服务机器人技术的飞速发展(上)


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服务机器人技术的飞速发展(上)

2019年年初某德国新闻杂志刊登了一则引人注目的新闻:酒店机器人。这些机器人不是在酒店里跑来跑去的向客人问好,而是在帮客人办理入住手续,将客人沉重的行李送到房间并回答客人提出的各种问题。







2015年机器人酒店在日本开业时在媒体界引起了巨大轰动。奇怪的是,人们关注的是机器人连锁酒店是如何利用机器人这一最有效的方式来取代人类扮演的服务员这一角色的,因为那时的人们曾经相信机器人是会取代人类服务员的。据《华尔街日报》报道,现在243个机器人中有一半以上的因行为不当而被“停职”。例如,机器人大声的喊叫:“对不起,我没听明白。你能重复一下这个问题吗?”尽管酒店机器人有着光鲜的外表,但它们的行为无法令人满意,太多的未知数导致方程式无解。然而在机器人技术的早期,在机器人美学还必须服从机器人工程学工作的要求时,即使是最丰富的想象力也没有想到会有这样的结局。

虽然在20世纪的许多科幻小说类文学刊物中出现了许多奇形怪状的机器人,但工业机器人的奠基石仍然是美国发明家George C. Devol于1956年提交的编号为2988237的专利:用于物资运输的可编程机械手专利。也就是在1956年,Devol与Joseph F. Engelberger合作成立了世界上第一家机器人公司Unimation。1961年,福特公司就在美国Ewing Township的生产厂中用世界上的第一台工业机器人Unimate为铸铝机装卸原材料了。


1961年首次使用了工业机器人

工业机器人是可以通过编写控制程序或者利用传感器制导在规定范围内运动的自动工作机械。工业机器人的定义是:一种至少有三个编程自由度、并配备有夹具或者工具的操作装置。当1961年第一台工业机器人出现在工业生产应用中时,由于丰富的想象力认为它可以在任何场合和地方使用因此而引起了极大的轰动。然而它在生产车间中的应用并没有带来更多的热议、因为它在生产过程中的运动速度太慢了,直到几年之后日本人1968年大规模的开始使用机器人之后才逐步的得到了人们的认可。在获得Unimtion的专利授权之后不久日本的川崎重工就于1969年生产出了第一台名为Kawasaki Unimate工业机器人。这也成为其他工业发达国家认识到这种机械设备在工业领域中重要性的一个转折点。从那时起,工业机器人的研发和使用就开始进入腾飞阶段。1974年日本的机器人专家FANUC公司赶超上来了,开始在本国的生产厂中开发和使用机器人了。仅仅三年之后,FANUC公司就开始出口机器人了。

Unimtion公司昌盛时代最受欢迎的是液压驱动的机器人,从1975年开始盛行的是瑞典电气工程公司以Asea型机器人为代表的IRB 6第一代采用英特尔微处理器控制的全电力驱动机器人。1988年,Asea公司与瑞士Brown Boveri公司合并成为今天的ABB公司。这种微处理器控制的机器人可以实现五轴运动控制,最大起重力为6kg。设计师是Bj?rn Weichbrodt、Ove Kullborg、Bengt Nilsson和Herbert Kaufmann,由瑞典Asea公司制造。第一款型号IRB 6的工业机器人是1972~1973年间在Asea公司首席执行官Curt Nicolin主持下开发的,1973年8月展示亮相。1974年,瑞典Genarp市的Magnussons公司购买了第一台工业机器人用于90°直角不锈钢管的清洗和抛光。

电力驱动带来的新用途

IRB 6型工业机器人不仅在占地面积方面树立了机器人领域的新标准,而且也在运动速度和定位精度方面树立了新标准,也引来了一大批效仿者。而它采用的电力驱动技术还开辟了许多全新的应用领域,例如液压机器人不适合使用的电弧焊接领域。电弧焊接与点焊不同,直到1975年Asea公司在市场上推出IRB 60型焊接机器人之前,点焊机器人手中的点焊钳一直是液压驱动的点焊钳。IRB 6型机器人的大小基本相似,但新一代机器人的承载能力提高到了60kg。第一台IRB 60型机器人被瑞典的汽车生产厂家Saab公司购买回来之后用于汽车车身的点焊。

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图2 美国福特汽车生产线上使用的Unimate机器人

在汽车工业领域中第一批工业机器人的也积累了丰富的实践经验,使人们也认识到了在其他工业领域中应用的潜力,例如在塑料加工行业中使用的潜力。1973年库卡公司研发生产的全球第一种有着六个电机驱动轴的六轴机器人新产品Famlus也被载入了机器人历史。专门为汽车工业研发和生产的Famulus工业机器人同时也成为机床设备制造业中使用的第一款库卡机器人。

简单危险环境中使用的机器人

最初的时候,工业机器人仅仅是被用来完成一些简单的重复劳动,但也有些企业在有危险的、对人体健康有害的工作场合中使用了工业机器人,例如提升和运输零部件或者其他物品。完成这些任务的机器人结构包括了一个机械臂、机械臂前端的夹持装置、一个能源动力单元和一套控制系统。机器人能够实现的运动取决于机器人的自由度数量。相比较,人手有着22个自由度,机器人仅仅只有六个自由度,就凭借这六个自由度机器人就能完成将物体从一个地方移动到另一个地方的运动了。

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图3 1973年,库卡机器人公司推出了第一台带有六个电动机驱动的六轴工业机器人,开启了一个全新的机器人时代

一般情况下,安装有夹持装置的机器人手臂均有伸缩功能,可以通过驱动装置改变机器人手臂的长度。机器人的夹持装置容易使人联想到人类的手掌,尽管初期的机器人手根本没有人类手掌的功能。第一个能够抓取物品的机器人手只有两个没有铰链连接的指状物,而现代的机器人手则已经配备了几根铰链连接的手指了。

机器人领域的快速发展要感谢医疗专业人员和机械技术人员之间的成功合作;是他们的密切合作促使了机器末端操作器——机器人手部的飞速发展。除此之外,还开发出了有触觉感的机器人手部。开始的时候,机器人的手指只能被“硬控制”,这也就是为什么机器人不能不受限制的处理表面比较粗糙、坚固物体的原因了。在机器人手指中集成了应变传感器之后就解决了大部分难题,机器人手指能够对夹持力产生的微小变形做出反应,向机器人控制系统发出信号,由机器人控制系统自动调整夹持力的大小。

技术的进步与发展,尤其是传感器和控制技术领域的进步与发展使工业机器人在很短的时间里变得更加灵活了,使它们具有自动根据产品品种的变化、根据使用环境的变化而自我调整的能力了。这种进步与发展最终导致了上世纪80年代的一场大变革,服务机器人的想法变得更加清晰具体了。霍伦霍夫IPA生产技术和自动化技术研究所的Dieter Schraft博士在1994年就将服务机器人定义为:服务机器人是一种可以自由编程的、可半自动、全自动的执行服务任务的移动设备。这里的服务不是工业产品生产过程中的服务,而是为人类和机构提供的服务。

未完待续………

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原文始发于微信公众号(MM现代工业机器人):服务机器人技术的飞速发展(上)


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