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工业机器人

工业机器人

分类: 机器人
属性: 技术
最后修改时间: 2024年03月27日
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  • 工业机器人
工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器人。工业机器人是自动执行工作的机器装置,是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。

       它可以接受人类指挥,也可以按照预先编排的程序运行,现代的工业机器人还可以根据人工智能技术制定的原则纲领行动。

由来

  1920年捷克作家卡雷尔·查培克在其剧本《罗萨姆的万能机器人》中最早使用机器人一词,剧中机器人“Robot”这个词的本意是苦力,即剧作家笔下的一个具有人的外表,特征和功能的机器,是一种人造的劳力。它是最早的工业机器人设想。

  20世纪40年代中后期,机器人的研究与发明得到了更多人的关心与关注。50年代以后,美国橡树岭国家实验室开始研究能搬运核原料的遥控操纵机械手,如图0.2所示,这是一种主从型控制系统,主机械手的运动。系统中加入力反馈,可使操作者获知施加力的大小,主从机械手之间有防护墙隔开,操作者可通过观察窗或闭路电视对从机械手操作机进行有效的监视,主从机械手系统的出现为机器人的产生为近代机器人的设计与制造作了铺垫。

  1954年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念,并申请了专利。该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节,利用人手对机器人进行动作示教,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。现有的机器人差不多都采用这种控制方式。1959年UNIMATION公司的第一台工业机器人在美国诞生,开创了机器人发展的新纪元。

  UNIMATION的VAL(veryadvantagelanguage)语言也成为机器人领域最早的编程语言在各大学及科研机构中传播,也是各个机器人品牌的最基本范本。其机械结构也成为行业的模板。其后,UNIMATION公司被瑞士STAUBLI收购,并利用STAUBLI的技术优势,进一步得以改良发展。日本第一台机器人由KAWASAKI从UNIMATION进口,并由kawasaki模仿改进在国内推广。

特点

  戴沃尔提出的工业机器人有以下特点:将数控机床的伺服轴与遥控操纵器的连杆机构联接在一起,预先设定的机械手动作经编程输入后,系统就可以离开人的辅助而独立运行。这种机器人还可以接受示教而完成各种简单的重复动作,示教过程中,机械手可依次通过工作任务的各个位置,这些位置序列全部记录在存储器内,任务的执行过程中,机器人的各个关节在伺服驱动下依次再现上述位置,故这种机器人的主要技术功能被称为“可编程”和“示教再现”。

  1962年美国推出的一些工业机器人的控制方式与数控机床大致相似,但外形主要由类似人的手和臂组成。后来,出现了具有视觉传感器的、能识别与定位的工业机器人系统

  当今工业机器人技术正逐渐向着具有行走能力、具有多种感知能力、具有较强的对作业环境的自适应能力的方向发展。当前,对全球机器人技术的发展最有影响的国家是美国和日本。美国在工业机器人技术的综合研究水平上仍处于领先地位,而日本生产的工业机器人在数量、种类方面则居世界首位。

构造分类

  工业机器人由主体、驱动系统和控制系统三个基本部分组成。主体即机座和执行机构,包括臂部、腕部和手部,有的机器人还有行走机构。大多数工业机器人有3~6个运动自由度,其中腕部通常有1~3个运动自由度;驱动系统包括动力装置和传动机构,用以使执行机构产生相应的动作;控制系统是按照输入的程序对驱动系统和执行机构发出指令信号,并进行控制。

  工业机器人按臂部的运动形式分为四种。直角坐标型的臂部可沿三个直角坐标移动;圆柱坐标型的臂部可作升降、回转和伸缩动作;球坐标型的臂部能回转、俯仰和伸缩;关节型的臂部有多个转动关节。

  工业机器人按执行机构运动的控制机能,又可分点位型和连续轨迹型。点位型只控制执行机构由一点到另一点的准确定位,适用于机床上下料、点焊和一般搬运、装卸等作业;连续轨迹型可控制执行机构按给定轨迹运动,适用于连续焊接和涂装等作业。

  工业机器人按程序输入方式区分有编程输入型和示教输入型两类。编程输入型是将计算机上已编好的作业程序文件,通过RS232串口或者以太网通信方式传送到机器人控制柜。

  示教输入型的示教方法有两种:一种是由操作者用手动控制器(示教操纵盒),将指令信号传给驱动系统,使执行机构按要求的动作顺序和运动轨迹操演一遍;另一种是由操作者直接领动执行机构,按要求的动作顺序和运动轨迹操演一遍。在示教过程的同时,工作程序的信息即自动存入程序存储器中在机器人自动工作时,控制系统从程序存储器中检出相应信息,将指令信号传给驱动机构,使执行机构再现示教的各种动作。示教输入程序的工业机器人称为示教再现型工业机器人。

  具有触觉、力觉或简单的视觉的工业机器人,能在较为复杂的环境下工作;如具有识别功能或更进一步增加自适应、自学习功能,即成为智能型工业机器人。它能按照人给的“指令”自选或自编程序去适应环境,并自动完成更为复杂的工作。

应用

  工业机器人在工业生产中能代替人做某些单调、频繁和重复的长时间作业,或是危险、恶劣环境下的作业,例如在冲压、压力铸造、热处理、焊接、涂装、塑料制品成形、机械加工和简单装配等工序上,以及在原子能工业等部门中,完成对人体有害物料的搬运或工艺操作。

  20世纪50年代末,美国在机械手和操作机的基础上,采用伺服机构和自动控制等技术,研制出有通用性的独立的工业用自动操作装置,并将其称为工业机器人;60年代初,美国研制成功两种工业机器人,并很快地在工业生产中得到应用;1969年,美国通用汽车公司用21台工业机器人组成了焊接轿车车身的自动生产线。此后,各工业发达国家都很重视研制和应用工业机器人。

  由于工业机器人具有一定的通用性和适应性,能适应多品种中、小批量的生产,70年代起,常与数字控制机床结合在一起,成为柔性制造单元或柔性制造系统的组成部分。

国内发展

  中国的工业机器人

  我国工业机器人起步于70年代初期,经过20多年的发展,大致经历了3个阶段:70年代的萌芽期,80年代的开发期和90年代的适用化期。

  70年代是世界科技发展的一个里程碑:人类登上了月球,实现了金星、火星的软着陆。我国也发射了人造卫星。世界上工业机器人应用掀起一个高潮,尤其在日本发展更为迅猛,它补充了日益短缺的劳动力。在这种背景下,我国于1972年开始研制自己的工业机器人。

  进入80年代后,在高技术浪潮的冲击下,随着改革开放的不断深入,我国机器人技术的开发与研究得到了政府的重视与支持。“七五”期间,国家投入资金,对工业机器人及其零部件进行攻关,完成了示教再现式工业机器人成套技术的开发,研制出了喷涂、点焊、弧焊和搬运机器人。1986年国家高技术研究发展计划(863计划)开始实施,智能机器人主题跟踪世界机器人技术的前沿,经过几年的研究,取得了一大批科研成果,成功地研制出了一批特种机器人

  从90年代初期起,我国的国民经济进入实现两个根本转变时期,掀起了新一轮的经济体制改革和技术进步热潮,我国的工业机器人又在实践中迈进一大步,先后研制出了点焊、弧焊、装配、喷漆、切割、搬运、包装码垛等各种用途的工业机器人,并实施了一批机器人应用工程,形成了一批机器人产业化基地,为我国机器人产业的腾飞奠定了基础。

  虽然中国的工业机器人产业在不断的进步中,但和国际同行相比,差距依旧明显。从市场占有率来说,更无法相提并论。工业机器人很多核心技术,当前我们尚未掌握,这是影响我国机器人产业发展的一个重要瓶颈。

发展历史

       20世纪50年代末,工业机器人最早开始投入使用。约瑟夫·恩格尔贝格(Joseph F.Englberger)利用伺服系统的相关灵感,与乔治·德沃尔(GeorgeDevol)共同开发了一台工业机器人——“尤尼梅特”(Unimate),率先于1961年在通用汽车的生产车间里开始使用。最初的工业机器人构造相对比较简单,所完成的功能也是捡拾汽车零件并放置到传送带上,对其他的作业环境并没有交互的能力,就是按照预定的基本程序精确地完成同一重复动作。“尤尼梅特”的应用虽然是简单的重复操作,但展示了工业机械化的美好前景,也为工业机器人的蓬勃发展拉开了序幕。自此,在工业生产领域,很多繁重、重复或者毫无意义的流程性作业可以由工业机器人来代替人类完成。

       20世纪60年代,工业机器人发展迎来黎明期,机器人的简单功能得到了进一步的发展。机器人传感器的应用提高了机器人的可操作性,包括恩斯特采用的触觉传感器;托莫维奇和博尼在世界上最早的“灵巧手”上用到了压力传感器;麦卡锡对机器人进行改进,加入视觉传感系统,并帮助麻省理工学院推出了世界上第一个带有视觉传感器并能识别和定位积木的机器人系统。此外,利用声呐系统、光电管等技术,工业机器人可以通过环境识别来校正自己的准确位置。

       自20世纪60年代中期开始,美国麻省理工学院、斯坦福大学、英国爱丁堡大学等陆续成立了机器人实验室。美国兴起研究第二代带传感器的、“有感觉”的机器人,并向人工智能进发。

       20世纪70年代,随着计算机和人工智能技术的发展,机器人进入了实用化时代。像日立公司推出的具有触觉、压力传感器,7轴交流电动机驱动的机器人;美国Milacron公司推出的世界第一台小型计算机控制的机器人,由电液伺服驱动,可跟踪移动物体,用于装配和多功能作业;适用于装配作业的机器人还有像日本山梨大学发明的SCARA平面关节型机器人等。

       20世纪70年代末,由美国Unimation公司推出的PUMA系列机器人,为多关节、多CPU二级计算机控制,全电动,有专用VAL语言和视觉、力觉传感器,这标志着工业机器人技术已经完全成熟。PUMA至今仍然工作在工厂第一线。

       20世纪80年代,机器人进入了普及期,随着制造业的发展,使工业机器人在发达国家走向普及,并向高速、高精度、轻量化、成套系列化和智能化发展,以满足多品种、少批量的需要。

       到了20世纪90年代,随着计算机技术、智能技术的进步和发展,第二代具有一定感觉功能的机器人已经实用化并开始推广,具有视觉、触觉、高灵巧手指、能行走的第三代智能机器人相继出现并开始走向应用。

       2020年,中国机器人产业营业收入首次突破1000亿元。“十三五”期间,工业机器人产量从7.2万套增长到21.2万套,年均增长31%。从技术和产品上看,精密减速器、高性能伺服驱动系统、智能控制器、智能一体化关节等关键技术和部件加快突破、创新成果不断涌现,整机性能大幅提升、功能愈加丰富,产品质量日益优化。行业应用也在深入拓展。例如,工业机器人已在汽车、电子、冶金、轻工、石化、医药等52个行业大类、143个行业中类广泛应用。

       2022年,嘉腾机器人推出国内首台差速20吨AGV驱动单元,该驱动单元采用差速重载动力模组以及控制策略,增强了产品实用性和耐用性。据悉,重载AGV可用于航天、高压容器、大型基建工程、模块化建筑工程等行业。

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