工业机器人技术基础

本节导入 近年，随着劳动力成本不断上涨，工业领域“机器换人”现象普遍，工业机器人市场与产业也因此逐渐发展起来。那么，世界上第一台机器人是谁呢？它诞生于哪一年？机器人经历多少年的发展才到现在的程度呢？工业机器人又是如何定义的呢？ 英文名字机器人robot（罗伯特）源于捷克语robota，意思是奴隶劳动。这个词第一次的出现是在捷克剧作家卡尔·查别克在1920年的作品《罗萨姆的万能机器人》中后来变得家喻户晓。 科幻文学作品玩具商店中的玩具 20世纪50年代 约瑟夫·恩格尔伯格（美）& 乔治·德沃尔（美）设计发明出 世界上第一台工业机器人Unimate ●意思为“万能自动” 是用于压铸的五轴液压驱动机器人 ●手臂的控制由一台计算机完成 ●能够记忆完成180个工作步骤 作为这个世界上第一个工业机器人和第一家机器人企业的联合开创者，恩格尔伯格也从此被称为为“机器人之父”。 约瑟夫·恩格尔伯格（美）JosephF·Engelberger 研制出了世界上第一台工业机器人被誉为“机器人之父” 乔治·德沃尔（美）GeorgeDevol 第一台可编程工业机器人的发明者成立世界上第一家机器人公司Unimation 沃萨特兰 1962年 美国机械与铸造公司（AMF） 试制出“Versatran”工业机器人 ●意思为多用途搬运机器人 主要用于机器之间的物料运输 ●它的手臂可以绕底座回转，沿垂直方向升降，也可以沿半径方向伸缩 在工业机器人问世的最初十年，机器人技术的发展较为缓慢，主要停留在大学和研究所的实验室里。比较有代表性的机器人就是Unimate（尤尼梅特）机器人和Versatran（沃萨特兰）机器人。 20世纪70年代，随着人工智能、自动控制理论、电子计算机等技术的发展，机器人技术进入了一个新的发展阶段，机器人进入工业生产的实用化时代。最具代表性的机器人是美国Unimation公司的PUMA系列工业机器人和日本山梨大学牧野洋研制的SCARA机器人。 世界上第一台机电驱动的6轴机器人面世 德国KUKA（库卡）公司将其使用的Unimate机器人研发改造成其第一台产业机器人命名为Famulus 开发出世界上第一台 全电力驱动的工业机器人IRB-6 采用仿人化设计其手臂动作模仿人类的手臂 PUMA至今仍然工作在工厂第一线。不仅如此，有些大学还用Puma系列的工业机器人作为教具。 Programmable Universal Machine for Assembly 应用于通用汽车装配线 这标志着工业机器人技术已经完全成熟 世界第一台SCARA工业机器人Selective Compliance Assembly Robot Arm 工业机器人进入普及时代 大量在汽车、电子等行业中使用机器人产业水平和规模都得到迅速发展 机器人的研究跌入低谷 工业机器人的应用没有得到充分挖掘不少机器人厂家倒闭 机器人产业出现复苏 世界机器人数量以较快增长率逐年增加并以较好的发展势头进入21世纪 机器人产业发展迅猛 世界工业机器人的市场前景看好 据国际机器人联合会（IFR）数据，2014-2018年全球工业机器人发展规模如图所示，预计将在2019-2021年间平均每年销售量增长至14％。 美国是最早研发机器人的国家 Adept爱德普机器人公司 也是机器人应用最广泛的国家之一 ⚫成立于1983年⚫美国本土最大的工业机器人制造商⚫在SCARA机器人、并行机器人、AGV机器人和机器视觉等方面具有非常先进的技术 美国机器人在性能可靠性、机器人语言、智能技术等方面一直处于领先水平 美国把机器人看成再次工业化的象征，为了强化其产业在全球的市场份额，增加了机器人科研经费，鼓励工业界发展和应用机器人。 机械装配材料处理螺杆驱动包装机器抚育 爱德普SCARA 4轴机器人 虽然日本的机器人产业发展晚于美国，但是日本善于引进和消化国内外的先进技术，逐渐发展成如今的工业机器人第一大国。日 本 日本国内成立了日本机器人协会，并在汽车与电子等行业大量使用机器人，实现了工业机器人的普及 无论机器人的数量还是机器人的密度，日本都位居世界第一，赢得了“机器人王国”的称号 川崎重工业公司率先从美国引进工业机器人技术，日本机器人走出了试验应用阶段，并进入到成熟产品大量应用的阶段 20世纪70年代，德国就开始了“机器换人”的过程。同时德国政府通过长期资助和产学研结合，扶植了一批机器人产业和人才梯队，如KUKA机器人公司。 德国工业机器人 总数位居世界第二位，仅次于日本 随着德国工业迈向以智能生产为代表的“工业4.0”时代，德国企业对工业机器人的需求将继续增加。 全球工业机器人和设备与系统技术的领先企业工业机器人四大家族之一 焊接、安装、切割、卷边、3D打印、铸造、搬运 品类齐全 领域广泛 航天、汽车、物流、电子、能源、医疗 法国 法国机器人在法国企业界迅速发展和普及 如今法国机器人在国际工业机器人界拥有不可或缺的一席之地 French robotics 英国 英国工业机器人起步日本还要早并取得了早期的辉煌 然而当时英国候政府对工业机器人实行了限制发展的错误措施，导致机器人的发展在西欧几乎处于末位 世界首个触觉传输遥操作机器手进行国际象棋演示 English robotics 中国 经过40多年的发展，我国在工业机器人基础技术和工程应用上取得了快速发展，奠定了独立自主发展机器人产业基础 Chinese robotics 理论研究阶段 这一阶段主要由高校对机器人基础理论进行研究 20世纪70年代至80年代初期 在这一阶段我国工业机器人步入了跨越式的发展时期 样机研发阶段 20世纪80年代中期 示范应用阶段 这一阶段研制出多种工业机器人系列产品以及建立了多个机器人基地 20世纪90年代 产业化阶段 在这一阶段先后涌现出以新松机器人为代表的多家从事工业机器人生产的企业 工业机器人多种多样，不仅仅是用途多样、驱动方式多样，还有智能化程度不同、控制方式不同等。那么，我们如何定义工业机器人呢？ 由于机器人一直在随科技的进步而发展出新的功能，因此工业机器人的定义还是一个未确定的问题。 机器人是“貌似人的自动机，具有智力的和顺从于人的但不具人格的机器”。这一定义并不完全正确，因为还不存 比较广义的工业机器人定义。 作来处理各种材料、零件、工具和专用装置， 由以上定义不难发现，工业机器人具有四个显著特点。 特定的机械机构 其动作具有类似于人或其他生物的某些器官（肢体、感受等）的功能 通用性 可完成多种工作、任务，可灵活改变动作程序 不同程度的智能 如记忆、感知、推理、决策、学习等 独立性 完整的机器人系统在工作中可以不依赖人的干预 本节导入 工业机器人多种多样，关于工业机器人的分类，从不同的角度有不同的分类，那么，工业机器人如何分类呢？ 结构坐标特性 工业机器人 工业机器人的机械配置形式多种多样，典型机器人的机构运动特性是用其坐标特性来描述的，按基本动作机构，工业机器人通常可分为哪几种类型呢？ 直角坐标机器人 直角坐标机器人具有空间上相互垂直的多个直线移动轴，通常为3个轴，如图所示，通过直角坐标方向的3个独立自由度确定其手部的空间位置，其动作空间为一长方体。 柱面坐标系机器人 柱面坐标机器人主要由旋转基座、垂直移动和水平移动轴构成，R、θ和Z为坐标系的三个坐标，具有一个回转和两个平移自由度，其动作空间呈圆柱形。著名的Versatran机器人就是典型的柱面坐标机器人。 R：手臂的径向长度 θ：手臂的角位置 Z：垂直方向上手臂的位置 （a）示意图 球面坐标机器人 球面坐标机器人又称为极坐标型机器人，结构如图所示，R、θ和β为坐标系的三个坐标，具有平移、旋转和摆动三个自由度，动作空间形成球面的一部分。其机械手能够作前后伸缩移动、在垂直平面上摆动以及绕底座在水平上转动。著名的Unimate机器人就是这种类型的机器人。 这三种类型的机器人各有什么特点呢？ 直角坐标机器人 柱面坐标机器人 球面坐标机器人 结构简单、刚性好，但缺点是在机器人动作范围内，必须有沿轴线前后方向的移动空间，空间利用率较低。 结构简单，定位精度高，空间轨迹易于求解；动作范围相对较小，设备的空间因数较低。 结构紧凑，所占空间体积小于直角坐标和柱面坐标机器人。 多关节型机器人 多关节型机器人由多个旋转和摆动机构组合而成。这类机器人结构紧凑工作空间大、动作最接近人的动作，对涂装、装配、焊接等多种作业都有良好的适应性，应用范围越来越广。其摆动方向主要有铅锤方向和水平方向两种，因此这类机器人又可分为垂直多关节机器人和水平多关节机器人。 垂直多关节型机器人 如图所示，垂直多关节机器人它模拟了人类的手臂功能，是以其各相邻运动构件的相对角位移作为坐标系的。θ、α和Φ为坐标的三个坐标，这种机器人的动作空间近似一个球体，所能到达区域的行传取决于两个臂的长度比例，因此也称为多关节球面机器人。 θ:绕底座铅锤轴的转角 Φ：过底座的水平线与第一臂之间的夹角 α：第二臂相对于第一臂的转角 垂直多关节坐标机器人 水平多关节型机器人 如图所示，水平多关节机器人在结构上具有串联配置的两个能够在水平面内旋转的手臂，其自由度可以根据用途选择2到4个，ω1、ω2、ω3是绕着各轴做旋转运动，z是在垂直方向做上下移动，其动作空间为一圆柱体。 （a）示意图 垂直多关节机器人和水平多关节机器人各有什么特点呢？ 优点是可以自由地实现三维空间地各种姿势，可以生成各种复杂形状地轨迹，且动作范围很宽，缺点是结构刚度较低，动作的绝对位置精度较低。 垂直多关节机器人 优点是在垂直方向上的刚性好，能方便地实现二维平面上的动作，在装配作业中得到普遍应用。 工业机器人分类 按照控制方式可把机器人分为非伺服控制机器人和伺服控制机器人两种。 非伺服控制机器人 伺服控制机器人 有更强的工作能力，价格更贵，在某些情况下不如简单的机器人可靠。伺服系统的被控制量可为机器人手部执行装置的位置、速度、加速度和力等 工作能力比较有限，机器人按照预先编好的程序顺序进行工作，使用限位开关、制动器、插销板和定序器来控制机器人的运动 非伺服控制机器人 如图所示，驱动装置接通能源后，就带动机器人的手臂、腕部和手部等装置运动。当他们移动到由限位开关所规定的位置时，限位开关切换工作状态，给定序器送去一个工作任务已完成的信息，并使终端制动器动作，切断驱动能源，使机器人停止运动。 伺服控制机器人 通过传感器取得的反馈信号与来自给定装置的综合信号，用比较器加以比较后，得到误差信号，经过放大后用以激发机器人的驱动装置，进而带动末端执行器以一定的规律运动，到达规定的位置和速度等，这是一个反馈控制系统。如图所示。 具有至少一个并联机构和一个或多个串联机构 并联机器人一个轴的运动不影响另一个轴的坐标原点 串联机器人一个轴的运动会改变另一个轴的坐标原点 Characteristics oftandem robot 结构简单 因其结构简单、易操作、灵活性强、工作空间大等特点而得到广泛的应用 运动链较长 串联机器人的不足之处在于运动链较长，系统的刚度和运动精度较低 不宜高速操作 串联机器人各手臂的运动惯量相对校对，因而不宜实现高速或超高速操作 Characteristics ofparallel robot 动态性能优越，适合高速、高加速场合 并联机构各个关节的误差可以相互抵消，相互弥补，运动精度高 采用并联闭环结构、机构具有较大的承载能力 Characteristics ofhybrid robot 既有串联机器人工作空间大、运动灵活的特点，又有并联机器人刚度大、承载能力强的特点 2 3 因其精度高的特点，可以高精度、高效率地实现物料的高速分拣，