1、第四章第四章 制造自动化技术制造自动化技术 第三节第三节 工业机器人工业机器人 一、概况一、概况 工业机器人是一种可编程的智能型自动化设备，是应用计算机进行控制的替代人进行工作的高度自动化系统。机器人是从初级到高级逐步完善起来的，它的开展过程可以分为三代。第一代机器人是目前工业中大量使用的示教再现型机器人，它主要由夹持器、手臂、驱动器和控制器组成。第二代机器人是带感觉的机器人，它具有一些对外部信息进行反响的能力，诸如力觉、触觉、视觉等。机器人一词首先由捷克剧作家、小说家卡列尔 卡佩克使用并推荐给全世界。然后由另一位作家阿西莫夫在他的小说?我，机器人?中给机器人下了“机器人学三定律：机器人不得伤
2、害人或由于故障而使人遭受不幸；机器人应执行人们所下达的指令，除非这些指令与第一定律相矛盾；机器人应能保护自己的生存，只要这种防护行为不与第一或第二定律相矛盾。后来又出现了补充的“机器人零定律：机器人必须保护人类的整体利益不受伤害，其它三条定律都是在这一前提下才能成立。1959年，英格伯格和德沃尔设计出了世界上第一台真正实用的工业机器人，名叫“尤尼梅特。世界上第一台工业机器人世界上第一台工业机器人“尤尼梅特“尤尼梅特正在生产线上工作正在生产线上工作 1961年，英格伯格和德沃尔筹办了世界上第一家专门生产机器人的工厂“尤尼梅特公司。1961年，英格伯格也被人们誉为“工业机器人之父。1954年，电子
3、学家德沃尔 获得了一项“可编程序机械手 的专利。1967年，日本引进了美国的工业机器人技术，经过消化、仿制、改进、创新，到1980年，机器人技术在日本取得了极大的成功与普及。80年代以来，国际机器人的开展速度平均保持在2530年增长率，所生产的机器人主要用于改善恶劣的工作条件。我国机器人技术起步较晚，1987年，北京首届国际机器人展览会上，我国展出了10余台自行研制或仿制的工业机器人。经过“七五、“八五攻关，我国研制和生产的工业机器人已到达了工业应用水平。二、工业机器人的定义二、工业机器人的定义 1国际上关于机器人的几种定义 美国机器协会RIA：机器人是一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装
4、置的，通过程序动作来执行各种任务，并具有编程能力的多功能操作机。日本工业机器人协会：工业机器人是一种装备有记忆装置和末端执行装置的、能够完成各种移动来代替人类劳动的通用机器。国际标准化组织ISO：机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能操作机，这种操作机具有几个轴，能够借助可编程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。国家标准GB/T1264390将工业机器人定义为：工业机器是一种能自动定位控制，可重复编程的，多功能的、多自由度的操作机。能搬运材料、零件或操持工具，用以完成各种作业。三、工业机器人的结构三、工业机器人的结构 工业机器人一般有以下几局部构成：机身局部
5、：如同机床的床身结构一样，机器人机身构成机器人的根底支撑。有的机身底部安装有机器人行走机构；有的机身可以绕轴线回转，构成机器人的腰。手臂局部：分为大臂、小臂和手腕，完成各种动作。末端操作器：可以是拟人的手掌和手指，也可以是各种作业工具，如焊枪、喷漆枪等。关节：分为滑动关节和转动关节。实现机身、手臂各局部、末端操作器之间的相对运动。工业机器人一般由主构架手臂、手腕、驱动系统、测量系统、控制器及传感器等组成。工业机器人不同于机械手。工业机器人具有独立的控制系统，可以通过编程实现动作程序的变化；而机械手只能完成简单的搬运、抓取及上下料工作，它一般作为自动机或自动线上的附属装置，工作程序固定不变。液压
6、/电气动力装置机器人控制器手臂摆转俯仰转动肘部伸长手臂偏转手腕肩部旋转工业机器人的典型结构 四、机器人的主要技术参数四、机器人的主要技术参数 1自由度：指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目。2工作精度：包括定位精度和重复定位精度。可以用精密度、正确度、和准确度三个参数来衡量。定位精度：指机器人实际到达的位置和设计的理想位置之间的差异。重复定位精度：指机器人重复到达某一目标位置的差异程度。3工作范围：指机器人末端操作器所能到达的区域。5承载能力：指机器人在工作范围内的任何位姿上所能承受的最大质量。4工作速度：指机器人各个方向的移动速度或转动速度。这些速度可以相同，可以不同。PUMA562工业机器
7、人 五、工业机器人的分类五、工业机器人的分类 1按用途分：工业机器人、空间机器人、水下机器人、军用机器人、排险救灾机器人、教学机器人和娱乐机器人等。2按主要功能分：操作机器人：主要是模仿人的手和手臂的工作。移动机器人：工业生产中带有行走机构的机器人完成运输，上下料等工作。信息机器人：主要指以计算机系统为根底的智能行为模拟装置。人机机器人：机器人和真人之间构成一个闭环系统。如假肢机器人。3按技术级别分：第一代工业机器人：主要是示教再现控制的操作机器人。第二代工业机器人：具有感受功能的工业机器人。包括具有光觉、视觉、触觉、声觉等。第三代工业机器人：指智能化的高级机器人。4按坐标系统来分：直角坐标型
8、：只具有移动关节。圆柱坐标型：具有一个转动关节、其余为移动关节的机器人。球坐标型：具有两个转动关节、其余为移动关节的机器人 关节型：具有三个转动关节的机器人。89自动生产线悬挂链3215671011121操作机；2识别装置；3外启动；4喷漆工件；5示教手把；6喷枪；7漆罐；8外同步控制；9生产线停线控制；10控制系统;11遥控急停开关；12油源4喷漆工业机器人系统示意图 工业机器人的运动由主构架和手腕完成。主构架具有三个自由度，其运动由两种根本运动组成，即沿着坐标轴的直线移动和绕坐标轴的回转运动。不同运动的组合形成各种类型的机器人，如以下图所示。工业机器人的根本结构形式有：直角坐标型以下图(a
9、)中有三个直线坐标轴；圆柱坐标型以下图(b)中有两个直线坐标轴和一个回转轴；球坐标型以下图(c)4中有一个直线坐标轴和两个回转轴；关节型以下图(d)中有三个回转轴关节，以下图(e)中有三个平面运动关节。项目名称 说明 坐标型式 常用的坐标型式有直角坐标、圆柱坐标、球坐标、关节坐标等 运动自由度数 自由度数表示机器人动作的灵活程度，机器人的自由度一般少于6个，也有多于6个的 各自由度的动作范围 自由度的动作范围是指各关节的活动范围。各关节的基本动作范围决定了机器人操作机工作空间的开头和大小 各自由度的动作速度 各自由度的动作速度是指各关节的极限速度 额定负载 额定负载是指在规定性能范围内，在手腕
10、机械接口处所能随的最大负载允许值 精度 精度主要包括位姿精度、位姿重复性、轨迹精度、轨迹重复性等。其中，位姿精度是指指令位姿和从同一方向接近该指令位姿时各实到位姿与中心之间的偏差；位姿重复性是指对于同一指令位姿，从同一方向重复向应几次的实到位置和姿态的一致程度；轨迹精度是指机器人机械接口从同一方向几闪跟随指令轨迹的接近能力，轨迹精度由位置轨迹精度（指令轨迹和实际轨迹的位置平均值的中心线之间的最大偏差）和姿态轨迹精度（指令姿态和实到姿态平均值中心线之间的最大偏差）两方面确定；轨迹重复性是指对一给定轨迹在同一方向跟随几次的实到轨迹之间的不一致程度，由位置轨迹重复性的姿态轨迹重复性两个方面确定(a)
11、工业机器人的根本结构形式：(a直角坐标型；(b圆柱坐标型；(c球坐标型；(d多关节型；(e平面关节型(b)工业机器人的根本结构形式:(a直角坐标型；(b圆柱坐标型；(c球坐标型；(d多关节型；(e平面关节型(c)工业机器人的根本结构形式：(a直角坐标型；(b圆柱坐标型；(c球坐标型；(d多关节型；(e平面关节型(d)工业机器人的根本结构形式：(a直角坐标型；(b圆柱坐标型；(c球坐标型；(d多关节型；(e平面关节型(e)工业机器人的根本结构形式：(a直角坐标型；(b圆柱坐标型；(c球坐标型；(d多关节型；(e平面关节型 5按受控方式分：点位控制型、连续控制型。6按驱动方式分：液压驱动、气压驱动
12、、电气驱动等。目前，工业机器人主要应用于汽车制造、机械制造、电子器件、集成电路、塑料加工等较大规模生产企业。下面介绍几种机器人的典型应用。1.汽车制造领域 以下图是一个焊接机器人系统的示意图。焊接机器人还分成采用点位控制的点焊机器人和采用轨迹控制的焊接机器人两种。六、工业机器人的应用六、工业机器人的应用 34562171总 机 座；2、6轴 旋 转 换 位 器；3、4控 制 装 置；5工 件 夹 具；6工 件；7焊 接 电 源焊接工业机器人系统示意图 机器人汽车焊接生产线 2.机械制造领域 机械制造企业的柔性制造系统采用搬运机器人搬运物料、工件和工具，装配机器人完成设备的零件装配，测量机器人进
13、行在线或离线测量。以下图所示是两台机器人用于自动装配的情况，主机器人是一台具有三个自由度且带有触觉传感器的直角坐标机器人，它抓取第1号(No.1)零件，并完成装配动作；辅助机器人仅有一个回转自由度，它抓取第2号(No.2)零件，第1号和第2号零件装配完成后，再由主机械手完成与第3号(No.3)零件的装配工作。ZYX主 机 械 手零 部 件 供 给N o.1N o.2N o.3到 下 一 工 位传 感 器X触 觉 传 感 器ZXY辅 助 机 械 手Y机器人用于零件装配 机器人及输送线物流自动化系统 以下图所示是一教学型FMS，由一台CNC车床、一台CNC铣床、工件传送带、料仓、两台关节型机器人和
14、控制计算机组成。两台机器人在FMS中效劳，一台机器人效劳于加工设备和传送带之间，为车床和铣床装卸工件；另一台位于传送带和料仓之间，负责上、下料。4532161 C N C铣床；2 传送带；3 机器人；4 C N C车床；5 料仓；6 中央处理器机器人上、下料 中国工业机器人的开展中国工业机器人的开展 70年代的萌芽期 80年代的开发期 90年代的适用化期 点焊机器人 搬运机器人 便携式机器人 我国首台“隧道凿岩机器人通过国家“863方案智能机器人验收。我国自行研制的“隧道凿岩机器人主要性能已到达国外同类产品先进水平，主要应用于铁路、公路、矿山、水电等根本建设中的隧道开挖。3.其它领域 机器人在
15、其它领域的应用也非常广泛，如工业机器人可以取代人去完成一些危险环境中的作业(如放射线、火灾、海洋、宇宙等)。例如，2004年1月4日，美国“勇气号火星探测机器人实现了人类登陆火星的梦想，以下图为“勇气号的图片。MARSOKHOD火星探测车火星探测车 丹蒂丹蒂ANTE机器人机器人 ANTE是美国卡内基 梅隆大学为探行星做准备而研制的，高3米，宽2米，重400千克。空间机器人空间机器人 日本研制的修理人造卫星的高性能太空机器人 美国研制的新型星球探索机器人“亥伯龙号 海洋机器人海洋机器人 海底蕴藏着十分丰富的生物和矿产资源，因此，海洋开发与太空开发同等重要！深飞Deep Flight1号潜水器“双
16、鹰水下机器人 无人遥控潜水艇 美国研制出一种机器金枪鱼，可以横渡大西洋漫长的海域。“逆戟鲸号无人无缆潜水器，最大潜深为6000米 HD系列水下机器人 极限操作机器人极限操作机器人 代替人类在核反响堆、空间、深海、灾区等危险地带工作，从事许多人所不能及的工作！日本研制的一种用于极限作业的机器人 处理核事故的机器人 军用机器人军用机器人 “徘徊者侦察机器人 遥控扫雷车 无人机?返回 很多国家已经开始考虑在军事方面投入研究！早在第二次世界大战期间，德国人就研制并首次使用了扫雷和反坦克用的遥控爆破机器人，美国人那么研制出遥控飞行机器人，这些可以称得上是原始的机器人武器。“土拨鼠右和“野牛左排爆机器人 高空无人侦察机 微型无人机 美国陆军日前展示的六轮传动无人地面战车，称为Crusher，是混合型运输车，每个轮子都具备引擎与悬吊系统，使重6.5吨的它可以克服任何极端地形 智能型吸尘器Roomba制造商iRobot与John Deare合力研发Gator，用于侦察边防，或于战区载送军火与士兵 iRobot生产的PackBot可以配备相机与爬楼梯，这款机器人已投入美国对伊朗及阿富汗战争 美国国防部与
