工业机器人(共8页)

浅谈工业机器人技术现状与发展1.摘要机器人技术是综合了机械学、计算机、控制论、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多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，机器人的应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。工业机器人(又称关节式机器人，机械手，机械臂等)由操作机、控制器、伺服驱动系统和检测传感器装置构成，是一种仿人操作、自动控制，可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。它对稳定提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着关键的作用。工业机器人国内外发展与研究现状2.1工业机器人国外发展与研究现状工业机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程功能的多功能操作机，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。在日本，单轴机器人同样被列入工业机器人的范畴。2.1.1工业机器人主要支撑技术上世纪80年代以来，工业机器人技术逐渐成熟，并很快得到推广，目前已经在工业生产的许多领域得到应用。在工业机器人逐渐得到推广并普及的过程中，以下三个方面的技术进步对工业机器人的发展起着非常重要的作用。(1)驱动方式的改变 20世纪70年代后期，日本安川电动机公司研制开发出了第一台全电动的工业机器人，而此前的工业机器人基本上采用液压驱动方式 。与采用液压驱动的机器人相比，采用伺服电动机驱动的机器人在响应速度、精度、灵活性等方面都有很大提高，因此，也逐步代替了采用液压驱动的机器人，成为工业机器人驱动方式的主流。在此过程中，谐波减速器、R V减速器等高性能减速机构的发展也功不可没。近年来，交流伺服驱动已经逐渐代替传统的直流伺服驱动方式，直线电动机等新型驱动方式在许多应用领域也有了长足发展。(2)信息处理速度的提高机器人的动作通常是通过机器人各个关节的驱动电动机的运动而实现的。为了使机器人完成各种复杂动作，机器人控制器需要进行大量计算，并在此基础上向机器人的各个关节的驱动电动机发出必要的控制指令。随着信息技术的不断发展，CPU的计算能力有了很大提高，机器人控制器的性能也有了很大提高，高性能机器人控制器甚至可以同时控制20多个关节。机器人控制器性能的提高也进一步促进了工业机器人本身性能的提高，并扩大了工业机器人的应用范围。近年来，随着信息技术和网络技术的发展，已经出现了多台机器人通过网络共享信息，并在此基础上进行协调控制的技术趋势。(3)传感器技术的发展机器人技术发展初期，工业机器人只具备检测自身位置、角度和速度的内部传感器。近年来，随着信息处理技术和传感器技术的迅速发展，触觉、力觉、视觉等外部传感器已经在工业机器人中得到广泛应用。各种新型传感器的使用不但提高了工业机器人的智能程度，也进一步拓宽了工业机器人的应用范围。2.1.2国外工业机器人发展现状日本是当今的工业机器人王国，既是工业机器人的最大制造国也是最大消费国。但实际上工业机器人的诞生地是美国。美国人英格伯格和德奥尔制造出了世界上第一台工业机器人，他们发现可以让机器人去代替工人一些简单重复的劳动，而且不需要报酬和休息，任劳任怨。接着他们两人合办了世界上第一家机器人制造工厂，生产unimate工业机器人，如图1所示。图1在美国诞生的Unimate工业机器人与此同时，十九世纪七十年代的日本正面临着严重的劳动力短缺，这个问题已成为制约其经济发展的一个主要问题。在美国诞生并已投入生产的工业机器人就给日本带来了福音。1967年日本川崎重工业公司首先从美国引进机器人及技术，建立生产厂房，并于1968年试制出第一台日本产unimate机器人。经过短暂的摇篮阶段，日本的工业机器人很快进入实用阶段，并由汽车业逐步扩大到其它制造业以及非制造业。1980年被称为日本的“机器人普及元年”，日本开始在各个领域推广使用机器人，这大大缓解了市场劳动力严重短缺的社会矛盾。再加上日本政府采取的多方面鼓励政策，这些机器人受到了广大企业的欢迎。美国是工业机器人的诞生地，基础雄厚，技术先进。现今美国有着一批具有国际影响力的工业机器人供应商，像Adept Technologe 、American Robot Emersom Industrial Automation 等。德国工业机器人的数量占世界第三，仅次于日本和美国，其智能机器人的研究和应用在世界上处于领先地位。目前在普及第一代工业机器人的基础上，第二代工业机器人经推广应用成为主流安装机型，而第三代智能机器人已占有一定比重并成为发展的方向。世界上的机器人供应商分为日系和欧系。瑞典的ABB公司是世界上最大机器人制造公司之一。1974年研发了世界上第一台全电控式工业机器人IRB6，主要应用于工件的取放和物料搬运。1975年生产出第一台焊接机器人。到1980年兼并Trallfa喷漆机器人公司后，其机器人产品趋于完备。ABB公司制造的工业机器人广泛应用在焊接、装配铸造、密封涂胶、材料处理、包装、喷漆、水切割等领域。德国的KUKA Roboter Gmbh公司是世界上几家顶级工业机器人制造商之一。1973年研制开发了KUKA的第一台工业机器人。年产量达到一万台左右。所生产的机器人广泛应用在仪器、汽车、航天、食品、制药、医学、铸造、塑料等工业，主要用于材料处理、机床装备、包装、堆垛、焊接、表面休整等领域。图2 是KUKA KR 100，用于高速、高精度焊接、切割和测量的机器人。图2意大利COMAU公司从1978年开始研制和生产工业机器人，至今已有30多年的历史。其机器人产品包括Smart系列多功能机器人和MASK系列龙门焊接机器人。广泛应用于汽车制造、铸造、家具、食品、化工、航天、印刷等领域。意大利COMAU公司研发的 Comau Smart NS1 如图3所示图3 Comau Smart NS12.2 我国工业机器人国内发展与研究现状2.2.1我国工业机器人的发展我国工业机器人起步于70年代初，其发展过程大致可分为三个阶段：70年代的萌芽期；80年代的开发期；90年代的实用化期。而今经过20多年的发展已经初具规模。目前我国已生产出部分机器人关键元器件，开发出弧焊、点焊、码垛、装配、搬运、注塑、冲压、喷漆等工业机器人。一批国产工业机器人已服务于国内诸多企业的生产线上；一批机器人技术的研究人才也涌现出来。一些相关科研机构和企业已掌握了工业机器人操作机的优化设计制造技术；工业机器人控制、驱动系统的硬件设计技术；机器人软件的设计和编程技术；运动学和轨迹规划技术；弧焊、点焊及大型机器人自动生产线与周边配套设备的开发和制备技术等。某些关键技术已达到或接近世界水平。一个国家要引入高技术并将其转移为产业技术（产业化），必须具备5个要素即5M:Machine/Materials/Manpower/Management/Market。和有着“机器人王国”之称的日本相比，我国有着截然不同的基本国情，那就是人口多，劳动力过剩。刺激日本发展工业机器人的根本动力就在于要解决劳动力严重短缺的问题。所以，我国工业机器人起步晚发展缓。但是正如前所述，广泛使用机器人是实现工业自动化，提高社会生产效率的一种十分重要的途径。我国正在努力发展工业机器人产业，引进国外技术和设备，培养人才，打开市场。日本工业机器人产业的辉煌得益于本国政府的鼓励政策，我国在十一五纲要中也体现出了对发展工业机器人的大力支持。经过20多年的发展，我国机器人技术和集成能力得到了很大提高，推进了工业机器人产品的系列化及工程应用，成功将机器人技术应用于传统产业，增强了企业的市场竞争力；实现了特种机器人，特别是水下机器人和反恐排爆机器人的跨越式发展；仿人机器人等也取得了显著成绩。在工业机器人方面， 经过“ 七五” 攻关计划、“九五”攻关计划和863计划的支持，取得了较大进展。(1)工业机器人系列产品和应用工程成为机器人产业化的龙头。在“九五”期间，我国研制出实用型装配机器人、弧焊机器人、点焊机器人及自动导引车（AGV）等一系列机器人产品，完成了小批量生产及其应用工程，包括一汽集团汽车自动焊接线，嘉陵、金城、三水摩托车焊接线，以及自动码垛、小型电器自动装配线等100多项机器人示范应用工程，为提高我国企业装备水平和工业机器人产业化做出了重要贡献。(2)机器人化机器推动我国工程机械的更新换代。经过多年的探索，我国在智能机器人的发展上确定了利用机器人技术去改造现有的机器，即研制机器人化机器、实现技术辐射的技术路线。同时，根据技术现状和市场情况，我国开始集中精力在工程机器人方面取得突破，徐州工程机械集团公司、江簏机械厂等单位合作完成了无人驾驶的振动式压路机、具有自动推平功能的推土机、可编程挖掘机、自动凿岩机、移动式隧道喷浆机等九种工程机械的机器人化，推动了国工程机械产品升级换代。此外，农业、建筑、冶金等行业的机械机器人化工作也在逐步展开。随着时间推移，这条技术辐射之路越走越宽，为我国传统机械设备的改造做出的贡献也越来越大。机器人的应用是一个国家工业自动化水平的重要标志。国外工业机器人技术日趋成熟，已经成为一种标准设备而得到工业界广泛应用。我国工业机器人的应用也已经20多年，促进了我国制造业的发展，但大部分产品依赖进口。2.2.2机器人企业发展概况我国机器人企业虽然经过20余年的发展，从无到有，从少到多。但是目前，专业从事机器人开发的企业仅50家左右。与国外机器人企业相比，我国工业机器人生产企业中，年产销量在100台以上、产值过5000万元规模的非常少，而国外大型公司年产量都达5000到10000台，销售额为数十亿美元。我国机器人企业的主导产品依然是工业机器人，如沈阳新松机器人自动化股份有限公司的产业化程度相对较高，2007年销售收入为6亿元，公司以工业机器人技术及装备为主导产业，一方面是研究开发成套的大系统集成、成套装备，另一方面有以AGV自动导引车等为主的机器人产品，以及点焊机器人和弧焊机器人等；机械工业自动化研究所特长产品是喷漆机器人；青岛海尔机器人有限公司的主导产品是注塑机器人；哈尔滨博实自动化公司生产的包装码垛机器人，在市场上与国外产品形成了同台竞争的局面。与国外机器人企业相比，我国机器人企业的优势在于，可提供本地研发、生产控制及售后服务。我国机器人在某些关键技术上有所突破，但是与世界发达国家相比，还存在很大差距。目前我国的机器人技术相当于发达国家20世纪80年代初的水平，特别是在制造工艺与装备方面，不能生产高精密、高速与高效的关键部件。具有中国知识产权的工业机器人很少，可靠性低于国外产品；机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术落后。目前我国从事机器人研发和应用工程的单位相对较少，企业研发投入不够，我国没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，品种规格多、批量小，存在零部件通用化程度低、供货周期长、成本较高，而且质量、可靠性差等问题。 根据国内外机器人发展的经验、现状及近几年的动态，结合当前国内经济发展的具体情况，“十五”期间机器人技术应重点开展智能机器人、机器人化机械及其相关技术的开发及应用；开展以机器人为基础的重组装配系统及其相关技术的开发研究及加强多传感器融合及决策、控制一体化技术及应用的研究。重点解决我国已研制应用多年的示教再现型工业机器人的产业化前期关键技术，大力推进其产业化进程，力争在“十五”末期实现喷涂、焊接、装配等机器人的产业化。 2主要研究内容 （1）示教再现型工业机器人产业化技术研究 关节式、侧喷式、顶喷式、龙门式喷涂机器人产品标准化、通用化、模块化、系列化设计。 柔性仿形喷涂机器人开发：柔性仿形复合机构开发，仿形伺服轴轨迹规划研究，控制系统开发，整机安全防爆、防护技术开发，高速喷杯喷涂工艺研究。 焊接机器人（把弧焊与点焊机器人作为负载不同的一个系列机器人，可兼作弧焊、点焊、搬运、装配、切割作业）产品的标准化、通用化、模块化、系列化设计。 弧焊机器人用激光视觉焊缝跟踪装置的开发：激光发射器的选用，CCD成象系统，视觉图象处理技术，视觉跟踪与机器人协调控制。 焊接机器人的离线示教编程及工作站系统动态仿真。 电子行业用装配机器人产品标准化、通用化、模块化、系列化设计。 批量生产机器人所需的专用制造、装配、测试设备和工具的研究开发。 （2）智能机器人开发研究 遥控加局部自主系统构成和控制策略研究 包括建模遥控机器人模型，人行为模型，人控制动态建模，图形仿真建模，虚拟工具和虚拟传感器建模；以人为主体的人机共享规划与控制；局部自治控制；多传感融合技术；双向力反应控制；知识库的建立，学习与推理方法；人机交互的高级控制技术；虚拟现实（VR）控制与真实世界控制的相互关系；监控系统的结构。 智能移动机器人的导航和定位技术研究 包括导航和定位系统的系统结构；在结构环境或非结构环境中导航和定位方法研究；感知系统的传感器和信息处理系统的构成；根据传感器数据建立环境模型的方法；模糊逻辑的推理方法用于移动机器人导航的研究。 面向遥控机器人的虚拟现实系统 包括人机交互图形生成及其程序设计；遥控机器人（载体和机械手）几何动态图形建模；遥控操作环境图形建模；遥控机器人操作与数据的获取；虚拟传感器及基于虚拟传感器的双向力反应、反馈控制；面向任务的虚拟工具；基于虚拟现实的遥控操作的理论与方法；基于VR模型操作和真实世界操作的可切换、相容性和可交换性；VR监控系统。 人机交互环境建模系统 包括CAD建模中的人机交互技术；求知模型工件的反示过程中的交互技术；机器人与环境的布局及功能验证中的交互技术；传感器数据处理中的交互技术；机器人标定、运动学建模、动力学建模中的交互技术。 基于计算机屏幕的多机器人遥控技术 包括三维立体视觉建模；模型的计算机显示；遥控机器人模型的控制；人机接口；网络通讯。 （3）机器人化机械研究开发 并联机构机床（VMT）与机器人化加工中心（RMC）开发研究 包括VMT与RMC智能化结构实现技术；VMT与RMC关键传动实现技术；VMT与RMC加工、装配、摆放、涂胶、检测作业技术；VMT与RMC监控检测技术开发；VMT与MRC智能化开式CMC控制系统开发；系统软件和应用软件开发；智能化机构、材料机电一体化技术；作业状态变量智能化传感技术；机电一体化的多功能及灵巧作业终端；通用智能化开式CNC控制硬软件系统；并联机构运动学及动力学理论；RMC智能控制理论；VMT与RMC典型应用工程开发。 机器人化无人值守和具有自适应能力的多机遥控操作的大型散料输送设备 包括散料输送系统监控和遥控操作的传感器融合和配置技术；采用智能传感器的现场总线技术；机器人运动规划在等量堆取料、自主操作中的应用；基于广域网的远程实时通讯；具有监测和管理功能的故障诊断系统。 （4）以机器人为基础的重组装配系统 开放式模块化装配机器人 包括通用要素的提取；专用件标准化；装配机器人模块CAD设计；通用主流计算机构造的控制器；人机界面方式；网络功能。 面向机器人装配的设计技术 包括数字化装配与CAD集成技术；产品机器人化装配规划生成技术；产品可装配性模糊评价。 机器人柔性装配系统设计技术 其中单元技术：供料系统智能化设计、末端执行器快速执行、物流传输及其控制与通讯；集成技术：柔性装配线仿真软件、管理系统。 可重构机器人柔性装配系统设计技术 开展基于任务和环境的动态重构机器人柔性装配系统理论研究；系统基于自治体（Agent）的分布式控制技术及系统各单元体间的协作规划。 装配力觉、视觉技术 包括高精度、高集成化六维腕力传感技术；视觉识别与定位技术。 智能装配策略及其控制 包括装配状态实时检测和监控；装配顺序和路径智能规划及控制技术。 （5）多传感器信息融合与配置技术 机器人的传感器配置和融合技术在水泥生产过程控制和污水处理自动控制系统中的应用 包括面向工艺过程的多传感器融合和配置技术；采用智能传感器的现场总线技术；面向工艺要求的新型传感器研制。 机电一体化智能传感器 包括具有感知、自主运动、自清污（自调整、自适应）的机电一体化传感器研究；面向工艺要求的运动机构设计、实现检测和清污的自主运动；调节控制系统；机器人机构和控制技术在传感器设计中的应用。 出师表：先帝创业未半而中道崩殂，今天下三分，益州疲弊，此诚危急存亡之秋也。然侍卫之臣不懈于内，忠志之士忘身于外者，盖追先帝之殊遇，欲报之于陛下也。诚宜开张圣听，以光先帝遗德，恢弘志士之气，不宜妄自菲薄，引喻失义，以塞忠谏之路也。宫中府中，俱为一体；陟罚臧否，不宜异同。若有作奸犯科及为忠善者，宜付有司论其刑赏，以昭陛下平明之理；不宜偏私，使内外异法也。侍中、侍郎郭攸之、费祎、董允等，此皆良实，志虑忠纯，是以先帝简拔以遗陛下：愚以为宫中之事，事无大小，悉以咨之，然后施行，必能裨补阙漏，有所广益。将军向宠，性行淑均，晓畅军事，试用于昔日，先帝称之曰“能”，是以众议举宠为督：愚以为营中之事，悉以咨之，必能使行阵和睦，优劣得所。 亲贤臣，远小人，此先汉所以兴隆也；亲小人，远贤臣，此后汉所以倾颓也。先帝在时，每与臣论此事，未尝不叹息痛恨于桓、灵也。侍中、尚书、长史、参军，此悉贞良死节之臣，愿陛下亲之、信之，则汉室之隆，可计日而待也。臣本布衣，躬耕于南阳，苟全性命于乱世，不求闻达于诸侯。先帝不以臣卑鄙，猥自枉屈，三顾臣于草庐之中，咨臣以当世之事，由是感激，遂许先帝以驱驰。后值倾覆，受任于败军之际，奉命于危难之间，尔来二十有一年矣。先帝知臣谨慎，故临崩寄臣以大事也。受命以来，夙夜忧叹，恐托付不效，以伤先帝之明；故五月渡泸，深入不毛。今南方已定，兵甲已足，当奖率三军，北定中原，庶竭驽钝，攘除奸凶，兴复汉室，还于旧都。此臣所以报先帝而忠陛下之职分也。至于斟酌损益，进尽忠言，则攸之、祎、允之任也。愿陛下托臣以讨贼兴复之效，不效，则治臣之罪，以告先帝之灵。若无兴德之言，则责攸之、祎、允等之慢，以彰其咎；陛下亦宜自谋，以咨诹善道，察纳雅言，深追先帝遗诏。臣不胜受恩感激。今当远离，临表涕零，不知所言。