垛工作站是一种集成化的系统，它包括工业机器人、控制器、编程器、机器人手爪、自动拆/叠盘机、托盘输送及定位设备和码垛模式软件等。它还配置自动称重、贴标签和检测及通讯系统，并与生产控制系统相连接，以形成一个完整的集成化包装生产线。

5、自动焊接。

转轴自动焊接工作站用于以转轴为基体（上置若干悬臂）的各类工件的焊接，它由焊接机器人、回转双工位变位机（若干个工位）及工装夹具组成，在同一工作站内通过使用不同的夹具可实现多品种的转轴自动焊接，焊接的相对位置精度很高。

由于采用双工位变位机，焊接的同时，其他工位可拆装工件，极大地提高了效率。

(4)工业机器人核心关键技术是什么扩展阅读

工业机器人由主体、驱动系统和控制系统三个基本部分组成。主体即机座和执行机构，包括臂部、腕部和手部，有的机器人还有行走机构。大多数工业机器人有3～6个运动自由度，其中腕部通常有1～3个运动自由度。

驱动系统包括动力装置和传动机构，用以使执行机构产生相应的动作；控制系统是按照输入的程序对驱动系统和执行机构发出指令信号，并进行控制。

工业机器人按臂部的运动形式分为四种。直角坐标型的臂部可沿三个直角坐标移动；圆柱坐标型的臂部可作升降、回转和伸缩动作；球坐标型的臂部能回转、俯仰和伸缩；关节型的臂部有多个转动关节。

工业机器人按执行机构运动的控制机能，又可分点位型和连续轨迹型。点位型只控制执行机构由一点到另一点的准确定位，适用于机床上下料、点焊和一般搬运、装卸等作业；连续轨迹型可控制执行机构按给定轨迹运动，适用于连续焊接和涂装等作业。

工业机器人按程序输入方式区分有编程输入型和示教输入型两类。编程输入型是将计算机上已编好的作业程序文件，通过RS232串口或者以太网等通信方式传送到机器人控制柜。

⑤ 工业机器人涉及到那些技术

机器人操作机构

通过有限元分析、模态分析及仿真设计等现代设计方法的运用，实现机器人操作机构的优化设计。探索新的高强度轻质材料，进一步提高负载/自重比。

此外采用先进的RV减速器及交流伺服电机，使机器人操作机几乎成为免维护系统。机构向着模块化、可重构方向发展。

机器人控制系统

开放式、模块化的控制系统。向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化;器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构;大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。控制系统的性能进一步提高，已由过去控制标准的6轴机器人发展到现在能够控制21轴甚至27轴，并且实现了软件伺服和全数字控制。人机界面更加友好，语言、图形编程界面正在研制之中。机器人控制器的标准化和网络化，以及基于PC机网络式控制器已成为研究热点。编程技术除进一步提高在线编程的可操作性之外，离线编程的实用化将成为研究重点，在某些领域的离线编程已实现实用化。

机器人传感技术

机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了激光传感器、视觉传感器和力传感器，并实现了焊缝自动跟踪和自动化生产线上物体的自动定位以及精密装配作业等，大大提高了机器人的作业性能和对环境的适应性。

遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制。为进一步提高机器人的智能和适应性，多种传感器的使用是其问题解决的关键。其研究热点在于有效可行的多传感器融合算法，特别是在非线性及非平稳、非正态分布的情形下的多传感器融合算法。另一问题就是传感系统的实用化。

机器人遥控和监控技术

在一些诸如核辐射、深水、有毒等高危险环境中进行焊接或其它作业，需要有遥控的机器人代替人去工作。当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。

虚拟机器人技术

虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。基于多传感器、多媒体和虚拟现实以及临场感技术，实现机器人的虚拟遥操作和人机交互。

⑥ 工业机器人的技术原理是什么

工业机器人的技术原理：
机器人控制系统是机器人的大脑，是决定机器人功能和性能的主要因素。
工业机器人控制技术的主要任务就是控制工业机器人在工作空间中的运动位置、姿态和轨迹、操作顺序及动作的时间等。具有编程简单、软件菜单操作、友好的人机交互界面、在线操作提示和使用方便等特点。
关键技术包括：
(1)开放性模块化的控制系统体系结构：采用分布式CPU计算机结构，分为机器人控制器(RC)，运动控制器(MC)，光电隔离I/O控制板、传感器处理板和编程示教盒等。机器人控制器(RC)和编程示教盒通过串口/CAN总线进行通讯。机器人控制器(RC)的主计算机完成机器人的运动规划、插补和位置伺服以及主控逻辑、数字I/O、传感器处理等功能，而编程示教盒完成信息的显示和按键的输入。
(2)模块化层次化的控制器软件系统：软件系统建立在基于开源的实时多任务操作系统Linux上，采用分层和模块化结构设计，以实现软件系统的开放性。整个控制器软件系统分为三个层次：硬件驱动层、核心层和应用层。三个层次分别面对不同的功能需求，对应不同层次的开发，系统中各个层次内部由若干个功能相对对立的模块组成，这些功能模块相互协作共同实现该层次所提供的功能。
(3)机器人的故障诊断与安全维护技术：通过各种信息，对机器人故障进行诊断，并进行相应维护，是保证机器人安全性的关键技术。
(4)网络化机器人控制器技术：当前机器人的应用工程由单台机器人工作站向机器人生产线发展，机器人控制器的联网技术变得越来越重要。控制器上具有串口、现场总线及以太网的联网功能。可用于机器人控制器之间和机器人控制器同上位机的通讯，便于对机器人生产线进行监控、诊断和管理。

⑦ 工业机器人涉及那些技术

四、工业机器人关键技术1.机器人基本系统构成工业机器人由3大部分6个子系统组成。3大部分是机械部分、传感部分和控制部分。6个子系统可分为机械结构系统、驱动系统、感知系统、机器人环境交互系统、人机交互系统和控制系统。
工业机器人系统构成1)工业机器人的机械结构系统由机座、手臂、末端操作器三大部分组成，每一个大件都有若干个自由度的机械系统。若基座具备行走机构，则构成行走机器人；若基座不具备行走及弯腰机构，则构成单机器人臂。手臂一般由上臂、下臂和手腕组成。末端操作器是直接装在手腕上的一个重要部件，它可以是二手指或多手指的手抓，也可以是喷漆枪、焊具等作业工具。2)驱动系统，要使机器人运作起来，需要在各个关节即每个运动自由度上安置传动装置，这就是驱动系统。驱动系统可以是液压传动、气压传动、电动传动、或者把它们结合起来应用综合系统，可以是直接驱动或者通过同步带、链条、轮系、谐波齿轮等机械传动机构进行间接传动。3)感知系统由内部传感器模块和外部传感器模块组成，用以获得内部和外部环境状态中有意义的信息。智能传感器的使用提高了机器人的机动性、适应性和智能化的水准。人类的感受系统对感知外部世界信息是极其灵巧的，然而，对于一些特殊的信息，传感器比人类的感受系统更有效。4)机器人环境交换系统是现代工业机器人与外部环境中的设备互换联系和协调的系统。工业机器人与外部设备集成为一个功能单元，如加工单元、焊接单元、装配单元等。当然，也可以是多台机器人、多台机床或设备、多个零件存储装置等集成为一个去执行复杂任务的功能单元。5)人机交换系统是操作人员与机器人控制并与机器人联系的装置，例如，计算机的标准终端，指令控制台，信息显示板，危险信号报警器等。该系统归纳起来分为两大类：指令给定装置和信息显示装置。6)机器人控制系统是机器人的大脑，是决定机器人功能和性能的主要因素。控制系统的任务是根据机器人的作业指令程序以及传感器反馈回来的信号支配机器人的执行机构去完成规定的运动和功能。假如工业机器人不具备信息反馈特征，则为开环控制系统；若具备信息反馈特征，则为闭环控制系统。根据控制原理，控制系统可分为程序控制系统、适应性控制系统和人工智能控制系统。根据控制运行的形式，控制系统可分为点位控制和轨迹控制。点位型只控制执行机构由一点到另一点的准确定位，适用于机床上下料、点焊和一般搬运、装卸等作业；连续轨迹型可控制执行机构按给定轨迹运动，适用于连续焊接和涂装等作业。控制系统的任务是根据机器人的作业指令程序以及传感器反馈回来的信号支配机器人的执行机构去完成规定的运动和功能。假如工业机器人不具备信息反馈特征，则为开环控制系统；若具备信息反馈特征，则为闭环控制系统。根据控制原理，控制系统可分为程序控制系统、适应性控制系统和人工智能控制系统。根据控制运行的形式，控制系统可分为点位控制和轨迹控制。一套完整的工业机器人包括机器人本体、系统软件、控制柜、外围机械设备、CCD视觉、夹具/抓手、外围设备PLC控制柜、示教器/示教盒。
工业机器人设备下面重点对机器人的驱动系统、感知系统作出介绍。2.机器人的驱动系统工业机器人的驱动系统，按动力源分为液压，气动和电动三大类。根据需要也可由这三种基本类型组合成复合式的驱动系统。这三类基本驱动系统的各有自己的特点。液压驱动系统：由于液压技术是一种比较成熟的技术。它具有动力大、力(或力矩)与惯量比大、快速响应高、易于实现直接驱动等特点。适于在承载能力大，惯量大以及在防焊环境中工作的这些机器人中应用。但液压系统需进行能量转换(电能转换成液压能)，速度控制多数情况下采用节流调速，效率比电动驱动系统低。液压系统的液体泄泥会对环境产生污染，工作噪声也较高。因这些弱点，近年来，在负荷为100kg以下的机器人中往往被电动系统所取代。青岛华东工程机械有限公司研制的全液压重载机器人如图所示。其大跨度的承载可达到2000kg，机器人的活动半径可达到近6m，应用在铸锻行业。
全液压重载机器人
气压驱动具有速度快、系统结构简单、维修方便、价格低等优点。但是由于气压装置的工作压强低，不易精确定位，一般仅用于工业机器人末端执行器的驱动。气动手抓、旋转气缸和气动吸盘作为末端执行器可用于中、小负荷的工件抓取和装配。气动吸盘和气动机器人手爪如图所示。
气动吸盘和气动机器人手爪电机驱动是现代工业机器人的一种主流驱动方式，分为4大类电机：直流伺服电机、交流伺服电机、步进电机和直线电机。直流伺服电机和交流伺服电机采用闭环控制，一般用于高精度、高速度的机器人驱动；步进电机用于精度和速度要求不高的场合，采用开环控制；直线电机及其驱动控制系统在技术上已日趋成熟，已具有传统传动装置无法比拟的优越性能，例如适应非常高速和非常低速应用、高加速度，高精度，无空回、磨损小、结构简单、无需减速机和齿轮丝杠联轴器等。鉴于并联机器人中有大量的直线驱动需求，因此直线电机在并联机器人领域已经得到了广泛应用。3.机器人的感知系统机器人感知系统把机器人各种内部状态信息和环境信息从信号转变为机器人自身或者机器人之间能够理解和应用的数据、信息，除了需要感知与自身工作状态相关的机械量，如位移、速度、加速度、力和力矩外，视觉感知技术是工业机器人感知的一个重要方面。视觉伺服系统将视觉信息作为反馈信号，用于控制调整机器人的位置和姿态。这方面的应用主要体现在半导体和电子行业。机器视觉系统还在质量检测、识别工件、食品分拣、包装的各个方面得到了广泛应用。通常，机器人视觉伺服控制是基于位置的视觉伺服或者基于图像的视觉伺服，它们分别又称为三维视觉伺服和二维视觉伺服，这两种方法各有其优点和适用性，同时也存在一些缺陷，于是有人提出了2.5维视觉伺服方法。基于位置的视觉伺服系统，利用摄像机的参数来建立图像信息与机器人末端执行器的位置/姿态信息之间的映射关系，实现机器人末端执行器位置的闭环控制。末端执行器位置与姿态误差由实时拍摄图像中提取的末端执行器位置信息与定位目标的几何模型来估算，然后基于位置与姿态误差，得到各关节的新位姿参数。基于位置的视觉伺服要求末端执行器应始终可以在视觉场景中被观测到，并计算出其三维位置姿态信息。消除图像中的干扰和噪声是保证位置与姿态误差计算准确的关键。二维视觉伺服通过摄像机拍摄的图像与给定的图像（不是三维几何信息）进行特征比较，得出误差信号。然后，通过关节控制器和视觉控制器和机器人当前的作业状态进行修正，使机器人完成伺服控制。相比三维视觉伺服，二维视觉伺服对摄像机及机器人的标定误差具有较强的鲁棒性，但是在视觉伺服控制器的设计时，不可避免地会遇到图像雅克比矩阵的奇异性以及局部极小等问题。针对三维和二维视觉伺服方法的局限性，F.Chaumette等人提出了2.5维视觉伺服方法。它将摄像机平动位移与旋转的闭环控制解耦，基于图像特征点，重构物体三维空间中的方位及成像深度比率，平动部分用图像平面上的特征点坐标表示。这种方法能成功地把图像信号和基于图像提取的位姿信号进行有机结合，并综合他们产生的误差信号进行反馈，很大程度上解决了鲁棒性、奇异性、局部极小等问题。但是，这种方法仍存在一些问题需要解决，如怎样确保伺服过程中参考物体始终位于摄像机视野之内，以及分解单应性矩阵时存在解不唯一等问题。在建立视觉控制器模型时，需要找到一种合适的模型来描述机器人的末端执行器和摄像机的映射关系。图像雅克比矩阵的方法是机器人视觉伺服研究领域中广泛使用的一类方法。图像的雅克比矩阵是时变的，所以，需要在线计算或估计。4.机器人关键基础部件机器人共4大组成部分，本体成本占22%，伺服系统占24%，减速器占36%，控制器占12%。机器人关键基础部件是指构成机器人传动系统，控制系统和人机交互系统，对机器人性能起到关键影响作用，并具有通用性和模块化的部件单元。机器人关键基础部件主要分成以下三部分：高精度机器人减速机，高性能交直流伺服电机和驱动器，高性能机器人控制器等。1）减速机减速机是机器人的关键部件，目前主要使用两种类型的减速机：谐波齿轮减速机和RV减速机。

谐波传动方法由美国发明家C.WaltMusser于20世纪50年代中期发明。谐波齿轮减速机主要由波发生器、柔性齿轮和刚性齿轮3个基本构件组成，依靠波发生器使柔性齿轮产生可控弹性变形，并与刚性齿轮相啮合来传递运动和动力，单级传动速比可达70～1000，借助柔轮变形可做到反转无侧隙啮合。与一般减速机比较，输出力矩相同时，谐波齿轮减速机的体积可减小2/3，重量可减轻1/2。柔轮承受较大的交变载荷，因而其材料的抗疲劳强度、加工和热处理要求较高，制造工艺复杂，柔轮性能是高品质谐波齿轮减速机的关键。
谐波齿轮减速机传动原理德国人LorenzBaraen于1926年提出摆线针轮行星齿轮传动原理，日本帝人株式会社（TEIJINSEIKICo.，Ltd）于20世纪80年代率先开发了RV减速机。RV减速机由一个行星齿轮减速机的前级和一个摆线针轮减速机的后级组成。相比于谐波齿轮减速机，RV减速机具有更好的回转精度和精度保持性。
减速机陈仕贤发明了活齿传动技术。第四代活齿传动——全滚动活齿传动（oscillatory roller transmission，ORT）已成功地应用到多种工业产品中。在ORT基础上提出的复式滚动活齿传动（compound oscillatory roller transmission，CORT）不但具有RV传动类似的优点，而且克服了RV传动曲轴轴承受力大、寿命低的缺点，进一步提高了使用寿命和承载能力；CORT的结构使其在同样的精度指标下回差更小，运动精度和刚度更高，缓解了RV传动要求制造精度高的缺陷，可相对降低加工要求，减少制造成本。CORT是我国自主开发的，拥有自主知识产权。鞍山耐磨合金研究所和浙江恒丰泰减速机制造有限公司均开发成功了机器人用CORT减速机。
ORT减速机 CORT减速机目前在高精度机器人减速机方面，市场份额的75%均两家日本减速机公司垄断，分别为提供RV摆线针轮减速机的日本Nabtesco和提供高性能谐波减速机的日本Harmonic Drive。包括 ABB, FANUC, KUKA,MOTOMAN在内国际主流机器人厂商的减速机均由以上两家公司提供，与国内机器人公司选择的通用机型有所不同的是，国际主流机器人厂商均与上述两家公司签订了战略合作关系，提供的产品大部分为在通用机型基础上根据各厂商的特殊要求进行改进后的专用型号。国内在高精度摆线针轮减速机方面研究起步较晚，仅在部分院校，研究所有过相关研究。目前尚无成熟产品应用于工业机器人。近年来国内部分厂商和院校开始致力高精度摆线针轮减速机的国产化和产业化研究，如浙江恒丰泰，重庆大学机械传动国家重点实验室，天津减速机厂，秦川机床厂，大连铁道学院等。在谐波减速机方面，国内已有可替代产品，如北京中技克美，北京谐波传动所，但是相应产品在输入转速，扭转高度，传动精度和效率方面与日本产品还存在不小的差距，在工业机器人上的成熟应用还刚刚起步。国内外工业机器人主流高精度谐波减速机性能比较如下表所示。
表1 主流高精度谐波减速机性能比较注：上表比较数据来自相近型号：HD ：CSF-17-100中技克美：XB1-40-100传动效率测试工况：输入转速1000r/min，温度40°扭转刚度测试条件：20%额定扭矩内国内外工业机器人主流高精度摆线针轮减速机性能比较如下表所示。
表2 主流高精度RV摆线针轮减速机性能比较注：上表比较数据来自相近型号：RV：100CCYCLO：F2CF-C35传动效率测试工况：输出转速15r/min，额定扭矩2）伺服电机在伺服电机和驱动方面，目前欧系机器人的驱动部分主要由伦茨，Lust，博世力士乐等公司提供，这些欧系电机及驱动部件过载能力，动态响应好，驱动器开放性强，且具有总线接口，但是价格昂贵。而日系品牌工业机器人关键部件主要由安川，松下，三菱等公司提供，其价格相对降低，但是动态响应能力较差，开放性较差，且大部分只具备模拟量和脉冲控制方式。国内近年来也开展了大功率交流永磁同步电机及驱动部分基础研究和产业化，如哈尔滨工业大学，北京和利时，广州数控等单位，并且具备了一点的生产能力，但是其动态性能，开放性和可靠性还需要更多的实际机器人项目应用进行验证。
3）控制器在机器人控制器方面，目前国外主流机器人厂商的控制器均为在通用的多轴运动控制器平台基础上进行自主研发。目前通用的多轴控制器平台主要分为以嵌入式处理器（DSP，POWER PC）为核心的运动控制卡和以工控机加实时系统为核心的PLC系统，其代表分别是Delta Tau的PMAC卡和Beckhoff的TwinCAT系统。国内的在运动控制卡方面，固高公司已经开发出相应成熟产品，但是在机器人上的应用还相对较少。5.机器人操作系统通用的机器人操作系统（robot operating system，ROS）是为机器人而设计的标准化的构造平台，它使得每一位机器人设计师都可以使用同样的操作系统来进行机器人软件开发。ROS将推进机器人行业向硬件、软件独立的方向发展。硬件、软件独立的开发模式，曾极大促进了PC、笔记本电脑和智能手机技术的发展和快速进步。ROS的开发难度比计算机操作系统更大，计算机只需要处理一些定义非常明确的数学运算任务，而机器人需要面对更为复杂的实际运动操作。ROS提供标准操作系统服务，包括硬件抽象、底层设备控制、常用功能实现、进程间消息以及数据包管理。ROS分成两层，低层是操作系统层，高层则是用户群贡献的机器人实现不同功能的各种软件包。现有的机器人操作系统架构主要有基于linux的Ubuntu开源操作系统。另外，斯坦福大学、麻省理工学院、德国慕尼黑大学等机构已经开发出了各类ROS系统。微软机器人开发团队2007年也曾推出过一款“Windows机器人版”。6.机器人的运动规划为了提高工作效率，且使机器人能用尽可能短的时间完成特定的任务，必须有合理的运动规划。离线运动规划分为路径规划和轨迹规划。路径规划的目标是使路径与障碍物的距离尽量远同时路径的长度尽量短；轨迹规划的目的主要是机器人关节空间移动中使得机器人的运行时间尽可能短，或者能量尽可能小。轨迹规划在路径规划的基础上加入时间序列信息，对机器人执行任务时的速度与加速度进行规划，以满足光滑性和速度可控性等要求。示教再现是实现路径规划的方法之一，通过操作空间进行示教并记录示教结果，在工作过程中加以复现，现场示教直接与机器人需要完成的动作对应，路径直观且明确。缺点是需要经验丰富的操作工人，并消耗大量的时间，路径不一定最优化。为解决上述问题，可以建立机器人虚拟模型，通过虚拟的可视化操作完成对作业任务的路径规划。路径规划可在关节空间中进行。Gasparetto以五次B样条为关节轨迹的插值函数，并将加加速度的平方相对于运动时间的积分作为目标函数进行优化，以确保各个关节运动足够光滑。刘松国通过采用五次B样条对机器人的关节轨迹进行插补计算，机器人各个关节的速度、加速度端点值，可根据平滑性要求进行任意配置。另外，在关节空间的轨迹规划可避免操作空间的奇异性问题。Huo等人设计了一种关节空间中避免奇异性的关节轨迹优化算法，利用6自由度弧焊机器人在任务过程中某个关节功能上的冗余，将机器人奇异性和关节限制作为约束条件，采用TWA方法进行优化计算。关节空间路径规划与操作空间路径规划对比，具有以下优点：①避免了机器人在操作空间中的奇异性问题；②由于机器人的运动是通过控制关节电机的运动，因此在关节空间中，避免了大量的正运动学和逆运动学计算；③关节空间中各个关节轨迹便于控制的优化。
五、工业机器人分类
工业机器人按不同的方法可分下述类型：
工业机器人分类1.从机械结构来看，分为串联机器人和并联机器人。1）串联机器人的特点是一个轴的运动会改变另一个轴的坐标原点，在位置求解上，串联机器人的正解容易，但反解十分困难；2）并联机器人采用并联机构，其一个轴的运动则不会改变另一个轴的坐标原点。并联机器人具有刚度大、结构稳定、承载能力大、微动精度高、运动负荷小的优点。其正解困难反解却非常容易。串联机器人和并联机器人如图所示。
串联机器人 并联机器人2.工业机器人按操作机坐标形式分以下几类：（坐标形式是指操作机的手臂在运动时所取的参考坐标系的形式。）1）直角坐标型工业机器人其运动部分由三个相互垂直的直线移动（即PPP）组成，其工作空间图形为长方形。它在各个轴向的移动距离，可在各个坐标轴上直接读出，直观性强，易于位置和姿态的编程计算，定位精度高，控制无耦合，结构简单，但机体所占空间体积大，动作范围小，灵活性差，难与其他工业机器人协调工作。2）圆柱坐标型工业机器人其运动形式是通过一个转动和两个移动组成的运动系统来实现的，其工作空间图形为圆柱，与直角坐标型工业机器人相比，在相同的工作空间条件下，机体所占体积小，而运动范围大，其位置精度仅次于直角坐标型机器人，难与其他工业机器人协调工作。3）球坐标型工业机器人球坐标型工业机器人又称极坐标型工业机器人，其手臂的运动由两个转动和一个直线移动（即RRP,一个回转，一个俯仰和一个伸缩运动）所组成，其工作空间为一球体，它可以作上下俯仰动作并能抓取地面上或教低位置的协调工件，其位置精度高，位置误差与臂长成正比。4）多关节型工业机器人又称回转坐标型工业机器人，这种工业机器人的手臂与人一体上肢类似，其前三个关节是回转副（即RRR），该工业机器人一般由立柱和大小臂组成，立柱与大臂见形成肩关节，大臂和小臂间形成肘关节，可使大臂做回转运动和俯仰摆动，小臂做仰俯摆动。其结构最紧凑，灵活性大，占地面积最小，能与其他工业机器人协调工作，但位置精度教低，有平衡问题，控制耦合，这种工业机器人应用越来越广泛。5）平面关节型工业机器人它采用一个移动关节和两个回转关节（即PRR），移动关节实现上下运动，而两个回转关节则控制前后、左右运动。这种形式的工业机器人又称（SCARA(Seletive Compliance Assembly Robot Arm)装配机器人。在水平方向则具有柔顺性，而在垂直方向则有教大的刚性。它结构简单，动作灵活，多用于装配作业中，特别适合小规格零件的插接装配，如在电子工业的插接、装配中应用广泛。3.工业机器人按程序输入方式区分有编程输入型和示教输入型两类：1）编程输入型是将计算机上已编好的作业程序文件，通过RS232串口或者以太网等通信方式传送到机器人控制柜。2）示教输入型的示教方法有两种：示教盒示教和操作者直接领动执行机构示教。示教盒示教由操作者用手动控制器（示教盒），将指令信号传给驱动系统，使执行机构按要求的动作顺序和运动轨迹操演一遍。采用示教盒进行示教的工业机器人使用比较普遍，一般的工业机器人均配置示教盒示教功能，但是对于工作轨迹复杂的情况，示教盒示教并不能达到理想的效果，例如用于复杂曲面的喷漆工作的喷漆机器人。
机器人示教盒由操作者直接领动执行机构进行示教，则是按要求的动作顺序和运动轨迹操演一遍。在示教过程的同时，工作程序的信息即自动存入程序存储器中在机器人自动工作时，控制系统从程序存储器中检出相应信息，将指令信号传给驱动机构，使执行机构再现示教的各种动作。
六、工业机器人性能评判指标表示机器人特性的基本参数和性能指标主要有工作空间、自由度、有效负载、运动精度、运动特性、动态特性等。