机器人技术是集机械工程学、计算机科学、控制工程、电子技术、传感器技术、人工智能、仿生学科为一体的综合技术，它是多学科科技技术的必然结果。每一个机器人，都是一个知识密集和技术密集的高科技机电一体化产品。本文根据机器人在日常的应用情况，重点介绍工业机器人的定义、分类、控制特点、结构、组成及应用等，让更多的人认识工业机器人，了解工业机器人。
关键词： 工业机器人 结构 特点 应用 控制系统
一、 机器人的由来
要认识工业机器人，首先要知道机器人，那么什么是机器人，机器人这个词的是如何产生的呢？这里简述一下机器人这个词的由来。1920年捷克斯洛伐克作家雷尔.卡佩克发表了科幻剧《罗萨姆的万能机器人》。 在剧本中，卡佩克把捷克语\"Robota\"写成了\"Robot\是农奴的意思.该剧预告了机器人的发展对人类社会的悲剧性影响，引起了大家的广泛关注，被当成了机器人的起源。剧情是：罗萨姆公司把机器人作为人类生产的工业产品推向市场，让它去充当劳动力。机器人按照其主人的命令默默地工作，没有感觉和感情，以呆板的方式从事繁重的不公平的劳动。后来，罗萨姆公司取得了成功，使机器人具有了感情，导致机器人的应用部门迅速增加。在工厂和家务劳动中，机器人成了必不可少的成员。机器人发觉人类十分的自私和不公正，终于造反了，开始屠杀人类。因为机器人的体能和智能都非常优秀，因此消灭的幸存者，但没有结果。最后，一对感知能力优于其他机器人的男女机器人相爱了。这时机器人进化为人类，世界又起死回生了。
二、、工业机器人的定义及发展
机器人问世已有几十年，但没有一个统一的意见。原因之一是机器人还在发展，另一原因主要是因为机器人涉及到了人的概念，成为一个难以回答的哲学问题。也许正是由于机器人定义的模糊，才给了人们充分的想象和创造空间。 1987年国际标准化组织(ISO)对工业机器人的定义：“工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能，能完成各种作业的编程操作机。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，这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，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”。尽管各国定义不同，但基本上指明了工业机器人所具有的三个特性：
1) 是一种自动机械装置，可以搬运材料、零件或完成多种操作和动作功能； 2) 可以再编程，程序流程可变，即具有柔性(适应性）。
3) 可以在无人参与下，自动完成多种操作或动作功能，即具有通用性。 1954年，美国人George C. Devol 提出了第一个工业机器人方案并在1956年获得美国专利。1960年，Conder公司购买专利并制造了样机。1961年，Unimation
公司（通用机械公司）成立，生产和销售了第一台工业机器“Unimate”，即万能自动之意。1962年，A.M.F.（机械与铸造）公司，研制出一台数控自动通用机，取名“Versatran”，即多用途搬运之意并以“Industrial Robot”为商品广告投入市场。 日本、西欧各国、前苏联也相断引进或自行研制工业机器人。60～70年代是机器技术获得巨大发展的阶段。80年代，机器人在发达国家的工业中大量普及应用，如焊接、喷漆、搬运、装配。并向各个领域拓展，如航天、水下、排险、核工业等，机器人的感知技术得到相应的发展，产生第二代机器人。90年代，机器人技术在发达国家应用更为广泛，如军用、医疗、服务、娱乐等领域，并开始向智能型（第三代）机器人发展。 三、工业机器人的组成
工业机器人一般由主构架（手臂）、手腕、驱动系统、测量系统、控制器及传
感器等组成。
工业机器人的运动由主构架和手腕完成。主构架具有三个自由度，其运动由两种基本运动组成，即沿着坐标轴的直线移动和绕坐标轴的回转运动。不同运动的组合形成各种类型的机器人，工业机器人的基本结构形式有：直角坐标型（a中有三个直线坐标轴）；圆柱坐标型（b中有两个直线坐标轴和一个回转轴）；球坐标型（c中有一个直线坐标轴和两个回转轴）；关节型（d中有三个回转轴关节，e中有三个平面运动关节）。
四、机器人的常用传动机构 机器人传动机构的基本要求：
结构紧凑，即同比体积最小、重量最轻； 传动刚度大，即承受扭矩时角度变形要小，以提高整机的固有频率，降低整机的低频振动； 回差小，即由正转到反转时空行程要小，以得到较高的位置控制精度；寿命长、价格低。 五、工业机器人操作机的机械结构
工业机器人操作机由机座、立柱、手臂、手腕和手部等部分组成， 1、手臂
手臂是操作机的主要运动部件，它用来支承手腕和手部，并用来调整手部在空间的位置。手臂一般至少应有三个自由度。手臂的直线运动多数通过液压（气）缸驱动来实现，也可通齿轮齿条、滚珠丝杠、直线电动机来实现。回转运动可通过蜗轮蜗杆、液压缸活塞杆上齿条驱动齿轮的方式等。PUMA型工业机器人是由直流伺服电动机驱动的六自由度关节型工业机器人，7 2、手腕
手腕是联结手臂和手部的部件，其功能是在手臂和腰部实现了手部在空间的三个位置坐标的基础上，再由手腕来实现手部在作业空间的三个姿态坐标，即实现三个旋转自由度。通过机械接口联接并支承的手部。手腕一般由弯曲式关节和转动式关节组成。 3、手部
手部装在操作机手腕的前端，它是操作机直接执行工作的装置，分为机械夹持器、专用工具和万能手三类。
六、工业机器人控制系统的特点和基本要求 工业机器人的特点：
1）工业机器人有若干个关节，每个关节由一个伺服系统控制，多个关节的运动要求各个伺服系统协同工作。
2）工业机器人的工作任务是要求操作机的手部进行空间点位运动或连续轨迹运动，对工业机器人的运动控制，需要进行复杂的坐标变换运算，以及矩阵函数的逆运算。
3）工业机器人的数学模型是一个多变量、非线性和变参数的复杂模型，各变量之间还存在着耦合，因此工业机器人的控制中经常使用前馈、补偿、解耦和自适应等复杂控制技术。
4）较高级的工业机器人要求对环境条件、控制指令进行测定和分析，采用计算机建立信息库，用人工智能的方法进行控制、决策、管理和操作，按照给定的要求，自动选择最佳控制规律。 工业机器人控制系统的基本要求：
1）实现对工业机器人的位姿、速度、加速度等的控制功能，对于连续轨迹运动的工业机器人还必须具有轨迹的规划与控制功能。
2）方便的人-机交互功能，操作人员采用直接指令代码对工业机器人进行作业指示。
3）具有对外部环境的检测和感觉功能。 4）具有诊断、故障监视等功能。 七、工业机器人的控制系统
目前大部分工业机器人都采用二级计算机控制，第一级为主控制级，第二级为伺服控制级。
主控制级由主控制计算机及示教盒等外围设备组成，主要用以接受作业指令、协调关节运动、控制运动轨迹、完成作业操作。伺服控制级为一组伺服控制系统，其主体亦为计算机，每一伺服控制系统对应一个关节，用于接收主控制计算机向各关节发出的位置、速度等运动指令信号。 系统的工作过程是：
操作人员利用控制键盘或示教盒输入作业要求，如要求工业机器人手部在两点之间作连续轨迹运动。主控制计算机完成以下工作：分析解释指令、坐标变换、插补运算、矫正计算，最后求取相应的各关节协调运动参数。坐标变换用坐标变换原理，根据运动学方程和动力学方程计算工业机器人与工件关系、相对位置和绝对位置关系；插补运算是用直线的方式解决示教点之间的过渡问题；矫正计算是
为保证在手腕各轴运动过程中保持与工件的距离和姿态不变对手腕各轴的运动误差补偿量的计算。运动参数输出到伺服控制级作为各关节伺服控制系统的给定信号，实现各关节的确定运动。控制操作机完成两点间的连续轨迹运动，操作人员可直接监视操作机的运动，也可以从显示器控制屏上得到有关的信息。这一过程反映了操作人员、主控制级、伺服控制级和操作机的关系。 1、 主控制级
主控制级的主要功能是建立操作和工业机器人之间的信息通道，传递作业指令和参数、反馈工作状态、完成作业所需的各种计算、建立与伺服控制级之间的接口。主要由以下几个部分组成： （1）主控制计算机
主要完成从作业任务、运动指令到关节运动要求之间的全部运算，完成机器人与所有设备之间的运动协调。对主控制计算机硬件方面的主要要求是运算速度和精度、存储容量及中断处理能力。 （2）主控制软件
工业机器人控制编程软件是工业机器人控制系统的重要组成部分，其功能主要包括：指令的分析解释、运动的规划、插值计算和坐标变换。 （3）外围设备
主控制级除具有显示器、控制键盘等一般外围设备外，还具有示教控制盒。 2、 伺服控制级
伺服控制级由一组伺服控制系统组成，每一个伺服控制系统分别驱动操作机的一个关节。主要由以下几个部分组成： （1）伺服驱动器
电伺服驱动器通常由伺服电动机、位置传感器、速度传感器和制动器组成。伺服电动机的输出轴直接与操作机关节轴相联结，以完成关节运动的控制和关节位置、速度的控制。 （2）伺服控制器
伺服控制器的基本部件是比较器、误差放大器和运算器。输入信号除参考信号外，还有各种反馈信号。 八、工业机器人的应用
随着工业机器人发展的深度和广度以及机器人智能水平的提高，工业机器人
已在众多领域得到了应用。从传统的汽车制造领域向非制造领域延伸。如采矿机器人、建筑业机器人以及水电系统用于维护维修的机器人等。在国防军事、医疗卫生、食品加工、生活服务等领域工业机器人的应用也越来越多。 汽车制造是一个技术和 资金高度密集的产业，也是工业机器人应用最广泛的行业，几乎占到整个工业机器人的一半以上。在我国，工业机器人最初也是应用于汽车和工程机械行业中。在汽 车生产中工业机器人是一种主要的制动化设备，在整车及零部件生产的弧焊、点焊、喷涂、搬运、涂胶、冲压等工艺中大量使用。据预测我国正在进入汽车拥有率上 升时期，在未来几年里，汽车仍将每年15%左右的速度增长。所以未来几年工业机器人的需求将会呈现出高速增长趋势，年增幅达到50%左右，工业机器人在我国汽车行业的应用将得到快速发展。 工业机器人除了在汽车行业的广泛应用，在电子，食品加工，非金属加工，日用消费品和木材家具加工等行业对工业机器人的需求也快速增长。在亚洲，2005年安装工业机器人72，600台，与2004年相比，增长了40%，而应用在电子行业的就占了31%左右。在欧洲地区，据统计2005年与2004年相比工业机器人在食品加工行业的应用增长了17%左右，在非金属加工行业的应用增长了20%左右，在日用品消费行业增长了32%，在木材家具加工行业增长了18%左右。工业机器人在石油方面也有广泛的应用，如海上石油钻井、采油平台、管道的检测、炼油厂、大型油罐和储罐的焊接等均可使用机器人来完成。 在未来几年，传感技术，激光技术，工程网络技术将会被广泛应用在工业机器人工作领域，这些技术会使工业机器人的应用更为高效，高质，运行成本低。今后机器人将在医疗、保健、生物技术和产业、教育、救灾、海洋开发、机器维修、交通运输和农业水产等领域得到应用。
参 考 文 献
[1] 张立勋.机电一体化系统设计[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，1997. [2] 周祖德.机电一体化控制技术与系统[M].武汉：华中理工大学出版社,2003. [3] 王永梁.机电控制工程[M].北京：清华大学出版社,1997.
[4] 梁景凯.机电一体化技术与系统[M].北京：机械工业出版社，2006.
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