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工業機器人及其應用

發布時間：2020/1/8

　　　　　　　　　　　　　工業機器人及其應用
　　什么是工業機器人
　　工業機器人是機器人家族中的重要一員，也是目前在技術上發展最成熟、應用最多的一類機器人。雖然世界各國對工業機器人的定義不盡相同，但其內涵基本一致。國際標準化組織(ISO)對工業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，在工業自動化應用中，機器人的底座可固定也可移動。
　　工業機器人一般由兩大部分組成：一部分是機器人執行機構，也稱作機器人操作機，它完成機器人的操作和作業；另一部分是機器人控制器，它主要完成信息的獲取、處理、作業編程、規劃、控制以及整個機器人系統的管理等功能。機器人控制器是機器人中最核心的部分，機器人性能的優劣主要取決于控制系統的品質。當然，機器人要想進行作業，除去機器人以外，還需要相應的作業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機器人作業系統。圖9為工業機器人的系統結構。
　　

　　圖9 工業機器人系統結構圖迄今為止，典型的工業機器人僅實現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展空間。
　　工業機器人的應用：
　　機器人由于其作業的高度柔性和可靠性、操作的簡便性等特點，滿足了工業自動化高速發展的需求，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。我國從應用環境出發，將機器人分為兩大類，即工業機器人和特種機器人。所謂工業機器人就是面向工業領域的多關節機械手或多自由度機器人。而特種機器人則是除工業機器人之外的、用于非制造業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、農業機器人、機器人化機器等。在特種機器人中，有些分支發展很快，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)典型的工業機器人：典型的工業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中最常用的機器人類型。
　　

　　圖10典型的弧焊機器人系統
　　①弧焊機器人：弧焊機器人的應用范圍很廣，除汽車行業之外，在通用機械、金屬結構等許多行業中都有應用。弧焊機器人應是包括各種焊接附屬裝置在內的焊接系統，而不只是一臺以規劃的速度和姿態攜帶焊槍(weld-ing torch)移動的單機。一個典型的弧焊機器人系統，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。如圖10所示。
　　②點焊機器人：汽車工業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線上，服役的機器人臺數甚至高達150臺。引入機器人會取得下述效益：改善多品種混流生產的柔性；提高焊接質量；提高生產率；把工人從惡劣的作業環境中解放出來。今天，機器人已經成為汽車生產行業的支柱裝備。現在點焊機器人正在向汽車行業之外的電機、建筑機械等行業逐步普及。如圖11為汽車生產線上的點焊機器人。
　　

　　圖11 汽車生產線上的點焊機器人　　　　　　　　　圖12水平多關節型機器人
　　③裝配機器人：水平多關節型機器人是裝配機器人的典型代表。水平多關節型機器人如圖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、家電產品和各種塑料制品的噴涂作業。與其他用途的工業機器人比較，噴涂機器人在使用環境和動作要求上的特點是：工作環境包含易爆的噴涂劑蒸汽；沿軌跡高速運動，途經各點均為作業點；多數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展前景。
　　(2)特種機器人：
　　①水下機器人：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、經濟還是從軍事角度看，人類都要進一步擴大開發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、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任務的裝置。目前，投入使用的遙控水下機器人中有半數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、內湖環境下的各類水下工程作業。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，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，養殖業資源調查和娛樂用等。軍用方面主要是援潛救生，打撈沉船，打撈有經濟、戰略價值的沉物，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，協助潛水員作業，長距離作戰武器，水雷對抗及通信電纜埋設、維修等。其中最成功的商業化應用是在海洋石油工業中，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。
　　②服務機器人：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。根據這個定義，裝備在非制造業的工業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療機器人、個人服務機器人、工程機器人和極限作業機器人等。
　　醫療機器人是指輔助或代替人類醫生進行醫療診治及護理的機器人。醫療機器人有多種類型，如醫療外科機器人、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療外科手術機器人。醫療外科機器人在提高手術質量，減少手術創傷，縮短病人的恢復周期，降低病人和醫院的開支等方面帶來一系列的技術變革，也將改變傳統醫療外科的許多概念，將對新一代手術設備的開發與研制、對醫學的進步產生深遠的影響。從世界機器人的發展趨勢看，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院、家庭、療養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、運動神經元疾病、中風、肌營養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，一個內置的報警器將發出報警聲。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、建筑等作業的機器人。這類機器人是在傳統的工程機械基礎上發展而來的，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工程機械的區別，但它是在傳統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，作業質量更好，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；
　　極限作業機器人是指代替人到人不能去或不適宜去的環境中進行作業的機器人，這些環境通常包括高溫、高壓、有毒、放射性、深水、高空等。人在這些環境中作業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，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。
　　③空間機器人：空間機器人是指在大氣層內、外從事各種作業的機器人，包括在內層空問飛行并進行觀測、可完成多種作業的飛行機器人，到外層空間其他星球上進行探測作業的星球探測機器人和在各種航天器里使用的機器人。
　　④微機器人：微機器人是微機械的重要分支之一，是微機械發展的高級形式。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世紀人類生產和生活方式產生革命性影響，對國民經濟建設和國防事業有重要的意義。
　　微機器人與傳統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；能夠實現微小尺寸水平上的精確定位；批量生產成本一般較低。
　　

　　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。它可以在內徑20毫米工業管道內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、照明的內窺鏡系統。1992年日本東京工業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，分散于體內與有害細菌作戰的納米機器人。但是到目前為止，實際開發的這類機器人幾乎還是具有數毫米到數厘米大小的尺寸。

主要產品:卷板機,液壓機,剪板機,折彎機,油壓機等機床

工業機器人及其應用