圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)
圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì),圓柱,坐標(biāo),工業(yè),機(jī)器人,設(shè)計(jì)
03屆機(jī)械設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
文獻(xiàn)綜述
題 目 四自由度圓柱坐標(biāo)
機(jī)器人設(shè)計(jì)
專(zhuān) 業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
班 級(jí) 機(jī)設(shè)033
學(xué) 生 樓 淵
指導(dǎo)教師 謝 敬
2 0 0 7 年
文 獻(xiàn) 綜 述
一、工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的背景及其意義
工業(yè)機(jī)器人是集機(jī)械、電子、控制、計(jì)算機(jī)、傳感器、人工智能等多學(xué)科先進(jìn)技術(shù)于一體的現(xiàn)代制造業(yè)重要的自動(dòng)化裝備。自從1962年美國(guó)研制出世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人以來(lái),機(jī)器人技術(shù)及其產(chǎn)品發(fā)展很快,已成為柔性制造系統(tǒng)( FMS) 、自動(dòng)化工廠( FA) 、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)的自動(dòng)化工具。廣泛采用工業(yè)機(jī)器人,不僅可提高產(chǎn)品的質(zhì)量與數(shù)量,而且保障人身安全、改善勞動(dòng)環(huán)境、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、節(jié)約材料消耗以及降低生產(chǎn)成本有著十分重要的意義。和計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)一樣,工業(yè)機(jī)器人的廣泛應(yīng)用正在日益改變著人類(lèi)的生產(chǎn)和生活方式。
20世紀(jì)80年代以來(lái)，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)逐漸成熟，并很快得到推廣，目前已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)的許多領(lǐng)域得到應(yīng)用。在工業(yè)機(jī)器人逐漸得到推廣和普及的過(guò)程中，下面三個(gè)方面的技術(shù)進(jìn)步起著非常重要的作用。
1. 驅(qū)動(dòng)方式的改變
20世紀(jì)70年代后期，日本安川電動(dòng)機(jī)公司研制開(kāi)發(fā)出了第一臺(tái)全電動(dòng)的工業(yè)機(jī)器人，而此前的工業(yè)機(jī)器人基本上采用液壓驅(qū)動(dòng)方式。與采用液壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人相比，采用伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人在響應(yīng)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(qū)動(dòng)的機(jī)器人，成為工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式的主流。在此過(guò)程中，諧波減速器、R V減速器等高性能減速機(jī)構(gòu)的發(fā)展也功不可沒(méi)。近年來(lái)，交流伺服驅(qū)動(dòng)已經(jīng)逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的直流伺服驅(qū)動(dòng)方式，直線電動(dòng)機(jī)等新型驅(qū)動(dòng)方式在許多應(yīng)用領(lǐng)域也有了長(zhǎng)足發(fā)展。
2. 信息處理速度的提高
機(jī)器人的動(dòng)作通常是通過(guò)機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)的。為了使機(jī)器人完成各種復(fù)雜動(dòng)作，機(jī)器人控制器需要進(jìn)行大量計(jì)算，并在此基礎(chǔ)上向機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)發(fā)出必要的控制指令。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，C P U的計(jì)算能力有了很大提高，機(jī)器人控制器的性能也有了很大提高，高性能機(jī)器人控制器甚至可以同時(shí)控制20多個(gè)關(guān)節(jié)。機(jī)器人控制器性能的提高也進(jìn)一步促進(jìn)了工業(yè)機(jī)器人本身性能的提高，并擴(kuò)大了工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用范圍。近年來(lái)，隨著信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)出現(xiàn)了多臺(tái)機(jī)器人通過(guò)網(wǎng)絡(luò)共享信息，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行協(xié)調(diào)控制的技術(shù)趨勢(shì)。
3. 傳感器技術(shù)的發(fā)展
機(jī)器人技術(shù)發(fā)展初期，工業(yè)機(jī)器人只具備檢測(cè)自身位置、角度和速度的內(nèi)部傳感器。近年來(lái)，隨著信息處理技術(shù)和傳感器技術(shù)的迅速發(fā)展，觸覺(jué)、力覺(jué)、視覺(jué)等外部傳感器已經(jīng)在工業(yè)機(jī)器人中得到廣泛應(yīng)用。各種新型傳感器的使用不但提高了工業(yè)機(jī)器人的智能程度，也進(jìn)一步拓寬了工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用范圍。
二、國(guó)內(nèi)外研究概況
1. 國(guó)際發(fā)展?fàn)顩r
機(jī)器人是最典型的機(jī)電一體化裝備, 技術(shù)附加值很高, 應(yīng)用范圍很廣, 作為先進(jìn)制造業(yè)的支撐技術(shù)和信息化社會(huì)的新興產(chǎn)業(yè), 將對(duì)未來(lái)生產(chǎn)和社會(huì)發(fā)展起越來(lái)越重要的作用。國(guó)外專(zhuān)家預(yù)測(cè),機(jī)器人產(chǎn)業(yè)是繼汽車(chē)、計(jì)算機(jī)之后出現(xiàn)的新的大型高技術(shù)產(chǎn)業(yè)。據(jù)UNECE (聯(lián)合國(guó)歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì))和IFR (國(guó)際機(jī)器人聯(lián)合會(huì))統(tǒng)計(jì),從20 世紀(jì)下半葉起,世界機(jī)器人產(chǎn)業(yè)一直保持著穩(wěn)步增長(zhǎng)的良好勢(shì)頭,進(jìn)入90 年代,機(jī)器人產(chǎn)品發(fā)展速度加快,年銷(xiāo)售量增長(zhǎng)率平均在10%左右; 2004年增長(zhǎng)率達(dá)到了創(chuàng)記錄的20% ,其中,亞洲機(jī)器人增長(zhǎng)幅度最為突出,增長(zhǎng)43% 。UNECE估計(jì), 2004 年全球至少安裝了10 萬(wàn)臺(tái)新的工業(yè)機(jī)器人。其中:
· 歐盟31 100臺(tái)(比2003年增加15% ,但比2001年的記錄僅增加1% ) ;
· 北美16 100臺(tái)(比2003年增加27% ,比2000年的記錄高24% ) ;
· 亞洲51 400臺(tái),主要在日本,但中國(guó)市場(chǎng)增長(zhǎng)迅速(比2003年增長(zhǎng)24% ) 。
美國(guó)是機(jī)器人的誕生地,早在1962年就研制出世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人,比起號(hào)稱(chēng)機(jī)器人王國(guó)的日本起步至少要早五六年。經(jīng)過(guò)40多年的發(fā)展,美國(guó)現(xiàn)已成為世界上的機(jī)器人強(qiáng)國(guó)之一。據(jù)UNECE和IFR統(tǒng)計(jì), 2004年美國(guó)新安裝工業(yè)機(jī)器人12 693臺(tái),預(yù)計(jì)到2007年底,新安裝的工業(yè)機(jī)器人將達(dá)15 900臺(tái)。至2003年末,在北美運(yùn)行的機(jī)器人總量為112 390臺(tái),比2002年增長(zhǎng)7% ,預(yù)計(jì)至2007年6美國(guó)運(yùn)行的工業(yè)機(jī)器人總量將達(dá)到145 100臺(tái)。
就每萬(wàn)名雇員擁有的工業(yè)機(jī)器人數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),至2003年末,在美國(guó)制造業(yè)中,每1萬(wàn)名雇員有63個(gè)工業(yè)機(jī)器人。作為對(duì)比,德國(guó)為148個(gè),歐盟為93個(gè)。在美國(guó)汽車(chē)工業(yè)中,每萬(wàn)名產(chǎn)業(yè)工人擁有740個(gè)工業(yè)機(jī)器人,但這個(gè)數(shù)字還是遠(yuǎn)低于日本( 1 400個(gè)機(jī)器人) 意大利(1 400個(gè)機(jī)器人)和德國(guó)( 1 000個(gè)機(jī)器人)。
日本素有“機(jī)器人王國(guó)”之稱(chēng),其工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展令人矚目,無(wú)論機(jī)器人的數(shù)量還是機(jī)器人的密度都位居世界第一。在其經(jīng)歷了短暫的搖籃期之后,快速跨過(guò)實(shí)用期,邁入普及提高期。在20 世紀(jì)80 年代至90年代初期,日本的工業(yè)機(jī)器人可謂處于繁榮鼎盛時(shí)期,似乎無(wú)所不能。然而,花無(wú)百日紅,自20世紀(jì)90年代中期開(kāi)始,隨著歐洲和北美工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的崛起,國(guó)際市場(chǎng)的格局發(fā)生了明顯的變化,從日本轉(zhuǎn)向了歐洲和北美。在度過(guò)了幾年的低迷期之后, 21世紀(jì)初日本的工業(yè)機(jī)器人又開(kāi)始重新煥發(fā)生機(jī),尤其是伴隨著中國(guó)和其他周邊國(guó)家對(duì)工業(yè)機(jī)器人需求的增長(zhǎng),以及日本本國(guó)早年工業(yè)機(jī)器人因服務(wù)期限而帶來(lái)的更新?lián)Q代,預(yù)期將對(duì)日本工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展發(fā)揮積極的作用。據(jù)日本機(jī)器人協(xié)會(huì)的統(tǒng)計(jì), 2004年全年日本工業(yè)機(jī)器人的定單較去年增長(zhǎng)了1718% ,達(dá)到4 99516億日元(48億美元) ，是連續(xù)第三年大幅度增長(zhǎng)。2004年全年日本工業(yè)機(jī)器人出貨量為4 45813億日元,同比增長(zhǎng)13.4%。2005年第一季度,日本工業(yè)機(jī)器人出貨量為1 289億日元,較去年同期增長(zhǎng)13.6%。
從日本工業(yè)機(jī)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(zhǎng)20.7% ,其主要原因在于中國(guó)和其他亞洲國(guó)家對(duì)工業(yè)機(jī)器人需求的大幅增長(zhǎng)。從日本國(guó)內(nèi)工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)看,日本是工業(yè)機(jī)器人最大的消費(fèi)國(guó)。日本2004 年國(guó)內(nèi)工業(yè)機(jī)器人出貨量為1 67012 億日元,比上年小幅增長(zhǎng)了3% ,新安裝工業(yè)機(jī)器人為33 200 臺(tái)。
2. 國(guó)內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r
我國(guó)機(jī)器人研究與應(yīng)用起步于二十世紀(jì)70年代初，1986年，“智能機(jī)器人”被列入國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃），經(jīng)過(guò)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(guó)家863機(jī)器人技術(shù)主題為主的國(guó)家相關(guān)部門(mén)對(duì)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步推動(dòng)，必將對(duì)我國(guó)創(chuàng)建“以人為本”社會(huì)發(fā)展模式和發(fā)展國(guó)民經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生巨大的影響。根據(jù)調(diào)查結(jié)果顯示，近年來(lái)，國(guó)內(nèi)各類(lèi)主要機(jī)器人的生產(chǎn)和應(yīng)用均呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。從大型的工業(yè)機(jī)器人到小型的納米機(jī)器人，從代表國(guó)家最高科技水平的登月機(jī)器人到提高學(xué)生綜合素質(zhì)的教育機(jī)器人，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)在中國(guó)正進(jìn)入一個(gè)快速發(fā)展的時(shí)期，呈現(xiàn)出一種欣欣向榮的前景。
中國(guó)是一個(gè)制造業(yè)大國(guó)，以其低成本的勞動(dòng)力奠定了在國(guó)際制造業(yè)中的地位，號(hào)稱(chēng)“世界工廠”。但是，隨著經(jīng)濟(jì)快速全球化以及信息技術(shù)飛速發(fā)展，單純地依靠勞動(dòng)密集型的生產(chǎn)模式已經(jīng)滿(mǎn)足不了對(duì)生產(chǎn)效率和產(chǎn)品品質(zhì)等日益提高的要求，提高制造業(yè)的技術(shù)與資金密集度是制造業(yè)現(xiàn)代化的必然趨勢(shì)。實(shí)踐證明，通過(guò)信息化帶動(dòng)工業(yè)化是中國(guó)繼續(xù)保持國(guó)際制造業(yè)大國(guó)并轉(zhuǎn)變?yōu)橹圃鞓I(yè)強(qiáng)國(guó)的唯一出路。工業(yè)機(jī)器人作為重要的自動(dòng)化基礎(chǔ)裝備，是制造業(yè)信息化發(fā)展的基石。在可以預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，機(jī)器人技術(shù)與現(xiàn)代傳感技術(shù)、智能技術(shù)、控制技術(shù)和信息技術(shù)互相滲透、融合，應(yīng)用于制造業(yè)基礎(chǔ)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(duì)社會(huì)生產(chǎn)力的進(jìn)步產(chǎn)生強(qiáng)大的推動(dòng)力。
三、工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用
1. 仿人機(jī)器人
仿人機(jī)器人具有可移動(dòng)性、超多的自由度、視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)處理能力，可以完成更復(fù)雜的任務(wù)。但對(duì)控制系統(tǒng)的可靠性、實(shí)時(shí)性，建立包含語(yǔ)音、視頻等多媒體信息的多功能遠(yuǎn)程操作平臺(tái)，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(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制.CAN(Controller Area Network，控制器局域網(wǎng))總線作為在工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的一種總線，具有成本低、可靠性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、開(kāi)放性好等特點(diǎn)，非常適合用來(lái)搭建仿人機(jī)器人的控制系統(tǒng)。
2. 機(jī)器人在機(jī)械制造業(yè)中的應(yīng)用
機(jī)器人遠(yuǎn)程控制技術(shù)不僅在傳統(tǒng)的機(jī)器人遙控操作領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，隨著Internet 的迅猛發(fā)展，它在其它許多領(lǐng)域中也有良好的應(yīng)用前景，如遠(yuǎn)程制造業(yè)、分布式制造系統(tǒng)、自主機(jī)器人系統(tǒng)等領(lǐng)域。
(1)機(jī)械加工機(jī)器人：在多品種、大批量、效率低下的生產(chǎn)線上，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)控制生產(chǎn)過(guò)程，謀求實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的自動(dòng)化；通過(guò)機(jī)器人收集現(xiàn)場(chǎng)工況信號(hào)，使運(yùn)送、裝卸工件、切屑處理等工序流程均處于遠(yuǎn)程監(jiān)視之下，控制信號(hào)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及時(shí)傳送到現(xiàn)場(chǎng)機(jī)器人完成生產(chǎn)過(guò)程的控制。
（2）工業(yè)裝配機(jī)器人：在裝配作業(yè)過(guò)程中，往往有視覺(jué)、觸覺(jué)等感知功能的運(yùn)用。這些信號(hào)經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)器人采集后，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送到遠(yuǎn)方控制終端，由遠(yuǎn)方工作人員來(lái)操控現(xiàn)場(chǎng)機(jī)器人的動(dòng)作，完成裝配任務(wù)，實(shí)現(xiàn)裝配過(guò)程的遠(yuǎn)程控制。
(3)噴漆機(jī)器人：與其它作業(yè)的機(jī)器人不同(其它作業(yè)的機(jī)器人只需正確控制動(dòng)作，即控制定位精度、軌跡模仿精度和速度就已足夠)，噴漆機(jī)器人在進(jìn)行噴漆作業(yè)時(shí)還要評(píng)價(jià)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(hào)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送到遠(yuǎn)方控制終端，實(shí)現(xiàn)噴漆作業(yè)的遠(yuǎn)程控制，可以大大提高噴漆作業(yè)的精度和速度。
(4)焊接機(jī)器人：在焊接生產(chǎn)中可提高焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率，保證了焊接過(guò)程的穩(wěn)定性和產(chǎn)品的一致性，減小了勞動(dòng)強(qiáng)度，滿(mǎn)足了高度柔性化生產(chǎn)的要求。因此，焊接機(jī)器人廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)代制造業(yè)，如汽車(chē)制造和汽車(chē)零部件、摩托車(chē)制造、工程機(jī)械、機(jī)車(chē)車(chē)輛、家用電器等行業(yè)。
3. 網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人在我國(guó)機(jī)械制造業(yè)中的應(yīng)用
基于網(wǎng)絡(luò)的機(jī)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(diǎn)：一是涵蓋現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和機(jī)器人控制技術(shù)兩方面的內(nèi)容，并且將兩者有機(jī)地結(jié)合起來(lái)；二是建立在Internet 的基礎(chǔ)上，相應(yīng)地具有Internet特有的一些功能，擁有良好的人機(jī)界面，可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能；三是以HTTP 作為控制系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)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(gè)服務(wù)器供不特定的多個(gè)用戶(hù)在網(wǎng)絡(luò)上任意使用。四是由于網(wǎng)絡(luò)的存在，網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人技術(shù)使得機(jī)器人系統(tǒng)中必需的多數(shù)控制軟件可以分散配置，機(jī)器人的軟件開(kāi)發(fā)也可以分散進(jìn)行，更容易實(shí)現(xiàn)。
四、目前仍存在的問(wèn)題和解決的思路
工業(yè)機(jī)器人在我國(guó)的發(fā)展需要克服眾多困難，其中很重要的一個(gè)就是認(rèn)識(shí)上的錯(cuò)誤。就我國(guó)絕大多數(shù)制造廠家而言，對(duì)機(jī)器人如何提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、降低勞動(dòng)成本方面缺乏相應(yīng)的了解和認(rèn)識(shí)。這種認(rèn)識(shí)上的缺乏導(dǎo)致許多人抱著一個(gè)錯(cuò)誤的觀念，工業(yè)機(jī)器人在中國(guó)沒(méi)有市場(chǎng)。但是實(shí)際情況卻正好相反。最近幾年，中國(guó)工業(yè)機(jī)器人使用量呈大幅上升趨勢(shì)，工業(yè)機(jī)器人的使用已經(jīng)從傳統(tǒng)的汽車(chē)和工程機(jī)械行業(yè)向其它制造類(lèi)行業(yè)快速擴(kuò)散。
目前，我國(guó)機(jī)械制造業(yè)的現(xiàn)狀是大而不強(qiáng)。為了全面提升我國(guó)制造業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力，實(shí)現(xiàn)從制造業(yè)大國(guó)向制造業(yè)強(qiáng)國(guó)的轉(zhuǎn)變，必須加快推進(jìn)制造業(yè)信息化。將網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用于機(jī)械制造業(yè)。這對(duì)于實(shí)現(xiàn)我國(guó)制造業(yè)信息化、提高本國(guó)制造業(yè)的國(guó)際影響力，完成“用信息化帶動(dòng)制造業(yè)現(xiàn)代化，用高新技術(shù)改造制造業(yè)，以實(shí)現(xiàn)制造業(yè)跨越發(fā)展”的戰(zhàn)略目標(biāo)，有著顯著的現(xiàn)實(shí)意義，應(yīng)用前景十分廣闊，將來(lái)大有可為。
五、結(jié)束語(yǔ)
我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人研究從“七五”開(kāi)始起步，近十幾年來(lái)在國(guó)家“863”計(jì)劃的支持下已經(jīng)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。雖然因?yàn)楣I(yè)基礎(chǔ)方面的原因，我國(guó)在工業(yè)機(jī)器人本體的生產(chǎn)水平方面與國(guó)外還有較大差距，但在機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)和系統(tǒng)集成等方面，與國(guó)外先進(jìn)水平的差距已經(jīng)不大。國(guó)內(nèi)部分企業(yè)在許多工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用的招標(biāo)項(xiàng)目中已經(jīng)可以和國(guó)外著名企業(yè)抗衡。目前國(guó)內(nèi)的工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)已經(jīng)逐步走向成熟，應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)將更加激烈，制造業(yè)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)率的要求越來(lái)越高，人力成本也將不斷提高，作為全球制造工廠的我國(guó)制造業(yè)對(duì)工業(yè)機(jī)器人的需求也將會(huì)在較短時(shí)間內(nèi)進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期。
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