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【机器人技术】工业机器人之发展回顾
醉卧青云 2015-11-20
导语

机器人研究如火如荼,通过本文可以了解其中的重要分支工业机器人之发展历程!

(一)工业机器人

在人类认识自然和改造自然的历史长河中,机械科学与技术的发展为人们的生产和生活提供了重要而巧妙的工具装备。人们难以搬动沉重的物体,于是起重机和千斤顶 扩展了人类手臂的功能;人们难以行至遥远的异乡,于是汽车和轮船延伸了人类腿脚的作用。随着人类社会的进步,品种丰富而性能优良的机械设备源源不断地帮助人们从事着耗力、危险和精细的工作。在生产力不断解放和发展的同时,人们对机械学科提出了更高的要求。其实很早以来,人类就幻想能否构造一种拟人机械,在 延伸人类手脚功能的同时拥有脑力思维能力,能替代人类从事不断变化的复杂劳动。

早在20 世纪20年代,捷克作家Karel Capek在剧本《罗莎母的万能机器人》中描写了一种形状类人、听命于人、不知疲倦地从事劳动的机器,名叫Robot,我们称之为机器人。几十年过去了, 人类社会已经进入剧本中所描述的二十一世纪,科学家们仍在艰苦探索机器人的两足行走功能和逻辑推理能力。

尽管完全拟人的机器人似乎很难实现,然而,如果撇开那些目前看来仍是高不可攀的幻想时,人们可以发现丰富多彩的机器人已经在产业界大显身手。在工厂车间,机器人的应用节省了劳动力,并且能实现普通工人难以做到的高速度和高精度。在极限环境,机器人用来取代人类完成喷漆、铸造等恶劣条件或深海、太空等未知领域中的复杂任务。在医疗中心,机器人用来辅助外科微创手术的精确定位,并用于灵巧假肢技术来恢复残障人士的肌体功能。

作为蓬勃发展的技术领域,机器人技术的内涵和外 延随着时代在变化,甚至还没有形成统一的严格定义。美国机器人协会定义机器人为:机器人是一种用来搬运材料、零件、工具或其它特定装置的可重复编程的多功能操作机。对于工业领域使用的机器人,我国原机械工业部的定义更为确切:工业机器人是一种能自动定位控制、可重复编程、多功能、多自由度的操作机,它能搬 运材料零件或夹持工具,用以完成各种作业。目前学术界和产业界的机器人概念很广泛,包含了传统意义的工业机器人和自主运动的移动小车等很多类型。本文主要探讨基座固定的串联结构的工业机器人,为了与移动机器人相区别,本文将这类工业机器人称为机器人操作臂。

从理论研究和实践应用来看,工业机器人一般不具 有人的外形和全部功能,它模拟了人类的部分感官功能和思维能力,延伸并超越了人类手臂或腿脚的作用。机器人操作臂具有精度高、速度快、柔性强的特点,特别 适用于普通机器难以满足的多品种、小批量生产模式。目前,机器人操作臂的应用情况已成为衡量工厂自动化程度的主要标准,机器人技术的研究状况也成为衡量国 家科技水平的重要指标。

(二)发展历程

一项新型实用技术的诞生往往受益于市场需求的驱动。在第二次世界大战期间,为了能够安全地处理放射性物质,美国Argonne国家实验室设计了连杆关节型主从式遥操作机器人。主从两端的机器人具有相同的结构,操作人员在主端进行运动和抓取控制,从端机器人通过一系列机械连杆与主端机器人相连。为了提高操作精度,1947年研制了通过电动和液力偶合器取代机械连杆的远程机械臂。

科学技术的进步是机器人操作臂技术发展的内部推动力。1946 年,世界上第一台电子计算机问世。1953年,由美国麻省理工学院研制的数控铣床取得成功。1954年,美国人George Devol将数控铣床的伺服轴与远程机器人相连,发明了世界上第一台可编程的机器人操作臂,并获得了专利。通过操作人员手工示教的方式将机器人执行任务的 程序事先编制好,机器人能够记录示教过程并以高速重复执行。这就是后来广泛采用的机器人示教再现型编程控制方式。1956年,美国人Joseph Engelberger购买了上述专利权,成立了Unimation公司,并于1961年生产出该公司的第一台Unimate机器人。与此同时,美国机床与铸造公司也在从事机器人的研究,于1960年推出Versatran圆柱坐标型机器人。以上两款机器人成功地应用于汽车生产线,使机器人作为商品在全球 传播。欧洲发达国家和日本开始从美国引进机器人技术。

随着微电子和传感器技术的发展,机器人技术的研究不断深入,机器人的性能日益提高。1961 年,美国麻省理工学院的林肯实验室利用力反馈信息改进机器人性能,并研究了机器人视觉传感器。1971年,美国斯坦福大学研制成功斯坦福机械臂,并于 1973年开发了用于机器人运动控制的编程语言WAVE。1978年,Unimation公司推出了性能优良的PUMA机器人。PUMA机器人是一款6自 由度全关节式机器人,目前大多数机器人操作臂采用类似的机构形式。1979年,日本牧野洋发明了适用于垂直装配的SCARA机器人。


以上讨论的机器人在机构形式上有一个共同特点, 就是采用开式运动链,每个运动关节都是可以编程控制的主动关节。这类机器人称为串联机器人。由于采用开式运动链,机器人机构相当于多个悬臂梁的串联,因此机器人末端执行器的大载荷会导致各悬臂梁的较大变形,所以串联机器人的定位精度通常不高。正当串联机器人发展方兴未艾时,1972年美国麻省理工大学Minsky和1978年澳大利亚学者Hunt提出了构造并联机器人的设想。并联机器人采用闭式运动链,基座和末端执行器之间至少含有两组独立的 运动链。并联机器人含有可编程控制的主动关节和非独立运动的被动关节。相对于串联机器人,并联机器人具有承载能力大而杆件柔性变形小的优点,也有工作空间较小的缺陷。


并联机器人的机构原型由Gough 于1947年提出,并于1955年制造了样机。机构采用正六边形的运动平台,动平台的每个顶点装有球副,从而与运动连杆相接。运动连杆的另一端通过万向副 与基座相连。分别采用6个线性驱动器来控制6个运动连杆的长度,从而控制动平台的位置姿态。Gough机构可用于汽车轮胎的安装。

1965年,Stewart提出用 于飞行模拟器的并联机构。机构采用正三角形的运动平台,动平台的每个顶点装有球副,从而与一条运动连杆相接。这条运动连杆的另一端通过转动副与竖直的机架 相连,这条运动连杆的中部还通过转动副与第二条运动连杆相接。第二条运动连杆的另一端通过转动副也与竖直的机架相连。因此机构共含有6条运动连杆。每条运动连杆的长度由线性驱动器控制,进而控制动平台的位置姿态。

1962年,Cappel提出了类似Gough机构的八面体运动机构,并于1967年申请了专利。Cappel用来构造了一个6自由度的直升飞机飞行模拟器。目前大多数飞行模拟器采用Gough机构或者Cappel机构。

目前商品化的并联机器人在工业界应用广泛。瑞典ABB 公司的3自由度Tricept机器人,若外加两自由度运动平台,那么Tricept机器人系统可以构成虚拟轴机床,实现5轴切削加工。瑞士 Demaurex公司的Delta机器人,能够实现3自由度纯平移运动,用来进行高速拾取放置操作。美国并联机器人公司的6自由度P3000 Hexapod机器人,应用于精密的水射流切割。

(三)总结

总体上看,机器人操作臂技术的发展经历了三个阶段,分别对应于三代机器人。第一代机器人是示教再现型机器人。第一台商品化的机器人就采用这种控制方式,并且目前工业界大部分机器人仍然采用这种控制方 式。操作人员首先对机器人进行示教编程,然后机器人再现作业示教过程,从而高速重复地执行特定任务。第二代机器人是有感觉的机器人。这类机器人利用获取的环境与操作对象的力觉、视觉或接近觉等简单信息实现反馈控制,进而适应不同作业任务的需要。这类机器人在工业界已经开始应用。第三代机器人是智能机器人。 通过传感技术和人工智能技术,这种机器人具有逻辑判断和自主能力,能在未知环境中独立工作。目前这种机器人尚处于实验室试验阶段。

事物的发展过程往往表现出螺旋上升的形式。机器人技术螺旋上升的发展形式可以体现在以下方面:

(1) 从遥操作到示教操作再到遥操作。世界上第一台机器人是美国Argonne 国家实验室设计的连杆关节型主从式遥操作机器人。通过操作人员在安全的主端环境下的控制,从端机器人能够处理危险环境中的放射性物质。后来商品化的机器人操作臂为了能够自动地、高速地执行任务,通常采用示教再现的控制方式。机器人示教时需要操作人员交互控制,实际工作时则无需操作人员干预。

目前,遥操作机 器人又成为机器人领域的研究热点。研究人员希望机器人能够在未知的、危险的、非结构化的环境中代替人类工作。具有自主能力的第三代智能机器人是最初的研究热点,然而研究人员遇到了用于自主化机器人的人工智能技术的瓶颈。于是直接利用操作人员思维能力的遥操作机器人又得到了广泛关注。与原始的通过机械式连杆 连接主从两端具有相同机械结构的遥操作机器人不同,现代遥操作机器人系统的主端通常是一个通用的力反馈控制手柄,主从两端机器人之间的通信也由无线信道取 代了机械式连杆。

(2) 从串联到并联再到串并联。世界上第一台商品化的机器人是串联机器人。后来为了克服串联机器人承载能力低、定位精度不理想的缺陷,提出了并联机器人。研究人员发现并联机器人在弥补串联机器人缺点的同时,也丧失了串联机器人的优点,即并联机器人的工作空间狭小。为了发扬两类机器人的优点,避开它们的缺陷,目前串并联机器人成为一个新的研究方向。

串并联机器人通常有两种形式。一种串并联机器人是将一个小型并联机器人挂置在一个大型串联机器人的末端执行器上,这种机器人又称为宏微式机器人。机器人宏观运动由串联机器人执行,精确的微观操作由并联机器人执行。这样实现了两类机器人的功能互补。另一种串并联机器人是将 若干个并联机器人串接起来。这种机器人不仅末端执行器的微观操作精度高,而且机器人的宏观运动精度也高,因此十分适用于制成精度高、工作空间大的多冗余自由度机器人。

本文来源于,卜王辉博士博客,节选自其博士论文

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作者 醉卧青云

博士生

哈尔滨工业大学

活跃作者
  • 爱因斯坦 科研工作者 北京航空航天大学 博士
  • 梅西 本科生 北京工业大学 本科
  • 金陵 本科生 北京大学 本科


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