【文章內容簡介】 業(yè)機器人的廠家有很多，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)機器人IRB6，主要應用于工件的取放和物料的搬運。1975年，生產出第一臺焊接機器人。到1980年兼并Trallfa噴漆機器人公司后，機器人產品趨于完備。至2002年，ABB公司銷售的工業(yè)機器人已經突破10萬臺，是世界上第一個突破10萬臺的廠家。ABB公司制造的工業(yè)機器人廣泛應用在焊接、裝配、鑄造、密封涂膠、材料處理、包裝、噴漆、水切割等領域。（2） 日本安川電機公司安川電機（Yaskawa Electric Co.），自1977安川電機年研制出第一臺全電動工業(yè)機器人以來，已有28年的機器人研發(fā)生產的歷史，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13 萬多臺機器人產品，而最近2年生產的機器人3萬多臺，超過了其他的機器人制造公司。2005年4月，該公司宣布將投資4億日元，建造一個新的機器人制造廠，于11月運行，2006年1月達到滿負荷生產。屆時，該公司每月工業(yè)機器人生產能力將達到2000臺。其核心的工業(yè)機器人產品包括：點焊和弧焊機器人、油漆和處理機器人、LCD玻璃板傳輸機器人和半導體晶片傳輸機器人等。是將工業(yè)機器人應用到半導體生產領域的最早的廠商之一。2004年機器人銷售收入為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)控設備和伺服系統(tǒng)的研制和生產。1972年，從日本富士通公司的計算機控制部門獨立出來，成立了FANUC公司。FANUC公司包括兩大主要業(yè)務，一是工業(yè)機器人，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)機器人（包括注模機產品）銷售收入為1367億日元，%。其最新開發(fā)的工業(yè)機器人產品有：R2000iA系列多功能智能機器人。具有獨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)機器人制造商之一，1973年研制開發(fā)了KUKA的第一臺工業(yè)機器人。該公司工業(yè)機器人年產量接近1萬臺，至今已在全球安裝了6萬臺工業(yè)機器人。這些機器人廣泛應用在儀器、汽車、航天、食品、制藥、醫(yī)學、鑄造、塑料等工業(yè)上。主要應用材料處理、機床裝料、裝配、包裝、堆垛、焊接、表面修整等領域。（5） 意大利COMAU公司COMAU公司從1978年開始研制和生產工業(yè)機器人，至今已有25年的歷史。獲得ISO900ISO14000以及福特公司的Q1認證。其機器人產品包括Smart系列多功能機器人和MAST系列龍門焊接機器人，廣泛用于汽車制造、鑄造、家具、食品、化工、航天、印刷等行業(yè)。，其中機器人產品的銷售額占6%。2） 空間機械手空間機械臂是一個機、電、熱、控一體化的高集成度的空間機電系統(tǒng)。隨著空間技術的飛速發(fā)展，特別是空間站、航人飛機、空間機器人等的誕生及成功應用，空間機械臂作為在軌支持、服務的一項關鍵性技術己經進入太空，并越來越受到人們的關注?？臻g機械臂有艙內和艙外兩大類。艙內機械臂通常尺寸不大、運動范圍有限，主要完成艙內裝配、更換部件、對漂浮物體的抓取等。艙外機械臂長從幾米到十幾米不等，針對不同任務的需求自由度從5個到10個不等，安裝載體有航天飛機、空間站、以及小型飛行器或空間機器人。它主要完成輔助對接、目標搬運、在軌建設、攝像、對衛(wèi)星等空間合作或非合作目標的捕獲釋放等，此外還可以作為航天員出艙活動的輔助設備[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） 輕便服務型機械臂由于機械臂技術應用的普及，很多地方都能看到它的身影，與以往不同的是，現(xiàn)在使用機械臂的場合發(fā)生了變化，以前的機械臂多以工業(yè)機器人為主，其工作任務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)在機械臂要服務于很多場合的很多任務，所以開發(fā)較為智能能應用于各種環(huán)境的輕便行機械臂變的尤其重要。如圖14，這款機械臂既能幫人倒飲料，又能通過視覺伺服進行裝配工作[9]。圖 14 不同的工作任務國外的各類型機械臂雖然在各自的領域已經達到了很高的水平，基本上到達了第二代機器人所蘊涵的標準，但是比起第三代所定義的自律機器人來說，還有很大的距離，研究還需要繼續(xù)下去。 國內機械手研究現(xiàn)狀我國機器人的研究和開發(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階段[17,18]。第一階段（19871993）：以三種類型五個型號機器人的研究開發(fā)為戰(zhàn)略目標，跟蹤國外機器人高技術的發(fā)展，確定了自動化領域2000年最終戰(zhàn)略目標，其中智能機器人包括三種類型的目標產品，即智能型裝配機器人、水深300米以下的無纜自治式水下機器人及自治式移動機器人。1986年我國開展了“七五”機器人攻關計劃，1987年“863”高技術計劃將機器人方面的研究開發(fā)列入其中。最初我國在機器人方面的研究主要目的是跟蹤國際先進的機器人技術，之后我國在機器人技術及應用方面取得了很大成就，主要研究成果有：哈爾濱工業(yè)大學研制的兩足步行機器人；北京自動化研究所1993年研制的噴涂機械臂等。圖 15 裝配機器人第二階段（19931997）：將機器人技術滲透、應用到國民經濟各行業(yè)，直接為國民經濟建設服務作為這一階段的主要戰(zhàn)略目標，確定了以特種機器人與工業(yè)機器人及其應用并重、以應用帶動機器人目標產品開發(fā)、以應用帶動關鍵技術和應用基礎研究、以應用帶動系統(tǒng)集成技術與關鍵部件突破的發(fā)展方針，努力推動科技成果轉化，使機器人技術的發(fā)展成為高技術產業(yè)化的技術源頭，直接為國民經濟建設主戰(zhàn)場服務。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器人；國家開放實驗和研究單位沈陽自動化研究所完成的有纜深潛300米機器人、無纜深潛機器人、遙控移動作業(yè)機器人等。第三階段（1997現(xiàn)在）在繼續(xù)實施第二階段戰(zhàn)略目標的同時，提出中國機器人事業(yè)可持續(xù)發(fā)展的新的戰(zhàn)略目標，采取多種措施，大力加強基地與隊伍建設，特別是機器人的產業(yè)化發(fā)展，積極做好“十五”與計劃的銜接。主要研究成果有國防科技大學研制的兩足類人機器人，圖17是北京航空航天大學研制的三指靈巧手，華南理工大學研制的點焊、弧焊機器人及各種機器人裝配系統(tǒng)、哈爾濱工程大學研制的蒸汽發(fā)生器檢修機械臂[9]。圖 16 水下機器人圖 17 北航三指靈巧手國內主要機器人公司如下：1）首鋼莫托曼機器人有限公司首鋼莫托曼機器人有限公司由中國首鋼總公司、日本株式會社安川電機和日本巖谷產業(yè)株式會社共同投資組建，三方出資比例分別為45%、43%和12%，引進日本株式會社安川電機最新UP系列機器人生產技術生產“SGMOTOMAN”機器人，并設計制造應用于汽車、摩托車、工程機械、化工等行業(yè)的焊接、噴漆、裝配、研磨、切割和搬運等領域的機器人、機器人工作站等。是目前國內最大、最先進的機器人生產基地，年生產能力為800臺。2）中國新松機器自動化股份有限公司沈陽新松機器人自動化股份有限公司由中國科學院沈陽自動化所為主發(fā)起人投資組建的高技術公司。是“機器人國家工程研究中心”、“國家八六三計劃智能機器人主題產業(yè)化基地”、“國家高技術研究發(fā)展計劃成果產業(yè)化基地”、“國家高技術研究發(fā)展計劃成果產業(yè)化基地”。該公司在國內率先通過ISO9001國際質量保證體系認證的機器人企業(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。其產品包括：rh6弧焊機器人、rd120點焊機器人及水切割、激光加工、排險、澆注等特種機器人?？傊?，國內機械臂技術跟國外的機械臂相比還有很大的差距，還需要我們投入更多的精力、人力和財力去研究。 機械手的控制系統(tǒng)及其仿真技術的研究現(xiàn)狀分析一個機械臂系統(tǒng)，可謂是一個項系統(tǒng)工程。它涉及的學科有材料科學、控制技術、傳感器技術、計算機技術、微電子技術、通訊技術、人工智能和仿生學等等很多學科。具體到設計一個機械臂系統(tǒng)，需要考慮機械設計、控制系統(tǒng)設計、運動學分析、動力學分析、軌跡規(guī)劃研究、路徑規(guī)劃研究、運動學動力學仿真等部分。 控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀對于一個機器臂控制系統(tǒng)，需要對多臺電機進行聯(lián)動控制。為了實現(xiàn)多臺電機之間的通信和控制，必須建立一套數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)來完成主計算機與各運動控制單元間的數(shù)據(jù)交換。一般控制系統(tǒng)有中央式和分布式的體系結構。中央式的體系結構是比較傳統(tǒng)的運動控制方法，但這種控制體系隨著工業(yè)控制系統(tǒng)復雜性的增加，固有的缺點也就逐漸暴露出來。比如當需要控制的節(jié)點不斷增加，需要反饋的傳感器信號不斷增多時，如果處理信息和產生控制信號都由一個中央處理器來完成，那么對它來說是不堪重負的。一旦中央控制器出現(xiàn)故障，將對整個生產裝置甚至整個生產系統(tǒng)帶來嚴重的影響。另外由于這種體系結構線路復雜，給日常維護帶來了很大的難度。所以這種體系結構已經用的很少了。隨著基于現(xiàn)場總線的分布式控制技術的提出，一舉攻破了中央式的體系結構不能解決的難題。它是將處理信息和產生控制信號的任務分配給各個控制節(jié)點的微處理器來完成，中央處理器只需要和各個控制節(jié)點上的微處理器通過現(xiàn)場總線連接以及完成一些機械臂運動學算法，即可完成對整個系統(tǒng)的控制，這樣做可以極大的簡化控制設備，減少了系統(tǒng)控制的復雜性，降低了成本，并且提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。目前在機器臂領域常用的現(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、系統(tǒng)識別、控制理論、計算技術和控制工程等多種技術發(fā)展基礎上發(fā)展起來的一門綜合性很強的新興技術。在計算機面世以前，仿真只是局限于用物理模型來模仿實際系統(tǒng)的物理仿真。隨著計算機技術、計算方法的發(fā)展，人們建立數(shù)學模型的能力、計算機求解復雜模型的能力以及存儲能力都得到了顯著加強，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。計算機成了系統(tǒng)仿真中不可或缺的工具。因此，計算機系統(tǒng)仿真就是，以計算機為工具，以相似原理、仿真技術、系統(tǒng)技術及其應用領域有關的專業(yè)技術為基礎，利用系統(tǒng)模型對實際的或設想的系統(tǒng)進行試驗研究的一門綜合性技術。它集成了當代科學技術中的多種現(xiàn)代化頂尖手段，正在極大地擴大著人類的視野、時限和能力，在科學領域里產生著日益重要的作用。目前，計算機系統(tǒng)仿真已廣泛地應用于航空航天、通信、交通、化工、軍事、生物、醫(yī)學等領域，其重要性已廣為人知。機器人的仿真研究已經成為機器人學中一個引人矚目的領域,而機械臂三維運動仿真是機器人仿真研究中一個很重要的組成部分。機械臂仿真有各種方式，比如可以用MATLAB，ADAMS等這些平臺進行運動仿真，都能達到一定的效果。Corke P I在MATLAB平臺下開發(fā)了ROBOTICS工具箱，能夠通過函數(shù)實現(xiàn)簡單的運動學仿真[9]。 主要研究內容設計一套機械臂需要考慮結構設計、控制系統(tǒng)設計、運動學分析、動力學分析、軌跡規(guī)劃研究、運動學動力學仿真等部分。本文從實際情況出發(fā)，從硬件系統(tǒng)、運動學分析、軌跡規(guī)劃和三維仿真工具開發(fā)這四大部分對機械臂系統(tǒng)進行了研究。每個部分又細分為各個研究點。如圖18所示。圖 18 機械臂系統(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；再從機器人的歷史的發(fā)展和當前世界各國的機器人發(fā)展狀況兩個方面介紹了機器人這一充滿機遇的產業(yè)；最后，討論了一些與機器人相關的關鍵技術，進而從技術角度進一步介紹了機器人。第二章 ：介紹了機械臂的數(shù)學基礎知識，運用標準DH坐標進行建立數(shù)學模型，進行數(shù)學分析。然后對機械臂的正運動學和逆運動學進行了分析，對機械臂的運動學有了一定的基礎了解。最后，使用基于MATLAB平臺下的Robotics Toolbox對正運動學分析和逆運動學分析進行驗證。第三章 ：利用SolidWorks建模，得到三維的機械臂外觀模型。然后定義材料，計算機械臂的各種特征參數(shù)，對所需電機的扭矩和功率進行計算，進而對機械臂的關節(jié)電機進行選取，完成本課題的硬件部分。第四章 ：利用Proteus和Keil對控制系統(tǒng)進行電路設計，利用AT89C51控制步進電機，上位機與單片機進行通信，從而實現(xiàn)像電腦輸入命令，通過單片機控制步進電機的要求。此外，利用Keil軟件對所需程序進行編寫，得到可以直接燒制在單片機中的程序。第五章 ：利用Proteus和Keil聯(lián)合仿真，在個人電腦上進行虛擬實驗，驗證設計的控制系統(tǒng)和控制程序可以實現(xiàn)。最后，對機器人的前景和發(fā)展做出一些個人的看法，明確機器人研究的重要性。2 機械臂的基礎知識 引言機械手是機器人系統(tǒng)的機械運動部分。作為自動化工具的機械手，它具有如下特點：它的執(zhí)行機構足用來保證復雜空間運動的綜合剛體，而且它自身也往往需要在機械加工或裝配等過程中作為統(tǒng)一體進行運動。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問題的有效而又方便的數(shù)學方法。這種數(shù)學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器人機械手的運動學和動力學問題。這種數(shù)學描述是以四階方陣變換三維空間點的齊次坐標為基礎的，能夠將運動、變換和映射與矩陣運算聯(lián)系起來。 機械手的位姿描述 位置描述建立了一個坐標系，我們就能夠用某個31位置矢量來確定該空間內任一點的位置,對于直角坐標系{A}，如圖31所示，空間任一點p的位置可用列矢量表示，其中，是點p在坐標系{A}中的三個坐標分量。我們稱為位置矢量[9]。圖 21 位置矢量 方位描述為了研究機器人的運動與操作，往往不僅要表示空間某個點的位置，而且要表示物體的方位。物體的方位可由某個固接于此物體的坐標系描述。為了規(guī)定空間某剛體B的方位，設置一直角坐標系{B}與此剛體固接。用坐標系{B}的三個單位主矢量，相對于參考坐標系{A}的方向余