【正文】 單位的經(jīng)濟(jì)效益。在現(xiàn)實(shí)生活中，機(jī)器人并不是在簡單意義上代替人的勞動，而是綜合了人的特長和機(jī)器特長的一種擬人的電子機(jī)械裝置。從某種意義上說，機(jī)器人是機(jī)器進(jìn)化過程的產(chǎn)物，是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)服務(wù)性設(shè)備，也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動化設(shè)備。這種新技術(shù)發(fā)展很快，逐漸形成了一門新興的學(xué)科機(jī)械手工程。它的發(fā)展大大改善了工人的勞動條件，顯著提高了勞動生產(chǎn)效率，加快了實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動化的步伐。尤其在高溫、高壓、粉塵、噪音以及帶有放射性和污染的場合，應(yīng)用更為廣泛。本課題主要研究如何利用機(jī)械手的操作來完成發(fā)動機(jī)曲軸在兩個生產(chǎn)線之間的搬運(yùn)和定位的問題。一是實(shí)用性。二是可靠性。三是經(jīng)濟(jì)性。三是推廣性。四是智能性。、分類與應(yīng)用（1）機(jī)器人的定義“機(jī)器人”一詞最早出現(xiàn)于1920年捷克作家Karel Capek的劇本《羅薩姆的萬能機(jī)器人》中。目前，機(jī)器人雖然已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，而具越來越受到人們的重視，然而機(jī)器人確實(shí)還沒有一個統(tǒng)一的嚴(yán)格準(zhǔn)確的定義。雖然基本原則一致，但歐美國家的定義限定多一些，日本給出的定義寬松一些，這樣就使得可稱機(jī)器人的范圍大小不同。最根本的原因是機(jī)器人涉及到了人的概念，成為一個難以回答的哲學(xué)問題。其實(shí)，自機(jī)器人誕生之日起人們就不斷嘗試著說明到底什么是機(jī)器人。1988年法國的埃斯皮奧將機(jī)器人定義為：“機(jī)器人學(xué)是指設(shè)計(jì)能根據(jù)傳感器信息實(shí)現(xiàn)預(yù)先規(guī)劃好的作業(yè)系統(tǒng)，并以此系統(tǒng)的使用方法作為研究對象”。我國科學(xué)家對機(jī)器人的定義是：“機(jī)器人是一種自動化的機(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、動作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動化機(jī)器”。（2）全球機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r機(jī)器人是多學(xué)科技術(shù)綜合的產(chǎn)物，它不像有些產(chǎn)品經(jīng)歷孕育、成長、成熟到衰亡的過程，而是隨著人類的進(jìn)步、發(fā)展不斷完善。機(jī)器人的發(fā)展經(jīng)歷了幾個階段：第一階段是技術(shù)準(zhǔn)備期。美國空軍發(fā)起了對數(shù)控銑床的研制。1951年，美國麻省理工學(xué)院（MIT）開發(fā)成功第一代數(shù)控銑床，從而開辟機(jī)械電子相結(jié)合的新紀(jì)元。1958年，被譽(yù)為“工業(yè)機(jī)器人之父”的Joseph Berger創(chuàng)建了世界上第一個機(jī)器人公司Unimation(Universal Automation)公司，并參與設(shè)計(jì)了第一臺Unimate機(jī)器人。它主要用于機(jī)器之間的物料運(yùn)輸，采用液壓驅(qū)動。第二階段是產(chǎn)業(yè)孕育期。美國從1962年開始到1974年，歷經(jīng)12年，已擁有1200臺機(jī)器人，主要是滿足汽車工業(yè)的需求。1969年，日本試制出全部國產(chǎn)的第一臺機(jī)器人“川崎尤尼麥特”。到1973年，日本的機(jī)器人產(chǎn)量已達(dá)2500臺。到1976年，前蘇聯(lián)已擁有機(jī)器人510臺，其產(chǎn)品多為圓柱坐標(biāo)式，用液壓或氣動來驅(qū)動。到1976年時，前西德已擁有250臺機(jī)器人。第三階段是產(chǎn)業(yè)形成期。當(dāng)時美國由于消費(fèi)水平的提高，市場需要大量高質(zhì)量的產(chǎn)品。到1980年，美國已擁有3500臺機(jī)器人。1976年，機(jī)器人年產(chǎn)量已達(dá)7200臺。前西德歷經(jīng)6年，也擁有3500臺機(jī)器人。機(jī)器人生產(chǎn)企業(yè)和市場發(fā)展都比較成熟。日本機(jī)器人公司已有幾百家之多，使用機(jī)器人數(shù)占全世界的50％以上。第五階段為機(jī)器人智能化時期。由于這些技術(shù)的發(fā)展，推動了機(jī)器人概念的延伸。當(dāng)前，與信息技術(shù)的交互和融合又產(chǎn)生了“軟件機(jī)器人”、“網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人”。隨著遙控及智能化技術(shù)的發(fā)展，還將出現(xiàn)各種各樣的服務(wù)機(jī)器人，它們將使人真正脫離第一線作業(yè)。西周時期，我國的能工巧匠偃師就研制出了能歌善舞的伶人，這是我國最早記載的機(jī)器人。漢代，大科學(xué)家張衡發(fā)明了計(jì)里鼓車，該車每行一里，車上木人擊鼓一下，每行十里擊鐘一下。我國工業(yè)機(jī)器人起步于20世紀(jì)70年代初期，1972年我國開始研制自己的工業(yè)機(jī)器人?！捌呶濉逼陂g，國家投入資金，對工業(yè)機(jī)器人及其零部件進(jìn)行攻關(guān)，完成了示教再現(xiàn)式工業(yè)機(jī)器人成套技術(shù)的開發(fā)，研制出了噴涂、點(diǎn)焊和搬運(yùn)機(jī)器人。從20世紀(jì)90年代初期起，我國掀起了新一輪的經(jīng)濟(jì)體制改革和技術(shù)進(jìn)步熱潮。目前，我國機(jī)器人技術(shù)研究主要體現(xiàn)在以下五個方面：一是示教再現(xiàn)型工業(yè)機(jī)器人；二是智能機(jī)器人；三是機(jī)器人化機(jī)械；四是以機(jī)器人為基礎(chǔ)的重組裝配系統(tǒng)；五是多傳感器信息融合與配置技術(shù)。一般的分類方式如下表11 機(jī)器人分類表分類名稱簡要解釋操作型機(jī)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(yùn)動，用于相關(guān)自動化系統(tǒng)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)械動作示教再現(xiàn)型機(jī)器人通過引導(dǎo)或其他方式，先教會機(jī)器人動作，輸入工作程序，機(jī)器人則自動重復(fù)進(jìn)行工作數(shù)控型機(jī)器人不必使機(jī)器人動作，通過數(shù)值、語言等對機(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)器人的動作適應(yīng)控制型機(jī)器人機(jī)器人能適應(yīng)環(huán)境變化，控制自身的行為學(xué)習(xí)控制型機(jī)器人機(jī)器人能“體會”工作經(jīng)驗(yàn)，具有一定的學(xué)習(xí)能力，并能將所“學(xué)”的經(jīng)濟(jì)用于工作中智能機(jī)器人以人工智能決定其行為的機(jī)器人我國的機(jī)器人專家從應(yīng)用環(huán)境出發(fā)，將機(jī)器人分為兩大類：即工業(yè)機(jī)器人和特種機(jī)器人。如：焊接機(jī)器人、裝配機(jī)器人、搬運(yùn)機(jī)器人、噴漆機(jī)器人等。包括：服務(wù)機(jī)器人、水下機(jī)器人、娛樂機(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。如服務(wù)機(jī)器人、水下機(jī)器人、空間機(jī)器人等等。像海洋開發(fā)、宇宙探測、采掘、建筑、醫(yī)療、農(nóng)林業(yè)、服務(wù)、娛樂等行業(yè)都提出了自動化和機(jī)器人化的要求。機(jī)器的產(chǎn)生本身己經(jīng)大大提高了勞動生產(chǎn)率和產(chǎn)品的質(zhì)量。如：用于飛機(jī)、輪船、大型油罐、高層建筑等的日本的清洗機(jī)器人；用于海洋石油開采，海底勘查、救撈作業(yè)、管道鋪設(shè)和檢查等的美國的AUSS、俄羅斯的MT8法國的EPAVLARD等水下機(jī)器人；用于軍事領(lǐng)域的美國的NAVPLAB自主導(dǎo)航車、SSV半自主地面戰(zhàn)車，法國的自主式快速運(yùn)動偵察車(DARDS)，德國NV4爆炸物處理機(jī)器人等等。目前，機(jī)器人的應(yīng)用主要包括以下幾種：（1）工業(yè)機(jī)器人工業(yè)機(jī)器人是機(jī)器人家族中的重要成員，也是目前在技術(shù)上發(fā)展最成熟、應(yīng)用最多的一類機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人延伸和擴(kuò)大了人的手足和大腦功能，可代替人從事危險、有害、有毒、低溫和高熱等惡劣環(huán)境中的工作；代替人完成繁重、單調(diào)的重復(fù)勞動，提高勞動生產(chǎn)率，保證產(chǎn)品質(zhì)量。2003年增加到12萬臺，增長率約為10％。服務(wù)機(jī)器人就是機(jī)器人家族中的一個新成員，但他的應(yīng)用范圍卻很廣，主要從事維護(hù)保養(yǎng)、修理、運(yùn)輸、清洗、保安、救援、監(jiān)護(hù)等工作。（3）水下機(jī)器人隨著各國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和世界人口的不斷增加，人類消耗的自然資源越來越多，陸地上的資源日益減少。海底世界不僅壓力非常大，而且沒有光線，環(huán)境非常惡劣。于是人類開始發(fā)展水下機(jī)器人，以不斷為人類解開大海之迷。它在核電站細(xì)小管道、發(fā)動機(jī)等狹窄空間檢測、軍用偵察、醫(yī)療等領(lǐng)域有廣泛的用途；并且在生命科學(xué)、精密組裝和封裝等方面有廣闊的應(yīng)用前景。（5）軍用機(jī)器人歷史上，高新技術(shù)大多首先出現(xiàn)在戰(zhàn)場上，機(jī)器人也不例外。二戰(zhàn)以后，現(xiàn)代軍用機(jī)器人的研究首先從美國開始，他們研制出了地面軍用機(jī)器人、無人機(jī)等。各個國家都在開發(fā)研制軍用機(jī)器人，以壯大自己的軍事實(shí)力。包括內(nèi)層空間飛行機(jī)器人和外層空間探測作業(yè)機(jī)器人等。第2章 機(jī)械手的總體設(shè)計(jì) 機(jī)械手的組成及各部分關(guān)系概述機(jī)械手由三大部分（機(jī)械部分、傳感部分、控制部分）六個子系統(tǒng)（驅(qū)動系統(tǒng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、感受系統(tǒng)、機(jī)器人環(huán)境交互系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)、控制系統(tǒng)）組成。驅(qū)動系統(tǒng)：驅(qū)動器是把從動力源獲得的能量變換成機(jī)械能，使機(jī)器人各關(guān)節(jié)工作的裝置，常見的驅(qū)動形式有步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動、直流電機(jī)驅(qū)動、交流電機(jī)驅(qū)動、液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動以及近些年出現(xiàn)的一些特殊的新型驅(qū)動（例如超聲波驅(qū)動、磁致伸縮驅(qū)動、靜電驅(qū)動等）。 機(jī)械手的設(shè)計(jì)分析 設(shè)計(jì)要求某生產(chǎn)線上搬運(yùn)工件原由人工完成, 勞動強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低。該機(jī)械手能完成如下的動作循環(huán)：手臂前伸→手指夾緊抓料→手臂上升→手臂縮回→機(jī)身回轉(zhuǎn)180度→手腕回轉(zhuǎn)90度→手臂下降→手臂前伸→手指松開→手臂縮回→機(jī)身回轉(zhuǎn)復(fù)位→手腕回轉(zhuǎn)復(fù)位→待料。圓柱坐標(biāo)型是由三個自由度組成的運(yùn)動系統(tǒng)，工作空間為圓柱形，它與直角坐標(biāo)型比較，在相同的空間條件下，機(jī)體所占體積小，而運(yùn)動范圍大。球坐標(biāo)型，它由兩個轉(zhuǎn)動和一個直線組成，即一個回轉(zhuǎn)，一個俯仰和一個伸縮，其工作空間圖形唯一球體，它可以做上下俯仰動作并能夠抓取地面上的東西或較低位置的工件，具有結(jié)構(gòu)緊湊、工作范圍大的特點(diǎn)，但是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。平面關(guān)節(jié)型，采用兩個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個移動關(guān)節(jié)，兩個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)控制前后、左右運(yùn)動，而移動關(guān)節(jié)控制上下運(yùn)動。綜合上述各類型特點(diǎn)和本機(jī)械手的設(shè)計(jì)要求，故本次設(shè)計(jì)中采用回轉(zhuǎn)坐標(biāo)型。在運(yùn)動形式上分為為直線運(yùn)動P，為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動R。從機(jī)座到手腕，關(guān)節(jié)的運(yùn)動方式為旋轉(zhuǎn)直線直線旋轉(zhuǎn)，即RPPR型。液壓驅(qū)動：結(jié)構(gòu)緊湊、動作平穩(wěn)、耐沖擊、耐振動、防爆性好。氣壓驅(qū)動：具有速度快、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、造價較低、維修方便、清潔等特點(diǎn)，適用于中小負(fù)載的系統(tǒng)中，但對速度很難進(jìn)行精確控制，且氣壓不可太高，所以抓舉能力較低，難于實(shí)現(xiàn)伺服控制。但控制性能差，慣性大，不易精確定位。并且，同其他轉(zhuǎn)動方式相比較，傳動功率相同時，液壓傳動裝置的重量輕，體積緊湊，可實(shí)現(xiàn)無級變速，調(diào)速范圍大。與電氣配合，容易實(shí)現(xiàn)動作和操作自動化，與微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)配合，能夠?qū)崿F(xiàn)各種自動控制工作。容易達(dá)到較高的單位面積壓力，較小的體積可獲得較大的出力（推力或轉(zhuǎn)距）。液壓傳動中，力，速度和方向比較容易實(shí)現(xiàn)自動控制。綜上，經(jīng)過比較，本次設(shè)計(jì)采用液壓驅(qū)動。點(diǎn)位控制的特點(diǎn)是只控制工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)在作業(yè)空間中某些規(guī)定的離散點(diǎn)上的位姿。這種控制方式的主要技術(shù)指標(biāo)是定位精度和運(yùn)動所需時間。連續(xù)軌跡控制的特點(diǎn)是連續(xù)的控制工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器在作業(yè)空間的位姿，要求其嚴(yán)格按照預(yù)定的軌跡和速度在一定的精度要求內(nèi)運(yùn)動，而且速度可控，軌跡光滑且運(yùn)動平穩(wěn)。常用于弧焊、噴漆、去毛邊和檢測作業(yè)機(jī)器人。智能控制方式是通過傳感器獲得周圍環(huán)境的知識，并根據(jù)自身內(nèi)部的知識庫相應(yīng)做出決策。綜上，本次設(shè)計(jì)采用點(diǎn)位控制。綜合上述，此次采用電液伺服點(diǎn)位控制，可以很好的完成自動線工作?？紤]本機(jī)械手工作要求的特殊情況，本設(shè)計(jì)采用懸臂式四自由度的機(jī)械手，簡圖下所示： 圖21 機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡圖自由度具體分配如下：1）手臂回轉(zhuǎn)自由度。其行程角度靠擋塊和限位行程開關(guān)來調(diào)整。機(jī)器人的手臂俯仰運(yùn)動，一般采用活塞油（氣）與連桿機(jī)構(gòu)聯(lián)用來實(shí)現(xiàn)。其行程大小靠擋塊和限位行程開關(guān)來調(diào)整。由于油缸或氣缸的體積小，質(zhì)量輕，因而在機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較多。4）手腕回轉(zhuǎn)自由度。當(dāng)注入壓力油時，油壓推動動片連同轉(zhuǎn)軸一起回轉(zhuǎn)。而末端操作器與轉(zhuǎn)軸是固定在一起的，故轉(zhuǎn)軸一轉(zhuǎn)手部便一起轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)手腕的回轉(zhuǎn)運(yùn)動。此處省略 液壓缸的緩沖裝置緩沖裝置是為了防止或減小液壓缸活塞在運(yùn)動到兩個端點(diǎn)時因慣性力造成的沖撞。因此就有必要采用緩沖裝置，以避免這種機(jī)械碰撞使缸體損壞，但沖擊壓力仍然存在，大約是額定工作壓力的兩倍，這就必然會嚴(yán)重影響液壓缸和整個液壓系統(tǒng)的強(qiáng)度和正常工作，緩沖裝置可以防止和減少液壓缸活塞及活塞桿等運(yùn)動部件在運(yùn)動時對缸底或端蓋的沖擊，在它們的行程終端能實(shí)現(xiàn)速度的遞減，直至為零。其工作原理是使缸筒低壓