【正文】 雜 , 必 須進行分組處理；數(shù)值法首先計算機械手 作業(yè)空間邊界曲面上的特征點 , 然后 用這些點 構(gòu)成的線 表示機械 手的邊界 曲線 , 最 后用這些邊 界曲線構(gòu) 成的面來 1 ［ ］ ［ 2］ ［ ］ ［ ］ 畢業(yè)設(shè)計說明書論文 36296518 原創(chuàng)通過答辯 五軸機器人主體結(jié)構(gòu)設(shè)計及運動仿真 表示機械手的邊界曲面 , 此方法通用性強 ,但計算量非 常大 。 本 文以五自 由度機 械手臂為 例 , 探 討在 solidworks 軟 件環(huán)境 下 , 建立 機械手 臂的三維實體建模、虛擬裝配、動態(tài)模擬、干涉檢查 , 并運用 solidworks 的 motion 模塊 進行機械 手臂的運 動仿真 , 以期仿真 出機械手 臂的運動軌 跡及作業(yè) 空間 , 實 現(xiàn) Solidworks 軟件環(huán)境下機械手臂的虛擬設(shè)計。 國內(nèi)外研究綜述 隨著工業(yè)機 器人發(fā)展的深度和廣度， 以及機器 人智能水平的提高，工業(yè)機器 人已在眾多領(lǐng)域得到了應(yīng)用。自從 20 世紀 60 年代初人類創(chuàng)造了第一臺工業(yè)機器人 以后，工業(yè) 機器人就顯示出它極大的生命力，在短短 50 年的時間中，工業(yè)機器人 技術(shù)得到了迅速的發(fā)展 。目前，工業(yè)機器人已廣泛應(yīng)用于汽車及汽車零部件制 造業(yè)、機械加工行業(yè)、電子電氣行業(yè)、橡膠及塑料工業(yè)、食品工業(yè)、木材與家具制 造業(yè)等領(lǐng)域中。在工業(yè)生產(chǎn)中，弧焊機器人、點焊機器人、分配機器人、裝配機器 人、噴漆機器人及搬運機器人等工業(yè)機器人都已被大量采用。其標準化、模塊化、 網(wǎng)絡(luò)化和智能化的程度越來越高，功能也越來越強，正在向著成套技術(shù)和裝備的方 向發(fā)展 。 隨著科學(xué) 與 技術(shù)的發(fā)展， 工業(yè)機器人的應(yīng)用領(lǐng) 域也不斷擴大。目前也已開始 擴大到核能、航空、航天、醫(yī)藥、生化等高科技領(lǐng)域以及家庭清潔、醫(yī)療康復(fù)等服 務(wù)業(yè)領(lǐng)域中。如，水下機器人、拋光機器人、打毛刺機器人、擦玻璃機器人、高壓 線作業(yè)機器人。即工業(yè)機器人的應(yīng)用向大、異、薄、軟、窄、厚等難加工領(lǐng)域深化 擴展 。隨著人 們生活水平的提高及文化生活的日益 豐富多彩， 未來的機器人將 為提高人類的生活質(zhì)量發(fā)揮越來越重要的作用。 在國內(nèi)，工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)勢頭十分強勁。首先是我國汽車工業(yè)的高速發(fā)展，對 汽車制造裝配 提出了大量的 需求。 2020 年開始， 受國家宏觀調(diào)控及居民消費水平 提高 的影響，我國汽車 工業(yè)發(fā)展進入了一個歷史性的高速增長期 。 針對這種局 面，國內(nèi)汽車自主品牌生產(chǎn)廠家紛紛加大研發(fā)和投資力度。工業(yè)機器人是汽車生產(chǎn) 中的一種主 要的自動化設(shè)備， 在整車及零部件生 產(chǎn)的弧焊、點焊、噴漆、搬運、 涂膠等工藝中有大量應(yīng)用，整個行業(yè)的增產(chǎn)擴能增加了對工業(yè)機器人的需求。除了 汽車行業(yè)， IT 行業(yè)、材料處理等行業(yè)的發(fā)展也給 工業(yè)機器人發(fā)展提供者巨大的動 力。 2 ［ ］ ［ ］ ［ ］ ［ ］ ［ ］ 畢業(yè)設(shè)計說明書論文 36296518 原創(chuàng)通過答辯 五軸機器人主體結(jié)構(gòu)設(shè)計及運動仿真 其次 是我國的勞動力成本的變化。隨著我國經(jīng)濟持續(xù)的增強，勞動力供應(yīng)格局 已經(jīng)開始發(fā) 生變化。勞動力由供遠大于求向供求平 衡發(fā)展， 工人對薪資和工作條 件提出了更高的要求。這種轉(zhuǎn)變促使企業(yè)認識到必須通過改進機器設(shè)備，提高技術(shù) 和資金的密 集度以盡量減少用工量， 其中工業(yè)機 器人成為應(yīng)對這一轉(zhuǎn)變的主要手 段 。最后是提高產(chǎn)品質(zhì)量的需求。持續(xù)的 經(jīng)濟強勁增長，尤其是對外出口以及 國內(nèi)外資企 業(yè)對質(zhì)量的嚴格要求， 逼迫產(chǎn)業(yè)界開 始重視工業(yè)機器人在提高生產(chǎn)效 率同時提高產(chǎn)品質(zhì)量中所起的巨大作用。所以近年來許多企業(yè)越來 越重視生產(chǎn)中工 業(yè)機器人的使用，從而提高了企業(yè)的競爭力。 近年來，人類的活動領(lǐng)域不斷擴大，機器人應(yīng)用也從制造領(lǐng)域向非制造領(lǐng)域發(fā) 展。像海洋開發(fā)、宇宙探測、采掘、建筑、醫(yī)療、農(nóng)林業(yè)、服務(wù)、娛樂等行業(yè)都提 出了自動化和機器人化的要求。這些行業(yè)與制造業(yè)相比，其主要特點是工作環(huán)境的 非結(jié)構(gòu)化和不確定性，因而對機器人的要求更高，需要機器人具有行走功能，對外 感知能力以及局部的自主規(guī)劃能力等，是機器人技術(shù)的一個重要發(fā)展方向 。 （ 1）水下機器人：美國的 AUSS、俄羅斯的 MT8法國的 EPAVLARD 等水下 機器 人已用于海洋石油開采，海底勘查、救撈作業(yè)、管道敷設(shè)和檢查、電纜敷設(shè)和維護、 以及大壩檢 查等方面，形成了有纜水下機器人 （ remote operated vehicle）和無 纜水下機器人（ autonomous under water vehicle）兩大類。 （ 2）空間 機器人：空間機器人一直是先進機器 人的重要研究領(lǐng)域。目前美、 俄、加拿大等國已研制出各種空間機器人。如美國 NASA 的空間機器人 Sojourner 等。 Sojourner 是 一輛自主移動車，重量為 ， 尺寸 480~630mm，有 6個車輪，它在 火星上的成功應(yīng)用，引起了全球的廣泛關(guān)注。 （ 3）核工 業(yè)用機器人：國外的研究主要集中在 機構(gòu)靈巧，動作準確可靠、反 應(yīng)快、重量輕、剛度好、便于裝卸與維修的高性能伺服手，以及半自主和自主移動 機器人。已完成的典型系統(tǒng)，如美國 ORML 基于機器人的放射性儲罐清理系統(tǒng)、反應(yīng) 堆用雙臂操作器，加拿來大研制成功的輻射監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，德國的 C7靈巧手 等。 （ 4 ）地下機器人：地下機器人主要包括采掘 機器人和地下管道檢修機器人兩 在類。主要研究內(nèi)容為：機械結(jié)構(gòu)、行走系統(tǒng)、傳感器及定位系統(tǒng)、控 制系統(tǒng)、通 信及遙控技術(shù)。目前日、美、德等發(fā)達國家已研制出了地下管道和石油、天然氣等 大型管道檢修用的機器人，各種采機器人及自動化系統(tǒng)正在研制中。 3 ［ ］ ［ ］ 畢業(yè)設(shè)計說明書論文 36296518 原創(chuàng)通過答辯 五軸機器人主體結(jié)構(gòu)設(shè)計及運動仿真 （ 5）醫(yī)用 機器人：醫(yī)用機器人的主要研究內(nèi)容 包括：醫(yī)療外科手術(shù)的規(guī)劃與 仿真、機器人輔助外科手術(shù)、最小損傷外科、臨場感外科手術(shù)等。美國已開展臨場 感外科（ telepresence surgery）的研究，用于戰(zhàn)場模擬、手術(shù)培訓(xùn)、解剖教學(xué)等。 法、英、意、德等國家聯(lián)合開展了圖像引導(dǎo)型矯形外科（ telematics）計劃、袖珍 機器人（ biomed）計劃以及用于外科手術(shù)的機電手術(shù)工具等項目的研究，并已取得 一些卓有成效的結(jié)果。 （ 6）建筑機器人：日本已研制出 20 多種建筑機器人。如高層建筑抹灰機器人、 預(yù)制件安裝機器人、室內(nèi)裝修機器人、地面拋光機器人、擦玻璃機器人等，并已實 際應(yīng)有和。美國卡內(nèi)基梅隆重大學(xué)、麻省理工學(xué)院等都在進行管道挖掘和埋設(shè)機器 人、內(nèi)墻安裝機器人等型號的研制、并開展了傳感器、移動技術(shù)和系統(tǒng)自動化施工 方法等基礎(chǔ)研究。英、德、法等國也在開展這方面的研究。 （ 7）軍用 機器人：近年來，美、英、 法、德等 國已研制出第二代軍用智能機 器人。其特點是采用自主控制方式，能完成偵察、作戰(zhàn)和后勤支援等任務(wù)，在戰(zhàn)場 上具有看、 嗅和角摸能力，能夠 自動跟蹤地形和 選擇道路，并且具有自動搜索、 識別和消滅敵方目標的功能。如美國的 Navplab 自主導(dǎo)航車、 SSV 半自主地面戰(zhàn)車， 法國的自主式快速運動偵察車（ DARDS），德國 MV4 爆炸物處理機器人等。目前美國 ORNL 正在研制和開發(fā) Abrams 坦克、愛國者導(dǎo)彈裝電池用機器人等各種用途的軍用機 器人。 可以預(yù)見，在 21世紀各種先進的機器人系統(tǒng)將會進入人類生活的各 個領(lǐng)域，成 為人類良好的助手和親密的伙伴 。 研究現(xiàn)狀 2020 年汽車行業(yè)大量投資，尤其是亞洲，增加了機器人的裝備量。 2020 年，中 國超越美國成為全球最大的汽車市場。中國還是最大的生產(chǎn)工廠，具有非常大的增 長潛力，中 國消費市場增長迅速，來自中國的需求 直接影響全球經(jīng)濟的復(fù)蘇 。 幾乎全部行業(yè)都從增長的需求（包括各種消費品）中受益。由于政府的經(jīng)濟刺激計 劃和貨幣政策的放寬，中國經(jīng)濟從全球經(jīng)濟危機中復(fù)蘇得異?？焖?。 2020 年， 弧焊是最重要的應(yīng)用，占工業(yè)機器人 市場總份額的 37%， 2020 年約為 2020 臺，增加了 12%。在 2020 年至 2020 年間，該領(lǐng)域應(yīng)用從 850臺左右持續(xù)增加至 2020 臺。點焊應(yīng)用也從 2020 年開始增加， 2020 年激增 126%，增至 1600 臺，占工業(yè)機器人 4 ［ ］ ［ ］ 畢業(yè)設(shè)計說明書論文 36296518 原創(chuàng)通過答辯 五軸機器人主體結(jié)構(gòu)設(shè)計及運動仿真 市場總份額的 2 0%。而 2020 年，該應(yīng)用下降了 61%，降至 610 臺。另外，激光焊應(yīng)用 也在 2020 年 有明顯的增加，在 2020 年大幅下降，下 降了 26%，約為 2700 臺，占工業(yè) 機器人市場總份額的 49%，比 2020 年的 46%有所增加。裝卸和 上下料機器人數(shù)量下降 了 46%，約為 1600 臺。作為主要的機器人裝卸應(yīng)用領(lǐng)域，塑料成型應(yīng)用降至 652 臺， 下降了 62% 。這與 2020 年橡膠和塑料行業(yè)日益惡化 的經(jīng)濟形勢有關(guān)。盡管營業(yè)額在 2020 年 又有所增 加，但機 器人方面 的投資 仍在縮減 。物料搬 運機器人 在 2020 年到 2020 年期間有大幅增長，而在 2020 年下降了 31%，降至 563 臺，占總供應(yīng)量的 10%。 2020 年， 碼垛、包裝及拾放機器人從 190 臺上升至 283 臺，增長了近 50%。這與食品 及飲料行業(yè)的投資增加有關(guān)，其主要客戶也在該應(yīng)用 領(lǐng)域，質(zhì)量和衛(wèi)生方面要求的 提高推動了該 行業(yè)的自動化。封膠機器人小幅增加了 2%；噴涂機器人增加了 14%， 達到 380 臺 。而密封和涂膠機器人下降了 38%（ 61 臺）。噴涂機器人主要用于汽車行 業(yè)， 2020 年在機器人裝配方面的投資仍集中于某些特殊應(yīng)用 。 從 2020 年到 2020 年，潔凈機器人應(yīng)用持續(xù)增長， 2020 年下降了 41%，這與 2020 年半導(dǎo)體市場的萎縮有關(guān)。裝配機器人增長了 13%，增至 124 臺。雖然從 2020 年開始 每年的供應(yīng)持續(xù)增加，但數(shù)量仍較小。用于加工的機器人不足總供應(yīng)的 1% 見圖 11） 。 從機器人的安裝情況以及機器人制造商提供的數(shù)據(jù)來看，我們可以從行業(yè)角度 進行粗略的分析。用于焊接、噴涂及各種裝配操作的機器人主要安裝于汽車行業(yè)， 2020 年該應(yīng)用領(lǐng)域占所有機器人總量的 50%。橡膠和塑料行業(yè)占 15%左右。潔凈機器 人主 要用于電 子零部件 行業(yè)，用 于電氣 / 電子行業(yè) （包括通信 ）的機器 人約占 10% 至 15% 。金屬及 機械行業(yè) 約占 15%。 食品及飲 料行業(yè)占 3%，制藥及 化妝品行 業(yè)占 1% 左右。與 2020 年相比， 2020 年大多行業(yè)機器人的安裝量都有所減少。金屬行業(yè)和制 藥 及化妝品行業(yè)中機器人的應(yīng)用稍有增加。食品及飲料行業(yè)的應(yīng)用大幅增加，但數(shù) 量仍較少。 5 ［ ］ ［ ］ 畢業(yè)設(shè)計說明書論文 36296518 原創(chuàng)通過答辯 五軸機器人主體結(jié)構(gòu)設(shè)計及運動仿真 圖 11 中國機器人增長趨勢圖 隨著計算機 技術(shù)不斷向智能化發(fā)展， 機器人應(yīng) 用領(lǐng)域的不斷擴展和深化以及 在系統(tǒng)中的 群體應(yīng)用， 工業(yè)機器人在不斷向著智 能化方向發(fā)展，以滿足多樣化、 個性化的需 求，并適應(yīng)多變的非結(jié)構(gòu)環(huán)境作業(yè)，向 非制造領(lǐng)域進軍 。工業(yè)機器 人向智能化 、模塊化和系統(tǒng)化的方向發(fā)展，其發(fā)展 趨勢主要為： 結(jié)構(gòu)的模塊化的 可重構(gòu)化、控制技術(shù)的 開放化、 PC 化和網(wǎng)絡(luò)化、伺服驅(qū)動技術(shù)的數(shù)字化和分散化、 多傳感器融合技術(shù)的實用化、工作環(huán)境設(shè)計的優(yōu)化和作業(yè)的柔性化以及系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò) 化和智能化 等方面。工業(yè)機器人技術(shù)主體的發(fā)展目 標是： 瞄準國際前沿高科技發(fā) 展方向， 創(chuàng)新性地研究和開發(fā)工業(yè)機器人技術(shù)領(lǐng) 域的基礎(chǔ)技術(shù)、產(chǎn)品技術(shù)和系統(tǒng) 技術(shù)。通過發(fā)展工業(yè)機器人技術(shù)，提高我國制造業(yè)乃至整個工業(yè)的裝備技術(shù)水平， 促進裝備制 造業(yè)的結(jié)構(gòu)調(diào)整與產(chǎn)品的升級換代， 帶動全行業(yè)的科技進步與產(chǎn)業(yè)提 升，擴大非制造領(lǐng)域機