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《制造业中的机器人、自动化和系统集成》—— 1.3 机器人的演变

简介: 捷克斯洛伐克作家卡雷尔·恰佩克(Karel Capek)在他的科幻剧本《Rossum’s Universal Robots》(罗素姆万能机器人)中首次使用了“机器人”这个词。它根据捷克文Robota演变而来,原意为“劳役、苦工”。

本节书摘来自华章出版社《制造业中的机器人、自动化和系统集成》一书中的第1章,第1.3节,作者[英] 麦克·威尔逊(Mike Wilson),更多章节内容可以访问云栖社区“华章计算机”公众号查看。

1.3机器人演变

捷克斯洛伐克作家卡雷尔·恰佩克(Karel Capek)在他的科幻剧本《Rossum’s Universal Robots》(罗素姆万能机器人)中首次使用了“机器人”这个词。它根据捷克文Robota演变而来,原意为“劳役、苦工”。创作于1920年的这部科幻剧本把机器人描述成一种为人类主人服务的智能机械并最后统治了全世界。现在的机器人概念即起源于此。其他作家进一步发展了这个概念。特别是在20世纪40年代,美国科幻巨匠阿西莫夫(Isaac Asmiov)提出了“机器人三法则”:

  • 第一法则:机器人不得伤害人类,或坐视人类受到伤害。
  • 第二法则:除非违背第一法则,否则机器人必须服从人类的命令。
  • 第三法则:在不违背第一及第二法则的情况下,机器人必须保护自己。
    虽然这些法则是虚构的,但是它们的确为当今开发机器人智能和人-机器人交互的研究人员提供了基石。

机器人有多种形式。由于受到电影《Star Wars》(星球大战)中C3PO科幻机器人先入为主的影响,公众往往将机器人联想为智能化的人性设备,但现有的机器人技术完全不是这么回事。学术界将机器人分为两个不同的领域——服务机器人和工业机器人。服务机器人可以应用于很宽泛的领域,包括军方的无人飞船、挤牛奶的机器人、外科手术机器人、搜索和救援机器人、扫地机器人和教育玩具机器人等。由于服务机器人所处的工作环境和应用领域不同,所以它们在尺寸、性能、技术水平和成本方面千差万别。服务机器人市场正在快速扩大。服务机器人的供应商一般都来自于非工业领域。当然,服务机器人与工业机器人也有某些技术交叉点,但是机械本体则6完全不同。

本书主要关注工业领域的机器人。这些机器人主要用于满足工业需求,因此它们不像服务机器人有那么多变化。下面是业界广泛接受的工业机器人定义(ISO 8373),由国际机器人联盟(International Federation of Robotics,IFR)于2013年发布(IFR,2013)。
机器人具备自动控制及可再编程、多用途功能,机器人操作机具有3个或3个以上的可编程轴,在工业自动化应用中,机器人的底座可固定也可移动。
该定义明显区分了机器人和其他自动化设备,比如取放单元、机床和出入库系统。
工业机器人产业始于1956年,Joseph Engelberge和George Devol创办了Unimation公司。Devol早先注册了“Programmed Article Transfer”这一专利,之后他们两人联合开发了第一台工业机器人——Unimate(如图1-1所示)。Unimation将第一台机器人安装到位于新泽西州特伦顿的通用汽车工厂,用于压铸件的码垛。该机器人是一套由液压驱动的机械臂,逐步执行存储在磁鼓上的指令。首次大规模安装也是在通用汽车,这次案例是1969年安装在洛兹敦的总装厂,将Unimation的机器人用于点焊作业(如图1-2所示)。这些机器人使得90%以上的点焊任务实现了自动化,而之前仅有40%能够实现自动焊接,剩下的必须手工操作。挪威Trallfa公司早先开发了喷漆独轮车,1969年提供了第一台商用喷涂机器人。随后,Unimation公司于1969年与Kawasaki公司签订了技术协议,日本的机器人产业开始快速崛起。到1973年,全世界安装了3000台机器人。
德国KUKA公司在刚开始使用Unimation公司的机器人,之后于1973年开发了自己的机器人。这批机器人拥有6个电机驱动轴。同年,日本Hitachi公司首次集成了视觉系统,使得机器人能够跟踪移动目标。该机器人在移动的模具上将螺栓拧紧,用于生产混凝土桩。截至1974年,辛辛那提公司的Milacron T3是第一
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台微机控制的商业机器人。同样在这一年,第一批弧焊机器人安装在工业现场。这批机器人由Kawasaki制造,用于焊接摩托车框架。
第一台全电子微机控制的机器人IRB 6,于1974年由瑞典ASEA公司发布。这种机器人模仿人体手臂机构,负载6kg。第一台安装后用于抛光不锈钢管(如图1-3所示)。1975年,基于直角坐标构型(见2.1节)的Olivetti Sigma机器人首次用于装配。1978年,Unimation公司获得通用汽车的支持,开发了可编程通用装配机器(PUMA)。同样在1978年,第一台选择顺应性装配机器手臂(SCARA)开发成功(见2.1节)。PUMA机器人和SCARA机器人都是针对装配应用而设计的,具有有限的搬运能力,但是具有很好的重复性和很高的运行速度。
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1979年,日本的Nachi公司开发了第一台电机驱动的重载机器人。这些机器人比液压驱动的机器人具有更高的性能和可靠性,电机驱动成为工业标准。1981年,第一台龙门机器人(gantry robot)被设计出来,它的运动范围远大于传统机器人。截至1983年,全世界已经安装了66000台机器人。
第一台直接驱动的SCARA机器人由美国Adept公司于1984年发布。电机直接与手臂连接9,不需要中间的齿轮、链条或皮带等传动件。这种简化设计提供了更高的精度和更好的可靠性。1992年,第一台三角形构型机器人用于包装椒盐脆饼。这种设计后来被瑞典ABB公司采纳,用于FlexPicker机器人,这是当时最快的拾取机器人,每分钟执行120次拾取操作。截至2003年,全世界有80万台机器人。
截至2004年,机器人控制器的能力得到了大幅提升。日本Motoman公司发布了一种新的控制器,它能够同步控制38个轴,同时控制4台机器人手臂。其他控制器技术也在发展,比如使用基于PC的系统、运行Windows CE操作系统、使用带触摸屏和彩色显示的示教器等。
诸多技术发展都是由汽车工业需求推动的。由于第一台机器人在通用汽车的成功安装,汽车行业成为工业机器人的主要用户,现在依然是机器人的最大用户。然而,当今的机器人也应用在更广泛的领域,从食品工业到航空制造。国际机器人联盟(IFR)从1988年开始收集机器人安装数据,每年发表有关世界机器人的年报。不同行业的机器人的使用量如图1-4所示。机器人在各个工业化国家都得到了应用,图1-5展示了世界范围内机器人使用数量的上升。
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