作者：龚仲华 龚晓雯
出版社：人民邮电出版社
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ABB工业机器人编程全集试读：
前言
工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的机电一体化设备，被称为工业自动化的三大主要支撑技术之一。随着社会的进步和劳动力成本的增加，工业机器人在我国的应用已越来越广。
工业机器人是一种功能完整、可独立运行的自动化设备，它能依靠自身的控制程序来完成规定的作业任务，只要掌握了工业机器人的编程技术，即可充分发挥机器人的功能，确保其正常、可靠运行。
本书第1章介绍了机器人的产生、发展、分类及产品与应用情况，对工业机器人的组成、特点和技术性能进行了简要说明。
第2章详细介绍了RAPID程序模块格式和程序组织管理的方法、程序结构与分类、程序数据的分类及定义方法，以及表达式、运算指令及函数命令的一般编程要求。
第3章对与工业机器人移动相关的坐标系、姿态、移动要素以及定义方法进行了全面阐述，对机器人基本移动指令、运动控制指令、程序点调整指令、移动数据读入与转换命令的功能、编程格式、程序数据要求、编程示例等内容进行了详尽的说明。
第4章对与工业机器人控制系统的输入/输出控制相关的I/O配置与检测指令、I/O读写指令与函数命令、控制点输出指令、其他I/O控制指令及相关函数命令的功能、编程格式、程序数据与命令参数要求、编程示例等内容进行了详尽的说明。
第5章对与程序运行控制相关的程序控制指令、程序中断指令、错误处理指令、轨迹存储及记录指令、协同作业指令及相关函数命令的功能、编程格式、程序数据与命令参数要求、编程示例等内容进行了详尽的说明。
第6章对与机器人控制器通信相关的示教器通信指令、串行通信指令、网络通信指令、文件管理指令及相关函数命令的功能、编程格式、程序数据与命令参数要求、编程示例等内容进行了详尽的说明。
第7章对运动保护指令、程序数据及系统参数设定指令、伺服设定调整指令、特殊轴控制指令、智能机器人控制指令及相关函数命令的功能、编程格式、程序数据与命令参数要求、编程示例等内容进行了详尽的说明。
本书编写过程中，作者参阅了ABB公司的技术资料，并得到了ABB技术人员的大力支持与帮助，在此表示衷心的感谢！由于作者水平有限，书中难免存在疏漏和错误，殷切期望广大读者批评、指正，以便进一步提高本书的质量。作者2017年9月于常州第1章工业机器人概述1.1 机器人的产生与发展1.1.1 机器人的产生与定义1.概念的出现
机器人（Robot）的概念来自于科幻小说，它最早出现于1921年捷克剧作家Karel Čapek （卡雷尔·恰佩克）创作的剧本Rossumovi Univerzální Roboti（简称R.U.R）。由于剧中的人造机器名为Robota（捷克语，即奴隶、苦力），因此，英文Robot一词开始代表机器人。
自20世纪20年代起，机器人成了很多科幻小说、电影的主人公，如星球大战中的C3P等。科幻小说家的想象力是无限的，为了预防机器人可能引发的人类灾难，1942年，美国科幻小说家Isaac Asimov（艾萨克·阿西莫夫）在I，Robot的第4个短篇Runaround中，首次提出了“机器人学三原则”，它被称为“现代机器人学的基石”，这也是“机器人学（Robotics）”这个名词在人类历史上的首度亮相。“机器人学三原则”的主要内容如下。
原则1：机器人不能伤害人类，或因其不作为而使人类受到伤害。
原则2：机器人必须执行人类的命令，除非这些命令与原则1相抵触。
原则3：在不违背原则1、原则2的前提下，机器人应保护自身不受伤害。
到了1985年，Isaac Asimov在其机器人系列最后作品Robots and Empire中，又补充了凌驾于“机器人学三原则”之上的“0原则”，即：
原则0：机器人必须保护人类的整体利益不受伤害，其他3条原则都必须在这一前提下才能成立。
继Isaac Asimov之后，其他科幻作家还不断提出了对“机器人学三原则”的补充、修正意见，但是，这些大都是科幻小说家对想象中机器人所施加的限制；实际上，“人类整体利益”等概念本身就是模糊的，甚至连人类自己都搞不明白，更不要说机器人了。因此，目前人类的认识和科学技术，实际上还远未达到制造科幻片中的机器人的水平；制造出具有类似人类智慧、感情、思维的机器人，仍属于科学家的梦想和追求。2.机器人的产生
现代机器人的研究起源于20世纪中叶的美国，它从工业机器人的研究开始。
第二次世界大战期间（1939—1945年），由于军事、核工业的发展需要，在原子能实验室的恶劣环境下，需要有操作机械来代替人类进行放射性物质的处理。为此，美国的Argonne National Laboratory（阿尔贡国家实验室）开发了一种遥控机械手（Teleoperator）。接着，1947年，该实验室又开发出了一种伺服控制的主—从机械手（Master-Slave Manipulator），这些都是工业机器人的雏形。
工业机器人的概念由美国发明家George Devol（乔治·德沃尔）最早提出，并在1954年申请了专利、1961年获得授权。1958年，美国著名机器人专家Joseph F.Engelberger（约瑟夫·恩盖尔柏格）成立了Unimation公司，并利用George Devol的专利，在1959年研制出了图1.1-1所示的世界上第一台真正意义的工业机器人——Unimate，从而开创了机器人发展的新纪元。图1.1-1 Unimate工业机器人
Joseph F.Engelberger对世界机器人工业的发展做出了杰出的贡献，被人们称为“机器人之父”。1983年，就在工业机器人销售日渐增长的情况下，他又毅然地将Unimation公司出让给了美国Westinghouse Electric Corporation公司（西屋电气，又译为“威斯汀豪斯”），并创建了TRC公司，前瞻性地开始了服务机器人的研发工作。
从1968年起，Unimation公司先后将机器人的制造技术转让给了日本KAWASAKI（川崎）和英国GKN公司，机器人开始在日本和欧洲得到快速发展。据有关方面统计，目前世界上至少有48个国家在发展机器人，其中25个国家已在进行智能机器人开发，美国、日本、德国、法国等都是机器人的研发和制造大国，无论是在基础研究还是产品研发、制造方面，都居世界领先水平。
机器人（Robot）自问世以来，由于它能够协助、代替人类完成那些重复、频繁、单调、长时间的工作，或进行危险、恶劣环境下的作业，因此发展较迅速。随着人们对机器人研究的不断深入，Robotics（机器人学）这一新兴的综合性学科已逐步形成，有人将机器人技术与数控技术、PLC技术并称为工业自动化的三大支撑技术。3.机器人的定义
由于机器人的应用领域众多、发展速度快，加上它又涉及人类的有关概念，因此，世界各国标准化机构至今尚未形成一个统一、准确、世所公认的严格定义。例如：
International Organization for Standardization（ISO，国际标准化组织）的定义为：机器人是一种“自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能机械手，这种机械手具有几个轴，能够借助可编程操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置，执行各种任务”。
Robotics Industries Association（RIA，美国机器人协会）的定义为：机器人是一种“用于移动各种材料、零件、工具或专用装置的，通过可编程的动作来执行各种任务的，具有编程能力的多功能机械手”。
Japan Robot Association（JRA，日本机器人协会）则将机器人分为工业机器人和智能机器人两大类：工业机器人是一种“能够执行人体上肢（手和臂）类似动作的多功能机器”，智能机器人是一种“具有感觉和识别能力，并能够控制自身行为的机器”。
我国GB/T 12643标准的定义为：工业机器人是一种“能够自动定位控制，可重复编程的，多功能的、多自由度的操作机，能搬运材料、零件或操持工具，用于完成各种作业”。
由于以上标准化机构及专门组织对机器人的定义都是在特定时间所得出的结论，故欧美国家的定义侧重在控制方式和功能上，它和工业机器人较接近；日本的定义关注的是机器人结构和行为特性，并已考虑了现代智能机器人的发展。
科学技术对未来是无限开放的，当代智能机器人无论在外观，还是功能、智能化程度等方面，都已超出了传统工业机器人的范畴，机器人正在源源不断地向人类活动的各个领域渗透，所涵盖的内容已越来越丰富，从这一点上看，日本的定义相对更准确。1.1.2 机器人的发展与分类1.技术发展
机器人最早用于工业领域，它主要用来协助人类完成重复、频繁、单调、长时间的工作，或进行高温、粉尘、有毒、辐射、易燃、易爆等恶劣、危险环境下的作业。但是，随着社会进步、科学技术发展和智能化技术研究的深入，各式各样具有感知、决策、行动和交互能力，可适应不同领域特殊要求的智能机器人相继被研发，机器人已开始进入人们生产、生活的各个领域，并在某些方面逐步取代人类独立从事相关作业。
根据机器人现有的技术水平，一般将机器人分为如下三代。
① 第一代机器人。第一代机器人一般是指能通过离线编程或示教操作生成程序，并再现动作的机器人。第一代机器人所使用的技术和数控机床十分相似，它既可通过离线编制的程序控制机器人的运动；也可通过手动示教操作（数控机床称为Teach in操作），记录运动过程并生成程序，并再现运行。
第一代机器人的全部行为完全由人控制，它没有分析和推理能力，不能改变程序动作，无智能性，其控制以示教、再现为主，故又称为示教再现机器人。第一代机器人现已实用和普及，图1.1-2所示的大多数工业机器人都属于第一代机器人。图1.1-2 第一代机器人
② 第二代机器人。第二代机器人装备有少量传感器，能获取环境、对象的简单信息和进行简单的推理，可适当调整动作和行为，故称为感知机器人或低级智能机器人。
第二代机器人技术目前主要用于服务机器人。例如，图1.1-3所示的探测机器人可通过摄像头及视觉传感系统，识别图像、判断和规划运动轨迹，对环境具有一定的适应能力。
③ 第三代机器人。第三代机器人应具有高度的自适应能力，它有多种感知机能，可通过复杂的推理，做出判断和决策，自主决定机器人的行为，具有相当程度的智能，故称为智能机器人。图1.1-3 第二代机器人
第三代机器人目前主要用于家庭、个人服务及军事、航天等行业，总体尚处于实验和研究阶段，目前还只有美国、日本、德国等少数发达国家能掌握和应用。例如，日本HONDA（本田）公司最新研发的图1.1-4（a）所示的Asimo机器人，不仅能实现跑步、爬楼梯、跳舞等动作，还能进行踢球、倒饮料、打手语等简单的智能动作。日本Riken Institute（理化学研究所）最新研发的图1.1-4（b）所示的Robear护理机器人，其肩部、关节等部位都安装有测力感应系统，可模拟人的怀抱感，它能够像人一样，柔和地将卧床者从床上扶起，或将坐着的人抱起，其样子亲切可爱、充满活力。图1.1-4 第三代机器人2.产品分类
机器人的分类方法很多，但由于人们观察问题的角度有所不同，直到今天，还没有一种分类方法能够满意地对机器人进行世所公认的分类。总体而言，通常的机器人分类方法主要有专业分类法和应用分类法两种，简介如下。（1）专业分类法
专业分类法一般是机器人设计、制造和使用厂家技术人员所使用的分类方法，其专业性较强，业外较少使用。专业分类一般按机器人的机械结构形态和运动控制方式进行分类。
① 机械结构形态分类。根据机器人的机械结构形态不同，可分为圆柱坐标（Cylindrical Coordinate）、球坐标（Polar Coordinate）、直角坐标（Cartesian Coordinate）及关节型（Articulated）、并联型（Parallel）等。不同形态的机器人在外观、机械结构、控制要求、工作空间等方面均有较大的区别。例如，关节型机器人的动作类似于人类手臂；而直角坐标机器人的外形和结构，则与数控机床十分类似。工业机器人的结构形态将在本书后续章节具体阐述。
② 运动控制方式分类。根据机器人的控制方式不同，有人将其分为顺序控制型、轨迹控制型、远程控制型、智能控制型等。顺序控制型又称点位控制型，这种机器人只需要按照规定的次序和移动速度，运动到指定点进行定位，而不控制移动轨迹，故多用于物品搬运等场合。轨迹控制型机器人需要同时控制移动轨迹、速度和终点，故可用于焊接、喷漆等连续移动作业场合。远程控制型机器人可实现无线遥控，故多用于特定的行业，如军事机器人、空间机器人、水下机器人等。智能控制型机器人就是前述的第三代机器人，当前多用于军事、场地、医疗等专门领域。（2）应用分类法
应用分类是根据机器人的应用环境（用途）进行分类的大众分类方法，其定义通俗，易为公众所接受，但定义方法也未统一；例如，日本分为工业机器人和智能机器人两类、我国分为工业机器人和特种机器人两类等。由于机器人智能性的判别缺乏严格的标准，工业机器人和特种机器人的界线较难划分；因此，本书参照国际机器人联合会（IFR）的相关定义，将其分为图1.1-5所示的工业机器人和服务机器人两大类：工业机器人用于环境已知的工业领域，服务机器人用于环境未知的其他领域。图1.1-5 机器人的分类
① 工业机器人。工业机器人（Industrial Robot，IR）是指在工业环境下应用的机器人，它是一种可编程的多用途自动化设备，主要有加工、装配、搬运、包装4类。当前实用化的工业机器人以第一代示教再现机器人居多，但部分工业机器人（如焊接、装配等）已采用图像识别等智能技术，对外部环境具有一定的适应能力，初步具备了第二代机器人的一些功能。
② 服务机器人。服务机器人（Personal Robot，PR）是服务于人类非生产性活动的机器人总称，它是一种半自主或全自主工作的机械设备，能完成有益于人类的服务工作，但不直接从事工业品的生产。
服务机器人的涵盖范围非常广，简言之，除工业生产用的机器人外，其他所有的机器人均属于服务机器人的范畴，它在机器人中的比例高达95%以上。根据用途不同，可分为个人/家庭服务机器人（Personal/Domestic Service Robots）和专业服务机器人（Professional Service Robots）两类。1.2 机器人产品概况1.2.1 工业机器人
工业机器人（IR）是用于工业生产环境的机器人总称。用机器人替代人工操作，不仅可保障人身安全、改善劳动环境、减轻劳动强度、提高劳动生产率，而且还能够起到提高产品质量、节约原材料消耗及降低生产成本等多方面的作用，因而，它在工业生产各领域的应用也越来越广泛。
工业机器人自1959年问世以来，经过50多年的发展，在性能和用途等方面都有了很大的变化；现代工业机器人的结构越来越合理，控制越来越先进，功能越来越强大。根据功能与用途的不同，工业机器大致可分为图1.2-1所示的加工、装配、搬运、包装四大类。图1.2-1 工业机器人的分类1.加工机器人
加工机器人是直接用于工业产品加工作业的工业机器人，常用的金属材料加工工艺有焊接、切割、折弯、冲压、研磨、抛光等；此外，也有部分用于建筑、木材、石材、玻璃等行业的非金属材料切割、研磨、雕刻、抛光等加工作业。
焊接、切割、研磨、雕刻、抛光加工的环境通常较恶劣，加工时所产生的强弧光、高温、烟尘、飞溅、电磁干扰等都对人体健康有害。这些行业采用机器人自动作业，不仅可改善工作环境，避免人体伤害；而且还可自动连续工作，提高工作效率，改善加工质量。
焊接机器人（Welding Robot）是目前工业机器人中产量最大、应用最广的产品，被广泛用于汽车、铁路、航空航天、军工、冶金、电器等行业。自1969年美国GM（通用汽车）公司在美国Lordstown汽车组装生产线上装备首台汽车点焊机器人以来，机器人焊接技术已日臻成熟，通过机器人的自动化焊接作业，可提高生产率、确保焊接质量、改善劳动环境，是当前工业机器人应用的重要方向之一。
材料切割是工业生产不可缺少的加工方式，从传统的金属材料火焰切割、等离子切割，到可用于多种材料的激光切割加工都可通过机器人来完成。目前，薄板类材料的切割大多采用数控火焰切割机、数控等离子切割机和数控激光切割机等数控机床加工；但异形、大型材料或船舶、车辆等大型废旧设备的切割已开始逐步使用工业机器人。
研磨、雕刻、抛光机器人主要用于汽车、摩托车、工程机械、家具建材、电子电气、陶瓷卫浴等行业的表面处理。使用研磨、雕刻、抛光机器人不仅能使操作者远离高温、粉尘、有毒、易燃、易爆的工作环境，而且能够提高加工质量和生产效率。2.装配机器人
装配机器人（Assembly Robot）是将不同的零件或材料组合成组件或成品的工业机器人，常用的有组装和涂装两大类。
计算机（Computer）、通信（Communication）和消费性电子（Consumer Electronic）行业（简称3C行业）是目前组装机器人最大的应用市场。3C行业是典型的劳动密集型产业，采用人工装配，不仅需要大量的员工，而且操作工人的工作高度重复、频繁，劳动强度极大，常常致使人工难以承受；此外，随着电子产品不断向轻薄化、精细化方向发展，产品对零部件装配的精细程度日益提高，部分作业已是人工无法完成。
涂装机器人用于部件或成品的油漆、喷涂等表面处理，这类处理通常含有影响人体健康的有害、有毒气体，采用机器人自动作业后，不仅可改善工作环境，避免有害、有毒气体的危害；而且还可自动连续工作，提高工作效率，改善加工质量。3.搬运机器人
搬运机器人（Transfer Robot）是从事物体移动作业的工业机器人的总称，常用的主要有输送机器人和装卸机器人两大类。
工业生产中的输送机器人以无人搬运车（Automated Guided Vehicle，AGV）为主。AGV具有自身的计算机控制系统和路径识别传感器，能够自动行走和定位停止，可广泛应用于机械、电子、纺织、卷烟、医疗、食品、造纸等行业的物品搬运和输送。在机械加工行业， AGV大多用于无人化工厂、柔性制造系统（Flexible Manufacturing System，FMS）的工件、刀具的搬运和输送，它通常需要与自动化仓库、刀具中心及数控加工设备、柔性加工单元（Flexible Manufacturing Cell，FMC）的控制系统互连，以构成无人化工厂、柔性制造系统的自动化物流系统。
装卸机器人多用于机械加工设备的工件装卸（上下料），它通常和数控机床等自动化加工设备组合，构成柔性加工单元（FMC），成为无人化工厂、柔性制造系统（FMS）的一部分。装卸机器人还经常用于冲剪、锻压、铸造等设备的上下料，以替代人工完成高风险、高温等恶劣环境下的危险作业或繁重作业。4.包装机器人
包装机器人（Packaging Robot）是用于物品分类、成品包装、码垛的工业机器人，常用的主要有分拣、包装和码垛3类。
计算机、通信和消费性电子行业（3C行业）以及化工、食品、饮料、药品工业是包装机器人的主要应用领域。3C行业的产品产量大、周转速度快，成品包装任务繁重；化工、食品、饮料、药品包装由于行业的特殊性，人工作业涉及安全、卫生、清洁、防水、防菌等方面的问题，因此都需要利用装配机器人来完成物品的分拣、包装和码垛作业。1.2.2 服务机器人1.基本定义
服务机器人是服务于人类非生产性活动的机器人总称。从控制要求、功能、特点等方面看，服务机器人与工业机器人的本质区别在于：工业机器人所处的工作环境在大多数情况下是已知的，因此，利用第一代机器人技术已可满足其要求；然而，服务机器人的工作环境在绝大多数场合中是未知的，故都需要使用第二代、第三代机器人技术。
从行为方式上看，服务机器人一般没有固定的活动范围和规定的动作行为，它需要有良好的自主感知、自主规划、自主行动和自主协同等方面的能力，因此，服务机器人较多地采用仿人或生物、车辆等结构形态。早在1967年在日本举办的第一届机器人学术会议上，人们就提出了描述服务机器人特点的代表性意见，认为具备如下3个条件的机器可称为服务机器人：
① 具有类似人类的脑、手、脚等功能要素；
② 具有非接触和接触传感器；
③ 具有平衡觉和固有觉的传感器。
这一意见强调了服务机器人的“类人”含义，突出了由“脑”统一指挥、靠“手”进行作业、靠“脚”实现移动；通过传感器识别环境、感知本身状态等属性，对服务机器人的研发具有参考价值。
服务机器人的出现虽然晚于工业机器人，但由于它与人类进步、社会发展、公共安全等诸多重大问题息息相关，应用领域众多，市场广阔，因此发展非常迅速、潜力巨大。有人预测，在不久的将来，服务机器人产业可能成为继汽车、计算机后的另一新兴产业。
服务机器人的涵盖面极广。人们一般根据用途将其分为个人/家用服务机器人（Personal/Domestic Robots）和专业服务机器人（Professional Service Robots）两类。个人/家用服务机器人为大众化、低价位产品，其市场最大；专业服务机器人则以涉及公共安全的军事机器人（Military Robot）、场地机器人（Field Robots）、医疗机器人产品较多。2.个人/家用机器人
个人/家用服务机器人（Personal/Domestic Robots）泛指为人们日常生活服务的机器人，包括家庭作业、娱乐休闲、残障辅助、住宅安全等，它是被人们普遍看好的未来最具发展潜力的新兴产业之一。
在个人/家用服务机器人中，以家庭作业和娱乐休闲机器人的产量为最大，两者占个人/家用服务机器人总量的90%以上；残障辅助、住宅安全机器人的普及率目前还较低，但市场前景被人们普遍看好。
家用清洁机器人是家庭作业机器人中最早被实用化和最成熟的产品之一。早在20世纪80年代，美国已经开始进行吸尘机器人的研究。i Robot等公司是目前家用服务机器人行业公认的领先企业。德国的Karcher公司也是著名的家庭作业机器人生产商，它在2006年研发的Rc3000家用清洁机器人是世界上第一台能够自行完成所有家庭地面清洁工作的家用清洁机器人。在我国，由于家庭经济条件和发达国家的差距较大，加上传统文化的影响，绝大多数家庭的作业服务目前还是由自己或家政服务人员承担，所使用的设备以传统工具和普通吸尘器、洗碗机等简单设备为主，家庭作业服务机器人的使用率较低。3.专业服务机器人
专业服务机器人（Professional Service Robots）的应用非常广，简言之，除工业生产用的工业机器人和为人们日常生活服务的个人/家用机器人外，其他所有的机器人均属于专业服务机器人的范畴。其中，应用最广的军事、场地和医疗机器人概况如下。（1）军事机器人
军事机器人（Military Robot）是为了军事目的而研制的自主、半自主式或遥控的智能化装备，它可用来帮助或替代军人完成特定的战术或战略任务。
军事机器人具备全方位、全天候的作战能力和极强的战场生存能力，可在超过人类承受能力的恶劣环境中，或在遭到毒气、冲击波、热辐射等袭击时，继续进行工作；加上军事机器人不存在人类的恐惧心理，可严格地服从命令、听从指挥，有利于指挥者对战局的掌控；在未来战争中，机器人战士完全可能成为军事行动中的主力军。
军事机器人的研发早在20世纪60年代就已经开始，产品已从第一代的遥控操作器发展到了现在的第三代智能机器人。目前，世界各国的军用机器人已有上百个品种，其应用涵盖侦察、排雷、防化、进攻、防御及后勤保障等各个方面。用于监视、勘察、获取危险领域信息的无人驾驶飞行器（UAV）和地面车（UGV），具有强大运输功能和精密侦查设备的机器人武装战车（ARV）。在战斗中担任补充作战物资的多功能后勤保障机器人（MULE）是当前军事机器人的主要产品。
美国的军事机器人无论是在基础技术研究、系统开发、生产配套方面，或是在技术转化、实战应用方面等都领先于其他国家，其产品已涵盖陆、海、空等诸多兵种，产品包括无人驾驶飞行器、无人地面车、机器人武装战车及多功能后勤保障机器人、机器人战士等多种。美国是目前全世界唯一具有综合开发、试验和实战应用能力的国家，Boston Dynamics （波士顿动力，现已被Google并购）、Lockheed Martin（洛克希德马丁）等公司均为世界闻名的军事机器人研发制造企业。
图1.2-2（a）、图1.2-2（b）所示为Boston Dynamics研制的Big Dog-LS3（Legged Squad Support Systems，阿尔法狗）和Wild Cat（野猫）系列多功能后勤保障机器人，其搭载重物可达180kg以上、行走距离超过30km，并能以超过25km/h的速度奔跑和跳跃。
图1.2-2（c）所示为Boston Dynamics研制的Atlas（阿特拉斯）机器人战士，高1.88m、重150kg，其四肢共拥有28个自由度，能够直立行走、攀爬、自动调整重心，灵活性已接近人类，堪称当今世界上最先进的机器人战士。图1.2-2 Boston Dynamics研发的军事机器人
此外，德国的智能地面无人作战平台、反水雷及反潜水下无人航行体的研究和应用；英国的战斗工程牵引车（CET）、工程坦克（FET）、排爆机器人的研究和应用；法国的警戒机器人和低空防御机器人、无人侦察车、野外快速巡逻机器人的研究和应用；以色列的机器人自主导航车、监视与巡逻系统、步兵城市作战用的手携式机器人的研究和应用等，也具有世界领先水平。（2）场地机器人
场地机器人（Field Robots）是除军事机器人外，其他可进行大范围作业的服务机器人的总称。场地机器人多用于科学研究和公共事业服务，如太空探测、水下作业、危险作业、消防救援、园林作业等。
美国的场地机器人研究始于20世纪60年代，其产品已遍及空间、陆地和水下，从1967年的海盗号火星探测器，到2003年的Spirit MER-A（勇气号）和Opportunity（机遇号）火星探测器、2011年的Curiosity（好奇号）核动力驱动的火星探测器，都无一例外地代表了全球空间机器人研究的最高水平。此外，俄罗斯和欧盟在太空探测机器人等方面的研究和应用也居世界领先水平，如早期的空间站飞行器对接、燃料加注机器人等；德国于1993年研制、由哥伦比亚号航天飞机携带升空的ROTEX远距离遥控机器人等，也都代表了当时的空间机器人技术水平；我国在探月、水下机器人方面的研究也取得了较大的进展。
图1.2-3所示为National Aeronautics and Space Administration（NASA，美国宇航局）研发的Curiosity（好奇号）核动力驱动的火星探测器，以及Google公司最新研发的Andy （安迪号）月球车。图1.2-3 美国的场地机器人（3）医疗机器人
医疗机器人是今后专业服务机器人的重点发展领域之一。医疗机器人主要用于伤病员的手术、救援、转运和康复，包括诊断机器人、外科手术或手术辅助机器人、康复机器人等。例如，医生可利用外科手术机器人的精准性和微创性，大面积减小手术伤口，帮助病人迅速恢复正常生活等。据统计，目前全世界已有30个国家、近千家医院成功开展了数十万例机器人手术，手术种类涵盖泌尿外科、妇产科、心脏外科、胸外科、肝胆外科、胃肠外科、耳鼻喉科等学科。
当前，医疗机器人的研发与应用大部分都集中于美国、欧洲、日本等发达国家，发展中国家的普及率还很低。美国的Intuitive Surgical（直觉外科）公司是全球领先的医疗机器人研发、制造企业，该公司研发的达芬奇机器人是目前世界上最先进的手术机器人系统。它可模仿外科医生的手部动作进行微创手术，目前已经成功用于普通外科、胸外科、泌尿外科、妇产科、头颈外科及心脏等手术。1.3 工业机器人及其应用1.3.1 技术发展简史
工业机器人自1959年问世以来，经过50多年的发展，在性能和用途等方面都有了很大的变化。现代工业机器人的结构越来越合理，控制越来越先进，功能越来越强大，应用越来越广泛。世界工业机器人的简要发展历程、重大事件和重要产品研制的简况如下。
1959年：Joseph F.Engelberger（约瑟夫·恩盖尔柏格）利用George Devol（乔治·德沃尔）的专利技术，研制出了世界上第一台真正意义上的工业机器人Unimate。
1961年：美国GM（通用汽车）公司首次将Unimate工业机器人应用于生产线。
1968年：美国斯坦福大学研制出了首台具有感知功能的第二代机器人Shakey。同年， Unimation公司将机器人的制造技术转让给了日本KAWASAKI（川崎）公司，日本开始研制、生产机器人。次年，瑞典的ASEA公司（阿西亚，现为ABB集团）研制出了首台喷涂机器人，并在挪威投入使用。
1972年：日本KAWASAKI（川崎）公司研制出了日本首台工业机器人“Kawasaki-Unimate2000”。次年，日本HITACHI（日立）公司研制出了世界首台装备有动态视觉传感器的工业机器人；而德国KUKA（库卡）公司则研制出了世界首台6轴工业机器人Famulus。
1974年：美国Cincinnati Milacron（辛辛那提·米拉克隆，著名的数控机床生产企业）公司研制出了首台微机控制的商用工业机器人Tomorrow Tool（T3）；瑞典ASEA公司（现为ABB集团）研制出了世界首台微机控制、全电气驱动的5轴涂装机器人IRB6；全球著名的数控系统（CNC）生产商—日本FANUC（发那科）公司开始研发、制造工业机器人。
1977年：日本YASKAWA（安川）公司开始工业机器人的研发和生产，并研制出了日本首台采用全电气驱动的机器人MOTOMAN-L10（MOTOMAN 1号）。次年，美国Unimate公司和GM（通用汽车）公司联合研制出了用于汽车生产线的垂直串联型（Vertical Series）可编程通用装配操作人PUMA（Programmable Universal Manipulator for Assembly）；日本山梨大学研制出了水平串联型（Horizontal Series）自动选料、装配机器人SCARA（Selective Compliance Assembly Robot Arm）；德国REIS（徕斯，现为KUKA成员）公司研制出了世界首台具有独立控制系统、用于压铸生产线的工件装卸的6轴机器人RE15。
1983年：日本DAIHEN公司（大阪变压器集团Osaka Transformer Co.,Ltd所属，国内称OTC或欧希地）研发出了世界首台具有示教编程功能的焊接机器人。次年，美国Adept Technology（娴熟技术）公司研制出了世界首台电机直接驱动、无传动齿轮和铰链的SCARA机器人Adept One。
1985年：德国KUKA（库卡）公司研制出了世界首台具有3个平移自由度和3个转动自由度的Z型6自由度机器人。
1992年：瑞士Demaurex公司研制出了世界首台采用3轴并联结构（Parallel）的包装机器人Delta。
2005年：日本YASKAWA（安川）公司推出了新一代、双腕7轴工业机器人。次年，意大利COMAU（柯马，菲亚特成员、著名的数控机床生产企业）公司推出了首款Wi TP无线示教器。
2008年：日本FANUC（发那科）公司、YASKAWA（安川）公司的工业机器人累计销量相继突破20万台，成为全球工业机器人累计销量最大的企业。次年，ABB公司研制出了全球精度最高、速度最快的6轴小型机器人IRB 120。
2013年：谷歌公司开始大规模并购机器人公司，至今已相继并购了Autofuss、Boston Dynamics（波士顿动力）、Bot & Dolly、Deep Mind（英）、Holomni、Industrial Perception、Meka、Redwood Robotics、Schaft（日）、Nest Labs、Spree、Savioke等多家公司。
2014年：ABB公司研制出了世界上首台真正实现人机协作的机器人Yu Mi。同年，德国REIS（徕斯）公司并入KUKA（库卡）公司。1.3.2 主要产品与应用1.主要生产企业
目前，日本和欧盟是全球工业机器人的主要生产基地，主要企业有日本的FANUC（发那科）、YASKAWA（安川）、KAWASAKI（川崎）；瑞士和瑞典的ABB，德国KUKA（库卡）、REIS（徕斯，现为KUKA成员）等，其产品在我国应用广泛。（1）FANUC（发那科）。FANUC（发那科）是目前全球最大、最著名的数控系统（CNC）生产厂家和全球产量最大的工业机器人生产厂家，其产品的技术水平居世界领先地位。FANUC（发那科）从1956年起就开始从事数控和伺服的民间研究，1972年正式成立FANUC公司；1974年开始研发、生产工业机器人；2008年成为全球首家突破20万台工业机器人的生产企业，工业机器人总产量位居全世界第一。（2）YASKAWA（安川）。YASKAWA（安川）公司成立于1915年，是全球著名的伺服电机、伺服驱动器、变频器和工业机器人生产厂家，其工业机器人的总产量目前名列全球前二，它也是首家进入中国的工业机器人企业。YASKAWA（安川）公司在1977年成功研发了垂直多关节工业机器人MOTOMAN-L10，创立了MOTOMAN工业机器人品牌；2003年机器人总销量突破10万台，成为当时全球工业机器人产量最大的企业之一；2008年销量突破20万台，与FANUC公司同时成为全球工业机器人总产量超20万台的企业。（3）KAWASAKI（川崎）。KAWASAKI（川崎）公司成立于1878年，是具有悠久历史的日本著名大型企业集团，业务范围涵盖航空航天、军事、电力、铁路、造船、摩托车、机器人等众多领域，产品包括飞机、坦克、桥梁、电气机车等；它是日本仅次于三菱重工的著名军工企业，参与过多种潜艇、战列舰、航空母舰、战斗机、运输机等军用产品的建造；此外，它也是世界著名的摩托车和体育运动器材生产厂家，其摩托车、羽毛球拍等体育运动产品也是世界名牌。KAWASAKI（川崎）公司的工业机器人研发始于1968年，是日本最早研发、生产工业机器人的著名企业，曾研制出了日本首台工业机器人和全球首台用于摩托车车身焊接的弧焊机器人等标志性产品，在焊接机器人技术方面居世界领先水平。（4）ABB。ABB（Asea Brown Boveri）集团公司是由原总部位于瑞典的ASEA（阿西亚）和总部位于瑞士的Brown.Boveri & Co., Ltd（布朗勃法瑞，简称BBC）两个具有百年历史的著名电气公司于1988年合并而成的，集团总部位于瑞士苏黎世；公司的前身ASEA公司和BBC公司都是全球著名的电力和自动化技术设备大型生产企业。ASEA公司成立于1890年，1969年研发出了全球第一台喷涂机器人，开始进入工业机器人的研发制造领域；BBC公司成立于1891年，是全球著名的高压输电设备、低压电器、电气传动设备生产企业；组建后的ABB是世界电力和自动化技术领域的领导厂商之一。ABB公司的工业机器人研发始于1969年的瑞典ASEA公司，它是全球最早从事工业机器人研发制造的企业之一，1969年研制出了全球首台喷涂机器人；ABB机器人产品规格全、产量大，是世界著名的工业机器人制造商和我国工业机器人的主要供应商。（5）KUKA（库卡）。KUKA（库卡）公司最初的主要业务为室内及城市照明；后开始从事焊接设备、大型容器、市政车辆的研发和生产。KUKA（库卡）公司的工业机器人研发始于1973年，1995年成立了KUKA机器人有限公司；1973年研发出了世界首台6轴工业机器人FAMULUS；2014年并购德国REIS（徕斯）公司。KUKA（库卡）公司是世界著名的工业机器人制造商之一，其产品规格全、产量大，是目前我国工业机器人的主要供应商。2.典型应用
目前，日本的工业机器人产量约占全球的50%，为世界第一；中国的工业机器人年销量约占全球总产量的1/3，年使用量位居世界第一。根据国际机器人联合会（IFR）等部门的最新统计，当前工业机器人的应用行业分布情况大致如图1.3-1所示。其中，汽车及汽车零部件制造业、电子电气工业、金属制品及加工业是工业机器人的主要应用领域。图1.3-1 工业机器人的应用
汽车及汽车零部件制造业历来是工业机器人用量最大的行业，长期保持在工业机器人使用总量的40%以上，使用的产品以加工、装配类机器人为主，是焊接、研磨、抛光及装配、涂装机器人的主要应用领域。
电子电气（包括计算机、通信、家电、仪器仪表等）是工业机器人应用的另一主要行业，其使用量也保持在工业机器人总量的20%以上，使用的主要产品为装配、包装类机器人。金属制品及加工业的机器人用量大致在工业机器人总量的10%左右，使用的产品主要为搬运类的输送机器人和装卸机器人。建筑、化工、橡胶、塑料以及食品、饮料、药品等其他行业的机器人用量都在工业机器人总量的10%以下，橡胶、塑料、化工、建筑行业使用的机器人种类较多；食品、饮料、药品行业使用的机器人通常以加工、包装类为主。1.4 工业机器人的组成与特点1.4.1 工业机器人的组成1.工业机器人的组成
工业机器人是一种功能完整、可独立运行的典型机电一体化设备，它有自身的控制器、驱动系统和操作界面，可对其进行手动、自动操作及编程，它能依靠自身的控制能力来实现所需要的功能。广义上的工业机器人是由如图1.4-1所示的机器人及相关附加设备组成的完整系统，总体可分为机械部件和电气控制系统两大部分。图1.4-1 工业机器人系统的组成
工业机器人（以下简称“机器人”）系统的机械部件包括机器人本体、末端执行器、变位器等；控制系统主要包括控制器、驱动器、操作单元、上级控制器等。其中，机器人本体、末端执行器以及控制器、驱动器、操作单元是机器人必需的基本组成部件，在所有机器人中都必须配备。末端执行器又称工具，它是机器人的作业机构，与作业对象和要求有关，其种类繁多，一般需要由机器人制造厂商和用户共同设计、制造与集成。变位器是用于机器人或工件的整体移动或进行系统协同作业的附加装置，它可根据需要选配。
在控制系统中，上级控制器是用于机器人系统协同控制、管理的附加设备，既可用于机器人与机器人、机器人与变位器间的协同作业控制，也可用于机器人和数控机床、机器人和自动生产线上其他机电一体化设备的集中控制，此外，还可用于机器人的操作、编程与调试。上级控制器同样可根据实际系统的需要选配，在柔性加工单元（FMC）、自动生产线等自动化设备上，上级控制器的功能也可直接由数控机床所配套的数控系统（CNC）、生产线控制用的PLC等承担。2.机器人本体和执行器
机器人本体又称操作机，它是用来完成各种作业的执行机构，包括机械部件及安装在机械部件上的驱动电机、传感器等。机器人的末端执行器又称工具，是安装在机器人手腕上的作业机构。
机器人本体的形态各异，但绝大多数都是由若干关节（Joint）和连杆（Link）连接而成。以常用的6轴垂直串联型（Vertical Articulated）工业机器人为例，其运动主要包括整体回转（腰关节）、下臂摆动（肩关节）、上臂摆动（肘关节）、腕回转和弯曲（腕关节）等，本体的典型结构如图 1.4-2 所示，其主要组成部件包括手部、腕部、上臂、下臂、腰部、基座等。图1.4-2 工业机器人本体和执行器1—末端执行器 2—手部 3—腕部 4—上臂 5—下臂 6—腰部 7—基座
机器人的手部用来安装末端执行器，它既可以安装类似人类的手爪，也可以安装吸盘或其他各种作业工具；腕部用来连接手部和手臂，起到支撑手部的作用；上臂用来连接腕部和下臂。上臂可回绕下臂摆动，实现手腕大范围的上下（俯仰）运动；下臂用来连接上臂和腰部，并可回绕腰部摆动，以实现手腕大范围的前后运动；腰部用来连接下臂和基座，它可以在基座上回转，以改变整个机器人的作业方向；基座是整个机器人的支持部分。机器人的基座、腰部、下臂、上臂通称机身；机器人的腕部和手部通称手腕。
末端执行器与机器人的作业要求、作业对象密切相关，一般需要由机器人制造厂商和用户共同设计与制造。例如，用于装配、搬运、包装的机器人则需要配置吸盘、手爪等用来抓取零件、物品的夹持器；而加工类机器人则需要配置用于焊接、切割、打磨等加工的焊枪、割枪、铣头、磨头等各种工具或刀具等。3.变位器
变位器是用于机器人或工件整体移动、进行协同作业的附加装置，它既可选配机器人生产厂家的标准部件，也可由用户根据需要设计、制作。通过选配变位器，可增加机器人的自由度和作业空间；此外，还可实现作业对象或其他机器人的协同运动，增强机器人的功能和作业能力。简单机器人系统的变位器一般由机器人控制器直接控制，多机器人复杂系统的变位器需要由上级控制器进行集中控制。
机器人变位器可分为通用型和专用型两类，其运动轴数可以是单轴、双轴、3轴或多轴。通用型变位器又可分为图1.4-3所示的回转变位器和直线变位器两类，回转变位器与数控机床回转工作台类似，可用于机器人或作业对象的大范围回转；直线变位器与数控机床工作台类似，多用于机器人本体的大范围直线运动。专用型变位器一般用于作业对象的移动，其结构各异、种类较多，难以尽述。图1.4-3 通用变位器4.电气控制系统
在机器人的电气控制系统中，上级控制器仅用于复杂系统各种机电一体化设备的协同控制、运行管理和调试编程，它通常以网络通信的形式与机器人控制器进行信息交换，因此，实际上属于机器人电气控制系统的外部设备；而机器人控制器、操作单元、伺服驱动器及辅助控制电路，则是机器人控制必不可少的系统部件。
由于不同机器人的电气控制系统的组成部件和功能类似，因此，机器人生产厂家一般将电气控制系统设计成图1.4-4所示的紧凑型、标准型等通用控制柜。示教器是用于工业机器人操作、编程及数据输入/显示的人机界面，为了方便使用，一般为可移动式悬挂部件。图1.4-4 电气控制系统结构示意图
机器人控制器用于程序处理及机器人位置、速度、轨迹控制等，其功能与数控装置（CNC）类似；驱动器是用于插补脉冲放大、控制驱动电机转角、转速、转矩的装置，目前以交流伺服驱动器为常用；辅助电路主要用于控制器、驱动器的电源通断控制和接口信号的转换，为了缩小体积、降低成本、方便安装，接口电路常采用标准I/O模块。1.4.2 工业机器人的特点1.基本特点
工业机器人是集机械、电子、控制、检测、计算机、人工智能等多学科先进技术于一体的典型机电一体化设备，其主要技术特点如下。
① 拟人。在结构形态上，大多数工业机器人的本体有类似人类的腰转、大臂、小臂、手腕、手爪等部件，并接受其控制器的控制。在智能工业机器人上，还安装有模拟人类等生物的传感器，如：模拟感官的接触传感器、力传感器、负载传感器、光传感器；模拟视觉的图像识别传感器；模拟听觉的声传感器、语音传感器等。这样的工业机器人具有类似人类的环境自适应能力。
② 柔性。工业机器人有完整、独立的控制系统，它可通过编程来改变其动作和行为，此外，还可通过安装不同的末端执行器来满足不同的应用要求，因此，它具有适应对象变化的柔性。
③ 通用。除了部分专用工业机器人外，大多数工业机器人都可通过更换工业机器人手部的末端操作器（如更换手爪、夹具、工具等）来完成不同的作业。因此，它具有一定的、执行不同作业任务的通用性。
工业机器人、数控机床、机械手三者在结构组成、控制方式、行为动作等方面有许多相似之处，以至于非专业人士很难区分，有时易引起误解。以下通过三者的比较来介绍相互间的区别。2.工业机器人与数控机床
世界上首台数控机床出现于1952年，由美国麻省理工学院率先研发，其诞生比工业机器人早7年，因此，工业机器人的很多技术都来自于数控机床。
George Devol（乔治·德沃尔）最初设想的机器人实际上就是工业机器人，他所申请的专利就是利用数控机床的伺服轴驱动连杆机构，然后通过操纵控制器对伺服轴的控制来实现机器人的功能。按照相关标准的定义，工业机器人是“具有自动定位控制、可重复编程的多功能、多自由度的操作机”，这点也与数控机床十分类似。
因此，工业机器人和数控机床的控制系统类似，它们都有控制面板、控制器、伺服驱动等基本部件，操作者可利用控制面板对它们进行手动操作或进行程序自动运行、程序输入与编辑等操作控制。但是，由于工业机器人和数控机床的研发目的有着本质的区别，因此，其地位、用途、结构、性能等各方面均存在较大的差异。数控机床和工业机器人的区别主要有以下几点。
① 作用和地位。机床是用来加工机器零件的设备，是制造机器的机器，故称为工作母机；没有机床就几乎不能制造机器，没有机器就不能生产工业产品。因此，机床被称为国民经济基础的基础，在现有的制造模式中，它仍处于制造业的核心地位。工业机器人尽管发展速度很快，但目前绝大多数还只是用于零件搬运、装卸、包装、装配的生产辅助设备，或是进行焊接、切割、打磨、抛光等简单粗加工的生产设备，它在机械加工自动生产线上（焊接、涂装生产线除外）所占的价值一般还只有15%左右。因此，除非现有的制造模式发生颠覆性变革，否则，工业机器人的体量很难超越机床；所以，那种认为“随着自动化大趋势的发展，机器人将取代机床成为新一代工业生产的基础”的观点，至少在目前看来是不正确的。
② 目的和用途。研发数控机床的根本目的是解决轮廓加工的刀具运动轨迹控制问题；而研发工业机器人的根本目的是用来协助或代替人类完成那些单调、重复、频繁或长时间、繁重的工作或进行高温、粉尘、有毒、易燃、易爆等危险环境下的作业。由于两者的研发目的不同，因此，其用途也有根本的区别。简言之，数控机床是直接用来加工零件的生产设备；而大部分工业机器人则是用来替代或部分替代操作者进行零件搬运、装卸、装配、包装等作业的生产辅助设备，两者目前尚无法完全相互替代。
③ 结构形态。工业机器人需要模拟人的动作和行为，在结构上以回转摆动轴为主、直线轴为辅（可能无直线轴），多关节串联、并联轴是其常见的形态；部分机器人（如无人搬运车等）的作业空间也是开放的。数控机床的结构以直线轴为主、回转摆动轴为辅（可能无回转摆动轴），绝大多数都采用直角坐标结构；其作业空间（加工范围）局限于设备本身。但是，随着技术的发展，两者的结构形态也在逐步融合，如机器人有时也采用直角坐标结构；采用并联虚拟轴结构的数控机床也已有实用化的产品等。
④ 技术性能。数控机床是用来加工零件的精密加工设备，其轮廓加工能力、定位精度和加工精度等是衡量数控机床性能最重要的技术指标。高精度数控机床的定位精度和加工精度通常需要达到0.01mm或0.001mm的数量级，甚至更高，且其精度检测和计算标准的要求高于机器人。数控机床的轮廓加工能力取决于工件要求和机床结构，通常而言，能同时控制5轴（5轴联动）的机床，就可满足几乎所有零件的轮廓加工要求。
工业机器人是用于零件搬运、装卸、码垛、装配的生产辅助设备，或是进行焊接、切割、打磨、抛光等粗加工的设备，强调的是动作灵活性、作业空间、承载能力和感知能力。因此，除少数用于精密加工或装配的机器人外，其余大多数工业机器人对定位精度和轨迹精度的要求并不高，通常只需要达到0.1～1mm的数量级便可满足要求，且精度检测和计算标准均低于数控机床。但是，工业机器人的控制轴数将直接决定自由度、动作灵活性等关键指标，其要求很高；理论上说，需要工业机器人有6个自由度（6轴控制），才能完全描述一个物体在三维空间的位姿，如果需要避障，还需要有更多的自由度。此外，智能工业机器人还需要有一定的感知能力，故需要配备位置、触觉、视觉、听觉等多种传感器；而数控机床一般只需要检测速度与位置，因此，工业机器人对检测技术的要求高于数控机床。3.工业机器人与机械手
用于零件搬运、装卸、码垛、装配的工业机器人功能和自动化生产设备中的辅助机械手类似。例如，国际标准化组织（ISO）将工业机器人定义为“自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能机械手”；日本机器人协会（JRA）将工业机器人定义为“能够执行人体上肢（手和臂）类似动作的多功能机器”，表明两者的功能存在很大的相似之处。但是，工业机器人与生产设备中的辅助机械手的控制系统、操作编程、驱动系统均有明显的不同。工业机器人和机械手的主要区别如下。
① 控制系统。工业机器人需要有独立的控制器、驱动系统、操作界面等，可对其进行手动、自动操作和编程，因此，它是一种可独立运行的完整设备，能依靠自身的控制能力来实现所需要的功能。机
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