第10章機(jī)器人在不同應(yīng)用領(lǐng)域舉例

第一節(jié)概述機(jī)器人已廣泛地應(yīng)用于汽車、機(jī)械加工、電子及塑料制品等工業(yè)等領(lǐng)域中，隨著科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域也隨之不斷擴(kuò)大?，F(xiàn)在工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用已開始擴(kuò)大到軍事、核能、采礦、冶金、石油、化學(xué)、航空、航天、船舶、建筑、紡織、制衣、醫(yī)藥、生化、食品、服務(wù)、娛樂、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、畜牧業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)等領(lǐng)域中。按應(yīng)用領(lǐng)域，機(jī)器人大致可分為工業(yè)機(jī)器人、軍用機(jī)器人、水下機(jī)器人、空間機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人、農(nóng)業(yè)機(jī)器人和仿人機(jī)器人七大類。第一頁，共43頁。第二節(jié)工業(yè)機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)中，弧焊機(jī)器人、點(diǎn)焊機(jī)器人、裝配機(jī)器人、噴涂機(jī)器人及搬運(yùn)機(jī)器人等工業(yè)機(jī)器人都已被大量采用。由于機(jī)器人對生產(chǎn)環(huán)境和作業(yè)要求具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，用來完成不同生產(chǎn)作業(yè)的工業(yè)機(jī)器人的種類愈來愈多（例如拋光機(jī)器人、打毛刺機(jī)器人、激光切割機(jī)器人等等），工業(yè)將實(shí)現(xiàn)高度自動化。機(jī)器人將成為人類社會生產(chǎn)活動的“主勞力”，人類將從繁重的、重復(fù)單調(diào)的、有害健康和危險(xiǎn)的生產(chǎn)勞動中解放出來。第二頁，共43頁。一、工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用的準(zhǔn)則1、從惡劣工種開始采用機(jī)器人2、在生產(chǎn)率和生產(chǎn)質(zhì)量落后的部門應(yīng)用機(jī)器人3、要估計(jì)長遠(yuǎn)需要4、機(jī)器人的投入和使用成本5、應(yīng)用機(jī)器人時(shí)需要人第三頁，共43頁。二、采用工業(yè)機(jī)器人的步驟1、全面考慮并明確自動化要求。2、制訂機(jī)器人化技術(shù)3、探討采用機(jī)器人的條件。4、對輔助作業(yè)和機(jī)器人性能進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。5、設(shè)計(jì)機(jī)器人化作業(yè)系統(tǒng)方案。6、選擇適宜的機(jī)器人系統(tǒng)評價(jià)指標(biāo)。7、詳細(xì)設(shè)計(jì)和具體實(shí)施。第四頁，共43頁。三、噴涂機(jī)器人噴涂機(jī)器人已廣泛用于汽車車體、家電產(chǎn)品和各種塑料制品的噴涂作業(yè)。由于噴涂工序中霧狀漆料對人體有危害，噴涂環(huán)境中照明、通風(fēng)等條件很差，而且不易從根本上改進(jìn)，因此在這個(gè)領(lǐng)域中大量地使用了機(jī)器人。使用噴涂機(jī)器人不僅可以改善勞動條件，而且還可以提高產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量，降低成本。噴涂機(jī)器人在使用環(huán)境和動作要求上有如下特點(diǎn)：1）工作環(huán)境包含易爆的噴涂劑蒸汽；2）沿軌跡高速運(yùn)動，途徑各點(diǎn)均為作業(yè)點(diǎn)；3）多數(shù)的被噴涂件都搭載在傳送帶上，邊移動邊噴涂。第五頁，共43頁。對噴涂機(jī)器人有如下要求：1）機(jī)器人的運(yùn)動鏈要有足夠的靈活性，以適應(yīng)噴槍對工件表面的不同姿態(tài)要求；2）要求速度均勻，特別是在軌跡拐角處誤差要小，以避免噴涂層不均；3）控制方式通常以手把手示教方式為多見，因此要求在其整個(gè)工作空間內(nèi)示教時(shí)省力，要考慮重力平衡問題；4）可能需要軌跡跟蹤裝置；5）一般均用連續(xù)軌跡控制方式；6）要有防爆要求。第六頁，共43頁。六軸多關(guān)節(jié)型液壓噴涂機(jī)器人系統(tǒng)第七頁，共43頁。駕駛室自動噴涂生產(chǎn)線第八頁，共43頁。四、焊接機(jī)器人1.弧焊機(jī)器人弧焊機(jī)器人的應(yīng)用范圍很廣，除汽車行業(yè)之外，在通用機(jī)械、金屬結(jié)構(gòu)等許多行業(yè)中都有應(yīng)用?；『笝C(jī)器人應(yīng)是包括各種焊接附屬裝置在內(nèi)的焊接系統(tǒng)，而不只是以規(guī)劃的速度和姿態(tài)攜帶焊槍移動的單機(jī)。在弧焊作業(yè)中，要求焊槍跟蹤工件的焊道運(yùn)動，并不斷填充金屬形成焊縫。因此，運(yùn)動過程中速度的穩(wěn)定性和軌跡精度是兩項(xiàng)重要的指標(biāo)。此外，弧焊機(jī)器人還應(yīng)具有抖動功能、坡口填充功能、焊接異常（如斷弧、工件熔化等）檢測功能、焊接傳感器（起始點(diǎn)檢測、焊道跟蹤等）的接口功能。第九頁，共43頁。焊接系統(tǒng)的基本組成第十頁，共43頁?；『笝C(jī)器人系統(tǒng)在鋁合金貯箱箱底拼焊中的應(yīng)用第十一頁，共43頁。2.點(diǎn)焊機(jī)器人點(diǎn)焊機(jī)器人被廣泛用來焊接薄板材料，它具有如下特點(diǎn)：

（1）高的加速度和減速度；（2）良好的靈活性，至少5個(gè)自由度；（3）良好的安全可靠性；（4）通常要求工作空間大，適應(yīng)焊接工作要求，承載能力高；（5）持重大，以便攜帶內(nèi)裝變壓器的焊鉗；（6）定位精度高（0.25mm），以確保焊接質(zhì)量；（7）重復(fù)性要求：可見焊點(diǎn)處小于等于1mm，不可見焊點(diǎn)處不大于3mm；（8）為避免與工件碰撞，通常要求小臂很長。第十二頁，共43頁。IR761/125型點(diǎn)焊機(jī)器人第十三頁，共43頁。五、裝配機(jī)器人裝配機(jī)器人已逐步用于裝配復(fù)雜部件，例如裝配發(fā)動機(jī)、電動機(jī)、大規(guī)模集成電路板等,用機(jī)器人來實(shí)現(xiàn)自動化裝配作業(yè)是現(xiàn)代化生產(chǎn)的必然趨勢。機(jī)器人進(jìn)行裝配作業(yè)時(shí)，除機(jī)器人主機(jī)、手爪、傳感器外，零件供給裝置和工件搬運(yùn)裝置也至為重要。無論從投資的角度還是從安裝占地面積的角度，他們往往比機(jī)器人主機(jī)所占的比例大。周邊設(shè)備常由可編程控制器控制，此外一般還要有臺架、安全欄等。第十四頁，共43頁。裝配機(jī)器人在吊扇電機(jī)自動裝配作業(yè)系統(tǒng)第十五頁，共43頁。在上述裝配系統(tǒng)中，機(jī)器人應(yīng)完成如下操作：①利用機(jī)器人的堆垛功能，實(shí)現(xiàn)對零件的順序抓取，并運(yùn)送到裝配位置；。②配合使用柔順定心裝置，實(shí)現(xiàn)零件在裝配位置上的自動定心和軸孔插入；。③利用機(jī)器人及其控制器，配合光電檢測裝置和識別微處理器，實(shí)現(xiàn)螺孔的識別、定向和螺紋裝配；。④利用機(jī)器人的示教功能，簡化設(shè)備安裝調(diào)整工作；。⑤使裝配系統(tǒng)容易適應(yīng)產(chǎn)品規(guī)格的變化，具有更大的柔性。第十六頁，共43頁。SRX-4CH型的機(jī)器人SRX-4XB型的機(jī)器人裝配機(jī)器人第十七頁，共43頁。第三節(jié)軍用機(jī)器人在未來戰(zhàn)爭中，機(jī)器人將發(fā)揮重要作用。軍用機(jī)器人可以是一個(gè)武器系統(tǒng)，如機(jī)器人坦克、自主式地面車輛、掃雷機(jī)器人等，也可以是武器裝備上的一個(gè)系統(tǒng)或裝置。作戰(zhàn)機(jī)器人、偵查機(jī)器人、哨兵機(jī)器人、排雷機(jī)器人、布雷機(jī)器人等將會迅速發(fā)展。將來可能出現(xiàn)機(jī)器人化部隊(duì)或兵團(tuán)，在未來戰(zhàn)爭中將會出現(xiàn)機(jī)器人對機(jī)器人的戰(zhàn)斗。第十八頁，共43頁。軍用機(jī)器人的關(guān)鍵性技術(shù)主要有：1）對于地面軍用機(jī)器人，地面行駛能力和快速準(zhǔn)確識別重要目標(biāo)是發(fā)展地面軍用機(jī)器人面臨的重大挑戰(zhàn)。2）對于半自主機(jī)器人，控制臺與機(jī)器人之間的每一次數(shù)據(jù)傳輸可能被敵人干擾甚至控制，這樣就要求一次交給機(jī)器人多項(xiàng)任務(wù)，由它獨(dú)立地去完成。3）要進(jìn)一步提高軍用機(jī)器人的自主程度，主要依靠以下的關(guān)鍵技術(shù)：模式識別及障礙物識別、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸及適當(dāng)?shù)娜斯ぶ悄芊椒?，還要開發(fā)全局模型，可以為機(jī)器人解釋所擁有的全局信息，還要在傳感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)方面取得重大進(jìn)展。第十九頁，共43頁。TR200排爆機(jī)器人第二十頁，共43頁。SR2室內(nèi)保安機(jī)器人第二十一頁，共43頁。第四節(jié)水下機(jī)器人水下機(jī)器人將用于海底探索與開發(fā)、海洋資源開發(fā)與利用、水下作業(yè)與救生。水下機(jī)器人應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)如下：（1）能源技術(shù)水下機(jī)器人要比在空氣中消耗更多的能量，開發(fā)應(yīng)用新的能源，將是自治潛水器向遠(yuǎn)程、大范圍作業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。（2）水下精確定位、通訊和零可見度導(dǎo)航技術(shù)無線電波在水中的衰減快，無線電通訊、無線電導(dǎo)航及定位以及雷達(dá)等都無法使用。如何利用新的信息處理技術(shù)研制出高精度、低誤碼率、作用距離更大的水聲設(shè)備。第二十二頁，共43頁。（3）材料技術(shù)高強(qiáng)度、輕質(zhì)、耐腐蝕的機(jī)構(gòu)材料和浮力材料是水下機(jī)器人重點(diǎn)發(fā)展的技術(shù)問題。（4）作業(yè)技術(shù)柔性水下機(jī)械手、專用水下作業(yè)工具以及臨場感、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，將使水下機(jī)器人在海洋開發(fā)中發(fā)揮更大的作用。（5）智能技術(shù)水下機(jī)器人在復(fù)雜的海洋環(huán)境中工作是危險(xiǎn)四伏。這使得機(jī)器人的航行控制、自我保護(hù)、環(huán)境識別和建模困難得多。（6）回收技術(shù)

水下機(jī)器人的吊放回收作業(yè)常受海況條件的限制而成為影響水下機(jī)器人水下作業(yè)的主要因素。第二十三頁，共43頁?！疤剿髡摺碧?000m自治水下機(jī)器人第二十四頁，共43頁?！癈R—01”6000m自治水下機(jī)器人第二十五頁，共43頁。機(jī)器人將成為人類探索與開發(fā)宇宙和外界未知世界的有力工具。各種艙內(nèi)作業(yè)機(jī)器人、艙外作業(yè)機(jī)器人、空間自由飛行機(jī)器人、登陸星球的探測車和作業(yè)車等將被送上天空，去開發(fā)與利用空間、去發(fā)現(xiàn)與利用外界星球的物質(zhì)資源。第五節(jié)空間機(jī)器人第二十六頁，共43頁。星球探測機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)如下：（1）星球探測機(jī)器人在重量、尺寸和功耗等方面受到的嚴(yán)格限制。（2）星球探測機(jī)器人如何適應(yīng)空間溫度、宇宙射線、真空、反沖原子等苛刻的未知環(huán)境。（3）如何建立一個(gè)易于操作的星球探測機(jī)器人系統(tǒng)。一方面，星球探測機(jī)器人可以根據(jù)自身攜帶的計(jì)算機(jī)進(jìn)行自主決策，實(shí)現(xiàn)一定程度的自主導(dǎo)航、定位和控制；另一方面，星球探測機(jī)器人也可以接受地面系統(tǒng)的遙控操作控制指令。第二十七頁，共43頁?！八鹘芗{”火星探測機(jī)器人第二十八頁，共43頁。Rocky7火星車第二十九頁，共43頁。第六節(jié)服務(wù)機(jī)器人機(jī)器人將用于提高人民健康水平與生活水準(zhǔn)、豐富人民文化生活。在21世紀(jì)，服務(wù)機(jī)器人將進(jìn)入家庭。家庭服務(wù)機(jī)器人可以從事清潔衛(wèi)生、園藝、炊事、垃圾處理、家庭護(hù)理與服務(wù)等作業(yè)。在醫(yī)院，機(jī)器人可以從事手術(shù)、化驗(yàn)、運(yùn)輸、康復(fù)及病人護(hù)理等作業(yè)。在商業(yè)和旅游業(yè)中導(dǎo)購機(jī)器人、導(dǎo)游機(jī)器人和表演機(jī)器人都將得到發(fā)展。智能機(jī)器人玩具和智能機(jī)器人寵物的種類將不斷增加。機(jī)器人不再是只用于生產(chǎn)作業(yè)的工具，大量的服務(wù)機(jī)器人、表演機(jī)器人、科教機(jī)器人、機(jī)器人玩具和機(jī)器人寵物將進(jìn)入人類社會，使人類生活更加豐富多彩。第三十頁，共43頁。服務(wù)機(jī)器人涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要包括以下幾個(gè)方面：1）環(huán)境的表示如何針對特定的工作環(huán)境，尋找實(shí)用的、易于實(shí)現(xiàn)的提取、表示以及學(xué)習(xí)環(huán)境特征的方法。2）環(huán)境感知傳感器和信號處理方法環(huán)境傳感器包括機(jī)器人與環(huán)境相互關(guān)系的傳感器和環(huán)境特征傳感器。它隨機(jī)器人的工作環(huán)境變更，通常需要借助多傳感器信息融合技術(shù)將原始信號再加工。3）控制系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)對于服務(wù)機(jī)器人控制器而言，更加注重控制器的專用化、系列化和功能化。第三十一頁，共43頁。4）復(fù)雜任務(wù)和服務(wù)的實(shí)時(shí)規(guī)劃運(yùn)動規(guī)劃主要分為完全規(guī)劃和隨機(jī)規(guī)劃。完全規(guī)劃是機(jī)器人按照環(huán)境－行為的完全序列集合進(jìn)行動作決策，環(huán)境的微小變化都將使機(jī)器人采取不同的動作行為。隨機(jī)規(guī)劃則是機(jī)器人按照按照環(huán)境－行為的部分序列計(jì)劃進(jìn)行動作決策。5）適應(yīng)于作業(yè)環(huán)境的機(jī)械本體結(jié)構(gòu)靈巧可靠、結(jié)構(gòu)可重構(gòu)的移動載體是這類機(jī)器人設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵。服務(wù)機(jī)器人的安全性、友善性首先考慮，功能與造型一體化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也要充分考慮。6）人－機(jī)器人接口人－機(jī)器人接口包含了通用交互式人機(jī)界面的開發(fā)和友善的人機(jī)關(guān)系兩個(gè)方面。第三十二頁，共43頁?！白o(hù)士助手”機(jī)器人第三十三頁，共43頁。導(dǎo)游機(jī)器人“蘿卜頭Ⅱ號”導(dǎo)游機(jī)器人“蘿卜頭Ⅲ號”導(dǎo)游機(jī)器人第三十四頁，共43頁。在農(nóng)業(yè)、林業(yè)、畜牧業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)等方面開始應(yīng)用機(jī)器人技術(shù)，能夠合理的利用勞動力資源，提高勞動生產(chǎn)率。農(nóng)業(yè)、林業(yè)、畜牧業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)等將從現(xiàn)在的手工、半機(jī)械化和機(jī)械化作業(yè)發(fā)展到工業(yè)化和自動化生產(chǎn)。第七節(jié)農(nóng)業(yè)機(jī)器人第三十五頁，共43頁。農(nóng)業(yè)機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)主要包括以下幾個(gè)方面：1）自行在特定空間的行走或移動在果園或田野中自行運(yùn)動的機(jī)器人，涉及地面的凹凸不平、意外的障礙、大面積范圍的定位精度、機(jī)器人的平穩(wěn)和振動、惡劣的自然環(huán)境等等問題。2）對目標(biāo)的隨機(jī)位置準(zhǔn)確感知和機(jī)械手的準(zhǔn)確定位由于作業(yè)對象是果實(shí)、苗、家畜等離散個(gè)體，它們的形狀和生長位置是隨機(jī)性的，又多數(shù)在室外工作，易受光線變化、風(fēng)力變化等不穩(wěn)定因素的影響，因此，農(nóng)業(yè)機(jī)器人的機(jī)械手必須具有敏感和準(zhǔn)確的對象識別功能，能對抓取對象的位置及時(shí)感知，并基于位置信息對機(jī)械手進(jìn)行位置閉環(huán)控制系統(tǒng)。第三十六頁，共43頁。3）機(jī)械手抓取力度和形態(tài)控制技術(shù)對于嬌嫩對象或蛋類等脆弱產(chǎn)品，機(jī)械手抓取力度必須進(jìn)行合理控制，需具有柔軟裝置，能適應(yīng)對象物的各種形狀。4）對復(fù)雜目標(biāo)的分類技術(shù)和學(xué)習(xí)能力由于農(nóng)產(chǎn)品特征的復(fù)雜性，進(jìn)行數(shù)學(xué)建模比較困難，因此農(nóng)業(yè)機(jī)器人應(yīng)具有不斷進(jìn)行學(xué)習(xí)、并記憶學(xué)習(xí)結(jié)果、形成自身處理復(fù)雜情況的知識庫。5）惡劣環(huán)境條件的適應(yīng)技術(shù)農(nóng)業(yè)機(jī)器人的感知、執(zhí)行以及信息處理各部件和系統(tǒng)必須適應(yīng)環(huán)境照明、陽光、樹葉遮擋、臟、熱、潮濕、振動的影響，保持高可靠性的工作。第三十七頁，共43頁。林木球果采集機(jī)器人第三十八頁，共43頁。瓜果自動采摘機(jī)器人第三十九頁，共43頁。在21世紀(jì),各種智能機(jī)器人將得到廣泛應(yīng)用，具有像人的四肢、靈巧的雙手、雙目視覺、力覺及觸覺感知功能的仿人型智能機(jī)器人將被研制成功，并得到應(yīng)用。仿人機(jī)器人不僅具有雙腿、雙臂、頭、眼、頸、腰等物理特征，還能模仿人類的視覺、觸覺、語言、甚至情感等功能。第八節(jié)仿人機(jī)器人第四十頁，共43頁。仿人機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)如下：1)仿人