機器人發(fā)展史

1、工業(yè)機器人的發(fā)展史講解思路概述目的：使更多的學(xué)生了解、明白什么是工業(yè)機器人并且喜愛上它怎么了解？使用工業(yè)機器人的發(fā)展史來貫穿以下幾點什么是工業(yè)機器人？為什么會出現(xiàn)工業(yè)機器人？工業(yè)機器人能干什么？機器人的發(fā)展史。未來機器人的走向。我國目前機器人的情況。什么是工業(yè)機器人？主要介紹原理和分類。為什么會出現(xiàn)機器人？首臺工業(yè)機器人出現(xiàn)的原因和其工業(yè)機器人功能。說到功能涉及出機器人能干什么原因涉及出機器人的發(fā)展史（機器人的歷程，未來機器人的走向，我國目前機器人的情況）1 工業(yè)機器人的原理及分類國際機器人聯(lián)合會將機器人定義如下:機器人是一種半 自主或全自主工作的機器,它能完成有益于人類的 工作,應(yīng)用于生產(chǎn)過

2、程稱為工業(yè)機器人,應(yīng)用于特 殊環(huán)境稱為專用機器人(特種機器人),應(yīng)用于家庭 或直接服務(wù)人稱為(家政)服務(wù)機器人。這種內(nèi)涵廣 義的理解是機器人自動化機器,而不應(yīng)該理解為如翻譯的像人一樣機器。 20 世紀中期,隨著計算機技術(shù)、自動化技術(shù)和 原子能技術(shù)的發(fā)展,工業(yè)機器人開始在美國得到研 究和發(fā)展,使其在工業(yè)生產(chǎn)中得以廣泛使用。工業(yè) 機器人的最初出現(xiàn)是傳統(tǒng)的機構(gòu)學(xué)與近代電子技 術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物,如今工業(yè)機器人是綜合了多學(xué)科 而形成的高新技術(shù)產(chǎn)物,是當(dāng)代十分活躍的研究開 發(fā)領(lǐng)域。為了跟上社會進步、經(jīng)濟發(fā)展的步伐,工 業(yè)機器人以不同的種類正逐步應(yīng)用在到各行各業(yè), 對國民經(jīng)濟發(fā)展有著舉足輕重的作用。1.1工業(yè)

3、機器人的工作原理現(xiàn)代工業(yè)自動化領(lǐng)域中應(yīng)用的各種操作機器人是 目前工業(yè)機器人技術(shù)中最成熟的一類,這種工業(yè)機器 人實質(zhì)上是一類能根據(jù)預(yù)先將程序編制在存儲裝置 中,然后操作程序自動重復(fù)執(zhí)行,進行完全代替人工作 業(yè)的自動化機器。其系統(tǒng)構(gòu)成如圖 1 所示。 圖 1工業(yè)機器人系統(tǒng)基本構(gòu)成 由圖 1 可知,工業(yè)機器人構(gòu)成是個閉環(huán)系統(tǒng), 通過運動控制器、伺服驅(qū)動器、機器人本體 、傳感器等部件可以完成人們需要的功能。 工廠中高性能通用型工業(yè)機器人一般采用關(guān) 節(jié)型的機械結(jié)構(gòu),每個關(guān)節(jié)由獨立的驅(qū)動電機控制,通過計算機對驅(qū)動單元的功率放大電路進行控制 ,實現(xiàn)機器人的運動控制操作。 其控制系統(tǒng)原理流程圖如圖 2 所示。

4、 圖 2工業(yè)機器人控制系統(tǒng)原理圖由圖 2 可知,關(guān)節(jié)型工業(yè)機器人的組成由人機 界面( 示教器) 、伺服驅(qū)動器、運動控制器( 下位機) 、 機器人本體等組成,通過機器人末端帶不同的夾具 來實現(xiàn)不同的功能。示教器是對機器人狀態(tài)的監(jiān) 控及發(fā)出運動指令部分,是人跟機器人信息交互的 唯一窗口; 伺服驅(qū)動器是對伺服電機的控制,是機 械手臂運動的動力源; 運動控制器是各個關(guān)節(jié)的位 姿運算單元,正解和逆解程序的執(zhí)行、運行都在其中計算; 機器人本體是執(zhí)行機構(gòu),是實現(xiàn)要求功能 的最直接部件。1.2工業(yè)機器人的分類隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步,我國工業(yè)機器人已 經(jīng)走上了自主研發(fā)階段,這樣標(biāo)志著我國工業(yè)自動 化走向了新的里

5、程碑。按照工業(yè)機器人的關(guān) 鍵技術(shù)發(fā)展過程其可分為三代: 第一代是示教再現(xiàn)機器人,主要由機器人本 體 、運 動 控 制 器 和 示 教 盒 組 成 ,操 作 過 程 比 較 簡 單 。 第一代機器人使用示教盒在線示教編程,并保存示 教信息。當(dāng)機器人自動運行時,由運動控制器解析 并執(zhí)行存儲的示教程序,使機器人實現(xiàn)預(yù)定動作。 這類機器人通常采用點到點運動,連續(xù)軌跡再現(xiàn)的 控制方法,可以完成直線和圓弧的連續(xù)軌跡運動, 然而復(fù)雜曲線的運動則由多段圓弧和直線組合而 成。由于操作的容易性、可視性強,所以在當(dāng)前工 業(yè)中應(yīng)用最多。 第二代是離線編程機器人,該機器人編程系統(tǒng) 是采用離線式計算機實體模型仿真技術(shù),首

6、先建立 起機器人及其工作環(huán)境的實體模型,再采用實際的 正逆解算法,通過對實體模型的控制和操作,在離 線的情況下進行路徑規(guī)劃,然后通過編程對實體模 型進行三維動畫仿真,以檢驗編程的正確性,最后 將正確的代碼傳遞給機器人控制柜,以控制機器人 運動,完成了離線編程。第三代是智能機器人,它除了具有第一代和第 二代的特點以外可帶有各種傳感器,這類機器人對 外界環(huán)境不但具有感覺能力,而且具有獨立判斷、記 憶 、推 理 和 決 策 的 能 力 ,能 適 應(yīng) 外 部 對 象 、環(huán) 境 協(xié) 調(diào)地工作,能完成更加復(fù)雜的動作。在工作時通過 傳感器獲得外部的信息,并進行信息反饋,然后靈 活調(diào)整工作狀態(tài),保證在適應(yīng)環(huán)境

7、的情況下完成工 作。此機器人用在弧焊和搬運工作中較多。 在我國,由于機器人技術(shù)以及研發(fā)的落后,工 業(yè)機器人主要應(yīng)用在制造業(yè),如汽車制造行業(yè)和工程機械行業(yè),主要用于汽車及工程機械的噴涂、焊接及搬運崗位。 2工業(yè)機器人的的出現(xiàn)早在 1954 年美國喬治·德沃爾設(shè)計出第一臺 電子可編程序的工業(yè)機器人,并于 1961 年發(fā)表了該 項專利,1962 年美國通用汽車公司投入使用,標(biāo)志 著第一代機器人誕生。從此,機器人開始成為 人類生活中的現(xiàn)實,隨后日本使工業(yè)機器人得到迅 速的發(fā)展。 3機器人的發(fā)展史現(xiàn)代工業(yè)機器人的發(fā)展開始于 20 世紀中期, 依托計算機、自動化以及原子能的快速發(fā)展。為 了滿足大

8、批量產(chǎn)品制造的迫切需求,并伴隨著相關(guān) 自動化技術(shù)的發(fā)展,數(shù)控機床于 1952 年誕生,同 時數(shù)控機床的控制系統(tǒng)、伺服電動機、減速器等關(guān) 鍵零部件為工業(yè)機器人的開發(fā)打下了堅實的基礎(chǔ); 同時,在原子能等核輻射環(huán)境下的作業(yè),迫切需要 特殊環(huán)境作業(yè)機械臂代替人進行放射性物質(zhì)的操作 與處理,基于此種需求,1947 年美國阿爾貢研究所 研發(fā)了遙操作機械手,1948 年接著研制了機械式 的主從機械手。1954 年美國的戴沃爾對工業(yè)機器 人的概念進行了定義,并進行了專利申請。1962 年美國的 AMF 公司推出的“UNIMATE”,是工業(yè) 機器人較早的實用機型,其控制方式與數(shù)控機床 類似,但在外形上由類似于人

9、的手和臂組成。1965 年,一種具有視覺傳感器并能對簡單積木進行識別、 定位的機器人系統(tǒng)在美國麻省理工大學(xué)研制完 成。1967 年機械手研究協(xié)會在日本成立,并召開 了首屆日本機器人學(xué)術(shù)會議。1970 年第一屆國際 工業(yè)機器人學(xué)術(shù)會議在美國舉行,促進了機器人相 關(guān)研究的發(fā)展。1970 年以后,工而機器人的研究得 到廣泛、較快的發(fā)展。1967 年日本川崎重工業(yè)公司首先從美國引進機器人及技術(shù),建立生產(chǎn)廠房,并于 1968 年試制出 第一臺日本產(chǎn)通用機械手機器人。經(jīng)過短暫的搖籃階段,日本的工業(yè)機器人很快進入實用階段,并由汽車業(yè)逐步擴大到制造業(yè)其他領(lǐng)域。1980年被稱 為日本的“機器人普及元年”,日本開

10、始在各個領(lǐng)域 推廣使用機器人,這大大緩解了市場勞動力嚴重短 缺的社會矛盾。19801990年日本的工業(yè)機器人處 于鼎盛時期。20 世紀 90 年代,裝配與物流搬運 的工業(yè)機器人開始應(yīng)用。 從 1960 年開始,經(jīng)過 50 年發(fā)展,工業(yè)機器人 產(chǎn)業(yè)化整機的世界規(guī)模 100 億120 億美元,年銷售 臺套 16 萬臺套,累計裝機量 120 萬150 萬臺套, 考慮相關(guān)軟件、零部件及系統(tǒng)集成應(yīng)用整體規(guī)模在 300 億500 億美元市場,近 5 年市場增長率 10%。 4現(xiàn)代工業(yè)機器人功能自從 20 世紀 60 年代以來,工業(yè)機器人在工業(yè) 發(fā)達國家越來越多的領(lǐng)域得到了應(yīng)用,尤其是在汽 車生產(chǎn)線上得到了

11、廣泛應(yīng)用,并在在制造業(yè)中,如毛坯制造(沖壓、壓鑄、鍛造等)、機械加工、焊接、 熱處理、表面涂覆、打磨拋光、上下料、裝配、檢測及倉庫堆垛等作業(yè)中得到應(yīng)用,提高了加工效率與產(chǎn)品的一致性。作為先進制造業(yè)中典型的機電 一體化數(shù)字化裝備,工業(yè)機器人已經(jīng)成為衡量一個 國家制造業(yè)水平和科技水平的重要標(biāo)志。5現(xiàn)代工業(yè)機器人各國發(fā)展計劃工業(yè)機器人作為高端制造裝備的重要組成部 分,技術(shù)附加值高,應(yīng)用范圍廣,是我國先進制造 業(yè)的重要支撐技術(shù)和信息化社會的重要生產(chǎn)裝備, 將對未來生產(chǎn)和社會發(fā)展及增強軍事國防實力都具 有十分重要的意義,有望成為繼汽車、飛機、計算 機之后出現(xiàn)的又一戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。世界各國工業(yè)機器人發(fā)展計

12、劃。世界各國紛紛將突破機器人技術(shù)、發(fā)展機器人產(chǎn)業(yè)擺在本國科技發(fā)展的重要戰(zhàn)略地位。美國、日本、歐洲、韓國等國家和地區(qū)都非常重視機器人技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,將機器人產(chǎn)業(yè)作為戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè),紛紛制定其機器人國家發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃。5.1 別國工業(yè)機器人發(fā)展計劃美國相關(guān)機器人發(fā)展計劃。美國機器人發(fā)展起 步早,其發(fā)展思路是立足于相關(guān)機器人核心技術(shù)實 現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,并提出了相關(guān)的工業(yè)機器人發(fā)展計 劃。2011 年 6 月美國總統(tǒng)奧巴馬在卡耐基梅隆 大學(xué)講話中,提出“NRI 國家機器人發(fā)展計劃 (NASA,NSF,NIH)”,希望振興美國制造業(yè)。 接著,美國在 2013 年 3 月提出了“美國機器人發(fā)展 發(fā)展路線圖”,將圍繞制

13、造業(yè)攻克工業(yè)機器人的強適 應(yīng)性和可重構(gòu)的裝配、仿人靈巧操作、基于模型的 集成和供應(yīng)鏈的設(shè)計、自主導(dǎo)航、非結(jié)構(gòu)化環(huán)境的 感知、教育訓(xùn)練、機器人與人共事的本質(zhì)安全性等 關(guān)鍵技術(shù)。 日本相關(guān)工業(yè)機器人發(fā)展計劃。日本一貫將工 業(yè)機器人技術(shù)列入國家的發(fā)展計劃和重大項目,不 論在技術(shù)方面,還是在市場規(guī)模方面,日本稱得上 是“機器人大國”。日本提出了機器人路線圖,包含 三個領(lǐng)域,即“新世紀工業(yè)機器人”、“服務(wù)機器 人”和“特種機器人”,并從技術(shù)圖中的重要技術(shù) 明確其性能和技術(shù)指標(biāo),并提到創(chuàng)建和擴大機器人 的早期市場,縮短滿足多種需求的機器人的開發(fā)時 間、降低成本、擴大加入的企業(yè)。智能機器人技術(shù) 軟件計劃(2

14、0072011 年)資助 9700 萬人民幣,基本 機器人技術(shù)開放式創(chuàng)新改進傳統(tǒng)技術(shù)(20082010年)資助約 1 000 萬人民幣,先進機器人單元技 術(shù)戰(zhàn)略開發(fā)計劃(20062010 年)預(yù)算 5 447 萬人民幣。歐洲相關(guān)工業(yè)機器人發(fā)展計劃。歐盟第七研發(fā)框架計劃(20072013 年)投入機器人研究經(jīng)費達 6 億歐元,未來的研究計劃(20132020 年)對機器人 研究的經(jīng)費投入將達到 140 億歐元,另外還提出了 20022022 年歐洲機器人研究與應(yīng)用的路線圖。韓國相關(guān)工業(yè)機器人發(fā)展計劃。韓國工業(yè)機器 人產(chǎn)業(yè)起步較晚,但發(fā)展速度較快。韓國于 20 世紀 80 年代末開始大力發(fā)展工業(yè)機

15、器人技術(shù),在政府的 資助和引導(dǎo)下,由現(xiàn)代重工集團牽頭,用了 10 年的 時間形成其工業(yè)機器人體系,目前韓國的汽車工業(yè) 大量應(yīng)用其本國的機器人。韓國將機器人與互聯(lián)網(wǎng) 相結(jié)合,提出了“839”戰(zhàn)略計劃，其中智能機 器人是其提出的九項核心技術(shù)之一。韓國在 2003 年提出了“十大未來發(fā)展動力產(chǎn)業(yè)”計劃,2004 年 韓國信息通信部提出“IT839”計劃,及其“無 所不在的機器人伙伴”項目,2008 后每年 4 000 億 韓元(約合 22 億人民幣);2009 年韓國政府提出 了“第一次智能型機器人基本計劃”,計劃在 2013 年以前投入 1 萬億韓元(約合 55 億人民幣)。 世界工業(yè)機器人的發(fā)展

16、模式。世界各國的工業(yè) 機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程,分為三種不同的發(fā)展模式, 即日本模式、歐洲模式和美國模式。 新一輪工業(yè)革命呼喚著工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,市場激烈競爭、小批量多品種客戶定制、勞動力成本不斷上升、新技術(shù)突破進步對工業(yè)機器人存在著迫切的需求。信息化、智能化、綠色化將是未來制造業(yè)的重要發(fā)展方向,以工業(yè)機器人等為主體的技術(shù)與裝備將成為未來制造強國的重要標(biāo)志,在促進我國智 能制造的發(fā)展,推動工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)化突破方面具有重要的意義。 隨著我國勞動力成本的逐年增加,老齡化社會的到來,可進行傳統(tǒng)加工制造業(yè)的一線工人將保 持逐年減少的趨勢,同時社會服務(wù)的成本將增加, 我國對工業(yè)機器人及自動化加工裝備的需求

17、將逐步 增加。國際制造環(huán)境競爭的日益激烈,客戶可定制、 柔性加工制造、成本投入與效率提高、整合全球資 源逐漸成為制造業(yè)競爭力的核心要素。 因而,我國工業(yè)機器人的市場需求是剛性與持 續(xù)的,期望一個新時代到來,廠廠都有機器人。 工業(yè)機器人發(fā)展的臨界點已經(jīng)到來,工業(yè)機器人發(fā) 展將是中國制造業(yè)歷史上一次機遇與革命。52國內(nèi)工業(yè)機器人技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀我國工業(yè)機器人面臨著歷史上難得的發(fā)展機遇,包括政策紅利、經(jīng)濟轉(zhuǎn)型升級等剛性需求的釋 放。制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級將推動我國高端制造裝備的 發(fā)展,我國制造業(yè)需要實現(xiàn)從“大”到“強”,同時 國內(nèi)外經(jīng)濟環(huán)境的變化將倒逼產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級,我國 制造業(yè)將從依靠廉價勞動力、破環(huán)資

18、源與環(huán)境的粗 放式發(fā)展模式向依靠提高生產(chǎn)效率、環(huán)境友好型的 精細式發(fā)展模式進行轉(zhuǎn)變。工業(yè)機器人作為我國高 端裝備制造的基礎(chǔ)設(shè)備之一,是我國“十二五”發(fā) 展規(guī)劃中高端制造裝備戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重要組成 部分,也是其他戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)裝 備。隨著我國產(chǎn)業(yè)的逐步轉(zhuǎn)型升級,以工業(yè)機器人為代表的智能裝備將實現(xiàn)爆發(fā)式增長。 長期以來,由于我國人口眾多、勞動力價格低廉、生產(chǎn)技術(shù)水平相對落后,工業(yè)機器人的應(yīng)用受到了很大限制。但是,隨著工業(yè)機器人價格的降低和性能指標(biāo)的提高,我國人工成本的增加、工作環(huán)境的改變和多元化的市場競爭,各企業(yè)面臨著重重壓力。工業(yè)機器人及配套的自動化裝備作為一個速成長中的新興產(chǎn)業(yè)

19、,將對未來生產(chǎn)和社會發(fā)展發(fā)揮著越來越重要的作用。據(jù)統(tǒng)計,“十一五”期間,我國工業(yè)機器人的 需求量快速增長,市場規(guī)模數(shù)據(jù)如圖 4、圖 5 所示(數(shù) 據(jù)來源:IFR)。截止 2010 年,我國工業(yè)機器人擁 有量達到 4 萬臺以上,主要包括焊接、噴涂、注塑、 裝配、搬運、沖壓等各類機器人。 國內(nèi)在工業(yè)機器人研發(fā)方面,沈陽新松機器人 自動化股份有限公司在自動導(dǎo)引車(Automated guided vehicle,AGV) 等方面取得重要市場突破, 哈爾濱博實自動化股份有限公司重點在石化等行業(yè) 的自動包裝與碼垛機器人方面進行產(chǎn)品開發(fā)與產(chǎn)業(yè) 化推廣應(yīng)用,廣州數(shù)控設(shè)備有限公司研發(fā)了自主 知識產(chǎn)權(quán)的工業(yè)機器人產(chǎn)品,用于機床上下料 等,