《電子技術(shù)應(yīng)用》
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工業(yè)機(jī)器人發(fā)展史

2016-05-10

  工業(yè)機(jī)器人定義:工業(yè)機(jī)器人是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度的機(jī)器裝置,它能自動(dòng)執(zhí)行工作,,是靠自身動(dòng)力和控制能力來實(shí)現(xiàn)各種功能的一種機(jī)器。它可以接受人類指揮,,也可以按照預(yù)先編排的程序運(yùn)行,,現(xiàn)代的工業(yè)機(jī)器人還可以根據(jù)人工智能技術(shù)制定的原則綱領(lǐng)行動(dòng)。

  喬治·迪沃申請了第一個(gè)機(jī)器人的專利在1954年(1961年授予),。制作機(jī)器人的第一家公司是Unimation,,由迪沃并成立約瑟夫F. Engelberger于1956年,并且是基于迪沃的原始專利,。Unimation機(jī)器人也被稱為可編程移機(jī),,因?yàn)橐婚_始他們的主要用途是從一個(gè)點(diǎn)傳遞對象到另一個(gè),不到十英尺左右分開。他們用液壓 執(zhí)行機(jī)構(gòu),,并編入關(guān)節(jié) 坐標(biāo),,即在一個(gè)教學(xué)階段進(jìn)行存儲(chǔ)和回放操作中的各關(guān)節(jié)的角度。他們是精確到一英寸的1 / 10,,000,。Unimation后授權(quán)其技術(shù),川崎重工和GKN,,制造Unimates分別在日本和英國,。一段時(shí)間以來Unimation唯一的競爭對手是美國辛辛那提米拉克龍公司 的俄亥俄州。這從根本上改變了20世紀(jì)70年代后期,,幾個(gè)大財(cái)團(tuán)的日本開始生產(chǎn)類似的工業(yè)機(jī)器人,。

  1969年,維克多·沙因曼在斯坦福大學(xué)發(fā)明了斯坦福大學(xué)的手臂,,全電動(dòng),,6軸多關(guān)節(jié)型機(jī)器人的設(shè)計(jì)允許一個(gè)手臂的解決方案。這使得它精確地跟蹤在太空中任意路徑拓寬了潛在用途的機(jī)器人更復(fù)雜的應(yīng) 用,,如裝配和焊接,。沙因曼則設(shè)計(jì)了第二臂的MIT 人工智能實(shí)驗(yàn)室,被稱為“麻省理工學(xué)院的手臂,?!?沙因曼,接收獎(jiǎng)學(xué)金從Unimation發(fā)展他的設(shè)計(jì)后,,賣給那些設(shè)計(jì)以Unimation誰進(jìn)一步發(fā)展他們的支持,,通用汽車公司,后來它上市的可編程的通用機(jī)裝配(PUMA),。

  現(xiàn)代機(jī)器人的研究始于20世紀(jì)中期,,其技術(shù)背景是計(jì)算機(jī)和自動(dòng)化的發(fā)展,以及原子能的開發(fā)利用,。

  自1946年第一臺數(shù)字電子計(jì)算機(jī)問世以來,,計(jì)算機(jī)取得了驚人的進(jìn)步,向高速度,、大容量,、低價(jià)格的方向發(fā)展。

  大批量生產(chǎn)的迫切需求推動(dòng)了自動(dòng)化技術(shù)的進(jìn)展,,其結(jié)果之一便是1952年數(shù)控機(jī)床的誕生,。與數(shù)控機(jī)床相關(guān)的控制、機(jī)械零件的研究又為機(jī)器人的開發(fā)奠定了基礎(chǔ),。

  另一方面,,原子能實(shí)驗(yàn)室的惡劣環(huán)境要求某些操作機(jī)械代替人處理放射性物質(zhì),。在這一需求背景下,美國原子能委員會(huì)的阿爾貢研究所于1947年開發(fā)了遙控機(jī)械手,,1948年又開發(fā)了機(jī)械式的主從機(jī)械手,。

  1954年美國戴沃爾最早提出了工業(yè)機(jī)器人的概念,并申請了專利,。該專利的要點(diǎn)是借助伺服技術(shù)控制機(jī)器人的關(guān)節(jié),,利用人手對機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)作示教,機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)動(dòng)作的記錄和再現(xiàn),。這就是所謂的示教再現(xiàn)機(jī)器人?,F(xiàn)有的機(jī)器人差不多都采用這種控制方式。

  作為機(jī)器人產(chǎn)品最早的實(shí)用機(jī)型(示教再現(xiàn))是1962年美國AMF公司推的“VERSTRAN”和UNIMATION公司推出的“UNIMATE”,。這些工業(yè)機(jī)器人的控制方式與數(shù)控機(jī)床大致相似,,但外形特征迥異,主要由類似人的手和臂組成,。

  1965年,,MIT的Roborts演示了第一個(gè)具有視覺傳感器的、能識別與定位簡單積木的機(jī)器人系統(tǒng),。

  1967年日本成立了人工手研究會(huì)(現(xiàn)改名為仿生機(jī)構(gòu)研究會(huì)),,同年召開了日本首屆機(jī)器人學(xué)術(shù)會(huì)。

  1970年在美國召開了第一屆國際工業(yè)機(jī)器人學(xué)術(shù)會(huì)議,。1970年以后,,機(jī)器人的研究得到迅速廣泛的普及。

  1973年,,辛辛那提·米拉克隆公司的理查德·豪恩制造了第一臺由小型計(jì)算機(jī)控制的工業(yè)機(jī)器人,,它是液壓驅(qū)動(dòng)的,能提升的有效負(fù)載達(dá)45公斤,。

  到了1980年,,工業(yè)機(jī)器人才真正在日本普及,故稱該年為“機(jī)器人元年”,。

  隨后,,工業(yè)機(jī)器人在日本得到了巨大發(fā)展,日本也因此而贏得了“機(jī)器人王國的美稱”,。

  據(jù)聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)(UNECE)和國際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)(IFR)的統(tǒng)計(jì),,至2003年末,在美國運(yùn)行的機(jī)器人總量為112400套,,比2002年增長7%。預(yù)計(jì)到2007年底,,運(yùn)行的機(jī)器人數(shù)量將達(dá)到145000套,。就每萬雇員擁有工業(yè)機(jī)器人數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),,至2003年末,美國制造業(yè)中,,每1萬雇員擁有63個(gè)工業(yè)機(jī)器人,。盡管從排名上說,美國已經(jīng)進(jìn)入世界前十名,,但其與前幾名仍然有著很大的差距,,僅相當(dāng)于德國的43%,意大利的54%,,歐盟的68%,。與普通的制造業(yè)相比,美國汽車工業(yè)中每萬個(gè)產(chǎn)業(yè)工人擁有的工業(yè)機(jī)器人數(shù)量大大提高,,達(dá)到740個(gè),,但仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于日本(1400個(gè)機(jī)器人)、意大利(1400個(gè)機(jī)器人)和德國(1000個(gè)機(jī)器人,。

  美國是機(jī)器人的誕生地,。早在1962年就研制出世界上第一臺工業(yè)機(jī)器人。比起號稱機(jī)器人王國的日本起步至少要早五六年,。經(jīng)過40多年的發(fā)展,,美國現(xiàn)已成為世界上的機(jī)器人強(qiáng)國之一,基礎(chǔ)雄厚,,技術(shù)先進(jìn),。綜觀它的發(fā)展史。道路是曲折的,,不平坦的,。

  20世紀(jì)60年代到70年代期間,美國的工業(yè)機(jī)器人主要立足于研究階段,,只是幾所大學(xué)和少數(shù)公司開展了相關(guān)的研究工作,。那時(shí),美國政府并未把工業(yè)機(jī)器人列入重點(diǎn)發(fā)展項(xiàng)目,,特別是,,美國當(dāng)時(shí)失業(yè)率高達(dá)6.65%,政府擔(dān)心發(fā)展機(jī)器人會(huì)造成更多人失業(yè),,因此既未投入財(cái)政支持,,也未組織研制機(jī)器人。而企業(yè)在這樣的政策引導(dǎo)下,,也不愿冒風(fēng)險(xiǎn),,去應(yīng)用或制造機(jī)器人。致使錯(cuò)過了發(fā)展良機(jī),,固守在使用剛性自動(dòng)化裝置的層面上,。這不能不說是美國政府的戰(zhàn)略決策錯(cuò)誤,。70年代后期,美國政府和企業(yè)界雖對工業(yè)機(jī)器人的制造和應(yīng)用認(rèn)識有所改變,,但仍將技術(shù)路線的重點(diǎn)放在研究機(jī)器人軟件及軍事,、宇宙、海洋,、核工程等特殊領(lǐng)域的高級機(jī)器人的開發(fā)上,, 致使日本的工業(yè)機(jī)器人后來居上,并在工業(yè)生產(chǎn)的應(yīng)用上及機(jī)器人制造業(yè)上很快超過了美國,,產(chǎn)品在國際市場上形成了較強(qiáng)的競爭力,。

  進(jìn)入20世紀(jì)80年代之后,美國才感到形勢緊迫,,政府和企業(yè)界才開始真正重視機(jī)器人,。制定和采取了相應(yīng)的政策和措施,一方面鼓勵(lì)工業(yè)界發(fā)展和應(yīng)用機(jī)器人,,另一方面制訂計(jì)劃,、提高投資,增加機(jī)器人的研究經(jīng)費(fèi),,把機(jī)器人看成美國再次工業(yè)化的特征,,使美國的機(jī)器人迅速發(fā)展。80年代中后期,,隨著各大廠家應(yīng)用機(jī)器人的技術(shù)日臻成熟,,第一代機(jī)器人的技術(shù)性能越來越滿足不了實(shí)際需要。美國開始生產(chǎn)帶有視覺,、力覺的第二代機(jī)器人,,并很快占領(lǐng)了美國60%的機(jī)器人市場。

  工業(yè)機(jī)器人在日本發(fā)展:與此同時(shí),,十九世紀(jì)七十年代的日本正面臨著嚴(yán)重的勞動(dòng)力短缺,,這個(gè)問題已成為制約其經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個(gè)主要問題。毫無疑問,,在美國誕生并已投入生產(chǎn)的工業(yè)機(jī)器人給日本帶來了福音,。1967年日本川崎重工業(yè)公司首先從美國引進(jìn)機(jī)器人及技術(shù),建立生產(chǎn)廠房,,并于1968年試制出第一臺日本產(chǎn)unimate機(jī)器人,。經(jīng)過短暫的搖籃階段,日本的工業(yè)機(jī)器人很快進(jìn)入實(shí)用階段,,并由汽車業(yè)逐步擴(kuò)大到其它制造業(yè)以及非制造業(yè),。1980年被稱為日本的“機(jī)器人普及元年”,日本開始在各個(gè)領(lǐng)域推廣使用機(jī)器人,,這大大緩解了市場勞動(dòng)力嚴(yán)重短缺的社會(huì)矛盾,。再加上日本政府采取的多方面鼓勵(lì)政策,,這些機(jī)器人收到了廣大企業(yè)的歡迎。1980年~1990年日本的工業(yè)機(jī)器人處于鼎盛時(shí)期,,后來國際市場曾一度轉(zhuǎn)向歐洲和北美,但日本經(jīng)過短暫的低迷期又恢復(fù)其昔日的輝煌,。1993年末,,全世界安裝的工業(yè)機(jī)器人有61萬臺,其中日本占60%,,美國占8%,,歐洲占17%,俄羅斯和東歐占12%,。

  德國工業(yè)機(jī)器人的數(shù)量占世界第三,,僅次于 日本和美國,其智能機(jī)器人的研究和應(yīng)用在世界上處于領(lǐng)先地位,。目前在普及第一代工業(yè)機(jī)器人的基礎(chǔ)上,,第二代工業(yè)機(jī)器人經(jīng)推廣應(yīng)用成為主流安裝機(jī)型,而第三代智能機(jī)器人已占有一定比重并成為發(fā)展的方向,。 世界上的機(jī)器人供應(yīng)商分為日系和歐系,。瑞典的ABB公司是世界上最大機(jī)器人制造公司之一。1974年研發(fā)了世界上第一臺全電控式工業(yè)機(jī)器人IRB6,,主要應(yīng)用于工件的取放和物料搬運(yùn),。1975年生產(chǎn)出第一臺焊接機(jī)器人。到1980年兼并Trallfa噴漆機(jī)器人公司后,,其機(jī)器人產(chǎn)品趨于完備,。ABB公司制造的工業(yè)機(jī)器人廣泛應(yīng)用在焊接、裝配鑄造,、密封涂膠,、材料處理、包裝,、噴漆,、水切割等領(lǐng)域。 德國的KUKA Roboter Gmbh公司是世界上幾家頂級工業(yè)機(jī)器人制造商之一,。1973年研制開發(fā)了KUKA的第一臺工業(yè)機(jī)器人,。年產(chǎn)量達(dá)到一萬臺左右。所生產(chǎn)的機(jī)器人廣泛應(yīng)用在儀器,、汽車,、航天、食品,、制藥,、醫(yī)學(xué),、鑄造、塑料等工業(yè),,主要用于材料處理,、機(jī)床裝備、包裝,、堆垛,、焊接、表面休整等領(lǐng)域,。

  我國工業(yè)機(jī)器人起步于70年代初,,其發(fā)展過程大致可分為三個(gè)階段:70年代的萌芽期;80年代的開發(fā)期,;90年代的實(shí)用化期,。而今經(jīng)過20多年的發(fā)展已經(jīng)初具規(guī)模。目前我國已生產(chǎn)出部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件,,開發(fā)出弧焊,、點(diǎn)焊、碼垛,、裝配,、搬運(yùn)、注塑,、沖壓,、噴漆等工業(yè)機(jī)器人。一批國產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人已服務(wù)于國內(nèi)諸多企業(yè)的生產(chǎn)線上,;一批機(jī)器人技術(shù)的研究人才也涌現(xiàn)出來,。一些相關(guān)科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)已掌握了工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)制造技術(shù);工業(yè)機(jī)器人控制,、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)技術(shù),;機(jī)器人軟件的設(shè)計(jì)和編程技術(shù);運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù),;弧焊,、點(diǎn)焊及大型機(jī)器人自動(dòng)生產(chǎn)線與周邊配套設(shè)備的開發(fā)和制備技術(shù)等。某些關(guān)鍵技術(shù)已達(dá)到或接近世界水平,。


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