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摘要

如今，工业机器人的使用已经成为评价一个国家自动化程度高低的重要标志之

一。本文针对工业机器人在生产中的应用，对工业机器人进行了研究。

机器人运动学是一切机器人运动的基础，本文对此进行了深入浅出的研究。对

机器人位置和姿态的表示及齐次坐标变换进行了阐述，另外机器人运动的正解和逆

解也是影响机器人研究的重要内容。

工业机器人在实际生产中应用最多的是喷漆和焊接。

对于工业机器人在喷漆中的应用，本文使用 Robotstudio 软件，仿真两台

IRB5400 喷漆机器人进行喷涂，通过仿真证明了开发程序的合理性和有效性，验证

了工业机器人在实际生产中起到的不可估量的重要作用。

工业机器人在焊接中的应用，在对机器人语言的特点和系统构成分析的基础上,

运用了混合式弧焊机器人语言。该语言具有弧焊机器人所必需的机器人运动控制和

焊接等相关功能。不仅可以实现机器人作业程序的手动编写,同时实现了离线编程

系统、遥操作系统以及示教编程器与机器人控制系统的通用接口。

关键词：工业机器人；研究；喷漆；焊接

摘要 ................................................................I

Abstract .............................................................II

目录 ..............................................................III

第 1 章绪论 ........................................................1

1.1 工业机器人简介 .................................................1

1.1.1 在喷漆中的应用 ...........................................2

1.1.2 在焊接中的应用 ...........................................4

1.2 工业机器人国内外研究状况 .......................................7

1.3 本课题研究的内容 ...............................................8

第 2 章机器人运动学 ...................................................9

2.1 位置和姿态的表示 ...............................................9

2.2 齐次坐标变换 ..................................................11

2.3 机器人运动方程的解 ............................................12

2.3.1 运动学正解 ..............................................13

2.3.2 运动学逆解 ..............................................16

第 3 章喷漆机器人研究 ................................................20

3.1 机器人语言概述 ................................................20

3.2 喷漆机器人应用程序设计 ........................................21

3.3 喷漆机器人离线编程的主程序 ....................................23

3.4 程序结果分析 ..................................................24

第 4 章焊接机器人研究 ................................................27

4.1 混合式弧焊机器人编程语言 .....................................28

4.1.1 HAW RL 指令集及其说明 ...................................29

4.1.2 HAW RL 的变量 ...........................................31

4.1.3 HAW RL 的程序结构 .......................................31

4.1.4 HAW RL 编程实例 .........................................31

4.2 结论 ..........................................................34

第 5 章总结 .........................................................36

致谢 ................................................................37

参考文献 .............................................................38

第 1 章绪论

进入 21 世纪，机器人已成为现代工业不可缺少的重要工具，它标志着工业

的现代化程度。机器人学是一门高度交叉的前沿学科，引起许多不同专业背景的

人们的兴趣，如机械学、生物学、人类学、计算机科学与工程、控制论与控制工

程学、人工智能、社会学等。机器人学包含机器人运动学、机器人动力学、机器

人控制、机器人智能化等领域，本文以工业机器人在生产中的应用为主线，对工

业机器人作了较深入的研究与讨论。

工业机器人发展至今，已经成为一门新学科、一项新技术，也是增长最快的

新产业之一。根据国际机器人联合会 1999 年世界机器人统计数据，1999 年底全

世界安装的机器人数达 S1，500 台，比 1998 年增加了 15%，而市场价值为 51 亿

美元，比 1998 年下降了 7%，这说明单台机器人的价格在呈下降趋势，有利于机

器人的应用和推广。现役工业机器人总数为 742，500 台，其中日本占 54%，美国

占 12.5%，德国占 11%。预计到 2003 年，世界工业机器人总数达 892，200 台。

拥有工业机器人数量的多少已经成为评价一个国家自动化程度高低的重要标志

之一。

1.1 工业机器人简介

第一台工业机器人问世后头十年，从 20 世纪 60 年代初期到 70 年代初期，

机器人技术的发展较为缓慢，许多研究单位和公司所作的努力均未获得成功。进

入 20 世纪 70 年代之后，人工智能学界开始对机器人产生浓厚兴趣，他们发现机

器人的出现与发展为人工智能的发展带来了新的生机。随着自动控制理论、电子

计算机和航天技术的迅速发展，到了 70 年代中期，机器人技术进入了一个新的

发展阶段。到 70 年代末期，工业机器人有了更大的发展。进入 80 年代后，机器

人生产继续保持 70 年代后期的发展势头，到 80 年代中期机器人制造业成为发展

最快和最好的经济部门之一。1995 年以来，世界机器人数量逐年增加，增长率也

较高。到 2000 年，服役机器人约 100 万台，机器人学仍然维持较好的发展势头，

满怀希望地跨入 21 世纪。

工业机器人的应用领域十分广泛，如焊接机器人、喷漆机器人、装配机器人

等均在各个工业部门有了较为广泛的应用。在工业部门应用机器人的目的主要是

削减人员编制、提高工作效率和提高产品质量。因为机器人具有两个主要优点:

1)生产过程的几乎完全自动化。

2)生产设备的高度适应能力。

计算机控制的喷漆机器人早在 1975 年就投人运用，它可避免危害工人健康，

提高经济效益和综合质量。由于具有可编程能力，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，所以喷漆机器人正在获得日益广泛

的应用。

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，一般工人己难以胜任

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

完全自动化己成为重要的研究课题。应用焊接机器人即是实现焊接完全自动化的

一个重要方法。

1.1.1 在喷漆中的应用

喷漆机器人是可进行自动喷漆或喷涂其他涂料的工业机器人。中国研制出几

种型号的喷漆机器人并投入使用，取得了较好的经济效果。喷漆机器人主要由机

器人本体、计算机和相应的控制系统组成，液压驱动的喷漆机器人还包括液压油

源，如油泵、油箱和电机等。多采用 5 或 6 自由度关节式结构，手臂有较大的运

动空间，并可做复杂的轨迹运动，其腕部一般有 2～3 个自由度，可灵活运动。

较先进的喷漆机器人腕部采用柔性手腕，既可向各个方向弯曲，又可转动，其动

作类似人的手腕，能方便地通过较小的孔伸入工件内部，喷涂其内表面。喷漆机

器人一般采用液压驱动，具有动作速度快、防爆性能好等特点，可通过手把手示

教或点位示数来实现示教。喷漆机器人广泛用于汽车、仪表、电器、搪瓷等工艺

生产部门。

喷漆机器人在国外早已广泛应用于汽车等产品的涂装生产线上，近年来国内

亦拥有相当数量的喷漆机器人如南航研制的 PR-1 型喷漆机器人。在大规模的涂

装生产线上，用于喷涂工件表面的喷枪通常被置于机器人的手臂上，即由喷漆机

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