机器人讲稿 串并联机器人及其应用

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1、串并联机器人及其应用,世界范围的制造工业革命开始于1950年代,当时的生产自动化就是“用机器代替人”,例如把人从放射性的生产中替换下来,机器人于1950年代中叶诞生.1980年代,制造行业发生质的飞跃,就是多品种,小批量概念的诞生. 相应的生产模式就是FMS.FMS是先进制造技术(AMT)的第二个发展阶段. 根据路涌祥先生的说法,AMT有四个阶段: 1).以NC机床,加工中心和工业机器人为代表的柔性制造单元阶段,以CAM为特征,60-70年代; 2).以柔性制造单元FMC加自动或半自动物流输送组合而成的柔性制造系统FMS,仍以分布式生产过程控制为特点,80-90年代 3)信息,工艺,物流,计算

2、机集成控制为特点,CIMS,80-90年代 4).以设计智能化,单元加工过程智能化和系统整体管理智能化为特征的智能集成制造系统阶段IMS,21世纪的制造技术,1、 机器人与先进制造技术,2、 机器人与先进制造技术(续),我们可以看到工业机器人是现代制造业的一项基础设施,它属于CIMS 的物理层次,是CIMS的重要组成部分.它在先进制造技术中的作用有三个方面: 1).机器人保证批量生产中产品质量的一致性;汽车发动机密封问题,某传动件焊接问题; 2).机器人可以成倍提高劳动生产率;生产线上一些复杂多变的岗位,人不适合; 3).劳动条件和社会保护问题;单调,繁重,噪音,危险,低报酬工作应该交机器去完

3、成.,2、 机器人技术:机器人由来,要对机器人了解，不妨来看一看它的由来,Robot来源于科学幻想,Robota捷克语,是苦力,奴隶的意思.1920年,捷克作家卡雷尔.查培克的小说机器人技术根源在于:人类改造自然,对材料,能源,信息三要素认识不断深化: 农业社会:生产系统=人+工具机+劳动对象;工业社会:生产系统=人+动力机+传动机+工作机+劳动对象;后工业社会:生产系统=人+控制机+动力机+传动机+工作机+劳动对象; (信 息与控制变得越来越重要);进一步,信息社会对自动化,应变性要求越来越高,就开始要求仿人自己的功能和机体,把控制机+动力机+传动机+工作机集成为一体,就是机器人即:先进生产

4、系统=人+机器人+劳动对象;或:先进生产系统=人+机器人+动力机+工作机+劳动对象;最近,美国西北大学有学者正在研究COBOT=人+机器人. 可见,机器人是生产力发展的必然产物,是生产工具不断进化的结果,机器人是一种典型的智能机器系统.,3、 机器人发展大事记,机器人的技术基础条件是:遥控操纵器(TELEOPERATOR)和数控机床(NC MachIne tool). 1947年,人们采用遥控操纵器处理放射性材料 1949年,MIT研制数控机床,飞机生产. 1954年,美国第一台机器人实验装置获得专利(George C. Devol) 1960年代,机器人产品问世,机器人技术开始形成; 196

5、0年,Unimation公司成立,定型生产Unimate机器人,同时,美国机床与铸造公司(AMF)制造了Verstran机器人; 1961年,美国MIT的Lincoln实验室开始研究机器人图象处理,用视觉识别工件; 1968年,Standford人工智能实验室研制带有手,眼,耳的计算机系统,智能机器人开始丰满起来; 1970年代,机器人产业蓬勃兴起,机器人技术成为专门学科,电子制造的微型化,可靠性对机器人发展具有重要贡献; 1980年代,视觉,触觉,多传感器信息融和,在机械制造,电子制造,装配,医疗等等行业广泛应用; 1990年代,海洋,太空应用机器人;各种仿生机械异常活跃,探讨“类大脑”机器

6、的可能; 21世纪:COBOT,微型化,NANO技术,.,?,3、 机器人发展大事记(现状),当前机器人产业化概况:根据ECE(联合国欧洲经济委员会)和IFR(国际机器人联合会)最新统计,1999年,世界工业机器人销售额为51亿美圆,2000年比99年增加12%,达57.1亿美圆.已经形成了一个大产业. 机器人主要应用在工业制造,在日本,1999年汽车行业,每6名生产工人就有1台工业机器人;在意大利,每13名生产工人就有1台工业机器人;在德国,每14名生产工人就有1台工业机器人;预测: 2003年,美国将拥有工业机器人155,000台;欧洲262,000台;全世界将从1997年的74,3000

7、台增加到89,2000台. 1.进入家庭:1999年6月日本索尼公司推出娱乐机器人:机器狗“爱宝”,首次投放5000台,在日本的3000台,20分钟卖光,在美国的2000台4天内卖光.当年11月索尼公司打算再投放1万台,结果接到13.5万台定单,2000年1月15日,索尼公司宣布“爱宝”不在限量生产. 2.进入微型化:进入人体的微型机器人已经诞生.工业先进国家都在进行这一工作，如日本通产省的“微型机械十年计划”（1993年开始实施），研究经费250亿日元，计划开发体积在1cm3以内，零件尺寸100um以下的各种拟生物机器人，近期目标是开发原子能电站管道维护和人体疾病治疗用的微型机器人；德国目前

8、也有一项为期三年、费用为6000万英镑的毫微米技术开发计划。英国政府和工业界亦在拟定联合开发计划。 南开大学的研究人员日前研制成功这种微操作机器人，可以替代手工，给厚度只有几微米的细胞打针。以往的这样的操作由手工进行，成功率极低。只需要点击几下鼠标，一种新型的微操作机器人，就会自动为直径只有几微米的牛肺细胞“打”上一针，之后细胞就会神奇地在一分钟内，完成基因的转化。这项全自动微操作机器人系统的成功开发，将会对生物工程、转基因动物研究工作的发展起到促进作用。,3、 机器人发展大事记(现状),3. 精良机器人化: 是由英国的ABB Robotics公司近年来提出的，其宗旨是寻求成本低廉的自动化。在

9、产品设计上既不过分追求完美无缺，也不缺乏必要的功能。这就要求为每个用户、每种特定应用提供最为适宜的机器人。制造商和用户在定货合同签订之前就结成伙伴关系，一起规定、寻求和确定最佳方案，并在以后的产品安装、调试和使用过程中，一直以这种伙伴关系来处理问题。 4. 机器人的应用领域不断扩大: 机器人作为一种拟人的工作机械，随着机器人技术的不断发展，其应用领域也在不断拓宽，从传统的制造业正在向非制造业领域扩展。据日本机器人协会调研，1995年，日本非制造业中的机器人市场规模约为224亿日元，2000年和2005 年可望分别达到2300亿日元和5400亿日元。今后，电力、原子能电站、消防救灾、服务、农林、

10、畜牧、水产、医疗、矿业、化工/医药、交通、海洋、航空、航天、军事、环保等领域，都是或将是机器人发挥其功能的广阔天地，是任何其它器械所不能替代的。 机器人技术的发展趋势: 机器人技术是涉及机械学、传感器技术、驱动技术、控制技术、通信技术和计算机技术的一门综合性高新技术，既是光机电一体化的重要基础，又是光机电一体化技术的典型代表。其产品主要有两大类，即以日本和瑞典为代表的一系列特定应用的机器人，如弧焊、点焊、喷漆装备、刷胶和建筑等，并形成了庞大的机器人产业。另一类是以美国、英国为代表的智能机器人开发，由于人工智能和其它智能技术的发展远落后于人们对它的期望，目前绝大部分研究成果未能走出实验室。,4、

11、 机器人研究开发(教学)内容,机器人是一门综合学科,机器人研究包括基础研究和应用研究两方面.主要包括: 1).机械手设计 2).机器人运动学,动力学和控制 3).轨迹设计和规划 4).传感器 5).机器人视觉 6).机器人控制语言 7).机器人装置与系统结构 8).机器人智能 由于机器人集成了控制机+动力机+传动机+工作机等综合功能,所以机器人学综合了机械,力学,电子学,生物学,控制论,计算机,人工智能,系统工程的多学科领域的知识,因此,机器人学实际是一个可以分为若干学科的学科类.,4、 机器人研究开发内容(续),工业机器人的机械部分由臂部,腕部,手部组成. 工业机器人臂部基本有四种形式: 直

12、角坐标式;圆柱坐标式;极坐标式;拟人关节式. 分别实现立方体,圆柱体,空心球体,球体的工作空间. 采用手腕实现所需要的姿态. 一般工业机器人有四到六个自由度.以适应装配,焊接,加工,检测等不同的需要. 通常,其控制流程为:通过任务指令要求,进行轨迹规划,经过控制器综合轨迹要求和传感器的信息,按一定的控制策略控制机器人手臂实现所需要的运动.并保证机器人满足事先给定的性能指标. 机器人语言,包括通用和专用两大类.以方便操作人员与机器人沟通.通用机器人语言的主要功能为:归零;编辑;示教和再现;单步操作;信息提示;状态自检等.专用机器人语言可以克服通用语言的编程麻烦,可读性差等缺点,主要分为动作级,对

13、象级,任务级散装.如AUTOPASS,VAL,IML等等.,日本智能机器人研究四个重点研究领域的研究课题及其关系,5、机器人定义和分类,迄今,对机器人尚无公认和严格的定义.各有各的说法.美国机器人工业协会1979年定义:机器人是一种可以改变程序的多功能的操作机构.三个关键词. 按智能程度机器人分类: 第一代:示教-再现工作方式机器人;第二代:具有一定的感觉装置,能够获取作业环境,操作对象的简单信息,具有一定推理能力;第三代:具有高度适应性的自治机器人,它具有多种感知功能,也就是真正的智能机器人.第三代机器人与第五代计算机密切相关. 按性能指标,结构形态等分类:例如按负载能力分类:超大型机器人:

14、1000公斤以上;大型机器人:100-1000公斤,10平方米;中型机器人:10-100公斤,1-10平方米;小型机器人:0.1-10公斤,0.1-1平方米;超小型机器人:0.1公斤以下,0.1平方米以下;又如按结构,可分为:直角坐标,圆柱坐标,球坐标和关节型四种机器人. 按目的和开发内容分类: 工业机器人(Industrial Robot),第一代和少数第二代机器人;操纵型机器人(Teleoperator Robot),实质是一种人-机系统,操作员处于联机回路中;智能机器人(Intelligent Robot),第三代机器人,应该具有:运动功能,感知功能,思维功能.,6 工业机器人技术概述,

15、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机械电子装置，既有人对环境状态的快速反

16、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。,7.工业机器人国内外发展趋势,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103万美元降至97年的65万美元。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

17、，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。,