第十一章 机器人应用

除服务机器人外，现在应用最多的机器人是工业机器人。据统计，2008年底，全世界有100万多台工业机器人在运行，其中以日本、美国和德国等国名列前茅。近几年来我国机器人市场增长迅猛。2010年中国工业机器人拥有量达到14980台，而到2015年将达到十万台（套），跃居世界第一。由于为数众多而且越来越多的工业机器人被用来代替工人从事各种体力劳动和部分脑力劳动，早在20世纪80年代，国际劳工组织（ILO）就把它与“蓝领工人”（产业工人）和“白领工人”（职员及技术人员）并列，称工业机器人为“钢领工人”。现在，越来越多的国家正在推进“劳力转换”，即以工业机器人替代普通工人。这支新的产业大军将更加壮大，发挥更大的作用。它们已成为人类的得力助手和朋友，对各国的经济和人类生活的各个领域产生越来越大的影响。

11.1 应用工业机器人必须考虑的因素

工厂或企业在准备采用工业机器人时应当考虑的问题或因素包括任务估计、技术要求与依据、经济理由以及与人的关系等。只有这样，才能论证使用机器人的合理性，选择适当的作业，选用合适的机器人，考虑到今后发展以及充分发挥人的作用和机器人的优点。下面逐一讨论这些问题。

11.1.1 机器人的任务估计

要增加对机器人应用情况的了解，最好的方法是到工作现场去观察机器人的工作。参观机器人贸易展览会和机器人制造厂家的设备，也能提供对有限作业任务的了解。访问足够多的机器人用户，了解机器人的第一手运行资料在经济上是不可取的，而且在时间上也是划不来的。另一种收集资料数据的好方法是使用幻灯片、电影胶卷、录像带或光盘来搜集情报。这些图片的顺序必须能够给出作业顺序的清晰印象。在许多类型的机器人报告会上，放映范围广泛的机器人应用影片、录像带或光盘。这不失为一种调查研究的好途径。

现在，网络的发展提供了一种极其方便和有效的调查研究途径，用户可以通过访问机器人供应商的网址，足不出户就能够了解到所需要的机器人详细信息。

在估计作业任务时，必须把当前进行的作业任务与应当由机器进行的作业任务加以区别。例如，对于一个手工操作，操作人员可能依次拿起一系列手动工具，并在一个被固定的工件上进行工作。要进行这种工作，操作者必须逐一捡起和放下每件工具。工具的拿上放下，并不创造有价值的工作；只有用工具对工件或零件进行操作时，才能创造价值。如果由机器人捡起零件，握在它手中，并把此零件送至每个工具处（所有工具都放在固定位置），那就要容易得多。

采用机器人能够提供由改变过程变量来显著提高生产率的机会。如果对这些变量的灵活性不够了解，那么采用机器人仅仅取代工人劳动而不提高生产率。因此，在调查研究过程

中必须发现并论证什么是要改变的、什么是不改变的。在开发和实施应用机器人时，这一信息将是十分有价值的。

11.1.2 应用机器人三要素

技术因素、经济因素和人的因素是进行应用机器人调查时应当收集数据的三个方面。下面举例说明它们与应用机器人的关系。

1. 技术依据

技术依据包括下列各种要求：

（1）性能要求

（2）布局要求

（3）产品特性

（4）设备更换

（5）过程变更

2. 经济理由

在经济方面所考虑的因素主要有以下方面：

（1）劳力

（2）材料

（3）生产率

（4）能源

（5）设备

（6）费用

3. 人的因素

在考虑人的因素时，主要涉及以下方面：

(1) 操作人员

(2) 管理人员与部门

(3) 维护及其他人员

(4) 经理和工程师

4. 数据记录

在调查研究过程中，必须对所得上述各种因素的数据记录在预先准备好的表格上，以供进一步分析时使用。它提供了对观察过的应用项目的粗略估计。

11.1.3 使用机器人的经验准则

美国通用电气公司(GE)过程自动化和控制系统老经理埃斯蒂斯(Vernon E. Estes)曾

提出8条使用机器人的经验准则，人们后来称其为弗农（Vernon）准则。这些准则是GE公司使用机器人实际经验的总结。对于那些想使用机器人自动化形式来发展生产的人们，弗农准则至今仍值得借鉴。

弗农经验准则如下：

（1）应当从恶劣工种开始执行机器人计划；

（2）考虑在生产率落后的部门应用机器人；

（3）要估计长远需要；

（4）使用费用不与机器人成本成正比；

（5）力求简单实效；

（6）确保人员和设备安全；

（7）不要期望卖主提供全套承包服务；

（8）不要忘记机器人需要人。

不过，由于机器人价格的大幅下降和劳动力成本的显著上升，在确保安全、有效、高质、经济的前提下，需要创造与总结新的经验，包括在各种产业部门广泛和大批使用机器人的经验。

11.1.4 采用机器人的步骤

图 11.1 给出成功地把机器人应用于生产系统的具体步骤。

（1）全面考虑并明确自动化要求，包括提高劳动生产率、增加产量、减轻劳动强度、改善劳动条件、保障经济效益和社会就业等问题。

（2）制订机器人化计划。在全面和可靠的调查研究基础上，制订长期的机器人化计划，包括确定自动化目标、培训技术人员、编绘作业类别一览表、编制机器人化顺序表和大致日程表等。

（3）探讨 $ \underset{\cdot}{应} $用机器人的条件。根据预先准备好的调查研究项目表，进行深入细致的调查，并进行详细的测定和图表资料收集工作。

（4）对辅助作业和机器人性能进行标准化。必须按照现有的和新研制的机器人规格，进行标准化工作。此外，还要判断各机器人具有哪些适于特定用途的性能，进行机器人性能及其表示方法的标准化工作。

（5）设计机器人化作业系统方案。设计并比较各种理想的、可行的或折中的机器人化作业系统方案，选定最符合使用目的的机器人及其配套来组成机器人化柔性综合作业系统。

（6）选择适宜的机器人系统评价标准。建立和选用适宜的机器人化作业系统评价标准与方法，既要考虑到能够适应产品变化和生产计划变更的灵活性，又要兼顾目前和长远的经济效益。

（7）详细设计和具体实施。对选定的实施方案进一步进行分部具体设计工作，并提出具体实施细则，交付执行。

11.2 机器人的应用领域

机器人已在工业生产、海空探索、康复、医用和军事等领域获得广泛应用。此外，机器人已逐渐在医院、家庭和一些服务行业获得推广应用，发展十分迅速。

11.2.1 工业机器人

机器人无论是否与其他机器一起运用，与传统的机器相比，它具有以下两个主要优点：

（1）生产过程的几乎完全自动化 它带来了较高质量的成品和更好的质量控制，并提高对不断变化的用户需求的适应能力，从而提高产品在市场上的竞争能力。

（2）生产设备的高度适应能力 它允许生产线从一种产品快速转换为另一种产品，例如，从生产一种型号的汽车转换为生产另一型号的轿车。当某个故障使生产设备上的一个零件不能运动时，该设备也具有适应故障的能力。

上述各种自适应生产设备叫做柔性制造（加工）系统（flexible manufacturing system，FMS）。一个柔性生产单元是由为数不多的机器人和一些配套运行的机器组成的。例如，一台设计用于与车床配套的机器人，与自动车床一起组成一个柔性单元。许多柔性单元一起运行就构成柔性车间。

现在工业机器人主要用于汽车工业、机电工业（包括电信工业）、通用机械工业、建筑业、金属加工、铸造以及其他重型工业和轻工业部门。

机器人的工业应用分为四个方面，即材料加工、零件制造、产品检验和装配。其中，材料加工往往是最简单的。零件制造包括锻造、点焊、捣碎和铸造等。检验包括显式检验（在加工过程中或加工后检验产品表面图像和几何形状、零件和尺寸的完整性）和隐式检验（在加工中检验零件质量上或表面上的完整性）两种。装配是最复杂的应用领域，因为它可能包含材料加工、在线检验、零件供给、配套、挤压和紧固等工序。

在农业方面，已把机器人用于水果和蔬菜嫁接、收获、检验与分类，剪羊毛和挤牛奶等。把自主（无人驾驶）移动机器人应用于农田耕种，包括播种、田间管理和收割等，是一个有潜在发展前景的产业机器人应用领域。

在众多制造业领域中，应用工业机器人最广泛的领域是汽车及汽车零部件制造业。2005年美洲地区汽车及汽车零部件制造业对工业机器人的需求占该地区所有行业对工业机器人需求的比例高达61%（见图11.2）；同样，亚洲地区的该比例也达到33%，位于各行业之首（见图11.3）。

根据国际机器人联合会(IFR)发布的最新数据显示（见图11.4），2009—2012年世界主要工业制造行业对工业机器人的需求排名情况为：汽车制造工业仍高居榜首，跟随其后的是电子电气工业，接着是化工、橡胶和塑料工业，还有金属加工和食品工业等。

工业机器人密度（指在制造业中每1万名雇员所拥有的工业机器人的数量）是衡量一个国家或地区制造业自动化程度的重要标志。图11.5表示IFR发布的2012年制造业自动化程度高（工业机器人密度高）的国家和地区分布情况。目前，韩国、日本和德国的工业机器人密度介于270～400之间，排在前3名。与这些国家相比，虽然中国工业机器人密度近年来有较大的提高，但目前仍只有23左右，远低于世界平均水平58。要达到世界发达国家的工业机器人密度，中国在未来几年将需安装约100万台工业机器人；可见中国制造业的自动化程度还不够高，也说明其发展潜力巨大。目前，汽车制造业仍然是所有制造行业中拥有工业机器人密度最高的行业。

随着科学与技术的发展，工业机器人的应用领域也不断扩大。目前，工业机器人不仅应用于传统制造业如采矿、冶金、石油、化学、船舶等领域，同时也已开始扩大到核能、航空、航天、医药、生化等高科技领域。

（资料来源：World Robotics 2013）

11.2.2 探索机器人

除了在工农业上广泛应用之外，机器人还用于进行探索，即在恶劣或不适于人类工作的环境中执行任务。例如，在水下（海洋）、太空以及在放射性、有毒或高温等环境中进行作业。在这种环境下，可以使用自主机器人、半自主机器人或遥控机器人。

（1）自主机器人 自主机器人能在恶劣环境中执行编程任务而无需人的干预。

（2）遥控机器人 遥控机器人是把机器人（称为从动装置）放置在某个危险、有害或恶劣环境中，而由操作人员在远处控制主动装置，使从动装置跟随主动装置的操作动作，实现遥控。

下面讨论两种主要的探索机器人——水下机器人和空间机器人的概况及其应用。

1. 水下机器人

随着海洋开发事业的发展，一般潜水技术已无法适应高深度综合考察和研究并完成多种作业的需要。因此许多国家都对水下机器人给予了极大的关注。

水下机器人依据不同特征可有不同的分类，按其在水中运动的方式可分为：

（1）浮游式水下机器人；

（2）步行式水下机器人；

（3）移动式水下机器人。

大多数水下机器人都是浮游式的，具有较大的机动性，但要求它具有近似中性的浮力，因此设计时应把机器人各系统元部件质量最小标准作为主要条件，并需要对机器人接受的试样和物体重量的变化进行补偿。

目前步行式水下机器人还没有达到实用的程度。其优点是在复杂的海底地形条件下有较好的通行能力和机动性，并具有较高的稳定性。缺点是在海底移动时，会使水层和海底严重扰动。

移动式水下机器人可以采用履带式和车轮式行进机构，但其通行能力和机动性比步行式机器人要差些，会更严重地引起海底水层和泥土的扰动。

而按供电方式可分为有缆水下机器人和无缆水下机器人。

随着近年来对海洋的考察和开发的需要，水下机器人应用日益广泛，发展速度之快出乎人们的意料之外。水下机器人目前已在世界范围内广泛应用，应用领域包括水下工程、打捞救生、海洋工程和海洋科学考察等方面。

2011年7月26日，中国研制的深海载人潜水器“蛟龙号”成功潜至海面以下5188m，这标志着中国已经进入载人深潜技术的全球先进国家之列。2012年6月24日，中国研制的深海载人潜水器“蛟龙号”成功下潜至7020m，这也意味着我国的深海载人潜水器成为世界上第2个下潜到7000m以下的国家，达到国际先进水平。

2. 空间机器人

近年来随着各种智能机器人的研究与发展，能在宇宙空间作业的所谓空间机器人就成为新的研究领域，并已成为空间开发的重要组成部分。

宇宙空间充满着对人致命的太阳辐射线，且具有微重力、高温差、超真空等难以使人类生存的恶劣条件，在这样的恶劣环境条件下要有效地进行展空间开发，就不但需要采用各种高新科学技术，而且尤其需要能够部分或大部分代替宇航员舱外作业的空间智能机器人。

目前，空间机器人的主要任务可分为以下两大方面：

（1）在月球、火星及其他星球等非人居住条件下完成先驱勘探。

（2）在宇宙空间代替宇航员实现卫星服务（主要是捕捉、修理和补给能量）、空间站上的服务（主要是安装和组装空间站的基本部件，各种有效载荷运转，EVA支援等）及空间环境的应用实验。

我国研发的月球车“玉兔号”是一种典型的空间机器人。2013年12月2日1时30分，中国成功地将由着陆器和“玉兔号”月球车组成的“嫦娥三号”探测器送入轨道。12月15日4时35分，“嫦娥三号”着陆器与巡视器分离，“玉兔号”巡视器顺利驶抵月球表面。12月15日23时45分完成“玉兔号”围绕“嫦娥三号”旋转拍照，并传回照片。这标志着我国探月工程获得了阶段性的重大成果。

11.2.3 服务机器人

随着网络技术、传感技术、仿生技术、智能控制等技术的发展以及机电工程与生物医学工程等的交叉融合，服务机器人技术发展呈现三大态势：一是服务机器人由简单机电一体化装备，向以生机电一体化和智能化等方向发展；二是服务机器人由单一作业向群体协同、远程学习和网络服务等方面发展；三是服务机器人由研制单一复杂系统向将其核心技术、核心模块嵌入先进制造相关系统中。虽然服务机器人分类广泛，包含清洁机器人、医用服务机器人、护理和康复机器人、家用机器人、消防机器人、监测和勘探机器人等，但完整的服务机器人系统通常都由3个基本部分组成——移动机构、感知系统和控制系统。因此，各类服务机器人的关键技术就包括自主移动技术（包括地图创建、路径规划、自主导航）、感知技术和人机交互技术等。

现实生活中能够看到的最接近于人类的机器人可能要算家用机器人了。家用机器人能够清扫地板而不碰到家具。家用机器人已开始进入家庭和办公室，用于代替人从事清扫、洗刷、守卫、煮饭、照料小孩、接待、接电话、打印文件等工作。酒店售货和餐厅服务机器人、炊事机器人和机器人保姆已不再是一种幻想。随着家用机器人质量的提高和造价的大幅度降低，家用机器人将获得日益广泛的应用。

目前国际上对服务机器人还没有普遍承认的严格定义，它的定义是由操作型工业机器人引申而来的。根据国际机器人联合会（IFR）采用的初步定义，所谓服务机器人是一种半自主或全自主工作的机器人，它能够完成有益于人类健康的服务工作，但不包括那些从事生产的设备。另一种定义把服务机器人看做一种可自由编程的移动装置，它至少有三个运动轴，可以部分或全自动地完成服务工作。这些服务工作为个人或单位完成的，不指工业生产服务。我国《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》中对智能服务机器人的确定定义为：智能服务机器人是在非结构环境下为人类提供必要服务的多种高技术集成的智能化装备。总之，服务机器人的任务就是服务。

根据这个定义，如果操作型工业机器人装备在非制造业，也可以视为服务机器人。服务机器人往往是可以移动的（并非总是移动的）。在某些情况下，服务机器人由一个移动平台构成，在它上面装有一只或几只手臂，其控制方式与工业机器人手臂的控制方式相同。

研制用来为病人看病、护理病人和协助病残人员康复的机器人能够极大地改善伤残疾病人员的状态，以及改善瘫痪者（包括下肢及四肢瘫痪者）和被截肢者的生活条件。医用机器人已应用于下列几方面：

（1）诊断机器人，即配备有医疗诊断专家系统的机器人；

（2）护理机器人，是一些具有丰富护理经验的机器人护士或护师；

（3）伤残瘫痪康复机器人，包括假肢、矫形以及遥控等技术；

（4）医疗手术机器人，近年来有所突破。

服务机器人还有送信机器人、导游机器人、加油机器人、建筑机器人、农业及林业机器人等。其中，爬壁机器人既可用于清洁，又可用于建筑，而娱乐机器人包括文娱歌舞和体育机器人。

根据《2014—2018年中国服务机器人行业发展前景与投资战略规划分析报告》前瞻数据统计，全球专业服务机器人的销量从2011年的15776台增加至2012年的16067台，比2011年增长1.8%；销售额约为230亿元。2012年全球个人/家用服务机器人销量约为300万台，比2011年增长20%；销售额约为450亿元。预计2015年服务机器人的总产值将达到2500亿元。随着个人机器人进入各行各业，进入千家万户，其总产值可望达到万亿元。由此，服务机器人的快速增长和巨大市场可见一斑。

11.2.4 军事机器人

同任何其他先进技术一样，机器人技术也可用于军事目的。这种用于军事目的的机器人，即为军用机器人。军用机器人有地面的、水下（海洋）的和空间的。其中，以地面军用机器人的开发最为成熟，应用也较为普遍。

1. 地面军用机器人

地面军用机器人分为两类：一类是智能机器人，包括自主和半自主车辆；另一类是遥

控机器人，即各种用途的遥控无人驾驶车辆。智能机器人依靠车辆本身的机器智能，在无人干预下自主行驶或作战。遥控机器人由人进行遥控，以完成各种任务。预计自主地面战车将在2020年后走向战场。

2. 海洋军用机器人

海军也不甘落后，在开发和应用海洋（水下）军用机器人方面取得成功。

美国海军有一个独立的水下机器人分队，这支由精锐人员和水下机器人组成的分队，可以在全世界海域进行搜索、定位、援救和回收工作。

水下机器人在美国海军中的另一个主要用途是扫雷，如 MINS 水下机器人系统，它可以用来发现、分类、排除水下残物及系留的水雷。

法国在军用扫雷机器人方面一直处于世界领先地位。ECA公司自20世纪70年代中期以来已向15个国家海军销售了近400艘PAP-104排雷用ROV。英国使用PAP-104型在马岛战争中用来清除水雷，发挥了有效的作用。Ⅳ型可以达到水下300m的深度。最新的V型装有新的电子仪器和遥测传送装置，能清除人工或其他扫雷工具不能扫除的水雷。

3. 空间军用机器人

严格地说，前面讨论过的空间机器人都可被用于军事目的。此外，可以把无人机看做空间机器人。也就是说，无人机和其他空间机器人，都可能成为空间军用机器人。

微型飞机用于填补军用卫星和侦察机无法达到的盲区，为前线指挥员提供小范围内的具体敌情。例如，微型飞机可看到山头后面有多少敌人，树林中是否隐藏着敌人以及一座大楼内有没有敌人等。这种飞机既小又轻，可由士兵的背包携带。它可装备固体摄像机、红外传感器或雷达，能够飞行数公里远。

微型无人机尚未装备部队，仍处于研究阶段。要研制出适用的微型无人机具有很高的难度，要解决一系技术难题。这种飞机不是玩具，它既要满足军事上的要求，又要做到低成本低价格。估计在不久的将来，这种微型军用侦察机将飞向战场，走上实用之路。

11.3 工业机器人应用举例

工业机器人主要用于汽车、机电、通用机械制造、金属加工、铸造及其他工业部门。从功能上看，这些应用涉及搬运、工具及工件装卸、机械加工、铸造、锻造、热处理、焊接（包括点焊和弧焊）、喷漆、喷涂、装配、检验和抛光修整等。下面介绍一些应用实例。

11.3.1 材料搬运机器人

工业机器人可用于搬运重达几公斤至一吨以上的负载。微型机械手可搬运轻至几克甚至几毫克的样品，用于超纯净实验室内的样品传送。例如，法国克利翁（Cleon）的雷瑙尔特（Renault）工厂，应用ACMA机器人把800根曲轴运送到传送带上。每个工件重12kg，每小车工件操作时间达43min。在采用机器人之前，需要三个搬运工人，他们每天要搬运装卸几吨重的材料。

对于一些比较精细的零件搬运，必须采用传感器，尤其是视觉系统。这里简要介绍美国通用汽车公司（GM）研制的一个用于零件搬运与装配的视觉控制机器人——CONSIGHT系统。它能够捡起任意摆放在传送带上的零件。本视觉子系统能够在机械制造工厂的视觉噪声环境中工作，测定传送带上零件的位置和方向。机器人子系统跟踪零件，并把它们抓放至规定位置。CONSIGHT由视觉、机器人和监控三个独立的子系统组成。

图 11.6 表示 CONSIGHT 系统的硬件框图（未画出装配系统），它由 PDP 11/34 计算机（其操作系统为 RSX-实时执行系统）、RL256C 固态摄像机、斯坦福工业机器人、传送带及其编码器（用于测量传送带的位置和速度）系统组成。

本系统能够测定各种不同类型的机械零件（包括具有复杂曲线的物体）的位置和方向；通过插入新的零件数据，系统易于提供程序再编能力；系统子系统采用结构光，不需要高的景物对比度；能够对许多

典型工厂环境中具有视频噪声的图像数据进行有效的处理。

视觉子系统和机器人子系统的功用是十分显然的，而监控子系统具有定标（测量视觉坐标系统与机器人坐标系统间关系的过程）、零件编程（教会系统识别并捡起新零件的过程）以及CONSIGHT系统的操作状态等。图11.7给出控制此系统操作状态的程序流程图。

当 CONSIGHT 用于工业生产系统时，以工业部件代替实验室部件，例如，用 PDP LS1-11/03 计算机作为监控器，用其他的机器人代替斯坦福机械手等。这个实用系统已开发出零件排队、零件分类和捡起不对称物体等能力，以提高系统对零件的识别能力和工作能力。

11.3.2 焊接机器人

焊接机器人是最大的工业机器人应用领域，它占工业机器人总数的25%左右。由于对许多构件的焊接精度和速度等提出越来越高的要求，一般工人已难以胜任这一工作；此外，焊接时的火花及烟雾等，对人体造成危害，因而，焊接过程的完全自动化已成为重要的研究课题。其中，十分重要的就是要应用焊接机器人。

焊接机器人有弧焊机器人和点焊机器人等。

1. 控制系统组成

图 11.8 给出 HRGH-Ⅱ 弧焊机器人控制系统硬件简化框图。由图可见，本系统是由两级计算机来控制的。

（1）第一级微机系统。第一级控制选用微机 IBM-PC/XT，它具有管理、故障诊断、机器语言编辑与编译等功能；它还能进行实时轨迹插补计算，并把计算出的各关节增量作为第二级数字伺服系统的给定值。两级微机通过公共内存储器交换信息。

通过串行接口 RS-232，把 IBM-PC 与示教盒连接起来，接受示教信息，完成示教动作。通过并行接口，使微机与焊机相连，以控制焊机的启动与熄弧。

（2）第二级单板机系统。第二级控制选用 TP-86 单板机，它与调节电路及外围电路一起，实现 5 个关节的位置伺服控制。它包括 5 套功率放大器、电流和速度调节器，并集成在 5 套 FANUCA 速度伺服控制单元内。外围电路有 5 路反馈计数器及其附属电路、5 路 D/A 转换器及其接口、定时器和中断控制器等。此外，为提高系统可靠性，在控制电路内均采用滤波电路，在电机控制系统和控制柜上装有各种保护报警装置。

2. 软件系统

本弧焊机器人的软件包括二级机数字伺服软件和一级机程序。这里仅介绍一级机的软件，包括初始化、示教程序编制和轨迹插补计算等。它们分别属于下列4种工作方式，即HOME（启动归零，确定坐标起始点）、TEACH（示教）、AUTO（自动计算与检验）和STEP（再现）。

软件系统流程见图11.9。

（1）初始化。包括定时器8253初始化、反馈计数器8259初始化、显示器6845初始化、串行接口8250初始化、协处理器8087初始化及内存数据区清零等。

（2）示教程序编辑。示教编辑程序允许操作员输入指令字或指令键以确定焊枪头的运动轨迹，并配有各种程序修改功能。示教分为轴坐标示教和直角坐标示教两种。

轴坐标示教时每次只使一个轴运动，其他轴（关节）则维持姿态不变。直角坐标是指焊枪头相对于基坐标系的直角坐标（X，Y，Z）。直角坐标示教时，使焊枪头沿着定义的 X，Y，Z 方向运动，每次可能有几个轴同时运动。

（3）轨迹插补计算。本系统的轨迹计算是在线完成的。在三维坐标系中，采用插补轨迹计算，包括直线插补和圆弧插补。

① 直线插补。设两示教点为 $ M_{1}(x_{1},y_{1},z_{1}) $ 和 $ M_{2}(x_{2},y_{2},z_{2}) $，见图 11.10(a)，那么 $ M_{1}M_{2} $ 两点间的距离 L 为

$$ L=\sqrt{(x_{2}-x_{1})^{2}+(y_{2}-y_{1})^{2}+(z_{2}-z_{1})^{2}} $$

由要求的运动速度 V 及采样周期 $ T_{s} $，得步长 $ \Delta L $ 和总步数 S 为

$$ \Delta L=V T, $$

$$ S=\operatorname{INT}(L/\Delta L)+1 $$

(a) 直线插补；(b) 圆弧插补

于是可得插补点坐标为

$$ \left.\begin{aligned}x_{i}&=x_{1}+i(x_{2}-x_{1})/S\\y_{i}&=y_{1}+i(y_{2}-y_{1})/S\\z_{i}&=z_{1}+i(z_{2}-z_{1})/S\\i&=0,1,\cdots,S\end{aligned}\right\} $$

②圆弧插补。已知示教三点 $ M_{1}(x_{1},y_{1},z_{1}) $， $ M_{2}(x_{2},y_{2},z_{2}) $和 $ M_{3}(x_{3},y_{3},z_{3}) $，见图11.10(b)；由此三点求出圆心坐标、半径及圆心角 $ \varphi $。根据速度求步长 $ \Delta L $，再求总步数S：

$$ S=\operatorname{INT}(\varphi/\Delta L)+1 $$

最后根据 $ \Delta\varphi=\varphi/S $ 及圆弧曲线求插补点坐标 $ (x_{i},y_{i},z_{i}) $

本控制软件采用8087协处理完成直线和圆弧插补计算。每个寄存器都是80位的，且全部采用浮点数计算，所以计算速度快，精度高。计算直线运动一步的5轴脉冲增量只用5ms左右，计算圆弧运动一步的5轴脉冲增量需10ms左右。对于20ms的采样周期，这一控制算法能完全满足实时计算要求。

本弧焊机器人及其控制系统曾在第一汽车制造厂对解放 CA141 车厢前板进行焊接，焊接质量良好。

值得指出的是，许多新一代弧焊机器人都采用视觉方法对焊缝进行自动检测和自动跟踪，并且采用更先进的控制方法，使焊接质量及自动化程度达到更高的水平。

11.3.3 喷漆机器人

计算机控制的喷漆机器人早在1975年就投入运用，它能避免危害工人健康，提高经济效益（如节省油漆），保证喷涂质量。由于具有可编程能力，所以喷漆机器人能适于各种应用场合。例如，在汽车工业上，可把喷漆机器人用于对下车架和前灯区域、轮孔、窗口、下承板、发动机部件、门面以及行李箱等部分进行喷漆。由于喷漆机器人能够代替人在危险和恶劣环境下进行喷漆作业，所以它获得日益广泛的应用。下面是几个应用实例。

1. PJ-I 喷漆机器人

PJ-I 喷漆机器人是国内研制的。在此讨论其系统构成，特别分析该系统的软件设计。

（1）系统构成及工作原理。PJ-I喷漆机器人的控制系统由主机DJK-20（即S-09微机）、

接口、A/D、D/A、DI、DO、位置检测元件及电液伺服系统等部分组成，如图11.11所示。

由于喷漆机器人所喷工件面积大、形状复杂、喷漆速度快，若采用示教盒点位示教编程方式，很难满足工艺要求。所以，现有的喷漆机器人大多采用手把手示教、连续轨迹控制。这样，既操作方便、直观，又充分发挥了熟练工人的技术，而且还能简化控制系统，减轻坐标转换计算工作量。

在示教方式下，由人引导装有喷枪的机械手末端，按照要求的工艺过程进行操作。操作过程中所有的作业内容（如运动轨迹等）、顺序以及喷枪开停信号，经A/D转换和DI输入口，以一定时间间隔 $ \Delta t $采样。采样数据经组合后以数据组形式暂存在RAM缓冲区内，再由写盘程序记录到软磁盘上。在再现方式下，从软磁盘上取出记录的作业数据组，并放入RAM缓冲区内，由运算程序经插补运算后送到D/A，转换为模拟量，再加到伺服放大器，以驱动液压执行元件，再现示教过的作业动作。

（2）控制软件。本喷漆机器人控制系统采用软磁盘作为作业内容存储器。控制软件由一些可以并行执行的任务组成。系统中所有任务在任意时刻必定处于三种状态之一：执行状态（CPU正在执行任务）、就绪状态（任务已准备就绪，等待调度进入运行）和挂起状态（任务因I/O调用、传输信息、延时或被强行挂起）。所有任务状态的转换均据规则进行，执行者可为系统调用命令（包括I/O调用和任务调用）或CPU调度程序。

系统的调用是按优先级高低排队的。同级优先按先到来先安排的原则，将处理机始终分配给排在就绪队列最前面的那个任务。任务进行中如果使用系统调用，则将重新进入调度程序，进行重新调度。

控制软件由两个模块组成：示教模块和再现模块。由于示教和再现在结构上类似，所以下面仅介绍示教模块及其主流程图。

示教程序由A，B，C三个任务组成。任务A完成初始化和创建新任务之后，主要执行作业内容、顺序、喷枪开关信号的采集，并把它们存入内存缓冲区。任务B主要完成从内存缓冲区中把所采集的数据写到磁盘上去的任务。任务C则实现对操作面板按键的监控。由于任务A和B都要对内存缓冲区进行操作，所以它们之间要配合无误才行；否则，就会造成失误。也就是说，任务A和B必须同步执行。

2. NC 喷漆系统

汽车工业所面临的重要问题之一就是如何实现完全自动喷漆作业。使用往复移动喷漆装置只能处理80%的车体表面。要实现喷漆过程完全自动化，就需要应用喷漆机器人。美国通用汽车公司建立的100%自动喷漆系统——NC喷漆器就同时采用许多往复移动装置和机器人。NC喷漆系统由一台管理计算机进行监控，并可在隔开的示教室内对新车体的

喷漆作业进行训练编程。每个工段都有一套往复移动装置和一些喷漆机器人，它们分别用于车顶、左侧和右侧的喷漆。第一和第三工段每侧有两组机器人，每组机器人由两台机械手组成，并共用一个控制器。第二工段每侧仅有一组机器人。

11.4 本章小结

本章首先论述了应用机器人必须考虑的因素，分别从任务、技术、经济和人员等方面探讨了应用机器人对应当注意的问题，并在此基础上进一步介绍了使用机器人时值得遵循的经验准则，即弗农准则，以及采用机器人的步骤。这些讨论，对于合理和有效地应用机器人，让机器人发挥最大效益是十分必要的和重要的。

现在，全世界已有约100多万台工业机器人正在汽车工业、机电工业和其他工业部门运行，为人类的物质生产建功立业。其中，以焊接机器人和装配机器人为两个最主要的应用领域。

与工业机器人相比，除服务机器人外其他机器人的数量还比较有限，但其重要性不容忽视，发展前景也十分看好。探索机器人除了恶劣工况下的特种机器人外，主要为太空探索机器人和海洋（水下）探索机器人。随着空间科学和海洋工程的发展，需要越来越多的各式各样的空间机器人和海洋机器人参与探索太空和开发海洋工作。在这些领域，我国也要占有一席之地。在载人航天技术方面，也已有所突破。

服务机器人近年来发展很快，其数量已大大超过工业机器人，并呈逐年上升之势。随着性价比的提高和服务工人劳务费的增加，服务机器人将较快进入千家万户，出现在医院、宾馆、餐厅、娱乐场所，为人类提供满意的一流服务。

军事机器人是把机器人技术用于战争的产物，是国力、经济实力、技术实力和军事实力竞争的聚焦点之一。军事机器人以地面军事机器人为多，技术也比较成熟；海洋军事机器人和空间军事机器人很难与民用海洋机器人和空间机器人截然分开；它们的技术既可用于执行和平建设使命，也可用于进行军事活动。

本章最后列举了几个工业机器人应用的实例，其中有的技术比较先进，有的比较一般，但均具代表性。这些例子包括材料搬运机器人、焊接机器人和喷漆机器人等。

机器人必将获得越来越广泛的应用。正如国际自动控制联合会（IFAC）第十四届大会主席、全国政协副主席、中国工程院首任院长宋健教授在本届IFAC大会的报告中所指出的：“可以设想，再过50年，……全世界老人都可以有一个机器人服务员，在身边帮助料理生活。每一个参加（IFAC）会议的人都可能在文件箱中带一个机器人秘书，就像现在的电子笔记本一样。”

习题11

11.1 在应用机器人时必须考虑哪些因素？

11.2 运用机器人应当采取哪些步骤？

11.3 工业机器人能够应用在什么领域？各举一例说明它的必要性与合理性。

11.4 你认为我国机器人的应用范围和发展前景如何？

11.5 试举出1～2个例子，说明应用工业机器人带来的好处。

11.6 服务机器人有哪些用武之地？试举一例加以说明。

11.7 有哪几种探索机器人？它们的用途如何？

11.8 你对机器人用于军事目的有何看法？试述各种军用机器人的现状。

11.9 试设计与开发一款简易机器人或机器人系统，并争取参加各级比赛，寻找应用的合作者。

11.10 你是如何理解“中国工业机器人进入了发展与应用的机遇期”？