裝配機(jī)器人報(bào)告

1、機(jī)器人學(xué)課程報(bào)告裝配機(jī)器人綜述目 錄1 裝配機(jī)器人背景介紹1 1.1 工業(yè)機(jī)器人技術(shù)簡介1 1.2 裝配機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀1 1.3 裝配機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用簡介42 裝配機(jī)器人原理6 2.1 裝配機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)6 2.2 裝配機(jī)器人控制6 2.3 機(jī)器人柔性裝配10 2.4 工業(yè)機(jī)器人視覺技術(shù)14 2.5 裝配機(jī)器人編程173 裝配機(jī)器人的應(yīng)用20 3.1 汽車行業(yè)20 3.2 電子電氣行業(yè)23 3.3 家用電氣行業(yè)24 3.4 精密機(jī)械行業(yè)25 3.5 航天航空等特殊領(lǐng)域264 裝配機(jī)器人技術(shù)未來發(fā)展展望28 4.1 裝配機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)28 4.2 裝配機(jī)器人未來主要研究內(nèi)容295 總結(jié)32參考文

2、獻(xiàn)331. 裝配機(jī)器人背景介紹1.1 工業(yè)機(jī)器人技術(shù)簡介機(jī)器人技術(shù)是綜合了計(jì)算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)。機(jī)器人是一種用于移動各種材料、零件、工具或?qū)Ｓ醚b置，通過可編程序動作來執(zhí)行各種任務(wù)的，并具有編程能力的多功能機(jī)械手。工業(yè)機(jī)器人由操作機(jī)(機(jī)械本體)、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作、自動控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動化生產(chǎn)設(shè)備，特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。我國國家標(biāo)準(zhǔn)將工業(yè)機(jī)器人定義為“是一種能自動控

3、制、可重復(fù)編程、多功能、多自由度的操作機(jī)，能搬運(yùn)材料、工件或操持工具，用以完成各種作業(yè)”。在標(biāo)準(zhǔn)中給出了“操作機(jī)”的明確定義：“操作機(jī)”是“具有和人手臂相似的動作功能，可在空間抓放物體或進(jìn)行其他操作的機(jī)械裝置”。自60年代研制出第一臺通用工業(yè)機(jī)器人，工業(yè)機(jī)器人的研究和開發(fā)在國外工業(yè)發(fā)達(dá)國家中一直備受青睞。特別是隨著相關(guān)支撐學(xué)科（如人工智能、計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)等的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人的研究和開發(fā)突飛猛進(jìn)，應(yīng)用進(jìn)一步擴(kuò)大，己經(jīng)成為一個獨(dú)立的高科技產(chǎn)業(yè)。在經(jīng)歷了第一代機(jī)器人（示教機(jī)器人）和第二代機(jī)器人（適應(yīng)控制機(jī)器人）階段，工業(yè)機(jī)器人研究不斷向第三代機(jī)器人（自律機(jī)器人）即智能化方向發(fā)展，以適應(yīng)“敏捷

4、制造”，滿足多樣化、個性化的需求，并適應(yīng)多變的非結(jié)構(gòu)環(huán)境作業(yè)，向非制造領(lǐng)域進(jìn)軍。我國工業(yè)機(jī)器人的研究從80年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，隨著世界機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展和市場的形成，我國在機(jī)器人科學(xué)研究、技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用工程等方面取得了可喜的進(jìn)步。尤其是隨著改革開放的深入及與國際市場的接軌，新產(chǎn)品、新工藝的需求需要有新的設(shè)備來武裝制造業(yè)，機(jī)器人應(yīng)用在我國具有良好的前景和希望，在汽車、電子、家電、機(jī)械、輕工等行業(yè)尤為必須。1.2 裝配機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀1.2.1裝配機(jī)器人簡介裝配是產(chǎn)品生產(chǎn)的后續(xù)工序，在制造業(yè)中占有重要地位，在人力、物力、財(cái)力消耗中占有很大比例，作為一項(xiàng)新興的工業(yè)技術(shù)，機(jī)器人裝配應(yīng)運(yùn)而生。在機(jī)

5、器人應(yīng)用各領(lǐng)域中只占很小的份額。究其原因，一方面是由于裝配操作本身比焊接、噴涂、搬運(yùn)等復(fù)雜；另一方面，機(jī)器人裝配技術(shù)目前還存在一些亟待解決的問題。如：對裝配環(huán)境要求高，裝配效率低，缺乏感知與自適應(yīng)的控制能力，難以完成變動環(huán)境中的復(fù)雜裝配，對于機(jī)器人的精度要求較高，否則經(jīng)常出現(xiàn)裝不上或“卡死”現(xiàn)象。盡管存在上述問題，但由于裝配所具有的重要意義，裝配領(lǐng)域?qū)⑹俏磥頇C(jī)器人技術(shù)發(fā)展的焦點(diǎn)之一。其重要性在機(jī)器人應(yīng)用中將躍居第一位。裝配機(jī)器人從適應(yīng)的環(huán)境不同，又分為普及型裝配機(jī)器人和精密型裝配機(jī)器人，根據(jù)臂部的運(yùn)動形式不同，分為直角坐標(biāo)型裝配機(jī)器人，垂直多關(guān)節(jié)型裝配機(jī)器人和平面關(guān)節(jié)型(SCARA)裝配機(jī)器人

6、。1.2.2 我國裝配機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀經(jīng)過多年來的研究與開發(fā)，我國在裝配機(jī)器人方面有了很大的進(jìn)步。目前在裝配機(jī)器人研制方面，基本掌握了機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)制造技術(shù)，解決了控制、驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計(jì)和配置、軟件設(shè)計(jì)和編制等關(guān)鍵技術(shù)，還掌握了自動化裝配線及其周邊配套設(shè)備的全線自動通信、協(xié)調(diào)控制技術(shù)，在基礎(chǔ)元器件方面，諧波減速器、六軸力傳感器、運(yùn)動控制器等也有了突破。我國已研制出精密型裝配和實(shí)用型裝配機(jī)器人，如華南理工大學(xué)完成的用于吊扇電動機(jī)裝配的機(jī)器人自動裝配系統(tǒng)。該裝配系統(tǒng)用于裝配1400mm、1200mm和1050mm 3種規(guī)格的吊扇電動機(jī)。使用該裝配系統(tǒng)后，產(chǎn)品質(zhì)量顯著提高，返修率降低至5%8%左右。另外還有小型

7、電器機(jī)器人自動裝配線，以及自動導(dǎo)引汽車發(fā)動機(jī)裝配線，精密機(jī)芯機(jī)器人自動裝配線等機(jī)器人示范應(yīng)用工程。上海交通大學(xué)也研制了“精密1號”機(jī)器人，它是我國第一款高精度的裝配機(jī)器人。國外在裝配機(jī)器人領(lǐng)域的開發(fā)與應(yīng)用方面走在中國前面。在韓國，裝配機(jī)器人占1998年和1999年總銷售量的27%。日本作為機(jī)器人王國，各產(chǎn)業(yè)中應(yīng)用的機(jī)器人總數(shù)占世界的40%。其中裝配機(jī)器人是日本機(jī)器人的最大應(yīng)用領(lǐng)域，它占實(shí)際安裝機(jī)器人數(shù)量的41%。據(jù)日本產(chǎn)業(yè)機(jī)器人協(xié)會統(tǒng)計(jì)，在19821991年的10年中，日本用于裝配作業(yè)的機(jī)器人臺數(shù)為177500臺，居工程應(yīng)用數(shù)量之首。我國已研制出精密型裝配和實(shí)用型裝配機(jī)器人，如廣東吊扇電機(jī)機(jī)器

8、人自動裝配線，小型電器機(jī)器人自動裝配線，以及自動導(dǎo)引汽車發(fā)動機(jī)裝配線，精密機(jī)芯機(jī)器人自動裝配線等機(jī)器人示范應(yīng)用工程。近幾年來，“大連賢科機(jī)器人技術(shù)有限公司”與國內(nèi)5家高校、科研所合作，開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的系列化模塊化直角坐標(biāo)型裝配機(jī)器人CAD設(shè)計(jì)平臺；開發(fā)出兩個系列共4種規(guī)格的平面關(guān)節(jié)型裝配機(jī)器人；開發(fā)出兩種類型3個系列的直線運(yùn)動單元以及由此組成的直角坐標(biāo)型裝配機(jī)器人；研制出基于開放式體系結(jié)構(gòu)的機(jī)器人控制器?！百t科”自主開發(fā)的裝配機(jī)器人已在家電、電子儀表、輕工等行業(yè)得到初步應(yīng)用，其質(zhì)量不亞于國外同類產(chǎn)品，是國內(nèi)當(dāng)之無愧的最精密的裝配機(jī)器人。1.2.3 國外裝配機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀美、日、西歐的制

9、造業(yè)中約40%的勞動力用于裝配，西德電子工業(yè)產(chǎn)品總成本的5070%是裝配。裝配機(jī)器人是高質(zhì)量、高柔性、高效率完成自動裝配的理想手段。所以裝配機(jī)器人得到迅速發(fā)展， 如美國工業(yè)界Delphi法調(diào)查表明到2000年應(yīng)用于裝配和檢驗(yàn)的機(jī)器人銷售臺數(shù)將從1985年占工業(yè)機(jī)器人總數(shù)16%猛增到35%。日本裝配機(jī)器人的增長比任何其他工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的機(jī)器人都快，增長速度比歐洲和美國更快。日本裝配機(jī)器人的增長臂人和其他工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的機(jī)器人都快，增長速度比歐洲和美國更快。日本機(jī)器人的廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域在裝配工段， 1985年裝配機(jī)器人已達(dá)15800臺，是焊接機(jī)器人的兩倍，成為工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中應(yīng)用最多的機(jī)器人。1995年為

10、33500臺，產(chǎn)值為25903000億日元， 到2004年，達(dá)到55000臺，產(chǎn)值42005100億日元。這個數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他領(lǐng)域機(jī)器人的發(fā)展速度，為世界所矚目。日本作為機(jī)器人王國，各產(chǎn)業(yè)中應(yīng)用的機(jī)器人總數(shù)占世界的40%。其中裝配機(jī)器人近年來異軍突起，發(fā)展迅速。據(jù)日本產(chǎn)業(yè)機(jī)器人協(xié)會統(tǒng)計(jì)，在19821991年的10年中，日本用于裝配作業(yè)的機(jī)器人臺數(shù)為177500臺，居工程應(yīng)用數(shù)量之首。據(jù)日本產(chǎn)業(yè)機(jī)器人協(xié)會的統(tǒng)計(jì)，日本裝配機(jī)器人1980年左右首次達(dá)到最高點(diǎn)。生產(chǎn)臺數(shù)為2849臺，產(chǎn)值2497億日元，以后又呈上升趨勢。目前，日本應(yīng)用的裝配機(jī)器人的主要型號有：直角坐標(biāo)型、水平多關(guān)節(jié)型、垂直多關(guān)節(jié)型及圓

11、柱坐標(biāo)型等。據(jù)日本產(chǎn)業(yè)機(jī)器人協(xié)會的預(yù)測，在日本制造業(yè)，裝配機(jī)器人的需求逐年上升。1.3 裝配機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用簡介環(huán)保壓縮裝配機(jī)器人控制技術(shù)的研究與開發(fā)，不僅產(chǎn)品處于國內(nèi)領(lǐng)先地位，而且在壓縮機(jī)生產(chǎn)領(lǐng)域的技術(shù)水平與產(chǎn)業(yè)素質(zhì)提高到行業(yè)之首，并收到良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。具備視覺功能的裝配機(jī)器人在工業(yè)領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用，相比程控型、示教再現(xiàn)型等其它類型的機(jī)器人，視覺裝配機(jī)器人無疑具有更強(qiáng)的適應(yīng)環(huán)境的能力以及智能化程度，因而更能適用于智能化裝配任務(wù)的發(fā)展需求，目前視覺裝配機(jī)器人已成為機(jī)器人領(lǐng)域內(nèi)的研究熱點(diǎn)。空間太陽電池陣自動裝配機(jī)器人的設(shè)計(jì)也是當(dāng)期一大研究，因?yàn)閲庠谶@方面對中國采取封鎖政策，我

12、們也無從得知他們的研究現(xiàn)狀。國內(nèi)，則用此類機(jī)器人完全替代落后的手工貼裝工藝，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自動貼裝。從而提高太陽電池陣的加工品質(zhì)，提高生產(chǎn)效率，降低電池片碎片率，縮短生產(chǎn)周期，避免膠液污染太陽電池現(xiàn)象的發(fā)生，滿足新一代太陽電池發(fā)展的趨勢。目前，國內(nèi)外已有各種專用和通用的裝配機(jī)器人在生產(chǎn)中得到應(yīng)用，主要有直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型和關(guān)節(jié)型三大類。關(guān)節(jié)型裝配機(jī)器人又有垂直關(guān)節(jié)型（即空間關(guān)節(jié)型）和平面關(guān)節(jié)型（即 SCARA 型）二種，其中平面關(guān)節(jié)型裝配機(jī)器人是應(yīng)用數(shù)量最多且較為廣泛的一種裝配機(jī)器人。機(jī)器人技術(shù)在零件裝配領(lǐng)域的應(yīng)用越來越得到人們的重視，尤其是大型零件的軸孔配合的應(yīng)用。本課題來自某單位對蒸汽發(fā)

13、生器單元裝配實(shí)際需要，設(shè)計(jì)開發(fā)出一款能夠完成工件和壓力容器之間軸孔配合的裝配機(jī)器人。 蒸汽發(fā)生器單元裝配工藝，分析軸孔裝配偏差和柔順軸孔裝配方法，提出完成蒸汽發(fā)生器單元裝配所需要機(jī)械結(jié)構(gòu)方案、電氣控制方案以及檢測方法。機(jī)械結(jié)構(gòu)方面：在 inventor 軟件下設(shè)計(jì)出具有7自由度的裝配機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)和工件的工裝。通過 Algor 有限元分析軟件對關(guān)鍵的零部件進(jìn)行了非線性分析，保證結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度滿足要求。基于 matlab 的機(jī)器人工具箱對裝配機(jī)器運(yùn)動學(xué)仿真和作業(yè)路徑規(guī)劃，為控制部分提供依據(jù)。1.4 總結(jié) 總的來看，目前裝配機(jī)器人向提高控制精度、加快動作速度、操作機(jī)本體輕量化和多用途方向發(fā)展。在

14、裝配機(jī)器人種類方面發(fā)展動向有：（1）對特定的工件裝配作業(yè)采用專用裝配機(jī)器人，如為了焊接扁平封裝的IC電路，使用能完成微細(xì)的局部加熱的激光焊錫裝配機(jī)器人；（2）為擴(kuò)大裝配機(jī)器人的適用范圍，裝配機(jī)器人必須進(jìn)一步向智能化方向發(fā)展。隨著機(jī)器人智能化程度的提高，對復(fù)雜產(chǎn)品（如汽車發(fā)電機(jī)、電動機(jī)、電動打字機(jī)、收錄機(jī)和電視機(jī)等）進(jìn)行自動裝配將成為現(xiàn)實(shí)。柔順運(yùn)動概念的研究及其進(jìn)展，也有助于機(jī)械部件的自動裝配工作。2. 裝配機(jī)器人原理2.1 裝配機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)機(jī)械系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的機(jī)械本體部分，是工件的載體，對工件位姿調(diào)節(jié)。因此，機(jī)械系統(tǒng)有足夠的剛度、強(qiáng)度，防止在抓工件后零部件變形、斷裂；滿足運(yùn)動空間，即按照規(guī)劃

15、好的路徑將工件從初始位置安裝到預(yù)定位置；具有冗余的自由度，補(bǔ)償運(yùn)動誤差和制造誤差；具有專用的機(jī)械手夾具，保證每次抓取工件后，工件在機(jī)械系統(tǒng)的位置不變。 裝配機(jī)器人的機(jī)械本體一般由手部（末端執(zhí)行執(zhí)行器）、手腕、手臂及機(jī)座組成。根據(jù)結(jié)構(gòu)不同，可分為四種類型：關(guān)節(jié)型、球坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型、直角坐標(biāo)型。關(guān)節(jié)型和球坐標(biāo)型靈活性好、工作空間大；直角坐標(biāo)型剛度和精度高，但工作空間小；圓柱型介于他們之間。 工業(yè)機(jī)器人的總體方案設(shè)計(jì)主要進(jìn)行運(yùn)動功能方案、傳動系統(tǒng)方案以及結(jié)構(gòu)布局方案的設(shè)計(jì)。機(jī)器人運(yùn)動功能設(shè)計(jì):主要設(shè)計(jì)任務(wù)是機(jī)器人自由度數(shù)目、關(guān)節(jié)運(yùn)動的性質(zhì)及排列順序的確定、以及在基準(zhǔn)狀態(tài)下的附體坐標(biāo)系的建立。根據(jù)

16、機(jī)器人機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，可以分為串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)三種，串聯(lián)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，機(jī)構(gòu)靈活，工作空間大，姿態(tài)性能好，但是機(jī)器人的剛度小，承載能力較低;而并聯(lián)機(jī)器人的特點(diǎn)恰好與此相反，機(jī)器人的剛度較大，承載能力高，但是其工作空間小，姿態(tài)能力差。而混聯(lián)方式，則是把串、并聯(lián)結(jié)合起來，充分利用了串、并聯(lián)的優(yōu)點(diǎn)，避免了二者的缺點(diǎn)。但是混聯(lián)機(jī)構(gòu)勢必會增加機(jī)器人結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。2.2 裝配機(jī)器人控制機(jī)器人控制系統(tǒng)是機(jī)器人的大腦，是決定機(jī)器人功能和性能的主要因素。工業(yè)機(jī)器人控制技術(shù)的主要任務(wù)就是控制工業(yè)機(jī)器人在工作空間中的運(yùn)動位置、姿態(tài)和軌跡、操作順序及動作的時(shí)間等。具有編程簡單、軟件菜單操作、友好的人機(jī)交互界面、在線操作

17、提示和使用方便等特點(diǎn)。其工作原理為：控制系統(tǒng)發(fā)出動作指令，控制驅(qū)動器動作，驅(qū)動器帶動機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動，使末端操作器到達(dá)空間某一位置和實(shí)現(xiàn)某一姿態(tài)，實(shí)施一定的作業(yè)任務(wù)。末端操作器在空間的實(shí)時(shí)位姿由感知系統(tǒng)反饋給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)把實(shí)際位姿與目標(biāo)位姿相比較，發(fā)出下一個動作指令，如此循環(huán)，直到完成作業(yè)任務(wù)為止。關(guān)鍵技術(shù)包括：(1)開放性模塊化的控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)：采用分布式CPU計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，分為機(jī)器人控制器(RC)，運(yùn)動控制器(MC)，光電隔離I/O控制板、傳感器處理板和編程示教盒等。機(jī)器人控制器(RC)和編程示教盒通過串口/CAN總線進(jìn)行通訊。機(jī)器人控制器(RC)的主計(jì)算機(jī)完成機(jī)器人的運(yùn)動規(guī)劃、插補(bǔ)和位

18、置伺服以及主控邏輯、數(shù)字I/O、傳感器處理等功能，而編程示教盒完成信息的顯示和按鍵的輸入。(2)模塊化層次化的控制器軟件系統(tǒng)：軟件系統(tǒng)建立在基于開源的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)Linux上，采用分層和模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)軟件系統(tǒng)的開放性。整個控制器軟件系統(tǒng)分為三個層次：硬件驅(qū)動層、核心層和應(yīng)用層。三個層次分別面對不同的功能需求，對應(yīng)不同層次的開發(fā)，系統(tǒng)中各個層次內(nèi)部由若干個功能相對對立的模塊組成，這些功能模塊相互協(xié)作共同實(shí)現(xiàn)該層次所提供的功能。(3)機(jī)器人的故障診斷與安全維護(hù)技術(shù)：通過各種信息，對機(jī)器人故障進(jìn)行診斷，并進(jìn)行相應(yīng)維護(hù)，是保證機(jī)器人安全性的關(guān)鍵技術(shù)。(4)網(wǎng)絡(luò)化機(jī)器人控制器技術(shù)：當(dāng)前機(jī)器

19、人的應(yīng)用工程由單臺機(jī)器人工作站向機(jī)器人生產(chǎn)線發(fā)展，機(jī)器人控制器的聯(lián)網(wǎng)技術(shù)變得越來越重要?？刂破魃暇哂写?、現(xiàn)場總線及以太網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)功能?？捎糜跈C(jī)器人控制器之間和機(jī)器人控制器同上位機(jī)的通訊，便于對機(jī)器人生產(chǎn)線進(jìn)行監(jiān)控、診斷和管理。現(xiàn)階段機(jī)器人的控制體系結(jié)構(gòu)有兩種主要形式同時(shí)存在：一是象ABB、Fanuc、Motoman這樣的傳統(tǒng)機(jī)器人制造商繼續(xù)使用大型專有控制裝置，持有他們專有的控制體系結(jié)構(gòu)；二是開放式的通用運(yùn)動控制體系結(jié)構(gòu)(比如基于Pc機(jī)的運(yùn)動控制結(jié)構(gòu))，具有開放性、可移植性、可擴(kuò)展性等優(yōu)點(diǎn)，而且可以方便的添加網(wǎng)絡(luò)通信功能。許多新公司都在研究和嘗試基于PC的運(yùn)動控制結(jié)構(gòu)。開放式控制系統(tǒng)顧名思義要

20、體現(xiàn)一個開放的設(shè)計(jì)思想，能夠?qū)崿F(xiàn)多個平臺和系統(tǒng)的可靠交互，而且具有一定的通用性，能夠方便的實(shí)現(xiàn)移植及轉(zhuǎn)化，各個模塊就類似“即插即用”型的部件。該系統(tǒng)的幾個關(guān)鍵點(diǎn)：使用基于通用計(jì)算機(jī)平臺的開發(fā)系統(tǒng)，比如說個人計(jì)算機(jī)平臺、SUN 計(jì)算機(jī)平臺等。2. 使用標(biāo)準(zhǔn)的操作系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)語言，比如 Windows 系統(tǒng)下 VB、C/C+。3. 總線硬件架構(gòu)采用標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)，能與外圍設(shè)備和傳感器接口對應(yīng)。4. 采用網(wǎng)絡(luò)策略，使控制器數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)共享，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程控制。要實(shí)現(xiàn)一個控制系統(tǒng)的開放性必須要具備幾個條件：可靠的擴(kuò)展性能、優(yōu)越的數(shù)據(jù)交互性能、方便的再開發(fā)性能，擁有這幾點(diǎn)特性的控制系統(tǒng)無疑將會是一個可靠的

21、開放式系統(tǒng)，所以必須采用通用型的硬件平臺以及標(biāo)準(zhǔn)的軟件運(yùn)行環(huán)境。以一種六自由度機(jī)器人為例，采用的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是基于 PC 平臺再結(jié)合多軸運(yùn)動控制器所搭建的具有多處理核心的控制系統(tǒng)，控制軟件是基于通用的 Windows 操作系統(tǒng)環(huán)境下利用標(biāo)準(zhǔn)的編程語言C#來開發(fā)完成，整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖 2.1所示，上位機(jī)是搭載了 Windows 系統(tǒng)的工控機(jī)，下位機(jī)是能夠進(jìn)行 8 軸控制的運(yùn)動控制器，上、下位機(jī)通過標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)協(xié)議進(jìn)行通訊，整個系統(tǒng)總共由兩個 CPU 核心來共同協(xié)作運(yùn)行，工控機(jī)是整個系統(tǒng)的控制核心，主要負(fù)責(zé)控制過程中的非實(shí)時(shí)任務(wù)，而實(shí)時(shí)控制任務(wù)則交由運(yùn)動控制器來實(shí)現(xiàn)，這樣既能充分利用通用系統(tǒng)

22、平臺豐富的軟硬件資源，利用標(biāo)準(zhǔn)的語言來開發(fā)控制軟件，而且兩個 CPU核心各自負(fù)責(zé)不同類型任務(wù)相互協(xié)作，實(shí)現(xiàn)最佳控制效率。圖2.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 整個機(jī)器人控制系統(tǒng)中硬件平臺的選擇至關(guān)重要，基于 DSP 技術(shù)的多軸運(yùn)動控制器具有快速性、兼容性、高集成性和易操作性等特點(diǎn)，再配合具有較好穩(wěn)定性和抗干擾能力的工業(yè)計(jì)算機(jī)（IPC），組建成一套 IPC+DSP 運(yùn)動控制器的開放式焊接機(jī)器人控制系統(tǒng)，圖2.2是系統(tǒng)硬件原理框圖。圖中的運(yùn)動控制系統(tǒng)模塊的核心主要由工控機(jī)和 ACR9000 運(yùn)動控制器組成，工控機(jī)以其卓越的可靠性和高抗干擾性已經(jīng)在工業(yè)現(xiàn)場控制領(lǐng)域中得到了廣泛的運(yùn)用，工控機(jī)與控制器之間用雙絞網(wǎng)

23、線連接，具有優(yōu)秀的抗干擾性，運(yùn)動執(zhí)行部分采用的是交流伺服控制形式。圖2.2 機(jī)器人硬件結(jié)構(gòu)組成圖2.3 示教再現(xiàn)系統(tǒng)框圖2.3 機(jī)器人柔性裝配機(jī)器人裝配作業(yè)是自動柔性制造系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，如何使工業(yè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)快速、精密的裝配作業(yè)是目前尚未完全解決的問題。裝配機(jī)器人并沒有走出實(shí)驗(yàn)階段而普遍應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)裝配機(jī)器人不同于噴漆、焊接機(jī)器人，它的特點(diǎn)是機(jī)器人工作時(shí)機(jī)械手末端所操作的工件與實(shí)際環(huán)境相接觸， 產(chǎn)生力/ 力矩. 如果采用位置控制機(jī)器人來實(shí)現(xiàn)裝配作業(yè)，則由于機(jī)器人本身存在的位置分辨率和重復(fù)定位精度以及機(jī)器人所處的各種環(huán)境的不確定性，是難以完成復(fù)雜的裝配作業(yè)的。目前裝配機(jī)器人采用: ( 1) 被動

24、適從調(diào)節(jié)方法; ( 2) 基于主動手腕的主動適從調(diào)節(jié)方法; ( 3) 基于機(jī)械本體的主動適從調(diào)節(jié)方法。機(jī)器人在完全結(jié)構(gòu)化和確定環(huán)境中獲得廣泛使用，但是非結(jié)構(gòu)化和變化環(huán)境嚴(yán)重地限制了機(jī)器人在裝配作業(yè)中的應(yīng)用。具有精確位置伺服以及剛度很大的機(jī)器人不適合執(zhí)行裝配過程中頻繁產(chǎn)生接觸的場合，因?yàn)楹苄〉奈恢闷顚a(chǎn)生巨大的接觸力，對于機(jī)械手和裝配件都是非常有害的。克服剛體之間相互接觸而產(chǎn)生巨大接觸力的有效途徑就是增加機(jī)械手和裝配件在約束環(huán)境中的適從性。適從是機(jī)器人所操作的工件和環(huán)境之間的接觸力來修正它們的相對位置和運(yùn)動. 按照一般的分類把采用力信息反饋的適從稱為主動適從，而把機(jī)械結(jié)構(gòu)在外力作用下的適從稱為

25、被動適從。被動適從廣泛地應(yīng)用于解決機(jī)械手與它所處的環(huán)境的不確定性帶來的問題. 通常機(jī)械手具有兩種不同的被動適從。1. 由于機(jī)械手本身的柔性產(chǎn)生的被動適從。目前廣泛應(yīng)用的多關(guān)節(jié)機(jī)器人， 本身具有一定的柔性， 在一定精度范圍內(nèi)，可利用機(jī)械手本身的柔性完成裝配任務(wù). 但不同的機(jī)械手或同一機(jī)械手不同的位姿的柔性是不同的，因而末端的順應(yīng)不是準(zhǔn)確已知的. 機(jī)械結(jié)構(gòu)的柔性較小，很小的位置偏差能導(dǎo)致較大的接觸力。2. 具有特殊用途的被動適從裝置。它是根據(jù)具體任務(wù)設(shè)計(jì)出的一種被動適從結(jié)構(gòu)，如RCC。主動適從是以力反饋控制來實(shí)現(xiàn)的。以控制目標(biāo)通常將約束運(yùn)動中的力控制方法分為兩類: 第一種方法是以非沖突的方法控制力

26、和力矩，沿著被約束的方向控制力; 沿著非約束方向控制位置.在加工過程中(磨光、打毛刺等)，末端執(zhí)行器的位置以及作用在環(huán)境的接觸力必須同時(shí)控制。這類方法的共同點(diǎn)是設(shè)計(jì)出依賴于機(jī)械手運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)以及它的環(huán)境的控制結(jié)構(gòu). 如果機(jī)械手的約束環(huán)境變化， 控制器的結(jié)構(gòu)必須重新設(shè)置以適應(yīng)這種變化。這種控制方案難以在裝配機(jī)器人中獲得應(yīng)用. 因?yàn)閷?shí)現(xiàn)這種控制算法需要相當(dāng)大的計(jì)算量，控制器綜合復(fù)雜，缺乏對象精確的動力學(xué)模型及參數(shù)、高精度的力傳感器以及指定位置/力控制策略的復(fù)雜性.第二種方法是根據(jù)接觸力和位置之間的關(guān)系，確保機(jī)械手在約束環(huán)境中運(yùn)動而保持適當(dāng)?shù)慕佑|力.接觸力作為機(jī)械手末端執(zhí)行器相對于環(huán)境的實(shí)際位置的

27、信息源.裝配過程( 插軸入孔) 的操作屬于此類，力反饋只是增加在約束環(huán)境中的定位精度.2.3.1 柔順裝配機(jī)構(gòu)柔順裝配方法大致可分三類：一類是被動裝配的方法，如被動柔順手腕(R C C 等)和被動柔順工作臺、氣流法、磁力法、振動法等。第二類是主動裝配方法， 如通過力覺伺服的主動柔順手腕和主動柔順工作臺。通過視覺的伺服法，通過接近覺伺服的方法等。第三類是被動和主動相結(jié)合的裝配方法. 2.3.1.1被動柔順手腕RC C機(jī)構(gòu) 被動柔順手腕RC C機(jī)構(gòu)它是一種純機(jī)械式的裝置。通過彈性變形或構(gòu)件微小位移，克服裝配機(jī)器人定位誤差造成的配對裝配件間的頂卡、阻滯現(xiàn)象，達(dá)到柔順裝配。這種機(jī)構(gòu)完成插入操作的時(shí)間短

28、，不要求信息處理，但允許定位誤差受零件倒角限制，可能產(chǎn)生大的插入力，對工作環(huán)境的適應(yīng)能力受限制。應(yīng)用被動柔順手腕如RCC，對公差間隙為0.01mm的有孔裝配，在零件有倒角的情況下允許定位誤差為偏移1.0 mm，轉(zhuǎn)角1.0，接觸及插入時(shí)間0.2秒。各種柔順手腕機(jī)構(gòu)將繼續(xù)得到研究和發(fā)展，主要是努力提高柔順手腕對裝配環(huán)境的適應(yīng)能力。 2.3.1.2主動柔順手腕主動柔順手腕，通過力覺直接獲取接觸和力(力矩)的信息，反饋給機(jī)器人手臂或手腕，通過微小的柔順運(yùn)動或校正力的施加方向和大小，達(dá)到柔順裝配。被動柔順手腕只適合小的定位誤差，并有一定的局限性，而主動柔順手腕可以適應(yīng)于大的定位誤差以及零件無倒角的情況。

29、但是主動柔順手腕搜索運(yùn)動和信息處理時(shí)間長，所以插入時(shí)間較長。 2.3.1.3智能手爪裝配機(jī)器人進(jìn)行各種裝配作業(yè)，最后都是通過末端執(zhí)行器來完成的，末端執(zhí)行器包括各種裝配工具，如擰螺釘螺母、鉆、焊、軟焊、粘配、測量等和各種手爪，其中應(yīng)用最多的是各種手爪。二指、三指、多指，多功能的手爪系列的開發(fā)和研究，對擴(kuò)大裝配機(jī)器人的應(yīng)用是非常關(guān)鍵的。裝配機(jī)器人智能化在很大程度上可以在手爪上得到體現(xiàn). 在手爪機(jī)構(gòu)中可以配置各種傳感器，如接近傳感器、觸覺傳感器、力(力矩)覺、物體光學(xué)辨識系統(tǒng)、位移傳感器等。通過這些傳感系統(tǒng)就有可能使手爪本身或機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控制和智能控制，進(jìn)行柔順裝配，以及判斷或識別被抓物品的位置

30、、形狀等功能。完成更復(fù)雜更細(xì)微的裝配作業(yè)。2.3.2 軸孔裝配的柔順裝配方法分析軸孔最理想狀態(tài)是軸孔同軸，配合后間隙均勻。但是，實(shí)際中由于裝配系統(tǒng)加工、裝配誤差、檢測系統(tǒng)的檢測誤差、運(yùn)動的定位精度等，都會造成軸孔不能完全同軸。裝配時(shí)存在以下三種偏差情況，如圖 2.4。（1）軸孔的軸線平行，但不重合，存在偏移 X ；（2）由于定位或檢測精度不夠，造成軸未插入孔中時(shí)，存在夾角 ；（3）軸插入到孔中時(shí)，由于加工誤差造成在某一段軸線偏差 或者由于插入運(yùn)動方向與軸的軸線不平行造成運(yùn)動角度偏差； 圖2.4 軸孔安裝偏差情況角度偏差相對與角度偏差和偏移X是可以忽略的，在設(shè)計(jì)中不作為重點(diǎn)考慮。要能夠消除軸線偏

31、差和偏移X修正軸的姿態(tài)，需要裝配系統(tǒng)具有：足夠高的靈敏度檢測出軸孔偏差量，很高的定位精度使偏差盡可能小，足夠的剛度確保系統(tǒng)變形足夠小，足夠的調(diào)整自由度來調(diào)整工件的姿態(tài)。 被動柔順裝配通過輔助的柔順機(jī)構(gòu)，靠軸孔接觸力來驅(qū)動柔順機(jī)構(gòu)，調(diào)整被裝對象的姿態(tài)。由于主動順裝配是靠軸孔的接觸力來修正相對姿態(tài)的，在存在偏差情況，軸孔始終相對滑動著完成裝配。這樣方法不需要復(fù)雜的檢測設(shè)備，對定位精度要求也不高，適合裝配精度不高、質(zhì)量小、對裝配表面沒有影響的裝配對象。主動柔順中軸配合是指通過傳感器檢測出軸孔偏差，裝配控制系統(tǒng)根據(jù)反饋偏差信息，修正被裝對象的姿態(tài)。根據(jù)引導(dǎo)的方式可分為視覺引導(dǎo)、接近覺引導(dǎo)、力控制引導(dǎo)。

32、視覺引導(dǎo)是指通過分析處理由工業(yè)相機(jī)拍下的孔和軸的圖像，得出軸孔的軸線偏差反饋給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)反饋調(diào)整機(jī)械手位姿，反復(fù)檢查和調(diào)整指導(dǎo)軸孔偏差在一定范圍后再實(shí)施精裝配。視覺引導(dǎo)的精度受相機(jī)的分辨率、平行光源的強(qiáng)度、周圍光線、軸孔配合間隙和配合長度的影響。同時(shí)實(shí)時(shí)處理圖像花費(fèi)時(shí)間，處理相機(jī)和裝配運(yùn)動系統(tǒng)之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換也需要大量時(shí)間，整個系統(tǒng)適應(yīng)性不強(qiáng)。因此，在裝配環(huán)境惡劣的情況下，使用視覺引導(dǎo)很難達(dá)到裝配要求。接近覺引導(dǎo)是通過裝配系統(tǒng)末端的接近覺傳感檢測出與被裝對象的距離和相對傾角，配合搜索和識別功能的軟件程序來完成裝配。這種方式對傳感器的精度要求很高，適合一些配合精度不高的場所。力控制引導(dǎo)

33、是靠力覺反饋，調(diào)整機(jī)械手姿態(tài)，使軸孔由接觸到非接觸狀態(tài)轉(zhuǎn)換。因此，靠這種方式并不能使軸孔配合后有均勻的間隙，對于有臺階的軸孔配合時(shí)很可能在下一個軸段不能配合在一起。另外當(dāng)檢測到力后，系統(tǒng)并不能立即停止，為了減小碰撞沖擊，只能降低速度提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。自動尋找法軸孔裝配是通過一定的裝置使得待裝配的零件自動尋找正確的位置，待裝配的零件按照隨機(jī)或預(yù)想的軌跡運(yùn)動，直到一個偶然的機(jī)會與配合對象對準(zhǔn)重合。如圖2.5(a)所示，由于軸線偏差的存在，氣流流過待裝軸時(shí)受到的阻力不同，在軸周圍形成壓力差，通過壓力差的作用將軸修正并吸入孔中。圖2.5(b)是通過磁場來修正位姿的，自動裝配?？梢钥闯?，自動尋找法是一

34、種以安裝對象作為基準(zhǔn)，通過某種介質(zhì)修正偏差，一般適合于質(zhì)量比較輕的零件裝配。圖2.5 自動尋找法裝配2.4 工業(yè)機(jī)器人視覺技術(shù)機(jī)器人視覺定位導(dǎo)航系統(tǒng)主要有視覺傳感器圖像采集系統(tǒng)模塊，避障系統(tǒng)模塊，目標(biāo)識別與定位系統(tǒng)模塊，機(jī)器人自身定位系統(tǒng)模塊等。視覺傳感器圖像采集系統(tǒng)主要完成機(jī)器人工作三維場景的圖像采集和顯示，采集到的圖像供后續(xù)模塊使用，傳輸出來的圖像可供工作人員查看；避障系統(tǒng)主要用來檢測機(jī)器人前方的障礙物信息，為后續(xù)的路徑規(guī)劃決策系統(tǒng)提供信息參考，是機(jī)器人躲避障礙安全到達(dá)目的地；目標(biāo)識別和定位系統(tǒng)完成場景中的目標(biāo)識別和定位，使機(jī)器人具有自主搜索目標(biāo)并定位目標(biāo)的能力，多目標(biāo)的識別和定位也可用來

35、構(gòu)建三維場景的全局地圖，決策和路徑規(guī)劃系統(tǒng)在前面多個模塊的基礎(chǔ)上完成機(jī)器人的運(yùn)動路徑規(guī)劃，從而使機(jī)器人安全準(zhǔn)確的到達(dá)目的地，并完成特定的操作任務(wù)。2.4.1 視覺系統(tǒng)的視頻圖像采集和顯示視覺系統(tǒng)的圖像采集顯示模塊是機(jī)器人視覺定位導(dǎo)航系統(tǒng)的重要組成部分，負(fù)責(zé)機(jī)器人工作場景圖像采集和顯示。采集到的圖像一方面作為后續(xù)的視覺系統(tǒng)障礙物識別和避障，以及目標(biāo)識別和定位等模塊的圖像輸入，另一方面輸入到顯示設(shè)備上，方便操作人員隨時(shí)了解狹小受限未知空間中機(jī)器人的工作狀態(tài)和工作環(huán)境。對于前者，視頻圖像直接輸入到視覺定位導(dǎo)航圖像處理系統(tǒng)，也可以保存到硬盤里面；對于用于人工在線觀察和輔助功能的視頻圖象顯示，由于使用的

36、是兩個攝像機(jī)，具有一定的公共視野，采集到的視頻圖像有很多交叉區(qū)域，不便于操作人員進(jìn)行直觀的觀測。本文采用圖像拼接的方法將同一位置處的兩個攝像機(jī)采集的視頻圖像統(tǒng)進(jìn)行圖像拼接。2.4.2 基于位置的視覺障礙物檢測和避障方法障礙物檢測和避障是機(jī)器人應(yīng)該具備的基本能力，是機(jī)器人安全到達(dá)目的地并完成操作任務(wù)的基本保證。機(jī)器人的工作環(huán)境一般是比較復(fù)雜的狹小受限三維空間，是非結(jié)構(gòu)化的三維場景，給視覺定位導(dǎo)航系統(tǒng)避障任務(wù)帶來了更高的要求。避障模塊要求視覺系統(tǒng)能夠快速的完成機(jī)器人前方運(yùn)動路徑上障礙物信息檢測，得到障礙物的類別，位置等信息。常用的測距傳感器，如超聲波測距儀，激光雷達(dá)等，可以快速的完成障礙物的距離測

37、量，由于距離信息量較少的缺點(diǎn)，無法對障礙物進(jìn)行比較全面準(zhǔn)確的描述。鑒于視覺傳感器獲取信息量大的優(yōu)點(diǎn)，可以根據(jù)雙目立體視覺測量原理完成對前方障礙物的三維重建。但目前計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域中的三維重建還是一個比較復(fù)雜的問題，特別是立體視差圖的構(gòu)建問題，由于計(jì)算數(shù)據(jù)量大和匹配算法的復(fù)雜性，應(yīng)用到機(jī)器人避障等實(shí)時(shí)性要求較高的場合還需要很長的時(shí)間和進(jìn)一步的研究。2.4.3 基于圖像特征匹配的目標(biāo)識別和基于位置的視覺定位方法工業(yè)機(jī)器人主要用來進(jìn)行生產(chǎn)線上的零部件組裝，智能化自主操作的前提是能夠?qū)ぷ鲌鼍爸械哪繕?biāo)進(jìn)行識別和定位，即找出目標(biāo)并定位目標(biāo)。機(jī)器人也是用來完成狹小受限空間內(nèi)零部件裝配以及缺陷檢測等工作任務(wù)，

38、所以視覺定位導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)該具有場景目標(biāo)識別和定位的能力。目標(biāo)識別和定位是計(jì)算機(jī)視覺和模式識別等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，目前并沒有統(tǒng)一的解決方案，都是針對具體的目標(biāo)操作物進(jìn)行特征分析和識別。視覺系統(tǒng)處理的圖像是三維場景在攝像機(jī)成像平面的二維投影，損失了物體的深度信息，并且視覺傳感器采集到的圖像易受光照條件，場景目標(biāo)復(fù)雜程度，目標(biāo)遮擋等因素的影響，導(dǎo)致計(jì)算機(jī)視覺中的目標(biāo)識別是困難的。場景目標(biāo)識別有兩種思路，一種是基于場景三維重建思想，另一種是基于二維圖像匹配思想。三維重建是計(jì)算機(jī)視覺的主流研究方向之一，其首要目標(biāo)是完成場景中物體的三維重建，一般采用立體視覺的測量模型，然后在點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型上完成目標(biāo)的識別和定位

39、。三維重建是一種直觀明了的目標(biāo)識別方法，但目前實(shí)現(xiàn)起來還比較困難，主要是立體圖像對視差圖的構(gòu)建，實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性還達(dá)不到實(shí)際應(yīng)用的要求，即使構(gòu)建好了完整的視差圖，但如何以機(jī)器人可以理解的模型去組織這些三維點(diǎn)云仍是一項(xiàng)比較艱巨的研究任務(wù)。基于圖像匹配的目標(biāo)識別技術(shù)目前已經(jīng)取得了很大的研究進(jìn)展，很多成果已經(jīng)得到了實(shí)際應(yīng)用，如人臉識別，車牌識別，人流統(tǒng)計(jì)，車輛信息統(tǒng)計(jì)等。目標(biāo)識別一般思路是首先提取場景圖像中的各種特征，如灰度，區(qū)域，顏色，紋理，邊界，輪廓等，將提取到的特征和目標(biāo)物模型進(jìn)行匹配，根據(jù)匹配結(jié)果完成目標(biāo)物的識別。圖像匹配目標(biāo)識別思想的主要技術(shù)是圖像處理和模式識別技術(shù)，主要有圖像分割，圖像特征

40、提取，特征描述和匹配等。目前將三維重建定位技術(shù)和二維圖像目標(biāo)識別技術(shù)結(jié)合起來的目標(biāo)識別和定位是一種合理設(shè)計(jì)方案.2.4.4 基于非特定參照物的視覺全局定位方法機(jī)器人的工作環(huán)境是未知的，在視覺系統(tǒng)開始使用之前，一般對視覺系統(tǒng)目標(biāo)模型庫進(jìn)行學(xué)習(xí)訓(xùn)練，訓(xùn)練學(xué)習(xí)過程也可以在機(jī)器人第一次進(jìn)入工作環(huán)境的過程中進(jìn)行。機(jī)器人在受限空間運(yùn)動的過程中，完成場景目標(biāo)定位后，還需要知道自己在這個場景中的位置，即實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自身的定位，只有完成自定位，機(jī)器人才知道自己在周圍環(huán)境中的具體位置。我們一般選取機(jī)器人移動末端坐標(biāo)系作為整個機(jī)器人的參考坐標(biāo)系，三維重建求得被定位的目標(biāo)和障礙物位置信息都是相對視覺系統(tǒng)坐標(biāo)系來說的，通

41、過坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，可以獲取目標(biāo)和障礙物在機(jī)器人參考坐標(biāo)系下的空間位置信息。機(jī)器人自身的位置信息是在場景中多個目標(biāo)的位置信息的基礎(chǔ)上求得的，整個場景有一個世界坐標(biāo)系，這些參與機(jī)器人自身定位解算的目標(biāo)在世界坐標(biāo)系下面的位置是固定不變的，但隨著機(jī)器人的一定，參照目標(biāo)和機(jī)器人的相對位置發(fā)生了變化，通過比較機(jī)器人運(yùn)動前后和參照目標(biāo)的位置關(guān)系可以推算出其自身在世界坐標(biāo)系下的位置信息。特別是在機(jī)器人第一次進(jìn)入未知環(huán)境的時(shí)候，這種全局定位思想可以用來構(gòu)建整個工作場景的地圖信息，一旦知道目標(biāo)和機(jī)器人自身的位置信息，就可以將場景目標(biāo)位置信息統(tǒng)一到一個全局的世界坐標(biāo)系下面，完成場景全局地圖的構(gòu)建。一旦構(gòu)建出一個關(guān)于場景

42、的全局地圖，使得機(jī)器人后續(xù)的定位導(dǎo)航過程容易的多，就是一個識別目標(biāo)和匹配目標(biāo)的過程。當(dāng)然，構(gòu)建地圖并不是最終的目標(biāo)，但實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自身定位是必不可少，通過自身定位，掌握機(jī)器人在工作環(huán)境中具體位置等信息是十分重要的。2.4.5雙目立體視覺三維測量技術(shù)在計(jì)算機(jī)視覺測量系統(tǒng)中，一般由兩個攝像機(jī)從不同視角在同一時(shí)刻完成同一三維目標(biāo)的采樣測量，獲取周圍場景的兩幅數(shù)字圖像，或由一個攝像機(jī)在不同時(shí)刻不同視角獲取關(guān)于三維場景的多幅數(shù)字圖像。研究表明我們?nèi)祟惖囊曈X系統(tǒng)是通過檢測視網(wǎng)膜上的視差來感知物體的遠(yuǎn)近信息，在此基礎(chǔ)上，人們設(shè)計(jì)出了基于視差原理的雙目立體視覺測量系統(tǒng)。隨著計(jì)算機(jī)視覺理論的研究發(fā)展，雙目立體視

43、覺測量在工業(yè)測量中發(fā)揮了越來越重要的作用，在機(jī)器人視覺定位導(dǎo)航系統(tǒng)中也有很多基于雙目立體視覺的定位系統(tǒng)，并取得了較好的目標(biāo)定位效果。雙目立體視覺的研究內(nèi)容主要有雙目立體視覺測量模型，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和測量精度分析，雙相機(jī)的立體標(biāo)定，圖像對應(yīng)點(diǎn)的匹配。2.5 裝配機(jī)器人編程2.5.1 機(jī)器人編程語言系統(tǒng)的組成機(jī)器人編程語言像一個計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，包括硬件、軟件和被控設(shè)備。即機(jī)器人語言包括語言本身、運(yùn)行語言的控制機(jī)、機(jī)器人、作業(yè)對象、周圍環(huán)境和外圍設(shè)備接口等。圖中的箭頭表示信息的流向，機(jī)器人語言的所有指令均通過控制機(jī)經(jīng)過程序的編譯、解釋后發(fā)出控制信號?？刂茩C(jī)一方面向機(jī)器人發(fā)出運(yùn)動控制信號，另一方面，向外圍設(shè)

44、備發(fā)控制信號，外圍設(shè)備如機(jī)器人焊接系統(tǒng)中的電焊機(jī)以及機(jī)器人搬運(yùn)系統(tǒng)中的空壓機(jī)等。周圍環(huán)境通過感知系統(tǒng)把環(huán)境信息通過控制機(jī)反饋給語言，而這里的環(huán)境是指機(jī)器人作業(yè)空間內(nèi)的物體位置、姿態(tài)以及物體之間的相互關(guān)系。2.5.2 工業(yè)機(jī)器人的語言功能1) 運(yùn)算功能。 運(yùn)算功能是機(jī)器人最重要的功能之一。對于裝有傳感器的機(jī)器人所進(jìn)行的主要是解析幾何運(yùn)算，包括機(jī)器人的正解、逆解、坐標(biāo)變換及矢量運(yùn)算等。根據(jù)運(yùn)算的結(jié)果，機(jī)器人能自行決定工具或手爪下一步應(yīng)到達(dá)何處。2) 運(yùn)動功能。 運(yùn)動功能是機(jī)器人最基本的功能。機(jī)器人的設(shè)計(jì)目的是用它來代替人的繁復(fù)勞動，因此機(jī)器人發(fā)展到今天，不管其功能多么復(fù)雜，動作控制仍然是其基本功能

45、，也是機(jī)器人語言系統(tǒng)的基本功能。機(jī)器人的運(yùn)動功能就是機(jī)器人語言用最簡單的方法向各關(guān)節(jié)伺服裝置提供一系列關(guān)節(jié)位置及姿態(tài)信息，由伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動。3) 決策功能。 所謂決策的能就是指機(jī)器人根據(jù)作業(yè)空間范圍內(nèi)的傳感信息不做任何運(yùn)算而做出的判斷決策。這種決策功能一般用條件轉(zhuǎn)移指令由分支程序來實(shí)現(xiàn)。條件滿足則執(zhí)行一個分支，不滿足則執(zhí)行另一個分支。2.5.3 機(jī)器人的坐標(biāo)系統(tǒng) 要想操控機(jī)器人完全按照設(shè)定的軌跡運(yùn)動，必須明確機(jī)器人的坐標(biāo)系統(tǒng)，在什么情況下該用何種坐標(biāo)系。當(dāng)前的主流機(jī)器人都是采用6自由度，即6個能夠獨(dú)立活動的坐標(biāo)軸機(jī)器人可以建立的坐標(biāo)系有“World坐標(biāo)系”，“Base坐標(biāo)系”，“Tool坐標(biāo)

46、系”，“Axis軸坐標(biāo)系”四個。各個坐標(biāo)系統(tǒng)的特點(diǎn)和用途均不一樣:Axis坐標(biāo)一般用來操作機(jī)器人的各個軸的運(yùn)動(如果是六個自由度的機(jī)器人會有A 1-A 6六個軸，每個軸都有自己的旋轉(zhuǎn)方向和角度)，機(jī)器人在運(yùn)行過程中需要各個軸之間配合運(yùn)動，有旋轉(zhuǎn)也有直線等;World坐標(biāo)系統(tǒng)主要是在編程的時(shí)候用來標(biāo)定機(jī)器人的初始位置以及零點(diǎn)位置，該坐標(biāo)系統(tǒng)類似于空間三維坐標(biāo)系統(tǒng);Tool坐標(biāo)主要是機(jī)器人在進(jìn)行實(shí)際工作時(shí)的一個參照坐標(biāo)系，他的工具可以是夾具、焊鉗或者噴槍等;Base坐標(biāo)主要是機(jī)器人相對于自身的坐標(biāo)系統(tǒng)，其原點(diǎn)一般在機(jī)器人底座的中心點(diǎn)。2.5.4 工業(yè)機(jī)器人的編程 所有的機(jī)器人編程主要是從定義機(jī)器人

47、運(yùn)行軌跡和運(yùn)行方式入手的。當(dāng)前主流的機(jī)器人都是采用定義三種軌跡方式:點(diǎn)到點(diǎn)，直線和圓弧。1) 點(diǎn)到點(diǎn)的移動 工作空間內(nèi)機(jī)器人始終在兩點(diǎn)之間的定位，以最快的路徑進(jìn)行，而且所有的軸的移動同時(shí)開始和結(jié)束，所有的軸必須同步;這時(shí)無法精確的預(yù)計(jì)機(jī)器人的軌跡。采用該語句進(jìn)行程序設(shè)計(jì)在實(shí)際操作過程中容易出現(xiàn)無法預(yù)知的運(yùn)動軌跡，容易造成一定的安全事故，因此，在編程的時(shí)候盡量不用或者少用該語句。2) 線形移動 機(jī)器人在移動過程中，各轉(zhuǎn)軸之間將進(jìn)行配合，使得工具及工件參照點(diǎn)沿著一條通往目標(biāo)點(diǎn)的移動。一般，當(dāng)必須按給定的速度沿著某條精確的軌跡抵達(dá)一個點(diǎn)或者如果因?yàn)榇嬖趯ψ驳姆绞蕉煌渣c(diǎn)到點(diǎn)移動的方式抵達(dá)某些點(diǎn)的時(shí)

48、候，將采用線性移動。一般有兩種移動方式，分別為精確定位的移動和軌跡逼近的移動.3) 圓周移動 工具及工件的參照點(diǎn)沿著一條圓弧移動至目標(biāo)點(diǎn)。這條軌跡將通過起始點(diǎn)、輔助點(diǎn)和終點(diǎn)來描述。上一條移動指令的、以精確定位方式抵達(dá)的目標(biāo)點(diǎn)可以作為起始點(diǎn)，其取向?qū)⑼瑫r(shí)在整個路程上發(fā)生改變。如果加工過程應(yīng)該以給定的速度沿著一條圓形軌跡進(jìn)行時(shí)，將采用圓弧移動。該移動也有兩種移動方式，分別為精確定位的移動和軌跡逼近的移動。3. 裝配機(jī)器人的應(yīng)用3.1 汽車行業(yè)隨著發(fā)動機(jī)及變速箱產(chǎn)品趨于輕量化、結(jié)構(gòu)簡單化、性能優(yōu)質(zhì)化，其裝配技術(shù)也有很大的發(fā)展和進(jìn)步。國外對發(fā)動機(jī)和變速箱自動化裝配的研究起步較早，各方面技術(shù)都比較成熟。

49、世界上著名的汽車生產(chǎn)公司如通用、福特、大眾等均采用配有裝配機(jī)器人的柔性化裝配線，生產(chǎn)節(jié)拍普遍在一分鐘以內(nèi)。因而用裝配機(jī)器人最多的是汽車行業(yè)。在日本汽車裝配工程中，發(fā)動機(jī)用底盤部件裝配單元的約50%、車體組裝(沖壓、焊接、噴漆)的100%、車體最終裝配的10一30%已實(shí)現(xiàn)了自動化。在車輛的最終裝配中，應(yīng)用較多的是垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人。主要用于備用輪胎的裝載，輪胎及車門的安裝。在汽車窗玻璃的安裝中，開發(fā)應(yīng)用了不使用旋轉(zhuǎn)軸就能反轉(zhuǎn)1800，并在狹窄空間中作業(yè)的機(jī)器人。在大型零件的安裝中，使用了荷重為200Kg的機(jī)器人。另外，窗玻璃的封閉作業(yè)應(yīng)用了三維軌跡控制的密封機(jī)器人。3.1.1發(fā)動機(jī)和變速箱裝配線技

50、術(shù)發(fā)動機(jī)和變速箱裝配線是由自動、半自動工藝設(shè)備，手動工裝工具，物流輸送，信息管理等組成的綜合系統(tǒng)。如圖3.1圖3.4是典型的發(fā)動機(jī)和變速箱裝配線實(shí)例。裝配線技術(shù)種類繁雜，機(jī)械、氣動、電氣、信息接口多，是一個技術(shù)含量較大的多學(xué)科綜合的系統(tǒng)工程。圖3.1 卡比特勒無錫工廠發(fā)動機(jī)裝配線圖3.2 上海通用GN3發(fā)動機(jī)裝配線圖3.3 福田康明斯發(fā)動機(jī)裝配線圖3.4 上汽齒輪變速箱裝配線圖3.5 缸體塞片壓裝上料桁架機(jī)械手圖3.6 缸體導(dǎo)管壓裝上料桁架機(jī)械手3.2 電子電氣業(yè)應(yīng)用數(shù)量居于第二位的是電子、電機(jī)領(lǐng)域。在半導(dǎo)體集成電路的引線架上，連結(jié)半導(dǎo)體芯片的芯片焊接機(jī)器人以及連接引線架和開關(guān)的引線接合器，均

51、帶有視覺，并實(shí)現(xiàn)了高速和高精度化。在凈化室內(nèi)，應(yīng)用了清潔度為100一10級的清潔機(jī)器人，在封閉環(huán)境中從事晶片的移載、磁盤的取出及組裝等作業(yè)。向印刷電路板進(jìn)行無引線電子零件自動化安裝的封裝機(jī)，從事帶引線電子零件的自動插入的插件數(shù)控機(jī)器人，出現(xiàn)了高速、高精度的發(fā)展趨勢。異型零部件的安裝，多是應(yīng)用水平多關(guān)節(jié)的異型部件插入機(jī)器人。由于部件導(dǎo)線末端螺距的縮小，要求高密度、高精度的安裝，為此，開發(fā)應(yīng)用了帶有視覺的實(shí)時(shí)機(jī)器人。為了把電子零件焊在印刷線路板上，以及焊接那些難耐自動焊機(jī)之高溫的偏平封裝的cl電路，開發(fā)了使得微細(xì)的局部加熱的激光焊錫組裝機(jī)器人。對與電路板、LED等行業(yè)的制造商而言，裝配點(diǎn)膠機(jī)作為一

52、個必要的設(shè)備來提高企業(yè)的生產(chǎn)效率。 圖3.7 半自動六分度裝配點(diǎn)膠機(jī)概念圖 圖3.8 點(diǎn)膠機(jī)實(shí)物圖3.3 家用電器業(yè)在電機(jī)，特別是家電領(lǐng)域，在馬達(dá)、電磁開閉器、電風(fēng)扇、洗衣機(jī)、冰箱、空調(diào)機(jī)、錄音機(jī)、vTR以及電視等產(chǎn)品的裝配生產(chǎn)線上，應(yīng)用了嵌合、螺絲旋擰、壓入、鉚接等裝配機(jī)器人，已達(dá)到誤差動作率低、自動化率高的階段。一般則采取垂直裝配方式，但根據(jù)需要，也應(yīng)用了橫向旋擰螺絲機(jī)器人。圖3.9 機(jī)器人柔性螺栓擰緊機(jī)3.4 精密機(jī)械業(yè)在精密機(jī)械領(lǐng)域，如手表、照相機(jī)、打印機(jī)、復(fù)印機(jī)等裝配生產(chǎn)線上.也同樣活躍著裝配機(jī)器人。對要求達(dá)到數(shù)微米級高度的場合，使用了帶視覺的機(jī)器人。在中小型精密零部件的裝配作業(yè)中，

53、要求高速、高精度、節(jié)省空間，為此，應(yīng)用了直接驅(qū)動機(jī)器人。此外在MEMS中，MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))微裝配指的是把結(jié)構(gòu)和功能相對簡單的微器件組裝成為復(fù)雜的微機(jī)電系統(tǒng)，以滿足實(shí)際應(yīng)用的要求.由于被操作對象體積微小，相對于宏觀操作，微作精度提高了1到2個數(shù)量級，從幾百微米提高到微米、亞微米，甚至到納米級川.對裝配系統(tǒng)的定位精度、作業(yè)工具及傳感器的精度提出了更高的要求，傳統(tǒng)的裝配工藝和設(shè)備已經(jīng)不能滿足微裝配的要求.目前，MEMS裝配大多采用手工作業(yè)方式。該MEMS微裝配系統(tǒng)由8個模塊組成，A:顯微成像模塊;B:自動調(diào)焦模塊;C:裝配臺宏動模塊;D:操作手宏動模塊;E:裝配臺微動模塊;F:操作手微動模塊:

54、G微操作器模塊;H:夾盤分別組成了微操作手、顯微視覺和裝配工作臺個子系統(tǒng)。圖3.10 微行星減速器 圖.311 機(jī)器人結(jié)構(gòu)實(shí)物圖 3.5 航天航空等特殊領(lǐng)域隨著中國航天事業(yè)的發(fā)展，越來越多的飛行器進(jìn)入太空，空間太陽陣電源系統(tǒng)作為最主要的空間電源系統(tǒng)也越來越多的出現(xiàn)在浩瀚的太空中。日益增加的需求、更多的應(yīng)用范圍對太陽電池陣電源系統(tǒng)的要求也越來越高。目前國內(nèi)空間太陽電池陣絕大部分采用手工貼裝的操作方法，操作工藝落后，太陽電池碎片率較高，制造成本居高不下。這種手工貼裝的操作方法已無法適應(yīng)新一代太陽電池輕型化和薄型化的發(fā)展趨勢。由此，上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院機(jī)器人研究所夏雨等人研究出一種空間太陽

55、電池陣自動裝配機(jī)器人。圖3.12 空間太陽電池陣自動裝配機(jī)器人實(shí)物圖4. 裝配機(jī)器人技術(shù)未來發(fā)展展望4.1 裝配機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)裝配機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)主要集中在以下幾方面。這也是未來主要的發(fā)展方向。1) 裝配機(jī)器人的精確定位裝配機(jī)器人運(yùn)動系統(tǒng)的定位精度由機(jī)械系統(tǒng)靜態(tài)運(yùn)動精度(幾何誤差、熱和載荷變形誤差)和機(jī)電系統(tǒng)高頻響應(yīng)的暫態(tài)特性(過渡過程)所決定，其中靜態(tài)精度取決于設(shè)備的制造精度和機(jī)械運(yùn)動形式，動態(tài)響應(yīng)取決于外部跟蹤信號、系統(tǒng)固有的開環(huán)動態(tài)特性、所采用的減振方法 (阻尼 )和控制器的調(diào)節(jié)作用。2) 裝配機(jī)器人的實(shí)時(shí)控制在許多微機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域中， P機(jī)的速度和功能往往不能滿足需要。特別是在多任務(wù)工作

56、環(huán)境下， 各任務(wù)只能分時(shí)工作，動態(tài)響應(yīng)取決于外部跟蹤信號、系統(tǒng)固有的開環(huán)動態(tài)特性、所采用的減振方法(阻尼)和控制器的調(diào)節(jié)作用。3) 檢測傳感技術(shù) 檢測傳感技術(shù)的關(guān)鍵是傳感器技術(shù)， 它主要用于檢測機(jī)器人系統(tǒng)中自身與作業(yè)對象、作業(yè)環(huán)境的狀 態(tài)， 向控制器提供信息以決定系統(tǒng)動作。傳感器精度、靈敏度和可靠性很大程度決定了系統(tǒng)性能的好壞。檢測傳感技術(shù)包含兩個方面內(nèi)容: 一是傳感器本身的研究和應(yīng)用， 二是檢測裝置的研究與開發(fā)。包括:多維力覺傳感器技術(shù)、視覺技術(shù)、多路傳感器信息融合技術(shù)、 檢測傳感裝置的集成化與智能化技術(shù)。4) 裝配機(jī)器人系統(tǒng)軟件研制PC機(jī)是在 MSDOS或 Windows操作系統(tǒng)下工作的。

57、MS DOS是一個單任務(wù)操作系統(tǒng)， Window s則是分時(shí)多任務(wù)，均不能滿足機(jī)器人規(guī)劃，伺服同時(shí)進(jìn)行的要求。為此，必須開發(fā)一個協(xié)調(diào)上、下位機(jī)各任務(wù)工作的實(shí)時(shí)控制程序， 它作為MS DOS或 Window s下的一個應(yīng)用程序分別在兩個系統(tǒng)上運(yùn)行。裝配機(jī)器人系統(tǒng)的軟件主要由機(jī)器人語言編譯模塊、多任務(wù)監(jiān)控模塊、雙系統(tǒng)握手通訊模塊、伺服控制 模塊四部分構(gòu)成。系統(tǒng)在上電啟動后即初始化， 建立雙系統(tǒng)聯(lián)系，根據(jù)Semaphore鎖存器的值及雙口 RAM 中的數(shù)據(jù)調(diào)度任務(wù)， 對機(jī)器人進(jìn)行初始定位后對機(jī)器 人語言命令編譯， 分由上、下位機(jī)同時(shí)執(zhí)行。5) 裝配機(jī)器人控制器的研制 裝配機(jī)器人的伺服控制模塊是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)，它的特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人操作空間力和位置混合伺服控制，實(shí)現(xiàn)了高精度的位置控制、靜態(tài)力控制，并且具有良好的動態(tài)力控制性能。伺服模塊之上的局部自由控制模塊相對獨(dú)立于監(jiān)督控制模塊， 它能完成精密的插圓孔、方孔等較為復(fù)雜的裝配作業(yè)。監(jiān)督控制模塊是整個系統(tǒng)的核心和靈魂，它包括了系統(tǒng)作業(yè)的安全機(jī)制、人工干預(yù)機(jī)制和遙控機(jī)制。多任務(wù)控制器可廣泛應(yīng)用于工業(yè)裝配機(jī)器人中作為其實(shí)時(shí)任務(wù)控制器而 使用，也可用作移動機(jī)器人的實(shí)時(shí)任