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工業(yè)機(jī)器人及其應(yīng)用
發(fā)布時(shí)間：2020/1/8
　　　　　　　　　　　　　工業(yè)機(jī)器人及其應(yīng)用
　　什么是工業(yè)機(jī)器人
　　工業(yè)機(jī)器人是機(jī)器人家族中的重要一員，也是目前在技術(shù)上發(fā)展最成熟、應(yīng)用最多的一類機(jī)器人。雖然世界各國(guó)對(duì)工業(yè)機(jī)器人的定義不盡相同，但其內(nèi)涵基本一致。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)對(duì)工業(yè)機(jī)器人給出了具體的定義：機(jī)器人具備自動(dòng)控制及可再編程、多用途功能，機(jī)器人操作機(jī)具有三個(gè)或以上的可編程軸，在工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用中，機(jī)器人的底座可固定也可移動(dòng)。
　　工業(yè)機(jī)器人一般由兩大部分組成：一部分是機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)，也稱作機(jī)器人操作機(jī)，它完成機(jī)器人的操作和作業(yè)；另一部分是機(jī)器人控制器，它主要完成信息的獲取、處理、作業(yè)編程、規(guī)劃、控制以及整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)的管理等功能。機(jī)器人控制器是機(jī)器人中最核心的部分，機(jī)器人性能的優(yōu)劣主要取決于控制系統(tǒng)的品質(zhì)。當(dāng)然，機(jī)器人要想進(jìn)行作業(yè)，除去機(jī)器人以外，還需要相應(yīng)的作業(yè)機(jī)構(gòu)及配套的周邊設(shè)備，這些與機(jī)器人一起形成了一個(gè)完整的工業(yè)機(jī)器人作業(yè)系統(tǒng)。圖9為工業(yè)機(jī)器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
　　
　　圖9 工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖迄今為止，典型的工業(yè)機(jī)器人僅實(shí)現(xiàn)了人類胳膊和手的某些功能，所以機(jī)器人操作機(jī)也稱作機(jī)器人手臂或機(jī)械手，一般簡(jiǎn)稱為機(jī)器人。但是，隨著科技的進(jìn)步，很多機(jī)器人外觀上已遠(yuǎn)遠(yuǎn)脫離了最初仿人型機(jī)器人和工業(yè)機(jī)器人所具有的形狀，更加符合各種不同應(yīng)用領(lǐng)域的特殊要求，其功能和智能程度也大大增強(qiáng)，從而為機(jī)器人技術(shù)開辟出更加廣闊的發(fā)展空間。
　　工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用：
　　機(jī)器人由于其作業(yè)的高度柔性和可靠性、操作的簡(jiǎn)便性等特點(diǎn)，滿足了工業(yè)自動(dòng)化高速發(fā)展的需求，被廣泛應(yīng)用于汽車制造、工程機(jī)械、機(jī)車車輛、電子和電器、計(jì)算機(jī)和信息以及生物制藥等領(lǐng)域。我國(guó)從應(yīng)用環(huán)境出發(fā)，將機(jī)器人分為兩大類，即工業(yè)機(jī)器人和特種機(jī)器人。所謂工業(yè)機(jī)器人就是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度機(jī)器人。而特種機(jī)器人則是除工業(yè)機(jī)器人之外的、用于非制造業(yè)并服務(wù)于人類的各種先進(jìn)機(jī)器人，包括：服務(wù)機(jī)器人、水下機(jī)器人、娛樂機(jī)器人、軍用機(jī)器人、農(nóng)業(yè)機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)器等。在特種機(jī)器人中，有些分支發(fā)展很快，有獨(dú)立成體系的趨勢(shì)，如服務(wù)機(jī)器人、水下機(jī)器人、微操作機(jī)器人等。下面將對(duì)它們分別作簡(jiǎn)單的介紹。
　　(1)典型的工業(yè)機(jī)器人：典型的工業(yè)機(jī)器人主要有弧焊機(jī)器人、點(diǎn)焊機(jī)器人、裝配機(jī)器人和涂裝機(jī)器人，它們是卷板機(jī)制造業(yè)中最常用的機(jī)器人類型。
　　
　　圖10典型的弧焊機(jī)器人系統(tǒng)
　　①弧焊機(jī)器人：弧焊機(jī)器人的應(yīng)用范圍很廣，除汽車行業(yè)之外，在通用機(jī)械、金屬結(jié)構(gòu)等許多行業(yè)中都有應(yīng)用。弧焊機(jī)器人應(yīng)是包括各種焊接附屬裝置在內(nèi)的焊接系統(tǒng)，而不只是一臺(tái)以規(guī)劃的速度和姿態(tài)攜帶焊槍(weld-ing torch)移動(dòng)的單機(jī)。一個(gè)典型的弧焊機(jī)器人系統(tǒng)，它主要包括三大部分：機(jī)器人操作機(jī)、機(jī)器人控制器和焊接系統(tǒng)。如圖10所示。
　　②點(diǎn)焊機(jī)器人：汽車工業(yè)是點(diǎn)焊機(jī)器人一個(gè)典型的應(yīng)用領(lǐng)域。一般裝配每臺(tái)汽車車體需要完成3000-4000個(gè)焊點(diǎn)，而其中的60％是由機(jī)器人完成的。在有些大批量汽車生產(chǎn)線上，服役的機(jī)器人臺(tái)數(shù)甚至高達(dá)150臺(tái)。引入機(jī)器人會(huì)取得下述效益：改善多品種混流生產(chǎn)的柔性；提高焊接質(zhì)量；提高生產(chǎn)率；把工人從惡劣的作業(yè)環(huán)境中解放出來。今天，機(jī)器人已經(jīng)成為汽車生產(chǎn)行業(yè)的支柱裝備。現(xiàn)在點(diǎn)焊機(jī)器人正在向汽車行業(yè)之外的電機(jī)、建筑機(jī)械等行業(yè)逐步普及。如圖11為汽車生產(chǎn)線上的點(diǎn)焊機(jī)器人。
　　
　　圖11 汽車生產(chǎn)線上的點(diǎn)焊機(jī)器人 　　　　　　　　　 圖12水平多關(guān)節(jié)型機(jī)器人
　　③裝配機(jī)器人：水平多關(guān)節(jié)型機(jī)器人是裝配機(jī)器人的典型代表。水平多關(guān)節(jié)型機(jī)器人如圖12所示。手爪安裝在手部前端，負(fù)責(zé)抓握物體，相當(dāng)于人手的功能，事實(shí)上用一種手爪很難適應(yīng)形狀各異的工件。通常，按抓取對(duì)象的不同需要設(shè)計(jì)其手爪。最近開始在一些機(jī)器人上配備各種可換手，以增加通用性。手爪主要有電動(dòng)手爪和氣動(dòng)手爪兩種形式。
　　裝配機(jī)器人進(jìn)行裝配作業(yè)時(shí)，除機(jī)器人主機(jī)、手爪、傳感器外，零件供給裝置和卷板機(jī)工件搬運(yùn)裝置也至為重要。無(wú)論從投資額的角度還是從安裝占地面積的角度，它們往往比機(jī)器人主機(jī)所占的比例大。周邊設(shè)備常由可編程控制器控制，此外一般還要有臺(tái)架、安全欄等。
　　④噴涂機(jī)器人：噴涂機(jī)器人廣泛用于汽車車體、家電產(chǎn)品和各種塑料制品的噴涂作業(yè)。與其他用途的工業(yè)機(jī)器人比較，噴涂機(jī)器人在使用環(huán)境和動(dòng)作要求上的特點(diǎn)是：工作環(huán)境包含易爆的噴涂劑蒸汽；沿軌跡高速運(yùn)動(dòng)，途經(jīng)各點(diǎn)均為作業(yè)點(diǎn)；多數(shù)被噴涂件都搭載在傳送帶上，邊移動(dòng)邊噴涂，所以它需要一些特殊性能。如圖1 3為涂裝車間臂掛式機(jī)器人生產(chǎn)線。
　　
　　圖13壁掛式噴涂機(jī)器人
　　噴涂機(jī)器人通常有液壓噴涂機(jī)器人和電動(dòng)噴涂機(jī)器人兩類。
　　除此之外，工業(yè)機(jī)器人還有一些其他的類型，如搬運(yùn)機(jī)器人、水切割機(jī)器人、卷板機(jī)激光加工(切割、焊接及表面處理)機(jī)器人、檢查和測(cè)量機(jī)器人、真空機(jī)器人以及移動(dòng)式搬運(yùn)機(jī)器人等。這些機(jī)器人進(jìn)一步豐富和發(fā)展了機(jī)器人技術(shù)，同時(shí)也拓展了機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域，并且這些新的機(jī)器人和應(yīng)用領(lǐng)域具有更廣闊的發(fā)展前景。
　　(2)特種機(jī)器人：
　　①水下機(jī)器人：21世紀(jì)是海洋世紀(jì)，海洋占整個(gè)地球總表面的71％，無(wú)論從政治、經(jīng)濟(jì)還是從軍事角度看，人類都要進(jìn)一步擴(kuò)大開發(fā)和利用具有豐富資源的海洋。水下機(jī)器人作為一種高技術(shù)手段，在海洋開發(fā)和利用中扮演重要角色，其重要性不亞于宇宙火箭在探索宇宙空間的作用。
　　水下機(jī)器人是一種可在水下移動(dòng)、具有視覺和感知系統(tǒng)、通過遙控或自主操作方式、使用機(jī)械手或其他工具代替或輔助人去完成水下作業(yè)任務(wù)的裝置。目前，投入使用的遙控水下機(jī)器人中有半數(shù)以上被用于完成水下觀察使命。水下機(jī)器人，也稱水下無(wú)人潛水器(UUV)，圖14所示是一載人潛水器。
　　
　　圖14 載人潛水器
　　目前水下機(jī)器人廣泛應(yīng)用在民用和軍事領(lǐng)域，以及在海洋、內(nèi)湖環(huán)境下的各類水下工程作業(yè)。民用方面主要是海洋科學(xué)考察，深海礦藏開采，海洋石油鉆井平臺(tái)作業(yè)，海底管線的鋪設(shè)和檢查，水下結(jié)構(gòu)物的檢查和維修，救助和打撈，水電站、大壩的檢查和維修，水下施工的輔助作業(yè)，養(yǎng)殖業(yè)資源調(diào)查和娛樂用等。軍用方面主要是援潛救生，打撈沉船，打撈有經(jīng)濟(jì)、戰(zhàn)略價(jià)值的沉物，水下軍事設(shè)施的建設(shè)，水下危險(xiǎn)物的排除，大范圍水下搜索及偵察，協(xié)助潛水員作業(yè)，長(zhǎng)距離作戰(zhàn)武器，水雷對(duì)抗及通信電纜埋設(shè)、維修等。其中最成功的商業(yè)化應(yīng)用是在海洋石油工業(yè)中，利用機(jī)器人進(jìn)行鉆井平臺(tái)的檢修、維護(hù)和搶修，這類水下機(jī)器人必須攜帶機(jī)械手才能完成預(yù)定的工作。
　　②服務(wù)機(jī)器人：所謂服務(wù)機(jī)器人是一種以自主或半自主方式運(yùn)行，能為人類健康提供服務(wù)的機(jī)器人，或者是能對(duì)設(shè)備運(yùn)行進(jìn)行維護(hù)的一類機(jī)器人。根據(jù)這個(gè)定義，裝備在非制造業(yè)的工業(yè)機(jī)器人也可以看做是服務(wù)機(jī)器人。服務(wù)機(jī)器人往往是可以移動(dòng)的，在多數(shù)情況下，服務(wù)機(jī)器人有一個(gè)移動(dòng)平臺(tái)。
　　典型的服務(wù)機(jī)器人有醫(yī)療機(jī)器人、個(gè)人服務(wù)機(jī)器人、工程機(jī)器人和極限作業(yè)機(jī)器人等。
　　醫(yī)療機(jī)器人是指輔助或代替人類醫(yī)生進(jìn)行醫(yī)療診治及護(hù)理的機(jī)器人。醫(yī)療機(jī)器人有多種類型，如醫(yī)療外科機(jī)器人、X射線介人性治療機(jī)器人、無(wú)損傷診斷與檢測(cè)微小型機(jī)器人、人工器官移植與植入機(jī)器人、康復(fù)與護(hù)理機(jī)器人等。目前研究和應(yīng)用較多的是醫(yī)療外科手術(shù)機(jī)器人。醫(yī)療外科機(jī)器人在提高手術(shù)質(zhì)量，減少手術(shù)創(chuàng)傷，縮短病人的恢復(fù)周期，降低病人和醫(yī)院的開支等方面帶來一系列的技術(shù)變革，也將改變傳統(tǒng)醫(yī)療外科的許多概念，將對(duì)新一代手術(shù)設(shè)備的開發(fā)與研制、對(duì)醫(yī)學(xué)的進(jìn)步產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。從世界機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)看，用機(jī)器人輔助外科手術(shù)將成為一種必然趨勢(shì)。
　　
　　　圖15 導(dǎo)盲犬機(jī)器人 　　　　　　　　　　　　　　 圖16 服務(wù)機(jī)器人
　　個(gè)人服務(wù)機(jī)器人通常是指在醫(yī)院、家庭、療養(yǎng)院及康復(fù)中心等對(duì)殘疾人、老人提供各種幫助的機(jī)器人，以及代替人進(jìn)行家務(wù)勞動(dòng)的機(jī)器人。如英國(guó)Mike Topping公司從1 987年開始研制一種稱為Handy 1的機(jī)器人，它能為患有腦癱、運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元疾病、中風(fēng)、肌營(yíng)養(yǎng)不良等疾病的殘疾人和意外事故的受傷者提供多種服務(wù)，如幫助他們就餐、洗臉、刮臉、刷牙和化妝。圖15是一個(gè)導(dǎo)盲犬機(jī)器人。瑞典Huaqvarna AB公司開發(fā)的“The Solar Mower”自主式草坪除草機(jī)是一種替代人從事除草勞動(dòng)的家務(wù)服務(wù)機(jī)器人。這種除草機(jī)靠太陽(yáng)能電池供電，開始工作時(shí)，它總是隨機(jī)地選擇一個(gè)方向開始移動(dòng)，每當(dāng)它碰到一個(gè)障礙或接受到限制電纜信號(hào)后，就改變方向。這種隨機(jī)但連續(xù)的運(yùn)行，使除草機(jī)一直不停地工作，直到整個(gè)草坪都被處理，并且除草機(jī)在無(wú)人照顧下可以連續(xù)工作幾個(gè)星期。為了防止小偷，還可以在機(jī)器人除草機(jī)中設(shè)置一個(gè)密碼，只有在輸入正確的密碼后，機(jī)器人才開始有序地工作。如果不知道密碼的人試圖停止或偷走它，一個(gè)內(nèi)置的報(bào)警器將發(fā)出報(bào)警聲。圖16是一款病人用服務(wù)機(jī)器人。
　　工程機(jī)器人通常是指在室外或野外代替人從事施工、建筑等作業(yè)的機(jī)器人。這類機(jī)器人是在傳統(tǒng)的工程機(jī)械基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，有時(shí)也稱為機(jī)器人化機(jī)器。也許從外觀上看不出機(jī)器人化工程機(jī)械與傳統(tǒng)工程機(jī)械的區(qū)別，但它是在傳統(tǒng)工程機(jī)械基礎(chǔ)上結(jié)合了機(jī)器人技術(shù)的一種智能機(jī)器，工作效率更高，作業(yè)質(zhì)量更好，改善操作性能，降低操作者勞動(dòng)強(qiáng)度和操作技術(shù)等級(jí)等。如壓路機(jī)器人、隧道鑿巖機(jī)器人、自動(dòng)攤鋪機(jī)、自動(dòng)多向高架無(wú)軌堆垛機(jī)等；
　　極限作業(yè)機(jī)器人是指代替人到人不能去或不適宜去的環(huán)境中進(jìn)行作業(yè)的機(jī)器人，這些環(huán)境通常包括高溫、高壓、有毒、放射性、深水、高空等。人在這些環(huán)境中作業(yè)所能容忍的條件是有一定限度的，超過這些限度，就會(huì)危及人的生命。
　　
　　
　　如 圖17德國(guó)。
　　機(jī)械甲蟲”消防機(jī)器人17所示為德國(guó)設(shè)計(jì)的甲殼蟲消防機(jī)器人，不但可以滅火，由于配備了全球定位導(dǎo)航系統(tǒng)，配備紅外線和熱傳感器，還可以探測(cè)火源，在中國(guó)，上海消防研究所和上海交通大學(xué)等單位于1998年也研制成功了中國(guó)第一臺(tái)消防機(jī)器人。它可以行走、爬坡、跨障礙、噴射滅火，還可以用于火場(chǎng)偵察。
　　③空間機(jī)器人：空間機(jī)器人是指在大氣層內(nèi)、外從事各種作業(yè)的機(jī)器人，包括在內(nèi)層空問飛行并進(jìn)行觀測(cè)、可完成多種作業(yè)的飛行機(jī)器人，到外層空間其他星球上進(jìn)行探測(cè)作業(yè)的星球探測(cè)機(jī)器人和在各種航天器里使用的機(jī)器人。
　　④微機(jī)器人：微機(jī)器人是微機(jī)械的重要分支之一，是微機(jī)械發(fā)展的高級(jí)形式。微操作機(jī)器人是以亞微米、納米運(yùn)動(dòng)定位技術(shù)為核心，在較小空間中進(jìn)行精密操作作業(yè)的裝置，可以應(yīng)用于生物顯微操作、微電子制造、納米加工等領(lǐng)域，將對(duì)21世紀(jì)人類生產(chǎn)和生活方式產(chǎn)生革命性影響，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國(guó)防事業(yè)有重要的意義。
　　微機(jī)器人與傳統(tǒng)的大型機(jī)器人相比具有以下特點(diǎn)：能夠進(jìn)入窄小的空間中進(jìn)行檢測(cè)、維護(hù)等作業(yè)；能夠?qū)崿F(xiàn)微小尺寸水平上的精確定位；批量生產(chǎn)成本一般較低。
　　
　　圖18 管道檢測(cè)微型機(jī)器人
　　如果按使用途徑分類，微機(jī)器人大體可分管道機(jī)器人；平面移動(dòng)機(jī)器人；水下機(jī)器人三類。如上海大學(xué)研究的管道檢測(cè)微型機(jī)器人如圖18所示。它可以在內(nèi)徑20毫米工業(yè)管道內(nèi)對(duì)機(jī)械損傷裂紋等缺陷進(jìn)行自動(dòng)探測(cè)。 圖19腔道檢測(cè)微機(jī)器人上海交通大學(xué)研制的進(jìn)入腔道的微型機(jī)器人如圖19所示，它可攜帶光成像、傳像、照明的內(nèi)窺鏡系統(tǒng)。1992年日本東京工業(yè)大學(xué)研制出用形狀記憶合金SMA驅(qū)動(dòng)的8足微型步行機(jī)器人。體長(zhǎng)7毫米，用空氣壓力使橡膠管擺動(dòng)，步行機(jī)器人腿直徑為2毫米。
　　隨著將來技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)應(yīng)于機(jī)器人的大小及用途也許會(huì)有明確的區(qū)別，例如用在消化道中移動(dòng)的小型機(jī)器人，在微細(xì)血管中移動(dòng)的微機(jī)器人，分散于體內(nèi)與有害細(xì)菌作戰(zhàn)的納米機(jī)器人。但是到目前為止，實(shí)際開發(fā)的這類機(jī)器人幾乎還是具有數(shù)毫米到數(shù)厘米大小的尺寸。
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