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工業機器人(面向工業領域的機器人)_百度百科

發布時間:2021-01-26

工業機器人是廣泛用于工業領域的多關節機械手或多自由度的機器裝置,具有一定的自動性,可依靠自身的動力能源和控制能力實現各種工業加工制造功能。工業機器人被廣泛應用于電子、物流、化工等各個工業領域之中。

發展歷史

20世紀50年代末,工業機器人最早開始投入使用。約瑟夫·恩格爾貝格(Joseph F.Englberger)利用伺服系統的相關靈感,與喬治·德沃爾(GeorgeDevol)共同開發了一臺工業機器人——“尤尼梅特”(Unimate),率先于1961年在通用汽車的生產車間里開始使用。最初的工業機器人構造相對比較簡單,所完成的功能也是撿拾汽車零件并放置到傳送帶上,對其他的作業環境并沒有交互的能力,就是按照預定的基本程序精確地完成同一重復動作。“尤尼梅特”的應用雖然是簡單的重復操作,但展示了工業機械化的美好前景,也為工業機器人的蓬勃發展拉開了序幕。自此,在工業生產領域,很多繁重、重復或者毫無意義的流程性作業可以由工業機器人來代替人類完成。

20世紀60年代,工業機器人發展迎來黎明期,機器人的簡單功能得到了進一步的發展。機器人傳感器的應用提高了機器人的可操作性,包括恩斯特采用的觸覺傳感器;托莫維奇和博尼在世界上最早的“靈巧手”上用到了壓力傳感器;麥卡錫對機器人進行改進,加入視覺傳感系統,并幫助麻省理工學院推出了世界上第一個帶有視覺傳感器并能識別和定位積木的機器人系統。此外,利用聲吶系統、光電管等技術,工業機器人可以通過環境識別來校正自己的準確位置。

自20世紀60年代中期開始,美國麻省理工學院、斯坦福大學、英國愛丁堡大學等陸續成立了機器人實驗室。美國興起研究第二代帶傳感器的、“有感覺”的機器人,并向人工智能進發。

20世紀70年代,隨著計算機和人工智能技術的發展,機器人進入了實用化時代。像日立公司推出的具有觸覺、壓力傳感器,7軸交流電動機驅動的機器人;美國Milacron公司推出的世界第一臺小型計算機控制的機器人,由電液伺服驅動,可跟蹤移動物體,用于裝配和多功能作業;適用于裝配作業的機器人還有像日本山梨大學發明的SCARA平面關節型機器人等。

20世紀70年代末,由美國Unimation公司推出的PUMA系列機器人,為多關節、多CPU二級計算機控制,全電動,有專用VAL語言和視覺、力覺傳感器,這標志著工業機器人技術已經完全成熟。PUMA至今仍然工作在工廠第一線。

20世紀80年代,機器人進入了普及期,隨著制造業的發展,使工業機器人在發達國家走向普及,并向高速、高精度、輕量化、成套系列化和智能化發展,以滿足多品種、少批量的需要。

到了20世紀90年代,隨著計算機技術、智能技術的進步和發展,第二代具有一定感覺功能的機器人已經實用化并開始推廣,具有視覺、觸覺、高靈巧手指、能行走的第三代智能機器人相繼出現并開始走向應用。

組成

一般來說,工業機器人由三大部分六個子系統組成。

三大部分是機械部分、傳感部分和控制部分。

六個子系統可分為機械結構系統、驅動系統、感知系統、機器人-環境交互系統、人機交互系統和控制系統。

1.機械結構系統

從機械結構來看,工業機器人總體上分為串聯機器人和并聯機器人。串聯機器人的特點是一個軸的運動會改變另一個軸的坐標原點,而并聯機器人一個軸運動則不會改變另一個軸的坐標原點。早期的工業機器人都是采用串聯機構。并聯機構定義為動平臺和定平臺通過至少兩個獨立的運動鏈相連接,機構具有兩個或兩個以上自由度,且以并聯方式驅動的一種閉環機構。并聯機構有兩個構成部分,分別是手腕和手臂。手臂活動區域對活動空間有很大的影響,而手腕是工具和主體的連接部分。與串聯機器人相比較,并聯機器人具有剛度大、結構穩定、承載能力大、微動精度高、運動負荷小的優點。在位置求解上,串聯機器人的正解容易,但反解十分困難;而并聯機器人則相反,其正解困難,反解卻非常容易。

2.驅動系統

驅動系統是向機械結構系統提供動力的裝置。根據動力源不同,驅動系統的傳動方式分為液壓式、氣壓式、電氣式和機械式4種。早期的工業機器人采用液壓驅動。由于液壓系統存在泄露、噪聲和低速不穩定等問題,并且功率單元笨重和昂貴,目前只有大型重載機器人、并聯加工機器人和一些特殊應用場合使用液壓驅動的工業機器人。氣壓驅動具有速度快、系統結構簡單、維修方便、價格低等優點。但是氣壓裝置的工作壓強低,不易精確定位,一般僅用于工業機器人末端執行器的驅動。氣動手抓、旋轉氣缸和氣動吸盤作為末端執行器可用于中、小負荷的工件抓取和裝配。電力驅動是目前使用最多的一種驅動方式,其特點是電源取用方便,響應快,驅動力大,信號檢測、傳遞、處理方便,并可以采用多種靈活的控制方式,驅動電機一般采用步進電機或伺服電機,目前也有采用直接驅動電機,但是造價較高,控制也較為復雜,和電機相配的減速器一般采用諧波減速器、擺線針輪減速器或者行星齒輪減速器。由于并聯機器人中有大量的直線驅動需求,直線電機在并聯機器人領域已經得到了廣泛應用。

3.感知系統

機器人感知系統把機器人各種內部狀態信息和環境信息從信號轉變為機器人自身或者機器人之間能夠理解和應用的數據和信息,除了需要感知與自身工作狀態相關的機械量,如位移、速度和力等,視覺感知技術是工業機器人感知的一個重要方面。視覺伺服系統將視覺信息作為反饋信號,用于控制調整機器人的位置和姿態。機器視覺系統還在質量檢測、識別工件、食品分揀、包裝的各個方面得到了廣泛應用。感知系統由內部傳感器模塊和外部傳感器模塊組成,智能傳感器的使用提高了機器人的機動性、適應性和智能化水平。

4. 機器人-環境交互系統

機器人-環境交互系統是實現機器人與外部環境中的設備相互聯系和協調的系統。機器人與外部設備集成為一個功能單元,如加工制造單元、焊接單元、裝配單元等。當然也可以是多臺機器人集成為一個去執行復雜任務的功能單元。

5.人機交互系統

人機交互系統是人與機器人進行聯系和參與機器人控制的裝置。例如:計算機的標準終端、指令控制臺、信息顯示板、危險信號報警器等。

6.控制系統

控制系統的任務是根據機器人的作業指令以及從傳感器反饋回來的信號,支配機器人的執行機構去完成規定的運動和功能。如果機器人不具備信息反饋特征,則為開環控制系統;具備信息反饋特征,則為閉環控制系統。根據控制原理可分為程序控制系統、適應性控制系統和人工智能控制系統。根據控制運動的形式可分為點位控制和連續軌跡控制。

特征

相比于傳統的工業設備,工業機器人有眾多的優勢,比如機器人具有易用性、智能化水平高、生產效率及安全性高、易于管理且經濟效益顯著等特點,使得它們可以在高危環境下進行作業。

1. 機器人的易用性

在我國,工業機器人廣泛應用于制造業,不僅僅應用于汽車制造業,大到航天飛機的生產,軍用裝備,高鐵的開發,小到圓珠筆的生產都有廣泛的應用。并且已經從較為成熟的行業延伸到食品,醫療等領域。由于機器人技術發展迅速,與傳統工業設備相比,不僅產品的價格差距越來越小,而且產品的個性化程度高,因此在一些工藝復雜的產品制造過程中,可以讓工業機器人替代傳統設備,這樣就可以在很大程度上提高經濟效率。根據數據統計顯示,從2016年到2017年,全球工業機器人的總銷量已經從29.4萬臺突破到34.6萬臺。可見工業機器人應用范圍之廣。

2.智能化水平高

隨著計算機控制技術的不斷進步,工業機器人將逐漸能夠明白人類的語言,同時工業機器人可以完成產品的組件,這樣就可以讓工人免除復雜的操作。工業生產中焊接機器人系統不僅能實現空間焊縫的自動實時跟蹤,而且還能實現焊接參數的在線調整和焊縫質量的實時控制,可以滿足技術產品復雜的焊接工藝及其焊接質量、效率的迫切要求。另外隨著人類探索空間的擴展,在極端環境如太空、深水以及核環境下,工業機器人也能利用其智能將任務順利完成。

3.生產效率及安全性高

機械手,顧名思義,通過仿照人類的手型而生產出來的機械手,它生產一件產品耗時是固定的。同樣的生存周期內,使用機械手的產量也是固定的,不會忽高忽低。并且每一模的產品生產時間是固定化,產品的成品率也高,使用機器人生產更符合老板利益。 工廠采用工業機器人生產,是可以解決很多安全生產方面的問題。對于由于個人原因,如不熟悉工作流程、工作疏忽、疲勞工作等導致安全生產隱患,統統都可以避免了。

4.易于管理,經濟效益顯著

企業可以很清晰的知道自己每天的生產量,根據自己所能夠達到的產能去接收訂單和生產商品。而不會去盲目預估產量或是生產過多產品產生浪費的現象。而工廠每天對工業機器人的管理,也會比管理員工簡單得多。 工業機器人可以24小時循環工作,能夠做到生產線的最大產量,并且無需給予加班的工時費用。對于企業來說,還能夠避免員工長期高強度工作后產生的疲勞、生病帶來的請假等誤工的情況。生產線換用工業機器人生產后,企業生產只需要留下少數能夠操作維護工業機器人的員工對工業機器人進行維護作業就可以了。經濟效益非常的顯著。

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