第一章 机器人基础知识

1.1 机器人概述

“机器人”一词最早出自1920年捷克作家卡雷尔·恰佩克的科幻小说《罗萨母万能机器人制造公司》一书，书中的“robot”一词在捷克文里是劳役和苦工之意，而其英文词意泛指机器人。机器人的性质是模仿人的某些特性，它具有移动性、个体性、智能性、通用性、半机械半人性、自动性、重复性，以及具有生物功能的空间三维坐标机器。

随着人类社会生产力水平的不断进步，推动了科技的发展与革新，建立了更加合理的生产关系。自工业革命以来，人力劳动已经逐渐被机械所取代，而这种变革为人类社会创造出巨大财富，极大地推动了人类社会的进步。在发达国家中，工业机器人自动化生产线成套设备已经成为自动化装备的主流及未来的发展方向。国外的汽车、电子电气、工程机械等行业已经大量使用工业机器人自动化生产线，以保证产品质量、提高生产效率，同时避免了大量的工伤事故。全球诸多国家近半个世纪工业机器人的使用实践表明，工业机器人的普及是实现生产自动化、提高社会生产效率、推动企业和社会生产力发展的有效手段，也是提高综合国力的基本途径。

自1962 年，美国第一台工业机器人诞生之日起，经过半个多世纪的飞速发展，欧美及日本等国逐渐形成种类繁多、功能齐全的机器人系列产品，涉足的领域不断扩大，制造和应用技术都有了很大的进步。人力劳动逐渐被机械所取代将成为不可逆转的发展潮流。时至今天，智能化机器人技术应运而生，人类充分发挥主观能动性，进一步增强对机械的利用效率，使之为我们创造出更加巨大的生产力，并在一定程度上维护了社会和谐。工业机器人的出现将成为人类在利用机械进行社会生产史上的一个里程碑，它使人类从繁重单一的劳动中解放出来，而且它还能够从事一些不适合人类甚至超越人类的劳动，实现生产过程自动化，提高生产效率和产品质量。随着生产力水平的逐步提高，必将促进科学技术的迅猛发展。工业机器人将以更大的规模进入人们的生产和生活领域。

国际知名企业——日本松下产业机器株式会社，已有30 余年的机器人生产历史，它以焊接机器人为发展方向，凭借自产焊接电源的组合优势，于20世纪90年代进入中国市场，以其优良的品质、先进的服务理念，逐渐成为焊接机器人市场中的主流品牌，在汽车制造、工程机械、摩托车、自行车、健身器材、医疗器械、电子电气等诸多行业得以广泛应用，极大地推动了我国的焊接机器人应用进程。本书将以松下焊接机器人为范本，着重讲述机器人的编程操作及其在电弧焊领域里的应用。

1.1.1 工业机器人

1.工业机器人的定义

工业机器人是在工业生产中使用的机器人总称，根据国家标准，工业机器人可以理解为拟人手臂、手腕和手功能的机械电子装置，如图1-1所示。它可以把任一物件或工具按空间位置、姿态的时变要求进行移动，从而完成某一工业生产的作业要求。工业机器人的特点是：①具有移动功能；②实现自动控制下的工作；③作业内容的再编程（可实现重复作业）。工业机器人通常由三部分组成：机械系统、控制系统和智能系统。

工业机器人按用途分类有弧焊、点焊、装配、搬运等不同用途的机器人，其中，完成对工件实施焊接的机器人通称为焊接机器人。

2.机器人学遵循的三原则

第1条 机器人不可伤害人类。当人类受到伤害时，不可坐视不管。

第2条 机器人必须遵从人类的命令。但当违背了第1条时，则不在此限。

第3条 机器人应在不违背第1条、第2条的前提条件下，保全自己。

3.工业机器人发展历史（截取部分事件和时间节点）

1962年 美国推出首台实用机器人（Unimation公司）。

1967年Unimate芭沙托郎（音译）在日本初登录。

1972年 日本机器人工业会（JIRA）成立。

1974年 瑞典开发出最早的电动多关节机器人（Aaea公司）。

1974年 日本发那科开发自用机器人。

1977年 日本安川电机发布莫托曼。

1980年 日本松下发布Pana Robo。

1980年 日本川重发布Puman（音译）。

4.工业机器人的优势

工业机器人除能够替代人的手工劳动，在繁重、危险、苛酷的环境里工作外，还具有生产效率高（是人工效率的2～3倍），工作时间长（可24小时连续作业），综合成本低、产品质量好、易于实现生产自动化等诸多优点，相比传统的自动焊接专用机器，机器人的柔性化系统更加适应现代化生产，它一经问世即得到世界各国的广泛关注。

1.1.2 机器人的编程类型

（1）操作型机器人：能自动控制，可重复编程，用于相关自动化系统中。

（2）程控型机器人：按预设的顺序及条件，依次控制机器人的机械动作。

（3）示教再现型机器人：通过引导或其他方式，先教会机器人动作，输入工作程序，机器人则自动重复进行作业。

（4）数控型机器人：不必使机器人动作，通过数值、语言等对机器人进行示教，机器人根据示教后的信息进行作业。

（5）感觉型机器人：利用传感器获取的信息控制机器人的动作。

目前的弧焊机器人大多属于示教再现型机器人。

1.1.3 机器人操作安全

1.机器人安全注意事项

（1）安装和维修机器人作业时，应关闭总电源（空气开关）

在进行机器人的安装、维修和保养时切记要将总电源关闭。带电作业可能会产生致命性后果。如不慎遭高压电击，可能会导致心跳停止、烧伤或其他严重伤害。

（2）与机器人保持足够的安全距离

严禁无关人员在机器人工作范围内活动，没有防护栏的机器人系统应设定安全警戒线，机器人工作时，所有人员应撤离到安全线以外。

工作人员在调试与运行机器人时，机器人可能会执行一些意外的或不规范的动作。并且，所有的运动都会产生很大的力量，从而严重伤害个人或损坏机器人工作范围内的任何设备，所以，应时刻警惕与机器人保持足够的安全距离。

（3）静电放电的防范

ESD（静电放电）是电势不同的两个物体间的静电传导，它可以通过直接接触传导，也可以通过感应电场传导。搬运部件或部件容器时，未接地的人员可能会传导大量的静电荷。这一放电过程可能会损坏敏感的电子设备。所以在有静电放电标识的情况下，要做好防静电工作（防静电服、防静电工具等）。

（4）紧急停止

紧急停止优先于任何其他机器人控制操作，它会断开机器人电动机的驱动电源，停止所有运行部件，并切断由机器人系统控制且存在潜在危险的功能部件的电源。出现下列情况时请立即按下任意紧急停止按钮（红色）。

① 机器人运动中，工作区域内有工作人员。

② 机器人将要伤害工作人员或损伤机器设备。

（5）灭火

发生火灾时，请确保全体人员安全撤离后再行灭火。应首先处理受伤人员。当电气设备（如机器人或控制器）起火时，使用二氧化碳灭火器。切勿使用水或泡沫灭火。

（6）工作中的安全

机器人移动速度可能很快，并且很重、力度很大。运动中的停顿或停止都会产生危险。即使可以预测运动轨迹，但外部信号有可能改变操作，会在没有任何警告的情况下，产生预想不到的运动。因此，当进入机器人工作范围时，务必遵循所有的安全条例。

① 如果在机器人工作范围内有工作人员时，停止操作或手动操作机器人系统。

② 当人员必须进入通电的机器人工作范围时，另一个人请拿好示教器，以便随时控制机器人。

③ 注意旋转或运动的工具，如切削工具和锯，确保在接近机器人之前，这些工具已经停止运动。

④ 注意工件和机器人系统的高温表面，因为机器人的电机长期运行后温度会很高。

⑤ 注意夹具并确保夹好工件。如果夹具打开，工件会脱落并导致人员伤害或设备损坏。夹具非常有力，如果不按照正确方法操作，也会导致人员伤害。

⑥ 注意液压、气压系统及带电部件。即使断电，这些电路上残余的电量也很危险。

（7）示教器的安全

示教器（TP）是一种高科技的手持式终端，其零部件非常昂贵，目前全部依赖进口，为避免操作不当引起的故障或损伤，请在操作时小心慎重。

① 机器人的示教器在任何情况下的摔打、磕碰都有可能造成其损坏。抛掷或重击示教器更会导致其破损或故障。在停止示教时，要将它挂到专门存放它的指定位置上，以防意外摔到地上。

② 示教器的控制电缆线应顺放在人踩踏不到的位置，并留有宽松的距离，使用时应避免用力拉拽和踩踏控制电缆。

③ 切勿划伤或磨损显示屏，造成显示模糊不清。

④ 定期清洁示教器屏幕，使其保持清洁。使用软布蘸少量水或中性清洁剂轻轻擦拭。切忌使用溶剂、洗涤剂或擦洗海绵清洁。

⑤ 没有连接USB设备时，务必盖上USB端口保护盖。如果端口长时间暴露在灰尘中会使它发生中断、接触不良等故障。

（8）手动模式下的安全

在手动模式下，机器人的空走速度设定在中速（10m/min）移动。初学者必须在安全设定数据之内工作，应始终以中、低速进行操作示教。

手动模式下，示教移动机器人时，有快、中、慢速度切换。初学者应切换到中速或慢速移动，需提高机器人移动速度时，操作人员必须经过一定时间的训练，应熟知潜在危险。

（9）自动模式下的安全

自动模式用于生产或试验中运行的机器人程序。在自动模式操作情况下，常规模式停止机制（GS）、自动模式停止机制（AS）和上级停止机制（SS）都要处于可控状态。

（10）检查、维护及保养

机器人应定期检查、保养、清洁，发现异常问题要及时处理解决，以保证机器人在正常情况下使用。避免用潮湿的抹布擦试机器人、示教器和控制柜。

（11）机器附带的警告标签中的警告符号和信号名称，如表1-1和表1-2所示。

2.机器人操作规程

（1）机器人送电程序：先合上空气开关，再打开机器人变压器电源开启按钮，其次打开焊接电源开关，最后旋开机器人控制柜电源。

（2）机器人断电程序：先旋闭机器人控制柜电源，后关闭焊接电源开关，其次切断机器人变压器电源，最后拉下空气开关。

（3）机器人控制柜送电后，系统启动（数据传输）需要一定时间，要等待示教器的显示屏进入操作界面后再进行操作。

（4）操作机器人之前，所有人员应退至安全区域（警戒安全线以外。）

（5）示教过程中要将示教器时刻拿在手上，不要随意乱放，左手套进挂带里，避免失手掉落。电缆线顺放在不易踩踏的位置，使用中不要用力拉拽，应留出宽松的长度。

（6）从操作者安全角度考虑已预先设定好一些机器人运行数据和程序，初学者未经许可不要进入这些菜单进行更改，以免发生危险。操作中如遇到异常提示应及时报告指导教师处理，不要盲目操作。

（7）机器人动作中如遇危险状况时，应及时按下紧急制动开关，使机器人停止，以免造成人员伤害或物品损坏。

（8）程序编好后，用跟踪操作把程序空走一遍，逐行修改轨迹点，检查行走轨迹和各种参数准确无误后，旋开保护气瓶的阀门，然后，按亮示教器上的检气图标，调整流量计的悬浮小球，关闭检气，把光标移至程序的起始点。

（9）进行焊接作业前，先将示教器挂好，钥匙旋转到“Auto”侧，打开除烟尘设备后，按下机器人启动按钮。观察电弧时，应手持面罩，避免眼睛裸视或皮肤外露而被弧光灼伤，发现焊接异常应立刻按下停止按钮，并做好记录。

（10）结束操作后，将模式开关的钥匙旋转到“Teach”侧，关闭除尘器设备，旋闭保护气瓶上的气阀，放空气管内的残余气体，将机器人归为初始原位，退出示教程序，然后按要求关闭电源，把示教器的控制电缆线盘整理放好，将示教器挂在指定的位置，整理完现场后离开。