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1、机器人学课程报告装配机器人综述目 录1 装配机器人背景介绍1 1.1 工业机器人技术简介1 1.2 装配机器人发展现状1 1.3 装配机器人技术的应用简介42 装配机器人原理6 2.1 装配机器人机械结构6 2.2 装配机器人控制6 2.3 机器人柔性装配10 2.4 工业机器人视觉技术14 2.5 装配机器人编程173 装配机器人的应用20 3.1 汽车行业20 3.2 电子电气行业23 3.3 家用电气行业24 3.4 精密机械行业25 3.5 航天航空等特殊领域264 装配机器人技术未来发展展望28 4.1 装配机器人关键技术28 4.2 装配机器人未来主要研究内容295 总结32参考文
2、献331. 装配机器人背景介绍1.1 工业机器人技术简介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。机器人是一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置，通过可编程序动作来执行各种任务的，并具有编程能力的多功能机械手。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。我国国家标准将工业机器人定义为“是一种能自动控
3、制、可重复编程、多功能、多自由度的操作机，能搬运材料、工件或操持工具，用以完成各种作业”。在标准中给出了“操作机”的明确定义：“操作机”是“具有和人手臂相似的动作功能，可在空间抓放物体或进行其他操作的机械装置”。自60年代研制出第一台通用工业机器人，工业机器人的研究和开发在国外工业发达国家中一直备受青睐。特别是随着相关支撑学科（如人工智能、计算机技术、传感器技术等的发展，工业机器人的研究和开发突飞猛进，应用进一步扩大，己经成为一个独立的高科技产业。在经历了第一代机器人（示教机器人）和第二代机器人（适应控制机器人）阶段，工业机器人研究不断向第三代机器人（自律机器人）即智能化方向发展，以适应“敏捷
4、制造”，满足多样化、个性化的需求，并适应多变的非结构环境作业，向非制造领域进军。我国工业机器人的研究从80年代“七五”科技攻关开始起步，随着世界机器人技术的发展和市场的形成，我国在机器人科学研究、技术开发与应用工程等方面取得了可喜的进步。尤其是随着改革开放的深入及与国际市场的接轨，新产品、新工艺的需求需要有新的设备来武装制造业，机器人应用在我国具有良好的前景和希望，在汽车、电子、家电、机械、轻工等行业尤为必须。1.2 装配机器人发展现状1.2.1装配机器人简介装配是产品生产的后续工序，在制造业中占有重要地位，在人力、物力、财力消耗中占有很大比例，作为一项新兴的工业技术，机器人装配应运而生。在机
5、器人应用各领域中只占很小的份额。究其原因，一方面是由于装配操作本身比焊接、喷涂、搬运等复杂；另一方面，机器人装配技术目前还存在一些亟待解决的问题。如：对装配环境要求高，装配效率低，缺乏感知与自适应的控制能力，难以完成变动环境中的复杂装配，对于机器人的精度要求较高，否则经常出现装不上或“卡死”现象。尽管存在上述问题，但由于装配所具有的重要意义，装配领域将是未来机器人技术发展的焦点之一。其重要性在机器人应用中将跃居第一位。装配机器人从适应的环境不同，又分为普及型装配机器人和精密型装配机器人，根据臂部的运动形式不同，分为直角坐标型装配机器人，垂直多关节型装配机器人和平面关节型(SCARA)装配机器人
6、。1.2.2 我国装配机器人发展现状经过多年来的研究与开发，我国在装配机器人方面有了很大的进步。目前在装配机器人研制方面，基本掌握了机构设计制造技术，解决了控制、驱动系统设计和配置、软件设计和编制等关键技术，还掌握了自动化装配线及其周边配套设备的全线自动通信、协调控制技术，在基础元器件方面，谐波减速器、六轴力传感器、运动控制器等也有了突破。我国已研制出精密型装配和实用型装配机器人，如华南理工大学完成的用于吊扇电动机装配的机器人自动装配系统。该装配系统用于装配1400mm、1200mm和1050mm 3种规格的吊扇电动机。使用该装配系统后，产品质量显著提高，返修率降低至5%8%左右。另外还有小型
7、电器机器人自动装配线，以及自动导引汽车发动机装配线，精密机芯机器人自动装配线等机器人示范应用工程。上海交通大学也研制了“精密1号”机器人，它是我国第一款高精度的装配机器人。国外在装配机器人领域的开发与应用方面走在中国前面。在韩国，装配机器人占1998年和1999年总销售量的27%。日本作为机器人王国，各产业中应用的机器人总数占世界的40%。其中装配机器人是日本机器人的最大应用领域，它占实际安装机器人数量的41%。据日本产业机器人协会统计，在19821991年的10年中，日本用于装配作业的机器人台数为177500台，居工程应用数量之首。我国已研制出精密型装配和实用型装配机器人，如广东吊扇电机机器
8、人自动装配线，小型电器机器人自动装配线，以及自动导引汽车发动机装配线，精密机芯机器人自动装配线等机器人示范应用工程。近几年来，“大连贤科机器人技术有限公司”与国内5家高校、科研所合作，开发出具有自主知识产权的系列化模块化直角坐标型装配机器人CAD设计平台；开发出两个系列共4种规格的平面关节型装配机器人；开发出两种类型3个系列的直线运动单元以及由此组成的直角坐标型装配机器人；研制出基于开放式体系结构的机器人控制器。“贤科”自主开发的装配机器人已在家电、电子仪表、轻工等行业得到初步应用，其质量不亚于国外同类产品，是国内当之无愧的最精密的装配机器人。1.2.3 国外装配机器人发展现状美、日、西欧的制
9、造业中约40%的劳动力用于装配，西德电子工业产品总成本的5070%是装配。装配机器人是高质量、高柔性、高效率完成自动装配的理想手段。所以装配机器人得到迅速发展， 如美国工业界Delphi法调查表明到2000年应用于装配和检验的机器人销售台数将从1985年占工业机器人总数16%猛增到35%。日本装配机器人的增长比任何其他工业应用领域的机器人都快，增长速度比欧洲和美国更快。日本装配机器人的增长臂人和其他工业应用领域的机器人都快，增长速度比欧洲和美国更快。日本机器人的广泛的应用领域在装配工段， 1985年装配机器人已达15800台，是焊接机器人的两倍，成为工业应用领域中应用最多的机器人。1995年为
10、33500台，产值为25903000亿日元， 到2004年，达到55000台，产值42005100亿日元。这个数值远远高于其他领域机器人的发展速度，为世界所瞩目。日本作为机器人王国，各产业中应用的机器人总数占世界的40%。其中装配机器人近年来异军突起，发展迅速。据日本产业机器人协会统计，在19821991年的10年中，日本用于装配作业的机器人台数为177500台，居工程应用数量之首。据日本产业机器人协会的统计，日本装配机器人1980年左右首次达到最高点。生产台数为2849台，产值2497亿日元，以后又呈上升趋势。目前，日本应用的装配机器人的主要型号有：直角坐标型、水平多关节型、垂直多关节型及圆
11、柱坐标型等。据日本产业机器人协会的预测，在日本制造业，装配机器人的需求逐年上升。1.3 装配机器人技术的应用简介环保压缩装配机器人控制技术的研究与开发，不仅产品处于国内领先地位，而且在压缩机生产领域的技术水平与产业素质提高到行业之首，并收到良好的经济效益和社会效益。具备视觉功能的装配机器人在工业领域得到越来越广泛的应用，相比程控型、示教再现型等其它类型的机器人，视觉装配机器人无疑具有更强的适应环境的能力以及智能化程度，因而更能适用于智能化装配任务的发展需求，目前视觉装配机器人已成为机器人领域内的研究热点。空间太阳电池阵自动装配机器人的设计也是当期一大研究，因为国外在这方面对中国采取封锁政策，我
12、们也无从得知他们的研究现状。国内，则用此类机器人完全替代落后的手工贴装工艺，实现机器人的自动贴装。从而提高太阳电池阵的加工品质，提高生产效率，降低电池片碎片率，缩短生产周期，避免胶液污染太阳电池现象的发生，满足新一代太阳电池发展的趋势。目前，国内外已有各种专用和通用的装配机器人在生产中得到应用，主要有直角坐标型、圆柱坐标型和关节型三大类。关节型装配机器人又有垂直关节型（即空间关节型）和平面关节型（即 SCARA 型）二种，其中平面关节型装配机器人是应用数量最多且较为广泛的一种装配机器人。机器人技术在零件装配领域的应用越来越得到人们的重视，尤其是大型零件的轴孔配合的应用。本课题来自某单位对蒸汽发
13、生器单元装配实际需要，设计开发出一款能够完成工件和压力容器之间轴孔配合的装配机器人。 蒸汽发生器单元装配工艺，分析轴孔装配偏差和柔顺轴孔装配方法，提出完成蒸汽发生器单元装配所需要机械结构方案、电气控制方案以及检测方法。机械结构方面：在 inventor 软件下设计出具有7自由度的装配机器人机械结构和工件的工装。通过 Algor 有限元分析软件对关键的零部件进行了非线性分析，保证结构的刚度和强度满足要求。基于 matlab 的机器人工具箱对装配机器运动学仿真和作业路径规划，为控制部分提供依据。1.4 总结 总的来看，目前装配机器人向提高控制精度、加快动作速度、操作机本体轻量化和多用途方向发展。在
14、装配机器人种类方面发展动向有：（1）对特定的工件装配作业采用专用装配机器人，如为了焊接扁平封装的IC电路，使用能完成微细的局部加热的激光焊锡装配机器人；（2）为扩大装配机器人的适用范围，装配机器人必须进一步向智能化方向发展。随着机器人智能化程度的提高，对复杂产品（如汽车发电机、电动机、电动打字机、收录机和电视机等）进行自动装配将成为现实。柔顺运动概念的研究及其进展，也有助于机械部件的自动装配工作。32. 装配机器人原理2.1 装配机器人机械结构机械系统是整个系统的机械本体部分，是工件的载体，对工件位姿调节。因此，机械系统有足够的刚度、强度，防止在抓工件后零部件变形、断裂；满足运动空间，即按照规
15、划好的路径将工件从初始位置安装到预定位置；具有冗余的自由度，补偿运动误差和制造误差；具有专用的机械手夹具，保证每次抓取工件后，工件在机械系统的位置不变。 装配机器人的机械本体一般由手部（末端执行执行器）、手腕、手臂及机座组成。根据结构不同，可分为四种类型：关节型、球坐标型、圆柱坐标型、直角坐标型。关节型和球坐标型灵活性好、工作空间大；直角坐标型刚度和精度高，但工作空间小；圆柱型介于他们之间。 工业机器人的总体方案设计主要进行运动功能方案、传动系统方案以及结构布局方案的设计。机器人运动功能设计:主要设计任务是机器人自由度数目、关节运动的性质及排列顺序的确定、以及在基准状态下的附体坐标系的建立。根
16、据机器人机构的特点，可以分为串联、并联和混联三种，串联的特点是结构简单，机构灵活，工作空间大，姿态性能好，但是机器人的刚度小，承载能力较低;而并联机器人的特点恰好与此相反，机器人的刚度较大，承载能力高，但是其工作空间小，姿态能力差。而混联方式，则是把串、并联结合起来，充分利用了串、并联的优点，避免了二者的缺点。但是混联机构势必会增加机器人结构的复杂性。2.2 装配机器人控制机器人控制系统是机器人的大脑，是决定机器人功能和性能的主要因素。工业机器人控制技术的主要任务就是控制工业机器人在工作空间中的运动位置、姿态和轨迹、操作顺序及动作的时间等。具有编程简单、软件菜单操作、友好的人机交互界面、在线操作提示
