装配机器人的现状与发展趋势

2007年第8期

文章编号:1001-2265(2007) 08-0001-04

#专题述评#

装配机器人的现状与发展趋势

董欣胜, 张传思, 李新

连 116023; 3. 大连市技师学院, 辽宁大连 116013)

摘要:介绍了装配机器人的定义、组成、分类及其特点。阐述了装配机器人的关键技术及其发展现状。展望了装配机器人的发展趋势。

关键词:装配机器人; 关键技术; 现状与趋势中图分类号:TP24212 文献标识码:A

Stat us and Develop m ental Trend of t he A sse m bling R obot

123

DONG X i n -sheng , ZHANG Chuan -si , LI X i n

(1. Techno logy Center , Da L ian M achine Too l Group Co . , Dalian L iaon i n g 116620; 2. School o fM echanical Eng i n eering , Dalian University o fTechno logy , Dalian L iaon i n g 116023, China)

Abst ract :First , the definition , composition , classification and char acteristics of t he asse mbling r obot ar e in -t r oduced in t his paper . Then , t he key technolog ies and deve lop me nt st atus of t he asse mbling r obot ar e ex -pounded . A t last , the develop ment t re nds of t he asse mbling r obot ar e pr ospecte d . K ey w ords :asse mbling r obot ; key tec hnology ; st at us and tre nd

1

2

3

(1. 大连机床集团有限责任公司技术中心, 辽宁大连 116620; 2. 大连理工大学机械工程学院, 辽宁大

0 引言

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0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。

完成具有大批量、高质量要求的工作, 如汽车制造、摩托车制造、舰船制造、某些家电产品(电视机、电冰箱、洗衣机) 、化工等行业自动化生产线中的点焊、弧焊、喷漆、切割、电子装配及物流系统的搬运, 包装、码垛等作业的机器人。

而装配机器人

[2]

则是工业生产中, 用于装配生产

线上对零件或部件进行装配的工业机器人, 它属于高、精、尖的机电一体化产品, 它是集光学、机械、微电子、自动控制和通讯技术于一体的高科技产品, 具有很高的功能和附加值。

112 装配机器人的基本组成

[2]

11211 装配机器人的结构组成

装配机器人由主体、驱动系统和控制系统三个基本部分组成。主体即机座和执行机构, 包括臂部、腕部和手部。大多数装配机器人有3~6个运动自由度, 其中腕部通常有1~3个运动自由度; 驱动系统包括动力装置和传动机构, 用于使执行机构产生相应的动作; 控

1 装配机器人定义及其基本组成

111 装配机器人的定义

工业机器人

[1]

一般是指用于机械制造业中代替人

收稿日期:2007-06-21

作者简介:董欣胜(1960) ), 男, 辽宁大连人, 大连机床集团有限责任公司技术中心工程师, 研究方向为自动化生产设备, (E -m ail) dxs927@d. l cn 。

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#专题述评#

制系统是按照输入的程序对驱动系统和执行机构发出指令信号, 并进行控制。11212 装配机器人的系统组成

(1) 装配机器人(装配单元、装配线)

水平多关节型机器人是装配机器人的典型代表。它共有4个自由度:两个回转关节, 上下移动以及手腕的转动。最近开始在一些机器人上装配各种可换手, 以增加通用性。手爪主要有电动手爪和气动手爪两种形式:气动手爪相对来说比较简单, 价格便宜, 因而在一些要求不太高的场合用的比较多。电动手爪造价比较高, 主要用在一些特殊场合。

带有传感器的装配机器人可以更好地顺应对象物进行柔软的操作。装配机器人经常使用的传感器有视觉传感器, 触觉传感器, 接近觉传感器和力传感器等。视觉传感器主要用于零件或工件的位置补偿, 零件的判别、确认等。触觉和接近觉传感器一般固定在指端, 用来补偿零件或工件的位置误差, 防止碰撞等。力传感器一般装在碗部, 用来检测腕部受力情况, 一般在精密装配或去飞边一类需要力控制的作业中使用。

(2) 装配机器人的周边设备

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。无论从投资额的角度还是从安装占地面积的角度, 它们往往比机器人主机所占的比例大。周边设备常用可编程控制器控制, 此外一般还要有台架和安全栏等设备。

1) 零件供给器。零件供给装置主要有给料器和托盘等。

给料器:用振动或回转机构把零件排齐, 并逐个送到指定位置。

托盘:大零件或者容易磕碰划伤的零件加工完毕后一般应放在称为/托盘0的容器中运输, 托盘装置能按一定精度要求把零件放在给定的位置, 然后再由机器人一个一个取出。

2) 输送装置。在机器人装配线上, 输送装置承担把工件搬运到各作业地点的任务, 输送装置中以传送带居多。输送装置的技术问题是停止精度、停止时的冲击和减速振动。减速器可用来吸收冲击能。

机器人和智能机器人。

组合机床与自动化加工技术

目的分类, 基本上有三类机器人:工业机器人, 操纵型

工业机器人按臂部的运动形式分为四种。直角坐标型的臂部可沿三个直角坐标移动; 援助坐标型的臂部可做升降、回转和伸缩动作; 球坐标型的臂部能回转、仰卧和伸缩; 关节型的臂部有多个转动关节。工业机器人按作用对象不同, 又分为水下机器人, 装配机器人, 弧焊机器人, 点焊机器人, 喷漆机器人, 铆接机器人等等。

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(SC ARA ) 装配机器人。212 各种装配机器人的特点

直角坐标型装配机器人, 其结构在目前的产业机器人中是最简单的。它具有操作简便的优点, 被用于零部件的移送、简单的插入、旋拧等作业。在机构方面, 大部分装备了球形螺丝和伺服电动机, 具有可自动编程, 速度快、精度高等特点。

垂直多关节型装配机器人, 大多具有6个自由度, 这样可以在空间上的任意一点, 确定任意姿势。因此, 这种类型的机器人所面向的往往是在三维空间的任意位置和姿势的作业。

平面关节型(SCARA ) 装配机器人, 是由山梨大学工学部精密工学研究所开发完成的。目前在装配生产线上应用的数量最多, 它是一种精密型装配机器人, 具有速度快、精度高、柔性好等特点, 采用交流伺服电机驱动, 其重复位置精度达到了01025mm, 可应用于电子、机械和轻工业等有关产品的自动装配、搬运、调试等工作, 适合于工厂柔性自动化生产的需求。由于这种机器人所具有的各种特性符合用户的需求, 因此需求量迅速上升。

3 装配机器人的关键技术

(1) 装配机器人的精确定位装配机器人运动系统的定位精度

[3-5]

由机械系统

静态运动精度(几何误差、热和载荷变形误差) 和机电系统高频响应的暂态特性(过渡过程) 所决定, 其中静态精度取决于设备的制造精度和机械运动形式, 动态响应取决于外部跟踪信号、系统固有的开环动态特性、所采用的减振方法(阻尼) 和控制器的调节作用。

(2) 装配机器人的实时控制

[6]

2 装配机器人的分类及其特点

211 装配机器人的分类

机器人的分类#2#

[1]

标准有很多种, 按照开发内容和

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在许多微机应用领域中, PC 机的速度和功能往往不能满足需要。特别是在多任务工作环境下, 各任务只能分时工作, 动态响应取决于外部跟踪信号、系统固有的开环动态特性、所采用的减振方法(阻尼) 和控制器的调节作用。

(3) 检测传感技术

[7]

检测传感技术的关键是传感器技术, 它主要用于检测机器人系统中自身与作业对象、作业环境的状态, 向控制器提供信息以决定系统动作。传感器精度、灵敏度和可靠性很大程度决定了系统性能的好坏。检测传感技术包含两个方面内容:一是传感器本身的研究和应用, 二是检测装置的研究与开发。包括:多维力觉传感器技术、视觉技术、多路传感器信息融合技术、检测传感装置的集成化与智能化技术。

(4) 装配机器人系统软件研制

PC 机是在M S -DOS 或W i n dow s 操作系统下工作的。M S-DOS 是一个单任务操作系统, W i n do w s 则是分时多任务, 均不能满足机器人规划, 伺服同时进行的要求。为此, 必须开发一个协调上、下位机各任务工作的实时控制程序, 它作为M S-DOS 或W i n do w s 下的一个应用程序分别在两个系统上运行。

装配机器人系统的软件主要由机器人语言编译模块、多任务监控模块、双系统握手通讯模块、伺服控制模块四部分构成。系统在上电启动后即初始化, 建立双系统联系, 根据Se m apho re 锁存器的值及双口RAM 中的数据调度任务, 对机器人进行初始定位后对机器人语言命令编译, 分由上、下位机同时执行。

(5) 装配机器人控制器的研制

装配机器人的伺服控制模块是整个系统的基础, 它的特点是实现了机器人操作空间力和位置混合伺服控制, 实现了高精度的位置控制、静态力控制, 并且具有良好的动态力控制性能。伺服模块之上的局部自由控制模块相对独立于监督控制模块, 它能完成精密的插圆孔、方孔等较为复杂的装配作业。监督控制模块是整个系统的核心和灵魂, 它包括了系统作业的安全机制、人工干预机制和遥控机制。多任务控制器可广泛应用于工业装配机器人中作为其实时任务控制器而使用, 也可用作移动机器人的实时任务控制器。

(6) 装配机器人的图形仿真技术

对于复杂装配作业, 示教编程方法效率往往不高, 如果能直接把机器人控制器与C AD 系统相联接, 则能利用数据库中与装配作业有关的信息对机器人进行离

#专题述评#

线编程, 使机器人在结构环境下的编程具有很大的灵活性。另一方面, 如果将机器人控制器与图形仿真系统相联, 则可离线对机器人装配作业进行动画仿真, 从而验证装配程序的正确性、可执行性及合理性, 为机器人作业编程和调试带来直观的视觉效果, 为用户提供灵活友好的操作界面, 具有良好的人机交互性。

(7) 装配机器人柔顺手腕

[8]

的研制

通常而言, 通用机器人均可用于装配操作, 利用机器人固有的结构柔性, 可以对装配操作中的运动误差进行修正。通过对影响机器人刚度的各种变量进行分析, 并通过调整机器人本身的结构参数来获得期望的机器人末端刚度, 以满足装配操作对机器人柔顺性要求。但在装配机器人中采用柔性操作手爪则能更好地取得装配操作所需的柔顺性, 由于装配操作对机器人精度、速度和柔顺性等性能要求较高。所以有必要设计专门用于装配作业的柔顺手腕, 利用柔顺手腕是实际装配操作中使用最多的柔顺环节。

4 装配机器人的国内外发展现状及其发展趋势

411 装配机器人的发展现状41111 国内装配机器人的发展现状

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, 如广东吊扇电机机器人自动装配线, 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0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0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。

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上海交通大学研制的/精密一号装配机器人0, 是一台带有多传感器和多任务操作系统、可离线编程的高速、高精度、四轴SC ARA 平面关节式智能精密装配机器人。装配机器人属于高、精、尖的机电一体化产品, 其自主开发一直受到国家863智能机器人主题专家们的关注, 必将取得更大的突破。

41112 国外装配机器人的发展现状

美、日、西欧的制造业中约40%的劳动力用于装配, 西德电子工业产品总成本的50~70%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Delph i 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33500台, 产值为2590~3000亿日元, 到2004年, 达到55000台, 产值4200~5100亿日元。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1982~1991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。

412 装配机器人的发展趋势

目前机器人领域正在加大科研力度, 进行装配机器人共性技术及关键技术的研究, 并朝着智能化和多样化的方向发展。主要研究内容集中在以下几个方面

[9-10]

组合机床与自动化加工技术

(2) 直接驱动装配机器人:传统机器人都要通过一些减速装置来达到降速并提高输出力矩, 这些传动链会增加系统功耗、惯量、误差等, 并降低系统可靠性, 为

了减小关节惯性, 实现高速、精密、大负载及高可靠性。一种趋势是采用高扭矩低速电机直接驱动。

(3) 机器人控制技术:重点研究开放式, 模块化控制系统, 人机界面更加友好, 语言、图形编程界面正在研制之中。机器人控制器的标准化和网络化, 以及基于PC 机网络式控制器己成为研究热点。编程技术除进一步提高在线编程的可操作性之外, 离线编程的实用化的完善成为研究重点。

(4) 多传感器融合技术:为进一步提高机器人的智能和适应性, 多种传感器的使用是其问题解决的关键。其研究热点在于有效可行的多传感器融合算法, 特别是在非线性及非平稳、非正态分布的情形下的多传感器融合算法。另一问题就是传感系统的实用化。(5) 机器人的结构要求更加灵巧, 控制系统愈来愈小, 二者正朝着一体化方向发展。

(6) 机器人遥控及监控技术, 机器人半自主和自主技术, 多机器人和操作者之间的协调控制, 通过网络建立大范围内的机器人遥控系统, 在有时延的情况下, 建立预先显示进行遥控等。升虚拟机器人技术:基于多传感器、多媒体和虚拟现实以及临场感技术, 实现机器人的虚拟遥操作和人机交互。

(7) 智能装配机器人:装配机器人的一个目标是实现工作自主, 因此要利用知识规划, 专家系统等人工智能研究领域成果, 开发出智能型自主移动装配机器人, 能在各种装配工作站工作。

(8) 并联机器人:传统机器人采用连杆和关节串联结构, 而并联机器人具有非累积定位误差, 执行机构的分布得到改善、结构紧凑、刚性提高、承载能力增加等优点, 而且其逆位置问题比较直接、奇异位置相对较少, 所以近些年来倍受重视。

(9) 协作装配机器人:随着装配机器人应用领域的扩大, 对装配机器人也提出一些新要求, 如多机器人之间的协作, 同一机器人双臂的协作, 甚至人与机器人的协作, 这对一于重型或精密装配任务非常重要。

(10) 多智能体(m u lt-i agent) 协调控制技术:这是目前机器人研究的一个崭新领域, 主要对多智能体的群体体系结构、相互间的通信与磋商机理, 感知与学习方法, 建模和规划、群体行为控制等方面进行研究。

(下转第13页)

:

(1) 装配机器人操作机结构的优化设计技术:探索

新的高强度轻质材料, 进一步提高负载/自重比, 同时机构进一步向着模块化、可重构方向发展。

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(编辑 李秀敏

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(上接第4页)

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(编辑 李秀敏

5 结论

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