工业机器人技术发展趋势

工业机器人技术发展趋势一.机器人当前发展状况工业机器人从70年代初的第一台诞生开始，至今已经走过了30多年的历程。至今，全世界每年都有近十万台新机器人投入运行。现在使用最广的工业机器人，是6自由度垂直多关节机器人。世界上的不同机器人厂家都各自有自己的设计标准和结构特点，但主要的机械结构和控制功能都大同小异，并趋于技术的稳定成熟。主流的新机型，其主要性能的改进，体现在机构的进一步紧凑，速度和范围等指标也有所提高，通信功能更加强大，应用工艺能力更加丰富和便利，控制的轴数也越来越多。作为世界上最先进的机器人之一的MOTOMAN机器人，升级换代周期大致为5年左右。最新一代MOTOMAN机器人可以实现对38个轴的控制，能进行双机加外部轴的协调控制、三机以至四机的协调联动控制。当前工业机器人技术的发展方向，主要体现在新型机器人的推出以及机器人应用技术的丰富和发展。在国内来说，还有机器人实际应用工作单元的设计技术标准化和技术成熟度。比如现已有越来越多的汽车巨头将其海外使用的各种汽车零部件转移至中国生产，就是因为我国的焊接机器人工作站设计水平不断提高。新型机器人应用量高速增长的主要有洁净机器人以及双臂机器人等；应用技术的重点则主要有具有更加自适应性和复杂工艺能力的各种机器人控制技术、视觉图象处理机器人动作规划和轨迹补偿技术、远程监控和具有工艺水平的离线编程技术等。二.新型机器人*洁净机器人洁净机器人是目前高速增长的一种专用工业机器人。该类机器人主要使用在半导体和液晶显示器的生产流程中。尤其是近年来，液晶显示器的基体显示玻璃面积越来越大。当前国内主流液晶显示器玻璃为第五代产品，其面积为：1300×1100mm，而国际上最先进的已经达到第八代，玻璃单板面积为：2500×2200mm。对于这样大面积的材料，要实现高速、大范围、高精度的搬运和定位，当前普遍使用的垂直多关节机器人已经不能满足要求。因此，具有专门结构的洁净机器人，应运而生。目前，MOTOMAN每年的洁净机器人的产销量为数千台，国内也有京东方、上海广电NEC等好几个用户已经分别使用了上百台MOTOMAN的洁净机器人。*双臂机器人为了适应对工件进行握持、移动并同时进行作业的要求，安川开发出了MOTOMAN-DA20双臂机器人。该机器人有一个类似于腰部的回转轴及在回转轴上各有六个自由度的双臂，每个手臂可握持20公斤重量。由于多了一个自由度，而且双臂可以很好地配合，机器人的动作更加灵活、协同工作能力大为提高，可以灵活地完成更为复杂的动作与动作配合，可以完成更为复杂的装配工艺作业，而且效率高。该类型机器人，是机器人一个新的应用结构和技术发展发展方向。此外，IA20机器人是与DA20的一个单臂相同的机器人，由于有一个冗于自由度，有更好的动作适应性和柔性。图1用于第5代液晶显示器的MOTOMAN-CSL-1200D图2用于第8代液晶显示器的MOTOMAN-CSL2500D图3左边为MOTOMAN-D20，右边为MOTOMAN-L20三.激光视觉检测技木实例介绍视觉传感、图象识别技术，工业机器人的应用技术中，有很多具体的应用方面。这里介绍的是由首钢莫托曼机器人公司开发研制的激光视觉检测汽车玻璃机器人涂胶、装配系统。该系统用于汽车玻璃的自动涂胶与安装，机器人对汽车车身的作业位置进行检测，并对检测得到的定位误差传送给机器人，机器人对其进行位置补偿，从而准确地进行玻璃的装配。该系统的特点是采用激光与视觉传感器进行结合，对大物件提取几何特征点，进行空间点位精确测量；在测量控制中自动进行光照补偿，提高测量的可靠性；构筑了车身坐标系，将车身位置误差由车身坐标系来反映；将机器人的空间轨迹点位转换为车身坐标系的位置数据，并可以随着车身坐标系的变化而自动跟随，从而便利地实现了位置补偿。该系统可以有效地实现三维的位置和角度补偿。*工作流程每辆汽车随着生产线的运行，到了安装工位后，一般都有一定程度的位置不一致性。在玻璃被传送到对中装置的同时，机器人启动车身检测程序，运动到车窗检测点前面，打开激光光源，在检测点处产生反光光带，摄像头将此光带的图像摄取后传送至图像处理器。经处理器处理后得到图像的位置数据，将其传至机器人控制器，机器人控制器对这些数据进行运算，得到必要的信息，作为车身位置误差补偿用。*激光视觉传感器检测原理激光视觉传感器检测，通常利用激光条纹的位置变化以及在被测物表面有突变处的成像位置的变化，来确定被测物的位置信息。激光器发射出带状的激光条纹，激光条纹照射到被测物表面。当被测物表面有突变，比如缝隙、边沿等，激光条纹在被测物表面的成像会产生相应的转折或者跳变。通常激光视觉传感器的一次检测，可以检测到被测物的两维位置信息。如图4所示，一次检测可测得x、z两个方向尺度的位置信息。图4中的位置1、位置2、位置3表示被测物在高度(z)方向发生位置偏差时，激光反射的不同情况的直观图；图5是图4所示状况的摄像头成像情况。如图可知当被测物在Z向位置发生变化时，激光反射成像也相应发生变化。此外图6中被测物的表面突变处在激光发生成像的表示，是图5的光带断裂处。如果被测物的位置沿x方向发生变化，则激光发射成像的断裂处也会相应在x方向产生移动。因此通过对光带位置的移动与光带断裂处的移动，可以在一次检测中检测出被测物在X、Z这两个方向的位置偏差量。图4图5图6四.窗框位置测量原理及补偿方法图7是车窗窗框位置检测的示意图。为了检测窗框的位置，首先将窗框的框线看作为一个直角坐标系，在窗框上设定一些参考点(图中的REFPl～RET-P6)，再利用这些参考点来定义窗框的直角坐标系。当车体位于初始位置时，用激光视觉传感器对这些设定的参考点进行检测，并将这些点的位置数据进行计算，就可以得到用OXY(坐标原点)、xx(坐标x方向)、xY(坐标XY平面)来表征的窗框初始直角坐标。机器人将这个初始坐标的有关数据记录下来，作为实际作业测量时的参照系。另外，为了进行机器人的实际位置检测，还设置了检测点(P1～P4)，用于计算窗框的实际位置。由于窗框的基准坐标系已经利用参考点建立起来，在进行实际位置测量时只需对4个点进行测量，就可以计算出窗框作业时直角坐标系的特征数据，从而建立起在生产工位上汽车车窗窗框的实际直角坐标系。进行玻璃安装的机器人程序通过示教完成，但示教后的初始程序的位置数据是绝对值脉冲位置数据。在建立了窗框基准坐标系后，将初始程序的位置数据转换为相对于窗框基准坐标系的相对直角坐标位置数据。当窗框位置发生变化后，只要对窗框进行检测，将窗框的直角坐标系检测计算出来，并保持程序的相对位置数据不变，机器人相对于窗框的运动轨迹也就不变，这样就实现了位置误差的补偿。因此，在实际检测时，只需将实际的窗框位置数据检测后，建立相应的直角坐标系，再将程序按相对位置数据进行不同直角坐标系下的转换，就完成了位置补偿。图7.窗框坐标系示意图五.结语利用这个机会，向大家简要的介绍了机器人技术发展的一些新动向，着重介绍了一种用于汽车车窗玻璃涂胶、安装的机器人激光视觉系统，并对激光视觉传感器的检测原理与位置补偿方法进行了说明。近年来，汽车工业对我国机器人应用的水平和规模起到了极大的牵引作用，也使我国的机器人应用水平跃上了一个新台阶。首钢莫托曼公司也希望通过自己的努力，为我国机器人应用技术水平提高，作出自己的努力。