工业机器人介绍

工业机器人 工业机器人 英语 industrialrobot 简称IR 是广泛适用的能够自主动作 且多轴联动的机械设备 它们在必要情况下配备有传感器 其动作步骤包括灵活的转动都是可编程控制的 即在工作过程中 无需任何外力的干预 它们通常配备有机械手 刀具或其他可装配的的加工工具 以及能够执行搬运操作与加工制造的任务 工业生产中的应用 工业机器人在工业生产中能代替人做某些单调 频繁和重复的长时间作业 或是危险 恶劣环境下的作业 例如在冲压 压力铸造 热处理 焊接 涂装 塑料制品成形 机械加工和简单装配等工序上 以及在原子能工业等部门中 完成对人体有害物料的搬运或工艺操作 构造与分类 工业机器人由主体 驱动系统和控制系统三个基本部分组成 主体即机座和执行机构 包括臂部 腕部和手部 有的机器人还有行走机构 大多数工业机器人有3 6个运动自由度 其中腕部通常有1 3个运动自由度 驱动系统包括动力装置和传动机构 用以使执行机构产生相应的动作 控制系统是按照输入的程序对驱动系统和执行机构发出指令信号 并进行控制 工业机器人按执行机构运动的控制机能分 又可分点位型和连续轨迹型 点位型只控制执行机构由一点到另一点的准确定位 适用于机床上下料 点焊和一般搬运 装卸等作业 连续轨迹型可控制执行机构按给定轨迹运动 适用于连续焊接和涂装等作业 工业机器人按臂部的运动形式分为四种 直角坐标型的臂部可沿三个直角坐标移动 圆柱坐标型的臂部可作升降 回转和伸缩动作 球坐标型的臂部能回转 俯仰和伸缩 关节型的臂部有多个转动关节 机器人运动形式 直角坐标型 机器人的主体结构的关节都是移动关节 特点 结构简单 刚度高 关节之间运动相互独立 没有耦合作用 占地面积大 导轨面防护比较困难 圆柱坐标型 圆柱坐标式机器人主体结构具有三个自由度 腰转 升降和伸缩 亦即具有一个旋转运动和两个直线运动 特点 通用性较强 结构紧凑 机器人腰转时将手臂缩回 减少了转动惯量 受结构限制 手臂不能抵达底部 减少了工作范围 机器人运动形式 机器人运动形式 球面坐标式 极坐标 机器人主体结构具有三个自由度 两个旋转运动和一个直线运动 特点 工作范围较大 占地面积小 控制系统复杂 机器人运动形式 SCARA机器人 有3个旋转关节 其轴线相互平行 在平面内进行定位和定向 另一个是移动关节 这种结构轻便 响应快 特点 结构轻便 响应快 适用于平面定位和在垂直方向进行作的场合 关节式机器人 关节式机器人的主体结构的三个自由度腰转关节 肩关节 肘关节全部是转动关节 特点 动作灵活 工作空间大 关节运动部位密封性好 运动学复杂 不便于控制 机器人运动形式 机器人的驱动方式 机器人的驱动方式有电动 液压和气动三种方式 一台机器人可以只有一种驱动方式 也可以是几种方式的联合 液压传动 具有较大的功率体积比 常用于大负载的场合 气压传动 气动系统简单 成本低 适合于节拍快 负载小且精度要求不高的场合 常用于点位控制 抓取 弹性握持和真空吸附 电动 适合于中等负载 特别适合动作复杂 运动轨迹严格的工业机器人和各种微型机器人 关节驱动方式 分为直接驱动和间接驱动两种方式 直接驱动 直接驱动的机器人也叫DDR Directdriverobot 一般指驱动电机通过机械接口直接与关节连接 其特点是驱动电机和关节之间没有速度和转矩的转换 这种驱动方式具有以下特点 A 机械传动精度高 B 振动小 结构刚性好 C 结构紧凑 可靠性高 D 电机的重量会增加转动负担 关节直接驱动图例 2 关节驱动方式 2 间接驱动方式 大部分机器人是间接驱动方式 由于驱动器的输出转矩大大小于驱动关节所要求的转矩 所以必须使用减速器 间接驱动特点 可以获得一个比较大的力矩 可以减轻关节的负担 可以把电机作为一个平衡质量 增加了传动误差 结构庞大 间接驱动方式图例 1 间接驱动方式图例 2 3 材料的选择 选择机器人本体的材料 应从机器人的性能要求出发 满足机器人的设计和制造要求 如 机器人的臂和机器人整体是运动的 则要求采用轻质材料 精密机器人 则要求材料具有较好的刚性 还要考虑材料的可加工性等 机器人常用的材料有 碳素结构钢 铝合金 硼纤维增强合金 陶瓷等 4 平衡系统的设计 平衡系统的设计是机器人设计中一个不可忽视的问题 平衡系统具有以下作用 安全 防止机器人在切断电源后因重力而失去稳定 借助平衡系统能降低机器人的构形变化 借助平衡系统能降低因机器人运动 导致惯性力矩引起关节驱动力矩峰值的变化 借助平衡系统能减小机械臂结构柔性所引起的不良影响 平衡系统图例 其他机器人 现在工业生产中已经应用了各种各样的机器人系统 如焊接机器人 装配机器人 喷涂机器人等 这些机器人都是在固定的生产流水线中按照预先设计好的流程重复的进行某些操作 这些机器人系统注重的是精度和速度 另一类机器人系统是建立在移动平台上的自主机器人系统 这些机器人和工业机器人不同 它们在非结构化和不可预测的环境中运动 近年来该类机器人的应用也越来越多 如娱乐机器人和各种各样的服务机器人 这类机器人在家居环境和办公环境为人类提供各种娱乐或服务 服务机器人定义 服务机器人是机器人家族中的一个年轻成员 服务机器人的应用范围很广 主要从事维护保养 修理 运输 清洗 保安 救援 监护等工作 国际机器人联合会经过几年的搜集整理 给了服务机器人一个初步的定义 服务机器人是一种半自主或全自主工作的机器人 它能完成有益于人类健康的服务工作 但不包括从事生产的设备 服务机器人的定位就是服务 从机器人的功能特点上来讲 它与工业机器人的一个本质区别在于 工业机器人的工作环境都是已知的 而服务机器人所面临的工作环境绝大多数都是未知的 二 服务机器人分类 按服务对象和应用目的不同 可以分为以下六类 医疗服务机器人健康福利服务机器人公共服务机器人家庭服务机器人娱乐机器人教育机器人 1 医疗服务机器人 医疗服务机器人主要指能够直接为医生提供服务 帮助医生对病人进行手术治疗的服务机器人 医疗外科机器人是医疗服务机器人的典型代表 它可以由医生对机器人进行遥控操作 在医生难以直接进行手术的部位由机器人准确地完成各种手术 如图所示为口腔修复机器人 而外科手术导航系统和可以进入人体的微机器人诊疗系统也都可以为医生进行手术提供必要的手术信息和辅助手段 因此 采用医疗服务机器人进行手术可以减小创面 缩短手术时间 从而达到减少病人痛苦 并使病人早日痊愈的目的 2 健康福利服务机器人 健康福利服务机器人是指在医院里为医生或病人提供服务的服务机器人 图中是直接为病人提供康复治疗的服务机器人 他可以提供指定负载力和行走速度的步行训练和为腿部受伤的病人提供术后康复训练治疗 许多研究单位和公司正在积极开发的各种类型的智能轮椅和智能病床也都属于健康福利服务机器人 3 公共服务机器人 公共服务机器人的范围最为广泛 只要能够为公众或公用设备提供服务的机器人都属于该类型服务机器人 例如 在展览会会场 办公大楼 旅游景点为客人提供信息咨询服务的迎宾导游机器人 在建筑物内或居民区内进行自动巡视的保安巡逻机器人如图所示 加油站里的自动加油机器人 高楼擦窗和壁面清洗机器人 飞机清洗机器人 下水道清洗机器人等 此外还有机器邮递员以及用于多种用途的自主移动机器人平台 它们可在办公室内部传递信件或其他物品 目前这些机器人在技术上都已经相当成熟 在价格上也基本上被用户接受 并已在许多国家得到了实际应用 随着机器人技术的进一步发展 在不久的将来 会有越来越多的公共服务机器人进入我们的日常生活 4 家庭服务机器人 自动割草机和全自动吸尘器是家庭服务机器人的典型代表 凯驰RC3000是世界上第一台能够自行完成所有家庭地面清洁工作的清洁机器人 如图所示 它有光电传感器和芯片控制 当遇到障碍时 会随机改变一个角度 然后继续直走 直到遇到新的障碍物 该机器人内置四种清洁程序 保证在遇到不同污渍的地面时 可以调整其清洁程序 通过传感器对于地板污渍的判断 选择合适的应用程序 内置光敏传感器 确保在遇到楼梯与台阶时 能够自动避让 扁平的设计使其能够清洁床 沙发 茶几等家具的下面 其相应的基站一直发射红外定位和导航信号来指引机器人回到充电站完成充电和垃圾处理的任务 同时能够根据用户设定的信息来控制机器人完成相应的操作 5 娱乐机器人 娱乐机器人的种类很多 其中主要是以机器狗AIBO为代表的机器宠物 如图所示 AIBO的出现不但给索尼公司带来了新的商机 也为机器人如何进入寻常家庭提供了一个新的发展思路 6 教育机器人 教育机器人的发展则是通过以 机器人足球 比赛为代表的各种类型的机器人竞赛进行的 机器人竞赛的参赛队伍主要由大 中 小学生组成 由于机器人竞赛不但具有很好的观赏性 而且可以使参赛的学生在创新能力 动手能力等方面都可以得到很好的锻炼 所以深受学校和学生家长的欢迎 并越来越多地受到各国政府的重视 目前一些国家正在积极组织机器人国际比赛 并提出了举行机器人奥林匹克竞赛的想法 如图所示为类人足球机器人 中国的工业机器人 我国工业机器人起步于70年代初期 经过2