工业机器人技术基础-第一章-机器人基础知识

工业机器人技术基础主编杨杰忠 模块一工业机器人基础知识 任务一认识工业机器人知识目标:1.掌握工业机器人的定义。2.熟悉工业机器人的常见分类及行业应用。3.了解工业机器人的发展现状和趋势。4.了解工业机器人的安全使用注意事项。能力目标:2.能进行简单的机器人操作。1.能结合工厂自动化生产线说出搬运机器人、码垛机器人、装配机器人、涂装机器人和焊接机器人的应用场合。 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。任务一认识工业机器人 一、工业机器人的定义及特点1.工业机器人的定义美国机器人协会(RoboticIndustriesAssociation,RIA)将工业机器人定义为:“工业机器人是用来搬运材料、零部件、工具等可再编程序的多功能机械手,或通过不同程序的调用来完成各种工作任务的特种装置。”任务一认识工业机器人日本工业机器人协会(JapanIndustrialRobotAssociation,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。”任务一认识工业机器人国际标准化组织(InternationalOrganizationforStandardization,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。”任务一认识工业机器人2.工业机器人的特点(1)可编程生产自动化的进一步发展即柔性自动化。工业机器人可根据其工作环境变化的需要而再编程,因此它在小批量、多品种的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方面有类似人的行走机构、腰部、大臂、小臂、手腕、手爪等部分,由计算机控制。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。任务一认识工业机器人(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,更换工业机器人的手部末端执行器(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。任务一认识工业机器人二、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,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。任务一认识工业机器人而到了现代,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就不难看出。科技的进步使机器人不仅停留在科幻故事里,它正一步步“潜入”人类生活的方方面面。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,如图1-1-1所示,这个外形类似坦克炮塔的机器人可实现回转、伸缩、俯仰等动作,它被称为现代机器人的开端。之后,不同功能的工业机器人相继出现并且被应用在不同的领域。任务一认识工业机器人图1-1-1世界上第一台工业机器人Unimate任务一认识工业机器人正文2.工业机器人的发展现状机器人作为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,从简单机器人发展到智能机器人,意味着机器人技术的发展已取得长足进步。任务一认识工业机器人2005年,日本安川(YASKAWA)公司推出能够从事此前由人类完成的组装及搬运作业的产业机器人MOTOMAN-DA20和MO-TOMAN-IA20,如图1-1-2所示。MOTOMAN-DA20机器人是一款在仿造人类上半身的构造物上配备2个六轴驱动臂型的双臂机器人,其上半身构造物本身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,因此MOTOMAN-DA20机器人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,它与协调控制2个臂型机器人相比,占地面积更小。其单臂负重能力为20kg,双臂最多可搬运40kg的工件。图1-1-2YASKAWA公司的产业机器人a)双臂机器人MOTOMAN-DA20b)七轴机器人MOTOMAN-IA20任务一认识工业机器人2010年,意大利柯马(COMAU)公司宣布SMART5PAL码垛机器人研制成功,如图1-1-3所示。它专为码垛作业设计,采用新的控制单元C5G和无线示教,有效载荷范围为180~260kg,作业半径达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,满足一般工业部门客户的高质量要求,主要应用在装载和卸载、多个产品拾取、堆垛和高速操作等场合。任务一认识工业机器人图1-1-3COMAU公司的码垛机器人SMART5PAL任务一认识工业机器人正文同年,德国KUKA公司的机器人产品——气体保护焊接专家KR5arcHW,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,穿孔敷设不仅可以避免气体软管组件受到机械性损伤,而且可以防止软管在机器人改变方向时随意甩动。这一设计既可用于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,实现了对整套软管的最佳保护,而且使离线编程也得到了简化。任务一认识工业机器人图1-1-4KUKA公司的焊接机器人KR5arcHW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,承重极限达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装配机器人具备一个三轴手腕,用于处理复杂的生产线任务,还能按要求旋转零件,几乎可与手工媲美。四轴模式下的M-3iA装配机器人具备一个单轴手腕,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。任务一认识工业机器人图1-1-5FANUC公司的装配机器人RobotM-3iA正文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机器人、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,如搬运机器人。目前,机器人研发水平较高的是日本、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。任务一认识工业机器人任务一认识工业机器人各个国家在发展工业机器人方面的特点：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。机器人行业的发展与30年前的计算机行业极为相似。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人上发挥作用。如果想开发新的机器人,通常需要从零开始。任务一认识工业机器人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、速度等方面不如同类进口产品,特别是在关键核心技术上还没有取得应用突破。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、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。任务一认识工业机器人(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、检测系统向着三位一体的方向发展;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世。任务一认识工业机器人(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。以日本安川公司的MOTOMAN机器人产品为例,L系列机器人持续10年时间,K系列机器人持续5年时间,SK系列机器人持续3年时间。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,本体自重进一步减小,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,装配机器人和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系统中已有成熟应用。任务一认识工业机器人(6)多智能体调控技术多智能体调控技术是目前机器人研究的一个热点领域,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。三、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,有的按负载重量分类,有的按控制方式分类,有的按自由度分类,有的按结构度分类,有的按应用度分类。任务一认识工业机器人1.按机器人的技术等级划分按照机器人技术发展水平可以将工业机器人分成三代。(1)第一代机器人——示教再现机器人示教再现机器人能够按照人类预先示教的轨迹、行为、顺序和速度重复作业。示教可以由操作人员手把手地进行。例如操作人员握住机器人上的喷枪,沿喷漆路线示教一遍,机器人会记住这一连串运动,工作时,自动重复这些运动,从而完成给定位置的涂装工作。这种手把手示教方式即所谓的直接示教,如图1-1-6a所示。但是,比较普遍的方式是通过示教器示教,如图1-1-6b所示。操作人员利用示教器上的开关或按键来控制机器人一步一步运动,机器人自动记录,然后重复。目前在工业现场应用的机器人大多属于第一代机器人。任务一认识工业机器人图1-1-6示教再现工业