【文章內(nèi)容簡介】 手部、腕部、臂部）構(gòu)成了機器人的主體；動力裝置與傳動機構(gòu)組成了機器人的驅(qū)動系統(tǒng)；控制系統(tǒng)主要是根據(jù)輸入程序?qū)︱?qū)動系統(tǒng)和主體發(fā)出各種指令集進行控制。 工業(yè)機器人按照不同的分類方式可分為不同的種類： 按臂部運動形式：工業(yè)機器人按照臂部運 動形式可分為四類，直角坐標型的臂部可沿三個直角坐標移動；圓柱坐標型的臂部可作升降、回轉(zhuǎn)和伸縮動作； 球坐標型的臂部能回轉(zhuǎn)、俯仰和伸縮；關(guān)節(jié)型的臂部有多個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)。 按執(zhí)行機構(gòu)運動的控制機能 ：可分為兩類，點位型和連續(xù)軌跡型。點位型指的是控制其執(zhí)行機構(gòu)由一點到另一點的精確定位，通常適用于上下料機構(gòu)，一般電焊、搬運、裝卸等；連續(xù)型可實現(xiàn)按照輸入程序指定的軌跡連續(xù)作業(yè)，通常適用于涂裝；連續(xù)焊接等。 按 程序輸入方式 ：可分為編程輸入型和示教輸入型兩類。編程輸入型指可通過串口或以太網(wǎng)通信方式將計算機中已編好程序文件傳送至 機器人控制柜；而示教輸入型指的就是示教再現(xiàn)型工業(yè)機器人。 智能型工業(yè)機器人指能夠在復雜環(huán)境下工作，且具備觸覺、力覺或簡單視覺以及識別功能或進一步增加自適應(yīng)、學習等功能的復雜機器人。 附圖： 執(zhí) 行 機 構(gòu)機器人控 制 系 統(tǒng)驅(qū) 動 傳 動 系 統(tǒng)手 部腕 部臂 部腰 部基 座 部 （ 固 定 或 移 動 ）電 、 液 或 氣 驅(qū) 動 裝 置單 關(guān) 節(jié) 伺 服 控 制 器關(guān) 節(jié) 協(xié) 調(diào) 及 其 它 信 息 交 換計 算 機 圖 11 機器人一般構(gòu)成 位 形 檢 測控 制 系 統(tǒng) （ 二 ）驅(qū) 動傳 動裝 置執(zhí) 行機 構(gòu)工 作 對 象智 能 系 統(tǒng)控 制 系 統(tǒng) （ 一 ） 圖 12 機器人各部分間相互關(guān)系 應(yīng)用 在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，工業(yè)機器人不僅能夠代替人類做很多單調(diào)、頻繁、重復的長時間作業(yè)任務(wù)，還能有效承擔高風險，極端惡劣環(huán)境 下的作業(yè)，例如在原子能領(lǐng)域，完成有害核廢料的搬運或處理工作。 20 世紀 50 年代末，美國在機械手和操作機的基礎(chǔ)上，采用伺服機構(gòu)和自動控制等技術(shù)，研制出有通用性的獨立的工業(yè)用自動操作裝置，并將其稱為工業(yè)機器人； 60 年代初，美國研制成功兩種工業(yè)機器人，并很快地在工業(yè)生產(chǎn)中得到應(yīng)用； 1969 年，美國通用汽車公司用 21 臺工業(yè)機器人組成了焊接轎車車身的自動生產(chǎn)線。此后，各工業(yè)發(fā)達國家都很重視研制和應(yīng)用工業(yè)機器人。 由于工業(yè)機器人具有一定的通用性和適應(yīng)性，能適應(yīng)多品種中、小批量的生產(chǎn)， 70年代起，常與數(shù)字控制機床結(jié)合在一 起，成為柔性制造單元或柔性制造系統(tǒng)的組成部分。 國內(nèi)外發(fā)展狀況 國外發(fā)展 1954 年，美國人戴沃爾最早提出了工業(yè)機器人的概念，并申請了專利。該專利要點為借助伺服技術(shù)控制機器人的關(guān)節(jié)，利用人手對機器人進行動作示教，使其實現(xiàn)動作的記錄和再現(xiàn)，被稱為示教在現(xiàn)機器人，現(xiàn)有機器人基本上都是該控制方式。 1958 年，被譽為“工業(yè)機器人之父”的 Joseph Berger 創(chuàng)建了世界上第一個機器人公司 —— Unimation 公司，并參與設(shè)計了第一臺 Unimate 機器人。這是一臺用于壓鑄作業(yè)的五軸液壓驅(qū) 動機器人，手臂控制由一臺專用計算機完成。它采用分離式固體數(shù)控元件，并裝有存儲信息的磁鼓，能夠記憶和完成 180 個工作步驟。與此同時，另一家美國公司 —— AMF 公司也開始研制工業(yè)機器人。它主要用于機器之間的物料運輸，采用液壓驅(qū)動。該機器人的手臂可以繞底座回轉(zhuǎn)，沿垂直方向升降，也可以沿半徑方向伸縮。一般認為，這兩種機器人是世界上最早的工業(yè)機器人。隨著計算機技術(shù)和人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展，機器人在功能和技術(shù)層次上有了很大的提高，移動機器人和機器人的視覺與觸覺就是典型的代表。這些技術(shù)的發(fā)展推動了機器人概念的延伸。 20 世紀 80 年代，將具有感覺、思考、決策和動作能力的系統(tǒng)稱之為智能機器人。水下機器人、空間機器人、空中機器人、地面機器人、微小型機器人等各種用途的機器人相繼問世，許多夢想成為了現(xiàn)實。將機器人的技術(shù)擴散和滲透到各個領(lǐng)域，便形成了各式各樣的新機器 —— 機器人化機器。當前，與信息技術(shù)的交互和融合又產(chǎn)生了“軟件機器人”、“網(wǎng)絡(luò)機器人”的名稱，這也說明了機器人所具有的創(chuàng)新活力。美國的機器人技術(shù)一直處于世界領(lǐng)先水平。在 1967—1974 年的幾年時間里，由于政府對機器人發(fā)展重視度不夠，且機器人處于發(fā)展初期， 價格昂貴，適用性不強，所 以發(fā)展緩慢。此后，由于美國機器人協(xié)會、制造工工程師協(xié)會積極主動的進行機器人技術(shù)推廣工作，且美國為了高效生產(chǎn)，適應(yīng)市場多變的需求，以機器人為核心的柔性自動化生產(chǎn)線恰好有這些優(yōu)點，所以機器人技術(shù)得以迅猛發(fā)展。 日本機器人的發(fā)展經(jīng)過了 20 世紀 60 年代的搖籃期， 70 年代的實用化時期，以及 80年代的普及、提高期 3 個基本階段。在 1967 年，日本東京機械貿(mào)易公司首次從美國引進機器人。 1968 年，日本川崎重工業(yè)公司與美國 Unimation 公司締結(jié)國際技術(shù)合作協(xié)議，引進機器人。 1970 年，日本機器人實現(xiàn)國產(chǎn)化。從此，日本進入 了開發(fā)和應(yīng)用機器人時期。幾年后，美國反而要向日本進口機器人。 1983 年，美國從日本進口機器人占進口機器人總數(shù)的 78%。日本政府和企業(yè)一直充分信任機器人，大膽使用機器人。在解決勞動力不足、提高生產(chǎn)率、改進產(chǎn)品質(zhì)量、降低產(chǎn)品成本方面，機器人發(fā)揮著越來越顯著的作用，成為日本保持經(jīng)濟增長速度和產(chǎn)品競爭能力的不可缺少的隊伍。日本在汽車、電子行業(yè)大量使用機器人生產(chǎn)，是日本汽車及電子產(chǎn)品生產(chǎn)量猛增，質(zhì)量日益提高，而制造成本則大幅降低，從而使日本汽車能夠以廉價的絕對優(yōu)勢進軍號稱“汽車王國”的美國市場。據(jù)統(tǒng)計， 2021 年日本 機器人的銷售額為 5850 億日元，其中出口額達到 3730 億日元。日本推動機器人發(fā)展的主要原因是向海外發(fā)展的日本企業(yè)數(shù)量逐漸增加，同時海外的汽車制造商也開始積極地引進日本機器人?，F(xiàn)在，日本機器人主要用于汽車制造業(yè)和電子機械產(chǎn)業(yè)，而電子機械產(chǎn)品中的電子零件封裝、半導體封裝、無塵室、組裝等領(lǐng)域占了日本機器人銷售額的一半。現(xiàn)在日本擁有機器人的總量為美國的 7 倍。 國內(nèi)發(fā)展 我國工業(yè)機器人起步于上世紀 1970 年初期，經(jīng)過 20 多年的發(fā)展，大致經(jīng)歷了 3 個階段： 70 年代的萌芽期， 80 年代的開發(fā)期和 90 年代的適用化期 。 1970 年我國也發(fā)射了人造衛(wèi)星。世界上工業(yè)機器人應(yīng)用掀起一個高潮，尤其在日本發(fā)展更為迅猛，它補充了日益短缺的勞動力。在這種背景下，我國于 1972 年開始研制自己的工業(yè)機器人。 進入80 年代后，在高技術(shù)浪潮的沖擊下，隨著改革開放的不斷深入，我國機器人技術(shù)的開發(fā)與研究得到了政府的重視與支持。“七五”期間，國家投入資金，對工業(yè)機器人及其零 部件進行攻關(guān)，完成了示教再現(xiàn)式工業(yè)機器人成套技術(shù)的開發(fā)，研制出了噴涂、點焊、弧焊和搬運機器人。 1986 年國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（ 863 計劃）開始實施，智能機器人主題跟蹤世界機器人技術(shù)的前沿，經(jīng)過幾年的研究，取得了一大批科研成果，成功地研制出了一批特種機器人。從 90 年代初期起，我國的國民經(jīng)濟進入實現(xiàn)兩個根本轉(zhuǎn)變時期，掀起了新一輪的經(jīng)濟體制改革和技術(shù)進步熱潮，我國的工業(yè)機器人又在實踐中邁進一大步，先后研制出了點焊、弧焊、裝配、噴漆、切割、搬運、包裝碼垛等各種用途的工業(yè)機器人，并實施了一批機器人應(yīng)用工程，形成了一 批機器人產(chǎn)業(yè)化基地，為我國機器人產(chǎn)業(yè)的騰飛奠定了基礎(chǔ)。雖然中國的工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)在不斷的進步中，但和國際同行相比，差距依舊明顯。從市場占有率來說，更無法相提并論。工業(yè)機器人很多核心技術(shù)，當前我們尚未掌握，這是影響我國機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個重要瓶頸。 工業(yè)機器人發(fā)展趨勢 智能化、仿生化是工業(yè)機器人的最高階段，隨著材料、控制等技術(shù)不斷發(fā)展，實驗室產(chǎn)品越來越多的產(chǎn)品化，逐步應(yīng)用 于 各個場合。伴隨移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，多傳感器、分布式控制的精密型工業(yè)機器人將會越來越多，逐步滲透制造業(yè)的方方面面，并且由制造實施型向服務(wù) 型轉(zhuǎn)化。 就目前總的發(fā)展形勢來看，工業(yè)機器人會有以下發(fā)展趨勢： (1)通過提高運動速度和運動精度，減少不必要的空間和質(zhì)量的占用；通過工業(yè)機器人功能部件模式化和標準化的加速，達到將其不同模塊統(tǒng)籌協(xié)調(diào)的目的； （ 2）為適應(yīng)不同場合作業(yè)任務(wù)的要求，必須設(shè)計研發(fā)出各種新型結(jié)構(gòu)的工業(yè)機器人，例如：為了達到精度要求而研發(fā)出微動機構(gòu)，為了達到機動靈活的目的而研發(fā)出多指靈巧手或移動是工業(yè)機器人； （ 3）為了讓其更好地適應(yīng)多變的外部環(huán)境，以期獲取更多外部信息，就需研發(fā)各種類型的傳感器和檢測元器件，包括視覺、觸覺、聽覺、味覺傳 感器以及距離檢測、壓力監(jiān)測、加速度檢測、陀螺儀等裝置，而且微機控制越來越成為主流的控制方式。 2 工業(yè)機器人試驗平臺及機械手設(shè)計 本設(shè)計的主要目的就是利用手頭上一部已經(jīng)報廢掉了的噴涂機器人，在此基礎(chǔ)上進行適當?shù)母脑旌蛣?chuàng)新，重新設(shè)計出一臺物料搬運機器人。其中重點部分就是機械手的設(shè)計。 機械手設(shè)計 機械手簡介 機械手是工業(yè)機器人的重要組成部分，是其直接執(zhí)行機構(gòu)，又稱為末端操作器，它是機器人直接用于抓取和握緊（吸附）專用工具（如噴頭、焊具、扳手、噴槍等）并進行操作的部件。它具有模仿人手動作的功能， 并安裝于機器人手臂的前端。 隨著近年來工業(yè)自動化水平的迅速發(fā)展，機械手正逐漸發(fā)展成為一門新興的學科，并且發(fā)展地越來越快，成為自動化領(lǐng)域中常見的控制對象。其不僅被廣泛地應(yīng)用于諸如噴漆、裝配、焊接、沖壓、鍛造等行業(yè)，而且在高溫、有毒、高放射性等惡劣環(huán)境中也經(jīng)常看到機械手的身影。由于機械手能夠有效地提高生產(chǎn)效率，改善勞動條件，減輕人類的勞動量，因此在工業(yè)自動化領(lǐng)域，機械手越來越受到人們的重視。 機械手分類 因為被握工件材質(zhì)、質(zhì)量、形狀、尺寸以及表面粗糙度等因素的差異，所以工業(yè)機器人機械手的種類是很繁多 的，我們可以大概地將其分為以下幾種： （ 1） 吸附式取料手； （ 2） 夾鉗式取料手； （ 3） 仿生多指靈巧手； （ 4） 專用轉(zhuǎn)換器及操作器； （ 5） 其他類機械手。 具體結(jié)構(gòu)設(shè)計 本次設(shè)計對象為自動送料工業(yè)機器人，只需設(shè)計出能從各個角度位置抓取物件的鉗形手爪，并不需要設(shè)計出結(jié)構(gòu)復雜的仿生多指靈巧手。 工業(yè)機器人機械手指直接與物件相接觸。通過手指的開閉來實現(xiàn)松開和加緊物件。本次設(shè)計使用兩根手指，其結(jié)構(gòu)外形如下圖所示： 圖 21 該工業(yè)機器人機械手指形狀 為了實現(xiàn)加緊和松開物料的目的，傳動機構(gòu)須向機械手指傳送動力或運動。我們可以根據(jù) 其張開、閉合的特征