基础篇 初识机器人

项目一 初识FANUC机器人

【项目引入】

【知识图谱】

随着科学技术的进步，人类的体力劳动已逐渐被各种机械所取代。在《中国制造2025》战略的指导下，工厂“机器换人”的现象将更加频繁，我国工业机器人市场将进一步拓展。如图1-1所示，工业机器人作为《中国制造2025》的第2个重点领域，在未来将扮演重要角色。

工业机器人技术是一门涉及机械、电子、力学、控制、传感器检测、计算机技术等的综合学科。工业机器人不是机械、电子技术的简单组合，而是融合多领域应用技术的一体化装置。目前，工业机器人的应用非常广泛，上至航空航天，下至海洋探索都能见到它们的身影。进入21世纪以来，工业机器人的应用程度已经成为衡量一个国家工业自动化水平的重要标志。

任务一 工业机器人的认知

【任务描述】

【任务学习】

一、工业机器人的定义

机器人（Robot）一词来源于原捷克斯洛伐克作家卡雷尔·恰佩克于1920年创作的剧本《罗萨姆的万能机器人》。在剧本中，恰佩克把从事生产劳动的那些家伙取名为“Robot”，意为“不知疲倦的劳动者”。恰佩克把机器人定义为服务于人类的机器，机器人的名字也由此而生。随后，机器人一词频繁出现在科幻小说和电影中，如图1-2所示。

微课

随着现代科学技术的进步，机器人这一概念逐步演变为现实。虽然真正的机器人诞生已有几十年的时间，但仍然没有一个统一的定义。其中一个重要原因就是机器人技术在不断发展，具有新功能的机器人不断涌现。

工业机器人是机器人家族中的重要一员，也是目前技术发展最成熟、应用最多的一类机器人。由于世界各国对工业机器人的理解存在差异，所以给出的定义也不尽相同。

（1）美国工业机器人协会（RIA）将工业机器人定义为一种用于搬运物料、零件、工具的专门装置，或通过程序动作来执行各种任务的可重复编程的多功能操作机。

（2）日本工业机器人协会（JIRA）将工业机器人定义为一种带有存储器和末端执行器的，能够通过自动化的动作代替人类劳动的通用机械。

（3）我国工程技术人员将工业机器人定义为一种自动化的机器，这种机器具备一些与人或生物相似的能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。

（4）国际标准化组织（ISO）将工业机器人定义为一种具有自动控制能力、可重复编程、多功能、多自由度的操作机械。

综合上述定义不难发现，工业机器人是由机械结构、动力装置和控制系统组成的，用于从事工业生产，能够自动执行工作指令的机械装置。它可以接受人类指挥，也可以按照预先编排的程序运行。现代工业机器人还可以根据人工智能技术制定的原则和纲领行动。

二、工业机器人的发展

世界上第一台工业机器人诞生于1959年，如图1-3所示。当时其作业能力仅限于上料和下料这类简单的工作，此后工业机器人进入了一个缓慢的发展期。

微课

直到20世纪80年代，工业机器人产业才得到了巨大的发展。这个时期由于汽车行业的蓬勃发展，人们开发出点焊机器人、弧焊机器人、喷涂机器人以及搬运机器人，其系列产品已经成熟并形成产业化规模，有力地推动了制造业的发展。

20世纪80年代以后，装配机器人和柔性装配技术得到了广泛的应用，并进入一个快速发展时期。目前工业机器人已发展成为一个庞大的家族，应用于制造业的各个领域之中。图1-4所示为FANUC小型装配机器人。

目前，世界上的工业机器人公司主要分为日系和欧系。日系中主要有安川、FANUC、OTC和松下。欧系中主要有德国的KUKA、CLOOS，瑞士的ABB，意大利的COMAU，英国的Autotech Robotics等。

我国工业机器人起步于20世纪70年代初期。40多年的发展历程大致可分为3个阶段：1972—1985年的萌芽期；1985—2000年的技术研发期；2000年至今的产业化期。20世纪70年代，清华大学、哈尔滨工业大学、中国科学院沈阳自动化研究所等一批科研单位及高校最早开始了工业机器人的理论研究；20世纪80—90年代，中国科学院沈阳自动化研究所和中国第一汽车制造厂进行了机器人的试制和初步应用工作。进入21世纪以来，在国家政策的大力支持下，广州数控设备有限公司、沈阳新松机器人自动化股份有限公司、安徽埃夫特智能装备有限公司、南京埃斯顿自动化股份有限公司等一批优秀的本土机器人公司开始涌现，工业机器人在我国初步形成了产业化。现在，国家更加重视工业机器人的发展，也有越来越多的企业和科研人员投入到工业机器人的开发研究之中。

目前，我国的科研人员已经基本掌握了工业机器人的结构设计和制造技术、控制系统硬件和软件技术、运动学和轨迹规划技术，也具有了机器人部分关键元器件的规模化生产能力。一些公司开发出的喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人已经在多家企业的自动化生产线上获得了大规模应用。

在产业转型升级、人口结构调整等多重因素的驱动下，我国已经成为世界上最大的工业机器人市场之一，而按照发展趋势，这还仅仅是个开始。图1-5所示为2012—2017年工业机器人的销量统计。根据统计，全球每万人中工业机器人的使用数量为69，中国仅为49。对比日本、德国、韩国、美国等工业发达国家，我国每万人中工业机器人的使用数量差距较为明显，因此业内普遍认为我国工业机器人还有广阔的发展空间。

三、工业机器人的分类

关于工业机器人如何分类的问题，国际上没有制定统一的标准。它一般根据负载重量、控制方法、自由度、机械结构、应用领域等进行分类。本书根据控制方法和机械结构的不同，对机器人进行分类。

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1. 按控制方法的不同分类

（1）非伺服控制的机器人

这类机器人的控制处于开环状态，每个轴只可以设定2个位置，机械一旦开始移动，将持续下去直到碰到适当的定位挡块为止，中间过程的任何运动都没有监测。从控制的角度来看，这是最简单的控制形式。此类机器人也可称为端点机器人、选取-装入机器人或开关式机器人。因其成本低、操作简单，故在较小型的机器人中常使用非伺服控制。非伺服控制的机器人具有以下特点。

◇ 臂的尺寸小且轴的驱动器施加的是满动力，机器人的速度相对较大。

◇ 机器人价格低廉，易于操作和维修，同时也是极为可靠的设备。

◇ 工作重复性约为±0.254mm，即返回同一点的误差在±0.254mm范围内。

◇ 在定位和编程方面的灵活度有限，虽然可使一个以上的轴同时移动，但却不能使机械手端部握持的工具沿直线移动（除非该直线与机器人的运动轴重合），也不能实现几个轴同时到达预定终点的协同运动。

（2）伺服控制的机器人

这类机器人的各轴都是闭环的，传感器对有关位置和速度等信息进行连续监测，并反馈到与机器人各关节有关的控制系统中。伺服控制的机器人具有以下特点。

◇ 与非伺服控制的机器人比较，它具有较大的记忆存储容量。

◇ 机械手端部可按点到点、直线、连续轨迹3种不同类型的运动方式移动。

◇ 在机械允许的极限范围内，位置精度可通过调整伺服回路中相应放大器的增益加以变动。

◇ 编程工作一般以示教模式完成。

◇ 机器人几个轴之间的“协同运动”，可以使机械手的端部描绘出一条极为复杂的轨迹，一般在小型或微型计算机控制下自动进行。

◇ 与非伺服控制的机器人相比，其价格昂贵，可靠性稍差。

一般来讲，伺服控制的机器人又细分为点位（点到点）伺服控制类和连续轨迹伺服控制类2种。图1-6所示为机器人点位伺服控制和连续轨迹伺服控制的轨迹示意图。

① 点位伺服控制的机器人。点位伺服控制的机器人广泛用于执行将部件从某一位置移动到另一位置的操作。它仅控制机器人离散点上手爪或工具的位姿，尽快而无超调地实现相邻点的运动，对运动轨迹不做控制，可以进行码垛或装卸托盘等作业。

② 连续轨迹伺服控制的机器人。许多应用场合要求机械手的作用半径足够大或能运送较重的负载物，特别是有的应用场合，需要机器人沿空间一条复杂的轨迹运动，有时还可能要求手臂末端做高速运动。涉及的应用场合包括喷漆、抛光、磨削、电弧焊等。连续轨迹伺服控制机器人需要控制手爪的位姿轨迹，达到速度可控、轨迹光滑、运动平稳的要求。因为其轨迹是连续的，故称为连续轨迹（CP）伺服控制的机器人。

2. 按机械结构的不同分类

（1）串联机器人

串联机器人是一个开放的运动链（Open Loop Kinematic Chain），其所有的运动杆件没有形成一个封闭的结构链。串联机器人具有以下特点。

◇ 工作空间大。

◇ 运动分析较容易。

◇ 可避免驱动轴之间的耦合效应。

◇ 机构各轴必须独立控制，并且需搭配编码器与传感器，用来提高机构运动时的精准度。

按照运动副的不同，串联机器人分为直角坐标系机器人、柱坐标系机器人、球坐标系机器人和关节坐标系机器人等。

① 直角坐标系机器人（笛卡儿坐标系机器人）。直角坐标系机器人是一种最简单的结构，如图1-7所示，其机械手的连杆按线性方式移动。机器人的机械手构件受到约束，在平行于坐标轴X、Y、Z的方向上移动，臂连到主干，而主干又与基座相连接。这种形式的机器人从支撑架伸出的长度有限、刚性差，但是重复性和精度高。其坐标系更接近自然状态，故编程容易。可是有些运动形式，如方向与任何轴都不平行的直线轨迹，此结构可能较难完成。

② 柱坐标系机器人。水平臂或杆架安装在一个垂直柱上，垂直柱安装在一个旋转基座上，这种机械结构的机器人称为柱坐标系机器人，如图1-8所示。

这种机器人具有3个自由度：手臂可伸缩（沿r方向）；滑动架（托板）可沿柱上下移动（Z轴方向）；水平臂和滑动架组合件可作为基座上的一个整体而旋转（绕Z轴）。由于机械结构的限制，其伸出长度有最小值和最大值，所以此机器人总的体积或工作包络范围是圆柱体的一部分。

③ 球坐标系机器人。在球坐标系下运动的机器人称为球坐标系机器人，如图1-9所示。球坐标系机器人的运动方式是手臂可伸出和缩回（R），类似于可伸缩的望远镜套筒；在垂直面内绕轴回转（φ）；在基座水平面内转动（θ）。

但是由于机械结构和驱动器的限制，机器人的工作包络范围只是球体的一部分。

④ 关节坐标系机器人。关节坐标系机器人一般由多个转动关节串联若干连杆组成，如图1-10所示。其运动由前、后臂的俯仰及立柱的回转构成，工作方式较为复杂。

这种机器人具有显著的优点：结构紧凑，工作范围广且占用空间小；动作灵活，有很高的可达性，可以轻易避开障碍，伸入狭窄弯曲的管道内进行作业；对多种作业都有良好的适应性。但与此同时，其也有运动模型复杂、高精度控制难度大的缺点。

目前，关节坐标系机器人已经广泛应用于装配、货物搬运、电弧焊接、喷漆等作业场合，成为使用最为广泛的工业机器人之一。

（2）并联机器人

并联机器人和串联机器人在工业应用上构成互补关系，并联机器人是一个封闭的运动链（Close Loop Kinematic Chain），如图1-11所示。与串联机器人相比，并联机器人具有以下特点。

◇ 不易有动态误差，无累积误差，精度较高。

◇ 运动惯性小。

◇ 结构紧凑稳定，输出轴承受大部分的轴向应力，机器刚性高，承载能力大。

◇ 采用热对称性结构设计，热变形量较小。

◇ 在位置求解上，串联机器人正解容易，反解困难；而并联机器人正解困难，反解容易。

◇ 工作空间较小。

◇ 驱动装置可固定在平台上或接近平台的位置，运动部分重量轻，速度快，动态响应好。

◇ 部分并联机器人采用完全对称结构，具有较好的各向同性。

根据这些特点，并联机器人在需要高刚度、高精度、大荷重、工作空间精简的领域内得到了广泛应用。

（3）混联机器人

图1-12所示的机器人采用混联结构，它既有并联机器人结构刚度好的优点，又有串联机器人结构工作空间大的优点。

目前已构造出的新型少自由度的混联结构，可以实现运动解耦。这种结构的混联机器人具有刚度高、工作空间大、结构尺寸小等优点，应用前景十分广阔。

【思考与练习】

1. 我国工业机器人的发展潜力如何？为什么？

2. 简述串联机器人的特点，串联机器人有哪些应用实例？

任务二 FANUC机器人的认知

【任务描述】

【任务学习】

一、FANUC机器人的常用型号

工业机器人产业发展至今，以欧系、日系企业为主导的市场格局逐渐凸显。2014年，ABB、FANUC、KUKA和安川这四大企业的工业机器人业务收入总和约为55亿美元，占据世界工业机器人市场约50%的份额，占据我国市场的份额更是高达近70%。

FANUC公司自1956年成立至今，一步步发展壮大。

◇ 1956年，FANUC品牌创立。

◇ 1971年，FANUC数控系统占据全球70%的市场份额，一举成为世界上最大的专业数控系统生产厂家。

◇ 1974年，FANUC研发制造的基于伺服、数控基础的工业机器人问世，并于1976年投放市场。

◇ 1999年，智能机器人投入生产，并很快成为FANUC最重要的产品。

◇ 2010年，FANUC机器人入驻上海世博会，受到了业界的广泛关注。

◇ 2015年，FANUC机器人全球销量超40万台，占据了较大的市场份额。

FAUNC机器人种类繁多，规格齐全，表1-1中列出了其常见的几种型号。

1. FANUC M-1iA

如图1-13所示，FANUC M-1iA是一款超轻量、结构紧凑，并设计有平行连杆结构的智能机器人。它配有适应复杂装配作业的三轴手腕，灵活性好，可用于小型物品搬运、高速抓取和装配。其特点如下。

（1）轻量级（六轴总重17kg）紧凑型设计，可以从容应对狭窄空间的作业环境。

（2）六轴并联设计，增加了作业区两旁工件输送的可用空间。

（3）多种安装方式，可以满足多种工作环境的要求。

（4）独特的平行连杆机构，最大幅度地提高了动作速度。

（5）分离式台架，能够更简便地安置在机械内。

（6）配有内置式隐藏iRVision视觉摄像头。

（7）配备新型R-30iA Mate控制柜，提供智能的机器人功能。

（8）具备碰撞检测（Collision Detection）功能，可以瞬时检测到来自外部物体的碰撞并紧急停机，将碰撞对工件和机器人的损坏降低到最小。

（9）具有Robot Link功能，可以通过网络通信交换机器人的位置信息，最多可以作为主站控制10台机器人协调作业。

2. FANUC LR Mate 200iC

如图1-14所示，FANUC LR Mate 200iC系列机器人是多功能六轴小型机器人，它的轻量化设计使其可以适应多种工作场合，如拾取、铸造、去毛刺、机床上下料、搬运、涂胶、装配等。其特点如下。

（1）根据不同的应用需求，可提供多种规格的选择：标准型号、高速型号（5H）、洁净等级为100的型号（5C，5LC）、应用于清洗作业的防水型号（5WP）和加长臂型号（5L）。

（2）机械臂横截面优化缩小到老款机的42%，更适合在狭窄空间内作业。

（3）机械结构的轻量化设计使得机械安装和吊顶安装更容易。

（4）采用高刚性的手臂和最先进的伺服技术，保证高速作业时运动平稳无振动。

（5）与之前类似型号相比，手腕负载能力大幅增强，可以抓取更多的工件，提升作业效率。

（6）配备封闭式的R-30iA Mate控制柜，能够可靠地运行在恶劣的工厂环境下，不惧粉尘、油污的干扰。

（7）有多种智能化功能可供选择，如控制多台机器人同步运动的Robot Link功能，跟踪抓取工件的在线跟踪功能，将周边设备干涉碰撞导致的损伤降低到最小限度的防碰撞功能等。

（8）提供集成视觉（iRVision）和压力感应等先进智能功能选项。

3. FANUC M-10iA

如图1-15所示，FANUC M-10iA为电缆内置式的工业机器人，这款机器人在同系列中具有最高的动作能力，其特点如下。

（1）根据应用范围，有2款机型可供选择：最大动作范围1.42m、最大负载力10kg的M-10iA；最大动作范围1.63m、最大负载力6kg的M-10iA/6L。

（2）采用高强度的手臂与最先进的伺服技术，可以有效提升各轴的动作速度以及加速性能。与之前类似型号相比，运动的作业时间缩短15%以上，实现了行业内最高的生产能力。

（3）腕部轴内采用独立的驱动机构设计，有巧妙、紧凑的内置电缆的机械手臂。这使得机器人在狭窄的空间以及高密度环境下的作业得以有效实现。

（4）前悬臂实现了卓越的电缆集成能力，手部电缆路径平滑，维护简单。

（5）腕部负重能力得到了强化，可支持传感器单元、双手爪以及多功能复合手爪等各种加工器件的安装使用。

（6）多种智能功能可供选择。例如，集成视觉（iRVision）可以使机器人即使在工件出现装配错位的情况下，也能校正后完成精准作业；碰撞检测（Collision Detection）可以将由机器人手爪干涉而引起的扭曲变形降至最小；协同动作（Coordinated Motion）的使用，可以将相对速度和相对姿态保持在最优化的状态。

4. FANUC R-2000iB

如图1-16所示，FANUC R-2000iB多关节智能机器人可广泛用于机械加工、冲压加工、锻造加工、铸造加工过程中的工件搬运、取件、装卸，以及修缘、抛光、打磨、去毛刺等。它的特点如下。

（1）结构简单，机身紧凑。FANUC R-2000iB在保持最大的工作范围和可搬运重量的同时，大幅减轻了自身重量。

（2）智能化和网络化。新开发的机器人控制器R-J3iC不仅可大幅度提高CPU的处理能力，而且还具有最新的软件功能，由此实现了机器人的智能化和网络化。

5. FANUC M-2000iA

如图1-17所示，FANUC M-2000iA系列是用于搬运超重物体的机器人。它有2种型号：一个是可举起900kg重物的FANUC M-2000iA/900L（动作半径4 680mm），另一个是能举起1 200kg重物的FANUC M-2000iA/1200（动作半径3 730mm）。FANUC M-2000iA能够更快、更稳、更精确地移动大型部件，主要用于物流搬运、机床上下料、装配、码垛、材料加工、拾取及包装、举重表演等。

二、FANUC机器人的典型应用

工业机器人一般用于机械制造中，替代人工完成一些具有大批量、高质量要求的工作，如工业自动化生产线中的电焊、弧焊、喷漆、切割、电子装配，以及物流系统的搬运、包装、码垛等作业。

世界上的第一台工业机器人主要用于完成通用汽车的材料处理工作。随着机器人技术的不断更新与发展，机器人的应用领域得到了进一步的拓宽，主要集中体现在以下5个领域。

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（1）机械加工应用。机械加工机器人主要从事零件铸造、激光切割以及水射流切割等工作。

（2）机器人喷涂应用。喷涂机器人主要从事涂装、点胶、喷漆等工作。

（3）机器人装配应用。装配机器人主要从事零部件的安装、拆卸以及修复等工作。

（4）机器人焊接应用。焊接机器人主要从事汽车行业中的电焊和弧焊工作，用来实现自动化焊接作业。

（5）机器人搬运应用。搬运机器人主要从事上下料、搬运以及码垛等工作，随着协作机器人的兴起，搬运机器人的市场份额逐年提升。

图1-18所示为工业机器人的主要应用领域及所占份额，机械加工只占2%的份额，焊接和搬运领域应用最广，分别占了29%和38%的份额。目前FANUC机器人的典型应用也主要集中在焊接、搬运、喷涂、装配等领域。

1. 焊接机器人

焊接机器人（见图1-19）是从事焊接作业的工业机器人，常用于汽车制造领域，又可以分为点焊机器人和弧焊机器人。从20世纪60年代开始，焊接机器人焊接技术日益成熟，在长期使用过程中，主要体现出以下优点。

（1）稳定提高焊件的焊接质量。

（2）提高企业的劳动生产率。

（3）降低工人的劳动强度，可替代人类在恶劣的环境下工作。

（4）降低对工人操作技术的要求。

（5）缩短产品改型换代的准备周期，减少相应的设备投资。

2. 搬运机器人

搬运机器人（见图1-20）是可以进行自动搬运作业的工业机器人，最早的搬运机器人是1960年美国设计的Versatran和Unimate。

搬运时，机器人末端夹具设备握持工件，将工件从一个加工位置移动到另一个加工位置。目前世界上使用的搬运机器人超过10万台。搬运机器人广泛应用于机床上下料、压力机自动化生产线、自动装配流水线、码垛搬运、集装箱搬运等场合。

搬运机器人又分为移动搬运小车（AGV）、码垛机器人、分解机器人、机床上下料机器人等。其主要作用就是实现产品、物料或工具的搬运，具有以下优点。

（1）提高生产率，一天可以24h无间断地工作。

（2）降低工人劳动强度，减少人工成本。

（3）缩短产品改型换代的准备周期，减少相应的设备投资。

（4）可实现工厂自动化、无人化生产。

3. 喷涂机器人

喷涂机器人（见图1-21）是可进行自动喷漆或喷涂其他涂料的工业机器人，1969年由挪威Trallfa公司发明。

喷涂机器人主要由机器人本体、计算机和相应的控制系统组成。液压驱动的喷涂机器人还包括液压动力装置，如油泵、油箱和电机等。喷涂机器人多采用五自由度或六自由度关节式结构，其手臂有较大的工作空间，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。较先进的喷涂机器人采用柔性手腕，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。喷涂机器人主要有以下优点。

（1）柔性大，工作空间大。

（2）可提高喷涂质量和材料利用率。

（3）易于操作和维护，可离线编程，大大缩短了现场调试时间。

（4）设备利用率高，可达90%～95%。

4. 装配机器人

装配机器人是专门为装配而设计的机器人，常用的装配机器人主要完成生产线上一些零件的装配或拆卸工作。根据结构的不同，它主要分为PUMA机器人（可编程通用装配操作手）和SCARA机器人（水平多关节机器人）2种类型。

PUMA机器人是美国Unimation公司于1977年研制的由计算机控制的多关节装配机器人。它一般有5～6个自由度，可以实现腰、肩、肘的回转以及手腕的弯曲、旋转、扭转等功能。

SCARA机器人是一种特殊的柱坐标系工业机器人，它有3个旋转关节，其轴线相互平行，可在平面内进行定位和定向。另外，它还有1个移动关节，用于完成末端件在垂直方向上的运动。这类机器人的结构轻便、响应快。例如，Adept1型SCARA机器人运动速度可达10 m/s，比一般关节机器人快数倍。它最适用于平面定位、垂直方向进行装配的作业。

与一般工业机器人相比，装配机器人具有精度高、柔性好、工作空间小、能与其他系统配套使用等特点。在工业生产中，使用装配机器人可以保证产品质量，降低成本，提高自动化生产水平。目前，装配机器人（见图1-22）主要用于各种电器（包括家用电器，如电视机、录音机、洗衣机、电冰箱、吸尘器等）的制造，小型电机、汽车及其零部件、计算机、玩具、机电产品及其组件的装配等场合。

三、FANUC机器人的系统结构

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同其他工业机器人一样，一台完整的FANUC机器人也主要由操作机、驱动系统、控制系统以及可更换的末端执行器等部分组成，如图1-23所示。

1. 操作机

操作机是工业机器人的机械主体，是用来完成各种作业的执行机械。它因作业任务不同而在结构形式和尺寸上存在差异。工业机器人的“柔性”除了体现在其控制系统可重复编程方面外，还和操作机的结构形式有很大关系。操作机普遍采用关节型结构，即类似人体腰、肩和腕等的仿生结构，如图1-24所示。

2. 驱动系统

驱动系统是指驱动操作机动作的装置，也就是机器人的动力装置。机器人使用的动力源有压缩空气、压力油和电能。因此相应的动力驱动装置有汽缸、油缸和电机。这些驱动装置大多安装在操作机的运动部件上，所以要求它的结构小巧紧凑、重量轻、惯性小。

FANUC机器人操作机的每一个关节都由伺服电机（见图1-25）驱动，其结构如图1-26所示。使用在重力轴场合的电机还包括制动器部分，另外较大型的电机还带有冷却风扇。电机后端的绝对值脉冲编码器，用来检测电机的转速和电机轴的位置信息。

1—电机轴；2—前端盖；3—三相绕组线圈；4—压板；5—定子；6—磁铁；7—后压板；8—动力线插头；9—后端盖；10—反馈插头；11—绝对值脉冲编码器；12—电机后盖

减速器在机械传动领域是连接动力源和执行机构的中间装置，它把电机等动力源上高速运转的动力通过输入轴上的小齿轮啮合传动至输出轴上的大齿轮，以达到减速的目的，并传递更大的转矩。

目前应用于机器人领域的减速器主要有2种：一种是RV减速器（见图1-27），另一种是谐波减速器（见图1-28）。在关节坐标系机器人中，由于RV减速器具有更高的刚度和回转精度，故一般将RV减速器放置在机座、大臂、肩部等重负载的位置，而将谐波减速器放置在小臂、腕部或手部等位置。

RV传动是一种全新的传动方式，它是在传统针摆行星传动的基础上发展出来的，不仅克服了一般针摆传动的缺点，而且具有体积小、重量轻、传动比范围大、寿命长、精度稳定、效率高、传动平稳等一系列优点。

谐波减速器由谐波发生器、柔轮和刚轮3部分组成。按照谐波发生器的不同，谐波减速器有凸轮式、滚轮式和偏心盘式3种。其工作原理是谐波发生器使柔轮产生可控的弹性变形，靠柔轮与刚轮啮合传递动力，并达到减速的目的。其减速比可以按照下式来计算。

式中，Z1——柔轮齿数；

Z2——刚轮齿数。

如图1-28所示，当谐波发生器转动一周时，柔轮向相反的方向转动了大约2个齿的角度。谐波减速器传动比大，外形轮廓小，零件数目少且传动效率高。

3. 控制系统

工业机器人的控制系统（见图1-29）是机器人的“大脑”，它通过各种控制电路和控制软件的结合来操纵机器人，并协调机器人与生产系统中其他设备的关系。图1-30所示为FANUC R-30iB Mate控制系统的电气单元。

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普通机器设备的控制装置多注重自身动作的控制，而机器人的控制系统还要注意建立自身与作业对象之间的控制联系。一个完整的机器人控制系统除了作业控制器和运动控制器外，还包括控制驱动系统的伺服控制器以及检测机器人自身状态的传感器反馈部分。现代机器人电子控制装置由可编程控制器、数控控制器或计算机构成。控制系统是决定机器人功能和水平的关键部分，也是机器人系统中更新和发展最快的部分。

4. 末端执行器

工业机器人的末端执行器是指连接在操作腕部的直接用于作业的机构，如图1-31所示。它可能是用于搬运的手部（爪），也可能是用于喷漆的喷枪，以及检查用的测量工具等。工业机器人操作臂的手腕上有用于连接各种末端执行器的机械连接口，按作业内容的不同可安装不同手爪或工具，这进一步扩大了机器人作业的柔性。

【思考与练习】

1. 如果要建立一个装配大型工程车辆的生产线，应该选择哪种型号的机器人负责大型钣金件的托举？

2. 一台完整的工业机器人由哪些部分组成？

任务三 FANUC机器人编程的认知

【任务描述】

【任务学习】

一、现场编程

现场编程通常由操作人员通过示教器控制机械手工具末端到达指定的位置和姿态（简称“位姿”），记录机器人位姿数据并编写机器人运动指令，完成机器人在正常加工中的轨迹规划、位姿等关节数据信息的采集、记录。示教器（见图1-32）具有实时在线的优势，操作简便直观。

例如，采用机器人对汽车车身进行点焊，首先由操作人员控制机器人到达各个焊点，对各焊点轨迹进行人工示教，在焊接过程中通过示教再现的方式，再现焊接轨迹，从而实现车身各个位置焊点的焊接。

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但是传统的在线示教编程存在很大局限性，例如，在焊接过程中车身的位置很难保证每次都完全一样，故在实际现场编程时为了使示教点更精确，通常需要增加激光传感器、力觉传感器和其他辅助示教设备对示教点的路径进行纠偏和校正。借助激光传感器等装置进行辅助示教，提高了机器人使用的柔性和灵活性，降低了操作的难度，提高了机器人加工的精度和效率，这在很多场合是非常实用的。

二、离线编程

离线编程是在不使用真实机器人的情况下，在软件建立的三维虚拟环境中利用仿真的机器人进行编程。与现场编程相比，离线编程具有以下优点：①减少停机的时间，当对下一个任务进行编程时，机器人可仍在生产线上工作；②使编程者远离危险的工作环境，改善了编程环境；③使用范围广，可以对各种机器人进行编程，并能方便地实现优化编程；④便于和CAD/CAM系统结合，做到CAD/CAM/ROBOTICS一体化；⑤可使用高级计算机编程语言对复杂任务进行编程；⑥便于修改机器人程序。

机器人离线编程是利用计算机图形学的成果，通过对工作单元进行三维建模，在仿真环境中建立与现实工作环境对应的场景，采用规划算法对图形进行控制和操作，在不使用实际机器人的情况下进行轨迹规划，进而生成机器人程序。离线编程的基本流程如图1-33所示。

三、自主编程

随着技术的发展，各种跟踪测量传感技术日益成熟，人们开始研究根据焊缝的测量信息反馈，由计算机控制焊接机器人进行路径规划的自主编程技术。

1. 基于激光结构光的自主编程

基于激光结构光的路径自主规划的原理是将结构光传感器安装在机器人的末端，形成“眼在手上”的工作方式。例如，利用焊缝跟踪技术逐点测量焊缝的中心坐标，建立起焊缝轨迹数据库，在焊接时作为焊枪的路径。

2. 基于双目视觉的自主编程

基于视觉反馈的自主示教是实现机器人路径自主规划的关键技术，其主要原理是在一定条件下，由主控计算机通过视觉传感器沿焊缝自动跟踪、采集并识别焊缝图像，计算出焊缝的空间轨迹和方位（即位姿），并按优化焊接要求自动生成机器人焊枪的位姿参数。

3. 多传感器信息融合自主编程

采用力传感器、视觉传感器以及位移传感器构成一个高精度自动路径生成系统。该系统集成了位移、力、视觉控制，引入视觉伺服，可以根据传感器反馈信息执行动作。该系统中机器人能够根据记号笔绘制的线自动生成机器人路径，位移传感器用来保持机器人TCP的位姿，视觉传感器用来保证机器人自动跟随曲线，力传感器用来保持TCP与工件表面距离的恒定。

四、编程技术的发展趋势

随着视觉技术、传感技术、智能控制技术、网络和信息技术以及大数据等的发展，未来的机器人编程技术将会发生根本的变革，主要表现在以下几个方面。

（1）编程将会变得简单、快速、可视、模拟和仿真。

（2）基于传感技术和大数据技术，感知、辨识、重构环境和工件等的CAD模型，自动获取加工路径的几何信息。

（3）基于互联网技术实现编程的网络化、远程化、可视化。

（4）基于增强现实技术实现离线编程和真实场景的互动。

（5）根据离线编程技术和现场获取的几何信息自主规划加工路径、焊接参数并进行仿真确认。

总之，在不远的将来，传统的现场编程将只在很少的场合中应用，而离线编程将会得到进一步发展，并与CAD/CAM、视觉技术、传感技术、互联网、大数据、增强现实等深度融合，自动感知、辨识、重构工件和加工路径等，实现路径的自主规划，自动纠偏和自适应环境。

【思考与练习】

1. 离线编程能否替代现场编程？为什么？

2. 未来还有可能出现什么样的编程方式？

【项目总结】

【拓展训练】

【工业机器人的调研与分析】目前工业机器人市场形成了以FANUC、ABB、KUKA、安川等为主导的全球格局。国内的工业机器人制造商近几年虽然快速崛起，但是与日本、德国等国家相比在技术上还有很大的差距。

任务要求：调研国内外机器人品牌的发展现状，从技术和市场的角度分析国内品牌还存在哪些不足以及未来的发展方向。

考核方式：采用分组的方式（每组4人），进行讨论交流，并提交报告。

将拓展训练情况填入表1-2中。