【正文】 蘭州 交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 目 錄 1. 緒 論 2 機(jī)器人的發(fā)展綜述 ................................................. 2 機(jī)器人定義 ...................................................... 2 我國(guó)科學(xué)家對(duì)機(jī)器人的定義 ........................................ 2 機(jī)器人發(fā)展簡(jiǎn)史 .................................................. 3 管道機(jī)器人概述 ................................................... 5 國(guó)外管道機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀 .......................................... 5 國(guó)內(nèi)管道機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀 .......................................... 6 管道清灰機(jī)器人系統(tǒng)概述 ........................................... 6 管道清灰機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式 .......................................... 7 管道 清灰機(jī)器人操作臂設(shè)計(jì)要求 .................................... 7 管道清灰機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) ...................................... 7 管道清灰機(jī)器人系統(tǒng)組成 .......................................... 8 2. 管道清灰機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)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(jī)器人本體結(jié)構(gòu)三維模型的建立 ............................. 13 3. 管道清灰機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 26 機(jī)器人操作臂類(lèi)型選擇 ............................................. 26 鏟斗轉(zhuǎn)角差及卸載角分析 ........................................... 29 機(jī)器人操作臂自由度 ............................................... 30 操作臂死點(diǎn)分析 ................................................... 31 4. 管道機(jī)器人運(yùn)動(dòng)機(jī)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(jì)（論文） 2 參考文獻(xiàn) 41 1. 緒 論 機(jī)器人的發(fā)展綜述 機(jī)器人定義 在科技界，科學(xué)家會(huì)給每一個(gè)科技 術(shù)語(yǔ)一個(gè)明確的定義，但機(jī)器人問(wèn)世已有幾十年，機(jī)器人的定義仍然仁者見(jiàn)仁，智者見(jiàn)智，沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的意見(jiàn)。原因之一是機(jī)器人還在發(fā)展，新的機(jī)型，新的功能不斷涌現(xiàn)。機(jī)器人涉及到了人的概念，成為一個(gè)難以回答的哲學(xué)問(wèn)題。就像機(jī)器人一詞最早誕生于科幻小說(shuō)之中一樣，人們對(duì)機(jī)器人充滿(mǎn)了幻想。也許正是由于機(jī)器人定義的模糊，才給了人們充分的想象和創(chuàng)造空間。 機(jī)器人主要類(lèi)型： 操作型機(jī)器人：能自動(dòng)控制，可重復(fù)編程，多功能，有幾個(gè)自由度，可固定或運(yùn)動(dòng)，用于相關(guān)自動(dòng)化系統(tǒng)中。 程控型機(jī)器人：按預(yù)先要求的順序及條件，依 次控制機(jī)器人的機(jī)械動(dòng)作。 示教再現(xiàn)型機(jī)器人：通過(guò)引導(dǎo)或其它方式，先教會(huì)機(jī)器人動(dòng)作，輸入工作程序，機(jī)器人則自動(dòng)重復(fù)進(jìn)行作業(yè)。 數(shù)控型機(jī)器人：不必使機(jī)器人動(dòng)作，通過(guò)數(shù)值、語(yǔ)言等對(duì)機(jī)器人進(jìn)行示教，機(jī)器人根據(jù)示教后的信息進(jìn)行作業(yè)。 感覺(jué)控制型機(jī)器人：利用傳感器獲取的信息控制機(jī)器人的動(dòng)作。 適應(yīng)控制型機(jī)器人：機(jī)器人能適應(yīng)環(huán)境的變化，控制其自身的行動(dòng)。 學(xué)習(xí)控制型機(jī)器人：機(jī)器人能 “體會(huì) ”工作的經(jīng)驗(yàn)，具有一定的學(xué)習(xí)功能，并將所 “學(xué) ”的經(jīng)驗(yàn)用于工作中。 智能機(jī)器人 ：以人工智能決定其行動(dòng)的機(jī)器人。 我國(guó)科學(xué)家對(duì)機(jī)器人的定義 我國(guó)科學(xué)家對(duì)機(jī)器人的定義是： “機(jī)器人是一種自動(dòng)化的機(jī)器，所不同的是這種機(jī)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(dòng)作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動(dòng)化機(jī)器 ”。在研究和開(kāi)發(fā)未知及不確定環(huán)境下作業(yè)的機(jī)器人的過(guò)程中，人們逐步認(rèn)識(shí)到機(jī)器人技術(shù)的本質(zhì)是感知、決策、行動(dòng)和交互技術(shù)的結(jié)合。隨著人們對(duì)機(jī)器人技術(shù)智能化本質(zhì)認(rèn)識(shí)的加深，機(jī)器人技術(shù)開(kāi)始源源不斷地向人類(lèi)活動(dòng)蘭州 交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 的各個(gè)領(lǐng)域滲透。結(jié)合這些領(lǐng)域的應(yīng)用特點(diǎn)，人們發(fā)展了各式各樣的 具有感知、決策、行動(dòng)和交互能力的特種機(jī)器人和各種智能機(jī)器，如移動(dòng)機(jī)器人、微機(jī)器人、水下機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人、軍用機(jī)器人、空中空間機(jī)器人、娛樂(lè)機(jī)器人等。對(duì)不同任務(wù)和特殊環(huán)境的適應(yīng)性，也是機(jī)器人與一般自動(dòng)化裝備的重要區(qū)別。這些機(jī)器人從外觀上已遠(yuǎn)遠(yuǎn)脫離了最初仿人型機(jī)器人和工業(yè)機(jī)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(qiáng)，從而為機(jī)器人技術(shù)開(kāi)辟出更加廣闊的發(fā)展空間。 中國(guó)工程院院長(zhǎng)宋健指出： “機(jī)器人學(xué)的進(jìn)步和應(yīng)用是 20 世紀(jì)自動(dòng)控制最有說(shuō)服力的成就，是當(dāng)代最高意義上的自動(dòng)化 ”。機(jī)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(lèi)生活應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大正引起國(guó)際上重新認(rèn)識(shí)機(jī)器人技術(shù)的作用和影響。 我國(guó)的機(jī)器人專(zhuān)家從應(yīng)用環(huán)境出發(fā)，將機(jī)器人分為兩大類(lèi)，即工業(yè)機(jī)器人和特種機(jī)器人。所謂工業(yè)機(jī)器人就是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度機(jī)器人。而特種機(jī)器人則是除工業(yè)機(jī)器人之外的、用于非制造業(yè)并服務(wù)于人類(lèi)的各種先進(jìn)機(jī)器人，包括：服務(wù)機(jī)器人、水下機(jī)器人、娛樂(lè)機(jī)器人、軍用機(jī)器人、農(nóng)業(yè)機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)器等。在特種機(jī)器人中，有些分支發(fā)展很快，有獨(dú)立成體系的趨勢(shì)，如服務(wù)機(jī)器 人、水下機(jī)器人、軍用機(jī)器人、微操作機(jī)器人等。目前，國(guó)際上的機(jī)器人學(xué)者，從應(yīng)用環(huán)境出發(fā)將機(jī)器人也分為兩類(lèi)：制造環(huán)境下的工業(yè)機(jī)器人和非制造環(huán)境下的服務(wù)與仿人型機(jī)器人，這和我國(guó)的分類(lèi)是一致的。 機(jī)器人發(fā)展簡(jiǎn)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(shuō)《羅薩姆的機(jī)器人萬(wàn)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(jī)器人 ” 這個(gè)詞。 1939 年 美國(guó)紐約世博會(huì)上展出了西屋電氣公司制造 的家用機(jī)器人 Elektro。它由電纜控制，可以行走，會(huì)說(shuō) 77 個(gè)字，甚至可以抽煙，不過(guò)離真正干家務(wù)活還差得遠(yuǎn)。但它讓人們對(duì)家用機(jī)器人的憧憬變得更加具體。 1942 年 美國(guó)科幻 巨匠阿西莫夫提出 “機(jī)器人三定律 ”。雖然這只是科幻小說(shuō)里的創(chuàng)造，但后來(lái)成為學(xué)術(shù)界默認(rèn)的研發(fā)原則。 1948 年 諾伯特 維納出版《控制論》，闡述了機(jī)器中的通信和控制機(jī)能與人的神經(jīng)、感覺(jué)機(jī)能的共同規(guī)律，率先提出以計(jì)算機(jī)為核心的自動(dòng)化工廠。 蘭州 交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 1954 年 美國(guó)人喬治 德沃爾制造出世界上第一臺(tái)可編程的機(jī)器人，并注冊(cè)了專(zhuān)利。這種機(jī)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(dá)特茅斯會(huì)議上，馬文 明斯基提出了他對(duì)智能機(jī)器的看法：智能機(jī)器 “ 能夠創(chuàng)建周?chē)h(huán)境的抽象模型，如果遇到問(wèn)題，能夠從抽象模型中尋找解決方法 ” 。這個(gè)定義影響到以后 30 年智能機(jī)器人的研究方向。 1959 年 德沃爾與美國(guó)發(fā)明家約瑟夫 英格伯格聯(lián)手制造出第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人。隨后，成立了世界上第一家機(jī)器人制造工廠 —— Unimation 公司。由于英格伯格對(duì)工業(yè)機(jī)器人的研發(fā)和宣傳，他也被稱(chēng)為 “ 工業(yè)機(jī)器人之父 ” 。 1962 年 美國(guó) AMF 公司生產(chǎn)出 “VERSTRAN ”( 意思是萬(wàn)能搬運(yùn) ),與 Unimation 公司生產(chǎn)的 Unimate 一樣成為真正商業(yè)化的工業(yè)機(jī)器人，并出口到世界各國(guó)，掀起了全世界對(duì)機(jī)器人和機(jī)器人研究的熱潮。 1962 年 1963 年傳感器的應(yīng)用提高了機(jī)器人的可操作性。人們?cè)囍跈C(jī)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(jué)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(kāi)始在機(jī)器人中加入視覺(jué)傳感系統(tǒng)，并在 1965 年，幫助 MIT 推出了世界上第一個(gè)帶有視覺(jué)傳感器，能識(shí)別并定位積木的機(jī)器人系統(tǒng)。 1965 年約翰 霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室研制出 Beast 機(jī)器人。 Beast 已經(jīng)能通過(guò)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(jì) 60年代中期開(kāi)始，美國(guó)麻省理工學(xué)院、斯坦福大學(xué)、英國(guó)愛(ài)丁堡大學(xué)等陸續(xù)成立了機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室。美國(guó)興起研究第二代帶傳感器、 “ 有感覺(jué) ” 的機(jī)器人，并向人工智能進(jìn)發(fā)。 1968 年 美國(guó)斯坦福研究所公布他們研發(fā)成功的機(jī)器人 Shakey。它帶有視覺(jué)傳感器，能根據(jù)人的指令發(fā)現(xiàn)并抓取積木 ,不過(guò)控制它的計(jì)算機(jī)有一個(gè)房間那么大。 Shakey 可以算是世界第一臺(tái)智能機(jī)器人，拉開(kāi)了第三代機(jī)器人研發(fā) 的序幕。 1969 年 日本早稻田大學(xué)加藤一郎實(shí)驗(yàn)室研發(fā)出第一臺(tái)以雙腳走路的機(jī)器人。加藤一郎長(zhǎng)期致力于研究仿人機(jī)器人，被譽(yù)為 “ 仿人機(jī)器人之父 ” 。日本專(zhuān)家一向以研發(fā)仿人機(jī)器人和娛樂(lè)機(jī)器人的技術(shù)見(jiàn)長(zhǎng)，后來(lái)更進(jìn)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(jī)器人和小型計(jì)算機(jī)攜手合作，就誕生了美國(guó) Cincinnati Milacron 公司的機(jī)器人 T3。 1978 年 美國(guó) Unimation 公司推出通用工業(yè)機(jī)器人 PUMA，這標(biāo)志著工業(yè)機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)蘭州 交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(jī)器人 Helpmate，這種機(jī)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(jī)器人擦地板，做飯，出去幫我洗車(chē)，檢查安全 ” 。 1998 年 丹麥樂(lè)高公司推出機(jī)器人 (Mindstorms)套件，讓機(jī)器人制造變得跟搭積木一樣，相對(duì)簡(jiǎn)單又能任意拼裝，使機(jī)器人開(kāi)始走入個(gè)人世界。 1999 年 日本索尼公司推出犬型機(jī)器人愛(ài)寶 (AIBO)，當(dāng)即銷(xiāo)售一空，從此娛樂(lè)機(jī)器人成為目前機(jī)器人邁進(jìn)普通家庭的途徑之一。 2021 年 丹麥 iRobot 公司推出了吸塵器機(jī)器人 Roomba，它能避開(kāi)障礙，自動(dòng)設(shè)計(jì)行進(jìn)路線，還能在電量不足時(shí)，自動(dòng)駛向充電座。 Roomba 是目前世界上銷(xiāo)量最大、最商業(yè)化的家用機(jī)器人。 2021 年 6 月，微軟公司推出 Microsoft Robotics Studio，機(jī)器人模塊化、平臺(tái)統(tǒng)一化的趨勢(shì)越來(lái)越明顯，比爾 蓋茨預(yù)言，家用機(jī)器人很快將席卷全球。 管道機(jī)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(guó)民經(jīng)濟(jì)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(guò)程中，由于各種外界因素的影響，會(huì)形成各種各樣的管道故障與管道損傷。如果不及時(shí)對(duì)管道檢測(cè)、維修及清洗就可能會(huì)產(chǎn)生事故，形成不必要的損失和浪費(fèi)。然而，管道所處的環(huán)境往往是人們不易直接達(dá)到或不允許人們直接進(jìn)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(jī)器人來(lái)實(shí)現(xiàn)管道內(nèi)的在線檢測(cè)、維修和清洗。 管內(nèi)機(jī)器人是一種可沿管道自動(dòng)行走，攜有一種或多種傳感器件和作業(yè)機(jī)構(gòu)，在遙控操作或計(jì)算機(jī)控制下能在極其惡劣的環(huán)境中進(jìn)行一系列管道作業(yè)的機(jī)電一體化系統(tǒng)。 國(guó)外管道機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀 對(duì)較 長(zhǎng)距離管道的直接檢測(cè)、清理技術(shù)的研究始于本世紀(jì) 50 年代美、英、法、德、日等國(guó)，受當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平的限制，主要成果是無(wú)動(dòng)力的管內(nèi)檢測(cè)清理設(shè)備一 PIG，由于 PIG 本身沒(méi)有行走能力，其移動(dòng)速度、檢測(cè)區(qū)域均不易控制，所以不能算作管內(nèi)機(jī)器人。 70 年代以后，石油、化工、天然氣及核工業(yè)