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工业机器人及其应用

发布时间:2020/1/8
             工业机器人及其应用
  什么是工业机器人
  工业机器人是机器人家族中的重要一员,也是目前在技术上发展最成熟、应用最多的一类机器人。虽然世界各国对工业机器人的定义不尽相同,但其内涵基本一致。国际标准化组织(ISO)对工业机器人给出了具体的定义:机器人具备自动控制及可再编程、多用途功能,机器人操作机具有三个或以上的可编程轴,在工业自动化应用中,机器人的底座可固定也可移动。
  工业机器人一般由两大部分组成:一部分是机器人执行机构,也称作机器人操作机,它完成机器人的操作和作业;另一部分是机器人控制器,它主要完成信息的获取、处理、作业编程、规划、控制以及整个机器人系统的管理等功能。机器人控制器是机器人中最核心的部分,机器人性能的优劣主要取决于控制系统的品质。当然,机器人要想进行作业,除去机器人以外,还需要相应的作业机构及配套的周边设备,这些与机器人一起形成了一个完整的工业机器人作业系统。图9为工业机器人的系统结构。
  
  图9 工业机器人系统结构图迄今为止,典型的工业机器人仅实现了人类胳膊和手的某些功能,所以机器人操作机也称作机器人手臂或机械手,一般简称为机器人。但是,随着科技的进步,很多机器人外观上已远远脱离了最初仿人型机器人和工业机器人所具有的形状,更加符合各种不同应用领域的特殊要求,其功能和智能程度也大大增强,从而为机器人技术开辟出更加广阔的发展空间。
  工业机器人的应用:
  机器人由于其作业的高度柔性和可靠性、操作的简便性等特点,满足了工业自动化高速发展的需求,被广泛应用于汽车制造、工程机械、机车车辆、电子和电器、计算机和信息以及生物制药等领域。我国从应用环境出发,将机器人分为两大类,即工业机器人和特种机器人。所谓工业机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。而特种机器人则是除工业机器人之外的、用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人,包括:服务机器人、水下机器人、娱乐机器人、军用机器人、农业机器人、机器人化机器等。在特种机器人中,有些分支发展很快,有独立成体系的趋势,如服务机器人、水下机器人、微操作机器人等。下面将对它们分别作简单的介绍。
  (1)典型的工业机器人:典型的工业机器人主要有弧焊机器人、点焊机器人、装配机器人和涂装机器人,它们是卷板机制造业中最常用的机器人类型。
  
  图10典型的弧焊机器人系统
  ①弧焊机器人:弧焊机器人的应用范围很广,除汽车行业之外,在通用机械、金属结构等许多行业中都有应用。弧焊机器人应是包括各种焊接附属装置在内的焊接系统,而不只是一台以规划的速度和姿态携带焊枪(weld-ing torch)移动的单机。一个典型的弧焊机器人系统,它主要包括三大部分:机器人操作机、机器人控制器和焊接系统。如图10所示。
  ②点焊机器人:汽车工业是点焊机器人一个典型的应用领域。一般装配每台汽车车体需要完成3000-4000个焊点,而其中的60%是由机器人完成的。在有些大批量汽车生产线上,服役的机器人台数甚至高达150台。引入机器人会取得下述效益:改善多品种混流生产的柔性;提高焊接质量;提高生产率;把工人从恶劣的作业环境中解放出来。今天,机器人已经成为汽车生产行业的支柱装备。现在点焊机器人正在向汽车行业之外的电机、建筑机械等行业逐步普及。如图11为汽车生产线上的点焊机器人。
  
  图11 汽车生产线上的点焊机器人           图12水平多关节型机器人
  ③装配机器人:水平多关节型机器人是装配机器人的典型代表。水平多关节型机器人如图12所示。手爪安装在手部前端,负责抓握物体,相当于人手的功能,事实上用一种手爪很难适应形状各异的工件。通常,按抓取对象的不同需要设计其手爪。最近开始在一些机器人上配备各种可换手,以增加通用性。手爪主要有电动手爪和气动手爪两种形式。
  装配机器人进行装配作业时,除机器人主机、手爪、传感器外,零件供给装置和卷板机工件搬运装置也至为重要。无论从投资额的角度还是从安装占地面积的角度,它们往往比机器人主机所占的比例大。周边设备常由可编程控制器控制,此外一般还要有台架、安全栏等。
  ④喷涂机器人:喷涂机器人广泛用于汽车车体、家电产品和各种塑料制品的喷涂作业。与其他用途的工业机器人比较,喷涂机器人在使用环境和动作要求上的特点是:工作环境包含易爆的喷涂剂蒸汽;沿轨迹高速运动,途经各点均为作业点;多数被喷涂件都搭载在传送带上,边移动边喷涂,所以它需要一些特殊性能。如图1 3为涂装车间臂挂式机器人生产线。
  
  图13壁挂式喷涂机器人
  喷涂机器人通常有液压喷涂机器人和电动喷涂机器人两类。
  除此之外,工业机器人还有一些其他的类型,如搬运机器人、水切割机器人、卷板机激光加工(切割、焊接及表面处理)机器人、检查和测量机器人、真空机器人以及移动式搬运机器人等。这些机器人进一步丰富和发展了机器人技术,同时也拓展了机器人应用领域,并且这些新的机器人和应用领域具有更广阔的发展前景。
  (2)特种机器人:
  ①水下机器人:21世纪是海洋世纪,海洋占整个地球总表面的71%,无论从政治、经济还是从军事角度看,人类都要进一步扩大开发和利用具有丰富资源的海洋。水下机器人作为一种高技术手段,在海洋开发和利用中扮演重要角色,其重要性不亚于宇宙火箭在探索宇宙空间的作用。
  水下机器人是一种可在水下移动、具有视觉和感知系统、通过遥控或自主操作方式、使用机械手或其他工具代替或辅助人去完成水下作业任务的装置。目前,投入使用的遥控水下机器人中有半数以上被用于完成水下观察使命。水下机器人,也称水下无人潜水器(UUV),图14所示是一载人潜水器。
  
  图14 载人潜水器
  目前水下机器人广泛应用在民用和军事领域,以及在海洋、内湖环境下的各类水下工程作业。民用方面主要是海洋科学考察,深海矿藏开采,海洋石油钻井平台作业,海底管线的铺设和检查,水下结构物的检查和维修,救助和打捞,水电站、大坝的检查和维修,水下施工的辅助作业,养殖业资源调查和娱乐用等。军用方面主要是援潜救生,打捞沉船,打捞有经济、战略价值的沉物,水下军事设施的建设,水下危险物的排除,大范围水下搜索及侦察,协助潜水员作业,长距离作战武器,水雷对抗及通信电缆埋设、维修等。其中最成功的商业化应用是在海洋石油工业中,利用机器人进行钻井平台的检修、维护和抢修,这类水下机器人必须携带机械手才能完成预定的工作。
  ②服务机器人:所谓服务机器人是一种以自主或半自主方式运行,能为人类健康提供服务的机器人,或者是能对设备运行进行维护的一类机器人。根据这个定义,装备在非制造业的工业机器人也可以看做是服务机器人。服务机器人往往是可以移动的,在多数情况下,服务机器人有一个移动平台。
  典型的服务机器人有医疗机器人、个人服务机器人、工程机器人和极限作业机器人等。
  医疗机器人是指辅助或代替人类医生进行医疗诊治及护理的机器人。医疗机器人有多种类型,如医疗外科机器人、X射线介人性治疗机器人、无损伤诊断与检测微小型机器人、人工器官移植与植入机器人、康复与护理机器人等。目前研究和应用较多的是医疗外科手术机器人。医疗外科机器人在提高手术质量,减少手术创伤,缩短病人的恢复周期,降低病人和医院的开支等方面带来一系列的技术变革,也将改变传统医疗外科的许多概念,将对新一代手术设备的开发与研制、对医学的进步产生深远的影响。从世界机器人的发展趋势看,用机器人辅助外科手术将成为一种必然趋势。
  
   图15 导盲犬机器人                图16 服务机器人
  个人服务机器人通常是指在医院、家庭、疗养院及康复中心等对残疾人、老人提供各种帮助的机器人,以及代替人进行家务劳动的机器人。如英国Mike Topping公司从1 987年开始研制一种称为Handy 1的机器人,它能为患有脑瘫、运动神经元疾病、中风、肌营养不良等疾病的残疾人和意外事故的受伤者提供多种服务,如帮助他们就餐、洗脸、刮脸、刷牙和化妆。图15是一个导盲犬机器人。瑞典Huaqvarna AB公司开发的“The Solar Mower”自主式草坪除草机是一种替代人从事除草劳动的家务服务机器人。这种除草机靠太阳能电池供电,开始工作时,它总是随机地选择一个方向开始移动,每当它碰到一个障碍或接受到限制电缆信号后,就改变方向。这种随机但连续的运行,使除草机一直不停地工作,直到整个草坪都被处理,并且除草机在无人照顾下可以连续工作几个星期。为了防止小偷,还可以在机器人除草机中设置一个密码,只有在输入正确的密码后,机器人才开始有序地工作。如果不知道密码的人试图停止或偷走它,一个内置的报警器将发出报警声。图16是一款病人用服务机器人。
  工程机器人通常是指在室外或野外代替人从事施工、建筑等作业的机器人。这类机器人是在传统的工程机械基础上发展而来的,有时也称为机器人化机器。也许从外观上看不出机器人化工程机械与传统工程机械的区别,但它是在传统工程机械基础上结合了机器人技术的一种智能机器,工作效率更高,作业质量更好,改善操作性能,降低操作者劳动强度和操作技术等级等。如压路机器人、隧道凿岩机器人、自动摊铺机、自动多向高架无轨堆垛机等;
  极限作业机器人是指代替人到人不能去或不适宜去的环境中进行作业的机器人,这些环境通常包括高温、高压、有毒、放射性、深水、高空等。人在这些环境中作业所能容忍的条件是有一定限度的,超过这些限度,就会危及人的生命。
  
  
  如 图17德国。
  机械甲虫”消防机器人17所示为德国设计的甲壳虫消防机器人,不但可以灭火,由于配备了全球定位导航系统,配备红外线和热传感器,还可以探测火源,在中国,上海消防研究所和上海交通大学等单位于1998年也研制成功了中国第一台消防机器人。它可以行走、爬坡、跨障碍、喷射灭火,还可以用于火场侦察。
  ③空间机器人:空间机器人是指在大气层内、外从事各种作业的机器人,包括在内层空问飞行并进行观测、可完成多种作业的飞行机器人,到外层空间其他星球上进行探测作业的星球探测机器人和在各种航天器里使用的机器人。
  ④微机器人:微机器人是微机械的重要分支之一,是微机械发展的高级形式。微操作机器人是以亚微米、纳米运动定位技术为核心,在较小空间中进行精密操作作业的装置,可以应用于生物显微操作、微电子制造、纳米加工等领域,将对21世纪人类生产和生活方式产生革命性影响,对国民经济建设和国防事业有重要的意义。
  微机器人与传统的大型机器人相比具有以下特点:能够进入窄小的空间中进行检测、维护等作业;能够实现微小尺寸水平上的精确定位;批量生产成本一般较低。
  
  图18 管道检测微型机器人
  如果按使用途径分类,微机器人大体可分管道机器人;平面移动机器人;水下机器人三类。如上海大学研究的管道检测微型机器人如图18所示。它可以在内径20毫米工业管道内对机械损伤裂纹等缺陷进行自动探测。 图19腔道检测微机器人上海交通大学研制的进入腔道的微型机器人如图19所示,它可携带光成像、传像、照明的内窥镜系统。1992年日本东京工业大学研制出用形状记忆合金SMA驱动的8足微型步行机器人。体长7毫米,用空气压力使橡胶管摆动,步行机器人腿直径为2毫米。
  随着将来技术的进步,对应于机器人的大小及用途也许会有明确的区别,例如用在消化道中移动的小型机器人,在微细血管中移动的微机器人,分散于体内与有害细菌作战的纳米机器人。但是到目前为止,实际开发的这类机器人几乎还是具有数毫米到数厘米大小的尺寸。
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