【文章內(nèi)容簡介】 業(yè)機(jī)器人的廠家有很多，具有代表性有，ABB、FANUC、Adept和kuka等。下面主要介紹幾個(gè)著名的國外公司：（1） 瑞典的ABB Robotics公司ABB公司是世界上最大的機(jī)器人制造公司。1974年，ABB公司研發(fā)了全球第一臺全電控式工業(yè)機(jī)器人IRB6，主要應(yīng)用于工件的取放和物料的搬運(yùn)。1975年，生產(chǎn)出第一臺焊接機(jī)器人。到1980年兼并Trallfa噴漆機(jī)器人公司后，機(jī)器人產(chǎn)品趨于完備。至2002年，ABB公司銷售的工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)突破10萬臺，是世界上第一個(gè)突破10萬臺的廠家。ABB公司制造的工業(yè)機(jī)器人廣泛應(yīng)用在焊接、裝配、鑄造、密封涂膠、材料處理、包裝、噴漆、水切割等領(lǐng)域。（2） 日本安川電機(jī)公司安川電機(jī)（Yaskawa Electric Co.），自1977安川電機(jī)年研制出第一臺全電動工業(yè)機(jī)器人以來，已有28年的機(jī)器人研發(fā)生產(chǎn)的歷史，旗下?lián)碛蠱otoman美國、瑞典、德國以及Synetics Solutions美國公司等子公司，至今共生產(chǎn)13 萬多臺機(jī)器人產(chǎn)品，而最近2年生產(chǎn)的機(jī)器人3萬多臺，超過了其他的機(jī)器人制造公司。2005年4月，該公司宣布將投資4億日元，建造一個(gè)新的機(jī)器人制造廠，于11月運(yùn)行，2006年1月達(dá)到滿負(fù)荷生產(chǎn)。屆時(shí)，該公司每月工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)能力將達(dá)到2000臺。其核心的工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品包括：點(diǎn)焊和弧焊機(jī)器人、油漆和處理機(jī)器人、LCD玻璃板傳輸機(jī)器人和半導(dǎo)體晶片傳輸機(jī)器人等。是將工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用到半導(dǎo)體生產(chǎn)領(lǐng)域的最早的廠商之一。2004年機(jī)器人銷售收入為1051億日元，占該公司營業(yè)總收入3096億日元的34%。（3） 日本FANUC公司FANUC公司的前身致力于數(shù)控設(shè)備和伺服系統(tǒng)的研制和生產(chǎn)。1972年，從日本富士通公司的計(jì)算機(jī)控制部門獨(dú)立出來，成立了FANUC公司。FANUC公司包括兩大主要業(yè)務(wù)，一是工業(yè)機(jī)器人，二是工廠自動化。2004年，F(xiàn)ANUC公司的營業(yè)總收入為2648億日元，其中工業(yè)機(jī)器人（包括注模機(jī)產(chǎn)品）銷售收入為1367億日元，%。其最新開發(fā)的工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品有：R2000iA系列多功能智能機(jī)器人。具有獨(dú)特的視覺和壓力傳感器功能，可以將隨意堆放的工件檢起，并完成裝配。Y4400LDiA高功率LD YAG激光機(jī)器人。 YAG激光振蕩器，具有更高的效率和可靠性。（4） 德國KUKA Roboter Gmbh公司KUKA Roboter Gmbh公司位于德國奧格斯堡，是世界幾家頂級工業(yè)機(jī)器人制造商之一，1973年研制開發(fā)了KUKA的第一臺工業(yè)機(jī)器人。該公司工業(yè)機(jī)器人年產(chǎn)量接近1萬臺，至今已在全球安裝了6萬臺工業(yè)機(jī)器人。這些機(jī)器人廣泛應(yīng)用在儀器、汽車、航天、食品、制藥、醫(yī)學(xué)、鑄造、塑料等工業(yè)上。主要應(yīng)用材料處理、機(jī)床裝料、裝配、包裝、堆垛、焊接、表面修整等領(lǐng)域。（5） 意大利COMAU公司COMAU公司從1978年開始研制和生產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人，至今已有25年的歷史。獲得ISO900ISO14000以及福特公司的Q1認(rèn)證。其機(jī)器人產(chǎn)品包括Smart系列多功能機(jī)器人和MAST系列龍門焊接機(jī)器人，廣泛用于汽車制造、鑄造、家具、食品、化工、航天、印刷等行業(yè)。，其中機(jī)器人產(chǎn)品的銷售額占6%。2） 空間機(jī)械手空間機(jī)械臂是一個(gè)機(jī)、電、熱、控一體化的高集成度的空間機(jī)電系統(tǒng)。隨著空間技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是空間站、航人飛機(jī)、空間機(jī)器人等的誕生及成功應(yīng)用，空間機(jī)械臂作為在軌支持、服務(wù)的一項(xiàng)關(guān)鍵性技術(shù)己經(jīng)進(jìn)入太空，并越來越受到人們的關(guān)注?？臻g機(jī)械臂有艙內(nèi)和艙外兩大類。艙內(nèi)機(jī)械臂通常尺寸不大、運(yùn)動范圍有限，主要完成艙內(nèi)裝配、更換部件、對漂浮物體的抓取等。艙外機(jī)械臂長從幾米到十幾米不等，針對不同任務(wù)的需求自由度從5個(gè)到10個(gè)不等，安裝載體有航天飛機(jī)、空間站、以及小型飛行器或空間機(jī)器人。它主要完成輔助對接、目標(biāo)搬運(yùn)、在軌建設(shè)、攝像、對衛(wèi)星等空間合作或非合作目標(biāo)的捕獲釋放等，此外還可以作為航天員出艙活動的輔助設(shè)備[9]。圖 12 “國際空間站”美國艙上的MSS圖 13 “國際空間站”俄羅斯艙上的ERA3） 輕便服務(wù)型機(jī)械臂由于機(jī)械臂技術(shù)應(yīng)用的普及，很多地方都能看到它的身影，與以往不同的是，現(xiàn)在使用機(jī)械臂的場合發(fā)生了變化，以前的機(jī)械臂多以工業(yè)機(jī)器人為主，其工作任務(wù)和用途比較單一，一旦程序編寫以后就不需要人工修改。但現(xiàn)在機(jī)械臂要服務(wù)于很多場合的很多任務(wù)，所以開發(fā)較為智能能應(yīng)用于各種環(huán)境的輕便行機(jī)械臂變的尤其重要。如圖14，這款機(jī)械臂既能幫人倒飲料，又能通過視覺伺服進(jìn)行裝配工作[9]。圖 14 不同的工作任務(wù)國外的各類型機(jī)械臂雖然在各自的領(lǐng)域已經(jīng)達(dá)到了很高的水平，基本上到達(dá)了第二代機(jī)器人所蘊(yùn)涵的標(biāo)準(zhǔn)，但是比起第三代所定義的自律機(jī)器人來說，還有很大的距離，研究還需要繼續(xù)下去。 國內(nèi)機(jī)械手研究現(xiàn)狀我國機(jī)器人的研究和開發(fā)可追溯到六十年代，概括而言，其發(fā)展歷程可以人致分為如下三個(gè)階段[17,18]。第一階段（19871993）：以三種類型五個(gè)型號機(jī)器人的研究開發(fā)為戰(zhàn)略目標(biāo)，跟蹤國外機(jī)器人高技術(shù)的發(fā)展，確定了自動化領(lǐng)域2000年最終戰(zhàn)略目標(biāo)，其中智能機(jī)器人包括三種類型的目標(biāo)產(chǎn)品，即智能型裝配機(jī)器人、水深300米以下的無纜自治式水下機(jī)器人及自治式移動機(jī)器人。1986年我國開展了“七五”機(jī)器人攻關(guān)計(jì)劃，1987年“863”高技術(shù)計(jì)劃將機(jī)器人方面的研究開發(fā)列入其中。最初我國在機(jī)器人方面的研究主要目的是跟蹤國際先進(jìn)的機(jī)器人技術(shù)，之后我國在機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用方面取得了很大成就，主要研究成果有：哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的兩足步行機(jī)器人；北京自動化研究所1993年研制的噴涂機(jī)械臂等。圖 15 裝配機(jī)器人第二階段（19931997）：將機(jī)器人技術(shù)滲透、應(yīng)用到國民經(jīng)濟(jì)各行業(yè)，直接為國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)服務(wù)作為這一階段的主要戰(zhàn)略目標(biāo)，確定了以特種機(jī)器人與工業(yè)機(jī)器人及其應(yīng)用并重、以應(yīng)用帶動機(jī)器人目標(biāo)產(chǎn)品開發(fā)、以應(yīng)用帶動關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用基礎(chǔ)研究、以應(yīng)用帶動系統(tǒng)集成技術(shù)與關(guān)鍵部件突破的發(fā)展方針，努力推動科技成果轉(zhuǎn)化，使機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展成為高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)源頭，直接為國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)主戰(zhàn)場服務(wù)。主要研究成果有：北京自動化研究所1995年完成的高壓水切割機(jī)器人；國家開放實(shí)驗(yàn)和研究單位沈陽自動化研究所完成的有纜深潛300米機(jī)器人、無纜深潛機(jī)器人、遙控移動作業(yè)機(jī)器人等。第三階段（1997現(xiàn)在）在繼續(xù)實(shí)施第二階段戰(zhàn)略目標(biāo)的同時(shí)，提出中國機(jī)器人事業(yè)可持續(xù)發(fā)展的新的戰(zhàn)略目標(biāo)，采取多種措施，大力加強(qiáng)基地與隊(duì)伍建設(shè)，特別是機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，積極做好“十五”與計(jì)劃的銜接。主要研究成果有國防科技大學(xué)研制的兩足類人機(jī)器人，圖17是北京航空航天大學(xué)研制的三指靈巧手，華南理工大學(xué)研制的點(diǎn)焊、弧焊機(jī)器人及各種機(jī)器人裝配系統(tǒng)、哈爾濱工程大學(xué)研制的蒸汽發(fā)生器檢修機(jī)械臂[9]。圖 16 水下機(jī)器人圖 17 北航三指靈巧手國內(nèi)主要機(jī)器人公司如下：1）首鋼莫托曼機(jī)器人有限公司首鋼莫托曼機(jī)器人有限公司由中國首鋼總公司、日本株式會社安川電機(jī)和日本巖谷產(chǎn)業(yè)株式會社共同投資組建，三方出資比例分別為45%、43%和12%，引進(jìn)日本株式會社安川電機(jī)最新UP系列機(jī)器人生產(chǎn)技術(shù)生產(chǎn)“SGMOTOMAN”機(jī)器人，并設(shè)計(jì)制造應(yīng)用于汽車、摩托車、工程機(jī)械、化工等行業(yè)的焊接、噴漆、裝配、研磨、切割和搬運(yùn)等領(lǐng)域的機(jī)器人、機(jī)器人工作站等。是目前國內(nèi)最大、最先進(jìn)的機(jī)器人生產(chǎn)基地，年生產(chǎn)能力為800臺。2）中國新松機(jī)器自動化股份有限公司沈陽新松機(jī)器人自動化股份有限公司由中國科學(xué)院沈陽自動化所為主發(fā)起人投資組建的高技術(shù)公司。是“機(jī)器人國家工程研究中心”、“國家八六三計(jì)劃智能機(jī)器人主題產(chǎn)業(yè)化基地”、“國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃成果產(chǎn)業(yè)化基地”、“國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃成果產(chǎn)業(yè)化基地”。該公司在國內(nèi)率先通過ISO9001國際質(zhì)量保證體系認(rèn)證的機(jī)器人企業(yè)，并在《福布斯》2005年最新發(fā)布的中國潛力100榜上名列第48位。其產(chǎn)品包括：rh6弧焊機(jī)器人、rd120點(diǎn)焊機(jī)器人及水切割、激光加工、排險(xiǎn)、澆注等特種機(jī)器人。總之，國內(nèi)機(jī)械臂技術(shù)跟國外的機(jī)械臂相比還有很大的差距，還需要我們投入更多的精力、人力和財(cái)力去研究。 機(jī)械手的控制系統(tǒng)及其仿真技術(shù)的研究現(xiàn)狀分析一個(gè)機(jī)械臂系統(tǒng)，可謂是一個(gè)項(xiàng)系統(tǒng)工程。它涉及的學(xué)科有材料科學(xué)、控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、通訊技術(shù)、人工智能和仿生學(xué)等等很多學(xué)科。具體到設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)械臂系統(tǒng)，需要考慮機(jī)械設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、運(yùn)動學(xué)分析、動力學(xué)分析、軌跡規(guī)劃研究、路徑規(guī)劃研究、運(yùn)動學(xué)動力學(xué)仿真等部分。 控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀對于一個(gè)機(jī)器臂控制系統(tǒng)，需要對多臺電機(jī)進(jìn)行聯(lián)動控制。為了實(shí)現(xiàn)多臺電機(jī)之間的通信和控制，必須建立一套數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)來完成主計(jì)算機(jī)與各運(yùn)動控制單元間的數(shù)據(jù)交換。一般控制系統(tǒng)有中央式和分布式的體系結(jié)構(gòu)。中央式的體系結(jié)構(gòu)是比較傳統(tǒng)的運(yùn)動控制方法，但這種控制體系隨著工業(yè)控制系統(tǒng)復(fù)雜性的增加，固有的缺點(diǎn)也就逐漸暴露出來。比如當(dāng)需要控制的節(jié)點(diǎn)不斷增加，需要反饋的傳感器信號不斷增多時(shí)，如果處理信息和產(chǎn)生控制信號都由一個(gè)中央處理器來完成，那么對它來說是不堪重負(fù)的。一旦中央控制器出現(xiàn)故障，將對整個(gè)生產(chǎn)裝置甚至整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)帶來嚴(yán)重的影響。另外由于這種體系結(jié)構(gòu)線路復(fù)雜，給日常維護(hù)帶來了很大的難度。所以這種體系結(jié)構(gòu)已經(jīng)用的很少了。隨著基于現(xiàn)場總線的分布式控制技術(shù)的提出，一舉攻破了中央式的體系結(jié)構(gòu)不能解決的難題。它是將處理信息和產(chǎn)生控制信號的任務(wù)分配給各個(gè)控制節(jié)點(diǎn)的微處理器來完成，中央處理器只需要和各個(gè)控制節(jié)點(diǎn)上的微處理器通過現(xiàn)場總線連接以及完成一些機(jī)械臂運(yùn)動學(xué)算法，即可完成對整個(gè)系統(tǒng)的控制，這樣做可以極大的簡化控制設(shè)備，減少了系統(tǒng)控制的復(fù)雜性，降低了成本，并且提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。目前在機(jī)器臂領(lǐng)域常用的現(xiàn)場總線有RS485總線，USB總線，SERCOS總線和CAN總線等。 仿真研究現(xiàn)狀仿真是近30年在系統(tǒng)科學(xué)、系統(tǒng)識別、控制理論、計(jì)算技術(shù)和控制工程等多種技術(shù)發(fā)展基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一門綜合性很強(qiáng)的新興技術(shù)。在計(jì)算機(jī)面世以前，仿真只是局限于用物理模型來模仿實(shí)際系統(tǒng)的物理仿真。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、計(jì)算方法的發(fā)展，人們建立數(shù)學(xué)模型的能力、計(jì)算機(jī)求解復(fù)雜模型的能力以及存儲能力都得到了顯著加強(qiáng)，系統(tǒng)仿真也逐步過渡到數(shù)字仿真，圖形仿真，繼而到虛擬現(xiàn)實(shí)。計(jì)算機(jī)成了系統(tǒng)仿真中不可或缺的工具。因此，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)仿真就是，以計(jì)算機(jī)為工具，以相似原理、仿真技術(shù)、系統(tǒng)技術(shù)及其應(yīng)用領(lǐng)域有關(guān)的專業(yè)技術(shù)為基礎(chǔ)，利用系統(tǒng)模型對實(shí)際的或設(shè)想的系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)研究的一門綜合性技術(shù)。它集成了當(dāng)代科學(xué)技術(shù)中的多種現(xiàn)代化頂尖手段，正在極大地?cái)U(kuò)大著人類的視野、時(shí)限和能力，在科學(xué)領(lǐng)域里產(chǎn)生著日益重要的作用。目前，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)仿真已廣泛地應(yīng)用于航空航天、通信、交通、化工、軍事、生物、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，其重要性已廣為人知。機(jī)器人的仿真研究已經(jīng)成為機(jī)器人學(xué)中一個(gè)引人矚目的領(lǐng)域,而機(jī)械臂三維運(yùn)動仿真是機(jī)器人仿真研究中一個(gè)很重要的組成部分。機(jī)械臂仿真有各種方式，比如可以用MATLAB，ADAMS等這些平臺進(jìn)行運(yùn)動仿真，都能達(dá)到一定的效果。Corke P I在MATLAB平臺下開發(fā)了ROBOTICS工具箱，能夠通過函數(shù)實(shí)現(xiàn)簡單的運(yùn)動學(xué)仿真[9]。 主要研究內(nèi)容設(shè)計(jì)一套機(jī)械臂需要考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、運(yùn)動學(xué)分析、動力學(xué)分析、軌跡規(guī)劃研究、運(yùn)動學(xué)動力學(xué)仿真等部分。本文從實(shí)際情況出發(fā)，從硬件系統(tǒng)、運(yùn)動學(xué)分析、軌跡規(guī)劃和三維仿真工具開發(fā)這四大部分對機(jī)械臂系統(tǒng)進(jìn)行了研究。每個(gè)部分又細(xì)分為各個(gè)研究點(diǎn)。如圖18所示。圖 18 機(jī)械臂系統(tǒng)研究方案圖本課題包括以下五章：第一章 ：緒論部分，首先介紹了課題的研究背景及意義；再從機(jī)器人的歷史的發(fā)展和當(dāng)前世界各國的機(jī)器人發(fā)展?fàn)顩r兩個(gè)方面介紹了機(jī)器人這一充滿機(jī)遇的產(chǎn)業(yè)；最后，討論了一些與機(jī)器人相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)而從技術(shù)角度進(jìn)一步介紹了機(jī)器人。第二章 ：介紹了機(jī)械臂的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識，運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)DH坐標(biāo)進(jìn)行建立數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行數(shù)學(xué)分析。然后對機(jī)械臂的正運(yùn)動學(xué)和逆運(yùn)動學(xué)進(jìn)行了分析，對機(jī)械臂的運(yùn)動學(xué)有了一定的基礎(chǔ)了解。最后，使用基于MATLAB平臺下的Robotics Toolbox對正運(yùn)動學(xué)分析和逆運(yùn)動學(xué)分析進(jìn)行驗(yàn)證。第三章 ：利用SolidWorks建模，得到三維的機(jī)械臂外觀模型。然后定義材料，計(jì)算機(jī)械臂的各種特征參數(shù)，對所需電機(jī)的扭矩和功率進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而對機(jī)械臂的關(guān)節(jié)電機(jī)進(jìn)行選取，完成本課題的硬件部分。第四章 ：利用Proteus和Keil對控制系統(tǒng)進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，利用AT89C51控制步進(jìn)電機(jī)，上位機(jī)與單片機(jī)進(jìn)行通信，從而實(shí)現(xiàn)像電腦輸入命令，通過單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的要求。此外，利用Keil軟件對所需程序進(jìn)行編寫，得到可以直接燒制在單片機(jī)中的程序。第五章 ：利用Proteus和Keil聯(lián)合仿真，在個(gè)人電腦上進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)和控制程序可以實(shí)現(xiàn)。最后，對機(jī)器人的前景和發(fā)展做出一些個(gè)人的看法，明確機(jī)器人研究的重要性。2 機(jī)械臂的基礎(chǔ)知識 引言機(jī)械手是機(jī)器人系統(tǒng)的機(jī)械運(yùn)動部分。作為自動化工具的機(jī)械手，它具有如下特點(diǎn)：它的執(zhí)行機(jī)構(gòu)足用來保證復(fù)雜空間運(yùn)動的綜合剛體，而且它自身也往往需要在機(jī)械加工或裝配等過程中作為統(tǒng)一體進(jìn)行運(yùn)動。因此，我們需要一種用以描述單一剛體位移、速度和加速度以及動力學(xué)問題的有效而又方便的數(shù)學(xué)方法。這種數(shù)學(xué)描述方法不是惟一的，不同的人可能采用不同的方法。我們將采用矩陣法來描述機(jī)器人機(jī)械手的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)問題。這種數(shù)學(xué)描述是以四階方陣變換三維空間點(diǎn)的齊次坐標(biāo)為基礎(chǔ)的，能夠?qū)⑦\(yùn)動、變換和映射與矩陣運(yùn)算聯(lián)系起來。 機(jī)械手的位姿描述 位置描述建立了一個(gè)坐標(biāo)系，我們就能夠用某個(gè)31位置矢量來確定該空間內(nèi)任一點(diǎn)的位置,對于直角坐標(biāo)系{A}，如圖31所示，空間任一點(diǎn)p的位置可用列矢量表示，其中，是點(diǎn)p在坐標(biāo)系{A}中的三個(gè)坐標(biāo)分量。我們稱為位置矢量[9]。圖 21 位置矢量 方位描述為了研究機(jī)器人的運(yùn)動與操作，往往不僅要表示空間某個(gè)點(diǎn)的位置，而且要表示物體的方位。物體的方位可由某個(gè)固接于此物體的坐標(biāo)系描述。為了規(guī)定空間某剛體B的方位，設(shè)置一直角坐標(biāo)系{B}與此剛體固接。用坐標(biāo)系{B}的三個(gè)單位主矢量，相對于參考坐標(biāo)系{A}的方向余