作者：林燕文 陈南江 许文稼
出版社：人民邮电出版社
格式: AZW3, DOCX, EPUB, MOBI, PDF, TXT
工业机器人技术基础试读：
前言
一、编写缘起
工业机器人是机电一体化生产装置，靠电力驱动，是由计算机控制伺服系统来实现如运动、定位、逻辑判断等功能的一种机器，并可以自动执行工作。随着工业机器人技术的发展及其应用的不断扩大，我国已经成为全球第二大应用市场。工业机器人的应用对于助推我国制造业转型升级，提高产业核心竞争力功不可没。但与之形成鲜明对比的是，工业机器人相关专业的人才培养却落后于市场的发展。我国教育界在意识到这种情况后，已开始大力加强相关专业的建设。
本书在全面调研的基础上，系统介绍了工业机器人技术方面的基础知识，并在内容选取上力争覆盖工业机器人技术及应用方面的大部分知识点，使读者更好地掌握相关知识。
二、本书结构
本书根据当前院校教学需要精心安排。全书共分为4篇，9个项目，结构如下所示。
随着产教融合建设的推进，智能制造应用型人才培养系列教材按照“一体化设计、结构化课程、颗粒化资源”的逻辑建设理念进行编写。编者系统地规划了本书的结构体系，主要包括“项目引入”“知识图谱”“任务”“项目总结（技能图谱）”“项目习题”。
三、内容特点
1.本书充分考虑了相关技术的先进性，书中介绍的机器人载体都是国内外知名品牌的产品，使学生真正学到当前先进的工业机器人相关技术及应用。
2.本书在内容的组织上，充分考虑学生的认知规律，由简到难，循序渐进。
3.书中设有“思考与练习”和“项目习题”，方便学生回顾每个任务及整个项目所学知识。
四、配套的数字化教学资源
得益于现代信息技术的飞速发展，本书在使用双色印刷的同时，配备了大量的教学微课、高清图片等一体化学习资源，并配套提供指导学习的课件、工作页等资源，以及用于对学生进行测验的单元测评、题库和习题详解等资料。
读者可在学习过程中登录本书配套的数字化课程网站（北京华晟智造科技有限公司“智造课堂”）获取数字化学习资源，对于微课等学习资源，可以通过手机扫描书中二维码链接观看。
五、教学建议
教师可以通过本书和课程网站上丰富的资源完善自己的教学过程，学生也能通过本书及其配套资源进行自主学习和测验。一般情况下，教师可用56学时进行本书的讲解，具体学时分配建议见下表。
六、致谢
本书由北京华晟智造科技有限公司林燕文、陈南江和常州机电职业技术学院许文稼任主编，北京华晟智造科技有限公司彭赛金和浙江机电职业技术学院张伟任副主编。在本书的编写过程中，北京华晟智造科技有限公司提供了许多宝贵的意见和建议，并对编写工作给予大力支持，在此郑重致谢。
由于编者水平有限，书中难免存在不足之处，恳请广大读者批评指正。
编者2018年9月基础认知篇项目一 工业机器人概述项目引入早在几千年前的神话故事中，类似机器人的概念就已经出现。古人也制作了一些类似机器人的机械装置，但直到近代，机器人技术尤其是工业机器人技术才得到了飞速发展。美国、日本等国家的汽车制造领域大量使用了工业机器人，并且在这个领域中，工业机器人的应用最为成熟。我国工业机器人技术虽起步较晚，关键技术以及核心零部件与发达国家相比还有一定差距，但也取得了一定的可喜的进步。最近几年，我国是工业机器人应用数量最多的国家，未来的发展潜力巨大。本项目的学习内容是了解机器人的由来、机器人尤其是工业机器人的定义，以及工业机器人的发展史和发展趋势。知识图谱任务一 机器人的由来【任务描述】
大家都或多或少地了解过机器人，但是否想过机器人是如何产生的？是如何有了机器人这个概念的？带着这两个问题，我们进入任务一的学习。【任务学习】
微课
机器人的由来
机器人的概念早在几千年前的人类想象中就已诞生。最早出现的关于“人造人”的神话故事，当属公元前3世纪的古希腊神话“阿鲁哥探险船”。我国西周时期，能工巧匠偃师就研制出了能歌善舞的伶人，这是我国最早记载的具有机器人概念的文字。据《墨经》的记载，春秋后期，我国著名的工匠鲁班曾制造过一只木鸟，能在空中飞行“三日不下”，如图1-1（a）所示。东汉时期的著名科学家张衡发明了地动仪、计里鼓车以及木指南车，如图1-1（b）、（c）所示，这些都是具有机器人构想的装置。后汉三国时期，诸葛亮发明了木牛流马，如图1-1（d）所示，《三国志·诸葛亮传》：“九年，亮复出祁山，以木牛运”“十二年春，亮悉大众由斜谷出，以流马运”。图1-1 中国古代发明
除中国外，许多其他国家的历史上也曾出现过有关机器人的发明。两千年以前希腊一个名叫海隆的人发明了各种机器，其中有自动门、自动销售机、自动风琴等，和现在使用的这类东西的结构类似。11世纪中东地区重要的发明家——阿勒·加扎利创造了古代最复杂、最令人称奇的计时器——时钟城堡。欧洲文艺复兴时期的天才——达·芬奇在手稿中绘制了西方文明世界的第一款人形机器人。此外在法国国王的庆典上，达·芬奇向国王献上了一只能自动行走的人造狮子，如图1-2所示。图1-2 人造狮子
1662年，日本的竹田近江利用钟表技术发明了自动端茶偶人，并在大阪道顿堀演出，如图1-3（a）所示。1738年，法国天才技师杰克·戴·瓦克逊发明了一只机器鸭。1768——1774年，瑞士钟表匠德罗斯父子三人合作制作了像真人一样大小的机器人：写字偶人、绘图偶人和弹风琴偶人，如图1-3（b）所示。1893年，加拿大莫尔设计出能行走的机器人安德罗丁。图1-3 自动偶人
1920年，捷克作家卡雷尔·卡佩克［见图1-4（a）］发表了科幻剧本《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”。
1950年，美国科幻小说家加斯卡·阿西莫夫［Jassc Asimov，如图1-4（b）所示］在他的小说《我的机器人》中，提出了著名的“机器人三原则”，如图1-5所示。
①机器人不能危害人类，不能眼看人类受害而袖手旁观。
②机器人必须服从于人类，除非这种服从有害于人类。
③机器人应该能够保护自身不受伤害，除非为了保护人类或者人类命令它做出牺牲。图1-4 卡雷尔·卡佩克与加斯卡·阿西莫夫图1-5 机器人三原则
这三条原则给机器人赋予了伦理观。至今，机器人研究者都以这三个规则作为开发机器人的准则。【思考与练习】
1. 简述我国历史上有关机器人的发明。
2. 简述国外历史上有关机器人的发明。
3.名词Robot是如何诞生的？
4. 机器人三原则的内容是什么？任务二 机器人的定义【任务描述】
一个想法的诞生，就是未来成为可能的起点。随着科学技术的进步，机器人的种类、功能越来越多，对机器人该如何定义呢？本任务就来学习一下国际上对机器人的几种定义。【任务学习】
一、国际上机器人的几种定义
微课
工业机器人的定义
目前，虽然机器人已被广泛应用，但世界上对机器人还没有一个统一、严格、准确的定义，不同国家、不同研究领域给出的定义不尽相同。原因之一是机器人还在发展，新的机型、新的功能不断涌现。根本原因主要是机器人涉及人的概念，因此其定义成了一个难以回答的哲学问题。就像机器人一词最早诞生于科幻小说之中一样，人们对机器人充满了幻想。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。
国际上对机器人的定义主要有以下几种。
①美国机器人工业协会（RIA）对机器人的定义。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”。这个定义叙述具体，更适用于对工业机器人的定义。
②美国国家标准局（NBS）对机器人的定义。机器人是“一种能够进行编程并在自动控制下执行某些操作和移动作业任务的机械装置”。这也是一种比较广义的工业机器人的定义。
③日本工业机器人协会（JIRA）对机器人的定义。它将机器人分成两类：工业机器人是“一种能够执行与人体上肢（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，并能控制自身行为的机器”。
④英国《牛津简明英语词典》对机器人的定义。机器人是“貌似人的自动机，是具有智力且顺从于人但不具有人格的机器”。这是一种对理想机器人的描述，到目前为止，尚未有与人类在智力上相似的机器人。
⑤国际标准化组织（ISO）对机器人的定义。其定义较为全面和准确，涵盖如下内容：a.机器人的动作机构具有类似于人或其他生物体某些器官（肢体、感官等）的功能；b.机器人具有通用性，工作种类多样，动作程序灵活易变；c.机器人具有不同程度的智能性，如记忆、感知、推理、决策、学习等；d.机器人具有独立性，完整的机器人系统在工作中可以不依赖于人。
二、工业机器人的定义
美国机器人工业协会对工业机器人的定义：工业机器人是用来搬运材料、零件、工具等的可再编程的多功能机械手，或通过不同程序的调用来完成各种工作任务的特种装置。
英国机器人协会也采用了类似的定义。
国际标准化组织（ISO）曾于1987年对工业机器人给出了定义：工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能，能够完成各种作业的可编程操作机。
ISO8373——2012对工业机器人给出了更具体的解释：机器人具备自动控制及可再编程、多用途功能，机器人操作机具有3个或3个以上的可编程轴，在工业自动化应用中，机器人的底座可固定也可移动。
工业机器人最显著的特点有以下几个。（1）可编程
生产自动化的进一步发展是柔性自动化。工业机器人可随其工作环境变化的需要而再编程，因此它在小批量多品种、具有均衡高效率的柔性制造过程中能发挥很好的功用，是柔性制造系统中的一个重要组成部分。（2）拟人化
工业机器人在机械结构上有类似人的腿、腰、大臂、小臂、手腕、手等的部分，在控制上有计算机。此外，智能化工业机器人还有许多类似人类感知系统的“生物传感器”，如皮肤型接触传感器、力传感器、负载传感器、视觉传感器、声觉传感器等，有的还具有语言功能。传感器提高了工业机器人对周围环境的自适应能力。（3）通用性
除了专门设计的专用的工业机器人外，一般工业机器人在执行不同的作业任务时具有较好的通用性。比如，更换工业机器人手部末端执行器（手爪、工具等）便可执行不同的作业任务。（4）交叉性
工业机器人技术涉及的学科相当广泛，归纳起来是机械学和微电子学的结合——机电一体化技术。第三代智能化工业机器人不仅具有获取外部环境信息的各种传感器，而且还具有记忆能力、语言理解能力、图像识别能力、推理判断能力等人工智能，这些都与微电子技术的应用，特别是与计算机技术的应用密切相关。因此，机器人技术的发展必将带动其他技术的发展，机器人技术的发展和应用水平也可以表明一个国家科学技术和工业技术的发展水平。
总之，随着机器人的升级和机器人智能的发展，机器人的定义与工业机器人的定义将会被进一步修改，进一步明确和统一。【思考与练习】
1. 简述国际上关于机器人的几种定义。
2. 简述工业机器人的几种定义。
3. 工业机器人最显著的特点是什么？任务三 工业机器人发展史和发展趋势【任务描述】
微课
工业机器人的发展现状
事物的完善离不开发展，只有不断地发展，纠错革新，才能不断进步。机器人也一样，也是历经了一代代的发展，才有了如今的成就。随着信息技术的发展，机器人将来还会不断地更新换代。本任务就来探索一下工业机器人的发展史以及未来的发展方向。【任务学习】
一、工业机器人发展史
1. 国外工业机器人发展史
第二次世界大战期间，美国原子能委员会的阿尔贡研究所研制了“遥控机械手”，用于代替人生产和处理放射性材料。1948年，人们对这种较简单的机械装置进行改进，开发出了一套机械结构相似的主、从机械手。主机械手位于控制室内，从机械手与主机械手之间隔了一道透明的防辐射墙。操作者用手操纵主机械手，控制系统自动检测主机械手的运动状态，并控制从机械手跟随主机械手运动，从而实现远距离处理放射性材料，提高了核工业生产的安全性。如图1-6所示，20世纪50年代Raymond C. Goertz使用电动机械操作机器人（主从式遥控机械手）处理放射性物质。图1-6 主从式遥控机械手
1952年，美国麻省理工学院（MIT）受美国空军委托成功开发了第一代数控（CNC）机床——一台直线插补连续控制的三坐标立式数控铣床，并进行了与CNC机床相关的控制技术及机械零部件的研究，为机器人的开发奠定了技术基础。该数控机床使用的电子器件是电子管。该数控机床产生和发展的基础是微电子技术、自动信息处理技术、数据处理技术、电子计算机技术等，它的诞生推动了机械制造自动化技术的发展。
1956年，一个地地道道的科幻迷、物理学家约瑟·英格伯格（Joe Engelberger）遇到了发明家乔治·德沃尔（George Devol），他们创立了美国万能自动化公司（Unimation），制造出了液压驱动的通用机械手Unimate，如图1-7所示。它是世界上第一代工业机器人。1961年，第一台工业机器人在美国通用汽车公司（GM）生产线上投入使用，主要用于从一个压铸机上把零件拔出来。随后几年卖出的通用机械手被用于车体的零部件操作和点焊。许多公司看到机器人能可靠工作并保证质量，也很快开始开发和制造工业机器人。20世纪50年代是机器人的萌芽期，其概念是一个空间机构组成的机械臂，一个可重复编程动作的机器。图1-7 Unimate机器人
20世纪60年代，随着传感技术和工业自动化的发展，工业机器人进入成长期，机器人开始向实用化发展，并被用于焊接和喷涂作业中。1960年，美国机床与铸造公司（AMF）生产了一台名为Versation的圆柱坐标型的数控自动机械，并以Industrial Robot（工业机器人）的名称进行宣传，如图1-8所示。
1968年，美国通用汽车公司（GM）订购了68台工业机器人；1969年该公司又自行研制出SAM型工业机器人，并用21台工业机器人组成了点焊小汽车车身的焊接自动线。维克多·施恩曼（Victor Scheinman）设计出了“斯坦福手臂”，对今后的机器人设计产生了巨大影响。“斯坦福手臂”有6个自由度，全部电气化，由一台标准计算机控制，驱动系统由直流电动机、谐波驱动器和直齿轮减速器、电位器和用于位置速度反馈的转速表组成。
此时，日本的工业机器人研究刚起步。1967年，丰田纺织自动化公司购买了第一台Unimate机器人；1968年，川崎重工业公司从美国引进Unimate机器人生产技术，对其进行不断的研究、仿制、改进、创新，开发了日本第一台工业机器人——Kawasaki-Unimate2000机器人，如图1-9所示。图1-8 Versation机器人图1-9 Kawasaki-Unimate2000机器人
20世纪70年代，随着计算机和人工智能的发展，机器人进入实用化时代。ASEA公司（现在的ABB）推出了第一台微型计算机控制、全部电气化的工业机器人IRB-6，它可以进行连续的路径移动，被迅速地运用到汽车的焊接和装卸中。据报道，这种设计使机器人的使用寿命高达20年。IRB-6机器人如图1-10所示。日本的工业机器人研究虽起步较晚，但其结合国情，采取了一系列鼓励中小企业使用机器人的措施。1970年7月，东京举办了世界上第一届机器人展览会，100多家公司推出了自己制作的机器人样板，日本机器人工业的发展速度和规模令世界惊叹。1973年，日本山梨大学的Hiroshi Makino开发出一种可选择柔顺装配机械手，极大地促进了世界范围内高容量电子产品和消费品的发展，如图1-11所示。图1-10 IRB-图1-11 可选择柔顺装配机械手
1974年，辛辛那提·米拉克龙（Cincinnati Milacron）推出了第一台微处理器控制机器人——T3（未来工具）机器人，它使用液压驱动，后来被电动机驱动替代，如图1-12所示。1979年，Unimation公司推出了六轴的、近似人手臂的PUMA（Programmable Universal Machine for Assembly），它是当时最流行的手臂之一，且在之后许多年中都是机器人研究的参考对象，如图1-13所示。
20世纪80年代，机器人发展成为具有各种移动机构、通过传感器控制的机器。工业机器人进入普及时代，开始在汽车、电子等行业得到大量使用。此时，日本成为应用工业机器人最多的国家，赢得了“机器人王国”的美誉，并正式把1980年定为工业机器人的普及元年。图1-12 T3机器人图1-13 PUMA
20世纪90年代初期，工业机器人的生产与需求进入了高潮期，1991年年底，世界上已有53万台工业机器人工作在各条生产线上。
1998年，Gudel公司提出了一种有刻痕的桶架结构，让机器人手臂在一个封闭的转移系统中循迹并循环运动。如图1-14所示，这种悬挂式机械臂是弯曲门架的传输系统，在一个闭环传输系统中一个或多个机械臂用作承运装置。这个系统可以在弯曲门架中安装，也可以作为一个走廊支撑系统。一个信号总线能完成多个机器人的控制和协同。图1-14 悬挂式机械臂
21世纪，工业机器人进入了商品化和实用化阶段。2005年安川电机（简称安川）推出了第一个商用的同步双臂操作机器人，如图1-15所示。2006年，库卡（KUKA）公司开发了一款拥有先进控制能力的轻型7自由度机械臂，它可实现机械臂自重与负载比为1:1，如图1-16所示。另一个能达到轻质量且结构坚固的方法是20世纪80年代开始就一直被探索的，即并联结构机器人。这些机器人通过2个或2个以上的并联支架将末端执行器与机器人基本平台相连。最初，Clavel提出了4轴机器人，用于高速抓取和放置任务，加速度可达到10g。
与此同时，工业机器人自动导航搬运车（AGVs）诞生了，例如图1-17所示的自主式叉车。近几年，亚马逊仓库使用了KIVA机器人（见图1-18），它的长和宽均不到1m，但能顶起1t的货物，可以通过摄像头和货架上的条形码进行准确定位。机器人颠覆了传统的仓库运行模式，即将“人去找货”变成了“货去找人”的模式，让仓库“自己会说话”。KIVA机器人每年为亚马逊节约9亿美元。
截至2007年，工业机器人的平均单价是1990年同等机器人价格的1/3。同时机器人的性能得到了显著的改善；出现了多机器人协同工作；机器人更多地采用视觉系统识别、定位和控制物体；机器人使用现场总线和以太网进行网络连接，实现了更好的机器人集成系统的控制、配置和维护。汽车生产厂商在生产线上应用了大量机器人，如图1-19所示。图1-15 双臂机器人图1-16 KUKA轻型机械臂图1-17 自主式叉车图1-18 KIVA机器人图1-19 机器人在汽车生产线上的应用
近年来，全球工业机器人行业保持快速发展，数据显示（见图1-20）2016年全球工业机器人销量29.4万台，同比增长约16%，2013年以来年平均增速16.8%。日本和欧洲是全球工业机器人市场的两大主角，并且实现了传感器、控制器、精密减速机等核心零部件完全自主化。ABB、库卡（KUKA）、发那科（FANUC）、安川电机（YASKAWA）4家生产商占据着工业机器人主要的市场份额。图1-20 2010——2017年全球工业机器人市场销量分析
2. 我国工业机器人发展史
我国工业机器人研究开始于20世纪70年代，但由于基础条件薄弱、关键技术与部件不配套、市场应用不足等原因，未能形成真正的产品。随着世界机器人技术的发展和市场的形成，我国在机器人科学研究、技术开发和应用工程等方面取得了可喜的进步。20世纪80年代中期，在国家科技攻关项目的支持下，我国工业机器人研究开发进入了一个新阶段，形成了我国工业机器人发展的一次高潮，高校和科研单位全面开展工业机器人的研究。以焊接、装配、喷漆、搬运等工作为主的工业机器人，以交流伺服驱动器、谐波减速器、薄壁轴承为代表的零部件，以及机器人本体设计制造技术、控制技术、系统集成技术和应用技术都取得了显著成果，如图1-21所示。图1-21 焊接机器人与搬运机器人
从20世纪80年代末到90年代，国家863计划把机器人列为自动化领域的重要研究课题，系统地开展了机器人基础科学、关键技术与机器人零部件、目标产品、先进机器人系统集成技术的研究及机器人在自动化工程上的应用。在工业机器人选型方面，确定了以开发点焊机器人、弧焊机器人、喷漆机器人、装配机器人、搬运机器人等为主，并开发了水下机器人、自动引导车（AGV）、爬壁机器人、擦窗机器人、管内移动作业机器人、混凝土喷射机器人、隧道凿岩机器人、微操作机器人、服务机器人、农林业机器人等特种机器人，如图1-22（a）、（b）所示。同时完成了汽车车身点焊、后桥壳弧焊，摩托车车架焊接，机器人化立体仓库［见图1-22（c）］等一批机器人自动化应用工程。这是我国机器人事业从研制到应用迈出的重要一步。图1-22 多种类型的机器人
一批从事机器人研究、开发、应用的人才和队伍在实践中成长、壮大，一批以机器人为主业的产业化基地已经破土而出，如中国科学院沈阳自动化研究所的沈阳新松机器人自动化股份有限公司（简称沈阳新松机器人）、哈尔滨工业大学的博实研究院、北京机械工业自动化研究所机器人开发中心和青岛海尔机器人有限公司等。
机器人产业从无到有，由弱变强，实现了跨越式发展。过去几年中，我国机器人市场发展迅猛，是全球增长最快也是最大的需求市场。2016年我国工业机器人销量8.7万台，同比增长26.8%，比全球增速快，占全球销量的30%。2017年我国工业机器人年销量11.1万台，同比增长27.59%，增速连续3年提高，如图1-23所示。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]