【正文】 和特種機(jī)器人。而特種機(jī)器人則是除工業(yè)機(jī)器人之外的、用于非制造業(yè)并服務(wù)于人類的各種先進(jìn)機(jī)器人，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。目前，國(guó)際上的機(jī)器人學(xué)者，從應(yīng)用環(huán)境出發(fā)將機(jī)器人也分為兩類：制造環(huán)境下的工業(yè)機(jī)器人和非制造環(huán)境下的服務(wù)與仿人型機(jī)器人，這和我國(guó)的分類是一致的。 恰佩克在他的科幻小說《羅薩姆的機(jī)器人萬能公司》中，根據(jù) Robota(捷克文，原意為 “ 勞役、苦工 ”) 和 Robotnik(波蘭文，原意為 “ 工人 ”) ，創(chuàng)造出 “ 機(jī)器人 ” 這個(gè)詞。它由電纜控制，可以行走，會(huì)說 77 個(gè)字，甚至可以抽煙，不過離真正干家務(wù)活還差得遠(yuǎn)。 1942 年 美國(guó)科幻 巨匠阿西莫夫提出 “機(jī)器人三定律 ”。 1948 年 諾伯特 蘭州 交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 1954 年 美國(guó)人喬治 這種機(jī)械手能按照不同的 程序從事不同的工作，因此具有通用性和靈活性。 明斯基提出了他對(duì)智能機(jī)器的看法：智能機(jī)器 “ 能夠創(chuàng)建周圍環(huán)境的抽象模型，如果遇到問題，能夠從抽象模型中尋找解決方法 ” 。 1959 年 德沃爾與美國(guó)發(fā)明家約瑟夫 隨后，成立了世界上第一家機(jī)器人制造工廠 —— Unimation 公司。 1962 年 美國(guó) AMF 公司生產(chǎn)出 “VERSTRAN ”( 意思是萬能搬運(yùn) ),與 Unimation 公司生產(chǎn)的 Unimate 一樣成為真正商業(yè)化的工業(yè)機(jī)器人，并出口到世界各國(guó)，掀起了全世界對(duì)機(jī)器人和機(jī)器人研究的熱潮。人們?cè)囍跈C(jī)器人上安裝各種各樣的傳感器，包括 1961 年恩斯特采用的觸覺傳感器，托莫維奇和博尼 1962 年在世界上最早的 “ 靈巧手 ” 上用到了壓力傳感器，而麥卡錫 1963 年則開始在機(jī)器人中加入視覺傳感系統(tǒng)，并在 1965 年，幫助 MIT 推出了世界上第一個(gè)帶有視覺傳感器，能識(shí)別并定位積木的機(jī)器人系統(tǒng)。 霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室研制出 Beast 機(jī)器人。 20世紀(jì) 60年代中期開始，美國(guó)麻省理工學(xué)院、斯坦福大學(xué)、英國(guó)愛丁堡大學(xué)等陸續(xù)成立了機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室。 1968 年 美國(guó)斯坦福研究所公布他們研發(fā)成功的機(jī)器人 Shakey。 Shakey 可以算是世界第一臺(tái)智能機(jī)器人，拉開了第三代機(jī)器人研發(fā) 的序幕。加藤一郎長(zhǎng)期致力于研究仿人機(jī)器人，被譽(yù)為 “ 仿人機(jī)器人之父 ” 。 1973 年 世界上第一次機(jī)器人和小型計(jì)算機(jī)攜手合作，就誕生了美國(guó) Cincinnati Milacron 公司的機(jī)器人 T3。 PUMA 至今仍然工作在工 廠第一線。同年，他還預(yù)言： “ 我要讓機(jī)器人擦地板，做飯，出去幫我洗車，檢查安全 ” 。 1999 年 日本索尼公司推出犬型機(jī)器人愛寶 (AIBO)，當(dāng)即銷售一空，從此娛樂機(jī)器人成為目前機(jī)器人邁進(jìn)普通家庭的途徑之一。 Roomba 是目前世界上銷量最大、最商業(yè)化的家用機(jī)器人。 蓋茨預(yù)言，家用機(jī)器人很快將席卷全球。管道工程在國(guó)民經(jīng)濟(jì)許多行業(yè)中如石化、天然氣、核工業(yè)、給排水、管道輸送等行業(yè)起著極其重要 的作用。如果不及時(shí)對(duì)管道檢測(cè)、維修及清洗就可能會(huì)產(chǎn)生事故，形成不必要的損失和浪費(fèi)。因此最有效的方法之一就是利用管道機(jī)器人來實(shí)現(xiàn)管道內(nèi)的在線檢測(cè)、維修和清洗。 國(guó)外管道機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀 對(duì)較 長(zhǎng)距離管道的直接檢測(cè)、清理技術(shù)的研究始于本世紀(jì) 50 年代美、英、法、德、日等國(guó)，受當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平的限制，主要成果是無動(dòng)力的管內(nèi)檢測(cè)清理設(shè)備一 PIG，由于 PIG 本身沒有行走能力，其移動(dòng)速度、檢測(cè)區(qū)域均不易控制，所以不能算作管內(nèi)機(jī)器人。日、美、法、德等國(guó)在此方面作了大量研究工作，其中日本從事管道機(jī)器人研究的人員最多，成果也最多 。 國(guó)內(nèi)有關(guān)單位也對(duì)“管內(nèi)作業(yè)裝置”等問題進(jìn)行了多項(xiàng)內(nèi)容的研究與開發(fā)，作出類具有一定意義的工作，它們是 ： (1)上海交通大學(xué)的“管內(nèi)移動(dòng)裝置行走機(jī)構(gòu)研究”。 (3)大慶油建科研所和吉林省模具廠聯(lián)合研制的小口徑管道 (D=114mm)補(bǔ)口機(jī)。 經(jīng)過多年的研究與開發(fā)，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)在管內(nèi)作業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域取得了大量的成果，但是，距大規(guī)模實(shí)用化還用一定的差距。 管道清灰機(jī)器人系統(tǒng) 概述 管道機(jī)器人是一種可沿管道自動(dòng)行走，攜有一種或多種傳感器件和作業(yè)機(jī)構(gòu)，在遙控操作或計(jì)算機(jī)控制下在極其惡劣的環(huán)境中進(jìn)行一系列管道作業(yè)的機(jī)電一體化系統(tǒng)。關(guān)于管道清潔機(jī)器人，中科院研發(fā)了用于 ? 400mm 和? 500mm 的空調(diào)通風(fēng)管道中的清潔機(jī)器人。 ? 700? 1000mm 的煙氣輸送管道煙灰堆積層清理的管道清灰機(jī)器人。 管道清灰機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式 由于管道清灰機(jī)器人工作空間狹窄，專用機(jī)器人在結(jié)構(gòu)上必須小巧、靈活、拆裝方便，所以機(jī)器人在結(jié)構(gòu)上要注重運(yùn)動(dòng)傳遞部件、運(yùn)動(dòng)定位導(dǎo)向部件和運(yùn)動(dòng)部件殼體的一體化設(shè)計(jì)。管道機(jī)器人經(jīng)過簡(jiǎn)化，可認(rèn)為是以機(jī)械手安裝在移動(dòng)裝置上。根據(jù)液壓驅(qū)動(dòng)具有以下特點(diǎn)，機(jī)械手采用液壓式驅(qū)動(dòng)方式。 ②液壓缸可直接用作機(jī)器人關(guān)節(jié)的一部分，實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊。容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。 管道清灰機(jī)器人操作臂設(shè)計(jì)要求 管道清灰機(jī)器人完成在 管道內(nèi)對(duì)砂狀沉積物的鏟掘、清理，對(duì)物料進(jìn)行裝、運(yùn)、卸及牽引作業(yè)。 管道清灰機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 根據(jù)管道清灰機(jī)器人的工作環(huán)境，主要是其工作場(chǎng)地松軟，同時(shí)由 于履帶式行走機(jī)蘭州 交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 構(gòu)有以下特點(diǎn)優(yōu)于輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)，該機(jī)器人移動(dòng)裝置采用履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)。適合于松軟和泥濘場(chǎng)地作業(yè)，下陷度小，滾動(dòng)阻力小，通過性能較好。 ③履帶支承面上有履齒，不易打滑，牽引附著性能好，有利于發(fā)揮較大的牽引力。 行走機(jī)構(gòu)由三個(gè)呈 120? 的履帶輪組成，與管壁底部接觸的兩個(gè)呈 120? 的履帶為固定履帶，上面與管壁頂部接觸的履帶為可伸縮式的，采用凸輪機(jī)構(gòu)，由一壓力傳感器控制履帶的伸縮運(yùn)動(dòng)，來保證三個(gè)履帶全部接觸到管壁，增加管道機(jī)器人在不同管徑管道內(nèi)行走的穩(wěn)定性。采用這種移動(dòng)裝置可使機(jī)器人在管道內(nèi)的砂狀灰上行走時(shí)增加穩(wěn)定性和附著力，防止機(jī)器人陷在灰內(nèi)或打滑無法前進(jìn)。其體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，運(yùn)動(dòng)滿足要求。 Pro/Engineer軟件的介紹 Pro/E 是美國(guó) PTC (Parametric Technology Corporation)公司于 1988 年開發(fā)的參蘭州 交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，是一套由設(shè)計(jì)至生產(chǎn)的機(jī)械自動(dòng)化軟件 [f})(gl。 Pro/E 仍以單一數(shù)據(jù)、參數(shù)化、基于特征、全相關(guān)性以及工程數(shù)據(jù)再利用等特點(diǎn)改變了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)觀念，成為目前機(jī)械 CAD 領(lǐng)域的新標(biāo)準(zhǔn)。另外在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方案階段，可以形象的表現(xiàn)系統(tǒng)的組成特點(diǎn)，而在產(chǎn)品的生產(chǎn)階段可以方便與加工中心數(shù)據(jù)連接。 Pro/Engineer 是建立在統(tǒng)一基層上的數(shù)據(jù)庫上，不象一些傳統(tǒng)的 CAD/CAM 系統(tǒng)建立在多個(gè)數(shù)據(jù)庫上。換言之，在整個(gè)設(shè)計(jì)過程的任何一處發(fā)生改動(dòng)，亦可以前后反應(yīng)在整個(gè)設(shè)計(jì)過程的相關(guān)環(huán)節(jié)上。組裝圖如有任何變動(dòng)，也完全同樣反應(yīng)在整個(gè)三維模型上。 智能模型表現(xiàn)為捕捉設(shè)計(jì)和過程信息以及定義產(chǎn)品所需要的各種工程規(guī)范。目標(biāo)驅(qū)動(dòng)式設(shè)計(jì)表現(xiàn)為優(yōu)化每個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，以滿足使用自適應(yīng)過程特征從智能模型中捕捉多個(gè)目標(biāo)和不斷變化的要求，同時(shí)解決相互沖突的目標(biāo)問題。 蘭州 交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 Pro/Engineer 2021i 以后版本包含了在整個(gè)裝配過程中評(píng)估行為的功能?？梢远x己知運(yùn)動(dòng)自由度的運(yùn)動(dòng)副，為實(shí)體模型增加智能成分。 Pro/Engineer 主要模塊介紹 一、 Pro/Engineer Pro/Engineer 是軟件包，并非模塊，它是該系統(tǒng)的基本部分， 其中功能包括參數(shù)化功能定義、實(shí)體零件及組裝造型、三維上色、實(shí)體或線框造型、工程圖產(chǎn)生及不同視圖 (三維造型還可移動(dòng)，放大或縮小和旋轉(zhuǎn) )。 (參數(shù)二尺寸、圖樣中的特征、載荷、邊界條件等 )。 、復(fù)雜組合件的設(shè)計(jì) (規(guī)則排列的系列組件，交替排列， Pro/PROGRAM的各種能用零件設(shè)計(jì)的程序化方法等 )。其它輔助模塊將進(jìn)一步提高擴(kuò)展 Pro/ENGINEER 的基本功能。 Pro/SURFACE 提供了一系列必要的工具，使得設(shè)計(jì)者很容易地生成用于飛機(jī)和汽車的曲線和曲面，船殼設(shè)計(jì)以及通常所碰到的復(fù)雜設(shè)計(jì)問題。 。 。 Pro/ASSEMBLY 是 Pro/ADSSEMBLY 的一個(gè)擴(kuò)展選項(xiàng)模塊，只能在 Pro/Engineer 環(huán)境下運(yùn)行，它具有如下功能 : 蘭州 交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 (交替式 ) (支持組合件子集 ) (考慮組件內(nèi)己存在的零件來產(chǎn)生一個(gè)新的零件 ) 4. Pro/ASSEMBLY 里有一個(gè) Pro/Program 模塊， .它提供一個(gè)開發(fā)工具。 (繪零件與組件組成的組件附加特征值。 四、 Pro/MANUFACTURING Pro/MANUFACTURING 將產(chǎn)生生產(chǎn)過程規(guī)劃，刀路軌跡并能根據(jù)用戶需要產(chǎn)生的生產(chǎn)規(guī)劃做出時(shí)間上及價(jià)格成本上的估計(jì)。它將具備完整關(guān)聯(lián)性的 Pro/ENGINEER產(chǎn)品線延伸至加工制造的工作環(huán)境里。這些信息接著作后期處理，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng) NC器件所需的編碼。用以對(duì)銑削加工及鉆床加工操作所產(chǎn)生的物料，作模擬清除。會(huì)依照 Pro/MANUFACTURING 定義的切割路徑移動(dòng)，用戶亦可以清楚看到物料清除的進(jìn)度。它亦讓用戶可以在整個(gè)加工制造過程，定義夾層平面 (Clipping Plane)特定的深度。再加上顏色的設(shè)定，選定工具路徑、內(nèi)置參考模型、工具及任何夾具 (Fixture)均能二目了然，不生混淆。 蘭州 交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 2. Pro/NCCHECK 與 Pro/MANUFACTURING 一并使用時(shí)，用戶可用以仔細(xì)檢定切割零件的每一部份，節(jié)省了用戶不必要地在機(jī)器上試用及操作的時(shí)間。 管道清灰機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)三維模型的建立 管道清灰機(jī)器人由移動(dòng)裝置和操作臂組成，移動(dòng)裝置為履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)，可在松軟的砂狀灰上走動(dòng)。鏟斗來鏟裝灰物，動(dòng)臂和舉升油缸用來提升鏟斗，轉(zhuǎn)斗油缸通過搖臂、拉桿使鏟斗轉(zhuǎn)動(dòng)。操作臂如圖 21所示。機(jī)器人行走機(jī) 構(gòu)由三個(gè)呈 o120 的履帶輪組成，與管壁底部接觸的兩個(gè)呈 o120 的履帶為固定履帶，上面與管壁頂部接觸的履帶為可伸縮式的，履帶支撐用彈簧裝置（如圖所示）保證三個(gè)履帶全部接觸到管壁，增加管道機(jī)器人在不同管徑管道內(nèi)行走的穩(wěn)定性。管道清灰機(jī)器人是由操作臂和移動(dòng)裝置組成。因此，對(duì)該機(jī)器人的位姿 (位置和姿勢(shì) )分析可簡(jiǎn)化為平面位姿分析。 機(jī)器人操作臂類型選擇 該機(jī)器人操作臂簡(jiǎn)化后為一平面機(jī)構(gòu)。按機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可將操作臂運(yùn)動(dòng)裝置分為正轉(zhuǎn)連桿和反轉(zhuǎn)連桿。反轉(zhuǎn)連桿機(jī)構(gòu)主動(dòng)構(gòu)件與從動(dòng)構(gòu)件轉(zhuǎn)向相反，如圖 32 所示。 2)反轉(zhuǎn)連桿機(jī)構(gòu) : ①發(fā)出最大鏟起力是在 ? 0 時(shí)，且鏟起力變化陡峭如圖 33 所示，因此在提 升鏟斗時(shí)鏟起力較大，適于裝載重物 ； ②鏟斗卸料時(shí)，角速度小，卸料平緩 ； ③升降動(dòng)臂時(shí)較易保證鏟斗平移。 鏟斗轉(zhuǎn)角差及卸載角分析 當(dāng)鏟斗轉(zhuǎn)角時(shí)有較大的鏟起力，如圖 33左所示。鏟斗在動(dòng)臂舉升過程中的最高位置時(shí)，其最大卸載角狀態(tài)如圖 33右所示，也就是當(dāng)搖臂和旋轉(zhuǎn)臂處于同一直線時(shí)，鏟斗傾倒可達(dá)到最大的卸載角，同時(shí)與舉升油缸的位置也有關(guān)，油缸與管道水蘭州 交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 30 平方向夾角越小，鏟斗卸載角也越 大，但需保證鏟斗不能碰到管壁，方可保證卸料干凈。在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析時(shí)，首先要確定所給定的機(jī)構(gòu)的自由度。該機(jī)器人操作臂機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖 34所示。因此機(jī)器人操作臂具有兩個(gè)原動(dòng)件，一個(gè)為舉升液壓缸，另一個(gè)為旋轉(zhuǎn)液壓缸。已知各桿長(zhǎng)，當(dāng)轉(zhuǎn)斗油缸伸縮量為一定值時(shí)，舉升油缸伸縮時(shí)，大臂為主動(dòng)桿，分析此時(shí)六連桿的運(yùn)動(dòng)特性。 蘭州 交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 32 若速度方程有解，剛 0?A ；若速度方程無解，剛 0?A ，即 )sin( 32 ?? ? 或)sin( 54 ?? ? ， 也就是 32 ?? ? 或 54 ?? ? ， ,02?? 兩閉鏈的傳動(dòng)角分別為零。由于轉(zhuǎn)斗油缸和舉升油缸不能作整周回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，不存在當(dāng)?18032 ???? ，或 ?18054 ???? 時(shí)的死點(diǎn)位置。 機(jī)構(gòu)死點(diǎn)位置 蘭州 交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 33 4. 管道機(jī)器人運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)仿真 鏟斗鏟灰 液壓裝置 1來控制鏟斗的旋轉(zhuǎn)，主機(jī)通過分析計(jì)算來控制該液壓裝置的伸縮量，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，在不會(huì)出現(xiàn)死點(diǎn)位置時(shí)，機(jī)構(gòu)有兩個(gè)擺動(dòng)極限位置：分別如下圖所示 （ 1）機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)定義如下 蘭州 交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 34 當(dāng)收縮量最大是： 當(dāng)拉伸量最大是： 蘭州 交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 35 鏟斗舉升 液壓裝置 2來實(shí)現(xiàn)鏟斗舉升，主機(jī)通過分析計(jì)算來控制該液壓裝置的伸縮量，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，在不會(huì)出現(xiàn)死點(diǎn)位置時(shí)，機(jī)構(gòu)有兩個(gè)擺動(dòng)極限位置：分別如下 圖所示 最底點(diǎn)：鏟斗開始鏟灰 蘭州 交通大學(xué)