作者：张明文、曹华 主编
出版社：化学工业出版社
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工业机器人入门实用教程试读：
前言
机器人是先进制造业的重要支撑装备，也是未来智能制造业的关键切入点。工业机器人作为机器人家族中的重要一员，是目前技术最成熟、应用最广泛的一类机器人。工业机器人的研发和产业化应用是衡量科技创新和高端制造发展水平的重要标志。发达国家已经把工业机器人产业发展作为抢占未来制造业市场、提升竞争力的重要途径。在汽车工业、电子电器、工程机械等众多行业大量使用工业机器人自动化生产线，在保证产品质量的同时，改善了工作环境，提高了社会生产效率，有力推动了企业和社会生产力发展。
当前，随着我国劳动力成本上涨，人口红利逐渐消失，生产方式向柔性、智能、精细转变，构建新型智能制造体系迫在眉睫，对工业机器人的需求呈现大幅增长。大力发展工业机器人产业，对打造我国制造业新优势、推动工业转型升级、加快制造强国建设、改善人民生活水平具有深远意义。“中国制造2025”将机器人作为重点发展领域，机器人产业已经上升到国家战略层面。
在全球范围内的制造业战略转型期，我国工业机器人产业迎来良好的发展机遇，然而，现阶段我国工业机器人领域人才供需失衡，缺乏经系统培训的、能熟练安全使用和维护工业机器人的专业人才。国务院《关于推行终身职业技能培训制度的意见》指出：职业教育要适应产业转型升级需要，着力加强高技能人才培养；全面提升职业技能培训基础能力，加强职业技能培训教学资源建设和基础平台建设。针对这一现状，为了更好地推广工业机器人技术的应用，亟须编写一套系统全面的工业机器人入门实用教材。
本书以ROKAE机器人为主，结合江苏哈工海渡工业机器人有限公司的工业机器人技能考核实训台，遵循“由简入繁，软硬结合，循序渐进”的编写原则，依据初学者的学习需求，科学设置知识点，结合实训台典型实例讲解，倡导实用性教学，有助于激发学习兴趣，提高学习效率，便于初学者在短时间内全面、系统地了解工业机器人的知识。
本书图文并茂，通俗易懂，实用性强，既可以作为普通高校及中高职院校机电一体化、电气自动化及机器人等相关专业的教学和实训教材，以及工业机器人培训机构培训教材，也可以作为ROKAE机器人入门培训的初级教程，供从事相关行业的技术人员作为参考。
机器人技术具有知识面广、实操性强等显著特点。在学习过程中，建议结合本书配套的教学辅助资源进行，如：机器人仿真软件、六轴机器人实训台、教学课件及视频素材、教学参考与拓展资料等。以上资源可通过书末所附“教学资源获取单”咨询获取。
本书由哈工海渡机器人学院张明文和珞石（北京）科技有限公司曹华担任主编，王璐欢和李晓聪任副主编，参加编写的还有顾三鸿、吴冠伟、殷召宝等，由王伟和于振中主审。全书由王璐欢和李晓聪统稿，具体编写分工如下：顾三鸿编写第1章；殷召宝编写第2和第3章；吴冠伟编写第4～7章；王璐欢和李晓聪编写第8～10章。本书编写过程中，得到了哈工大机器人集团和珞石（北京）科技有限公司的有关领导、工程技术人员，以及哈尔滨工业大学相关教师的鼎力支持与帮助，在此表示衷心的感谢！
由于编者水平及时间有限，书中难免不足，敬请读者批评指正。任何意见和建议可反馈至E-mail：edubot_zhang@126.com。编者第1章 工业机器人概述1.1 工业机器人行业概况
当前，新科技革命和产业变革正在兴起，全球制造业正处于巨大的变革之中，《中国制造2025》《机器人产业发展规划（2016—2020年）》《智能制造发展规划（2016—2020年）》等强国战略规划，引导中国制造业向着智能制造的方向发展。《中国制造2025》提出了大力推进重点领域突破发展，而机器人作为十大重点领域之一，其产业已经上升到国家战略层面。工业机器人作为智能制造领域最具代表性的产品，“快速成长”和“进口替代”是现阶段我国工业机器人产业最重要的两个特征。我国正处于制造业升级的重要时间窗口，智能化改造需求空间巨大且增长迅速，工业机器人迎来重要发展机遇。
据统计，2017年1～12月中国工业机器人产量为131079套，累计增长68.1%。2017年我国工业机器人销量首次超11万台，增长率为22.94%，市场规模达260亿元，中国已连续五年成为全球工业机器人最大市场。截至2017年12月底，全国机器人企业的总数为6472家，年增长率为35.8%。随着国内新增工业机器人产能的进一步释放，国内工业机器人产量增长仍将持续。图1-1为2012～2017年中国工业机器人产业销量及增长率情况。图1-1 2012～2017年中国工业机器人产业销量及增长率数据来源：中研普华数据库。
中国机器人密度的发展在全球也最具活力。由于机器人设备的大幅增加，特别是2013年至2016年间，我国机器人密度从2013年的25台/万人增加到2016年的68台/万人，位居世界第23名，如图1-2所示。图1-2 2016年全球机器人密度数据来源：国际机器人联合会IFR。
目前，工业机器人制造是各大装备制造商纷纷介入的一块领域，无论是传统的机械制造企业还是电气企业，都希望能在工业机器人市场分上一杯羹。可以预见，未来国内工业机器人制造商所面临的竞争不单单来自国外企业，如ABB、FANUC、KUKA和YASKAWA四大巨头等，更有来自国内跨行业的企业，行业的竞争程度将会更加激烈。图1-3为2016年外资品牌工业机器人厂商市场份额。图1-3 2016年外资品牌工业机器人厂商市场份额数据来源：国际机器人联合会IFR。
国内机器人产业所表现出来的爆发性发展态势带来对工业机器人行业人才的大量需求，而行业人才严重的供需失衡又大大制约着国内机器人产业的发展，培养工业机器人行业人才迫在眉睫。而工业机器人行业的多品牌竞争局面，迫使学习者需要根据行业特点和市场需求，合理选择学习和使用某品牌的工业机器人，从而提高自身职业技能和个人竞争力。1.2 工业机器人定义和特点
工业机器人虽是技术上最成熟、应用最广泛的机器人，但对其具体的定义，科学界尚未形成统一，目前公认的是国际标准化组织（ISO）的定义。
国际标准化组织（ISO）的定义为：“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，能够搬运材料、工件或者操持工具来完成各种作业。”
而我国国家标准将工业机器人定义为：“其操作机是自动控制的，可重复编程、多用途，并可对三个或三个以上的轴进行编程。它可以是固定式或移动式的。在工业自动化中使用。”
工业机器人最显著的特点有：拟人化 在机械结构上类似于人的手臂或者其他组织结构。通用性 可执行不同的作业任务，动作程序可按需求改变。独立性 完整的机器人系统在工作中可以不依赖于人的干预。智能性 具有不同程度的智能功能，如感知系统等提高了工业机器人对周围环境的自适应能力。1.3 工业机器人构型
按照工业机器人结构运动形式的不同，其构型主要分5种：直角坐标机器人、柱面坐标机器人、球面坐标机器人、多关节机器人和并联机器人。（1）直角坐标机器人
直角坐标机器人在空间上具有多个相互垂直的移动轴，常用的是3个轴，即x、y、z轴，如图1-4所示，其末端的空间位置是通过沿x、y、z轴来回移动形成的，是一个长方体。图1-4 直角坐标机器人（2）柱面坐标机器人
柱面坐标机器人的运动空间位置是由基座回转、水平移动和竖直移动形成的，其作业空间呈圆柱体，如图1-5所示。图1-5 柱面坐标机器人（3）球面坐标机器人
球面坐标机器人的空间位置机构主要由回转基座、摆动轴和平移轴构成，具有2个转动自由度和1个移动自由度，其作业空间是球面的一部分，如图1-6所示。图1-6 球面坐标机器人（4）多关节机器人
多关节机器人由多个回转和摆动（或移动）机构组成。按旋转方向可分为水平多关节机器人和垂直多关节机器人。水平多关节机器人 由多个竖直回转机构构成的，没有摆动或平移，手臂都在水平面内转动，其作业空间为圆柱体，如图1-7所示。图1-7 水平多关节机器人垂直多关节机器人 由多个摆动和回转机构组成，其作业空间近似一个球体，如图1-8所示。图1-8 垂直多关节机器人（5）并联机器人
并联机器人的基座和末端执行器之间通过至少两个独立的运动链相连接，机构具有两个或两个以上自由度，且以并联方式驱动。工业应用最广泛的并联机器人是DELTA并联机器人，如图1-9所示。
相对于并联机器人而言，只有一条运动链的机器人称为串联机器人。图1-9 DELTA并联机器人1.4 工业机器人主要技术参数
选用什么样的工业机器人，首先要了解机器人的主要技术参数，然后根据生产和工艺的实际要求，通过机器人的技术参数来选择机器人的机械结构、坐标形式和传动装置等。
机器人的技术参数反映了机器人的适用范围和工作性能，主要包括：自由度、额定负载、工作空间、工作精度；其他参数还有：工作速度、控制方式、驱动方式、安装方式、本体重量、环境参数等。（1）自由度
自由度是指描述物体运动所需要的独立坐标数。
空间直角坐标系又称笛卡儿直角坐标系，它是以空间一点O为原点，建立三条两两相互垂直的数轴，即x轴、y轴和z轴。机器人系统中常用的坐标系为右手坐标系，即三个轴的正方向符合右手规则：右手大拇指指向z轴正方向，食指指向x轴正方向，中指指向y轴正方向，如图1-10所示。图1-10 右手规则
在三维空间中描述一个物体的位姿（即位置和姿态）需要6个自由度，如图1-11所示： 沿空间直角坐标系o-xyz的x、y、z三个轴平移运动T、T、T；xyz 绕空间直角坐标系o-xyz的x、y、z三个轴旋转运动R、R、R。xyz图1-11 六个自由度
机器人的自由度是指工业机器人相对坐标系能够进行独立运动的数目，不包括末端执行器的动作，如焊接、喷涂等。通常，垂直多关节机器人以6自由度为主，SCARA机器人是4自由度，如图1-12所示。图1-12 机器人的自由度
机器人的自由度反映机器人动作的灵活性，自由度越多，机器人就越能接近人手的动作机能，通用性越好；但是自由度越多，结构就越复杂，对机器人的整体要求就越高。因此，工业机器人的自由度是根据其用途设计的。
采用空间开链连杆机构的机器人，因每个关节运动副仅有一个自由度，所以机器人的自由度数就等于它的关节数。（2）额定负载
额定负载也称有效负荷，是指正常作业条件下，工业机器人在规定性能范围内，手腕末端所能承受的最大载荷。
目前使用的工业机器人负载范围较大：0.5～2300kg，见表1-1。表1-1 工业机器人的额定负载
工业机器人的额定负载通常用载荷图表示，如图1-13所示。图1-13 ROKAE XB4机器人的载荷图
在图1-13中，纵轴z表示负载重心与连接法兰中心的纵向距离；横轴x、y表示负载重心在连接法兰所处平面上的投影与连接法兰中心的距离。图示中物件重心落在2kg载荷线上，表示此时物件重量不能超过2kg。（3）工作空间
工作空间又称工作范围、工作行程，是指工业机器人作业时，手腕参考中心（即手腕旋转中心）所能到达的空间区域，不包括手部本身所能达到的区域。常用图形表示，如图1-14所示。P点为手腕参考中心，ROKAE XB4机器人工作空间为596mm。图1-14 ROKAEXB4机器人的工作空间
工作空间的形状和大小反映了机器人工作能力的大小，它不仅与机器人各连杆的尺寸有关，还与机器人的总体结构有关，工业机器人在作业时可能会因存在手部不能到达的作业死区而不能完成规定任务。
由于末端执行器的形状和尺寸是多种多样的，为真实反映机器人的特征参数，工作范围一般是指不安装末端执行器时，可以达到的区域。
注意：在装上末端执行器后，需要同时保证工具姿态，实际的可达空间会和生产商给出的有差距，因此需要通过比例作图或模型核算，来判断是否满足实际需求。（4）工作精度
工业机器人的工作精度包括定位精度和重复定位精度。定位精度又称绝对精度，是指机器人的末端执行器实际到达位置与目标位置之间的差距。重复定位精度简称重复精度，是指在相同的运动位置命令下，机器人重复定位其末端执行器于同一目标位置的能力，以实际位置值的分散程度来表示。
实际上机器人重复执行某位置给定指令时，它每次走过的距离并不相同，都是在一平均值附近变化，该平均值代表精度，变化的幅值代表重复精度，如图1-15和图1-16所示。机器人具有绝对精度低、重复精度高的特点。图1-15 定位精度图1-16 重复定位精度1.5 工业机器人应用
工业机器人可以替代人从事危险、有害、有毒、低温和高热等恶劣环境中的工作；还可以替代人完成繁重、单调的重复劳动，提高劳动生产率，保证产品质量，主要用于汽车、3C产品、医疗、食品、通用机械制造、金属加工、船舶等领域，用以完成搬运、焊接、喷涂、装配、码垛、涂胶和打磨等复杂作业。工业机器人与数控加工中心、自动引导车以及自动检测系统可组成柔性制造系统（FMS）和计算机集成制造系统（CIMS），实现生产自动化。（1）搬运
搬运作业是指用一种设备握持工件，从一个加工位置移动到另一个加工位置。
搬运机器人可安装不同的末端执行器（如机械手爪、真空吸盘等），以完成各种不同形状和状态的工件搬运，大大减轻了人类繁重的体力劳动。通过编程控制，配合各个工序不同设备实现流水线作业。
搬运机器人广泛应用于机床上下料、自动装配流水线、码垛搬运、集装箱等自动搬运，如图1-17所示。图1-17 搬运机器人（2）焊接
目前工业领域应用最广的是焊接机器人，应用于工程机械、汽车制造、电力建设等行业。焊接机器人能在恶劣的环境下连续工作并能提供稳定的焊接质量，提高工作效率，减轻工人的劳动强度。采用机器人焊接是焊接自动化的革命性进步，突破了焊接专机的传统方式，如图1-18所示。图1-18 焊接机器人（3）喷涂
喷涂机器人适用于生产量大、产品型号多、表面形状不规则的工件外表面涂装，广泛应用于汽车、汽车零配件、铁路、家电、建材和机械等行业，如图1-19所示。图1-19 喷涂机器人（4）装配
装配是一个比较复杂的作业过程，不仅要检测装配过程中的误差，而且要试图纠正这种误差。装配机器人是柔性自动化系统的核心设备，末端执行器种类多，以适应不同的装配对象；传感系统用于获取装配机器人与环境和装配对象之间相互作用的信息。装配机器人主要应用于各种电器的制造业及流水线产品的组装作业，具有高效、精
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