1.1 工业机器人概述

工业机器人在出厂的时候一般由机器人本体、机器人控制柜和机器人示教器组成。机器人本体又称为机械臂，是机器人各种动作实现的操纵机构；机器人本体在出厂的时候一般不安装手爪，手爪是用户根据实际应用需要进行设计并安装使用的。机器人控制柜用来驱动机器人各个关节的动作及控制其工作流程。机器人示教器也称为示教盒，用来手动操纵机器人，配置机器人参数，在线编辑、调试和运行机器人程序。

工业机器人的机械系统一般由一系列连杆、关节或其他形式的运动副所组成，如图1-1所示。机械系统通常包括基座、立柱、腰关节、臂关节、腕关节和手爪等，构成一个多自由度的机械系统。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装置，它能自动执行工作，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。它可以接受人类指挥，也可以按照预先编排的程序运行。

1.1.1 工业机器人技术指标

1.自由度

自由度是指机器人机构能够独立运动的关节数目，是衡量机器人动作灵活性的重要指标，可用轴的直线移动、摆动或旋转动作的数目来表示。

工业机器人的多自由度最终用于改变末端在三维空间中的位姿。以通用的6自由度工业机器人为例，由第1～3轴驱动的3个自由度用于调整末端执行器的空间定位，由第4～6轴驱动的3个自由度用于调整末端执行器的空间姿态，如图1-2所示。

2.工作范围

工作范围是指机器人在未安装末端执行器时，其手腕参考点所能到达的空间。工作范围是衡量机器人作业能力的重要指标，工作范围越大，机器人的作业区域也就越大。

工作范围的大小取决于各关节运动的极限范围，不仅与机器人各构件尺寸有关，还与它的总体构形有关。在工作空间内不仅要考虑各构件自身的干涉，还要防止构件与作业环境发生碰撞。因此，工作范围的定义应剔除机器人在运动过程中可能产生自身碰撞的干涉区，实际工作范围还应剔除末端执行器碰撞的干涉区。

如图1-3所示，蓝线内部为机器人的工作空间，展示了工业机器人的最高、最低、最远和最近工作范围。

3.最大工作速度

最大工作速度是指机器人在空载、稳态运动时所能够达到的最大稳定速度，或者末端最大的合成速度。运动速度决定了机器人的工作效率，它是反映机器人性能水平的重要参数。

4.定位精度

机器人的定位精度是指机器人定位时，末端执行器实际到达的位置和目标位置间的误差值，它是衡量机器人作业性能的重要技术指标。机器人样本和说明书中所提供的定位精度一般是各坐标轴的重复定位精度（Position Repeatability），在部分产品上还提供了轨迹重复精度（Path Repeatability）。

5.承载能力

承载能力（Payload）是指机器人在工作范围内任意位姿所能承受的最大质量，其不仅取决于负载的质量，还与机器人在运行时的速度与加速度有关。它一般用质量、搬运、装配、转矩等技术参数表示。对专用机械手来说，其承载能力主要根据被抓取物体的质量来定，其安全系数一般可在1.5～3.0之间选取。

为了能够准确反映负载重心的变化情况，机器人承载能力有时也可用允许转矩（Allowable Moment）的形式表示，或者通过机器人承载能力随负载重心位置变化图来详细表示承载能力参数。

1.1.2 工业机器人应用行业

工业机器人与自动化成套装备是生产过程的关键设备，可用于制造、安装、检测、物流等生产环节，并广泛应用于汽车整车及汽车零部件、工程机械、轨道交通、低压电器、电力、IC装备、军工、烟草、金融、医药、冶金及印刷出版等众多行业，应用领域非常广泛。

1.汽车行业

在我国，50%的工业机器人应用于汽车制造业，其中50%以上为焊接机器人；在发达国家，汽车工业机器人占机器人总保有量的53%以上。

中国正由制造大国向制造强国迈进，需要提升加工手段，提高产品质量，增加企业竞争力，这一切都预示机器人的发展前景巨大。

2.电子电气行业

工业机器人在电子电气行业的应用较普遍。例如，在手机生产领域，分拣装箱、撕膜系统、激光塑料焊接、高速四轴码垛机器人等，适用于触摸屏检测、擦洗、贴膜等一系列流程的自动化系统的应用。

电子行业机器人由国内生产商根据电子生产行业需求所特制，小型化、简单化的特性实现了电子组装高精度、高效的生产，满足了电子组装加工设备日益精细化的需求，而自动化加工更是大大提升了生产效益。

3.橡胶及塑料工业

塑料工业合作紧密而且专业化程度高，塑料的生产、加工和机械制造紧密相连。要跻身塑料工业需符合极为严格的标准，对机器人来说，它不仅是净室环境标准下的最佳生产工具，而且可在注塑机旁完成高强度作业。即使在高标准的生产环境下，它也能可靠地提高各种工艺的经济效益。因为机器人掌握了一系列操作、拾放和精加工作业。

4.铸造行业

在极端的工作环境下进行多班作业——铸造领域的作业使工人和机器承受沉重负担。机器人以其模块化的结构设计、灵活的控制系统、专用的应用软件能够满足铸造行业整个自动化应用领域的最高要求。它不仅防水，而且耐脏、抗热，甚至可以直接在注塑机旁、内部和上方用于取出工件。此外，它还可以可靠地将工艺单元和生产单元连接起来。另外，在去毛边、磨削或钻孔等精加工作业以及进行质量检测方面，机器人也表现非凡。

5.食品行业

目前人们已经开发出的食品工业机器人有包装罐头机器人、自动午餐机器人和切割牛肉机器人等。

切割牛肉机器人将要加工的牛的肢体与数据库中存储的牛肢体的切割信息进行比较来加工每一头牛，这样就可以顺着每次切割所定的初始路线方向来确定刀的起点和终点，然后用机器人驱动刀切入牛的身体里面。传感器系统监视切割时所用力的大小，来确定刀是否是在切割骨头，同时把信息反馈给机器人控制系统，以控制刀片只顺着骨头的轮廓移动，从而避免损坏刀片。

6.化工行业

目前应用于化工行业的洁净机器人及其自动化设备主要有大气机械手、真空机械手、洁净镀膜机械手、洁净AGV/RGV及洁净物流自动传输系统等。很多现代化工业品生产要求精密化、微型化，高纯度、高质量和高可靠性，在产品的生产中要求有一个洁净的环境，洁净度的高低直接影响产品的合格率，洁净技术就是随着产品生产对洁净生产环境污染物的控制要求、控制方法以及控制设施的日益严格而不断发展的。

7.家电行业

使用机器人可以更经济有效地完成白色家电生产、加工、搬运、测量和检验工作。因其具有较高的生产率、重复性的高精确度、很高的可靠性以及光学和触觉性能，机器人几乎可以运用到家用电器生产工艺流程的所有方面。