装配机器人报告

1、机器人学课程报告装配机器人综述目 录1 装配机器人背景介绍1 1.1 工业机器人技术简介1 1.2 装配机器人发展现状1 1.3 装配机器人技术的应用简介42 装配机器人原理6 2.1 装配机器人机械结构6 2.2 装配机器人控制6 2.3 机器人柔性装配10 2.4 工业机器人视觉技术14 2.5 装配机器人编程173 装配机器人的应用20 3.1 汽车行业20 3.2 电子电气行业23 3.3 家用电气行业24 3.4 精密机械行业25 3.5 航天航空等特殊领域264 装配机器人技术未来发展展望28 4.1 装配机器人关键技术28 4.2 装配机器人未来主要研究内容295 总结32参考文

2、献331. 装配机器人背景介绍1.1 工业机器人技术简介机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术。机器人是一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置，通过可编程序动作来执行各种任务的，并具有编程能力的多功能机械手。工业机器人由操作机(机械本体)、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备，特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对提高产品质量、提高生产效率、改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。我国国家标准将工业机器人定义为“是一种能自动控

3、制、可重复编程、多功能、多自由度的操作机，能搬运材料、工件或操持工具，用以完成各种作业”。在标准中给出了“操作机”的明确定义：“操作机”是“具有和人手臂相似的动作功能，可在空间抓放物体或进行其他操作的机械装置”。自60年代研制出第一台通用工业机器人，工业机器人的研究和开发在国外工业发达国家中一直备受青睐。特别是随着相关支撑学科（如人工智能、计算机技术、传感器技术等的发展，工业机器人的研究和开发突飞猛进，应用进一步扩大，己经成为一个独立的高科技产业。在经历了第一代机器人（示教机器人）和第二代机器人（适应控制机器人）阶段，工业机器人研究不断向第三代机器人（自律机器人）即智能化方向发展，以适应“敏捷

4、制造”，满足多样化、个性化的需求，并适应多变的非结构环境作业，向非制造领域进军。我国工业机器人的研究从80年代“七五”科技攻关开始起步，随着世界机器人技术的发展和市场的形成，我国在机器人科学研究、技术开发与应用工程等方面取得了可喜的进步。尤其是随着改革开放的深入及与国际市场的接轨，新产品、新工艺的需求需要有新的设备来武装制造业，机器人应用在我国具有良好的前景和希望，在汽车、电子、家电、机械、轻工等行业尤为必须。1.2 装配机器人发展现状1.2.1装配机器人简介装配是产品生产的后续工序，在制造业中占有重要地位，在人力、物力、财力消耗中占有很大比例，作为一项新兴的工业技术，机器人装配应运而生。在机

5、器人应用各领域中只占很小的份额。究其原因，一方面是由于装配操作本身比焊接、喷涂、搬运等复杂；另一方面，机器人装配技术目前还存在一些亟待解决的问题。如：对装配环境要求高，装配效率低，缺乏感知与自适应的控制能力，难以完成变动环境中的复杂装配，对于机器人的精度要求较高，否则经常出现装不上或“卡死”现象。尽管存在上述问题，但由于装配所具有的重要意义，装配领域将是未来机器人技术发展的焦点之一。其重要性在机器人应用中将跃居第一位。装配机器人从适应的环境不同，又分为普及型装配机器人和精密型装配机器人，根据臂部的运动形式不同，分为直角坐标型装配机器人，垂直多关节型装配机器人和平面关节型(SCARA)装配机器人

6、。1.2.2 我国装配机器人发展现状经过多年来的研究与开发，我国在装配机器人方面有了很大的进步。目前在装配机器人研制方面，基本掌握了机构设计制造技术，解决了控制、驱动系统设计和配置、软件设计和编制等关键技术，还掌握了自动化装配线及其周边配套设备的全线自动通信、协调控制技术，在基础元器件方面，谐波减速器、六轴力传感器、运动控制器等也有了突破。我国已研制出精密型装配和实用型装配机器人，如华南理工大学完成的用于吊扇电动机装配的机器人自动装配系统。该装配系统用于装配1400mm、1200mm和1050mm 3种规格的吊扇电动机。使用该装配系统后，产品质量显著提高，返修率降低至5%8%左右。另外还有小型

7、电器机器人自动装配线，以及自动导引汽车发动机装配线，精密机芯机器人自动装配线等机器人示范应用工程。上海交通大学也研制了“精密1号”机器人，它是我国第一款高精度的装配机器人。国外在装配机器人领域的开发与应用方面走在中国前面。在韩国，装配机器人占1998年和1999年总销售量的27%。日本作为机器人王国，各产业中应用的机器人总数占世界的40%。其中装配机器人是日本机器人的最大应用领域，它占实际安装机器人数量的41%。据日本产业机器人协会统计，在19821991年的10年中，日本用于装配作业的机器人台数为177500台，居工程应用数量之首。我国已研制出精密型装配和实用型装配机器人，如广东吊扇电机机器

8、人自动装配线，小型电器机器人自动装配线，以及自动导引汽车发动机装配线，精密机芯机器人自动装配线等机器人示范应用工程。近几年来，“大连贤科机器人技术有限公司”与国内5家高校、科研所合作，开发出具有自主知识产权的系列化模块化直角坐标型装配机器人CAD设计平台；开发出两个系列共4种规格的平面关节型装配机器人；开发出两种类型3个系列的直线运动单元以及由此组成的直角坐标型装配机器人；研制出基于开放式体系结构的机器人控制器。“贤科”自主开发的装配机器人已在家电、电子仪表、轻工等行业得到初步应用，其质量不亚于国外同类产品，是国内当之无愧的最精密的装配机器人。1.2.3 国外装配机器人发展现状美、日、西欧的制

9、造业中约40%的劳动力用于装配，西德电子工业产品总成本的5070%是装配。装配机器人是高质量、高柔性、高效率完成自动装配的理想手段。所以装配机器人得到迅速发展， 如美国工业界Delphi法调查表明到2000年应用于装配和检验的机器人销售台数将从1985年占工业机器人总数16%猛增到35%。日本装配机器人的增长比任何其他工业应用领域的机器人都快，增长速度比欧洲和美国更快。日本装配机器人的增长臂人和其他工业应用领域的机器人都快，增长速度比欧洲和美国更快。日本机器人的广泛的应用领域在装配工段， 1985年装配机器人已达15800台，是焊接机器人的两倍，成为工业应用领域中应用最多的机器人。1995年为

10、33500台，产值为25903000亿日元， 到2004年，达到55000台，产值42005100亿日元。这个数值远远高于其他领域机器人的发展速度，为世界所瞩目。日本作为机器人王国，各产业中应用的机器人总数占世界的40%。其中装配机器人近年来异军突起，发展迅速。据日本产业机器人协会统计，在19821991年的10年中，日本用于装配作业的机器人台数为177500台，居工程应用数量之首。据日本产业机器人协会的统计，日本装配机器人1980年左右首次达到最高点。生产台数为2849台，产值2497亿日元，以后又呈上升趋势。目前，日本应用的装配机器人的主要型号有：直角坐标型、水平多关节型、垂直多关节型及圆

11、柱坐标型等。据日本产业机器人协会的预测，在日本制造业，装配机器人的需求逐年上升。1.3 装配机器人技术的应用简介环保压缩装配机器人控制技术的研究与开发，不仅产品处于国内领先地位，而且在压缩机生产领域的技术水平与产业素质提高到行业之首，并收到良好的经济效益和社会效益。具备视觉功能的装配机器人在工业领域得到越来越广泛的应用，相比程控型、示教再现型等其它类型的机器人，视觉装配机器人无疑具有更强的适应环境的能力以及智能化程度，因而更能适用于智能化装配任务的发展需求，目前视觉装配机器人已成为机器人领域内的研究热点。空间太阳电池阵自动装配机器人的设计也是当期一大研究，因为国外在这方面对中国采取封锁政策，我

12、们也无从得知他们的研究现状。国内，则用此类机器人完全替代落后的手工贴装工艺，实现机器人的自动贴装。从而提高太阳电池阵的加工品质，提高生产效率，降低电池片碎片率，缩短生产周期，避免胶液污染太阳电池现象的发生，满足新一代太阳电池发展的趋势。目前，国内外已有各种专用和通用的装配机器人在生产中得到应用，主要有直角坐标型、圆柱坐标型和关节型三大类。关节型装配机器人又有垂直关节型（即空间关节型）和平面关节型（即 SCARA 型）二种，其中平面关节型装配机器人是应用数量最多且较为广泛的一种装配机器人。机器人技术在零件装配领域的应用越来越得到人们的重视，尤其是大型零件的轴孔配合的应用。本课题来自某单位对蒸汽发

13、生器单元装配实际需要，设计开发出一款能够完成工件和压力容器之间轴孔配合的装配机器人。 蒸汽发生器单元装配工艺，分析轴孔装配偏差和柔顺轴孔装配方法，提出完成蒸汽发生器单元装配所需要机械结构方案、电气控制方案以及检测方法。机械结构方面：在 inventor 软件下设计出具有7自由度的装配机器人机械结构和工件的工装。通过 Algor 有限元分析软件对关键的零部件进行了非线性分析，保证结构的刚度和强度满足要求。基于 matlab 的机器人工具箱对装配机器运动学仿真和作业路径规划，为控制部分提供依据。1.4 总结 总的来看，目前装配机器人向提高控制精度、加快动作速度、操作机本体轻量化和多用途方向发展。在

14、装配机器人种类方面发展动向有：（1）对特定的工件装配作业采用专用装配机器人，如为了焊接扁平封装的IC电路，使用能完成微细的局部加热的激光焊锡装配机器人；（2）为扩大装配机器人的适用范围，装配机器人必须进一步向智能化方向发展。随着机器人智能化程度的提高，对复杂产品（如汽车发电机、电动机、电动打字机、收录机和电视机等）进行自动装配将成为现实。柔顺运动概念的研究及其进展，也有助于机械部件的自动装配工作。2. 装配机器人原理2.1 装配机器人机械结构机械系统是整个系统的机械本体部分，是工件的载体，对工件位姿调节。因此，机械系统有足够的刚度、强度，防止在抓工件后零部件变形、断裂；满足运动空间，即按照规划

15、好的路径将工件从初始位置安装到预定位置；具有冗余的自由度，补偿运动误差和制造误差；具有专用的机械手夹具，保证每次抓取工件后，工件在机械系统的位置不变。 装配机器人的机械本体一般由手部（末端执行执行器）、手腕、手臂及机座组成。根据结构不同，可分为四种类型：关节型、球坐标型、圆柱坐标型、直角坐标型。关节型和球坐标型灵活性好、工作空间大；直角坐标型刚度和精度高，但工作空间小；圆柱型介于他们之间。 工业机器人的总体方案设计主要进行运动功能方案、传动系统方案以及结构布局方案的设计。机器人运动功能设计:主要设计任务是机器人自由度数目、关节运动的性质及排列顺序的确定、以及在基准状态下的附体坐标系的建立。根据

16、机器人机构的特点，可以分为串联、并联和混联三种，串联的特点是结构简单，机构灵活，工作空间大，姿态性能好，但是机器人的刚度小，承载能力较低;而并联机器人的特点恰好与此相反，机器人的刚度较大，承载能力高，但是其工作空间小，姿态能力差。而混联方式，则是把串、并联结合起来，充分利用了串、并联的优点，避免了二者的缺点。但是混联机构势必会增加机器人结构的复杂性。2.2 装配机器人控制机器人控制系统是机器人的大脑，是决定机器人功能和性能的主要因素。工业机器人控制技术的主要任务就是控制工业机器人在工作空间中的运动位置、姿态和轨迹、操作顺序及动作的时间等。具有编程简单、软件菜单操作、友好的人机交互界面、在线操作

17、提示和使用方便等特点。其工作原理为：控制系统发出动作指令，控制驱动器动作，驱动器带动机械系统运动，使末端操作器到达空间某一位置和实现某一姿态，实施一定的作业任务。末端操作器在空间的实时位姿由感知系统反馈给控制系统，控制系统把实际位姿与目标位姿相比较，发出下一个动作指令，如此循环，直到完成作业任务为止。关键技术包括：(1)开放性模块化的控制系统体系结构：采用分布式CPU计算机结构，分为机器人控制器(RC)，运动控制器(MC)，光电隔离I/O控制板、传感器处理板和编程示教盒等。机器人控制器(RC)和编程示教盒通过串口/CAN总线进行通讯。机器人控制器(RC)的主计算机完成机器人的运动规划、插补和位

18、置伺服以及主控逻辑、数字I/O、传感器处理等功能，而编程示教盒完成信息的显示和按键的输入。(2)模块化层次化的控制器软件系统：软件系统建立在基于开源的实时多任务操作系统Linux上，采用分层和模块化结构设计，以实现软件系统的开放性。整个控制器软件系统分为三个层次：硬件驱动层、核心层和应用层。三个层次分别面对不同的功能需求，对应不同层次的开发，系统中各个层次内部由若干个功能相对对立的模块组成，这些功能模块相互协作共同实现该层次所提供的功能。(3)机器人的故障诊断与安全维护技术：通过各种信息，对机器人故障进行诊断，并进行相应维护，是保证机器人安全性的关键技术。(4)网络化机器人控制器技术：当前机器

19、人的应用工程由单台机器人工作站向机器人生产线发展，机器人控制器的联网技术变得越来越重要。控制器上具有串口、现场总线及以太网的联网功能。可用于机器人控制器之间和机器人控制器同上位机的通讯，便于对机器人生产线进行监控、诊断和管理。现阶段机器人的控制体系结构有两种主要形式同时存在：一是象ABB、Fanuc、Motoman这样的传统机器人制造商继续使用大型专有控制装置，持有他们专有的控制体系结构；二是开放式的通用运动控制体系结构(比如基于Pc机的运动控制结构)，具有开放性、可移植性、可扩展性等优点，而且可以方便的添加网络通信功能。许多新公司都在研究和尝试基于PC的运动控制结构。开放式控制系统顾名思义要

20、体现一个开放的设计思想，能够实现多个平台和系统的可靠交互，而且具有一定的通用性，能够方便的实现移植及转化，各个模块就类似“即插即用”型的部件。该系统的几个关键点：使用基于通用计算机平台的开发系统，比如说个人计算机平台、SUN 计算机平台等。2. 使用标准的操作系统和标准的开发语言，比如 Windows 系统下 VB、C/C+。3. 总线硬件架构采用标准的结构，能与外围设备和传感器接口对应。4. 采用网络策略，使控制器数据通过网络共享，能够实现远程控制。要实现一个控制系统的开放性必须要具备几个条件：可靠的扩展性能、优越的数据交互性能、方便的再开发性能，拥有这几点特性的控制系统无疑将会是一个可靠的

21、开放式系统，所以必须采用通用型的硬件平台以及标准的软件运行环境。以一种六自由度机器人为例，采用的硬件系统结构是基于 PC 平台再结合多轴运动控制器所搭建的具有多处理核心的控制系统，控制软件是基于通用的 Windows 操作系统环境下利用标准的编程语言C#来开发完成，整个系统的结构框图如图 2.1所示，上位机是搭载了 Windows 系统的工控机，下位机是能够进行 8 轴控制的运动控制器，上、下位机通过标准的以太网协议进行通讯，整个系统总共由两个 CPU 核心来共同协作运行，工控机是整个系统的控制核心，主要负责控制过程中的非实时任务，而实时控制任务则交由运动控制器来实现，这样既能充分利用通用系统

22、平台丰富的软硬件资源，利用标准的语言来开发控制软件，而且两个 CPU核心各自负责不同类型任务相互协作，实现最佳控制效率。图2.1 控制系统结构框图 整个机器人控制系统中硬件平台的选择至关重要，基于 DSP 技术的多轴运动控制器具有快速性、兼容性、高集成性和易操作性等特点，再配合具有较好稳定性和抗干扰能力的工业计算机（IPC），组建成一套 IPC+DSP 运动控制器的开放式焊接机器人控制系统，图2.2是系统硬件原理框图。图中的运动控制系统模块的核心主要由工控机和 ACR9000 运动控制器组成，工控机以其卓越的可靠性和高抗干扰性已经在工业现场控制领域中得到了广泛的运用，工控机与控制器之间用双绞网

23、线连接，具有优秀的抗干扰性，运动执行部分采用的是交流伺服控制形式。图2.2 机器人硬件结构组成图2.3 示教再现系统框图2.3 机器人柔性装配机器人装配作业是自动柔性制造系统的关键环节，如何使工业机器人实现快速、精密的装配作业是目前尚未完全解决的问题。装配机器人并没有走出实验阶段而普遍应用于工业生产装配机器人不同于喷漆、焊接机器人，它的特点是机器人工作时机械手末端所操作的工件与实际环境相接触， 产生力/ 力矩. 如果采用位置控制机器人来实现装配作业，则由于机器人本身存在的位置分辨率和重复定位精度以及机器人所处的各种环境的不确定性，是难以完成复杂的装配作业的。目前装配机器人采用: ( 1) 被动

24、适从调节方法; ( 2) 基于主动手腕的主动适从调节方法; ( 3) 基于机械本体的主动适从调节方法。机器人在完全结构化和确定环境中获得广泛使用，但是非结构化和变化环境严重地限制了机器人在装配作业中的应用。具有精确位置伺服以及刚度很大的机器人不适合执行装配过程中频繁产生接触的场合，因为很小的位置偏差将产生巨大的接触力，对于机械手和装配件都是非常有害的。克服刚体之间相互接触而产生巨大接触力的有效途径就是增加机械手和装配件在约束环境中的适从性。适从是机器人所操作的工件和环境之间的接触力来修正它们的相对位置和运动. 按照一般的分类把采用力信息反馈的适从称为主动适从，而把机械结构在外力作用下的适从称为

25、被动适从。被动适从广泛地应用于解决机械手与它所处的环境的不确定性带来的问题. 通常机械手具有两种不同的被动适从。1. 由于机械手本身的柔性产生的被动适从。目前广泛应用的多关节机器人， 本身具有一定的柔性， 在一定精度范围内，可利用机械手本身的柔性完成装配任务. 但不同的机械手或同一机械手不同的位姿的柔性是不同的，因而末端的顺应不是准确已知的. 机械结构的柔性较小，很小的位置偏差能导致较大的接触力。2. 具有特殊用途的被动适从装置。它是根据具体任务设计出的一种被动适从结构，如RCC。主动适从是以力反馈控制来实现的。以控制目标通常将约束运动中的力控制方法分为两类: 第一种方法是以非冲突的方法控制力

26、和力矩，沿着被约束的方向控制力; 沿着非约束方向控制位置.在加工过程中(磨光、打毛刺等)，末端执行器的位置以及作用在环境的接触力必须同时控制。这类方法的共同点是设计出依赖于机械手运动学、动力学以及它的环境的控制结构. 如果机械手的约束环境变化， 控制器的结构必须重新设置以适应这种变化。这种控制方案难以在装配机器人中获得应用. 因为实现这种控制算法需要相当大的计算量，控制器综合复杂，缺乏对象精确的动力学模型及参数、高精度的力传感器以及指定位置/力控制策略的复杂性.第二种方法是根据接触力和位置之间的关系，确保机械手在约束环境中运动而保持适当的接触力.接触力作为机械手末端执行器相对于环境的实际位置的

27、信息源.装配过程( 插轴入孔) 的操作属于此类，力反馈只是增加在约束环境中的定位精度.2.3.1 柔顺装配机构柔顺装配方法大致可分三类：一类是被动装配的方法，如被动柔顺手腕(R C C 等)和被动柔顺工作台、气流法、磁力法、振动法等。第二类是主动装配方法， 如通过力觉伺服的主动柔顺手腕和主动柔顺工作台。通过视觉的伺服法，通过接近觉伺服的方法等。第三类是被动和主动相结合的装配方法. 2.3.1.1被动柔顺手腕RC C机构 被动柔顺手腕RC C机构它是一种纯机械式的装置。通过弹性变形或构件微小位移，克服装配机器人定位误差造成的配对装配件间的顶卡、阻滞现象，达到柔顺装配。这种机构完成插入操作的时间短

28、，不要求信息处理，但允许定位误差受零件倒角限制，可能产生大的插入力，对工作环境的适应能力受限制。应用被动柔顺手腕如RCC，对公差间隙为0.01mm的有孔装配，在零件有倒角的情况下允许定位误差为偏移1.0 mm，转角1.0，接触及插入时间0.2秒。各种柔顺手腕机构将继续得到研究和发展，主要是努力提高柔顺手腕对装配环境的适应能力。 2.3.1.2主动柔顺手腕主动柔顺手腕，通过力觉直接获取接触和力(力矩)的信息，反馈给机器人手臂或手腕，通过微小的柔顺运动或校正力的施加方向和大小，达到柔顺装配。被动柔顺手腕只适合小的定位误差，并有一定的局限性，而主动柔顺手腕可以适应于大的定位误差以及零件无倒角的情况。

29、但是主动柔顺手腕搜索运动和信息处理时间长，所以插入时间较长。 2.3.1.3智能手爪装配机器人进行各种装配作业，最后都是通过末端执行器来完成的，末端执行器包括各种装配工具，如拧螺钉螺母、钻、焊、软焊、粘配、测量等和各种手爪，其中应用最多的是各种手爪。二指、三指、多指，多功能的手爪系列的开发和研究，对扩大装配机器人的应用是非常关键的。装配机器人智能化在很大程度上可以在手爪上得到体现. 在手爪机构中可以配置各种传感器，如接近传感器、触觉传感器、力(力矩)觉、物体光学辨识系统、位移传感器等。通过这些传感系统就有可能使手爪本身或机器人实现自适应控制和智能控制，进行柔顺装配，以及判断或识别被抓物品的位置

30、、形状等功能。完成更复杂更细微的装配作业。2.3.2 轴孔装配的柔顺装配方法分析轴孔最理想状态是轴孔同轴，配合后间隙均匀。但是，实际中由于装配系统加工、装配误差、检测系统的检测误差、运动的定位精度等，都会造成轴孔不能完全同轴。装配时存在以下三种偏差情况，如图 2.4。（1）轴孔的轴线平行，但不重合，存在偏移 X ；（2）由于定位或检测精度不够，造成轴未插入孔中时，存在夹角 ；（3）轴插入到孔中时，由于加工误差造成在某一段轴线偏差 或者由于插入运动方向与轴的轴线不平行造成运动角度偏差； 图2.4 轴孔安装偏差情况角度偏差相对与角度偏差和偏移X是可以忽略的，在设计中不作为重点考虑。要能够消除轴线偏

31、差和偏移X修正轴的姿态，需要装配系统具有：足够高的灵敏度检测出轴孔偏差量，很高的定位精度使偏差尽可能小，足够的刚度确保系统变形足够小，足够的调整自由度来调整工件的姿态。 被动柔顺装配通过辅助的柔顺机构，靠轴孔接触力来驱动柔顺机构，调整被装对象的姿态。由于主动顺装配是靠轴孔的接触力来修正相对姿态的，在存在偏差情况，轴孔始终相对滑动着完成装配。这样方法不需要复杂的检测设备，对定位精度要求也不高，适合装配精度不高、质量小、对装配表面没有影响的装配对象。主动柔顺中轴配合是指通过传感器检测出轴孔偏差，装配控制系统根据反馈偏差信息，修正被装对象的姿态。根据引导的方式可分为视觉引导、接近觉引导、力控制引导。

32、视觉引导是指通过分析处理由工业相机拍下的孔和轴的图像，得出轴孔的轴线偏差反馈给控制系统，控制系统根据反馈调整机械手位姿，反复检查和调整指导轴孔偏差在一定范围后再实施精装配。视觉引导的精度受相机的分辨率、平行光源的强度、周围光线、轴孔配合间隙和配合长度的影响。同时实时处理图像花费时间，处理相机和装配运动系统之间的坐标转换也需要大量时间，整个系统适应性不强。因此，在装配环境恶劣的情况下，使用视觉引导很难达到装配要求。接近觉引导是通过装配系统末端的接近觉传感检测出与被装对象的距离和相对倾角，配合搜索和识别功能的软件程序来完成装配。这种方式对传感器的精度要求很高，适合一些配合精度不高的场所。力控制引导

33、是靠力觉反馈，调整机械手姿态，使轴孔由接触到非接触状态转换。因此，靠这种方式并不能使轴孔配合后有均匀的间隙，对于有台阶的轴孔配合时很可能在下一个轴段不能配合在一起。另外当检测到力后，系统并不能立即停止，为了减小碰撞冲击，只能降低速度提高系统的响应速度。自动寻找法轴孔装配是通过一定的装置使得待装配的零件自动寻找正确的位置，待装配的零件按照随机或预想的轨迹运动，直到一个偶然的机会与配合对象对准重合。如图2.5(a)所示，由于轴线偏差的存在，气流流过待装轴时受到的阻力不同，在轴周围形成压力差，通过压力差的作用将轴修正并吸入孔中。图2.5(b)是通过磁场来修正位姿的，自动装配。可以看出，自动寻找法是一

34、种以安装对象作为基准，通过某种介质修正偏差，一般适合于质量比较轻的零件装配。图2.5 自动寻找法装配2.4 工业机器人视觉技术机器人视觉定位导航系统主要有视觉传感器图像采集系统模块，避障系统模块，目标识别与定位系统模块，机器人自身定位系统模块等。视觉传感器图像采集系统主要完成机器人工作三维场景的图像采集和显示，采集到的图像供后续模块使用，传输出来的图像可供工作人员查看；避障系统主要用来检测机器人前方的障碍物信息，为后续的路径规划决策系统提供信息参考，是机器人躲避障碍安全到达目的地；目标识别和定位系统完成场景中的目标识别和定位，使机器人具有自主搜索目标并定位目标的能力，多目标的识别和定位也可用来

35、构建三维场景的全局地图，决策和路径规划系统在前面多个模块的基础上完成机器人的运动路径规划，从而使机器人安全准确的到达目的地，并完成特定的操作任务。2.4.1 视觉系统的视频图像采集和显示视觉系统的图像采集显示模块是机器人视觉定位导航系统的重要组成部分，负责机器人工作场景图像采集和显示。采集到的图像一方面作为后续的视觉系统障碍物识别和避障，以及目标识别和定位等模块的图像输入，另一方面输入到显示设备上，方便操作人员随时了解狭小受限未知空间中机器人的工作状态和工作环境。对于前者，视频图像直接输入到视觉定位导航图像处理系统，也可以保存到硬盘里面；对于用于人工在线观察和辅助功能的视频图象显示，由于使用的

36、是两个摄像机，具有一定的公共视野，采集到的视频图像有很多交叉区域，不便于操作人员进行直观的观测。本文采用图像拼接的方法将同一位置处的两个摄像机采集的视频图像统进行图像拼接。2.4.2 基于位置的视觉障碍物检测和避障方法障碍物检测和避障是机器人应该具备的基本能力，是机器人安全到达目的地并完成操作任务的基本保证。机器人的工作环境一般是比较复杂的狭小受限三维空间，是非结构化的三维场景，给视觉定位导航系统避障任务带来了更高的要求。避障模块要求视觉系统能够快速的完成机器人前方运动路径上障碍物信息检测，得到障碍物的类别，位置等信息。常用的测距传感器，如超声波测距仪，激光雷达等，可以快速的完成障碍物的距离测

37、量，由于距离信息量较少的缺点，无法对障碍物进行比较全面准确的描述。鉴于视觉传感器获取信息量大的优点，可以根据双目立体视觉测量原理完成对前方障碍物的三维重建。但目前计算机视觉领域中的三维重建还是一个比较复杂的问题，特别是立体视差图的构建问题，由于计算数据量大和匹配算法的复杂性，应用到机器人避障等实时性要求较高的场合还需要很长的时间和进一步的研究。2.4.3 基于图像特征匹配的目标识别和基于位置的视觉定位方法工业机器人主要用来进行生产线上的零部件组装，智能化自主操作的前提是能够对工作场景中的目标进行识别和定位，即找出目标并定位目标。机器人也是用来完成狭小受限空间内零部件装配以及缺陷检测等工作任务，

38、所以视觉定位导航系统应该具有场景目标识别和定位的能力。目标识别和定位是计算机视觉和模式识别等领域的研究热点，目前并没有统一的解决方案，都是针对具体的目标操作物进行特征分析和识别。视觉系统处理的图像是三维场景在摄像机成像平面的二维投影，损失了物体的深度信息，并且视觉传感器采集到的图像易受光照条件，场景目标复杂程度，目标遮挡等因素的影响，导致计算机视觉中的目标识别是困难的。场景目标识别有两种思路，一种是基于场景三维重建思想，另一种是基于二维图像匹配思想。三维重建是计算机视觉的主流研究方向之一，其首要目标是完成场景中物体的三维重建，一般采用立体视觉的测量模型，然后在点云数据模型上完成目标的识别和定位

39、。三维重建是一种直观明了的目标识别方法，但目前实现起来还比较困难，主要是立体图像对视差图的构建，实时性和稳定性还达不到实际应用的要求，即使构建好了完整的视差图，但如何以机器人可以理解的模型去组织这些三维点云仍是一项比较艰巨的研究任务。基于图像匹配的目标识别技术目前已经取得了很大的研究进展，很多成果已经得到了实际应用，如人脸识别，车牌识别，人流统计，车辆信息统计等。目标识别一般思路是首先提取场景图像中的各种特征，如灰度，区域，颜色，纹理，边界，轮廓等，将提取到的特征和目标物模型进行匹配，根据匹配结果完成目标物的识别。图像匹配目标识别思想的主要技术是图像处理和模式识别技术，主要有图像分割，图像特征

40、提取，特征描述和匹配等。目前将三维重建定位技术和二维图像目标识别技术结合起来的目标识别和定位是一种合理设计方案.2.4.4 基于非特定参照物的视觉全局定位方法机器人的工作环境是未知的，在视觉系统开始使用之前，一般对视觉系统目标模型库进行学习训练，训练学习过程也可以在机器人第一次进入工作环境的过程中进行。机器人在受限空间运动的过程中，完成场景目标定位后，还需要知道自己在这个场景中的位置，即实现机器人自身的定位，只有完成自定位，机器人才知道自己在周围环境中的具体位置。我们一般选取机器人移动末端坐标系作为整个机器人的参考坐标系，三维重建求得被定位的目标和障碍物位置信息都是相对视觉系统坐标系来说的，通

41、过坐标系转换，可以获取目标和障碍物在机器人参考坐标系下的空间位置信息。机器人自身的位置信息是在场景中多个目标的位置信息的基础上求得的，整个场景有一个世界坐标系，这些参与机器人自身定位解算的目标在世界坐标系下面的位置是固定不变的，但随着机器人的一定，参照目标和机器人的相对位置发生了变化，通过比较机器人运动前后和参照目标的位置关系可以推算出其自身在世界坐标系下的位置信息。特别是在机器人第一次进入未知环境的时候，这种全局定位思想可以用来构建整个工作场景的地图信息，一旦知道目标和机器人自身的位置信息，就可以将场景目标位置信息统一到一个全局的世界坐标系下面，完成场景全局地图的构建。一旦构建出一个关于场景

42、的全局地图，使得机器人后续的定位导航过程容易的多，就是一个识别目标和匹配目标的过程。当然，构建地图并不是最终的目标，但实现机器人的自身定位是必不可少，通过自身定位，掌握机器人在工作环境中具体位置等信息是十分重要的。2.4.5双目立体视觉三维测量技术在计算机视觉测量系统中，一般由两个摄像机从不同视角在同一时刻完成同一三维目标的采样测量，获取周围场景的两幅数字图像，或由一个摄像机在不同时刻不同视角获取关于三维场景的多幅数字图像。研究表明我们人类的视觉系统是通过检测视网膜上的视差来感知物体的远近信息，在此基础上，人们设计出了基于视差原理的双目立体视觉测量系统。随着计算机视觉理论的研究发展，双目立体视

43、觉测量在工业测量中发挥了越来越重要的作用，在机器人视觉定位导航系统中也有很多基于双目立体视觉的定位系统，并取得了较好的目标定位效果。双目立体视觉的研究内容主要有双目立体视觉测量模型，系统结构设计和测量精度分析，双相机的立体标定，图像对应点的匹配。2.5 装配机器人编程2.5.1 机器人编程语言系统的组成机器人编程语言像一个计算机系统，包括硬件、软件和被控设备。即机器人语言包括语言本身、运行语言的控制机、机器人、作业对象、周围环境和外围设备接口等。图中的箭头表示信息的流向，机器人语言的所有指令均通过控制机经过程序的编译、解释后发出控制信号。控制机一方面向机器人发出运动控制信号，另一方面，向外围设

44、备发控制信号，外围设备如机器人焊接系统中的电焊机以及机器人搬运系统中的空压机等。周围环境通过感知系统把环境信息通过控制机反馈给语言，而这里的环境是指机器人作业空间内的物体位置、姿态以及物体之间的相互关系。2.5.2 工业机器人的语言功能1) 运算功能。 运算功能是机器人最重要的功能之一。对于装有传感器的机器人所进行的主要是解析几何运算，包括机器人的正解、逆解、坐标变换及矢量运算等。根据运算的结果，机器人能自行决定工具或手爪下一步应到达何处。2) 运动功能。 运动功能是机器人最基本的功能。机器人的设计目的是用它来代替人的繁复劳动，因此机器人发展到今天，不管其功能多么复杂，动作控制仍然是其基本功能

45、，也是机器人语言系统的基本功能。机器人的运动功能就是机器人语言用最简单的方法向各关节伺服装置提供一系列关节位置及姿态信息，由伺服系统实现运动。3) 决策功能。 所谓决策的能就是指机器人根据作业空间范围内的传感信息不做任何运算而做出的判断决策。这种决策功能一般用条件转移指令由分支程序来实现。条件满足则执行一个分支，不满足则执行另一个分支。2.5.3 机器人的坐标系统 要想操控机器人完全按照设定的轨迹运动，必须明确机器人的坐标系统，在什么情况下该用何种坐标系。当前的主流机器人都是采用6自由度，即6个能够独立活动的坐标轴机器人可以建立的坐标系有“World坐标系”，“Base坐标系”，“Tool坐标

46、系”，“Axis轴坐标系”四个。各个坐标系统的特点和用途均不一样:Axis坐标一般用来操作机器人的各个轴的运动(如果是六个自由度的机器人会有A 1-A 6六个轴，每个轴都有自己的旋转方向和角度)，机器人在运行过程中需要各个轴之间配合运动，有旋转也有直线等;World坐标系统主要是在编程的时候用来标定机器人的初始位置以及零点位置，该坐标系统类似于空间三维坐标系统;Tool坐标主要是机器人在进行实际工作时的一个参照坐标系，他的工具可以是夹具、焊钳或者喷枪等;Base坐标主要是机器人相对于自身的坐标系统，其原点一般在机器人底座的中心点。2.5.4 工业机器人的编程 所有的机器人编程主要是从定义机器人

47、运行轨迹和运行方式入手的。当前主流的机器人都是采用定义三种轨迹方式:点到点，直线和圆弧。1) 点到点的移动 工作空间内机器人始终在两点之间的定位，以最快的路径进行，而且所有的轴的移动同时开始和结束，所有的轴必须同步;这时无法精确的预计机器人的轨迹。采用该语句进行程序设计在实际操作过程中容易出现无法预知的运动轨迹，容易造成一定的安全事故，因此，在编程的时候尽量不用或者少用该语句。2) 线形移动 机器人在移动过程中，各转轴之间将进行配合，使得工具及工件参照点沿着一条通往目标点的移动。一般，当必须按给定的速度沿着某条精确的轨迹抵达一个点或者如果因为存在对撞的方式而不同以点到点移动的方式抵达某些点的时

48、候，将采用线性移动。一般有两种移动方式，分别为精确定位的移动和轨迹逼近的移动.3) 圆周移动 工具及工件的参照点沿着一条圆弧移动至目标点。这条轨迹将通过起始点、辅助点和终点来描述。上一条移动指令的、以精确定位方式抵达的目标点可以作为起始点，其取向将同时在整个路程上发生改变。如果加工过程应该以给定的速度沿着一条圆形轨迹进行时，将采用圆弧移动。该移动也有两种移动方式，分别为精确定位的移动和轨迹逼近的移动。3. 装配机器人的应用3.1 汽车行业随着发动机及变速箱产品趋于轻量化、结构简单化、性能优质化，其装配技术也有很大的发展和进步。国外对发动机和变速箱自动化装配的研究起步较早，各方面技术都比较成熟。

49、世界上著名的汽车生产公司如通用、福特、大众等均采用配有装配机器人的柔性化装配线，生产节拍普遍在一分钟以内。因而用装配机器人最多的是汽车行业。在日本汽车装配工程中，发动机用底盘部件装配单元的约50%、车体组装(冲压、焊接、喷漆)的100%、车体最终装配的10一30%已实现了自动化。在车辆的最终装配中，应用较多的是垂直多关节机器人。主要用于备用轮胎的装载，轮胎及车门的安装。在汽车窗玻璃的安装中，开发应用了不使用旋转轴就能反转1800，并在狭窄空间中作业的机器人。在大型零件的安装中，使用了荷重为200Kg的机器人。另外，窗玻璃的封闭作业应用了三维轨迹控制的密封机器人。3.1.1发动机和变速箱装配线技

50、术发动机和变速箱装配线是由自动、半自动工艺设备，手动工装工具，物流输送，信息管理等组成的综合系统。如图3.1图3.4是典型的发动机和变速箱装配线实例。装配线技术种类繁杂，机械、气动、电气、信息接口多，是一个技术含量较大的多学科综合的系统工程。图3.1 卡比特勒无锡工厂发动机装配线图3.2 上海通用GN3发动机装配线图3.3 福田康明斯发动机装配线图3.4 上汽齿轮变速箱装配线图3.5 缸体塞片压装上料桁架机械手图3.6 缸体导管压装上料桁架机械手3.2 电子电气业应用数量居于第二位的是电子、电机领域。在半导体集成电路的引线架上，连结半导体芯片的芯片焊接机器人以及连接引线架和开关的引线接合器，均

51、带有视觉，并实现了高速和高精度化。在净化室内，应用了清洁度为100一10级的清洁机器人，在封闭环境中从事晶片的移载、磁盘的取出及组装等作业。向印刷电路板进行无引线电子零件自动化安装的封装机，从事带引线电子零件的自动插入的插件数控机器人，出现了高速、高精度的发展趋势。异型零部件的安装，多是应用水平多关节的异型部件插入机器人。由于部件导线末端螺距的缩小，要求高密度、高精度的安装，为此，开发应用了带有视觉的实时机器人。为了把电子零件焊在印刷线路板上，以及焊接那些难耐自动焊机之高温的偏平封装的cl电路，开发了使得微细的局部加热的激光焊锡组装机器人。对与电路板、LED等行业的制造商而言，装配点胶机作为一

52、个必要的设备来提高企业的生产效率。 图3.7 半自动六分度装配点胶机概念图 图3.8 点胶机实物图3.3 家用电器业在电机，特别是家电领域，在马达、电磁开闭器、电风扇、洗衣机、冰箱、空调机、录音机、vTR以及电视等产品的装配生产线上，应用了嵌合、螺丝旋拧、压入、铆接等装配机器人，已达到误差动作率低、自动化率高的阶段。一般则采取垂直装配方式，但根据需要，也应用了横向旋拧螺丝机器人。图3.9 机器人柔性螺栓拧紧机3.4 精密机械业在精密机械领域，如手表、照相机、打印机、复印机等装配生产线上.也同样活跃着装配机器人。对要求达到数微米级高度的场合，使用了带视觉的机器人。在中小型精密零部件的装配作业中，

53、要求高速、高精度、节省空间，为此，应用了直接驱动机器人。此外在MEMS中，MEMS(微机电系统)微装配指的是把结构和功能相对简单的微器件组装成为复杂的微机电系统，以满足实际应用的要求.由于被操作对象体积微小，相对于宏观操作，微作精度提高了1到2个数量级，从几百微米提高到微米、亚微米，甚至到纳米级川.对装配系统的定位精度、作业工具及传感器的精度提出了更高的要求，传统的装配工艺和设备已经不能满足微装配的要求.目前，MEMS装配大多采用手工作业方式。该MEMS微装配系统由8个模块组成，A:显微成像模块;B:自动调焦模块;C:装配台宏动模块;D:操作手宏动模块;E:装配台微动模块;F:操作手微动模块:

54、G微操作器模块;H:夹盘分别组成了微操作手、显微视觉和装配工作台个子系统。图3.10 微行星减速器 图.311 机器人结构实物图 3.5 航天航空等特殊领域随着中国航天事业的发展，越来越多的飞行器进入太空，空间太阳阵电源系统作为最主要的空间电源系统也越来越多的出现在浩瀚的太空中。日益增加的需求、更多的应用范围对太阳电池阵电源系统的要求也越来越高。目前国内空间太阳电池阵绝大部分采用手工贴装的操作方法，操作工艺落后，太阳电池碎片率较高，制造成本居高不下。这种手工贴装的操作方法已无法适应新一代太阳电池轻型化和薄型化的发展趋势。由此，上海交通大学机械与动力工程学院机器人研究所夏雨等人研究出一种空间太阳

55、电池阵自动装配机器人。图3.12 空间太阳电池阵自动装配机器人实物图4. 装配机器人技术未来发展展望4.1 装配机器人的关键技术装配机器人的关键技术主要集中在以下几方面。这也是未来主要的发展方向。1) 装配机器人的精确定位装配机器人运动系统的定位精度由机械系统静态运动精度(几何误差、热和载荷变形误差)和机电系统高频响应的暂态特性(过渡过程)所决定，其中静态精度取决于设备的制造精度和机械运动形式，动态响应取决于外部跟踪信号、系统固有的开环动态特性、所采用的减振方法 (阻尼 )和控制器的调节作用。2) 装配机器人的实时控制在许多微机应用领域中， P机的速度和功能往往不能满足需要。特别是在多任务工作

56、环境下， 各任务只能分时工作，动态响应取决于外部跟踪信号、系统固有的开环动态特性、所采用的减振方法(阻尼)和控制器的调节作用。3) 检测传感技术 检测传感技术的关键是传感器技术， 它主要用于检测机器人系统中自身与作业对象、作业环境的状 态， 向控制器提供信息以决定系统动作。传感器精度、灵敏度和可靠性很大程度决定了系统性能的好坏。检测传感技术包含两个方面内容: 一是传感器本身的研究和应用， 二是检测装置的研究与开发。包括:多维力觉传感器技术、视觉技术、多路传感器信息融合技术、 检测传感装置的集成化与智能化技术。4) 装配机器人系统软件研制PC机是在 MSDOS或 Windows操作系统下工作的。

57、MS DOS是一个单任务操作系统， Window s则是分时多任务，均不能满足机器人规划，伺服同时进行的要求。为此，必须开发一个协调上、下位机各任务工作的实时控制程序， 它作为MS DOS或 Window s下的一个应用程序分别在两个系统上运行。装配机器人系统的软件主要由机器人语言编译模块、多任务监控模块、双系统握手通讯模块、伺服控制 模块四部分构成。系统在上电启动后即初始化， 建立双系统联系，根据Semaphore锁存器的值及双口 RAM 中的数据调度任务， 对机器人进行初始定位后对机器 人语言命令编译， 分由上、下位机同时执行。5) 装配机器人控制器的研制 装配机器人的伺服控制模块是整个系

58、统的基础，它的特点是实现了机器人操作空间力和位置混合伺服控制，实现了高精度的位置控制、静态力控制，并且具有良好的动态力控制性能。伺服模块之上的局部自由控制模块相对独立于监督控制模块， 它能完成精密的插圆孔、方孔等较为复杂的装配作业。监督控制模块是整个系统的核心和灵魂，它包括了系统作业的安全机制、人工干预机制和遥控机制。多任务控制器可广泛应用于工业装配机器人中作为其实时任务控制器而 使用，也可用作移动机器人的实时任务控制器。6) 装配机器人的图形仿真技术 对于复杂装配作业，示教编程方法效率往往不高，如果能直接把机器人控制器与CAD系统相联接， 则能利用数据库中与装配作业有关的信息对机器人进行离线编程， 使机器人在结构环境下的编程具有很大的灵活性。