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    工業(yè)機器人及其應用
    		

    

    
發(fā)布時間：2020/1/8

    

    
　　　　　　　　　　　　　工業(yè)機器人及其應用
    
　　什么是工業(yè)機器人
    
　　工業(yè)機器人是機器人家族中的重要一員，也是目前在技術上發(fā)展最成熟、應用最多的一類機器人。雖然世界各國對工業(yè)機器人的定義不盡相同，但其內(nèi)涵基本一致。國際標準化組織(ISO)對工業(yè)機器人給出了具體的定義：機器人具備自動控制及可再編程、多用途功能，機器人操作機具有三個或以上的可編程軸，在工業(yè)自動化應用中，機器人的底座可固定也可移動。
    
　　工業(yè)機器人一般由兩大部分組成：一部分是機器人執(zhí)行機構，也稱作機器人操作機，它完成機器人的操作和作業(yè)；另一部分是機器人控制器，它主要完成信息的獲取、處理、作業(yè)編程、規(guī)劃、控制以及整個機器人系統(tǒng)的管理等功能。機器人控制器是機器人中最核心的部分，機器人性能的優(yōu)劣主要取決于控制系統(tǒng)的品質(zhì)。當然，機器人要想進行作業(yè)，除去機器人以外，還需要相應的作業(yè)機構及配套的周邊設備，這些與機器人一起形成了一個完整的工業(yè)機器人作業(yè)系統(tǒng)。圖9為工業(yè)機器人的系統(tǒng)結構。
    
　　
    
　　圖9  工業(yè)機器人系統(tǒng)結構圖迄今為止，典型的工業(yè)機器人僅實現(xiàn)了人類胳膊和手的某些功能，所以機器人操作機也稱作機器人手臂或機械手，一般簡稱為機器人。但是，隨著科技的進步，很多機器人外觀上已遠遠脫離了最初仿人型機器人和工業(yè)機器人所具有的形狀，更加符合各種不同應用領域的特殊要求，其功能和智能程度也大大增強，從而為機器人技術開辟出更加廣闊的發(fā)展空間。
    
　　工業(yè)機器人的應用：
    
　　機器人由于其作業(yè)的高度柔性和可靠性、操作的簡便性等特點，滿足了工業(yè)自動化高速發(fā)展的需求，被廣泛應用于汽車制造、工程機械、機車車輛、電子和電器、計算機和信息以及生物制藥等領域。我國從應用環(huán)境出發(fā)，將機器人分為兩大類，即工業(yè)機器人和特種機器人。所謂工業(yè)機器人就是面向工業(yè)領域的多關節(jié)機械手或多自由度機器人。而特種機器人則是除工業(yè)機器人之外的、用于非制造業(yè)并服務于人類的各種先進機器人，包括：服務機器人、水下機器人、娛樂機器人、軍用機器人、農(nóng)業(yè)機器人、機器人化機器等。在特種機器人中，有些分支發(fā)展很快，有獨立成體系的趨勢，如服務機器人、水下機器人、微操作機器人等。下面將對它們分別作簡單的介紹。
    
　　(1)典型的工業(yè)機器人：典型的工業(yè)機器人主要有弧焊機器人、點焊機器人、裝配機器人和涂裝機器人，它們是卷板機制造業(yè)中最常用的機器人類型。
    
　　
    
　　圖10典型的弧焊機器人系統(tǒng)
    
　?、倩『笝C器人：弧焊機器人的應用范圍很廣，除汽車行業(yè)之外，在通用機械、金屬結構等許多行業(yè)中都有應用?；『笝C器人應是包括各種焊接附屬裝置在內(nèi)的焊接系統(tǒng)，而不只是一臺以規(guī)劃的速度和姿態(tài)攜帶焊槍(weld-ing torch)移動的單機。一個典型的弧焊機器人系統(tǒng)，它主要包括三大部分：機器人操作機、機器人控制器和焊接系統(tǒng)。如圖10所示。
    
　?、邳c焊機器人：汽車工業(yè)是點焊機器人一個典型的應用領域。一般裝配每臺汽車車體需要完成3000-4000個焊點，而其中的60％是由機器人完成的。在有些大批量汽車生產(chǎn)線上，服役的機器人臺數(shù)甚至高達150臺。引入機器人會取得下述效益：改善多品種混流生產(chǎn)的柔性；提高焊接質(zhì)量；提高生產(chǎn)率；把工人從惡劣的作業(yè)環(huán)境中解放出來。今天，機器人已經(jīng)成為汽車生產(chǎn)行業(yè)的支柱裝備?，F(xiàn)在點焊機器人正在向汽車行業(yè)之外的電機、建筑機械等行業(yè)逐步普及。如圖11為汽車生產(chǎn)線上的點焊機器人。
    
　　
    
　　圖11  汽車生產(chǎn)線上的點焊機器人 　　　　　　　　　   圖12水平多關節(jié)型機器人
    
　?、垩b配機器人：水平多關節(jié)型機器人是裝配機器人的典型代表。水平多關節(jié)型機器人如圖12所示。手爪安裝在手部前端，負責抓握物體，相當于人手的功能，事實上用一種手爪很難適應形狀各異的工件。通常，按抓取對象的不同需要設計其手爪。最近開始在一些機器人上配備各種可換手，以增加通用性。手爪主要有電動手爪和氣動手爪兩種形式。
    
　　裝配機器人進行裝配作業(yè)時，除機器人主機、手爪、傳感器外，零件供給裝置和卷板機工件搬運裝置也至為重要。無論從投資額的角度還是從安裝占地面積的角度，它們往往比機器人主機所占的比例大。周邊設備常由可編程控制器控制，此外一般還要有臺架、安全欄等。
    
　　④噴涂機器人：噴涂機器人廣泛用于汽車車體、家電產(chǎn)品和各種塑料制品的噴涂作業(yè)。與其他用途的工業(yè)機器人比較，噴涂機器人在使用環(huán)境和動作要求上的特點是：工作環(huán)境包含易爆的噴涂劑蒸汽；沿軌跡高速運動，途經(jīng)各點均為作業(yè)點；多數(shù)被噴涂件都搭載在傳送帶上，邊移動邊噴涂，所以它需要一些特殊性能。如圖1 3為涂裝車間臂掛式機器人生產(chǎn)線。
    
　　
    
　　圖13壁掛式噴涂機器人
    
　　噴涂機器人通常有液壓噴涂機器人和電動噴涂機器人兩類。
    
　　除此之外，工業(yè)機器人還有一些其他的類型，如搬運機器人、水切割機器人、卷板機激光加工(切割、焊接及表面處理)機器人、檢查和測量機器人、真空機器人以及移動式搬運機器人等。這些機器人進一步豐富和發(fā)展了機器人技術，同時也拓展了機器人應用領域，并且這些新的機器人和應用領域具有更廣闊的發(fā)展前景。
    
　　(2)特種機器人：
    
　?、偎聶C器人：21世紀是海洋世紀，海洋占整個地球總表面的71％，無論從政治、經(jīng)濟還是從軍事角度看，人類都要進一步擴大開發(fā)和利用具有豐富資源的海洋。水下機器人作為一種高技術手段，在海洋開發(fā)和利用中扮演重要角色，其重要性不亞于宇宙火箭在探索宇宙空間的作用。
    
　　水下機器人是一種可在水下移動、具有視覺和感知系統(tǒng)、通過遙控或自主操作方式、使用機械手或其他工具代替或輔助人去完成水下作業(yè)任務的裝置。目前，投入使用的遙控水下機器人中有半數(shù)以上被用于完成水下觀察使命。水下機器人，也稱水下無人潛水器(UUV)，圖14所示是一載人潛水器。
    
　　
    
　　圖14  載人潛水器
    
　　目前水下機器人廣泛應用在民用和軍事領域，以及在海洋、內(nèi)湖環(huán)境下的各類水下工程作業(yè)。民用方面主要是海洋科學考察，深海礦藏開采，海洋石油鉆井平臺作業(yè)，海底管線的鋪設和檢查，水下結構物的檢查和維修，救助和打撈，水電站、大壩的檢查和維修，水下施工的輔助作業(yè)，養(yǎng)殖業(yè)資源調(diào)查和娛樂用等。軍用方面主要是援潛救生，打撈沉船，打撈有經(jīng)濟、戰(zhàn)略價值的沉物，水下軍事設施的建設，水下危險物的排除，大范圍水下搜索及偵察，協(xié)助潛水員作業(yè)，長距離作戰(zhàn)武器，水雷對抗及通信電纜埋設、維修等。其中最成功的商業(yè)化應用是在海洋石油工業(yè)中，利用機器人進行鉆井平臺的檢修、維護和搶修，這類水下機器人必須攜帶機械手才能完成預定的工作。
    
　?、诜諜C器人：所謂服務機器人是一種以自主或半自主方式運行，能為人類健康提供服務的機器人，或者是能對設備運行進行維護的一類機器人。根據(jù)這個定義，裝備在非制造業(yè)的工業(yè)機器人也可以看做是服務機器人。服務機器人往往是可以移動的，在多數(shù)情況下，服務機器人有一個移動平臺。
    
　　典型的服務機器人有醫(yī)療機器人、個人服務機器人、工程機器人和極限作業(yè)機器人等。
    
　　醫(yī)療機器人是指輔助或代替人類醫(yī)生進行醫(yī)療診治及護理的機器人。醫(yī)療機器人有多種類型，如醫(yī)療外科機器人、X射線介人性治療機器人、無損傷診斷與檢測微小型機器人、人工器官移植與植入機器人、康復與護理機器人等。目前研究和應用較多的是醫(yī)療外科手術機器人。醫(yī)療外科機器人在提高手術質(zhì)量，減少手術創(chuàng)傷，縮短病人的恢復周期，降低病人和醫(yī)院的開支等方面帶來一系列的技術變革，也將改變傳統(tǒng)醫(yī)療外科的許多概念，將對新一代手術設備的開發(fā)與研制、對醫(yī)學的進步產(chǎn)生深遠的影響。從世界機器人的發(fā)展趨勢看，用機器人輔助外科手術將成為一種必然趨勢。
    
　　
    
　　　圖15  導盲犬機器人   　　　　　　　　　　　　　　 圖16  服務機器人
    
　　個人服務機器人通常是指在醫(yī)院、家庭、療養(yǎng)院及康復中心等對殘疾人、老人提供各種幫助的機器人，以及代替人進行家務勞動的機器人。如英國Mike Topping公司從1 987年開始研制一種稱為Handy 1的機器人，它能為患有腦癱、運動神經(jīng)元疾病、中風、肌營養(yǎng)不良等疾病的殘疾人和意外事故的受傷者提供多種服務，如幫助他們就餐、洗臉、刮臉、刷牙和化妝。圖15是一個導盲犬機器人。瑞典Huaqvarna AB公司開發(fā)的“The Solar Mower”自主式草坪除草機是一種替代人從事除草勞動的家務服務機器人。這種除草機靠太陽能電池供電，開始工作時，它總是隨機地選擇一個方向開始移動，每當它碰到一個障礙或接受到限制電纜信號后，就改變方向。這種隨機但連續(xù)的運行，使除草機一直不停地工作，直到整個草坪都被處理，并且除草機在無人照顧下可以連續(xù)工作幾個星期。為了防止小偷，還可以在機器人除草機中設置一個密碼，只有在輸入正確的密碼后，機器人才開始有序地工作。如果不知道密碼的人試圖停止或偷走它，一個內(nèi)置的報警器將發(fā)出報警聲。圖16是一款病人用服務機器人。
    
　　工程機器人通常是指在室外或野外代替人從事施工、建筑等作業(yè)的機器人。這類機器人是在傳統(tǒng)的工程機械基礎上發(fā)展而來的，有時也稱為機器人化機器。也許從外觀上看不出機器人化工程機械與傳統(tǒng)工程機械的區(qū)別，但它是在傳統(tǒng)工程機械基礎上結合了機器人技術的一種智能機器，工作效率更高，作業(yè)質(zhì)量更好，改善操作性能，降低操作者勞動強度和操作技術等級等。如壓路機器人、隧道鑿巖機器人、自動攤鋪機、自動多向高架無軌堆垛機等；
    
　　極限作業(yè)機器人是指代替人到人不能去或不適宜去的環(huán)境中進行作業(yè)的機器人，這些環(huán)境通常包括高溫、高壓、有毒、放射性、深水、高空等。人在這些環(huán)境中作業(yè)所能容忍的條件是有一定限度的，超過這些限度，就會危及人的生命。
    
　　
    
　　
    
　　如 圖17德國。
    
　　機械甲蟲”消防機器人17所示為德國設計的甲殼蟲消防機器人，不但可以滅火，由于配備了全球定位導航系統(tǒng)，配備紅外線和熱傳感器，還可以探測火源，在中國，上海消防研究所和上海交通大學等單位于1998年也研制成功了中國第一臺消防機器人。它可以行走、爬坡、跨障礙、噴射滅火，還可以用于火場偵察。
    
　?、劭臻g機器人：空間機器人是指在大氣層內(nèi)、外從事各種作業(yè)的機器人，包括在內(nèi)層空問飛行并進行觀測、可完成多種作業(yè)的飛行機器人，到外層空間其他星球上進行探測作業(yè)的星球探測機器人和在各種航天器里使用的機器人。
    
　?、芪C器人：微機器人是微機械的重要分支之一，是微機械發(fā)展的高級形式。微操作機器人是以亞微米、納米運動定位技術為核心，在較小空間中進行精密操作作業(yè)的裝置，可以應用于生物顯微操作、微電子制造、納米加工等領域，將對21世紀人類生產(chǎn)和生活方式產(chǎn)生革命性影響，對國民經(jīng)濟建設和國防事業(yè)有重要的意義。
    
　　微機器人與傳統(tǒng)的大型機器人相比具有以下特點：能夠進入窄小的空間中進行檢測、維護等作業(yè)；能夠實現(xiàn)微小尺寸水平上的精確定位；批量生產(chǎn)成本一般較低。
    
　　
    
　　圖18  管道檢測微型機器人
    
　　如果按使用途徑分類，微機器人大體可分管道機器人；平面移動機器人；水下機器人三類。如上海大學研究的管道檢測微型機器人如圖18所示。它可以在內(nèi)徑20毫米工業(yè)管道內(nèi)對機械損傷裂紋等缺陷進行自動探測。  圖19腔道檢測微機器人上海交通大學研制的進入腔道的微型機器人如圖19所示，它可攜帶光成像、傳像、照明的內(nèi)窺鏡系統(tǒng)。1992年日本東京工業(yè)大學研制出用形狀記憶合金SMA驅動的8足微型步行機器人。體長7毫米，用空氣壓力使橡膠管擺動，步行機器人腿直徑為2毫米。
    
　　隨著將來技術的進步，對應于機器人的大小及用途也許會有明確的區(qū)別，例如用在消化道中移動的小型機器人，在微細血管中移動的微機器人，分散于體內(nèi)與有害細菌作戰(zhàn)的納米機器人。但是到目前為止，實際開發(fā)的這類機器人幾乎還是具有數(shù)毫米到數(shù)厘米大小的尺寸。
    		

    

    	
				
    
			
    		      		
        
    
  
    

    


    
	
	
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