认识工业机器人

认识工业机器人机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多种学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃、应用日益广泛的领域。而且，机器人应用情况是反映一个国家工业自动化水平的重要标志。本次任务的主要内容就是了解工业机器人的现状和发展趋势；通过现场参观，认识工业机器人相关企业；现场观摩或在技术人员的指导下操作ABB工业机器人，了解其基本组成。一、工业机器人的定义及特点1.工业机器人的定义国际上对机器人的定义有很多。美国机器人协会（RIA）将工业机器人定义为：“工业机器人是用来进行搬运材料、零部件、工具等可再编程的多功能机械手，或通过不同程序的调用来完成各种工作任务的特种装置。”日本工业机器人协会（JIRA）将工业机器人定义为：“工业机器人是一种装备有记忆装置和末端执行器的，能够转动并通过自动完成各种移动来代替人类劳动的通用机器。”在我国1989年的国际草案中，工业机器人被定义为：“一种自动定位控制，可重复编程、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。”国际标准化组织（ISO）曾于1984年将工业机器人定义为：“机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能机械手，这种机械手具有几个轴，能够借助于可编程的操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行各种任务。”2.工业机器人的特点（1）可编程生产自动化的进一步发展是柔性自动化。工业机器人可随其工作环境变化的需要而再编程，因此它在小批量、多品种具有均衡高效率的柔性制造过程中能发挥很好的功用，是柔性制造系统中的一个重要组成部分。（2）拟人化工业机器人在机械结构上有类似人的行走、腰转、大臂、小臂、手腕、手爪等部分，在控制上有计算机。此外，智能化工业机器人还有许多类似人类的“生物传感器”，如皮肤型接触传感器、力传感器、负载传感器、视觉传感器、声觉传感器、语音功能传感器等。（3）通用性除了专门设计的专用的工业机器人外，一般机器人在执行不同的作业任务时具有较好的通用性。例如，更换工业机器人手部末端执行器（手爪、工具等）便可执行不同的作业任务。（4）机电一体化第三代智能机器人不仅具有获取外部环境信息的各种传感器，而且还具有记忆能力、语言理解能力、图像识别能力、推理判断能力等人工智能，这些都是微电子技术的应用，特别是与计算机技术的应用密切相关。工业机器人与自动化成套技术，集中并融合了多项学科，涉及多项技术领域，包括工业机器人控制技术、机器人动力学及仿真、机器人构建有限元分析、激光加工技术、模块化程序设计、智能测量、建模加工一体化、工厂自动化及精细物流等先进制造技术，技术综合性强。二、工业机器人的历史和发展趋势1.工业机器人的诞生“机器人”（Robot）这一术语是1921年捷克著名剧作家、科幻文学家、童话寓言家卡雷尔·恰佩克首创的，它成了“机器人”的起源，此后一直沿用至今。不过，人类对于机器人的梦想却已延续数千年之久。如古希腊古罗马神话中冶炼之神用黄金打造的机械仆人、希腊神话《阿鲁哥探险船》中的青铜巨人泰洛斯、犹太传说中的泥土巨人、我国西周时代能歌善舞的木偶“倡者”和三国时期诸葛亮的“木牛流马”传说等。而到了现代，人类对于机器人的向往，从机器人频繁出现在科幻小说和电影中已不难看出，科技的进步让机器人不仅停留在科幻故事里，它正一步步“潜入”人类生活的方法面面。1959年，美国发明家英格伯格与德沃尔制造了世界上第一台工业机器人Unimate，这个外形类似坦克的炮塔的机器人可实现回转、伸缩、俯仰等动作，如图1-1-1所示，它称为现代机器人的开端。之后，不同功能的工业机器人也相继出现并且活跃在不同的领域。图1-1-1世界上第一台工业机器人Unimate2.工业机器人的发展现状机器人技术作为20世纪人类最伟大的发明之一，自20世纪60年代初问世以来，从简单机器人到智能机器人，机器人技术的发展已取得长足进步。从近几年推出的产品来看，工业机器人技术正向智能化、模块化和系统化方向发展，其发展趋势主要为：结构的模块化和可重构化；控制技术的开放化、PC化和网络化；伺服驱动技术的数字化和分散化；多传感器融合技术的实用化；工作环境设计的优化和作业的柔性化等。2005年，日本YASKAWA推出能够从事此前由人类完成组装及搬运作业的产业机器人MOTOMAN-DA20和MOTOMAN-IA20，如图1-1-2所示。DA20是一款在仿造人类上半身的构造物上配备2个6轴驱动臂型“双臂”机器人。上半身构造物本身也具有绕垂直轴旋转的关节，尺寸与“成年男性大体相同”，可直接配置在此前人类进行作业的场所。因为可实现接近人类两臂的动作及构造，因此可以稳定地搬运工件，还可以从事紧固螺母以及部件的组装和插入等作业。另外，与协调控制2个臂型机器人相比，设置面积更小。单臂负重能力为20kg，双臂可最大搬运40kg的工件。IA20是一款通过7轴驱动再现人类肘部动作的臂型机器人。在产业机器人中也是全球首次实现7轴驱动，因此更加接近人类动作。一般来说，人类手臂具有7～8轴关节。此前的6轴机器人，可再现手臂具有3个关节，以及手腕具有的3个关节。而IA20则进一步增加了肘部具有的1个关节。这样就可以实现通过肘部折叠或伸出手臂的动作。6轴机器人由于动作上的制约，胸部成为“死区”，而7轴机器人可将胸部作为动作区域来使用，另外还可以实施绕开靠近机身障碍物的动作。a)b)图1-1-2YASKAWA机器人a)双臂机器人MOTOMAN-DA20b)7轴机器人MOTOMAN-IA202010年意大利柯马（COMAU）宣布SMART5PAL码垛机器人研制成功，如图1-1-3所示，该机器人专为码垛作业设计，采用新的控制单元C5G和无线示教，有效载荷范围为180～260kg，作业半径3.1m，同时共享机器人家族的中空腕技术和机械配置选项；该机器人符合人体工程学，采用一流的碳纤维杆，整体轻量化设计，线速度高，能有效减少和优化时间节拍。该机器人能满足一般工业部门客户的高质量要求，主要应用在装载/卸载、多个产品拾取、堆垛和高速操作等场合。图1-1-3COMAU码垛机器人SMART5PAL同年，德国KUKA公司的机器人产品——气体保护焊接专家KR5arcHW（HollowWritsl），如图1-1-4所示，赢得了全球著名的红点奖，并且获得了“RedDot：优中之优”杰出设计奖。其机械臂和机械手上有一个50mm宽的通孔，可以保护机械臂上的整套气体软管的敷设。由此不仅可以避免气体软管组件受到机械性损伤，而且可以防止其在机器人改变方向时随意甩动。既可敷设抗扭转软管组件，也可用于无限转动的气体软管组件。对用户来说，这不仅意味着提高了构件的可接近性，保证了对整套软管的最佳保护，而且使离线编程也得到了简化。日本FANUC公司也推出过RobotM-3iA装配机器人。M-3iA装配机器人可采用四轴或六轴模式，具有独特的平行连接结构，并且还具备轻巧便携的特点，承重极限6kg，如图1-1-5所示。此外，M-3iA装配机器人在同等级机器人（1350mm×500mm）中的工作行程最大。六轴模式下的M-3iA具备一个三轴手腕用于处理复杂的生产线任务，还能按要求旋零件，几乎可与手工媲美。四轴模式下的M-3iA具备一个单轴手腕，可用于简单快速的拾取操作，工作速度可达4000°/s。另外，手腕的中空设计使电缆可在内部缠绕，大大降低了电缆的损耗。图1-1-4KUKA焊接机器人KR5arcHW图1-1-5FANUC装配机器人RobotM-3iA国际工业机器人技术日趋成熟，基本沿着两个路径发展：一是模仿人的手臂，实现多维运动，在应用上比较典型的是点焊、弧焊机器人；二是模仿人的下肢运动，实现物料输送、传递等搬运功能，例如搬运机器人。机器人研发水平最高的是日本、美国与欧洲国家。日本在工业机器人领域研发实力非常强，全球曾一度有60%的工业机器人都来自日本；美国则在特种机器人研发方面全球领先。它们在发展工业机器人方面各有特点：（1）日本模式各司其职，分层面完成交钥匙工程。即机器人制造厂商以开发新型机器人和批量生产优质产品为主要目标，并由其子公司或社会上的工程公司来设计制造各行各业所需要的机器人成套系统。（2）欧洲模式一揽子交钥匙工程。即机器人的生产和用户所需要的系统设计制造，全部由机器人制造商自己完成。（3）美国模式采购与成套设计相结合。本国国内基本上不生产普通的工业机器人，企业需要机器人通常由工程公司进口，再自行设计、制造配套的外围设备。总之，机器人行业的发展与30年前的电脑行业极为相似。机器人制造公司没有统一的操作系统软件，流行的应用程序很难在五花八门的装置上运行。机器人硬件的标准化工作也尚未开始，在一台机器人上使用的编程代码，几乎不可能在另一台机器上发挥作用。如果想开发新的机器人，通常的从零开始。我国在机器人领域的发展尚处于起步阶段，应以“美国模式”着手，在条件成熟后逐步向“日本模式”靠近。整体而言，与国外进口机器人相比，国产工业机器人在精度、速度等方面不如进口同类产品，特别是在关键核心技术上还没有取得应用突破。具体现状如下：（1）低端技术水平有待改善机器人制造包括整机制造、控制系统、伺服电动机与驱动器、减速器等方面，其中控制系统和减速器的核心技术仍由国外企业掌握，国内企业只能发挥组成优势，即将已接近成品的各部分模块组合到一起。然而，许多零部件的缺失使得国内企业在拓展产业链条方面颇受摯肘，而高昂的进口费用也极易威胁企业的生存状况。（2）产业链条亟待充实与规范与其他高端装备制造领域的情况不同，机器人制造主要集中在民营企业，产能规模自然不能比拟航空航天等产业，研发成果也无法在有利平台得到展现。可想而知，国资不足是国产制造的最大劣势，而缺乏国企的规模管理导致产业链条过于松散，从而无法实现集群式发展。而主流的工业机器人领域，配套产业及设备的集群效应才是机器人制造的关键。只有具备完善的产业链条，盈利空间才能得到提升。3.工业机器人的发展趋势从近几年推出的产品来看，工业机器人技术正向高性能化、智能化、模块化和系统化方向发展，其发展趋势主要为：结构的模块化和可重构化；控制技术的开放化、PC化和网络化；伺服驱动技术的数字化和分散化；多传感器融合技术的实用化；工作环境设计的优化和作业的柔性化等。（1）高性能工业机器人技术正向高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修方向发展，且单机价格不断下降。（2）机械结构向结构的模块化、可重构化发展例如，关节模块中的伺服电动机、减速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机；国外已有模块化装配机器人产品问市。.（3）本体结构更新加快随着技术的进步，机器人本体近10年来发展变化很快。以安川MOTOMAN机器人产品为例。L系列机器人持续10年，K系列机器人持续5年时间，SK系列机器人持续3年时间，1998年年底安川公司推出了最新的UP系列机器人，其最突出的特点是：大臂采用新型的非平行四边形的单连杆机构，工作空间有所增加，本体自重进一步减少，变得更加轻巧。（4）控制系统向基于PC的开放型控制器方向发展控制系统向基于PC的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧。（5）多传感器融合技术的实用化机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制；多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。（6）多智能体调控制技术多智能体调控制技术是目前机器人研究的一个崭新领域。主要对多机器人协作、多机器人通信、多智能体的群体体系结构、相互间的通信与磋商机理，感知与学习方法，建模和规划、群体行为控制等方面进行研究。二、工业机器人的分类关于工业机器人的分类，国际上没有制定统一的标准，有的按负载重量分，有的按控制方式分，有的按自由度分，有的按结构度分，有的按应用度分。例如机器人首先在制造业大规模应用，所