【正文】 :機器人是一個在三維空間中具有較多自由度的，并能實現(xiàn)諸多擬人動作和功能的機器，而工業(yè)機器人(Industrial Robot)則是在工業(yè)生產(chǎn)上應用的機器人。”英國機器人協(xié)會、日本機器人協(xié)會等也采用了相類似的定義。”在研究和開發(fā)未知及不確定環(huán)境下作業(yè)的機器人的過程中，人們逐步認識到機器人技術的本質是感知、決策、行動和交互技術的結合。結合這些領域的應用特點，人們發(fā)展了各式各樣的具有感知、決策、行動和交互能力的特種機器人和各種智能機器人，如移動機器人、微機器人、水下機器人、醫(yī)療機器人、軍用機器人、空中空間機器人、娛樂機器人等。這些機器人從外觀上己遠遠脫離了最初仿人形機器人和工業(yè)機器人所具有的形狀，更加符合各種不同應用領域的特殊要求，其功能和智能程度也大大增強，從而為機器人技術開辟出更加廣闊的發(fā)展空間【6】。生產(chǎn)自動化的進一步發(fā)展是柔性自動化。此外，智能化機器人還有許多類似人類的“生物傳感器”，如皮膚型接觸傳感器、力傳感器、負載傳感器、視覺傳感器、聲覺傳感器、。除了專門設計的專用機器人外，一般機器人在執(zhí)行不同的作業(yè)任務時具有較好的通用性。 。因此，機器人技術的發(fā)展必將帶動其它技術的發(fā)展，機器人技術的發(fā)展和應用水平也可以從一個方面驗證一個國家科學技術和工業(yè)技術的發(fā)展和水平【7】。(又稱執(zhí)行系統(tǒng))。通常由下列部分構成。(2 )手腕是支承和調整末端執(zhí)行器姿態(tài)的部件，主要用來確定和改變末端執(zhí)行器的方位和擴大手臂的動作范圍，一般具有23個回轉自由度以調整末端執(zhí)行器的姿態(tài)。(3)手臂它由操作機的動力關節(jié)和連接桿件等構成，是用于支承和調整手腕和末端執(zhí)行器位置的部件。(4)機座有時稱為立柱，是工業(yè)機器人機構中相對固定并承受響應力的基礎部件。它是由驅動器、減速器、檢測元件等組成的組件，是用來為操作機各部件提供動力和運動的裝置。驅動形式不同，傳動裝置也有所不同?？刂蒲b置包括檢測(如傳感器)和控制(如計算機)兩部分，可用來控制驅動單元，檢測其運動參數(shù)是否符合規(guī)定要求，并進行反饋控制。如果沒有反饋控制，就是較簡單的開環(huán)控制【8】。它主要由兩部分組成，一部分為感覺系統(tǒng)(硬件)，主要靠各類傳感器來實現(xiàn)其感覺功能。 機器人的分類目前世界各國對處于發(fā)展階段的機器人還沒有統(tǒng)一的分類標準，大致有以下幾種分類方法。這種機器人(機械手)多為氣動或液動，用行程開關、機械擋塊來控制其工作位置。(2)可編程序的通用機器人工作程序可變，以適應不同的工作對象，通用性強，適合于以多品種、中小批量生產(chǎn)為特點的柔性制造系統(tǒng)中。 (2)采掘機器人如海洋探礦機器人等。這些機器人具有較強的自主作戰(zhàn)和參與軍事使命的能力，它們紀律嚴明，組織緊湊，行動快捷，效果明顯。不過，隨著機器人在陸、海、空、天、電戰(zhàn)場的超立方形空間中全面地投入軍事活動，也為領導這些機器人部隊的人類的指揮機構和各級作戰(zhàn)人員帶來不少新的、涉及到如何對待機器人行為的復雜問題 (4)服務機器人如醫(yī)療機器人，家用機器人，教學機器人等。這些配置方式都是經(jīng)過實踐證明為經(jīng)濟可行的方式，也是組合式模塊化工業(yè)機器人坐標配置方式設計時所要借鑒和參照的方式。它在各個軸向的移動距離，可在各個坐標軸上直接讀出，直觀性強，易于位置和姿態(tài)的編程計算，定位精度高，控制無耦合，結構簡單，但機體所占空間體積大，動作范圍小，靈活性差，難與其他工業(yè)機器人協(xié)調工作。圖3 圓柱坐標型機械臂 （3）球坐標型工業(yè)機器人又稱極坐標型工業(yè)機器人，其手臂的運動由兩個轉動和一個直線移動（即RRP,一個回轉，一個俯仰和一個伸縮運動）所組成，其工作空間為一球體，它可以作上下俯仰動作并能抓取地面上或教低位置的協(xié)調工件，其位置精度高，位置誤差與臂長成正比。其結構最緊湊，靈活性大，占地面積最小，能與其他工業(yè)機器人協(xié)調工作，但位置精度教低，有平衡問題，控制耦合，這種工業(yè)機器人應用越來越廣泛。這種形式的工業(yè)機器人又稱（SCARA(Seletive Compliance Assembly Robot Arm)裝配機器人。它結構簡單，動作靈活，多用于裝配作業(yè)中，特別適合小規(guī)格零件的插接裝配，如在電子工業(yè)的插接、裝配中應用廣泛。這啟發(fā)我們自設計機器人時，可充分利用能夠實現(xiàn)直線運動和旋轉運動的通用部件（氣、液、電等）來進行功能組合，也就是說可以經(jīng)過合適選擇的通用部件作為模塊來進行集成。顯然，配置方式應根據(jù)產(chǎn)品最終實現(xiàn)的功能要求來確定，同樣，模塊的分解也是基于產(chǎn)品應滿足的功能要求下的模塊分解。目前應用的工業(yè)機器人中，很多是屬于點位控制方式的，如上下料搬運機器人、點焊機器人等?；『?、噴漆和檢測機器人等均屬連續(xù)軌跡控制方式。 “代”分類 (1)第一代機器人其特點是采用開關量控制，示教再現(xiàn)控制或數(shù)字控制，其作業(yè)路徑和運動參數(shù)需通過示教或編程給定。 (2)第二代機器人是70年代開始出現(xiàn)的，其技術特點是采用計算機直接控制，是通過具有視覺、觸覺的攝像機和傳感器，能“感覺”外界信息并通過計算機進行計算和分析 自動 地控制操作機進行運動和操作，因此，其控制方式較第一代機器人要復雜得多，目前這類機器人已開始在工業(yè)生產(chǎn)、排險救災等場合應用，并將進入普及階段。這是國內外正在積極研究，開發(fā)的高級機器人，其主要特點是具有人工智能。這一類機器人目前正在研究開發(fā)之中【9】。產(chǎn)業(yè)部門應用最多的當推汽車工業(yè)和電子工業(yè)，在金屬加工、塑料成型、機械制造等行業(yè)也有普遍應用，并逐漸向纖維加工、食品工業(yè)、家用產(chǎn)品制造等行業(yè)發(fā)展。傳統(tǒng)的點焊機雖然可以減輕人的勞動強度，焊接質量也較好，但它適宜少品種大批量的生產(chǎn)環(huán)境，其夾具和焊槍位置不能隨零件的改變而變化，而點焊機器人可通過重新編程來調整空間點位，滿足不同零件的需要，故特別適宜于小批量多品種的生產(chǎn)環(huán)境。Unimate, Motoman, ASEA等都是典型的焊接機器人。教給它們什么樣的動作，它們就不厭其煩地做上成百上千次。重新教授的內容通過另外一套程序來實現(xiàn)。這種忠實的仆人具有“一次示教，終身難忘”的特點，動作準確、可靠、分毫不差。在爆炸品和危險物生產(chǎn)線上，它們可以代替人工作，且不知疲倦，連續(xù)工作。工業(yè)機器人真可謂稱得上是新一代的“藍領工人”。它必將是今后發(fā)展的重中之重。圖7 柔性機械臂的模型噴漆作業(yè)由于環(huán)境惡劣，國外大量使用了機器人，挪威生產(chǎn)的Trallfa機器人是目前世界上用得最多的噴漆機器人，該機器人為關節(jié)式，6自由度，電液或全電動伺服驅動，采用示教再現(xiàn)方式，既可實行點位控制，也可實行連續(xù)軌跡控制。機器人用于裝配作業(yè)是隨著視覺系統(tǒng)的發(fā)展而發(fā)展起來的，電子工業(yè)用得最多，主要用在電路板的裝配上，還有電動機、發(fā)動機部件、閥門等產(chǎn)品的裝配。國外的航空航天工業(yè)中應用機器人也十分廣泛，如鉚接裝配作業(yè)就大量使用了機器人，此外如電氣插頭的裝配，發(fā)動機風扇外殼和高壓渦輪的焊接，飛機座艙蓋和風擋鉆孔作業(yè)，飛機機身和垂直尾翼鉆孔，都采用了機器人。在空間開發(fā)中，航天飛機上收放衛(wèi)星的機器人是加拿大Spar公司生產(chǎn)的，美國NASA實施的火星探測計劃，發(fā)射了兩個火星探測器海盜I和海盜H，它們也是一種機器人，在火星上采集樣品，作各種實驗，并能將實驗結果發(fā)回地球。挪威卑爾根公司生產(chǎn)的一種水下機器人，可在水下600米處作業(yè)，裝有電視攝像機，可收集海底標本，切割石油管道和纜索等。在軍事方面，機器人己用于偵察、布雷、排除爆炸物、裝填彈藥等。此外還有摘果實、擠牛奶、剪羊毛、清理垃圾、監(jiān)護病人的機器人等。用機器人代替人，可以使人擺脫高溫、有毒、粉塵、振動、放射性、強噪音等惡劣環(huán)境，而去從事機器人的監(jiān)控、維護等工作，使工作性質發(fā)生了變化，減輕了勞動強度，同時也改善了就業(yè)結構。解決多品種小批量生產(chǎn)的自動化問題二隨著人民生活水平的提高，人們要求提供更豐富更多樣的產(chǎn)品。與人相比，機器人有一個最大的特點:不知疲倦、不需要休息，在合宜的條件下，可以連續(xù)工作，因此可以大大地提高勞動生產(chǎn)率。 機器人的發(fā)展現(xiàn)代工業(yè)機器人起源于數(shù)控機床和遠程控制器。這種機械手可以通過讓其沿一系列點運動，將運動位置以數(shù)字形式存貯起來，動作執(zhí)行時，使伺服系統(tǒng)驅動機械手各關節(jié)軸來再現(xiàn)這些位置，從而讓機械手完成一些簡單的工作。在隨后的生產(chǎn)應用中，為了適應各種不同用途需要，相繼出現(xiàn)了直角坐標、關節(jié)坐標、極坐標等許多種不同結構的機器人。這種機器人帶有傳感器，能感知環(huán)境和對象的情況，以控制自身動作的變化。而且這種有感知功能的機器人開始被應用于工業(yè)生產(chǎn)中的焊接、裝配及機械加工等作業(yè)。從七十年代后期開始，人們對智能機器人的規(guī)劃生成系統(tǒng)(問題解決系統(tǒng)，路徑搜索等)，環(huán)境的理解系統(tǒng)(感覺智能，包括視覺，觸覺等)，知識獲得與利用系統(tǒng)(知識工程和專家系統(tǒng)等)，人一機接口系統(tǒng)，運動系統(tǒng)等問題展開了更加廣泛、深入地研究。縱觀機器人的發(fā)展過程，可以看出， 自從機器人在五十年代誕生以來，在短短的四十多年里由于各種有關技術的發(fā)展，特別是自動控制技術、集成電路技術及微型計算機技術的應用，在國際形式的推動下，各國在經(jīng)濟上和科技上展開激烈的競爭，機器人的生產(chǎn)和應用隨之得到了迅速的發(fā)展。 我國的機器人研究始于70年代。就全國來說，目前我國機器人研究開發(fā)工作做得較好的地區(qū)是:以中科院沈陽自動化研究所為首的東北地區(qū)機器人工程中心，以機電部廣州機床所為龍頭的華南地區(qū)的機器人工程中心。1986年，國家把智能機器人列為高技術發(fā)展計劃，研究目標是跟蹤世界先進水平，工作內容主要是圍繞特種機器人進行攻關。我國的高等院校，如長沙國防科技大學、上海交通大學、北京航空航天大學、哈爾濱工業(yè)大學等在步行機器人、精密裝配機器人及7自由度機器人研制等前沿領域內做出了可喜的成績，正在逐步縮短在機器人技術方面與世界先進水平的差距。根據(jù)我國的情況，我們認為工業(yè)機器人技術開發(fā)的思路應從高以下幾個方面進行考慮：（1） 實用性。為此，應強調功能實用性，不片面追求所謂的高科技和全面先進性，先進并不等于實用。能夠在盡可能短的時間內實現(xiàn)機器人產(chǎn)品的快速制造，快速投放市場和發(fā)往用戶。能夠生產(chǎn)出品質優(yōu)良的機器人產(chǎn)品，機器人配置中關鍵部件必要時可采用進口產(chǎn)品，只有質量好的機器人產(chǎn)品才能贏得用戶。價格往往是用戶購置機器人是考慮的首要因素機器人開發(fā)應盡可能選用標準件、通用件，減少自制件，控制成本，能夠向市場提供價格低廉的機器人產(chǎn)品。采用模塊化的設計理念和配置組合、系統(tǒng)集成的制造思路?？梢?，在工業(yè)機器人設計中，采用組合式、模塊化設計思路可以很好地解決產(chǎn)品品種、規(guī)格與設計制造周期和生產(chǎn)成本之間的矛盾。隨著敏捷制造時代的到來，模塊化設計會越來越顯示出其獨到的優(yōu)越性。圖8 工業(yè)機器人模塊化設計過程綜上所述，工業(yè)機器人設計總體技術原理是：在成組技術指導下，針對多品種小批量生產(chǎn)的特點，面對生產(chǎn)線上的機臺和單元間的物品移置的工藝要求或是裝配、噴涂等作業(yè)的工藝要求，利用模塊化設計手段，選擇品質優(yōu)良的控制模塊以及執(zhí)行模塊，按一定的坐標體系進行集成，實現(xiàn)工業(yè)機器人的快速制造。今后的任務是把機器人技術推廣到更多的工業(yè)自動化生產(chǎn)領域和其他更廣泛的應用領域，大力開展跨區(qū)域交流合作，與國際接軌，早日躋身于世界先進行列【11】。主要應用于工業(yè)中小型產(chǎn)品中異形元件裝配，小型機電產(chǎn)品如電機、空壓機、電器、泵類等的裝配工作，是一種小型經(jīng)濟型機器人機械臂。該論文涉及計算機技術、電子、機械、檢測技術及傳感器技術等多學科的知識，主要完成了以下的工作：，用AutoCAD等計算機圖形輔助設計軟件完成了工業(yè)機器人球坐標機械臂的本體結構設計。，得到了運動學方程的正解和反解，并在運動學分析的基礎上，求得了工業(yè)機器人機械臂的雅可比矩陣。4機械臂模塊的工程設計：研究模塊化機械結構設計方法，設計出機械臂及機械手的整體結構。拒統(tǒng)計資料介紹，在這些裝配機器人中，球坐標型裝配機器人是應用數(shù)量非常多且較為廣泛的一種裝配機器人。其主要應用領域為電子電氣業(yè)、家用電器業(yè)、精密機械業(yè)。家用電器及儀器儀表的組裝作業(yè):小型電器開關、接觸器等電器產(chǎn)品的組裝作業(yè)。隨著社會需求的增大和技術的進步，裝配機器人將會得到迅速的發(fā)展，多品種、少批量生產(chǎn)方式和為提高產(chǎn)品質量及生產(chǎn)效率的生產(chǎn)工藝需求，將是推動裝配機器人發(fā)展的直接動力。1972年我國開始研制機器人，但發(fā)展緩慢，受經(jīng)濟、觀念等因素的制約，基本沒有什么應用，直到1986年，沈陽機器人研究所成立，中國的機器人才向實用階段發(fā)展。在應用方面，一汽等大型企業(yè)己開始使用機器人自動化生產(chǎn)線。究其原因，除了經(jīng)濟因素的制約外，很重要的一點是有關機器人的教育跟不上，知道機器人的人很多，但真正了解、懂機器人的人少而又少，這就使我國的機器人發(fā)展缺乏智力支持，加強機器人技術教育，緩解人才危機迫在眉睫。 工業(yè)機器人的特點根據(jù)工作環(huán)境、工作特點等要求，本工業(yè)機器人應具備以下幾個特點:，適于觀察。故機器人的外形應巧妙設計，部分外殼應采用透明材料，內部結構應簡單明了，另外，機器人的動作應連續(xù)，速度適中。這樣，結構大大簡化，成本也隨之降低。要實現(xiàn)工業(yè)球坐標型機器人的三個自由度，內部零件應盡量小巧，結構應盡可能緊湊。本工業(yè)機器人采用直流伺服電機驅動，速度要求不高，故減速比可在一定范圍內調整，只要能滿足轉矩即可。 工業(yè)機器人傳動方案的確定根據(jù)課題特點，參考《國內典型工業(yè)機器人圖冊》，初步確定以下方案如圖9所示。這種方案主要考慮了傳動鏈的簡化