直線軸工業(yè)機器人設(shè)計綜述一、 課題國內(nèi)外現(xiàn)狀工業(yè)機器人是集機械、電子、控制、計算機、傳感器、人工智能等多學科先進技術(shù)于一體的重要的現(xiàn)代制造業(yè)自動化裝備。在國家標準中，工業(yè)機器人被定義為：“一種能自動定位控制、可重復(fù)編程的、多功能的、多自由度的操作機。他能搬運材料、零件、或夾持工具，用以完成各種作業(yè)［1］。”馬香峰、余達太等在文獻［1］中對工業(yè)機器人的誕生做了闡述，并對早期的工業(yè)機器人類型做了說明。書中先概括介紹了工業(yè)機器人的組成和操作機的主要類型和設(shè)計步驟；進而對工業(yè)機器人進行速度分析、動力分析和靜力分析，為工業(yè)機器人的設(shè)計打下基礎(chǔ)。作為工業(yè)機器人設(shè)計要解決的主要問題之一——驅(qū)動和傳動系統(tǒng)，本書詳盡介紹了最常見的三種傳動。最后指出工業(yè)機器人在材料和執(zhí)行機構(gòu)在今后的發(fā)展方向。陳航，殷國富，趙偉等在文獻［2］中介紹了工業(yè)機器人模塊化設(shè)計的概念，并且詳細闡述了這種設(shè)計方式的過程及其對比傳統(tǒng)設(shè)計方法的優(yōu)勢，指出了模塊化設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)是模塊的劃分和集成。以50kg負載工業(yè)機器人的設(shè)計為實例，對這一設(shè)計思路進行說明［2］。在大型關(guān)節(jié)型工業(yè)機器人的研究中，也有了新的突破。安彥波，高娃，宋寶玉等在文獻［3］中提出對大小臂桿進行重力補償，可以增加運動的平穩(wěn)性。文中針對六自由度關(guān)節(jié)型機器人，介紹了一種在不外加裝置的情況下，利用機器人本身的驅(qū)動電機進行補償?shù)姆椒ǎζ鋭屿o態(tài)特性作了詳細的分析［3］。田東升，胡明，鄒平在文獻［4］中提出了可以提高機器人整體的動態(tài)性能的方案。文中指出利用三維建模軟件Pro/E進行六自由度機器人實體建模及裝配，然后無縫導入ANSYS軟件中。通過機器人模型簡化和等效模擬建立有限元模型，利用有限元方法和振動理論對一個六自由度的工業(yè)機器人進行模態(tài)分析.通過對整個系統(tǒng)的固有頻率和振型的分析，確定了整個機器人的各個軸承關(guān)節(jié)和動力傳動鏈為系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，進而通過增強這些薄弱的環(huán)節(jié)來提高機器人整體的動態(tài)性能［4］。利用可編程控制器（PLC）控制系統(tǒng)的高可靠性、編程及維護方便、體積小的特點，將其應(yīng)用于環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)中，研制出基于PLC的工業(yè)機器人關(guān)節(jié)直流伺服系統(tǒng)，通過環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)控制電機的正反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)對工業(yè)機器人關(guān)節(jié)的伺服控制。這是朱仕學，陳偉，謝永宏等在文獻［5］中提出的。其優(yōu)點是在改變電機正反轉(zhuǎn)時無需改變線路結(jié)構(gòu)，使工業(yè)機器人關(guān)節(jié)的伺服控制更簡單、更可靠和更穩(wěn)定［5］。歲波，都東，陳強等針對工業(yè)機器人運動軌跡準確度檢測困難的問題在文獻［6］中提出了一種基于雙目視覺理論的檢測方法。根據(jù)空間解析幾何學中點線和面三者之間的約束關(guān)系建立了基于直線特征匹配的工業(yè)機器人運動軌跡位姿視覺檢測模型。基于此模型對一種典型六軸工業(yè)機器人運動軌跡的位置偏差和姿態(tài)偏差進行了測量測量結(jié)果表明采用這種方的測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單，能夠方便地進行工業(yè)機器人動態(tài)軌跡準確度的測量［6］。激光加工機器人是國際上面向21世紀的先進制造技術(shù)。楊洗陳等在文獻［7］中綜述了激光機器人的原理、構(gòu)成、種類和若干重大工業(yè)應(yīng)用。重點研究討論了激光加工機器人的某些關(guān)鍵單元技術(shù)———光纖傳輸?shù)母吖β始す饧夹g(shù)、機器人本體技術(shù)、機器人編程技術(shù)、機器人智能化和網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)及反求工程重建修復(fù)區(qū)三維(3D)形貌技術(shù)。提出了激光加工機器人未來發(fā)展的一些重要方向———高功率激光遠程加工和柔性制造技術(shù)、具有機器視覺和聽覺功能的智能控制技術(shù)和遠程監(jiān)控功能的網(wǎng)絡(luò)化管理技術(shù)［7］。張興國，徐海黎在文獻［8］中分析開放式平面關(guān)節(jié)型工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)及工作空間，詳細闡述了機器人的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理。同時還討論了該工業(yè)機器人的計算機輔助軟件系統(tǒng)中的設(shè)置模塊、分析模塊、軌跡規(guī)劃流程和顯示模塊等。借助于開放式工業(yè)機器人系統(tǒng)，可以更好地滿足工業(yè)現(xiàn)場的要求。同時所開發(fā)的機器人系統(tǒng)還可用于機器人技術(shù)訓練［8］。楊萍，楊鋒，張淑珍等在［9］中提出以JR—1型機器人本體為基礎(chǔ)，利用單片機技術(shù)對控制系統(tǒng)進行全新的設(shè)計。指出全新機器人主、從兩級微機控制系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，對其直流伺服電機控制的機器人手腕位置控制進行了數(shù)學建模，并對穩(wěn)定性及穩(wěn)定誤差進行了分析［9］。殷際英、何廣平等在文獻［13］中先對關(guān)節(jié)機器人的發(fā)展史和當今狀況做了概括性敘述，然后對關(guān)節(jié)機器人的運動學、動力學以及軌跡和本體結(jié)構(gòu)技術(shù)做了概述，最后簡要介紹了關(guān)節(jié)型機器人在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用情況。文獻［14］中首先講述了工業(yè)機器人在生產(chǎn)中的作用，然后對手部、手腕部、手臂、機械傳動機構(gòu)進行實例分析，最后把當前先進的工業(yè)機器人機構(gòu)進行結(jié)構(gòu)解析。顧震宇在文獻［19］中總結(jié)了日本和美國、英國、德國、法國等歐美國家在工業(yè)機器人方面的發(fā)展歷程，并與我國的工業(yè)機器人的發(fā)展做了對比，找出了我國在這方面的不足。夏鯤、徐濤，李靜峰等在文獻［20］中重點講述了我國工業(yè)機器人的發(fā)展、應(yīng)用和今后的發(fā)展，指出中國要想從工業(yè)大國向工業(yè)強國轉(zhuǎn)變必須在技術(shù)上取得領(lǐng)先，而現(xiàn)在工業(yè)技術(shù)的核心就是工業(yè)機器人技術(shù)，所以我們必須在工業(yè)機器人上去的成就。以上就是國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，從中我們可以看出我國在工業(yè)機器人領(lǐng)域與國外的差距。我們要在吸取國外工業(yè)機器人研究經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，加快工業(yè)機器人的改進和研發(fā)，把中國盡快從一個工業(yè)大國向一個工業(yè)強國轉(zhuǎn)變！二、 研究主要成果我國在工業(yè)機器人方面的研究成果我國的工業(yè)機器人研究開始于20世紀70年代，由于受經(jīng)濟體制等因素的制約，發(fā)展比較緩慢，研究和應(yīng)用水平比較低。1985年，隨著工業(yè)發(fā)達國家開始大量應(yīng)用和普及工業(yè)機器人，我國在“七?五”科技攻關(guān)計劃中將工業(yè)機器人列入了發(fā)展計劃。20世紀90年代末期，我國建立了9個機器人產(chǎn)業(yè)化基地和7個科研基地，目前我國已經(jīng)能夠生產(chǎn)具有國際先進水平的平面關(guān)節(jié)型裝配機器人、直角坐標機器人、弧焊機器人、點焊機器人及自動引導車(AGV)等一系列產(chǎn)品。國產(chǎn)AGV小車具有很強的競爭力，已經(jīng)占領(lǐng)了國內(nèi)大部分市場。20世紀80年代末，清華大學研制了“Eye—in—Hand”智能裝配機器人系統(tǒng)。該裝配機器人有PUMA560機械手、圖像處理系統(tǒng)和計算機構(gòu)成。在機械手頂部裝一部攝像機，用于觀察工作臺的全景。在機械手的末端有CCD的急、攝像機和半導體的激光發(fā)生器。“Eye—in—Hand”能完成很精密的裝配任務(wù)。

20世紀90年代末期，我國建立了9個機器人產(chǎn)業(yè)化基地和7個科研基地，目前我國已經(jīng)能夠生產(chǎn)具有國際先進水平的平面關(guān)節(jié)型裝配機器人、直角坐標機器人、弧焊機器人、點焊機器人及自動引導車(AGV)等一系列產(chǎn)品。圖一國產(chǎn)AGV小車國產(chǎn)AGV小車具有很強的競爭力，已經(jīng)占領(lǐng)了國內(nèi)大部分市場，在國外也已經(jīng)有一定市場。總之，經(jīng)過近20多年的發(fā)展，我國在工業(yè)機器人基礎(chǔ)研究、關(guān)鍵元件的開發(fā)、機器人整機設(shè)計、周邊設(shè)備開發(fā)及機器人應(yīng)用等諸多方面都取得了不少令人鼓舞的戰(zhàn)績，已經(jīng)形成了一支相當有戰(zhàn)斗力的隊伍，為中國工業(yè)機器人在國內(nèi)外拓展市場奠定了基礎(chǔ)。國外研究成果國外在工業(yè)機器人方面已經(jīng)取得了相當高的成就，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：機器人操作機：通過有限元分析、模態(tài)分析及仿真設(shè)計等現(xiàn)代設(shè)計方法運用，機器人操作機已實現(xiàn)了優(yōu)化設(shè)計。以德國KUKA公司為代表的機器人公司，已將機器人并聯(lián)平行四邊形結(jié)構(gòu)改為開鏈結(jié)構(gòu)，拓展了機器人工作范圍，加之輕質(zhì)J可，大大提高了機器人的性能。此外采新型機器人機器人技術(shù)，實現(xiàn)高精度測量及加工作范圍，加之輕質(zhì)J可，大大提高了機器人的性能。此外采新型機器人機器人技術(shù)，實現(xiàn)高精度測量及加（2）并聯(lián)機器人：采用并聯(lián)機構(gòu)，工，這是機器人技術(shù)向數(shù)控技術(shù)的拓展，為將來實現(xiàn)機器人和數(shù)控技術(shù)一體化奠定了基礎(chǔ)。意大利COMAU公司，日本FANUC等公司已開發(fā)出了此類產(chǎn)品。

圖三日本FANUC工業(yè)機器人圖四日本FANUC工業(yè)機器 圖五意大利COMAU工業(yè)機器人（3）控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)的性能進一步提高，已由過去控制標準的6軸機器人發(fā)展到現(xiàn)在能夠控制21軸甚至27軸，并且實現(xiàn)了軟件伺服和全數(shù)字控制。人機界面更加友好，基于圖形操作的界面也已問世。編程方式仍以示教編程為主，但在某些領(lǐng)域的離線編程已實現(xiàn)實用化。（4）傳感系統(tǒng)：激光傳感器、視覺傳感器和力傳感器在機器人系統(tǒng)中已得到成功應(yīng)用，并實現(xiàn)了焊縫自動跟蹤和自動化生產(chǎn)線上物體的自動定位以及精密裝配作業(yè)等，大大提高了機器人的作業(yè)性能和對環(huán)境的適應(yīng)性。日本KAWASAKIYASKAWAFANUC和瑞典ABB、德國KUKA、REIS等公司皆推出了此類產(chǎn)品。r?六日本YASKAWAr?六日本YASKAWA工業(yè)機器.(5)網(wǎng)絡(luò)通信功能：日本YASKAWA和德國KUKA公司的最新機器人控制器已實現(xiàn)了與Canbus、Profibus總線及一些網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)接，使機器人由過標準化設(shè)備發(fā)展。(6)可靠性：由于微電子技術(shù)的快速發(fā)展和大規(guī)模集成電路的應(yīng)用，使機器人系統(tǒng)的可靠性有了很大提高。過去機器人系統(tǒng)的可靠性MTBF一般為幾千小時，而現(xiàn)在已達到5萬小時。三、 發(fā)展趨勢工業(yè)機器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修)，而單機價格不斷下降。機械結(jié)構(gòu)向模塊化可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化；有關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機器人。工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化，網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜日漸小巧，采用模塊化結(jié)構(gòu)，大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，視覺、力覺、聲覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。機器人化機械開始興起。從94年美國開發(fā)出“虛擬軸機床”以來這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應(yīng)用的領(lǐng)域。總體趨勢是，從狹義的機器人概念向廣義的機器人技術(shù)概念轉(zhuǎn)移，從工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)向解決方案業(yè)務(wù)的機器人技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。機器人技術(shù)的內(nèi)涵已變?yōu)椤办`活應(yīng)用機器人技術(shù)的、具有實際動作功能的智能化系統(tǒng)”。機器人結(jié)構(gòu)越來越靈巧，控制系統(tǒng)愈來愈小，其智能也越來越高，并正朝著一體化方向發(fā)展。四、 存在問題通過50多年的發(fā)展，工業(yè)機器人已經(jīng)日趨完善了；但是，在某些方面還有缺陷：工業(yè)機器人移動位置精度不夠高。工業(yè)機器人的伺服系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)存在技術(shù)上的問題，在命令下達后，機構(gòu)反應(yīng)遲緩，運行不到位。所以對于某些精度要求較高的作業(yè)，會有很大的影響。工業(yè)機器人適用范圍不夠廣泛。雖然現(xiàn)在工業(yè)機器人在很多領(lǐng)域都有應(yīng)用，但是在某些領(lǐng)域中還是空白；另外，對于有些特殊環(huán)境，不能夠適應(yīng)，需要改進和開發(fā)。工業(yè)機器人的運動計算較復(fù)雜。在運動中涉及到計算問題時，必須對整個機械機構(gòu)進行重復(fù)計算，浪費了大量時間，而且對于這種復(fù)雜運動計算中難免有誤差，這樣對于整個機構(gòu)來說會有誤差疊加，這樣就比較大了。結(jié)合部對機械結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)合部即儲存能量又消耗能量的“柔性結(jié)合"的本質(zhì)及特性對機械結(jié)構(gòu)整體的動態(tài)性能產(chǎn)生顯著影響，表現(xiàn)為使機械結(jié)構(gòu)整體剛度降低、阻尼增加，從而導致結(jié)構(gòu)固有頻率降低,振動形態(tài)復(fù)雜化。五、 主要參考文獻【1】馬香峰、余達太等著《工業(yè)機器人的操作機設(shè)計》，冶金工業(yè)出版社1999【2】陳航，殷國富，趙偉.工業(yè)機器人模塊化設(shè)計研究.四川.機器人技術(shù)機械2009年第3期【3】安彥波，高娃，宋寶玉.關(guān)節(jié)機器人機械臂自重的電機補償.哈爾濱工業(yè)大學【4】田東升，胡明，鄒平.基于ANSYS的六自由度工業(yè)機器人模態(tài).東北大學機械工程與自動化學院5】朱仕學，陳偉，謝永宏.基于PLC的工業(yè)機器人關(guān)節(jié)直流伺服系統(tǒng).深圳職業(yè)技術(shù)學院報，2003年第1期6】歲波，都東，陳強.基于雙目視覺的工業(yè)機器人運動準確度檢測.機械工程學報，2003年5月7】楊洗陳.激光加工機器人技術(shù)及工業(yè)應(yīng)用.天津工業(yè)大學激光技術(shù)研究所.中國激光，第36卷第11期，2009年11月8】張興國，徐海黎.一種開放式平面關(guān)節(jié)型工業(yè)機器人系統(tǒng).南通大學機械工程學院.制造業(yè)自動化9】楊萍，楊鋒，張淑珍.關(guān)節(jié)式機器人控制系統(tǒng)特性分析.蘭州工業(yè)大學機械工程學院.機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，第19卷第3期10】陳航，殷國富，趙偉.工業(yè)機器人模塊化設(shè)計研究.機械2009年第3期11】安彥波，高娃，宋寶玉.關(guān)節(jié)機器人機械臂自重的電機補償.哈爾濱工業(yè)大學-【12】田東升，胡明，鄒平基于ANSYS的六自由度工業(yè)機器人模態(tài).東北大學機械工程與自動化學院13】殷際英、何廣平等著《關(guān)節(jié)型機器人》，化學工業(yè)出版社200314】費仁元等編著《機器人機械設(shè)計和分析》,北京工業(yè)大學出版社199715】徐灝等編著《機械設(shè)計手冊》，機械工業(yè)出版社199216】《工業(yè)機械手設(shè)計基礎(chǔ)》天津科學技術(shù)出版社198017】廣東機械學院李允文編著《工業(yè)機械手設(shè)計》機械工業(yè)出版社199418】方建軍、何廣平編著《智能機器人》，化學工業(yè)出版社200419】顧震宇《機電一體化》2006年第02期上海科學技術(shù)情報研究所20】張廣鵬，方英武，田忠強等著.工業(yè)機器人整機結(jié)構(gòu)方案的動態(tài)性能評價.西安理工大學報21】夏鯤、徐濤，李靜峰《廣西輕工業(yè)》2008年8月第8期長江大學機械工程學院22】杜志俊作《工業(yè)機器人的應(yīng)用及發(fā)展趨勢》2002年23】張楊林作《國內(nèi)工業(yè)機器人市場發(fā)展趨勢》在《大眾科技》2006年24】熊有倫、唐立新等著《機器人技術(shù)基礎(chǔ)》中科技大學出版社25】Teshnehlab.NeuralNetworkContorllerwithFlexibleStructureBase