工业机器人是典型的自动执行工作的机电一体化装备，国际标准化组织将工业机器人界定为一种自动化的、速度和位置可控、可重复编程的、依赖于自己对各种零件和工具进行控制处理，执行并完成各种作业的多用途操作机器，可以是固定式或移动式。工业机器人一般由四个主要部分组成：机械系统、传感系统、驱动系统和控制系统。主要的技术有传感器技术、信息处理技术、驱动技术和控制技术等。工业机器人有多种分类方式，其中较为常用的是按控制方式分类以及按运动链形式区分，常见应用场景包括装配、协作、搬运、焊接、喷漆等。经过长时间的探索研究，工业机器人领域迅猛发展，技术逐渐成熟，智能化程度不断提高，工业机器人作为先进装备制造业中不可或缺的工具手段，是提高工业生产效率、解放和发展生产力的重要支撑，未来对工业机器人的投入会持续加大，工业机器人将会朝着人机协作、自主化和多机器人协作等方向发展。
简要介绍
工业机器人指面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人，是一种能自动控制、可重复编程、多用途、可在三个或更多轴上进行编程的多用途操作机器，可以是固定式或移动式的，主要应用于工业自动化，在加工过程中通过自动控制执行某些作业，包括焊接机器人、搬运机器人、喷涂机器人等。这些工业机器人在工业生产领域中完成相关操作，具有多自由度、高附加值、应用广泛的特点，其发展水平也反映了一个国家的制造业自动化程度和生产水平。
工业机器人具有高效率、高速度、高产品质量等优点，其动作是由编程软件和控制装置共同制定的。它的自动化特性使得它们能够24小时不间断地工作，并且能够在高污染、高低温、高危险的环境下进行操作，因此被广泛地应用于不同的行业和领域。典型应用包括焊接、喷漆、搬运、装配、产品检验和测试等。工业机器人有很多种类型，其中最常见的区别特征是其关节臂的伸展距离、有效载荷能力等。工业机器人技术的应用也提高了生产力和利润，同时减少了劳动密集型的工作。
发展历史
工业机器人并非一开始就有的，而是工业发展到一定阶段才出现的产物。在真正的现代工业机器人发明之前，工业机器人技术还处于设想与探索阶段。1921年，捷克作家卡雷尔·卡佩克（Karel Capek）所创作的一部科幻电影中首次使用了“机器人”这个术语。1940年，美国作家艾萨克·阿西莫夫（Isaac Asimov）提出“机器人三守则”，使工业机器人更接近人类。1937年，比尔•格里菲斯•泰勒（Bill Griffith P.Taylor）发明了一种机械臂，这是已知最早与ISO标准相适应的机器人。
在此之后，工业机器人进入产生和初步发展阶段，1954年，当时美国发明家乔治·德沃尔（George Devol）申请了一项程序化物品转移的专利，主要是将物体从一个点转移到另一个点，这被认为是最早发明的现代工业机器人雏形。1958年，乔治·德沃尔在与年轻的美国工程师兼企业家约瑟夫·恩格尔伯格（Joseph Engelberger）合作后，第一家工业机器人公司Unimation成立，他们发明了一种可以根据预先编程的指令取放物品的机械臂。
1961年，工业机器人第一次被投入使用在通用汽车的工厂中，用于从压铸机中提取零件。第一届工业机器人国际研讨会于1970年在芝加哥举行，证明工业机器人技术研究已经成为一个充满活力的研究领域。
1969年，斯坦福大学的维克托·申曼（Victor Scheinman）发明了斯坦福臂，这是一种全电动六自由度关节机器人，以手臂为研究原型，被设计用于解决工程问题，由当时最先进的计算机DEC PDP-6控制。它具有一个移动关节和五个旋转关节的非人形运动学配置，使得求解机器人运动学的方程足够简单，可以加快计算速度，后续的机器人设计受到了申曼概念的强烈影响。
经过一段时间的发展后，工业机器人进入到技术快速进步与商业化规模运用阶段，这一时期的技术相较于此前有很大进步，还表现出商业化运用迅猛发展的特点。
1973年，德国库卡公司（KUKA）制造了它的第一台工业机器人，命名为FAMULUS，这是世界上第一台电机驱动的六轴工业机器人。同年，ASEA公司（现为ABB公司）推出了世界上第一台商业化微处理器控制的全电动工业机器人IRB-6，它允许按连续路径运动，这是许多实际应用的前提条件，例如电弧焊或材料去除。
1978年，日本山梨大学的牧野洋（Hiroshi Makino）发明了选择性柔顺装配机械手SCARA，这是世界上第一台水平关节型工业机器人。1984年，工业机器人动力学和精度的进一步优化催生了第一个直接驱动的SCARA工业机器人，被命名为AdeptOne。
20世纪70年代末，许多公司都进入了工业机器人领域，工业机器人开始转向智能化阶段。2006年，库卡公司（KUKA）推出了他们的LBR轻型原型机器人，这是一种紧凑的7自由度机器人手臂，具有先进的扭矩控制能力，被应用于高性能工程作业。2010年，日本发那科（FANUC）公司推出“学习控制机器人”，在运动的过程中减少了机器人的振动。
根据国际机器人协会的统计，全球工业机器人销量处于稳步成长态势，特别是2005～2014年间，新装工业机器人年均成长速度达14%。工业机器人产业持续快速发展，工业机器人技术正在向智能化、模块化和系统化的方向开展，智能制造的发展已是大势所趋，工业机器人的重要性也将与日俱增。
2023年11月，据央视网消息，2023年以来，从人形机器人加快产业化落地，到工业机器人市场继续领跑全球，中国机器人领域基础研发能力迅速提升，市场应用加速拓展，功能种类更加丰富，产业规模持续壮大。
组成结构
机械系统
机械系统主要由传动机构和连杆集合形成的开环或闭环的运动链两个部分组成。连杆与人体大臂、小臂等相似，其通常做移动和旋转等运动。移动关节可以使连杆作直线运动，转动关节使各部件间的转动动作得以实现。由关节和连杆组成的机械机构通常包括臂、腕和手三大部分，这些部分可以按照需要沿一定的方向移动并执行指定的工作。
驱动系统
驱动系统是为多种机械部件提供动力的设备，它包含一个驱动器和一个执行器。其传动形式有气动式、液压式、电动式和机械式。执行器可以直接与工业机器人手臂、手腕或手上的连杆或关节联结，或者由传动装置如齿轮与移动部件联结。
传感系统
传感系统将工业机器人的各种信息进行转换，转化成可以被机器本身和机器人之间所能理解和运用的数据和信息，并完成对其工作状况相关物理量（如位移、速度、力等）的感知。传感系统由内部传感器模块和外部传感器模块组成，其功能是将机器人的运动学信息和外部环境信息等传递给工业机器人的控制系统。
控制系统
控制系统的主要工作是通过给机器人的操作命令和来自于传感器的反馈信息，对其进行控制，使其能够完成预定的动作和功能。根据传感装置所传送的信息，确定机械系统各部分的运动轨迹、速度、加速度及外界条件，以保证机器的各个部件在指定的时刻按照预先设定的步骤进行工作。根据反馈特征，可以分为开环控制系统、半闭环控制系统和闭环控制系统等模式。
关键技术
工业机器人关键技术的作用是将传感器采集到的数据进行处理，经过加工后，根据既定的程序，利用电动机来完成某项任务动作。软件方面对加工过程的帮助还不够完善，此时，制造工艺中先进硬件设施对提高产品的生产加工效率的作用显得非常关键。工业机器人的智能化程度较高，所涉及的技术很广，主要的技术有以下几种。
传感器技术
在工业机器人上采用了传感器技术，实现了对各类数据的实时收集，具有高灵敏度和较强的综合性能，可以有效地起到收集、定位和防护功能。传感器作为传感系统的感知设备，是实现自动控制和自动调节的关键技术，它的能力越强大，传感系统的自动化程度就越高。
信息处理技术
传感器收集了大量的信息后，再由中央处理器来进行加工处理，相对于常规的机械装置，工业机器人最大的特征在于它能够和各种各样的信息处理系统进行紧密的融合，其中最常用的就是微处理器技术。
驱动技术
在工业机器人中，必须要有一个特定的机械装置来执行信息处理的结果，最常见的就是用电机来驱动，传动可以通过使用曲柄、皮带、铰链等将旋转运动转化为其它形式的运动，在三维坐标上实现不同的动作。执行机构的动作是以坐标的形式进行定位，因此运动的精确度相当高。由于要实现不同的目标需要用到各种不同的运动方式，导致了工业机器人的驱动方式也不尽相同。
控制技术
控制技术是工业机器人的核心技术，主要涉及位置控制、轨迹规划、力（矩）控制、智能控制等。工业机器人可以依据其工作特性，选择相应的控制方式。根据它们的运动坐标，可以分为直角坐标空间运动控制和关节空间运动控制。工业机器人的位置控制是为了实现机械臂的各关节沿既定轨迹移动，以保证其在既定轨迹上的移动。
类型和特点
按控制方式区分
一、无伺服控制机器人
无伺服控制机器人是由单向、无反馈机制的开环控制的工业机器人。无伺服控制机器人的操作性能相对受限，工业机器人按预定的程序次序工作，采用限位开关、制动器、插销板、定序器等对其进行控制。插销板用于预定义工业机器人的工作次序，通常可以调整。定序器是一种可以根据预先确定的适当次序打开驱动器能量的定时切换开关或步进装置。电源连接后机器人的传动系统控制机器人移动，在运动至限位开关指定区域后，限位开关转换工作状态并向定序器发送讯号，运动停止。
二、伺服控制机器人
伺服控制机器人有更强的工作能力，伺服控制系统是使物体的输出被控量能够跟随输入目标任意变化的自动控制系统，该系统的受控对象可以是机械手的位置、速度、加速度、受到的作用力等。由传感器获取的反馈与已知设备输出的总的数据进行对比，得出误差信号，并将其进行放大，从而激活工业机器人的驱动系统，再将终端驱动机构按特定的规则移动，使其达到预定的位置或转速等，这些过程称为一种反馈式的控制系统。
按运动链形式区分
一、串联机器人
串联机器人的机械部件采用开放式的运动链结构，即一组连杆通过转动关节或移动关节连接构成，并根据各部件间的运动副的不同，将其运动方式划分为四类：直角坐标型的臂可以在三个方向上运动；圆柱坐标型的臂可进行升降、回转和伸缩运动；球坐标型的臂具有回转、俯仰、伸缩等功能；多关节坐标型的臂由多个转动关节组成，它们相互串联，可以达到球体空间的绝大多数位置。
直角坐标型、柱圆柱坐标型、球坐标型和多关节坐标型图串联机器人
由于串联机器人结构简单，操作方便，灵活性强和具有较大的工作面积等优点，得到了广泛的应用。它的缺点是运动链长度大，刚性差，运动精度低。此外，由于串联机器人需要在各个铰[jiǎo]链上安装传动机构，使得各个动臂部分的惯性矩比较大，因此也不适合进行高速度的运行操作。
二、并联机器人
并联机器人的机械部件采用封闭的链条结构，它包括一个固定平台和一个由两个以上自由的运动链条与固定平台相连接的运动平台，以并联方式驱动。并联机器人的运动自由度可分为两个自由度、三自由度和四自由度等。
二自由度和三自由度串联机器人
并联机器人具有工作空间小的缺陷，但其传动机构可以放置在固定平台或固定平台附近，这样移动部件的重量轻、速度快、动态响应好。同时，各节点间的误差可以相互抵消、弥补，从而提高了系统的运动精度，并且，并联机器人具有高刚度、结构紧凑等特点，因而被广泛地用于要求高刚度、高精度、高负载、不需要较大工作空间的场合。
其他类型机器人及其特点
除了上述常用的按控制方式分类和按运动链形式分类之外，还有许多其他的分类方法。例如按系统功能分类分为：在固定地点以固定程序工作，无独立的控制系统的专用机器人；控制系统独立、动作灵活多样，通过改变控制程序能完成多作业的通用机器人；具有记忆功能，可完成复杂的动作，适用于多工位和经常变换工作路线作业的示教再现式机器人；以及具有各种感觉功能，能够通过比较识别作出决策，自动进行反馈补偿，完成预定工作的智能机器人。还有按驱动方式分类分为由电动机驱动的电气驱动机器人和以压缩空气来驱动执行机构运动的气压传动机器人。
应用场景
协作机器人
这是工业机器人在制造业中最常见的应用，它们可以装载和卸载加工设备，从传送带上取下产品并将它们放入袋子或集装箱中，并将随机产品按顺序排列。一般用于变量数量较少的情况，因为要处理的对象种类很少，所以末端工具更加直接。在工作环境中，要拾取和放置的对象具有预定的大小、形状、纹理和重量等。因此，可以针对特定的物品优化机器人需要使用的夹持器的种类，更容易确定机器人的夹持力。
装配机器人
装配在制造业中描述的是通过连接将子系统或组件组合到更高复杂性的系统中。制造中的装配包括四个过程组：连接、搬运、控制和辅助过程（清洗、调整、标记等）。工业机器人被用于实现装配自动化，特别是汽车行业，是最早采用工业机器人进行装配的行业之一。如今，装配机器人的应用已经远远超出了汽车领域，越来越多地用于高度灵活的工作单元，对小型零件的高速装配的需求越来越大。装配机器人将作为工人手中的万能工具，在工作场所大大提升装配的精度和速度。
搬运机器人
物料搬运是工业机器人最基本的应用，在仓库和工厂中，最常见的任务之一是运输货物，这些活动的附加值较低，因此是自动化的良好候选对象。得益于机器人速度、精度、稳定性等方面性能的提高，搬运机器人可以搬运的东西越来越多，也越来越受欢迎，不仅有利于减少运输货物所需的劳动力，而且还避免了安全问题，其采用了多种传感器，可防止事故发生。
喷涂机器人
工业喷漆和涂层是将油漆或其他涂料覆盖到工件上的过程。在制造中，要涂漆或涂层的零件在形状和尺寸方面有明确的定义，操作具有高度的重复性，因此，喷漆和涂层操作非常适合工业机器人。通过使用喷涂机器人，工人们不必暴露在有害烟雾或过度喷雾中，安全性得到了提高。工业喷涂机器人已经在汽车制造业中使用了几十年，它可以保持喷头和工件之间的精确距离，以及喷嘴的移动速度，这两者是避免出现误差的关键。所有工作都是由工业喷涂机器人完成的，实现了高度自动化，精确调节压力和流量保证了产品的加工质量，与人工处理相比，具有一致性、准确性和速度优势。
焊接机器人
焊接是一种通过将熔化的填充材料（焊料）放入接头来将部件连接在一起的过程，填充材料的熔化温度低于工件。典型的工业机器人的焊接工艺是点焊，用于车身装配中，以及气体保护金属弧焊，随着激光源的紧凑性和机器人运动精度的提高，激光焊接也正在兴起。工业机器人点焊技术广泛应用于汽车行业，与手工焊接相比，它大大提高了生产速度，并具有更高的质量，工人安全也得到改善。激光焊接使用激光束直接将工件连接在一起，与电弧焊接不同，电弧焊接使用填充物将两块金属连接在一起。激光焊接有助于实现自动化，因为激光束的宽度、穿透工件的深度以及光束的路径和速度都可以精确控制。
未来趋势
一、人机协作
传统的工业机器人必须在防护栅栏和其它障碍物后面进行工作，要与人保持距离，以避免对人体造成损伤，这对工业机器人的使用效率产生了较大影响。人机协作是人类的认知和工业机器人的工作效率的有机统一，能够帮助人们安全方便地进行操作，并且简化了程序编制的过程，降低了对操作者的工作能力需求。
二、自主化
目前的工业机器人，大多依靠预编程、示教再现等多种操作方式来实现，而随着时间的推移，工业机器人会逐步向自主学习、自主作业等方向发展，可以根据实际的工作环境、工作内容，自动设定和优化轨迹路径，进行检测，避开障碍等功能。
三、基于深度学习的工业机器人技术
在日益复杂的应用场景中，利用深度学习进行大数据处理，能够有效地处理高复杂性环境下所出现的多维问题。将工业机器人和人工智能技术融合在一起，将会大大提升机器人的智能水平，从而达到更高的精度和效率，减少意外的发生，实现人机合作、协同工作的目的。
四、多机器人协作
工业机器人所能做的工作越来越复杂，越来越精密，越来越难以实现，多机器人协同是当前工业机器人领域的一个重要课题。为实现多机器人协同工作，必须要处理好机器人之间通讯与决策问题，否则将会影响工作的完成度，导致工作效能下降，严重时甚至会造成安全事故。
五、模块化可重构技术
在大部分情况下，工业机器人仅能够完成单一操作，或者是重复操作不同作业。工作条件和环境的变化将使得工业机器人难以迅速地适应新的需要，因而，基于模块化和可重构的工业机器人技术已逐渐被研究关注。模块化、可重构的技术，是指在完成系统整合的过程中，利用各种模块的结合，迅速制造出具有多种功能的机器人，能够满足不同的要求和适应不同工作环境，达到高效率和高质量的工作要求。
六、基于多传感器融合的工业机器人技术
在复杂的工作条件和环境下，或有多种需求的任务，依赖于单个传感器将无法实现迅速、高效率地工作。因而，基于多个传感器的工业机器人技术正日益成为人们关注的热点。为了确保在应用中实现高可靠性、高稳定性和高效能，基于多传感器的传感器集成技术必须解决通讯、传输等关键问题。
