工业机器人71068new

1、工业机器人的发展概述及展望机电0801 3080304027 杨平摘要：工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备。随着机器人技术的飞速发展和信息时代的到来，机器人所涵盖的内容越来越丰富。工业机器人是自动执行工作的机器装置，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器，很大程度上反映了一个国家的工业化水平。本文主要从工业机器人的发展入手，讨论工业机器人生产应用及发展前景。关键字：工业机器人；发展；应用Abstract: Industrial robot is a mechanical, electronic, control,

2、computers, sensors, artificial intelligence, multi-disciplinary advanced technology in one important modern manufacturing automation equipment. With the rapid development of robot technology and information era, robots are increasingly rich content covered. Implementation of industrial robots is aut

3、omatic machine device is controlled by its own power and ability to achieve the various functions of a machine, largely reflecting a countrys level of industrialization. In this paper, starting from the development of industrial robots, production and application of industrial robots and discuss the

4、 prospects.Keywords: industrial robot; development; applications1. 前言作为先进制造业中不可替代的重要装备和手段，工业机器人在越来越多的领域中显示出其强大的应用能力，并逐渐渗透进工业生产的各个环节，成为现代工业自动化的支柱之一据相关统计数据表明，工业机器人主要用于汽车工业及汽车零部件工业，占整个机器人市场的61%，金属制品业占8%、橡胶及塑料工业和电子电气行业分别占7%，食品工业占2%，其他工业占15%。在我国,工业机器人的真正使用到现在已经接近20多年了,已经基本实现了试验、引进到自主开发的转变,促进了我国制造业、勘探业等行业

5、的发展。随着我国门户的逐渐开放,国内的工业机器人产业将面对越来越大的竞争与冲击,因此,掌握国内工业机器人市场的实际情况,把握我国工业机器人研究的相关进展,显得十分重要。2.机器人的发展2.1机器人的由来机器人一词最早来自1920年捷克作家卡雷尔查培克罗萨姆的万能机器人一书中，书中机器人“Robot”这个词的本意是苦力，即剧作家笔下的一个具有人的外表，特征和功能的机器，是一种人造的劳力。由于原子能的开发和利用，某些操作机械代替人处理放射性物质显得极为迫切，在这一需求背景下，美国原子能委员会的阿尔贡研究所于1947年开发了遥控机械手，1948年又开发了机械式的主从机械手。1954年美国戴沃尔最早提

6、出了工业机器人的概念，并申请了专利。该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节，利用人手对机器人进行动作示教，机器人能实现动作的记录和再现。这就是所谓的示教再现机器人。现有的机器人差不多都采用这种控制方式。1959年美国人英格伯格和德沃尔制造出来世界上第一台工业机器人，机器人的历史才真正开始。2.2机器人的发展由于机器人广阔的应用前景，机器人的发展也得到了各国的重视。1965年，MIT的Roborts演示了第一个具有视觉传感器的、能识别与定位简单积木的机器人系统。1967年日本成立了人工手研究会（现改名为仿生机构研究会），同年召开了日本首届机器人学术会。1970年在美国召开了第一届国际工业机器

7、人学术会议。1970年以后，机器人的研究得到迅速广泛的普及。1973年，辛辛那提米拉克隆公司的理查德豪恩制造了第一台由小型计算机控制的工业机器人，它是液压驱动的，能提升的有效负载达45公斤。到了1980年，工业机器人才真正在日本普及，故称该年为“机器人元年”。随后，工业机器人在日本得到了巨大发展，日本也因此而赢得了“机器人王国的美称”。由于现代伺服控制理论的，电子计算机技术及人工智能技术的飞速发展，机器人在功能和技术层次上有了很大的提高移动机器人和机器人的视觉和触觉等技术就是典型的代表。由于这些技术的发展，推动了机器人概念的延伸。80年代，将具有感觉、思考、决策和动作能力的系统称为智能机器人，

8、这是一个概括的、含义广泛的概念。这一概念不但指导了机器人技术的研究和应用，而且又赋予了机器人技术向深广发展的巨大空间，水下机器人、空间机器人、空中机器人、地面机器人、微小型机器人等各种用途的机器人相继问世，许多梦想成为了现实。将机器人的技术（如传感技术、智能技术、控制技术等）扩散和渗透到各个领域形成了各式各样的新机器机器人化机器。当前与信息技术的交互和融合又产生了“软件机器人”、“网络机器人”的名称，这也说明了机器人所具有的创新活力。2.3日本工业机器人的发展全世界投入使用的机器人数量近年来快速增加，目前，日本实际装配的机器人总量占世界总量的一半。装配是日本机器人的最大应用领域，它拥有的机器人

9、占总数的42%；焊接是应用的第二大领域，占机器人总数的19%；注塑是第三大应用领域，占机器人总数约12%，机加工次之为8%。 在日本汽车工业中，机器人用于上料/卸料占很大数量。 对于点焊应用来说，目前已广泛釆用电驱动的伺服焊枪，丰田公司已决定将这种技术作为标准来装备国内和海外的所有点焊机器人，可以提高焊接质量，在短距离内的运动时间也大为缩短。该公司高度低的点焊机器人，用来焊接车体下部零件，还可以与较高的机器人组装在一起，共同对车体上部进行加工，从而缩短了整个焊接生产线长度。目前，用二台机器人协调工作进行弧焊已相当普遍，不必再为特殊工件专门设计成本高的专用夹具，并能保持最佳的焊接压力。目前，丰田

10、公司已开始使用能焊接0.6mm厚的薄钢板(间隙2mm)的弧焊机器人，能从钢板一侧进入到焊接位置，而不必象点焊机器人那样需要从钢板两侧进入到焊接位置，因而将优先取代某些点焊作业。目前激光焊接在日本还不普遍，然而，柔性本体生产线(FBL)方案的应用已日益增多。在这种场合，各种形状的钣金件都是激光焊接，以形成车体的钣金件。预计今后激光在汽车工业的应用会增加。由于运动控制性能的提高，一些新应用已变得可能，其中一个例子是焊接油箱的接缝，尤其是油箱形状变得愈来愈复杂而且要保持恒定的线焊速度。 就控制网络而言,日本汽车工业中最普遍的总线是Device-Net，而丰田则釆用其自行制定的ME-Net，日产釆用J

11、EMA-Net(日本电机工业会网)。在日本汽车工业中是否会实现通信系统的标准化，目前还不能确定。另一方面，日本机器人制造商提出了一种“现实机器人仿真”(RRS)兼容软件接口。因此，目前日本汽车制造商(尤其是对于点焊应用)通过诸如RoBCAD、I-Grip等商用仿真软件，可以作出各种机器人的动态仿真。 在其他领域，日本欧姆龙公司研制一种能按用户手指动作、手臂姿势，或用声音指示前进、后退及左右移动的自主式双臂机动机器人，它能识别出自己的主人，并遵照主人的命令行事，还具有语音合成功能，也能与人一起协作搬运桌子，还能时刻注意道路上的堵塞情况或运动方向的变化，是世界上第一台适应自然交流方式及与人协调工作

12、的机器人。其腿部釆用了全向机动轮，头部装有一台CCD摄像机，有两只手臂，每只手臂有7个自由度，能举最大20公斤的重量物，其腕部装有6轴力传感器。机器人主体部分装有4台个人计算器，共有7个中央处理单元。机器人依靠电池可以连续工作1小时，其身高1.7米，运动速度10釐米/秒。该机器人还装有超声波传感器，以避免与人类伙伴相撞。2.4中国工业机器人的发展在我国，工业机器人的应用已有20年，也已经完成了由引进试验研发的转变。目前，中国已开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人，其中有130多台/套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线（站）上获得规模应用，弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线

13、。 沈阳新松机器人自动化股份有限公司为上海汇众汽车制造有限公司设计制造12台弧焊机器人组成的焊接生产线，用于为上海汽车工业公司配套生产桑塔纳轿车转向器、减振器、别克轿车减振器等部件。该线还配有10台回转工作台、一台翻转工作台、39套焊接夹具等装置，可年产桑塔纳汽车配件30万套和别克轿车配件10万套。该公司研究开发专门用于点焊和搬运的6自由度SASUNRD120点焊机器人，具有操作範围大、运动速度快等特点。该公司研究开发的金杯客车制造有限公司SASUN100SA地板点焊机器人系统，釆用四自由度直角座标型点焊机器人，交流伺服电机驱动，绝对位置码盘反餽，负载能力100kg。联动作业的四台机器人之间设

14、置连锁保护，可避免由于工作不同步而造成机器人之间相互碰撞。系统具有完善的报警功能，可对焊钳的上下管冷却水分别进行检测，并能检测焊点漏焊。该生产线的生产节拍为35分钟，焊接作业空间为15m/10m/03m，焊点数量为30点，点焊作业时间控制在25分钟以内，可年产中型面包车5万辆。 北京机械工业自动化研究所研制出大型龙门式仿形喷涂机器人，长春客车厂釆用该机器人对火车客车厢体进行喷漆，可以在20分钟内为一辆火车车厢喷上均匀的油漆，遇到车门和车窗时，喷枪会立即停止喷漆。既把工人从恶劣有害的工作环境中解放出来，又提高了喷涂质量和效率。该机器人釆用积木形式结构，运输安装方便，工作可靠，维修保养方便，适合大

15、型或重型结构车体的喷涂作业，可广泛应用于汽车工业、铁路机车车辆制造业、集装箱制造业。 哈尔滨工业大学历经二十余年的基础理论与应用研究，已开发管内补口喷涂作业机器人、激光内表面淬火机器人、管内X射线检测机器人。这几种机器人已分别应用于“陕京”天然气管线工程X射线检测、上海浦东国际机场内防腐补口、大庆油田内防腐及抽油泵内表面处理等重要的管道工程。 中国智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下，也取得了显着的成果。其中6,000米水下无缆机器人的成果居世界领先水平，该机器人在1995年深海试验获得成功，使中国能够对大洋海底进行精确、高效、全覆盖的观察、测量、储存和进行实时传输，并能精确绘制深海

16、矿区的二维、三维海底地形地貌图，推动了中国海洋科技的发展。3.发展前景在发达国家中，工业机器人自动化生产线成套设备已成为自动化装备的主流及未来的发展方向。国外汽车行业、电子电器行业、工程机械等行业已经大量使用工业机器人自动化生产线，以保证产品质量，提高生产效率，同时避免了大量的工伤事故。全球诸多国家近半个世纪的工业机器人的使用实践表明，工业机器人的普及是实现自动化生产，提高社会生产效率，推动企业和社会生产力发展的有效手段。机器人技术是具有前瞻性、战略性的高技术领域。国际电气电子工程师协会IEEE的科学家在对未来科技发展方向进行预测中提出了4个重点发展方向，机器人技术就是其中之一。目前，与智能机

17、器人有关的技术领域进展非常迅速，这为智能机器人的快速发展提供了有力的技术支持(1) 传感器 精确的位置传感器机器人的传感器从最初的超声测距到激光测距；从低分辨率摄像头到高清晰摄像机，机器人的传感器越来越精确，这为机器人精确获得自身位置提供了良好的基础。 触觉传感器人能够在自然界活动自如，很大一部分原因是人拥有灵敏的触觉。机器人的触觉传感器担当了类似的任务，拥有了灵敏触觉传感器的机器人，动作不会像机械一样僵硬。 语音识别人的语言是在长期交流过程中形成的，这方便了人与人之间交流。语音识别技术的发展为机器人提供了听懂人的语言，与人交流的平台。 图像识别人对外界信息的感知80%来自于视觉，图像处理和计

18、算机视觉的发展为机器人能够理解图像，快速处理图像信息提供了强有力的保障。(2) 机器人硬件 模块化 MEMS技术应用 物理 “softness”(3) 机器人软件 实时获取和集成多源(视觉、听觉、触觉、距离传感、RFID、运动) 快速理解复杂环境 基于多传感器的快速反应软件 可识别用户意图及喜好 跨平台运行 软件模块化随着计算机技术、现代控制技术、人工智能技术、传感技术和制造技术的快速发展，机器自主认知和智能性逐渐成为机器人广泛应用的瓶颈问题。这些问题包括:(1)稳定性差: 非结构环境中异常情况下无法正常工作；(2)自主性差: 未知环境下不能自主规划，需要太多的人工干预；(3)智能化程度低:

19、只有短期或程序化的记忆，缺乏经验积累，重复错误；(4)服务效率低: 缺乏常识和基本推理能力；(5)人机交互困难: 人和机器系统不能使用公共的表达。针对上述缺陷以及对人类认知世界的反思，我们发现，几十年来，机器人的认知系统得到了快速的发展，但美中不足的是机器人还无法在具有理解能力的认知框架下保存和利用既往的经验。随着机器人研究的发展和深入，一旦机器人系统具有这种能力，人们在机器人领域一直孜孜以求的研究目标将迎刃而解。众所周知，存储和利用以往经验是智能生物重要的优点。以往的经验可以为人类行为提供丰富的解决方案，以便更好地分析问题、规避困难、预判事件发展，以及归纳总结等。机器人学习、记忆、获取和利用

20、经验将是下一代智能机器人的关键技术。基于对目前现状的深入理解和相关领域的发展趋势，我们提出了一种具有记忆和推理能力的机器人认知架构，该认知架构主要包含五个模块：(1)机器人记忆模块。该模块的主要目标是发展合适的方式来表示机器人记忆中的知识。记忆表示提供不同类型的知识，它们为这些知识类型的不同和关系负责。这些表示应该能够捕捉机器人生存的世界的动态方面并且能够预测。最后，表示能够贴近真实物理世界。(2)机器人推理与规划模块。该模块在层次任务网络(Hierarchical Task Network，HTN)格式下建立机器人规划描述，并把HTN规划嵌入到描述逻辑本体；为基于规划的机器人控制提供规划器；

21、做出可获得的描述逻辑推理作为规划生成和再规划的辅助；发展规划失败分析和恢复的方法；从记忆导入经验到规划器。同时，规划模块还进行规划失败分析和恢复。(3)监督学习模块。为了自适应不同的环境和任务，机器人需要对物理物体进行分类，并获取与它们相关的词汇表。该任务集中于监督分类，这里的监督本质上是从人类用户获得的词汇指导。(4)非监督学习模块。机器人非监督学习模块的目标是：研究机器人怎样在很少或者没有监督的情况下，通过观察和探索世界来获取行动和物体的常识的技术。(5)机器人控制模块。该模块主要功能是执行规划执行器的设计和实现，执行监控和异常处理的设计和实现。在感知和执行层次等更低等级的抽象概念水平上，基于经验的记忆机器人能够按照经验的组成要素，将经验记录成与高级概念相对应的分级结构，包括动机、目的、任务和行为。这样，经验可以详尽地解释机器人是如何实现以往的