《工业机器人操作与编程》陈东伟，黄岚，高玉梅编著|(epub+azw3+mobi+pdf)电子书下载

图书名称：《工业机器人操作与编程》

【作　者】陈东伟，黄岚，高玉梅编著

【丛书名】普通高等教育只能制造系列教材

【页 数】 136

【出版社】 北京：机械工业出版社 , 2020.10

【ISBN号】978-7-111-66756-8

【价 格】29.80

【分 类】工业机器人-程序设计作-高等学校-教材-操作

【参考文献】 陈东伟，黄岚，高玉梅编著. 工业机器人操作与编程. 北京：机械工业出版社, 2020.10.

图书封面：

图书目录：

《工业机器人操作与编程》内容提要：

《工业机器人操作与编程》内容试读

第1章工业机器人简述

合知识目标

√了解工业机器人发展概况。√了解机器人定义及分类。

√分析工业机器人的未来发展方向。

技能目标

√掌握机器人的分类方法和工业应用。√掌握工业机器人发展趋势及方向。

1.1机器人定义及分类

1.1.1机器人定义

随着现代机器人技术的飞速发展，机器人所涵盖的内容越来越丰富，新的机型、新的功能在不断涌现，但至今对于机器人仍没有一个统一、严格、准确的定义。

广义上讲，机器人就是充分应用各种技术，在现实世界起各种作用的智能化系统。但各国科学家从不同的角度出发，给出的定义有所不同。

1967年，日本召开的第一届机器人学术会议提出了两个具有代表性的定义。一是森政弘与合田平提出的：机器人是一种具有移动性、个体性、智能性、通用性、半机械半人性、自动性、随动性七个特征的柔性机器。二是“仿人机器人之父”加藤一郎提出的满足如下所述的三个条件的机器称为机器人。

1)具有脑、手、脚三要素的个体。

2)具有非接触传感器（用眼、耳接收远方信息）和接触传感器」3)具有平衡觉和固有觉的传感器

加藤一郎强调了机器人应当仿人的含义，即应由脑统一指挥手进行作业，指挥脚实现移动。1969年，加藤实验室研发出第一台双脚走路机器人，如图1-1所示。

1987年，国际标准化组织对工业机器人进行了定义：工业机器人是一种能实现自动控制下的操作和移动功能，能完成各种作业的可编程操作机。

1988年，法国的埃斯皮奥将机器人学定义为：机器人学是指设计能根据传感器信息实

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工业机器人操作与编程

WABOT-1

WABOT-2

图1-1双脚走路机器人

现预先规划好的作业的系统，并以此系统的使用方法作为研究对象的学科。

我国科学家对机器人的定义是：机器人是一种自动化的机器，它具备一些与人或生物相似的智能，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。

国际标准化组织对机器人的特征定义如下。

1)仿生特征：动作机构具有类似于人或其他生物体的某些器官的功能。

2)柔性特征：机器人作业具有广泛的适应性，适用于多种工作，作业程序灵活。3)智能特征：机器人具有一定程度的人类智能，如记忆、感知、推理、决策、学习等。

4)自动特征：完整的机器人系统，能够独立、自动完成作业任务，不依赖人的干预。

1.1.2机器人分类

关于机器人的分类方法，国际上并没有统一的标准，可以按负载量分类，也可以按控制方式分类，还可以按自由度分类，总之，从不同角度有不同的分类方法。下面介绍几种具有代表性的机器人分类方法。

1.按机器人的技术发展水平分类

(1)第一代机器人第一代机器人只能按照预先示教的轨迹、行为等进行重复作业，属于示教-再现型机器人。该类机器人的示教方式有两种：一种是由操作人员抓握机器人末端示范轨迹，机器人记录并重复；另一种是操作人员通过示教盒上的按钮控制机器人一步一步地运动，机器人记录并重复。

(2)第二代机器人第二代机器人具有环境感知装置，通过传感器感知周围环境，凭借反馈控制自适应能力来改变当前位置或姿态，可以在一定程度上适应环境变化。

(3)第三代机器人第三代机器人是智能机器人，具有多种传感器。其不仅可以感知自身状态，如所处位置、自身故障等，还可以感知外部环境，并对获取的信息进行逻辑推理和判断决策。当自身状态与外部环境发生变化时，该类机器人可以自主决定自身行为，无须依赖预先设置的程序，具有高度的自适应性和自制能力。

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第1章工业机器人简述

(4)第四代机器人第四代机器人是情感机器人，具有表达、识别和理解喜、乐、哀怒，模仿、延伸和扩展人的情感的能力。情感机器人不仅是机器人科学家的梦想，也是我国社会发展的切实需要。《新一代人工智能发展规划》对情感机器人提出了：“针对改善人际沟通障碍的需求，开发具有情感交互功能、能准确理解人的需求的智能助理产品，实现情感交流和需求满足的良性循环”的要求。

2.按机器人的机构特征分类

(1)直角坐标型机器人该型机器人的外形如图1-2所示，在空间上具有互相垂直的三条直线移动轴，它的三个关节都是移动关节，并可以通过直角坐标方向的三个自由度确定其手部空间位置。直角坐标型机器人的动作空间为一个长方体。其优点是结构简单、可靠性强、位置精度高、空间轨迹求解简单，可在恶劣环境下长期工作。但是，直角坐标型机器人结构庞大，动作范围相对较小，常用于大负载搬运场合。

(2)圆柱坐标型机器人该型机器人的外形如图1-3所示，主要由旋转基座、垂直移动轴和水平移动轴构成，具有一个回转和两个平移共三个自由度，其动作空间为圆柱体。圆柱坐标型机器人的优点是结构简单、占地面积小、位置精度高、刚性好，但空间利用率低。

(3)球坐标型机器人该型机器人的外形如图1-4所示，其机械手可以前后移动、上下摆动和在绕底座的水平面上转动，具有平移、摆动和旋转三个自由度，其动作空间为球面。球坐标型机器人的优点是结构紧凑、占地面积小、动作灵活，但结构复杂，位置精度低。

图1-2直角坐标型机器人

图13圆柱坐标型机器人

图1-4球坐标型机器人

(4)多关节坐标型机器人该型机器人由多个旋转和摆动机构组成，结构紧凑，工作空间大，应用范围广。根据其摆动方向的不同，多关节坐标型机器人又分为如图1-5所示的垂直多关节机器人和如图1-5b所示的水平多关节机器人。垂直多关节机器人的优点是可以实现三维空间内各种姿势，生成各种复杂轨迹，其动作空间为球体，但其结构刚度低，位置精度低。水平多关节机器人具有串联配置的两个在水平面内旋转的手臂，动作空间为柱体，其优点是在垂直方向刚性好、水平方向柔顺性好、动作灵活、位置精度高。

3.按应用领域分类

我国机器人专家从应用领域出发，将机器人分为工业机器人和特种机器人。

(1)工业机器人工业机器人是指面向工业领域的机器人，根据具体应用不同可以分为如下几种。

1)用于汽车整车焊接的点焊机器人。2)用于汽车零部件焊接的弧焊机器人。

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工业机器人操作与编程

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a)垂直多关节机器人

b)水平多关节机器人

图1-5多关节坐标型机器人

3)用于电子部件装配的装配机器人。

4)用于给机床提供工件并在加工后将其取出的上下料机器人。5)用于给容器装载不同工件的码垛机器人。

随着对工业生产线柔性要求的提高，各领域对工业机器人的需求也越来越强烈。

(2)特种机器人特种机器人是除工业机器人之外的、用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人，其应用范围涉及保安、救援、医疗服务、农业、军事等领域。按具体应用不同可以分为如下几种。

1)陪伴人类的娱乐休闲机器人。

2)帮助残疾人完成日常琐事的残障辅助机器人。3)提供24小时监视、保障住宅安全的安全机器人。4)从事医疗或辅助医疗的医用机器人。5)用于施肥、除草、采摘的农业机器人。6)用于水下勘测、搜救等的水下机器人。

7)用于军事领域的物资运输、搜寻勘探，甚至实战进攻的军事机器人。

1.2工业机器人概况

20世纪50年代，工业机器人还处于萌芽阶段；经过几十年时间的发展，工业机器人就已遍布人类社会的众多领域，广泛应用于人们的生产和生活中：而如今，与计算机技术一样，机器人技术正在日益改变着人们的生活方式，成为日常生活中不可或缺的一部分。

机器人设计应追溯到早期的工业机器人。可以说，工业机器人奠定了机器人发展的基础。工业机器人制造商致力于使机器人更加人性化，并广泛适用于各种应用场景。目前，机器人技术最大的商业应用也在于工业机器人，其中超过50%的工业机器人用于汽车制造业中的机械涂装及焊接作业，如图1-6所示。据统计，每辆汽车大约有3000~4000个电阻焊点，焊接工作量极大，因此焊接机器人在汽车制造业中具有不可替代的地位。过去，我国汽车零部件一直采用手工焊和专机焊，存在劳动强度大，作业环境恶劣，焊工技术低下，生产柔性差，焊接质量不能有效保证，以及无法满足现代汽车工业生产的需求等问题。随着工业

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第章工业机器人简述

机器人的大量应用，零部件自动化生产水平及效率大幅提高，保证了焊接、加工、装配等质量，使生产过程更具柔性

图1-6汽车装配生产线

工业机器人的出现，使人类从大量繁琐、重复、危险性高、技能要求低的工作中解放出来，以低成本实现高生产率、高产品质量和高适用性。

1.2.1工业机器人发展历史

1920年，捷克斯洛伐克作家萨佩克创作了一部名为《洛桑万能机器人公司》的剧本，他把由洛桑万能机器人公司生产的那些机器取名Robota(捷克语意为“奴隶”)和Robotnik(波兰语意为“工人”)。由此，“机器人”的名字正式诞生。

I939年，美国纽约世博会展出了Westinghouse Electric Corporation(西屋电气公司)制造的家用机器人Elektro。该机器人由电缆控制，可以行走，不过离真正的家务劳动者还有很大距离，但它让人们对于家用机器人的憧憬变得更具体。1942年，美国科幻巨匠阿西莫夫提出“机器人三定律”，虽然其诞生于科幻小说中，但后来成为了学术界默认的研发原则。“机器人三定律”是阿西莫夫最广为人知的成就，其具体表达如下。

第一定律：机器人不得伤害人类个体，或者目睹人类个体遭受危险而袖手不管。第二定律：机器人必须服从人给予它的命令，当该命令与第一定律冲突时例外。第三定律：机器人在不违反第一、第二定律的情况下要尽可能保护自己的生存。

1948年，诺伯特·维纳在《控制论一关于在动物和机器中控制和通信的科学》中提出了机器人的通信、控制机能与人的神经、感觉机能的共同规律，首次指出了自动化工厂中计算机的核心地位。马文·明斯基于1954年提出了智能机器能够创建周围环境的抽象模型，因此人类一旦遇到问题便可从抽象模型中寻找解决方法，这在一定程度上影响了智能机器人的发展方向。1956年，美国的Devol和Joseph F.Engelberger创立了第一家生产机器人的公司Unimation,其生产的Unimation机器人也被称为可编程传输机器人，如图1-7所示。人们最初主要用该机器人将物体从一个点转移到另一个点，距离大约3m。

Unimation后来将其技术授权给Kawasaki Heavy Industries和GKN,分别在日本和英国制

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工业机器人操作与编程

造机器人。1968年，日本制造出第一台通用机械手机器人，并很快进入实用阶段。该机器人大大缓解了市场劳动力严重短缺的社会矛盾。

1968年，美国斯坦福研究所公布他们研发成功的机器人Shakey,该机器人带有视觉传感器，能够根据人的指令抓取积木。Shakey作为第一台智能机器人，拉开了第三代机器人研发的序幕。1969年，斯坦福大学的Victor Scheinman发明了六自由度关节斯坦福臂，如图1-8所示。其能够准确地跟随空间中的任意路径，并将机器人的潜在用途扩展到更复杂的应用，例如装配和焊接。Scheinman随后为麻省理工学院AI实验室设计了第二个机械臂，称为“MIT臂”。Scheinman将设计卖给了Unimation,Unimation在通用汽车的支持下进一步开发，后来将其作为可编程通用机器人推向市场。

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图1-7 Unimation可编程传输机器人

图1-86自由度关节斯坦福臂

工业机器人也在欧洲迅速发展，ABB机器人和库卡机器人公司于1973年将机器人推向

市场。ABB Robotics(前身为ASEA)推出的IRB6是世界上第一款商用全电动微处理器控制机器人。前两台RB6机器人被出售给瑞典的Magnusson,用于研磨和抛光管道弯曲，并于1974年1月投入生产。同样在1973年，库卡机器人公司建造了第一台工业机器人，称为FAMULUS,它也是第一个由六个电动机驱动的铰接式机器人。1978年，美国Unimation公司

推出通用工业机器人PUMA,这标志着工业机器人技术已经完全成熟。

协作机器人(Collaborative Robot)是近几年兴盛起来的机器人，它是特殊的工业机器人，简称cobot或co-robot,是一种设计为能与人类在共同工作空间中进行近距离互动的机器人。国际工业机器人安全标准IS010218-2对协作机器人(Collaborative Robot)的定义是被设计成可以在协作区域内与人直接进行交互的机器人，如图1-9所示。其中，协作区域

图1-9六自由度协作机器人

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···试读结束···