38工业机器人文献综述

工业机器人作为一种特殊的自动化设备，具备智能技术，所以工业机器人在传统产业的应用将大大的提升企业产品的竞争力，促进产品的更新换代，对国家经济产生巨大的推动作用。而在科学研究，资源勘探方面，工业机器人可替代人的大部分工作，因此促进了国家的可持续发展，并增强了国家的国际地位。在国防领域工业机器人的研究更是层出不穷，特别是在强调零伤亡战争的今天，机器人可替代士兵前往危险的前沿地区，而且没有人性的一些弱点，增强了战斗力，为国家创造了一个和平安定的环境。1.工业机器人的发展：1.1机器人概念的诞生机器人技术一词虽然出现的较晚，但这一概念在人类的想象中却早已出现。自古以来，有不少科学家和杰出工匠都曾制造出具有人类特点或具有动物特征的机器人雏形。我国西周时期的能工巧匠就研制出了能歌善舞的伶人，这是我国最早的涉及机器人概念的文章记录，此外春秋后期鲁班制造过一只木鸟，能在空中飞行，体现了我国劳动人民的智慧。机器人一词由捷克作家--卡雷尔.恰佩克在他的讽刺剧《罗莎姆的万能机器人》中首次提出，剧中描述了一机器奴仆Robot。此次Robot被沿用下来，中文译成机器人。1942年美国科幻作家埃萨克.阿西莫夫在他的科幻小说《我.机器人》中提出了“机器人三大定律”，这三大定律后来成为学术界默认的研发原则。现代机器人出现于20世纪中期，当计算机技术出现，电子技术的进步，数控机床的出现及与机器人相关的控制技术和零件加工技术的成熟，为现代机器人的发展打下了基础。1.2现代机器人工业史上的几个标志事件1954年：美国人戴沃尔制造出世界上第一台可编程的机械手，并注册了专利。1959年：戴沃尔与美国发明家英格伯格联手制造出第一台工业机器人。1962年：美国AMF公司生产出万能搬运机器人，与Unimation公司生产的万能伙伴机器人一样成为真正商业化的工业机器人。1967年：日本川崎重工公司和丰田公司分别从美国购买了工业机器人Unimat和Verstran的生产许可证，日本从此开始了对机器人的研究和制造。1968年：美国斯坦福研究所公布他们研发的机器人Shakey。1969年：日本早稻田大学加藤一郎实验室研发出第一台以双脚走路的机器人。1973年：世界上机器人和小型计算机第一次携手合作，诞生了机器人T3。1979年：美国Unimation公司推出通用工业机器人PUMA，标志着工业机器人技术已经完全成熟。1979年：日本山梨大学发明了平面关节机器人SCARA。1980年：工业机器人在日本开始普及。1984年：英格伯格再次推出机器人Helpmate，这种机器人能在医院为病人送饭送药和送邮件。1996年：本田公司推出仿人型机器人P2，双足行走机器人的研究达到了一个新的高度。1998年：丹麦乐高公司推出机器人Mind-storms套件，机器人开始进入个人世界。1999年：日本索尼公司推出机器人偶爱宝(AIBO)，娱乐机器人迈入普通家庭。2002年：美国iRobot公司推出了吸尘器机器人Roombar，为世界上商业化最成功的家用机器人。2006年：微软公司推出MicrosoftRobiticsStudio机器人，从此机器人模块化平台统一化的趋势越来越明显。2.机器人的应用情况2.1机器人在制造业中的应用机器人已广泛应用于汽车与汽车零部件制造业，机械加工行业，电子电器行业，橡胶及塑料工业，食品工业，木材与家具制造业等领域。在工业生产中，弧焊机器人，点焊机器人，喷涂机器人及装配机器人等都被大量使用。焊接机器人是从事焊接作业的工业机器人，广泛用于汽车及其零部件制造，摩托车，工程机械等行业，焊接机器人主要包括弧焊机器人和点焊机器人量大类。在喷涂工序中雾状涂料对人体的危害很大，并且在喷涂环境中照明通风的条件很差，因此在喷涂作业中大量使用了机器人，与其他机器人相比，喷涂机器人要足够灵活，平稳，控制方式通常为手把手示教的方式，并且还要有防爆机构等。2.2机器人在非制造业中的作用随着科学技术的发展，机器人的应用领域已从传统的制造业扩大到核能，航空，航天，生化等高科技领域及家庭清洁，医疗康复，娱乐，教育等各个领域。应用在非制造业领域的机器人主要有双足步行机器人，医疗手术机器人水下机器人，六足机器人等。3.工业机器人的结构及工作原理3.1概述机器人系统是由机器人和作业对象及环境共同组成的，其中包括机器人机械系统，驱动系统，控制系统，和感知系统四的部分组成。可以说机器人的组成部分与人类极为类似。一个典型的机器人有一套可移动的身体结构、一部类似于马达的装置、一套传感系统、一个电源和一个用来控制所有这些要素的计算机“大脑”。从本质上讲，机器人是由人类制造的“动物”，它们是模仿人类和动物行为的机器。3.2结构工业机器人的机械系统包括机身，臂部，手腕，末端操作器和行走机构等部分组成，每一部分都有若干自由度的机械系统。此外，有的机器人还具有行走机构，若具有行走机构则构成行走机器人，若没有则构成单机器人手臂。工业机器人的机械机械系统相当于人的身体（骨骼，手，臂，腿等）。驱动系统主要是指驱动机械系统动作的驱动装置。这部分的作用相当于人的肌肉。根据驱动源的不同，驱动系统分为电气，液压，气压以及把它们结合起来应用的综合系统。电气驱动在工业机器人中应用的最为广泛，主要分为步进电动机，直流伺服电机和交流伺服电机三种。液压驱动运动平稳，且负载能力大，对于重载的搬运和零件加工机器人，采用液压驱动比较合理。但液压驱动管道复杂，清洁困难，因此限制了在装配作业中的作用。无论电气还是液压驱动的机器人，其手爪的开合都采用气动形式。控制系统的任务是根据机器人的作业指令程序及从传感器反馈回来的信号，控制机器人的执行机构，使其完成规定的运动和功能。如果机器人不具备信息反馈特征，则该控制系统称为开环控制系统；如果机器人具备信息反馈特征，则还控制系统称为闭环控制系统。该部分主要由计算机硬件和控制软件组成。软件主要有人与机器人联系的人机交互系统和控制算法等组成。该部分的作用相当于人的大脑。感知系统由内部传感器和外部传感器组成，其作用是获取机器人内部和外部环境信息，并把这些信息反馈给控制系统。内部状态传感器用于检测各个关节的位置，速度等变量，为闭环伺服控制系统提供反馈信息。外部状态传感器用于检测机器人与周围环境之间的一些状态变量，如距离，接近程度和接触情况等，用于引导机器人，便于其实别物体并作出相应处理。该部分的作用相当于人的五官。3.3工作原理机器人系统实际上是一个典型的机电一体化系统，其工作原理为：控制系统发出动作指令，控制驱动器动作，驱动器带动机械系统运动，使末端操作器到达空间某一位置和实现某一姿态，实施一定的作业任务。末端操作器在空间的实时位姿由感知系统反馈给控制系统，控制系统把实际位姿与目标位姿相比较，发出下一个动作指令，如此循环，直到完成作业任务为止。4.工业机器人技术应用的预测与展望机器人技术是感知、决策、行动和交互四大技术的结合。随着人们对机器人技术智能化本质认识的加深，机器人技术正源源不断地向人类活动的各个领域渗透。结合这些领域的应用特点，人们发展了各种特种机器人和智能机器，如仿人机器人、仿生机器人、微机器人、医疗机器人、水下机器人、移动机器人、军用机器人、空间机器人、农林机器人等。它们从外观上看已经远远脱离了最初工业机器人的形状，其智能和功能也大大超出了工业机器人的范围，更加符合应用领域的特殊要求。传统的机器人是对人体的延伸，一般需要人来操作；而特种机器人和智能机器则是通过感知，由计算机推理进行响应和动作，是对人类智能的延伸。要使机器人有重大突破必须在下列方面取得技术进步：•缩短实时系统响应的总时间(从传感器到执行器)以增强机器人的性能；•具有先进的人工智能以增强自主决策能力;•传感器和执行器更为小巧和轻便以减小机器人的体积并提高能效；•具有能量监测和发电能力以延长自主工作时间。对国家而言，机器人的研究，制造和应用水平逐渐成为一个国家科技水平和经济实力的象征，正在受到许多国家的广泛重视。现代机器人技术是当代技术领域的先导，吸引了许多有才华的人从事研究。通过他们的努力，现代的，复杂的，自适应甚至是高度智能的机器人已经逐步成为现实。可以相信，人类社会的明天和机器人技术的明天都将是辉煌的。参考文献:[1]张雁雁,陈晓明,章碧野,张慧.细小管道机器人爬行驱动装置[J].机电工程,2007,24(4):7-9。[2]NobuakiKAWAHARA,TakayukiSHIBATA,TakanariSASAYA.In2pipewirelessmicrorobot[C]//Proc.SPIEInt.Conf.MicroroboticsandMicroassembly,Boston,Massachusetts,1999:166-171.[3]IwaoHAYASHI,NobuyukiIWATSUKI,ShigeruIwashina.Therun2ningcharacteristicsofascrew2principlemicrorobotinasmallbentpipe[C]//Proc.SixthInt.Symp.MicroMachineandHumanSci2ence,1995:[4]邓宗全，陈军。姜生元，等．六独立轮驱动管内检测牵引机器人【J】．机械工程学报，2005，4l(9)：67·72．DENGZongquan，CHENJun，JIANGShengyuan，eta1．Tractionrobotdrivenbysixindependentwheelsforinspectioninsidepipeline[J]．ChineseJoumaiofMechanicalEngineering，2005·4l(9)：67·72．[5]ZHANGYunwei，YANGuozheng．In-pipeinspectionrobotwithactivepipe··diameteradaptabilityandautomatictractiveforceadjnsting[J]．MechanismandMachineTheory，2007，42(12)：1618-1631．[6]唐德威，李庆凯，梁涛，等．三轴差动式管道机器人机械自适应驱动技术【J】．机械工程学报，2008，“(9)：128．133．TANGDewei，LIQingkai，LIANGTao，eta1．Mechanicalself-adaptivedrivetechnologyoftriaxialdifferentialpipe-robot[J]．ChineseJournalofMechanicalEngineering，2008，“(9)：128-133．[7]张永顺，邓宗全．水泥砂浆衬里补口作业机器人光整作业装置的研制【J】．机器人，2001．23(1)：63-67．ZHANGYongshun，DENGZongquan．Developmentofmicroin-pipemobilerobot[J]．Robot,2001，23(1)：63—67．[8]张秀丽，郑浩竣．赵里遥．一种小型管道检测机器人【J】．机器人，2001，23(7)：626-629．ZHANGXiuli，ZHENGHaojun，ZHAOLiyao．Asmallpipeinspectionrobot[J]．Robot，2001，23(7)：626·629．[9]钱晋武，沈林勇，程维明，等．微小管道涡流检测机器人系统研究【J】-机器人。2001，23(2)t127—13I．QIANJinwu，SHENLinyong，CHENGWeiming，eta1．Amicroroboticsystemforpipelineinspectionusingeddycurrenttechnique[J]．Robot，2001，23(2)：127·131[10]谢文彬，杨654431763建国，李蓓智，等．管道检测机器人的研制【J】．机械工程师，2005(1)：14-16．XIEWenbin，YANGJianguo，LIPeizhi，e