工业机器人技术概述课件.ppt

第十章 机器人的应用,第一节 概述,第二节 工业机器人,第三节 军用机器人,第四节 水下机器人,第五节 空间机器人,第六节 服务机器人,第七节 农业机器人,第八节 仿人机器人,第一节 概述,机器人已广泛地应用于汽车、机械加工、电子及塑料制品等工业等领域中，随着科学与技术的发展，机器人的应用领域也随之不断扩大。现在工业机器人的应用已开始扩大到军事、核能、采矿、冶金、石油、化学、航空、航天、船舶、建筑、纺织、制衣、医药、生化、食品、服务、娱乐、农业、林业、畜牧业和养殖业等领域中。 按应用领域，机器人大致可分为工业机器人、军用机器人、水下机器人、空间机器人、服务机器人、农业机器人和仿人机器人七大类。,第二节 工业机器人,在工业生产中，弧焊机器人、点焊机器人、装配机器人、喷涂机器人及搬运机器人等工业机器人都已被大量采用。由于机器人对生产环境和作业要求具有很强的适应性，用来完成不同生产作业的工业机器人的种类愈来愈多（例如抛光机器人、打毛刺机器人、激光切割机器人等等），工业将实现高度自动化。机器人将成为人类社会生产活动的“主劳力”，人类将从繁重的、重复单调的、有害健康和危险的生产劳动中解放出来。,一、工业机器人应用的准则,1、从恶劣工种开始采用机器人2、在生产率和生产质量落后的部门应用机器人3、要估计长远需要4、机器人的投入和使用成本5、应用机器人时需要人,二、采用工业机器人的步骤,1、全面考虑并明确自动化要求。2、制订机器人化技术3、探讨采用机器人的条件。4、对辅助作业和机器人性能进行标准化。5、设计机器人化作业系统方案。6、选择适宜的机器人系统评价指标。7、详细设计和具体实施。,三、喷涂机器人,喷涂机器人已广泛用于汽车车体、家电产品和各种塑料制品的喷涂作业。 由于喷涂工序中雾状漆料对人体有危害，喷涂环境中照明、通风等条件很差，而且不易从根本上改进，因此在这个领域中大量地使用了机器人。使用喷涂机器人不仅可以改善劳动条件，而且还可以提高产品的产量和质量，降低成本。,喷涂机器人在使用环境和动作要求上有如下特点：1）工作环境包含易爆的喷涂剂蒸汽；2）沿轨迹高速运动，途径各点均为作业点；3）多数的被喷涂件都搭载在传送带上，边移动边喷涂。,对喷涂机器人有如下要求：1）机器人的运动链要有足够的灵活性，以适应喷枪对工件表面的不同姿态要求；2）要求速度均匀，特别是在轨迹拐角处误差要小，以避免喷涂层不均；3）控制方式通常以手把手示教方式为多见，因此要求在其整个工作空间内示教时省力，要考虑重力平衡问题；4）可能需要轨迹跟踪装置；5）一般均用连续轨迹控制方式；6）要有防爆要求。,六轴多关节型液压喷涂机器人系统,驾驶室自动喷涂生产线,四、焊接机器人,1.弧焊机器人 弧焊机器人的应用范围很广，除汽车行业之外，在通用机械、金属结构等许多行业中都有应用。弧焊机器人应是包括各种焊接附属装置在内的焊接系统，而不只是以规划的速度和姿态携带焊枪移动的单机。,在弧焊作业中，要求焊枪跟踪工件的焊道运动，并不断填充金属形成焊缝。因此，运动过程中速度的稳定性和轨迹精度是两项重要的指标。此外，弧焊机器人还应具有抖动功能、坡口填充功能、焊接异常（如断弧、工件熔化等）检测功能、焊接传感器（起始点检测、焊道跟踪等）的接口功能。,焊接系统的基本组成,弧焊机器人系统在铝合金贮箱箱底拼焊中的应用,2.点焊机器人,点焊机器人被广泛用来焊接薄板材料， 它具有如下特点： （1）高的加速度和减速度；（2）良好的灵活性，至少5个自由度；（3）良好的安全可靠性；（4）通常要求工作空间大，适应焊接工作要求，承载能力高；（5）持重大，以便携带内装变压器的焊钳；（6）定位精度高（0.25mm），以确保焊接质量；（7）重复性要求：可见焊点处小于等于1mm，不可见焊点处不大于3mm；（8）为避免与工件碰撞，通常要求小臂很长。,IR761/125型点焊机器人,五、装配机器人,装配机器人已逐步用于装配复杂部件，例如装配发动机、电动机、大规模集成电路板等, 用机器人来实现自动化装配作业是现代化生产的必然趋势。,机器人进行装配作业时，除机器人主机、手爪、传感器外，零件供给装置和工件搬运装置也至为重要。无论从投资的角度还是从安装占地面积的角度，他们往往比机器人主机所占的比例大。周边设备常由可编程控制器控制，此外一般还要有台架、安全栏等。,装配机器人在吊扇电机自动装配作业系统,在上述装配系统中，机器人应完成如下操作： 利用机器人的堆垛功能，实现对零件的顺序抓取，并运送到装配位置；。 配合使用柔顺定心装置，实现零件在装配位置上的自动定心和轴孔插入；。 利用机器人及其控制器，配合光电检测装置和识别微处理器，实现螺孔的识别、定向和螺纹装配；。 利用机器人的示教功能，简化设备安装调整工作；。 使装配系统容易适应产品规格的变化，具有更大的柔性。,SRX-4CH型的机器人 SRX-4XB型的机器人,装配机器人,第三节 军用机器人,在未来战争中，机器人将发挥重要作用。军用机器人可以是一个武器系统，如机器人坦克、自主式地面车辆、扫雷机器人等，也可以是武器装备上的一个系统或装置。作战机器人、侦查机器人、哨兵机器人、排雷机器人、布雷机器人等将会迅速发展。将来可能出现机器人化部队或兵团，在未来战争中将会出现机器人对机器人的战斗。,军用机器人的关键性技术主要有：1）对于地面军用机器人，地面行驶能力和快速准确识别重要目标是发展地面军用机器人面临的重大挑战。2）对于半自主机器人，控制台与机器人之间的每一次数据传输可能被敌人干扰甚至控制，这样就要求一次交给机器人多项任务，由它独立地去完成。3）要进一步提高军用机器人的自主程度，主要依靠以下的关键技术：模式识别及障碍物识别、实时数据传输及适当的人工智能方法，还要开发全局模型，可以为机器人解释所拥有的全局信息，还要在传感器及执行机构方面取得重大进展。,TR200排爆机器人,SR2室内保安机器人,第四节 水下机器人,水下机器人将用于海底探索与开发、海洋资源开发与利用、水下作业与救生。水下机器人应用的关键技术如下：,（1）能源技术 水下机器人要比在空气中消耗更多的能量，开发应用新的能源，将是自治潜水器向远程、大范围作业发展的关键。（2）水下精确定位、通讯和零可见度导航技术 无线电波在水中的衰减快，无线电通讯、无线电导航及定位以及雷达等都无法使用。如何利用新的信息处理技术研制出高精度、低误码率、作用距离更大的水声设备。,（3）材料技术 高强度、轻质、耐腐蚀的机构材料和浮力材料是水下机器人重点发展的技术问题。（4）作业技术 柔性水下机械手、专用水下作业工具以及临场感、虚拟现实技术的发展，将使水下机器人在海洋开发中发挥更大的作用。（5）智能技术 水下机器人在复杂的海洋环境中工作是危险四伏。这使得机器人的航行控制、自我保护、环境识别和建模困难得多。（6）回收技术 水下机器人的吊放回收作业常受海况条件的限制而成为影响水下机器人水下作业的主要因素。,“探索者”号1000m自治水下机器人,“CR01”6000m自治水下机器人,机器人将成为人类探索与开发宇宙和外界未知世界的有力工具。各种舱内作业机器人、舱外作业机器人、空间自由飞行机器人、登陆星球的探测车和作业车等将被送上天空，去开发与利用空间、去发现与利用外界星球的物质资源。,第五节 空间机器人,星球探测机器人的关键技术如下：（1）星球探测机器人在重量、尺寸和功耗等方面受到的严格限制。（2）星球探测机器人如何适应空间温度、宇宙射线、真空、反冲原子等苛刻的未知环境。（3）如何建立一个易于操作的星球探测机器人系统。 一方面，星球探测机器人可以根据自身携带的计算机进行自主决策，实现一定程度的自主导航、定位和控制；另一方面，星球探测机器人也可以接受地面系统的遥控操作控制指令。,“索杰纳”火星探测机器人,Rocky 7火星车,第六节 服务机器人,机器人将用于提高人民健康水平与生活水准、丰富人民文化生活。在21世纪，服务机器人将进入家庭。家庭服务机器人可以从事清洁卫生、园艺、炊事、垃圾处理、家庭护理与服务等作业。在医院，机器人可以从事手术、化验、运输、康复及病人护理等作业。在商业和旅游业中导购机器人、导游机器人和表演机器人都将得到发展。智能机器人玩具和智能机器人宠物的种类将不断增加。机器人不再是只用于生产作业的工具，大量的服务机器人、表演机器人、科教机器人、机器人玩具和机器人宠物将进入人类社会，使人类生活更加丰富多彩。,服务机器人涉及的关键技术主要包括以下几个方面：1）环境的表示 如何针对特定的工作环境，寻找实用的、易于实现的提取、表示以及学习环境特征的方法。2）环境感知传感器和信号处理方法 环境传感器包括机器人与环境相互关系的传感器和环境特征传感器。它随机器人的工作环境变更， 通常需要借助多传感器信息融合技术将原始信号再加工。3）控制系统与结构 对于服务机器人控制器而言，更加注重控制器的专用化、系列化和功能化。,4）复杂任务和服务的实时规划 运动规划主要分为完全规划和随机规划。完全规划是机器人按照环境行为的完全序列集合进行动作决策，环境的微小变化都将使机器人采取不同的动作行为。随机规划则是机器人按照按照环境行为的部分序列计划进行动作决策。5）适应于作业环境的机械本体结构 灵巧可靠、结构可重构的移动载体是这类机器人设计成功的关键。服务机器人的安全性、友善性首先考虑，功能与造型一体化的结构设计也要充分考虑。6）人机器人接口 人机器人接口包含了通用交互式人机界面的开发和友善的人机关系两个方面。,“护士助手”机器人,导游机器人,“萝卜头号”导游机器人 “萝卜头号”导游机器人,在农业、林业、畜牧业和养殖业等方面开始应用机器人技术，能够合理的利用劳动力资源，提高劳动生产率。农业、林业、畜牧业和养殖业等将从现在的手工、半机械化和机械化作业发展到工业化和自动化生产。,第七节 农业机器人,农业机器人关键技术主要包括以下几个方面：1）自行在特定空间的行走或移动 在果园或田野中自行运动的机器人，涉及地面的凹凸不平、意外的障碍、大面积范围的定位精度、机器人的平稳和振动、恶劣的自然环境等等问题。2）对目标的随机位置准确感知和机械手的准确定位 由于作业对象是果实、苗、家畜等离散个体，它们的形状和生长位置是随机性的，又多数在室外工作，易受光线变化、风力变化等不稳定因素的影响，因此，农业机器人的机械手必须具有敏感和准确的对象识别功能，能对抓取对象的位置及时感知，并基于位置信息对机械手进行位置闭环控制系统。,3）机械手抓取力度和形态控制技术 对于娇嫩对象或蛋类等脆弱产品，机械手抓取力度必须进行合理控制，需具有柔软装置，能适应对象物的各种形状。4）对复杂目标的分类技术和学习能力 由于农产品特征的复杂性，进行数学建模比较困难，因此农业机器人应具有不断进行学习、并记忆学习结果、形成自身处理复杂情况的知识库。5）恶劣环境条件的适应技术 农业机器人的感知、执行以及信息处理各部件和系统必须适应环境照明、阳光、树叶遮挡、脏、热、潮湿、振动的影响，保持高可靠性的工作。,林木球果采集机器人,瓜果自动采摘机器人,在21世纪,各种智能机器人将得到广泛应用，具有像人的四肢、灵巧的双手、双目视觉、力觉及触觉感知功能的仿人型智能机器人将被研制成功，并得到应用。仿人机器人不仅具有双腿、双臂、头、眼、颈、腰等物理特征，还能模仿人类的视觉、触觉、语言、甚至情感等功能。,第八节 仿人机器人,仿人机器人的关键技术如下：1)仿人机器人的机构设计；2)仿人机器人的运动操作控制，包括实时行走控制、手部操作的最优姿态控制、自身碰撞监测、三维动态仿真、运动规划和轨迹跟踪；3)仿人机器人的整体动力学及运动学建模；4)仿人机器人控制系统体系结构的研究；5)仿人机器人的人机交互研究，包括视觉、语音及情感等方面的交互；6)动态行为分析和多传感器信息融合。,“ASIMO”仿人机器人,“ASIMO”仿人机器人 ASIMO侧面 ASIMO正面结构,WABLANR仿人机器人,