工业机器人综述

日期：2013-05-30    浏览：9018

一、技术概述       工业机器人由操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置 构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。        机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。     机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。     二、现状及国内外发展趋势       国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势：      1．工业机器人性能不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修），而单机价格不断下降，平均单机价格从91年的10．3万美元降至97年的6．5万美元。      2．机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机；国外已有模块化装配机器人产品问市。      3．工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。      4．机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制；多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。      5．虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。      6．当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。      7．机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。      我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下， 通过“七五”、“八五”科技攻关，目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，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上。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如：可靠性低于国外产品；机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距；在应用规模上，我国已安装的国产工业机器人约200台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模化设计，积极推进产业化进程。      我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人，6000米水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种；在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品，以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。     三、“十五”目标及主要研究内容       1．目标      根据国内外机器人发展的经验、现状及近几年的动态，结合当前国内经济发展的具体情况，“十五”期间机器人技术应重点开展智能机器人、机器人化机械及其相关技术的开发及应用；开展以机器人为基础的重组装配系统及其相关技术的开发研究及加强多传感器融合及决策、控制一体化技术及应用的研究。重点解决我国已研制应用多年的示教再现型工业机器人的产业化前期关键技术，大力推进其产业化进程，力争在“十五”末期实现喷涂、焊接、装配等机器人的产业化。     2．主要研究内容     （1）示教再现型工业机器人产业化技术研究      ①关节式、侧喷式、顶喷式、龙门式喷涂机器人产品标准化、通用化、模块化、系列化设计。      ②柔性仿形喷涂机器人开发：柔性仿形复合机构开发，仿形伺服轴轨迹规划研究，控制系统开发，整机安全防爆、防护技术开发，高速喷杯喷涂工艺研究。     ③焊接机器人（把弧焊与点焊机器人作为负载不同的一个系列机器人，可兼作弧焊、点焊、搬运、装配、切割作业）产品的标准化、通用化、模块化、系列化设计。      ④弧焊机器人用激光视觉焊缝跟踪装置的开发：激光发射器的选用，CCD 成象系统，视觉图象处理技术，视觉跟踪与机器人协调控制。     ⑤焊接机器人的离线示教编程及工作站系统动态仿真。      ⑥电子行业用装配机器人产品标准化、通用化、模块化、系列化设计。     ⑦批量生产机器人所需的专用制造、装配、测试设备和工具的研究开发。    （2）智能机器人开发研究      ①遥控加局部自主系统构成和控制策略研究     包括建模－遥控机器人模型，人行为模型，人控制动态建模，图形仿真建模，虚拟工具和虚拟传感器建模；以人为主体的人机共享规划与控制；局部自治控制；多传感融合技术；双向力反应控制；知识库的建立，学习与推理方法；人机交互的高级控制技术；虚拟现实（VR）控制与真实世界控制的相互关系；监控系统的结构。      ②智能移动机器人的导航和定位技术研究     包括导航和定位系统的系统结构；在结构环境或非结构环境中导航和定位方法研究；感知系统的传感器和信息处理系统的构成；根据传感器数据建立环境模型的方法；模糊逻辑的推理方法用于移动机器人导航的研究。     ③面向遥控机器人的虚拟现实系统      包括人机交互图形生成及其程序设计；遥控机器人（载体和机械手）几何动态图形建模；遥控操作环境图形建模；遥控机器人操作与数据的获取；虚拟传感器及基于虚拟传感器的双向力反应、反馈控制；面向任务的虚拟工具；基于虚拟现实的遥控操作的理论与方法；基于VR模型操作和真实世界操作的可切换、相容性和可交换性；VR监控系统。     ④人机交互环境建模系统     包括CAD建模中的人机交互技术；求知模型工件的反示过程中的交互技术；机器人与环境的布局及功能验证中的交互技术；传感器数据处理中的交互技术；机器人标定、运动学建模、动力学建模中的交互技术。     ⑤基于计算机屏幕的多机器人遥控技术      包括三维立体视觉建模；模型的计算机显示；遥控机器人模型的控制；人机接口；网络通讯。     （3）机器人化机械研究开发      ①并联机构机床（VMT）与机器人化加工中心（RMC）开发研究     包括VMT与RMC智能化结构实现技术；VMT与RMC关键传动实现技术；VMT与RMC加工、装配、摆放、涂胶、检测作业技术；VMT与RMC监控检测技术开发；VMT与MRC智能化开式CMC控制系统开发；系统软件和应用软件开发；智能化机构、材料机电一体化技术；作业状态变量智能化传感技术；机电一体化的多功能及灵巧作业终端；通用智能化开式CNC控制硬软件系统；并联机构运动学及动力学理论；RMC智能控制理论；VMT与RMC典型应用工程开发。      ②机器人化无人值守和具有自适应能力的多机遥控操作的大型散料输送设备      包括散料输送系统监控和遥控操作的传感器融合和配置技术；采用智能传感器的现场总线技术；机器人运动规划在等量堆取料、自主操作中的应用；基于广域网的远程实时通讯；具有监测和管理功能的故障诊断系统。    （4）以机器人为基础的重组装配系统     ①开放式模块化装配机器人      包括通用要素的提取；专用件标准化；装配机器人模块CAD设计；通用主流计算机构造的控制器；人机界面方式；网络功能。     ②面向机器人装配的设计技术      包括数字化装配与CAD集成技术；产品机器人化装配规划生成技术；产品可装配性模糊评价。      ③机器人柔性装配系统设计技术      其中单元技术：供料系统智能化设计、末端执行器快速执行、物流传输及其控制与通讯；集成技术：柔性装配线仿真软件、管理系统。     ④可重构机器人柔性装配系统设计技术      开展基于任务和环境的动态重构机器人柔性装配系统理论研究；系统基于自治体（Agent）的分布式控制技术及系统各单元体间的协作规划。     ⑤装配力觉、视觉技术      包括高精度、高集成化六维腕力传感技术；视觉识别与定位技术。     ⑥智能装配策略及其控制      包括装配状态实时检测和监控；装配顺序和路径智能规划及控制技术。    （5）多传感器信息融合与配置技术      ①机器人的传感器配置和融合技术在水泥生产过程控制和污水处理自动控制系统中的应用      包括面向工艺过程的多传感器融合和配置技术；采用智能传感器的现场总线技术；面向工艺要求的新型传感器研制。     ②机电一体化智能传感器      包括具有感知、自主运动、自清污（自调整、自适应）的机电一体化传感器研究；面向工艺要求的运动机构设计、实现检测和清污的自主运动；调节控制系统；机器人机构和控制技术在传感器设计中的应用。  近年来，随着国家经济的飞速发展，作为国家现代化程度标志的机器人技术也得到了越来越多的应用。经过多年的努力，首钢莫托曼机器人有限公司（以下简称“首钢莫托曼”）在机器人系统尤其是弧焊方面的技术积累了丰富的经验，使其在实际生产中得到很好的应用。下面以轿车排气零部件的生产为例，简单介绍首钢莫托曼弧焊机器人系统的功能和特点。   四﹑弧焊工艺分类  排气系统是排放和消声的重要部分，主要由歧管、催化净化器、波纹管、中消和后消等部件组成。主要功能是把发动机在燃烧过程中产生的废气从多个气缸内收集、通过催化净化器净化并消声后引到车后排放。按照主要功能模块距离发动机的远近，排气系统可划分为热端和冷端两部分。热端部分直接连接发动机排气口，主要包括歧管、净化器、波纹管、二级净化器以及挂钩法兰等附属部件。因其所处底盘位置空间紧凑，所以其部件外形变化较大，焊缝分布复杂。同时，因其主要功能为净化尾气，故焊缝密封性要求高。冷端部分承接热端，主要包括中消、后消以及挂钩法兰等附属部件。冷端总成通常尺寸较长，焊缝多为小直径环缝。当后消声器包为焊接结构时，通常要求压装焊接，其焊缝量较大。消声器包进出气管处焊缝为三层薄板焊接，焊缝成形要求高。   五﹑技术优势    日本安川电机于2001年底研制推出了世界上首台弧焊专用机器人MOTOMAN-EA1400，并于2002年在中国销售。EA1400机器人将焊枪电缆与焊枪内置在机器人臂中，避免了焊枪电缆和焊枪与周围物体的相互干扰，使机器人示教过程变得更为简单，同时大大增强了焊枪的可达性。该机器人一经推出，便迅速在汽车车桥、消音器等排气系统零部件以及座椅骨架等焊接领域受到了好评。多家焊枪生产企业都为该机器人研制了专用焊枪。目前除了空冷焊枪和伺服焊枪进行焊接以外，还可以使用水冷焊枪实现较高电流的连续焊接。    2007年初，MOTOMAN-SSA2000型机器人问市。SSA2000在保持EA1400结构优势的基础上大幅提高了轴动作速度，单轴速度同比最大提高40%，焊接速度最大可同比提高15%，成为世界最快的弧焊机器人之一。   2008年底，安川公司又推出了新一代机器人控制器DX100，同时将SSA2000机器人进化为世界第一台7轴弧焊专用机器人MOTOMAN-VA1400。VA1400在传统工业机器人第一俯仰臂上增加了1个回转关节，具有冗余的自由度，使机器人本体的机动性和可达性提升到了前所未有的高度。在保持同一焊枪角度的情况下，其他手臂可以自由地采用多种姿态。焊接过程中不会因为本体和夹具的干涉而改变焊枪和工件的夹角。新的7轴机器人为焊接工装设计、生产空间布局以及焊接姿态优化增加了更多的优化空间。  MOTOMAN机器人不断推出的领先技术，使其目前稳居弧焊机器人世界年销售量首位，是首钢莫托曼在轿车排气零部件焊接领域广泛应用的技术基础。   六﹑可靠的安全性能    机器人自动焊接技术为汽车制造业带来劳动条件改善、生产能力可控、生产效率更高和产品质量有保证等优点的同时，也存在着不可忽视的安全隐患。弧光辐射、有害气体污染、操作机本体碰撞、变位机动作、夹具压手等诸多因素对操作工的伤害都时有发生。    首钢莫托曼设计制造的排气零部件机器人弧焊系统在以下几方面制订了严格的安全标准，为用户提供了安全可靠的应用系统。    （1）操作区域的安全防护设计。操作区域与工作维护区域是否完全隔离，是判断安全防护空间是否安全的重要指标。安全围栏的设计中严格要求操作工无法从操作安全区域直接进入到工作维护区域。安全围栏与地面间缝隙小于180mm，确保维护人员只能从维护门进入工作维护区域。此外，操作工进出操作安全区域处设还设置了光栅保护。当操作安全区域范围可允许操作工停留时，必须设区域扫描传感器保护。在操作工的正常操作安全区域与机器人的动作范围重合时，必须在机器人本体的水平第一轴处增设原点检测传感器。    （2）夹具的防夹手安全设计。在常用的气动夹具操作顺序中，操作工需要安装完一个零件后，按一个按钮使气缸夹紧，此操作过程中，如将手放在夹具上，容易发生手夹伤事故。  为避免此类安全事故，夹具设计中采用了以下方法：操作工进入安全区域时，所有夹具控制电磁阀处于中位排气状态，安装工件散件后，先手动试压紧，将压头按在零件上，所有工件均安装并试压紧后，再双手按动启动按钮。此时电磁阀为气缸供气，使气缸夹紧，检查零件安装夹紧状态，退出操作安全区域，按预约启动钮启动焊接。其中，所有的电磁阀均使用三位五通中位排气型电磁阀，所有夹紧机构采用带手柄可手动自锁压紧式夹紧机构。例如DESTACO手柄型。此种夹紧机构在断气状态下可实现手动自锁压紧，发现零件状态不合适时，可以再次手动打开。 七﹑便捷的夹具快换功能 便捷的夹具快换功能大大提高了设备的利用率，使用户根据需求可以随时调整，减少重复性投资和设备闲置。同时，利用快换功能，还可实现在新产品试制和小批量生产阶段先投夹具，在现有机器人焊接生产线上生产，批量生产阶段前再投新焊接线，有助于提高用户的资金利用率。 首钢莫托曼在大量的应用项目中总结并作为标准固定了以下几种夹具快换方式： （1）整根夹具梁快换的设计和快换方式。 夹具两侧安装定位销，变位机法兰一侧采用定位销套，另一侧采用键槽的定位方式。连接时，夹具两侧的定位销依靠重力插入销套和键槽中定位，连接板两侧的翻转螺钉压紧连接板。 （2）小件夹具及部件快换的设计和快换方式。 当单根夹具梁上夹具的互换性高时，可以使用标准快换式夹具梁，此时夹具梁上的定位销按标准尺寸分布，小件夹具可用其底板上的标准尺寸定位套与梁配合定位，使用开口快换垫圈快速夹紧。当夹具需要更换部件以适应不同型号的工件在同一套夹具上生产时，也可使用同样的结构。应用上述快换结构，单套夹具更换时间可控制在10min以内。 八﹑总结 随着弧焊机器人在汽车工业的广泛应用，越来越多的人们对它的优越性也有了更深的了解。现在，其他应用领域对弧焊机器人的需求也越来越多，对弧焊机器人的功能也提出了更多的要求。因此，我们也会加强弧焊机器人系统开发的力度，逐步完善我们的产品，使其在更多的领域发挥其更大的优势。目前的工业生产系统正向大型、复杂、动态和开放的方向发展，为了解决传统工业系统许多关键问题上遇到的严重挑战，便产生了一门新兴的机器人技术领域----多智能体机器人系统。所以，随着工业生产系统向大型、复杂、动态和开放的方向发展，多智能体焊接机器人系统终将成为热点的研究领域。而本文就是简要介绍了机器人技术发展的历程及我国焊接机器人技术研究所的现状。论述了焊接机器人技术发展的趋势及研究的热点问题，即随着智能机器人技术和人工智能理论的进一步发展，多智能体焊接系统、焊接机器人中基于PC的控制器和模糊逻辑与神经网络的融合技术将成为研究的热点问题。