第一章工业机器人

第1章工业机器人及其发展1.1工业机器人的发展历史回顾“机器人”（Robota）一词最早出现在本世纪初的科幻小说中，是剧作家笔下的具有人的外表、特征和功能的机器，是一种人造的劳动力。在我国采用的是意译，而实际上的机器人特别是工业机器在外型上很少与人相似之处。现代机器人的研究始于20世纪中期，其技术背景是计算机和自动化的发展以及原子能的开发和利用。自1946年第一台数字电子计算机（ENIAC）研制成功以来，计算机取得了惊人的进步，目前正向高速、大容量、低价格的方向发展。省力化和大批量生产等的迫切要求，推动了自动化技术的进展，其结果之一便是1952年数控机床的诞生。另一方面，原子能实验室的恶劣环境要求某种操作机械代替人处理放射性物质，在这一背景下，美国原子能委员会的尔贡研究所于1941年开发了遥控机械手，1946年又开发了机械式的主从机械手。1954年美国George.Devol最早提出了工业机器人的思想,发明了一种可编程序的关节型搬运装置,并申请了专利,该专利的要点是借助于伺服技术控制机器人的关节,利用人手对机器人进行示教,机器人能实现动作的记录和再现,这就是所谓的示教再现机器人。在此基础上，1958年美国的CONSOLIDATEEL公司制造了第一台工业机器人；作为机器人产业出售的最早实用机器人是1962年美国AMF公司推出的“VERSTRAN”和“UNIMATION”公司推出的“UNIMATE”，这些工业机器人的控制方式与NC机床大致相同，但外形特征迥异，主要由类似人的手和臂组成。由于历史条件和技术水平的关系，60年代机器人发展较慢。70年代后，焊接、喷漆机器人相继在工业中得到应用和推广。随着计算机技术、控制技术、人工智能的发展，机器人技术也得到了迅速发展，出现了更为先进的可配视觉、触觉的机器人。80年代，为了适应市场多变的需要，制造业在生产方式上产生了质的飞跃，多品种、小批量概念诞生，出现了适应此种生产模式的以NC机床、加工中心和工业机器人为代表的柔性制造系统FMS。FMS是现代制造业革命进入历史新纪元的里程碑。工业机器人作为现代制造业的柔性设备受到人们的普遍重视。到80年代中期，世界工业机器人年增长率达到30%，迎来了工业机器人的大发展阶段,也因此80年被认为是机器人元年。进入90年代以来，如何利用技术提供的可能性，抓住用户的心理，满足用户的愿望及要求，加速新产品的构思及概念的形成，并在最短的时间内开发出高质量及较低价格的新产品，成为市场竞争的新焦点。在现代制造自动化系统中，传统机械的机器人化以及新一代的机器人化机器，成为重要的发展方向，机器人再次受到青睐。据国际机器人联合会1994年的统计，在全世界已投入运行的61万台工业机器人中，绝大多数用于制造业。例如，日本拥有世界机器人总数的60%，约37万台，用于制造业的机器人占日本世界机器人总数的96%。现在每万名制造业职工拥有机器人约350台，日本汽车制造业职工大约使用811台机器人，机器人成为现代制造业的主力军。各国制造企业家已取得共识,即提高劳动生产率，增加产量主要依靠机器人，而不是增加就业人数。据国际机器人联合会（IFR）1995年统计，机器人的销售增长较快，1995年比1994年增长了22%。预计1995年到1998年世界机器人销售的平均增长率为19%，到2000年，世界机器人的安装总数将增加到100万台。从应用领域来看，机器人主要集中在制造业的焊接、装配、机加工、电子、精密机械等领域。随着机器人的普及应用，工业机器人技术也取得较快发展。近年来，工业机器人的传感器技术、控制技术、主体结构等关键技术也进展较快，目前已研制出各种新型机器人传感器。因此，下一世纪将是传感器发生革命性变化的时代。超小型化、高可靠性及廉价的新型传感器的出现，将从根本上改变机器人编程及控制系统的设计。机器人新材料及弹性臂的研究，可能出现负载自重比为1/2的轻型机器人。在驱动单元研究方面，出现了传感器与驱动器一体化的趋势。工业机器人的编程语言和编程方式也取得了较大进展，机器人语言将会象计算机语言一样规范化，机器人的编程也可望与机床的数控设备一样，完全实现离线编程。由于工业机器人的应用范围不断扩大，机器人已从当初的柔性上下料装置变为可编程的高度柔性单元，由“部件发展方式”向“系统发展方式”转移。21世纪的制造业将进入一个新的阶段，由面向市场多变生产转向面向顾客生产，敏捷制造企业（AGIENTENTERPRISE）将是未来企业的主导模式，以机器人为核心的可重组的加工和装配系统，已成为工业机器人和敏捷制造业的重要发展方向。1.2我国机器人技术研究发展概况我国机器人学研究起步较晚，但进步较快，已经在工业机器人、特种机器人和智能机器人各个方面区的了明显的成就，为我国机器人学的发展打下了坚实的基础。我国工业机器人起步于20世纪70年代初，经过20多年的发展，大致可分为三个阶段：70年代的萌芽期，80年代的开发期，90年代的实用化期。在第一台机械手出现后20年，我国于1972年开始研制工业机器人，由上海起，接着天津，吉林，哈尔滨，广州，昆明等十几个研究单位和院校分别开发了固定程序、结合式、液压伺服型同用机器人，并开始了机构学（包括步行机构）、计算机控制和应用技术的研究，这些机器人大约有1/3用于生产。在该技术的推动下，随着改革开放方针的实施，我国机器人技术的发展得到政府的重视和支持，在80年代中期，国家组织了对工业机器人的需求的行业的调研，结果表明，对第二代工业机器人的需求主要集中于汽车行业（占总需要的60%～70%）。在众多的专家的建议和规划下，于“七五”期间，由机电部主持，中央各部委，中科院及地方十几所科研院所和大学参加，国家投入相当的资金，进行了工业机器人基础技术，基础元器件，几类工业机器人整机及应用工程的开发研究，完成了示教再现式工业机器人成套技术（包括机械手、控制系统、驱动传动单元、测试系统的设计、制造、应用和小批量生产的工艺技术等）的开发，研制出喷涂、弧焊、点焊和搬运等作业机器人整机，几类专用和通用控制系统及几类关键元部件如交、直流伺服马达驱动单元机器人专用薄壁轴承、谐波传动系统、焊接电源和变压器等，并在生产中经过实用考核，其主要性能指标达到80年代初国际同类产品的水平，且形成小批量生产能力。在应用方面，在第二汽车厂建立的我国第一条采用国产机器人的生产线－东风系列驾驶室多品种混流机器人喷涂生产线，该线由7台国产PJ系列喷涂机器人和PM系列喷涂机器人和周边设备构成，已运行十年，完成喷涂20万辆东风系列驾驶室的生产任务，成为国产机器人应用的一个窗口；此外，还建立了几个弧焊和点焊机器人工作站。与此同时，还研制了几种SCARA型装配机器人样机，并进行了试应用。在基础技术研究方面，解剖了国外10余种先进的机型，并进行了机构学，控制编程，驱动传动方式，检测等基础理论与技术的系统研究。开发出具有国际先进水平的测量系统，编制了我国工业机器人标准体系和12项国标，行标。为了跟踪国外高技术，80年代在国家高技术计划中，安排了智能机器人的研究开发，包括水下无缆机器人，高功能装配机器人（DD驱动）和各类特种机器人，进行了智能机器人体系结构，机构控制，人工智能机器视觉，高性能传感器及新材料的应用研究已取得一批成果。这些技术的实用化将加速我国第二代机器人的发展。经过80年代尤其是后50年的努力，吸引了160多个单位从事机器人及其相关技术的研究力量，形成了京津、东北、华东、华南等机器人技术地区和十几家优势单位，培养了一支2000多人的工业机器人设计、研制、应用队伍，造就了一批机器人专家，使我国的工业机器人技术发展基本上可以立足于国内。90年代初期，我国主要开发下列机器人及其相关技术：1．喷涂机器人根据用户多方面的需求，开发了交流伺服离线编程机器人，喷涂机器人（顶喷、侧喷、仿形喷）小型马达器等系列产品，但还未达到产品的定型，从需求出发开发了汽车喷涂生产线，马达，箱体，陶瓷等生产线的机器人应用工程，共完成20条生产线及工作站。2．焊接机器人进行了新机构的探索和焊缝跟踪、工装、变位机等的研究，近几年汽车行业和工程机械行业大量引进点焊、弧焊机器人，提出了许多应用工程和维修技术问题需要解决。3．搬运机器人根据用户需求，一些单位开发了码垛换力机器人，已在多条生产线上应用。4．装配机器人及视觉、力觉等传感器技术得到高技术计划的支持，研制了高档样机，开始了应用工程。在90年代中期，国家已选择以焊接机器人的工程应用为重点进行开发研究，从而迅速掌握焊接机器人应用工程成套开发技术、关键设备制造、工程配套、现场运行等技术，即以机器人焊接工艺为龙头，开展焊装线总体设计、线体总控及多机通讯，新型焊接机器人用焊接电源、送丝机构、焊缝跟踪系统、机电精度、控制技术等开发及完善化，以及几条焊装生产线的全套应用及其可靠性作为主攻目标。90年代后期是实现国产机器人的商品化，为产业化奠定基础的时期。国内一些机器人专家认为：应继续开发和完善喷涂、点焊、弧焊、搬运等机器人系统应用成套技术，完成交钥匙工程。在掌握机器人开发技术和应用技术的基础上，进一步开拓市场，扩大应用领域，从汽车制造业逐渐扩展到其他制造业并渗透到非制造业领域，开发第二代工业机器人及各类适合我国国情的经济型机器人以满足不同行业多层次的需求，开展机器人柔性装配系统的研究，充分发挥工业机器人在CIMS（计算机集成制造系统）中的核心技术作用。在此过程中，嫁接国外技术，促进国际合作，促使我国工业机器人得到进一步发展，为21世纪机器人产业奠定更坚实的基础。经过20年的改革开放，随着对商品高质量和多样化的要求普遍提高，生产过程的柔性自动化要求日益迫切，在电子、家电、汽车、轻工业等行业，工业机器人的应用日趋广泛，随着我国加入WTO后国际竞争更加激烈，对工业机器人的需求会越来越大。我国的工业机器人将在21世纪得到普及，随我国加入世界贸易组织（WTO），我国的工业机器人产业将面临新的发展机遇和来自国外的挑战，我们要把握这一机遇，迎接挑战，为我国跻身于机器人强国之列而努力奋斗。第二章工业机器人技术2．1工业机器人的定义和基本构成虽然机器人的概念在人类的想象中已有数十年的历史，但将机器人作为专有名词加以引用则是近30年的事。为促进机器人的发展，有关国家和组织曾给机器人下过多种定义，但由于各国家机器人的研究，发展状况不尽相同，对机器人的理解各有侧重，至今尚无被各方一致接受的统一的定义。1984年，国际标准化组织(ISO)通过的定义是：机器人是一种自动控制下的通过编程可完成某些操作或移动作业的机器。在我国1989年的国标草案中，工业机器人被定义为：一种自动定位控制，可重复编程的多功能的，多自由度的操作机。操作机被定义为：具有和人手臂相似的动作功能，可在空间抓取物体或进行其他操作的机械装置。由此可见，工业机器人是一种机电系统，操作机是它的执行机构，该机构与电子器件密切相关，它的灵活程度和动态特性直接影响到机器人系统的工作质量。工业机器人系统如图所示，主要由机器人本体、机器人控制部分(控制器、示教盒、再现操作盒)等组成。2．2机器人的本体技术机器人本体是机器人的执行机构，它的任务是精确地保证末端执行器所需要的位置、姿态和实现其运动。机器人本体通常它的基本结构是将机构学中的杆件和运动副相互联接而成构成的开式运动链。杆件也可以成为手臂。运动副在机器人中称作关节，根据运动形态可分为转动关节和平移关节，关节有一个或几个自由度，但通常为一个。机器人能独立运动的关节(包括回转和平移)的数目,就是该机器人的运动自由度(degreeoffreedomofmotion)。在三维空间的无约束物体，可以做平行于各轴的平移运动，还可以做围绕各轴的旋转运动，因此它有与位置有关的三个自由度和与姿态有关的三个自由度，共六个自由度。机器人手臂为了能任意操纵物体的位置和姿态，必须最少有六个自由度。如图中所示的关节性机器人，它包括机座、立柱、大臂、小臂和手腕等部件，有时为了增加机器人的工作空间，在机座处装有行走机构。机座与大臂、大臂与小臂、小臂与手腕有三个旋