1、第7章 機器人的應用v7.1 機器人應用概述v7.2 機器人典型應用v7.3 機器人應用的發展趨勢7.1 7.1 機器人應用概述機器人應用概述2005年美洲地區各主要行業業對工業機器人需求比例分分布圖 2005年亞洲地區各主要行業對工業機器人需求比例分布圖 工業機器人已在工業發達國家的生產中得到了廣泛的應用。目前，工業機器人已廣泛應用于汽車及汽車零部件制造業、機械加工行業、電子電氣行業、橡膠及塑料工業、食品工業、木材與家具制造業等領域中。在工業生產中，弧焊機器人、點焊機器人、分配機器人、裝配機器人、噴漆機器人及搬運機器人等工業機器人都已被大量采用。 在眾多制造業領域中，應用工業機器人最廣泛的領

2、域是汽汽車及汽車零部件制造業車及汽車零部件制造業。 20012005年歐洲地區汽車工業對工業機器人需求占所有工業對機器人需求比例變化圖20042005年歐洲地區各主要行業對工業機器人需求情況變化圖 7.2 7.2 機器人典型應用機器人典型應用7.2.1 焊接機器人 焊接機器人是從事焊接（包括切割與噴涂）的工業機器人。根據國際標準化組織（ISO）對工業機器人及焊接機器人的定義，工業機器人是一種多用途的、可重復編程的自動控制操作機（Manipulator），具有三個或更多可編程的軸，用于工業自動化領域。為了適應不同的用途，機器人最后一個軸的機械接口，通常是一個連接法蘭，可接裝不同工具或稱末端執行器

3、。焊接機器人就是在工業機器人的末軸法蘭裝接焊鉗或焊（割）槍的，使之能進行焊接，切割或熱噴涂。 應用焊接機器人將有以下優點優點: 1）穩定和提高焊接質量，保證其均一性。 2）改善了工人的勞動條件。 3）提高勞動生產率。 4）產品周期明確，容易控制產品產量。 5）可縮短產品改型換代的周期,減小相應的設備投資。 焊接機器人系統硬件主要有以下部分組成，如圖所示 1）焊接機器人本體。2）焊接工裝夾具。3）夾具平臺。4）控制系統。焊接機器人可以按用途、結構、控制方式等不同的方法來分類，我們一般按照用途把焊接機器人分為電焊機器人電焊機器人及弧焊機器人弧焊機器人兩類。1. 點焊機器人點焊機器人（1）概述 點焊

4、機器人的典型應用領域是汽車工業。一般裝配每臺汽車車體大約需要完成 3000 4000個焊點，而其中的 60%是由機器人完成的。最初，點焊機器人只用于增強焊點作業 ( 往已拼接好的工件上增加焊點 ) 。后來，為了保證拼接精度，電焊機器人又要完成定位焊作業，這樣，點焊機器人逐漸被要求具有更全的作業性能。具體要求為： 1）安裝面積小，工作空間大 2）快速完成小節距的多點定位 ( 例如每0.30.4s 移動 3050mm節距后定位 ) 。 3）定位精度高 ( 0.25mm) ，以確保焊接質量。 4）持重大 (501000Kg) ，以便攜帶內裝變壓器的焊鉗 5）示教簡單，節省工時；安全可靠性好。 分 類

5、特 征用途垂直多關節型（落地式）工作空間/安裝面積之比大，持重多數為1000N左右，有時還可以附加整機移動自由度主要用語增強焊點作業垂直多關節型（懸掛式）工作空間均在機器人的下方車體的拼接作業直角坐標型多數為3、4、5軸，適合于連續直線焊縫，價格便宜定位焊接用機器人（單向加壓）能承受500KG加壓反力的高剛度機器人。有些機器人本身帶加壓作業功能車身底板的定位焊點焊機器人的分類、特點和用途點焊機器人的分類、特點和用途 結構 全關節型 自由度 6軸 ： 驅動 直流伺服電動杠 運 動 范 圍 腰轉 范圍 135 最大速度50/s 大臂轉 前 50，后30 45/s 小臂轉 下 40，上20 40/s

6、 腕擺 90 80/s 腕轉 90 80/s 腕捻 170 80/s 最大負荷 65kg 重復精度 1mm 控制系統 計算伺服控制， 6軸同時控制 軌跡控制系統 PTP及CP 運動控制 直線插補 示教系統 示教再現 內存容量 1280步 環境要求 溫度 045 濕度 2090RH 電源要求 220V交流，50Hz三相 自重 1500kg 點焊機器人主要技術指標點焊機器人主要技術指標 （2）點焊機器人系統的基本構成 點焊機器人雖然有多種結構形式，但大體上都可以分為3大組成部分，即機器人本體、點焊焊接系統及控制系統，點焊機器人焊接系統主要由焊接控制器、焊鉗 ( 含阻焊變壓器 ) 及水、電、氣等輔助

7、部分組成，如圖所示為MOTOMAN-ES系列點焊機器人系統。點焊機器人焊鉗從用途上可分為 C 形和 X 形兩種。如圖7.7所示 。其中C 形焊鉗用于點焊垂直及近于垂直傾斜位置的焊縫；X 形焊鉗則主要用于點焊水平及近于水平傾斜位置的焊縫。從阻焊變壓器與焊鉗的結構關系上還可將焊鉗分為分離式、內藏式和一體式 3 種形式。X型點焊鉗 C型點焊鉗 2. 弧焊機器人弧焊機器人（1）弧焊機器人概述1）弧焊機器人的應用范圍：弧焊機器人的應用范圍很廣，除汽車行業之外，在通用機械、金屬結構等許多行業中都有應用；這是因為弧焊工藝早已在諸多行業中得到普及的緣故。弧焊機器人應是包括各種焊接附屬裝置在內的焊接系統，而不只

8、是一臺以規劃的速度和姿態攜帶焊槍移動的單機。圖為適合機器人應用的弧焊方法。2）弧焊機器人的作業性能：在弧焊作業中，要求焊槍跟蹤工件的焊道運動，并不斷填充金屬形成焊縫。因此，運動過程中速度的穩定性和軌跡精度是兩項重要的指標。3）弧焊機器人的分類：從機構形式劃分，既有直角坐標型的弧焊機器人，也有關節型的弧焊機器人。小型、簡單的焊接作業，機器人有4、5軸即可以勝任了，對于復雜工件的焊接，采用6軸機器人對調整焊槍的姿態比較方便。對于特大型工件焊接作業，為加大工作空間，有時把關節型機器人懸掛起來，或者安裝在運載小車上使用。4）弧焊機器人規格：下表和下圖分別是典型的弧焊機器人主機的簡圖和規格。持 重 5k

9、g， 承受焊槍所必須的負荷能力 重復位置糟度 01mm，高精度 可控軸數 6軸同時控制，便于焊槍姿態調整 動作方式 各軸單獨插補、直線插補、圓弧插補、焊槍端部等速控制(直線、圓弧插補) 速度控制 進給61500m，焊接速度150mm/s，調速范圍廣(從極低速到高速均可調) 焊接功能 焊接電流、電壓的選定，允許在焊接中途改變焊接條件，斷弧、粘絲保護功能，焊接抖動功能 (軟件) 存儲功能 IC存儲器，128kW 輔助功能 定時功能、外部輸入輸出接口 。 應用功能 程序編輯、外部條件判斷、異常檢查、傳感器接口 典型弧焊機器人主機簡圖 （2）弧焊機器人系統組成 上圖就是一套完整的弧焊機器人系統，它包括

10、機器人機械手、控制系機器人機械手、控制系統、焊接裝置、焊件夾持裝置統、焊接裝置、焊件夾持裝置等。 1）弧焊機器人基本結構：弧焊用的工業機器人通常有5個自由度以上，具有6個自由度的機器人可以保證焊槍的任意空間軌跡和姿態。圖7.9為典型的弧焊機器人的主機簡圖。點至點方式移動速度可達 60m /min 以上，其軌跡重復精度可達到 +0.2mm ，它們可以通過示教和再現方式或通過編程方式工作。這種焊接機器人應具有直線的及環形內插法擺動的功能。如圖所示為它的6種擺動方式，以滿足焊接工藝要求，機器人的負荷為5kg。其中圖a為直線單擺；圖b為L型；圖c為三角形；圖d為U型；圖e為臺型；圖f為高速圓弧擺動。

11、弧焊機器人的控制系統不僅要保證機器人的精確運動，而且要具有可擴充性，以控制周邊設備確保焊接工藝的實施。下圖是一臺典型的弧焊機器人控制系統的計算機硬件框圖。控制計算機由8086CPU做管理用中央處理機單元， 8087協處理器進行運動軌跡計算，每 4 個電動機由1個8086CPU進行伺服控制。通過串行I/O接口與上一級管理計算機通信；采用數字量I/O和模擬量I/O控制焊接電源和周邊設備。 該計算機系統具有傳感器信息處理的專用CPU(8085) ，微計算機具有384K的ROM和 64K的RAM，以及512K磁泡的內存，示教盒與總線采用DMA方式(直接存儲器訪問方式) 交換信息，并有公用內存64K。

12、2）弧焊機器人周邊設備： 弧焊機器人只是焊接機器人系統的一部分，還應有行走機構及小型和大型移動機架。通過這些機構來擴大工業機器人的工作范圍 ，同時還具有各種用于接受、固定及定位工件的變位機 、定位裝置及夾具。 在最常見的結構中，工業機器人固定于基座上 ，變位機則安裝于其工作范圍內。為了更經濟地使用工業機器人，至少應有兩個工位輪番進行焊接。 所有這些周邊設備其技術指標均應適應弧焊機器人的要求。即確保工件上的焊縫的到位精度達到+0.2mm ，以往的周邊設備都達不到機器人的要求。為了適應弧焊機器人的發展，新型的周邊設備由專門的工廠進行生產。機器人倒置在移動門架上 機器人專用變位機 3）焊接設備： 主

13、要指用于工業機器人的焊接電源及送絲設備。由于參數選擇必須由機器人控制器直接控制。為此一般至少通過2個給定電壓達到上述目的。 4）控制系統與外圍設備的連接：工業控制系統不僅要控制機器人機械手的運動，還需控制外圍設備的動作、開啟、切斷以及安全防護，下圖是典型的控制系統與外圍設備連接框圖。3. 焊接機器人工作站及生產線焊接機器人工作站及生產線（1）焊接機器人工作站（單元）（2）焊接機器人生產線 焊接機器人生產線比較簡單的是把多臺工作站（單元）用工件輸送線連接起來組成一條生產線。這種生產線仍然保持單站的特點，即每個站只能用選定的工件夾具及焊接機器人的程序來焊接預定的工件，在更改夾具及程序之前的一段時間

14、內，這條線是不能焊其他工件的。 另一種是焊接柔性生產線（FMS-W）。柔性線也是由多個站組成，不同的是被焊工件都裝卡在統一形式的托盤上，而托盤可以與線上任何一個站的變位機相配合并被自動卡緊。焊接機器人系統首先對托盤的編號或工件進行識別，自動調出焊接這種工件的程序進行焊接。這樣每一個站無需作任何調整就可以焊接不同的工件。首鋼莫托曼設計制造的國內第一條重型車橋焊裝生產線 4. 焊接機器人技術的發展現狀焊接機器人技術的發展現狀 因為機器人技術是一門綜合性的技術，它綜合了計算機、控制論、機構學、信息和傳感技術、人工智能、仿生學等多學科而形成的高新技術。從國內外研究現狀來看，焊接機器人技術研究主要集中在

15、焊縫跟蹤技術焊縫跟蹤技術、多機多機器人協調控制技術器人協調控制技術、離線編程與路徑規劃技術離線編程與路徑規劃技術、專用弧焊電源技術專用弧焊電源技術、機器人機器人用焊接工藝方法用焊接工藝方法、焊接機器人系統仿真技術焊接機器人系統仿真技術等幾個方面。 （1）焊縫跟蹤技術 焊縫跟蹤技術的研究就是根據焊接條件的變化要求弧焊機器人能夠實時檢測出焊縫偏差，并調整焊接路徑和焊接參數，保證焊接質量的可靠性。 （2）多機器人協調控制技術 多機器人系統是指為完成某一任務由若干個機器人通過合作與協調組合成一體的系統。它包含兩方面的內容，即多機器人合作與多機器人協調。 （3）離線編程與路徑規劃技術 機器人離線編程系統

16、是機器人編程語言的擴展，它利用計算機圖形學的成果，建立起機器人及其工作環境的模型，利用一些規劃算法，通過對圖形的控制和操作，在不使用實際機器人的情況下進行軌跡規劃，進而產生機器人程序。自動編程技術的核心是焊接任務、焊接參數、焊接路徑和軌跡的規劃技術。（4）專用弧焊電源 在焊接機器人系統中，電氣性能良好的專用弧焊電源直接影響焊接機器人的使用性能。目前，弧焊機器人一般采用熔化極氣體保護焊(MIG焊、MAG焊、C02焊)或非熔化極氣體保護焊(TIc、等離子弧焊)，熔化極氣體保護焊接電源主要使用晶閘管電源和逆變電源。 （5）機器人用焊接工藝方法 國外先進國家的弧焊機器人已普遍采用高速、高效氣體保護焊接

17、工藝，如雙絲氣體保護焊、TIME焊、熱絲TIG焊、熱絲等離子焊等先進的工藝方法，這些工藝方法不僅有效地保證了優良的焊接接頭，還使焊接速度和熔敷效率提高數倍至幾十倍。 （6）仿真技術 將機械手作為仿真對象，運用計算機圖形技術CAD技術和機器人學理論在計算機中形成幾何圖形，并動畫顯示，然后對機器人的機構設計、運動學正反解分析、操作臂控制以及實際工作環境中的障礙避讓和碰撞干涉等諸多問題進行模擬仿真，這樣就可以很好地解決研發機械手過程中出現的問題。 5. 裝配機器人裝配機器人 裝配機器人是柔性自動化裝配系統的核心設備，由機器人操作機、控制器、末端執行器和傳感系統組成。 其中操作機的結構類型有水平關節型

18、、直角坐標型、多關節型和圓柱坐標型等；控制器一般采用多CPU或多級計算機系統，實現運動控制和運動編程；末端執行器為適應不同的裝配對象而設計成各種手爪和手腕等；傳感系統又來獲取裝配機器人與環境和裝配對象之間相互作用的信息。常用的裝配機器人主要有可編程通用裝配操作手 ，即 PUMA 機器人，和平面雙關節型機器人 ，即SCARA機器人兩種類型。 FANUC裝配機器人 （1）PUMA 機器人 PUMA 機器人是美國 Unimation 公司1977年研制的PUMA是一種計算機控制的多關節裝配機器人。一般有 5或6個自由度,即腰、肩、肘的回轉以及手腕的彎曲、旋轉和扭轉等功能。 （2）SCARA機器人（水

19、平多關節型機器人） 大量的裝配作業是垂直向下的,它要求手爪的水平(X，Y)移動有較大的柔順性，以補償位置誤差。而垂直 (Z)移動以及繞水平軸轉動則有較大的剛性,以便準確有力地裝配。 PUMA機器人 SCARA機器人 （3）裝配機器人上的傳感器 帶有傳感器的裝配機器人可以更好地順應對象物進行柔軟的操作。裝配機器人經常使用的傳感器有視覺傳感器、觸覺傳感器、接近覺傳感器和力傳感器等。 1）視覺傳感器主要用于零件或工件的位置補償，零件的判別、確認等。 2）觸覺和接近覺傳感器一般固定在指端，用來補償零件或工件的位置誤差，防止碰撞等。 3）力傳感器一般裝在腕部，用來檢測腕部受力情況，一般在精密裝配或去飛邊

20、一類需要力控制的作業中使用。（4）裝配機器人的手爪 裝配機器人上可以配備各種可換手，以增加通用性。手爪一般是兩種形式：氣動型和電動型。 （5）裝配機器人的柔順性 裝配機器人的大量作業是軸與孔的裝配，為了在軸與孔存在誤差的情況下進行裝配，應使機器人具有柔順性。主動柔順性是根據傳感器反饋的信息而從動柔順心則利用不帶動力的機構來控制手爪的運動以補償其位置誤差。例如美國Draper實驗室研制的遠心柔順裝置，如圖為RCC工作原理圖。 一部分允許軸作側向移動而不轉動,另一部分允許軸繞遠心（通常位于離手爪最遠的軸端）轉動而不移動，分別補償側向誤差和角度誤差，實現軸孔裝配。 RCC工作原理圖 （6）裝配機器人

21、生產線 1）自動裝配機器零部件的流水作業線。在大批量生產中，加工過程的自動化大大提高了生產率，保證了加工質量的穩定。為了與加工過程相適應，迫切要求實現裝配過程的自動化。 2）構成： 零部件運輸裝置：它可以是輸送帶，也可以是有軌或無軌傳輸小車。 裝配機械手或裝配機器人。 檢驗裝置：用以檢驗已裝配好的部件或整機的質量。 控制系統：用以控制整條裝配自動線，使其協調工作。裝配機器人的工作情況 7.2.2 農業機器人1. 農業機器人的特點農業機器人的特點 農業機器人是用于農業生產的特種機器人，是一種新型多功能農業機械。農業機器人的問世，是現代農業機械發展的結果，是機器人技術和自動化技術發展的產物。和工業

22、機器人相比，農業機器人有以下特點：（1）農業機器人作業對象的嬌嫩性（2）農業機器人的作業環境的非結構性（3）農業機器人作業動作的復雜性（4）農業機器人的使用者（5）農業機器人的價格特性優勢：優勢： 在農業生產中使用機器人有很多好處：可以提高勞動生產率；解決勞動力不足的問題；改善農業生產者的安全、衛生環境；提高作業質量等。類型：類型： 現在已開發出來的農林業機器人有：耕耘機器人、施肥機器人、除草機器人、噴藥機器人、蔬菜嫁接機器人、收割機器人、蔬菜水果采摘機器人、林木修剪機器人、果實分揀機器人等。 2. 幾種典型的農業機器人幾種典型的農業機器人（1）嫁接機器人 1）定義 嫁接機器人技術，是近年在國

23、際上出現的一種集機械、自動控制與園藝技術于一體的高新技術，它可在極短的時間內，把蔬菜苗莖桿直徑為幾毫米的砧木、穗木的切口嫁接為一體，使嫁接速度大幅度提高；同時由于砧、穗木接合迅速，避免了切口長時間氧化和苗內液體的流失，從而又可大大提高嫁接成活率。如圖所示為蔬菜嫁接機器人。2）國外應用概況3）我國應用狀況（2）水果采摘機器人）水果采摘機器人 農業勞動力老齡化和農業勞動力不足的問題十分突出，為了解決這一問題，日本開發除了一系列不同用途的農業機器人，這其中就包括采摘水果的機器人。這種機器人有他自身的特點：它們一般是在室外工作，作業環境較差，但是在精度上卻沒有工業機器人那樣要求高；這種機器人的使用者不

24、是專門的技術人員，而是普通的農民，所以技術不能太復雜，而且價格也不能太高。西紅柿采摘機器人原理圖 7.2.3 服務機器人 服務機器人是機器人家族中的一個年輕成員，到目前為止尚沒有一個嚴格的定義。不同服務機器人的應用范圍很廣，主要從事維護保養、修理、運輸、清洗、保安、救援、監護等工作。國際機器人聯合會經過幾年的搜集整理，給了服務機器人一個初步的定義：服務機器人是一種半自主或全自主工作的機器人，它能完成有意于人類健康的服務工作，但不包括從事生產的設備。這里，我們把其它一些貼近人們生活的機器人也列入其中。 按服務對象和應用目的不同，可以分為以下六類：醫療服務機器人。健康福利服務機器人。公共服務機器人。家庭服務機器人。娛樂機器人。教育機器 太陽能機器人割草機 做開顱手術的機器人 保安巡邏機器人 家庭清潔機器人 類人足球機器人 機器狗AIBO 1. 清潔墻壁機器人清潔墻壁機器人 隨著城市的現代化，一座座高樓拔地而起。為了美觀，也為了得到更好的采光效果，很多寫字樓和賓館都采用了玻璃幕墻，這就帶來了玻璃窗的清洗問題。其實不僅是玻璃窗，其它材料的壁面也需要定期清洗。