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1、中 国 地 质 大 学研究生课程论文封面课程名称 先进制造技术 教师姓名 杨 杰 研究生姓名 研究生学号 研究生专业 机械工程 所在院系 机械与电子信息学院 类别: 工程硕士 日期: 年 月 日 工业机器人摘要：本文介绍了先进制造自动化技术中的工业机器人的概念、基本原理，以及当今世界工业机器人技术的前沿，描述了工业机器人的应用情况、典型事例等发展现状，并展望了今后工业机器人技术的发展趋势。关键词： 工业机器人；概况；现状；组成；分类；应用；发展趋势引言工业机器人是集机械、材料、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。代表了机电一体化的最高成就，是
2、当代科学技术发展最活跃的领域之一。它的研究和应用水平一个国家的自动化的水平。自从1962年美国研制出世界上第一台工业机器人以来,机器人技术及其产品发展很快,已成为柔性制造系统( FMS) 、自动化工厂( FA) 、计算机集成制造系统(CIMS)的自动化工具。广泛采用工业机器人,不仅可提高产品的质量与数量,而且保障人身安全、改善劳动环境、减轻劳动强度、提高劳动生产率、节约材料消耗以及降低生产成本有着十分重要的意义。和计算机、网络技术一样,工业机器人的广泛应用正在日益改变着人类的生产和生活方式。 20世纪80年代以来，工业机器人技术逐渐成熟，并很快得到推广，目前已经在工业生产的许多领域得到应用。1
3、工业机器人的简介1.1 工业机器人的概念1.1.1 “机器人”一词的由来1920年，捷克剧作家卡里洛奇别克在其科幻剧本罗萨姆万能机器人制造公司(Rossums Universal Robots)首次使用了ROBOT这个名词，意思是“人造的人”。现在已被人们作为机器人的专用名词。1.1.2定义关于机器人的定义，专家们仍在争议之中，至今还没有人能够提出一个令人信服的明确定义，美国机器人协会（RIA）对机器人的定义一是：“所谓工业机器人，是为了完成不同的作业，根据种种程序化的运动来实现材料、零部件、工具货特殊装置的移动并可重新编程的多功能操作机。”日本产业机器人协会（JIRA）的定义是:“所谓工业机
4、器人，是在三维空间具有类似人体上肢动作机能及其结构，并能完成复杂空间动作的多自由度的自动机械”或“根据感觉机能或认识机能，能够自行决定行动的机器（智能机器人）。”1国际标准化组织(ISO):机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能操作机，这种操作机具有几个轴，能够借助可编程操作来处理各类材料、零件、工具和专用装置，以执行各种任务。虽然工业机器人的定义不明确，但是有一点是可以明确的，那就是人们开发研究工业机器人的最终目标，在于要研制出一种能够综合人的所有动作特性通用性、柔软性、灵活性的自动机械。机器人集中了机械工程、电子技术、计算机技术、自动控制原理以及人工智能等多学科的最新研究成果
5、，代表了机电一体化的最高成就，是当代科学技术发展最活跃的领域之一。工程技术人员了解和学习机器人学具有重要的意义。综上，工业机器人是一种可以搬运物料、零件、工具或完成多种操作功能的机械装置，由计算机控制，是无人参与的自动化控制系统，是可编程、具有柔性的自动化系统。它能复现人的动作和职能。反复调整以执行不同的功能。具有通用性、柔性和灵活性的自动机械。 已成为FMS和CIMS系统的重要设备。1.1.3发展历史工业机器人的问世，大约是在25年前，微处理机的诞生，大约是在15年前，正是由于微处理机的出现，以及各种LSI,VLSI的飞跃发展，才使得工业机器人控制系统的技能大幅度提高，从而使数百种不同结构、
6、不同控制方法、不同用途的工业机器人终于在八十年代，真正进入了实用与普及的阶段，并发挥了令人难以置信的巨大威力与经济效益。目前，工业机器人像计算机一样，可以按“代”分类。第一代工业机器人是指T/P方式（Teaching/Playback方式），即示教/再现方式。19世纪50、60年代，随着机构理论和伺服理论的发展，机器人进入了实用阶段。1954年美国的G. C. Devol发表了“通用机器人”专利；1960年美国AMF公司生产了柱坐标型Versatran机器人，可进行点位和轨迹控制，这是世界上第一种应用于工业生产的机器人。 70年代，随着计算机技术、现代控制技术、传感技术、人工智能技术的发展，机
7、器人也得到了迅速的发展。1974年Cincinnati Milacron公司成功开发了多关节机器人；1979年，Unimation公司又推出了PUMA机器人，它是一种多关节、全电机驱动、多CPU二级控制的机器人，采用VAL专用语言，可配视觉、触觉、力觉传感器，在当时是技术最先进的工业机器人。现在的工业机器人在结构上大体都以此为基础。这一时期的机器人属于“示教再现”（Teach-in / Playback）型机器人，只具有记忆、存储能力，按相应程序重复作业，对周围环境基本没有感知与反馈控制能力。第二代工业机器人是具有一些简单智能、可行走的、能对周围环境做出反应的机器人，在机械、电子等生产领域得到
8、了广泛的应用。进入80年代，随着传感技术，包括视觉传感器、非视觉传感器（力觉、触觉、接近觉等）以及信息处理技术的发展，出现了第二代机器人有感觉的机器人。它能够获得作业环境和作业对象的部分相关信息，进行一定的实时处理，引导机器人进行作业。第二代机器人已进入了使用化，在工业生产中得到了广泛应用。第三代机器人称为智能机器人。这种机器人不仅具有比第二代机器人更加完善的环境感知能力，视觉、触觉等智能，而且还具有像人一样的逻辑思维、逻辑判断机能，能推理、决策、自我规划、自我学习、有自立性。可根据作业要求与环境信息自主地进行工作。21.2工业机器人的组成1.2.1机械本体 机器人的机械本体机构基本上分为两大
9、类，一类是执行机构，即操作本体机构，它类似人的手臂和手腕，是一组具有与人手脚功能相似的机械机构；另一类为移动型本体结构，主要实现移动功能。如行进系统。 1)手部（抓取机构或夹持器）：用来直接抓取工件或工具。有机械式、真空吸附式、磁性吸附式。2)腕部：是联接手部和臂部的部件，用以支撑和调整手部的姿态。 3)臂部：是支撑腕部的部件，由动力关节和连杆组成。用以承受工件或工具负荷，改变工件的空间位置，并送至预定的位置。4)机身（立柱）：是支撑臂部的部件，扩大臂部的活动范围。5)机座及行走机构：是支撑整个机器人的基础件，确定并改变机器人的位置。1.2.2控制系统：控制系统即计算机控制系统，各关节伺服驱动
10、的指令值由主计算机计算后，在各采样周期给出。机器人通常采用主计算机与关节驱动伺服计算机两级计算机控制。它是机器人的大脑，控制与支配机器人按给定的程序动作，并记忆人们示教的指令信息，可再现控制所存储的示教信息。机器人控制系统是机器人的重要组成部分，用于对操作机的控制，以完成特定的工作任务。如图示：1）控制计算机：是调度指挥机构，微型机。2）示教盒：工作轨迹和参数设定，拥有独立存储单元，与主计算机之间以串行通信方式实现信息交互。 3）控制面板：各操作功能按钮，状态指示灯。 4）硬盘和软盘存储：存储程序。 5）数字和模拟量输入输出：各种状态和控制命令输入输出。6）轴控制器：完成机器人各关节位置、速度
11、和加速度控制。1.2.3驱动系统驱动系统即驱动伺服单元，它是机器人执行作业的动力源，按照控制系统发出的指令驱动执行机构完成规定的作业。其作用是使驱动单元驱动关节并带动负载按预定的轨迹运动。已广泛采用的驱动方式有：液压伺服驱动、电机伺服驱动，气动伺服驱动。1.2.4传感系统传感系统，除了关节伺服驱动系统的位置传感器（称作内部传感器）外，还配备视觉、力觉、触觉、接近觉等多种类型的传感器（称作外部传感器）。如：感知系统和人工智能系统等。1.2.5输入/输出系统接口为了与周边系统及相应操作进行联系与应答，还应有各种通讯接口和人机通信装置。1.3工业机器人的分类首先，工业机器人做为完成任务的机具，按用途
12、包括以下几种：（a）搬运、上料机器人；（b）喷涞机器人；（c）焊接与切割机器人，点焊与弧焊；（d）装配机器人；（e）最后工序机器人，完成打毛剌、分类、检验、包装等工作。3可见工业机器人的用途实为广泛。接着，更深一步，从技术上可以把工业机器人分为以下几类：1.3.1按系统功能分1)专用机器人：用固定的程序在固定的地点工作的机器人。其结构简单，成本低。自动化的机械手。2)通用机器人：具有独立的控制系统，通过改变程序能完成多种作业的机器人。其结构复杂，工作范围大，通用性强，适用于不断变换生产品种的柔性制造系统。 3)示教再现机器人：具有记忆功能，在操作者示教操作后，能按示教的顺序、位置、条件与其他信
13、息反复示教作业。4)智能机器人：采用计算机控制，具有视觉、听觉、触觉等多功能和识别功能。通过比较和识别，自主作出决策和规划，自动进行信息反馈，完成预定的动作。1.3.2按驱动方式分1)气压传动机器人：以压缩空气作为动力源驱动执行机构的机器人，动作简单、成本低廉，适用于高速轻载、高温和粉尘大的环境作业。 2)液压传动机器人：采用液压驱动，具有负载能力强、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏的特点，适用于低速、重载的场合。3)电气传动机器人：用交流或直流伺服电动机驱动的机器人，不需要中间转换机构，结构简单、响应速度快、控制精度高。 1.3.3按结构形式分1)直角坐标型：由三个相互正交的平移坐标轴组成，坐标
14、轴运动独立。控制简单、定位精度高。 2)圆柱坐标型：由立柱和一个安装在立柱上的水平臂组成，其立柱安装在回转的机座上，水平臂可以伸缩，并可沿立柱上下移动。一个旋转轴和一个平移轴。如：Verstran 机器人。3)球坐标型：由回转机座、俯仰绞链和伸缩臂组成，有两个旋转轴和一个平移轴。4)关节型：由大臂、小臂和立柱组成。肘关节、肩关节是绞链。有三个旋转轴。如：关节型搬运机器人、关节型焊接机器人1.3.4根据自由度分类自由度是表达机器人通用性、灵活性的重要指标。目前，一般商业化的工业机器人自由度大都在37之间。如：仿生型特种机器人，该系列机器人，自由度一般较多，具有更强的适应性和灵活性，但控制更复杂，
15、成本更高，刚性较差。如：类人型机器人、蛇形机器人、仿狗机器人、六足漫游机器人、六轮漫游机器人、仿鱼机器人、仿鸟机器人等1.3.5根据负载能力与空间动作领域分类：类型负载能力与空间动作领域超大型机器人1t以上大型机器人100kg1t 动作领域10m以上中型机器人10kg100kg 动作领域1 m10 m小型机器人0.1kg10kg 动作领域0.1 m1 m超小型机器人0.1kg以下 动作领域0.1 m以下1.3.6根据顺序信息分类：名称定义操纵机械手直接操作型的机械手单机能机器人仅具有固定记忆机能的机械手，这种控制装置无法实现多种反复作业反复作业机器人单纯反复作业机器人固定程序作业程序难以变更的机器人可变程序作业程序容易变更，而且根据程序可以进行固定顺序控制的机器人作业程序容易变更，而且具有作业条件分枝机能的机器人多种反复作业机器人可变程序
