【正文】 蘭州 交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 1 目 錄 1. 緒 論 2 機器人的發(fā)展綜述 ................................................. 2 機器人定義 ...................................................... 2 我國科學(xué)家對機器人的定義 ........................................ 2 機器人發(fā)展簡史 .................................................. 3 管道機器人概述 ................................................... 5 國外管道機器人發(fā)展現(xiàn)狀 .......................................... 5 國內(nèi)管道機器人發(fā)展現(xiàn)狀 .......................................... 6 管道清灰機器人系統(tǒng)概述 ........................................... 6 管道清灰機器人驅(qū)動方式 .......................................... 7 管道 清灰機器人操作臂設(shè)計要求 .................................... 7 管道清灰機器人行走機構(gòu)設(shè)計 ...................................... 7 管道清灰機器人系統(tǒng)組成 .......................................... 8 2. 管道清灰機器人本體結(jié)構(gòu)的設(shè)計和三維模型的建立 ........................ 9 PRO/ENGINEER軟件的介紹 .............................................. 9 Pro/E 的系統(tǒng)特征 ............................................... 10 Pro/Engineer 主要模塊介紹 ...................................... 11 管道清灰機器人本體結(jié)構(gòu)三維模型的建立 ............................. 13 3. 管道清灰機器人運動學(xué)分析 26 機器人操作臂類型選擇 ............................................. 26 鏟斗轉(zhuǎn)角差及卸載角分析 ........................................... 29 機器人操作臂自由度 ............................................... 30 操作臂死點分析 ................................................... 31 4. 管道機器人運動機構(gòu)仿真 33 鏟斗鏟灰 ......................................................... 33 鏟斗舉升 ......................................................... 35 鏟斗旋轉(zhuǎn) ......................................................... 37 結(jié) 論 39 致 謝 40 蘭州 交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 參考文獻 41 1. 緒 論 機器人的發(fā)展綜述 機器人定義 在科技界，科學(xué)家會給每一個科技 術(shù)語一個明確的定義，但機器人問世已有幾十年，機器人的定義仍然仁者見仁，智者見智，沒有一個統(tǒng)一的意見。原因之一是機器人還在發(fā)展，新的機型，新的功能不斷涌現(xiàn)。機器人涉及到了人的概念，成為一個難以回答的哲學(xué)問題。就像機器人一詞最早誕生于科幻小說之中一樣，人們對機器人充滿了幻想。也許正是由于機器人定義的模糊，才給了人們充分的想象和創(chuàng)造空間。 機器人主要類型： 操作型機器人：能自動控制，可重復(fù)編程，多功能，有幾個自由度，可固定或運動，用于相關(guān)自動化系統(tǒng)中。 程控型機器人：按預(yù)先要求的順序及條件，依 次控制機器人的機械動作。 示教再現(xiàn)型機器人：通過引導(dǎo)或其它方式，先教會機器人動作，輸入工作程序，機器人則自動重復(fù)進行作業(yè)。 數(shù)控型機器人：不必使機器人動作，通過數(shù)值、語言等對機器人進行示教，機器人根據(jù)示教后的信息進行作業(yè)。 感覺控制型機器人：利用傳感器獲取的信息控制機器人的動作。 適應(yīng)控制型機器人：機器人能適應(yīng)環(huán)境的變化，控制其自身的行動。 學(xué)習(xí)控制型機器人：機器人能 “體會 ”工作的經(jīng)驗，具有一定的學(xué)習(xí)功能，并將所 “學(xué) ”的經(jīng)驗用于工作中。 智能機器人 ：以人工智能決定其行動的機器人。 我國科學(xué)家對機器人的定義 我國科學(xué)家對機器人的定義是： “機器人是一種自動化的機器，所不同的是這種機器具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規(guī)劃能力、動作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動化機器 ”。在研究和開發(fā)未知及不確定環(huán)境下作業(yè)的機器人的過程中，人們逐步認識到機器人技術(shù)的本質(zhì)是感知、決策、行動和交互技術(shù)的結(jié)合。隨著人們對機器人技術(shù)智能化本質(zhì)認識的加深，機器人技術(shù)開始源源不斷地向人類活動蘭州 交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 的各個領(lǐng)域滲透。結(jié)合這些領(lǐng)域的應(yīng)用特點，人們發(fā)展了各式各樣的 具有感知、決策、行動和交互能力的特種機器人和各種智能機器，如移動機器人、微機器人、水下機器人、醫(yī)療機器人、軍用機器人、空中空間機器人、娛樂機器人等。對不同任務(wù)和特殊環(huán)境的適應(yīng)性，也是機器人與一般自動化裝備的重要區(qū)別。這些機器人從外觀上已遠遠脫離了最初仿人型機器人和工業(yè)機器人所具有的形狀，更加符合各種不同應(yīng)用領(lǐng)域的特殊要求，其功能和智能程度也大大增強，從而為機器人技術(shù)開辟出更加廣闊的發(fā)展空間。 中國工程院院長宋健指出： “機器人學(xué)的進步和應(yīng)用是 20 世紀自動控制最有說服力的成就，是當代最高意義上的自動化 ”。機器人技術(shù)綜合了多學(xué)科的發(fā)展成果，代表了高技術(shù)的發(fā)展前沿，它在人類生活應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴大正引起國際上重新認識機器人技術(shù)的作用和影響。 我國的機器人專家從應(yīng)用環(huán)境出發(fā)，將機器人分為兩大類，即工業(yè)機器人和特種機器人。所謂工業(yè)機器人就是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機械手或多自由度機器人。而特種機器人則是除工業(yè)機器人之外的、用于非制造業(yè)并服務(wù)于人類的各種先進機器人，包括：服務(wù)機器人、水下機器人、娛樂機器人、軍用機器人、農(nóng)業(yè)機器人、機器人化機器等。在特種機器人中，有些分支發(fā)展很快，有獨立成體系的趨勢，如服務(wù)機器 人、水下機器人、軍用機器人、微操作機器人等。目前，國際上的機器人學(xué)者，從應(yīng)用環(huán)境出發(fā)將機器人也分為兩類：制造環(huán)境下的工業(yè)機器人和非制造環(huán)境下的服務(wù)與仿人型機器人，這和我國的分類是一致的。 機器人發(fā)展簡史 （引自《環(huán)球科學(xué)》 2021 年第二期） 1920年 捷克斯洛伐克作家卡雷爾 恰佩克在他的科幻小說《羅薩姆的機器人萬能公司》中，根據(jù) Robota(捷克文，原意為 “ 勞役、苦工 ”) 和 Robotnik(波蘭文，原意為 “ 工人 ”) ，創(chuàng)造出 “ 機器人 ” 這個詞。 1939 年 美國紐約世博會上展出了西屋電氣公司制造 的家用機器人 Elektro。它由電纜控制，可以行走，會說 77 個字，甚至可以抽煙，不過離真正干家務(wù)活還差得遠。但它讓人們對家用機器人的憧憬變得更加具體。 1942 年 美國科幻 巨匠阿西莫夫提出 “機器人三定律 ”。雖然這只是科幻小說里的創(chuàng)造，但后來成為學(xué)術(shù)界默認的研發(fā)原則。 1948 年 諾伯特 維納出版《控制論》，闡述了機器中的通信和控制機能與人的神經(jīng)、感覺機能的共同規(guī)律，率先提出以計算機為核心的自動化工廠。 蘭州 交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 1954 年 美國人喬治 德沃爾制造出世界上第一臺可編程的機器人，并注冊了專利。這種機械手能按照不同的 程序從事不同的工作，因此具有通用性和靈活性。 1956 年 在達特茅斯會議上，馬文 明斯基提出了他對智能機器的看法：智能機器 “ 能夠創(chuàng)建周圍環(huán)境的抽象模型，如果遇到問題，能夠從抽象模型中尋找解決方法 ” 。這個定義影響到以后 30 年智能機器人的研究方向。 1959 年 德沃爾與美國發(fā)明家約瑟夫 英格伯格聯(lián)手制造出第一臺工業(yè)機器人。隨后，成立了世界上第一家機器人制造工廠 —— Unimation 公司。由于英格伯格對工業(yè)機器人的研發(fā)和宣傳，他也被稱為 “ 工業(yè)機器人之父 ” 。 1962 年 美國 AMF 公司生產(chǎn)出 “VERSTRAN ”( 意思是萬能搬運 ),與 Unimation 公司生產(chǎn)的 Unimate 一樣成為真正商業(yè)化的工業(yè)機器人，并出口到世界各國，掀起了全世界對機器人和機器人研究的熱潮。 1962 年 1963 年傳感器的應(yīng)用提高了機器人的可操作性。人們試著在機器人上安裝各種各樣的傳感器，包括 1961 年恩斯特采用的觸覺傳感器，托莫維奇和博尼 1962 年在世界上最早的 “ 靈巧手 ” 上用到了壓力傳感器，而麥卡錫 1963 年則開始在機器人中加入視覺傳感系統(tǒng)，并在 1965 年，幫助 MIT 推出了世界上第一個帶有視覺傳感器，能識別并定位積木的機器人系統(tǒng)。 1965 年約翰 霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實驗室研制出 Beast 機器人。 Beast 已經(jīng)能通過聲納系統(tǒng)、光電管等裝置，根據(jù)環(huán)境校正自己的位置。 20世紀 60年代中期開始，美國麻省理工學(xué)院、斯坦福大學(xué)、英國愛丁堡大學(xué)等陸續(xù)成立了機器人實驗室。美國興起研究第二代帶傳感器、 “ 有感覺 ” 的機器人，并向人工智能進發(fā)。 1968 年 美國斯坦福研究所公布他們研發(fā)成功的機器人 Shakey。它帶有視覺傳感器，能根據(jù)人的指令發(fā)現(xiàn)并抓取積木 ,不過控制它的計算機有一個房間那么大。 Shakey 可以算是世界第一臺智能機器人，拉開了第三代機器人研發(fā) 的序幕。 1969 年 日本早稻田大學(xué)加藤一郎實驗室研發(fā)出第一臺以雙腳走路的機器人。加藤一郎長期致力于研究仿人機器人，被譽為 “ 仿人機器人之父 ” 。日本專家一向以研發(fā)仿人機器人和娛樂機器人的技術(shù)見長，后來更進一步，催生出本田公司的 ASIMO 和索尼公司的QRIO。 1973 年 世界上第一次機器人和小型計算機攜手合作，就誕生了美國 Cincinnati Milacron 公司的機器人 T3。 1978 年 美國 Unimation 公司推出通用工業(yè)機器人 PUMA，這標志著工業(yè)機器人技術(shù)已經(jīng)蘭州 交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 完全成熟。 PUMA 至今仍然工作在工 廠第一線。 1984 年 英格伯格再推機器人 Helpmate，這種機器人能在醫(yī)院里為病人送飯、送藥、送郵件。同年，他還預(yù)言： “ 我要讓機器人擦地板，做飯，出去幫我洗車，檢查安全 ” 。 1998 年 丹麥樂高公司推出機器人 (Mindstorms)套件，讓機器人制造變得跟搭積木一樣，相對簡單又能任意拼裝，使機器人開始走入個人世界。 1999 年 日本索尼公司推出犬型機器人愛寶 (AIBO)，當即銷售一空，從此娛樂機器人成為目前機器人邁進普通家庭的途徑之一。 2021 年 丹麥 iRobot 公司推出了吸塵器機器人 Roomba，它能避開障礙，自動設(shè)計行進路線，還能在電量不足時，自動駛向充電座。 Roomba 是目前世界上銷量最大、最商業(yè)化的家用機器人。 2021 年 6 月，微軟公司推出 Microsoft Robotics Studio，機器人模塊化、平臺統(tǒng)一化的趨勢越來越明顯，比爾 蓋茨預(yù)言，家用機器人很快將席卷全球。 管道機器人概述 在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及日常生活中，管道作為一種重要的物料輸送手段，其應(yīng)用范圍日益廣泛，數(shù)量也不斷增多。管道工程在國民經(jīng)濟許多行業(yè)中如石化、天然氣、核工業(yè)、給排水、管道輸送等行業(yè)起著極其重要 的作用。管道在使用過程中，由于各種外界因素的影響，會形成各種各樣的管道故障與管道損傷。如果不及時對管道檢測、維修及清洗就可能會產(chǎn)生事故，形成不必要的損失和浪費。然而，管道所處的環(huán)境往往是人們不易直接達到或不允許人們直接進入的，檢修及清洗難度很大。因此最有效的方法之一就是利用管道機器人來實現(xiàn)管道內(nèi)的在線檢測、維修和清洗。 管內(nèi)機器人是一種可沿管道自動行走，攜有一種或多種傳感器件和作業(yè)機構(gòu)，在遙控操作或計算機控制下能在極其惡劣的環(huán)境中進行一系列管道作業(yè)的機電一體化系統(tǒng)。 國外管道機器人發(fā)展現(xiàn)狀 對較 長距離管道的直接檢測、清理技術(shù)的研究始于本世紀 50 年代美、英、法、德、日等國，受當時的技術(shù)水平的限制，主要成果是無動力的管內(nèi)檢測清理設(shè)備一 PIG，由于 PIG 本身沒有行走能力，其移動速度、檢測區(qū)域均不易控制，所以不能算作管內(nèi)機器人。 70 年代以后，石油、化工、天然氣及核工業(yè)