摘要：工业机器人是最典型的机电一体化装备，技术附加值很高，应用范围很广。工业机器人产业是一个快速成长中的新兴产业，将对未来生产和社会发展起越来越重要的作用。本文首先介绍了工业机器人的基本概念、组成以及其主要技术参数，然后介绍了工业机器人的工作空间研究现状及其三种研究方法，此外对关键技术进行了介绍，并对工业机器人的发展进行展望。 关键字：工业机器人；工作空间；关键技术
Industrial robot technology and its research progress and revie
Abstract: Industrial robot is the most typical electromechanical equipment. It has high technology added value and wide application . The industry of industrial robots is an emerging industry . It will have more and more important effect on production and social development in the future . This paper introduces the basic concept of industrial robots 、composition and its main technical parameters first . Then this paper introduces the prese
七彩山鸡养殖nt research situation of the working space and its three research methods. In addition to, this paper introduces the key technology. The last ,the paper looks ahead at the development of industrial robots.
家谱管理系统
Keywords: Industrial robot; working space; key technology
一．引言
自从20 世纪60 年代初世界第一台机器人在美国问世以后，机器人便表现出很大的生命力。机器人首先被用于工业生产，近半个世纪来机器人技术发展非常迅速， 工业机器人已在工业生产中得到了广泛的应用。工业机器人是一种能自动控制、可重复编程、多功能、多自由度的操作机。它们通常配有机械手、刀具或其它可装配的加工工具，能够搬运材料、工件，完成各种作业，是一种柔性自动化设备[1]。也是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。工业机器人的应用使生产面貌大为改观，许多繁重、重复单调、有毒、有害和危险的作业已由机器人来完成，生产的自动化程度大为提高，出现了许多无人车间和无人工厂，产品品质、生产效率和企业对市场快速应变能力的提高，促使生
产力快速发展。它对不同的生产环境和作业要求具有很强的适应性，人所从事的作业，许多都能由机器人来完成。因此，用来完成不同生产作业的工业机器人的种类愈来愈多，具有特殊作业功能的工业机器人层出不穷[2]。目前工业机器人已广泛地用于汽车、机械加工、电子和塑料制品等工业领域中。在工业生产中，弧焊、点焊、装配、喷涂和搬运等作业用的工业机器人都已被大量地采用。随着科学与技术的发展，工业机器人的应用领域也随着不断地扩大。现在工业机器人的应用已开始扩大到核能、采矿、食品、船舶和建筑等工业的新领域中[3]。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。
二．工业机器人的概况
1.工业机器人的基本概念
机器人是近二十年来兴起的并迅速发展的新领域，它综合了机械、电子、计算机、自动控制、自动检测等学科的最新成果，是实现机械加工自动化的重要手段。
关于机器人的定义、目前国际上尚未统一，分类的方法也不完全一致。美国科技界通用的定义是：“ 防盗监控系统机器人是一种可重复编程的、多功能的用以搬运材料、工件和工具的操作装置” 。
日本对现代工业机器人的定义：“ 应具有类似人体上肢动作功能的可进行多种动作的机械；或具有感觉功能并一可自主地进行多种动作的装置。” 我们可以把它理解为“ 能完成人的某种功能的智能机器” 。通常，工业机器人的执行机构是抓料手，它具有很高的功态性能，可以按照所存贮的程序实现复分的空问运动，就其主要特征来说，近似于受大脑控钊的人手的动作。此外，有些工业机器人还要在一定范围内移动，就可以认为同时具有人脚的功能。至于机器人的外形是否像人这并不是实质。对于机器人，可以从智能、机能和物理能三个方面进行评价。智能是指感觉、记忆、学习、判断等功能，机能是指机动性和空间占有性，物理能包括力、速度、连续运动能力以及可靠性与寿命等[4]。
第一代机器人，一般指工业上大量使用的可编程机器人及遥控操作机。可编程机器人可根据操作人员所编程序完成一些简单重复性作业。遥控操作机制每一步动作都要靠操作人员发出。第二代机器人———感知机器人的问世，这代机器人，带有外部传感器，可进行离线编程。能在传感系统支持下，具有不同程度感知环境并自行修正程序的功能。第三代机器人为自治机器人，正在各国研制和发展。它不但具有感知功能，还具有一定决策和规划能力。能根据人的命令或按照所处环境自行做出决策规划动作，即按任务编程[5]。
2.工业机器人的组成
机器人整机基本上由两部分组成：一是操作机；二是控制装置。操作机是机器人的本体结构，包括基座、驱动器或驱动单元、手臂、手腕、末端执行器、行走机构以及安装在操作机上的各种感受装置等。控制装置一般包括计算机控制系统、伺服驱动系统、电源装置以及与操作者联系的装置等。
驱动器或驱动单元是机器人的动力执行机构。根据动力源的类别不同，可分为电动驱动、液压驱动和气动驱动三类。电动驱动多数情况下用直流、交流伺服电机，也可用力矩电机、步进电机等。伺服电机与位置检测传感器、速度检测传感器、制动器或减速机各元、部件组成的整体称驱动单元。液压驱动器在机器人中应用最多的是液压缸（直线式和摆动式），液压缸和伺服阀或比例阀也可组成液压伺服机构。气动驱动主要采用气缸和气动马达。手臂和手腕是机器人操作机中的基本部件，它由旋转运动和往复运动的机构组成。其结构形成是多种多样的，但多数机器人的手臂和手腕是由关节和杆件构成的空间机构，一般由3~10 个由度组成，工业机器人一般为3~6 个自由度。机器人具有多自由度手臂、手腕的机构，操作运动具有通用性和灵活性，这也是区其别于一般自动机的特点。末端执行器
是机器人手腕末端机械接口所连接参与作业的机构，如夹持器、焊钳、焊、喷或其他作业工具和传感器等。行走装置分轮式、履带式和步行式等，也可用螺旋浆式或其他形式的推进机构。工业机器人多采用轮式机构。感受装置基本上由各类传感器组成，可分为收集机器人内部运动状态信息的装置和收集外界环境信息的装置。因此，机器人所用传感器可分为内部信息传感器种外部信息传感器。内部信息传感器主要用于检测机器人的运动状态的位置、速度和加速度等信息，并与控制系统形成反馈回路和闭环控制。外部信息传感器是感受外部环境状态、性质和参数的传感器和如视觉、触觉、力觉传感器等。控制系统一般由计算机控制系统和伺服驱动系统、电源装置等硬件以及运动控制、作业控制的各种软件组成[6]。
3.工业机器人的主要技术参数
静态管理工业机器人的技术参数是说明机器人规格与性能的具体指标，包括以下几个方面。
（1）负载能力（机器人臂力）
这项参数一般指机器人在正常运行速度下所能握取的工件重量，它与机器人的运行速度高
低有关。当机器人运行速度可调时，低速运行时所能握取工件最大重量比高速时大，为安全起见，也有将高速时所能握取的工件重量作为指标的，此时则常指明运行速度。
车载影院（2）定位精度
定位精度是衡量机器人工作质量的一项重要指标，定位精度的高低取决于位置控制方式以及工业机器人的运动部件本身的精度和刚度，与握取重量、运行速度等也有密切关系。一般的专用机械手采用固定挡块控制，可达到较高的定位精度；采用行程开关、电位计等电控元件进行控制，位置精度相对较低；工业机器人的伺服系统是一种位置跟踪系统，即使在高速重载情况下，也可防止机器人发生剧烈的冲击和振动，因此可以获得较高的定位精度。
一般所说的定位精度是指位置精度和位置重复定位精度。其中位置精度是指目标位置与到达目标的实际位置的平均偏差；而位置重复定位精度是指机器人多次定位重复到达同一目标位置时，与其实到位置之间的相符合程度。
（3）运动速度
运动速度是反映机器人性能的又一项重要指标，它与机器人负载能力、定位精度等参数都有密切联系，同时也直接影响着机器人的运动周期。
机器人运动部件的每个自由度，其运行全过程一般包括启动加速、等速运行和减速制动等阶段，其速度-时间特性曲线可以简化。
手机充电站一般所说的运动速度，是指机器人在运动过程中最大的运动速度。为了缩短机器人整个运动的周期，提高生产效率，通常总是希望启动加速和减速制动阶段的时间尽可能的缩短，而运行速度尽可能的提高，既提高全运动过程的平均速度。但由此却会使加、减速度的数值相应地增大，在这种情况下，惯性力增大，工件易松脱；同时由于受到较大的动载荷而影响机器人工作平稳性和位置精度。这就是在不同运行速度下，机器人能提取工件的重量不同的原因。
（4）自由度
自由度是指确定机器人手部中心位置和手部方位的独立变化参数。工业机器人的每一个自由度，都要相应的配对一个原动件（如伺服电机、油缸、气缸、步进电机等驱动装置），
当原动件按一定的规律运动时，机器人各运动部件就随之作确定的运动，自由度数与原动件数必须相等，只有这样才能使工业机器人具有确定的运动。工业机器人自由度越多，其动作越灵活，适应性越强，但结构相应越复杂。一般来说工业机器人具有3~5个自由度即满足使用要求（其中臂部2~3个自由度，腕部1~2个自由度）。
（5）程序编制与存储容量
这个技术参数是用来说明机器人的控制能力，即程序编制和存储容量（包括程序步数和位置信息量）的大小表明机器人作业能力的复杂程度及改变程序时的适应能力和通用程度。存储容量大，则适应性强，通用性好，从事复杂作业的能力强[7]。
三．工业机器人工作空间的研究现状
机器人的工作空间是指机器人末端执行器的工作区域，是衡量机器人性能的重要指标之一。根据末端执行器工作时的位姿特点，工作空间可以分为可达工作空间和灵活工作空间[8]。可达空间是指末端执行器上某一参考点可以到达的点的集合，这种工作空间不考虑执行器的位姿。灵活工作空间是指执行器上某一参考点可以从任何方向到达的点的集合，是
可达工作空间的一部分。关于工作空间的分析一直是机器人机构学研究的重点和热点，国内外学者针对不同的机器人机构提出了不同的研究方法。这些方法概括起来主要可以分为三种：几何绘图法、解析法和数值法。
马香峰，刘淑春，黄献龙等学者[9-11]用几何绘图法求解机器人的工作空间，该方法得到的一般是工作空间的各类剖切面或者是剖切线。它直观性强，可以显示可达点处操作臂的位姿特征。针对6自由度空间机器人应用图解法，可将关节分为两组，前三关节和后三关节。其中前三关节称位置结构，主要确定工作空间大小；后三关节称为定向结构，主要确定末端件位姿。
解析法也是工作空间分析中常用的一种方法。常采用对雅克比矩阵降秩(Rankdeficiency)时的特征加以分析。陈宁新等学者[12]注意到了机器人处于可达空间边界的时候，其一定是奇异位置，这些奇异位置构成了工作空间的奇异面。通过对构成工作空间的奇异面分析，得到工作空间的边界曲面。从中也可以看到，所得到的奇异面就是雅克比矩阵降秩造成的。Abdel-Malek等学者[13]发现，奇异集合是由于机器人操作臂缺少了至少一个自由度造成的。该奇异集合可以由雅克比矩阵的降秩解析得到，并用该奇异集合对工作空间的外形
曲面片(Surface patches)进行参数化，从而得到参数化的工作空间。最近，Abdel-Malek继续对工作空间中的空腔和空洞[14]问题进行了深入的研究。
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