工业机械人的研究进展.docx

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工业机械人的研究进展

工业机械人的研究进展

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摘要：

工业机械人是为了适应制造业规模化生产，解决单调、重复的体力劳动和提高生产质量而代替人工作业的产品。

诞生于20世纪60年代,在20世纪90年代取得迅速进展,是最先产业化的机械人技术。

综合了运算机、操纵论、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,应用日趋普遍。

工业机械人种类繁多，典型的工业机械人有能够进行自动化搬运作业的搬运机械人；在仓库中负责攫取、搬运的堆垛机械人；从事切割、焊接、喷涂的焊接机械人；用于各类电器制造及组件装配的装配机械人；可进行自动喷漆或喷涂其他涂料的喷漆机械人；和能仿照人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的机械手。

机械人技术是具有前瞻性、战略性的高技术领域。

工业机械人的普及更是实现自动化生产，提高社会生产效率，推动企业和社会生产力进展的有效手腕。

工业机械人自动扮装备的主流及以后的进展方向。

关键词：

工业机械人典型机械人进展方向

Progressinresearchonindustrialrobots

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（1、XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX，XXXXXXXXXX）

Abstract：

TheIndustrialrobotisakindofproductwhichistoadapttothelarge-scaleproductionofmanufacturing,solvetheproblemofmonotonous,repetitivemanuallaborinsteadofartificialworkandimprovethequalityofproduction.Itwasborninthe1960s.Inthe1990s,ithadarapiddevelopmentofthefirstindustrialrobottechnology.Theformationofhigh-techintegratedmanysubjectssuchascomputer,controltheory,institutions,informationandsensortechnology,artificialintelligence,bionicsandothersubjects.Now,itiswidelyused.

Industrialrobotshavenumeroustypes.Atypicalindustrialrobotincludesautomatedhandlingrobots;handlingstackingrobotwhichisresponsibleforgrabbinginthewarehouse;cutting,welding,sprayweldingrobots;avarietyofelectricalassemblyrobotwhichisforthemanufactureandassembly;autopaintorspraypaintpaintingrobots;robotarmswhichcanmimicsomemotorfunctionofthehandandgrabafixedprogram,carryobjectsoroperatools.Therobottechnologyisthemostforward-looking,strategichigh-techfields.Thepopularityofindustrialrobotsisaneffectivemeanstoautomatetheproduction,improvetheefficiencyofsocialproduction,andpromotebusinessandsocialdevelopmentofproductiveforces.Industrialrobots,automationequipmentmainstreamandthefuturedirectionofdevelopment.

Keywords：

IndustrialrobotsTypicalrobotThedirectionofdevelopment

0前言

工业机械人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机械人，工业机械人是自动执行工作的机械装置，是靠自身动力和操纵能力来实现各类功能的一种机械。

它可以同意人类指挥，也能够依照预先编排的程序运行，是一种仿人操作、自动操纵、可重复编程、能在三维空间完成各类作业的机电一体化自动化生产设备。

专门适合于多品种、变批量的柔性生产。

它对稳固、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。

机械人技术的进展，是一个多科学技术一起进展的一个综合性的结果，也同时，为社会经济进展产生了一个重大阻碍的一门科学技术，另一方面它也是生产力进展的需求的必然结果，也是人类自身进展的必然结果。

全世界诸多国家近半个世纪的工业机械人的利用实践说明，工业机械人的普及是实现自动化生产，提高社会生产效率，推动企业和社会生产力进展的有效手腕。

在汽车行业、电子电器行业、工程机械等行业已经大量利用工业机械人作为自动化生产线，以保证产品质量，提高生产效率，同时幸免了大量的工伤事故。

因此，工业机械人的研究与进展，具有普遍而深远的意义。

1进展历程

自1946年第一台数字电子运算机问世以来，运算机取得了惊人的进步，向高速度、大容量、低价钱的方向进展。

大量量生产的迫切需求推动了自动化技术的进展，其结果之一即是1952年数控机床的诞生。

与数控机床相关的操纵、机械零件的研究又为机械人的开发奠定了基础。

另一方面，原子能实验室的恶劣环境要求某些操作机械代替人处置放射性物质。

在这一需求背景下，美国原子能委员会的阿尔贡研究所于1947年开发了遥控机械手，1948年又开发了机械式的主从机械手。

机械人的历史并非算长，1959年美国英格伯格和德沃尔制造避世界上第一台工业机械人，机械人的历史才真正开始。

英格伯格在大学攻读伺服理论，这是一种研究运动机构如何才能更好地跟踪操纵信号的理论。

德沃尔曾于1946年发明了一种系统，能够“重演”所记录的机械的运动。

1954年,德沃尔又取得可编程机械手专利，这种机械手臂按程序进行工作，能够依照不同的工作需要编制不同的程序，因此具有通用性和灵活性，英格伯格和德沃尔都在研究机械人，以为汽车工业最适于用机械人干活，因为是用重型机械进行工作，生产进程较为固定。

1959年，英格伯格和德沃尔联手制造出第一台工业机械人。

1954年美国戴沃尔最先提出了工业机械人的概念，并申请了专利。

该专利的要点是借助伺服技术操纵机械人的关节，利用人手对机械人进行动作示教，机械人能实现动作的记录和再现。

这确实是所谓的示教再现机械人。

现有的机械人差不多都采纳这种操纵方式。

作为机械人产品最先的有效机型（示教再现）是1962年美国AMF公司推的“VERSTRAN”和UNIMATION公司推出的“UNIMATE”。

这些工业机械人的操纵方式与数控机床大致相似，但外形特点迥异，要紧由类似人的手和臂组成。

1965年，MIT的Roborts演示了第一个具有视觉传感器的、能识别与定位简单积木的机械人系统。

1967年日本成立了人工手研究会（现更名为仿生机构研究会），同年召开了日本首届机械人学术会。

1970

年在美国召开了第一届国际工业机械人学术会议。

1970年以后，机械人的研究取得迅速普遍的普及。

1973年，辛辛那提·米拉克隆公司的理查德·豪恩制造了第一台由小型运算机操纵的工业机械人，它是液压驱动的，能提升的有效负载达45千克。

到了1980年，工业机械人材真正在世界范围内普及。

二、典型工业机械人

装配机械人

装配机械人是柔性自动扮装配系统的核心设备，由机械人操作机、操纵器、结尾执行器和传感系统组成。

其中操作机的结构类型有水平关节型、直角坐标型、多关节型和圆柱坐标型等；操纵器一样采纳多CPU或多级运算机系统，实现运动操纵和运动编程；结尾执行器为适应不同的装配对象而设计成各类手爪和手腕等；传感系统又来获取装配机械人与环境和装配对象之间彼此作用的信息。

经常使用的装配机械人要紧有可编程通用装配操作手（ProgrammableUniversalManipula-torforAssembly）即PUMA机械人（最先显现于1978年，工业机械人的祖始）和平面双关节型机械人（SelectiveComplianceAssemblyRobotArm）即SCARA机械人两种类型。

与一样工业机械人相较，装配机械人具有精度高、柔顺性好、工作范围小、能与其他系统配套利用等特点，要紧用于各类电器的制造行业。

装配机械人的大量作业是轴与孔的装配，为了在轴与孔存在误差的情形下进行装配，应使机械人具有柔顺性。

主动柔顺性是依照传感器反馈的信息而从动柔顺心那么利用不带动力的机构来操纵手爪的运动以补偿其位置误差。

例如美国Draper实验室研制的远心柔顺装置RCC（RemoteCenterCompliancedevice），一部份许诺轴作侧向移动而不转动,另一部份许诺轴绕远心（通常位于离手爪最远的轴端）转动而不移动，别离补偿侧向误差和角度误差，实现轴孔装配。

装配机械人要紧用于各类电器制造（包括家用电器,如电视机、录音机、洗衣机、电冰箱、吸尘器）、小型电机、汽车及其部件、运算机、玩具、机电产品及其组件的装配等方面。

PUMA机械人

图1PUMA机械人

美国Unimation公司1977年研制的PUMA是一种运算机操纵的多关节装配机械人。

一样有5或6个自由度,即腰、肩、肘的回转和手腕的弯曲、旋转和扭转等功能。

其操纵系统由微型运算机、伺服系统、输入输出系统和外部设备组成。

采纳VALⅡ作为编程语言,例如语句“APPROPART，50”表示手部运动到PART上方50mm处。

PART的位置能够键入也可示教。

VAL具有持续轨迹运动和矩阵变换的功能。

SCARA机械人

大量的装配作业是垂直向下的,它要求手爪的水平（X，Y）移动有较大的柔顺性，以补偿位置误差。

而垂直（Z）移动和绕水平轴转动那么有较大的刚性,以便准确有力地装配。

另外还要求绕Z轴转动有较大的柔顺性，以便于键或花键配合。

日本山梨大学研制出SCARA机械人,它的结构特点知足了上述要求。

其操纵系统也比较简单,如SR-3000机械人采纳微处置机对θ1,θ2,Z三轴（直流伺服电机）实现半闭环操纵，对s

轴（步进电机）进行开环操纵。

编程语言采纳与BASIC相近的SERF。

最新版本Level4具有坐标变换、直线和圆弧插补、任意速度设定、以文字命名的子程序和检错等功能。

SCARA机械人是目前应用较多的类型之一。

图2SCARA机械人

焊接机械人

焊接机械人是从事焊接（包括切割与喷涂）的工业机械人。

依照国际标准化组织（ISO）工业机械人术语标准焊接机械人的概念，工业机械人是一种多用途的、可重复编程的自动操纵操作机（Manipulator），具有三个或更多可编程的轴，用于工业自动化领域。

为了适应不同的用途，机械人最后一个轴的机械接口，一般是一个连接法兰，可接装不同工具或称结尾执行器。

焊接机械人确实是在工业机械人的末轴法兰装接焊钳或焊（割）枪的，使之能进行焊接，切割或热喷涂。

随着电子技术、运算机技术、数控及机械人技术的进展，自动弧焊机械人工作站,从60年代开始用于生产以来，其技术已日益成熟，要紧有以下优势：

（1）稳固和提高焊接质量；

（2）提高劳动生产率；

（3）改善工人劳动强度，可在有害环境下工作；

（4）降低了对工人操作技术的要求；

（5）缩短了产品改型换代的预备周期，减少相应的设备投资。

因此，在各行各业已取得了普遍的应用。

焊接机械人目前已普遍应用在汽车制造业，汽车底盘、座椅骨架、导轨、消声器和液力变矩器等焊接，尤其在汽车底盘焊接生产中取得了普遍的应用。

丰田公司已决定将点焊作为标准来装备其日本国内和海外的所有点焊机械人。

用这种技术能够提高焊接质量，因此乃至试图用它来代替某些弧焊作业。

在短距离内的运动时刻也大为缩短。

该公司最近推出一种高度低的点焊机械人，用它来焊接车体下部零件。

这种矮小的点焊机械人还能够与较高的机械人组装在一路，一起对车体上部进行加工，从而缩短了整个焊接生产线长度。

国内生产的桑塔纳、帕萨特、别克、赛欧、波罗等后桥、副车架、摇臂、悬架、减振器等轿车底盘零件多数是以MIG焊接工艺为主的受力平安零件，要紧构件采纳冲压焊接，板厚平均为～4mm，焊接要紧以搭接、角接接头形式为主，焊接质量要求相当高，其质量的好坏直接阻碍到轿车的平安性能。

应用机械人焊接后，大大提高了焊接件的外观和内在质量，并保证了质量的稳固性和降低劳动强度，改善了劳动环境。

点焊机械人

点焊对焊接机械人的要求不是很高。

因为点焊只需点位操纵，至于焊钳在点与点之间的移动轨迹没有严格要求，这也是机械人最先只能用于点焊的缘故。

点焊用机械人不仅要有足够的负载能力，而且在点与点之间移位时速度要快捷，动作要平稳，定位要准确，以减少移位的时刻，提高工作效率。

点焊机械人需要有多大的负载能力，取决于所用的焊钳形式。

关于用与变压器分离的焊钳，30～45kg负载的机械人就足够了。

可是，这种焊钳一方面由于二次电缆线长，电能损耗

大，也无益于机械人将焊钳伸入工件内部焊接；另一方面电缆线随机械人运动而不断摆动，电缆的损坏较快。

因此，目前慢慢增多采纳一体式焊钳。

这种焊钳连同变压器质量在70kg左右。

考虑到机械人要有足够的负载能力，能以较大的加速度将焊钳送到空间位置进行焊接，一样都选用100～150kg负载的重型机械人。

为了适应持续点焊时焊钳短距离快速移位的要求。

新的重型机械人增加了可在内完成50mm位移的功能。

这对电机的性能，微机的运算速度和算法都提出更高的要求。

图3点焊机械人

弧焊机械人

弧焊进程比点焊进程要复杂得多，工具中心点（TCP），也确实是焊丝端头的运动轨迹、焊枪姿态、焊接参数都要求精准操纵。

因此，弧焊用机械人除前面所述的一样功能外，还必需具有一些适合弧焊要求的功能。

尽管从理论上讲，有5个轴的机械人就能够够用于电弧焊，可是对复杂形状的焊缝，用5个轴的机械人会有困难。

因此，除非焊缝比较简单，不然应尽可能选用6轴机械人。

弧焊机械人除前面提及的在作“之”字形拐角焊或小直径圆焊缝焊接时，其轨迹应能切近示教的轨迹之外，还应具有不同摆动样式的软件功能，供编程时选用，以便作摆动焊，而且摆动在每一周期中的停顿点处，机械人也应自动停止向前运动，以知足工艺要求。

另外，还应有接触寻位、自动寻觅焊缝起点位置、电弧跟踪及自动再引弧功能等。

图4弧焊机械人

机械手

机械手要紧由手部、运动机构和操纵系统三大部份组成。

手部是用来抓持工件（或工具）的部件，依照被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。

运动机构，使手部完成各类转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。

运动机构的起落、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。

为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。

自由度是机械手设计的关键参数。

自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。

一样专用机械手有2～3个自由度。

操纵系统是通过对机械手每一个自由度的电机的操纵，来完成特定动作。

同时接收传感器反馈的信息，形成稳固的闭环操纵。

操纵系统的核心一般是由单片机或dsp等微操纵芯片组成，通过对其编程实现所要功能。

机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹操纵方式可分为点位操纵和持续轨迹操纵机械手等。

图5机械手

机械手通经常使用作机床或其他机械的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中改换刀具等，一样没有独立的操纵装置。

有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门筹划危险物品的主从式操作手也常称为机械手。

机械手在锻造工业中的应用能进一步进展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件。

机械手能够减省工人、提高效率、降低本钱、提高产品品质、平安性好、提升工厂形象。

图6机械手

多关节机械手的优势是:

动作灵活、运动惯性小、通用性强、能抓取靠近机座的工件，并能绕过机体和工作机械之间的障碍物进行工作.随着生产的需要，对多关节手臂的灵活性，定位精度及作业空间等提出愈来愈高的要求。

多关节手臂也冲破了传统的概念，其关节数量能够从三个到十几个乃至更多，其外形也不局限于像人的手臂，而依照不同的场合有所转变，多关节手臂的优良性能是单关节机械手所不能比拟的。

SS系列旋臂式机械手

斜臂式机械手要紧适用于30-250吨卧式射出成型机的成品或水口掏出,上下手臂有单截式和双截式两种,整机上下、引拔、旋出、旋入均为全气压驱动,经济实惠型机械手.可提升产能（10%-30%）、降低产品不良率、节约人工、保障操作人员的平安性。

图7SS系列旋臂式机械手

特点：

（1）全机采纳铝合金周密铸造,轻巧、耐用;

（2）引拔臂和上下手臂采纳高强度铝合金结构粱配合入口的高刚性周密线性滑轨,运行平稳,噪音低,磨擦低,经久耐用;

（3）超薄型夹具,适合开模距离小的模具,霍尔式夹取确认,灵敏靠得住;

（4）自动检测报警平安爱惜,如气压不足或突发故障会自动报警,并自动弹出防落气缸,保证机械手臂和模具的平安;

（5）预留真空吸取功能,可同时吸夹产品,适合两板模掏出;

（6）选用双截式手臂,特殊的倍速结构设计,大幅度缩短上下手臂的结构高度,缩短掏出时刻,,增加稳固性,适用于较低的厂房;

（7）具有外部输出点,可操纵输送带、承接台等辅助设备;

（8）可选购CE机型,符合EUROMAP/SPI的标准及配置标准接口。

AX系列立式注塑机专用机械手臂

手臂利用线性滑轨搭配铝合金挤型梁,左右旋转改换容易,也可选择无左右旋转,夹具可选购180度旋转,连杆式夹具,超强挟持力.

特点

（1）掌上型操纵系统对话式操作，能够切换中文或英文页面，操作简单易学习，不占空间。

（2）八组内建标准程式，可贮存12组教诲程式，能够完全知足生产形式及需求。

（3）50组模具经历功能，能够节省换模的设定调整。

（4）自动侦测故障显示与操作器上，并自动记录方便与故障排除。

（5）手动操作时，能够显示所有的输出与输入接点于操作器上，维修方便快捷。

（6）LED显示重要讯号，如平安门，开模完，许诺关模，顶针，成品检测。

（7）备用输出点能够连接其他自动化设备，如输送带，喷离型剂（Silicon）组或是空压剪等。

8、自动运转下能够修改各项延迟时刻与计数，方便于操作。

（8）可选购具CE规格，符合EUROMAP或SPI的规定。

（10）能够选择EUROMAP12或EUROMAP67与成型机连接的标准。

图8AX系列立式注塑机专用机械手臂

AD系列轻型横走式机械手

要紧适用于50-200吨卧式射出成型机的成品或水口掏出,上下手臂有单截式和双截式两种,横行驱动方式可采纳气压驱动、变频马达驱动和AC伺服马达驱动,适合于两板及三板模.可提升产能（20%-30%）、降低产品不良率、节约人工、精准操纵产量及保障操作人员的平安性。

特点

（1）横行可采纳入口无杆缸、变频马达或AC伺服马达驱动,配合两组入口高刚性周密线性滑轨,运行平稳,噪音低,磨擦系数低,经久耐用;

（2）手臂采纳单截式入口的高刚性周密线性滑轨上下结构,可选配双截式手臂,特殊的皮带倍速结构设计,只需一半的行程即可达到全行程大幅度缩短上下手臂的结构高度,提高上下行的速度及稳固性,并可配合厂房高度低的场所.

（3）自动检测报警平安爱惜,如气压不足或突发故障会自动报警,并自动弹出防落气缸,保证机械手臂和模具的平安;

（4）可选购CE机型,符合EUROMAP/SPI的标准及配置标准接口。

图9AD系列轻型横走式机械手

AD中型横走系列机械手

要紧适用于50-280吨卧式射出成型机的成品掏出,可增加副臂用于三板模的水口掏出,上下手臂均采纳双截式手臂,

横行驱动方式可采纳变频马达驱动和AC伺服马达驱动,上下和引拔均为气压驱动,成品臂上下轴可选购AC伺服马达驱动,增加模内的掏出效率.

特点

（1）横行标准采纳入口变频马达驱动,运行平稳而经济.可选购AC伺服马达驱动,运行速度快而精准,定位精度达±;

（2）横行、上下、引拔臂采纳高刚性周密直线线性滑轨,耐磨耗,低噪音.平稳寿命长;

（3）双截式上下手臂采纳质量轻、高刚性的铝合金结构梁,配合入口的高刚性周密直线线性滑轨导向运行,其特殊的皮带倍速结构设计,只需一半的行程即可达到全行程,大幅度缩短上下手臂的结构高度,提高上下行的速度及稳固性,并可配合厂房高度低的场所.

（4）自动检测报警平安爱惜,如气压不足或突发故障会自动报警,并自动弹出防落气缸,保证机械手臂和模具的平安;

（5）上下及引拔行程调剂和位置调整标准采纳手动调位方式,可选购电动调位方式,节省调整时刻,增加操作的平安性.

（6）成品臂上下轴如选购AC伺服马达驱动，可提高上下动作速度，节省模内时刻，增加效率，并可在模外设置不同的置物高度，定位精度达±。

（7）可选购CE机型,符合EUROMAP/SPI的标准及配置标准接口。

图10AD中型横走系列机械手

AD大型横走系列机械手

要紧适用于400-4000吨卧式射出成型机的成品掏出,可增加副臂用于三板模的水口掏出,上下手臂均采纳双截式手臂,横行驱动方式标准为变频马达驱动，可选购AC伺服马达驱动,上下和引拔均为气压驱动。

成品臂上下轴可选购AC伺服马达驱动,增加模内的掏出效率.

特点

（1）横行标准采纳入口变频马达驱动,运行平稳而经济.可选购AC伺服马达驱动,运行速度快而精准,定位精度达±;

（2）横行、上下、引拔臂采纳高刚性周密直线线性滑轨,耐磨耗,低噪音.平稳寿命长;

（3）双截式上下手臂采纳质量轻、高刚性的铝合金结构梁,配合入口的高刚性周密直线线性滑轨导向运行,其特殊的皮带倍速结构设计,只需一半的行程即可达到全行程,大幅度缩短上下手臂的结构高度,提高上下行的速度及稳固性,并可配合厂房高度低的场所；

（4）自动检测报警平安爱惜,如气压不足或突发故障会自动报警,并自动弹出防落气缸,保证机械手臂和模具的平安;

（5）上下及引拔行程调剂和位置调整标准采纳手动调位方式,可选购电动调位方式,节省调整时刻,增加操作的平安性；

（6）成品臂上下轴如选购AC伺服马达驱动，可提高上下动作速度，节省模内时刻，增加效率，并可在模外设置不同的置物高度，定位精度达±；

（7）可选购CE机型,符合EUROMAP/SPI的标准及配置标准接口。

图11AD大型横走系列机械手

3进展展望

在发达国家中，工业机械人自动化生产线成套设备已成为自动扮装备的主流及以后的进展方向。

国外汽车行业、电子电器行业、工程机械等行业已经大量利用工业机械人