圓柱坐標型工業(yè)機器人設計

圓柱坐標型工業(yè)機器人設計,圓柱,坐標,工業(yè),機器人,設計 03屆機械設計專業(yè)畢業(yè)設計（論文） 畢業(yè)設計（論文） 文獻綜述 題 目 四自由度圓柱坐標 機器人設計 專 業(yè)機械設計制造及其自動化 班 級 機設033 學 生 樓 淵 指導教師 謝 敬 2 0 0 7 年 文 獻 綜 述 一、工業(yè)機器人技術的背景及其意義 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于一體的現代制造業(yè)重要的自動化裝備。自從1962年美國研制出世界上第一臺工業(yè)機器人以來,機器人技術及其產品發(fā)展很快,已成為柔性制造系統(tǒng)( FMS) 、自動化工廠( FA) 、計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)的自動化工具。廣泛采用工業(yè)機器人,不僅可提高產品的質量與數量,而且保障人身安全、改善勞動環(huán)境、減輕勞動強度、提高勞動生產率、節(jié)約材料消耗以及降低生產成本有著十分重要的意義。和計算機、網絡技術一樣,工業(yè)機器人的廣泛應用正在日益改變著人類的生產和生活方式。 20世紀80年代以來，工業(yè)機器人技術逐漸成熟，并很快得到推廣，目前已經在工業(yè)生產的許多領域得到應用。在工業(yè)機器人逐漸得到推廣和普及的過程中，下面三個方面的技術進步起著非常重要的作用。 1. 驅動方式的改變 20世紀70年代后期，日本安川電動機公司研制開發(fā)出了第一臺全電動的工業(yè)機器人，而此前的工業(yè)機器人基本上采用液壓驅動方式。與采用液壓驅動的機器人相比，采用伺服電動機驅動的機器人在響應速度、精度、靈活性等方面都有很大提高，因此，也逐步代替了采用液壓驅動的機器人，成為工業(yè)機器人驅動方式的主流。在此過程中，諧波減速器、R V減速器等高性能減速機構的發(fā)展也功不可沒。近年來，交流伺服驅動已經逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的直流伺服驅動方式，直線電動機等新型驅動方式在許多應用領域也有了長足發(fā)展。 2. 信息處理速度的提高 機器人的動作通常是通過機器人各個關節(jié)的驅動電動機的運動而實現的。為了使機器人完成各種復雜動作，機器人控制器需要進行大量計算，并在此基礎上向機器人的各個關節(jié)的驅動電動機發(fā)出必要的控制指令。隨著信息技術的不斷發(fā)展，C P U的計算能力有了很大提高，機器人控制器的性能也有了很大提高，高性能機器人控制器甚至可以同時控制20多個關節(jié)。機器人控制器性能的提高也進一步促進了工業(yè)機器人本身性能的提高，并擴大了工業(yè)機器人的應用范圍。近年來，隨著信息技術和網絡技術的發(fā)展，已經出現了多臺機器人通過網絡共享信息，并在此基礎上進行協調控制的技術趨勢。 3. 傳感器技術的發(fā)展 機器人技術發(fā)展初期，工業(yè)機器人只具備檢測自身位置、角度和速度的內部傳感器。近年來，隨著信息處理技術和傳感器技術的迅速發(fā)展，觸覺、力覺、視覺等外部傳感器已經在工業(yè)機器人中得到廣泛應用。各種新型傳感器的使用不但提高了工業(yè)機器人的智能程度，也進一步拓寬了工業(yè)機器人的應用范圍。 二、國內外研究概況 1. 國際發(fā)展狀況 機器人是最典型的機電一體化裝備, 技術附加值很高, 應用范圍很廣, 作為先進制造業(yè)的支撐技術和信息化社會的新興產業(yè), 將對未來生產和社會發(fā)展起越來越重要的作用。國外專家預測,機器人產業(yè)是繼汽車、計算機之后出現的新的大型高技術產業(yè)。據UNECE (聯合國歐洲經濟委員會)和IFR (國際機器人聯合會)統(tǒng)計,從20 世紀下半葉起,世界機器人產業(yè)一直保持著穩(wěn)步增長的良好勢頭,進入90 年代,機器人產品發(fā)展速度加快,年銷售量增長率平均在10%左右; 2004年增長率達到了創(chuàng)記錄的20% ,其中,亞洲機器人增長幅度最為突出,增長43% 。UNECE估計, 2004 年全球至少安裝了10 萬臺新的工業(yè)機器人。其中: · 歐盟31 100臺(比2003年增加15% ,但比2001年的記錄僅增加1% ) ; · 北美16 100臺(比2003年增加27% ,比2000年的記錄高24% ) ; · 亞洲51 400臺,主要在日本,但中國市場增長迅速(比2003年增長24% ) 。 美國是機器人的誕生地,早在1962年就研制出世界上第一臺工業(yè)機器人,比起號稱機器人王國的日本起步至少要早五六年。經過40多年的發(fā)展,美國現已成為世界上的機器人強國之一。據UNECE和IFR統(tǒng)計, 2004年美國新安裝工業(yè)機器人12 693臺,預計到2007年底,新安裝的工業(yè)機器人將達15 900臺。至2003年末,在北美運行的機器人總量為112 390臺,比2002年增長7% ,預計至2007年6美國運行的工業(yè)機器人總量將達到145 100臺。 就每萬名雇員擁有的工業(yè)機器人數進行統(tǒng)計,至2003年末,在美國制造業(yè)中,每1萬名雇員有63個工業(yè)機器人。作為對比,德國為148個,歐盟為93個。在美國汽車工業(yè)中,每萬名產業(yè)工人擁有740個工業(yè)機器人,但這個數字還是遠低于日本( 1 400個機器人) 意大利(1 400個機器人)和德國( 1 000個機器人)。 日本素有“機器人王國”之稱,其工業(yè)機器人的發(fā)展令人矚目,無論機器人的數量還是機器人的密度都位居世界第一。在其經歷了短暫的搖籃期之后,快速跨過實用期,邁入普及提高期。在20 世紀80 年代至90年代初期,日本的工業(yè)機器人可謂處于繁榮鼎盛時期,似乎無所不能。然而,花無百日紅,自20世紀90年代中期開始,隨著歐洲和北美工業(yè)機器人產業(yè)的崛起,國際市場的格局發(fā)生了明顯的變化,從日本轉向了歐洲和北美。在度過了幾年的低迷期之后, 21世紀初日本的工業(yè)機器人又開始重新煥發(fā)生機,尤其是伴隨著中國和其他周邊國家對工業(yè)機器人需求的增長,以及日本本國早年工業(yè)機器人因服務期限而帶來的更新換代,預期將對日本工業(yè)機器人的發(fā)展發(fā)揮積極的作用。據日本機器人協會的統(tǒng)計, 2004年全年日本工業(yè)機器人的定單較去年增長了1718% ,達到4 99516億日元(48億美元) ，是連續(xù)第三年大幅度增長。2004年全年日本工業(yè)機器人出貨量為4 45813億日元,同比增長13.4%。2005年第一季度,日本工業(yè)機器人出貨量為1 289億日元,較去年同期增長13.6%。 從日本工業(yè)機器人出口情況看, 2004年出口量為2 788億日元(27億美元) ,較2003年大幅增長20.7% ,其主要原因在于中國和其他亞洲國家對工業(yè)機器人需求的大幅增長。從日本國內工業(yè)機器人市場看,日本是工業(yè)機器人最大的消費國。日本2004 年國內工業(yè)機器人出貨量為1 67012 億日元,比上年小幅增長了3% ,新安裝工業(yè)機器人為33 200 臺。 2. 國內發(fā)展狀況 我國機器人研究與應用起步于二十世紀70年代初，1986年，“智能機器人”被列入國家高技術研究發(fā)展計劃（863計劃），經過近二十年的不懈努力，取得了一系列令世界矚目的科研成果。隨著以國家863機器人技術主題為主的國家相關部門對機器人產業(yè)的進一步推動，必將對我國創(chuàng)建“以人為本”社會發(fā)展模式和發(fā)展國民經濟產生巨大的影響。根據調查結果顯示，近年來，國內各類主要機器人的生產和應用均呈現快速增長的趨勢。從大型的工業(yè)機器人到小型的納米機器人，從代表國家最高科技水平的登月機器人到提高學生綜合素質的教育機器人，機器人產業(yè)在中國正進入一個快速發(fā)展的時期，呈現出一種欣欣向榮的前景。 中國是一個制造業(yè)大國，以其低成本的勞動力奠定了在國際制造業(yè)中的地位，號稱“世界工廠”。但是，隨著經濟快速全球化以及信息技術飛速發(fā)展，單純地依靠勞動密集型的生產模式已經滿足不了對生產效率和產品品質等日益提高的要求，提高制造業(yè)的技術與資金密集度是制造業(yè)現代化的必然趨勢。實踐證明，通過信息化帶動工業(yè)化是中國繼續(xù)保持國際制造業(yè)大國并轉變?yōu)橹圃鞓I(yè)強國的唯一出路。工業(yè)機器人作為重要的自動化基礎裝備，是制造業(yè)信息化發(fā)展的基石。在可以預見的未來，機器人技術與現代傳感技術、智能技術、控制技術和信息技術互相滲透、融合，應用于制造業(yè)基礎裝備的改造，使傳統(tǒng)制造業(yè)發(fā)生“脫胎換骨”式的飛躍，對社會生產力的進步產生強大的推動力。 三、工業(yè)機器人技術的應用 1. 仿人機器人 仿人機器人具有可移動性、超多的自由度、視覺和聽覺處理能力，可以完成更復雜的任務。但對控制系統(tǒng)的可靠性、實時性，建立包含語音、視頻等多媒體信息的多功能遠程操作平臺，都提出了更高的要求。以往采用的集中控制系統(tǒng)，控制功能高度集中，局部的故障就可能造成系統(tǒng)的整體失效，降低了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，因此考慮采用分布式的控制系統(tǒng)來實現系統(tǒng)控制.CAN(Controller Area Network，控制器局域網)總線作為在工業(yè)領域廣泛應用的一種總線，具有成本低、可靠性好、結構簡單、開放性好等特點，非常適合用來搭建仿人機器人的控制系統(tǒng)。 2. 機器人在機械制造業(yè)中的應用 機器人遠程控制技術不僅在傳統(tǒng)的機器人遙控操作領域有著廣泛的應用，隨著Internet 的迅猛發(fā)展，它在其它許多領域中也有良好的應用前景，如遠程制造業(yè)、分布式制造系統(tǒng)、自主機器人系統(tǒng)等領域。 (1)機械加工機器人：在多品種、大批量、效率低下的生產線上，通過網絡控制生產過程，謀求實現生產的自動化；通過機器人收集現場工況信號，使運送、裝卸工件、切屑處理等工序流程均處于遠程監(jiān)視之下，控制信號神經網絡及時傳送到現場機器人完成生產過程的控制。 （2）工業(yè)裝配機器人：在裝配作業(yè)過程中，往往有視覺、觸覺等感知功能的運用。這些信號經現場機器人采集后，通過網絡傳送到遠方控制終端，由遠方工作人員來操控現場機器人的動作，完成裝配任務，實現裝配過程的遠程控制。 (3)噴漆機器人：與其它作業(yè)的機器人不同(其它作業(yè)的機器人只需正確控制動作，即控制定位精度、軌跡模仿精度和速度就已足夠)，噴漆機器人在進行噴漆作業(yè)時還要評價噴漆完成的狀態(tài)，需不斷采集工件噴漆后的圖像信息，把這些信號通過網絡傳送到遠方控制終端，實現噴漆作業(yè)的遠程控制，可以大大提高噴漆作業(yè)的精度和速度。 (4)焊接機器人：在焊接生產中可提高焊接質量和生產效率，保證了焊接過程的穩(wěn)定性和產品的一致性，減小了勞動強度，滿足了高度柔性化生產的要求。因此，焊接機器人廣泛地應用于現代制造業(yè)，如汽車制造和汽車零部件、摩托車制造、工程機械、機車車輛、家用電器等行業(yè)。 3. 網絡機器人在我國機械制造業(yè)中的應用 基于網絡的機器人的思想是由Ken Goldberg 于1994 年春首先提出，具有以下一些特點：一是涵蓋現代網絡技術和機器人控制技術兩方面的內容，并且將兩者有機地結合起來；二是建立在Internet 的基礎上，相應地具有Internet特有的一些功能，擁有良好的人機界面，可以實現人機交互功能；三是以HTTP 作為控制系統(tǒng)的標準通信協議，其系統(tǒng)控制軟件具有良好的可移植性和互用性，可以使用一個服務器供不特定的多個用戶在網絡上任意使用。四是由于網絡的存在，網絡機器人技術使得機器人系統(tǒng)中必需的多數控制軟件可以分散配置，機器人的軟件開發(fā)也可以分散進行，更容易實現。 四、目前仍存在的問題和解決的思路 工業(yè)機器人在我國的發(fā)展需要克服眾多困難，其中很重要的一個就是認識上的錯誤。就我國絕大多數制造廠家而言，對機器人如何提高勞動生產率、降低勞動成本方面缺乏相應的了解和認識。這種認識上的缺乏導致許多人抱著一個錯誤的觀念，工業(yè)機器人在中國沒有市場。但是實際情況卻正好相反。最近幾年，中國工業(yè)機器人使用量呈大幅上升趨勢，工業(yè)機器人的使用已經從傳統(tǒng)的汽車和工程機械行業(yè)向其它制造類行業(yè)快速擴散。 目前，我國機械制造業(yè)的現狀是大而不強。為了全面提升我國制造業(yè)的競爭力，實現從制造業(yè)大國向制造業(yè)強國的轉變，必須加快推進制造業(yè)信息化。將網絡機器人技術應用于機械制造業(yè)。這對于實現我國制造業(yè)信息化、提高本國制造業(yè)的國際影響力，完成“用信息化帶動制造業(yè)現代化，用高新技術改造制造業(yè)，以實現制造業(yè)跨越發(fā)展”的戰(zhàn)略目標，有著顯著的現實意義，應用前景十分廣闊，將來大有可為。 五、結束語 我國的工業(yè)機器人研究從“七五”開始起步，近十幾年來在國家“863”計劃的支持下已經取得了長足進步。雖然因為工業(yè)基礎方面的原因，我國在工業(yè)機器人本體的生產水平方面與國外還有較大差距，但在機器人應用技術和系統(tǒng)集成等方面，與國外先進水平的差距已經不大。國內部分企業(yè)在許多工業(yè)機器人應用的招標項目中已經可以和國外著名企業(yè)抗衡。目前國內的工業(yè)機器人市場已經逐步走向成熟，應用范圍也越來越廣。隨著我國經濟的不斷發(fā)展，國內外市場競爭將更加激烈，制造業(yè)對產品質量和生產率的要求越來越高，人力成本也將不斷提高，作為全球制造工廠的我國制造業(yè)對工業(yè)機器人的需求也將會在較短時間內進入快速發(fā)展時期。 六、參考文獻 [1] 原 魁，工業(yè)機器人發(fā)展現狀與趨勢，《MC 現代零部件》07年第一期 [2] 張效祖，工業(yè)機器人的現狀與發(fā)展趨勢 ，《 WMEM》第五期， [3] 宋海宏 ，機器人技術展望，《山西煤炭管理干部學院學報》 [4] 顧震宇，全球工業(yè)機器人產業(yè)現狀與趨勢，《機電一體化》06年第2期 [5] 坪島茂彥 中村修照 ，《電動機實用技術指南》，科學出版社 [6] 熊有倫，《機器人技術基礎》，華中科技大學出版社 [7] 溫效朔，機器人技術在農業(yè)上的開發(fā)與應用現狀，《安徽農業(yè)科學》 [8] 周伯英，《工業(yè)機器人設計》，機械工業(yè)出版社 [9] 吳 林 張廣軍 高洪明 ，焊接機器人技術，《中 國 表 面 工 程》 [10] 吳宗澤，《機械零件設計手冊》，機械工業(yè)出版社 [11] I.OM.索羅門采夫，《工業(yè)機器人圖冊》，機械工業(yè)出版社 [12] Morris R. Driels, Lt W. Swayze USN and Lt S. Potter USN，Department of Mechanical Engineering, Naval Postgraduate School, Monterey, California, USA [13] LUDOVIT MARKUS ,Application of the General Elimination Method inRobot Kinematics，Journal of Intelligent and Robotic Systems [14] M.?C.?Steinbach, H.?G.?Bock and R.?W.?Longman，Time-optimal extension and retraction of robots: Numerical analysis of the switching structure