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工業(yè)機(jī)器人課程報(bào)告

昆明理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院機(jī)械工程及自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)2006級(jí) 流體傳動(dòng)與控制模塊（8）

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工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)原理及其應(yīng)用

[摘要]:自從20世紀(jì)初以來(lái),隨著機(jī)床,汽車(chē)等制造業(yè)的發(fā)展出現(xiàn)了機(jī)械手,并且經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展以及在工業(yè)中的應(yīng)用,工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)越來(lái)越受到人們的重視.有代表性的美國(guó),日本，蘇聯(lián)，歐洲在工業(yè)機(jī)器人方面的研究和應(yīng)用加大了力度,特別是日本在這方面尤其突出。近年來(lái)工業(yè)機(jī)器人在焊接,噴涂,搬運(yùn)物料,裝配,海洋開(kāi)發(fā),原子能工業(yè),宇宙開(kāi)發(fā)，軍事應(yīng)用，農(nóng)牧業(yè)，建筑，礦業(yè)，醫(yī)療福利等方面也有了廣泛的應(yīng)用，并且隨著機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)步，其應(yīng)用范圍一定會(huì)越來(lái)越廣泛。下面我們將從執(zhí)行系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，控制系統(tǒng)和人工智能系統(tǒng)四方面來(lái)具體介紹工業(yè)機(jī)器人。

[Abstract]：Since the beginning of the 20th century, with the machine tool, automobile manufacturing industry experienced a mechanical hand, and after years of development, as well as in industry applications, industrial robots have been more and more attention.Representative of the United States, Japan, the Soviet Union, the European industrial robot research and application of stepped up efforts, especially in Japan in this regard are particularly conspicuous.In recent years, industrial robots, welding, painting, material handling, assembly, ocean development, atomic energy industry, the universe development, military applications, agriculture, animal husbandry, construction, mining, medical and welfare also have a wide range of applications, and with advances in robotics,Range of applications will become increasingly widespread.Now we will implement the system, drive systems, control systems and artificial intelligence systems to the specific introduction four robots.一.工業(yè)機(jī)器人的定義、產(chǎn)生和發(fā)展

1.1機(jī)器人的定義

到目前為止，世界各地對(duì)“工業(yè)機(jī)器人”還沒(méi)有作出統(tǒng)一的明確定義。通常所說(shuō)的工業(yè)機(jī)器人是一種能模擬人的手、臂的部分動(dòng)作，按照預(yù)定的程序、軌跡及其它要求，實(shí)現(xiàn)抓取、搬運(yùn)工件或操縱工具的自動(dòng)化裝置。

機(jī)器人的外表不一定像人，有的根本不像人。因?yàn)槿藗冎圃鞕C(jī)器人是為了讓及其人代替人的工作，所以機(jī)器人能夠具有人的勞動(dòng)機(jī)能。機(jī)器人能力的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)當(dāng)和生物能力的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)一樣，包括智能、機(jī)能和物理能三個(gè)方面。

智能是指感覺(jué)和感知，包括記憶、運(yùn)算，比較，鑒別，判斷，決策，學(xué)習(xí)和邏輯推理等。機(jī)能是指變通性，通用性或空間占有性等。

物理能則包括力，速度，連續(xù)運(yùn)行能力，可靠性，聯(lián)用性，壽命等。

把上述三方面能力綜合起來(lái)，有可以說(shuō)機(jī)器人是具有生物功能的空間三維坐標(biāo)系機(jī)械。既然要求機(jī)器人能代替人的勞動(dòng)。人們就希望它能有一雙像人一樣的巧手；能行走的雙腳；具有人類(lèi)感官的功能（視覺(jué)、觸覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、味覺(jué)、嗅覺(jué)、痛覺(jué)等）；具有理解人類(lèi)語(yǔ)言和用語(yǔ)言表達(dá)的能力；具有一顆善于思考，學(xué)習(xí)和決策的頭腦。但是機(jī)器人所有這些能力都必須滿(mǎn)足機(jī)器人學(xué)三定律：

第一定律：機(jī)器人不得傷害人，也不得見(jiàn)人受到傷害而袖手旁觀。

第二定律：機(jī)器人應(yīng)服從人的一切命令，但不得違反第一定律。

第三定律：機(jī)器人應(yīng)保護(hù)自身的安全，但不得違反第一，第二定律。

1.2機(jī)器人的產(chǎn)生和發(fā)展

早在20世紀(jì)初，隨著機(jī)床，汽車(chē)等制造業(yè)的發(fā)展就出現(xiàn)了機(jī)械手。1913年美國(guó)福特汽車(chē)工業(yè)公司就安裝了第一條汽車(chē)零件加工自動(dòng)線。自動(dòng)機(jī)的上下料與工件的傳送采用了專(zhuān)用機(jī)械手代替人工上下料及傳送工件?？梢?jiàn)專(zhuān)用機(jī)械手就是作為自動(dòng)機(jī)，自動(dòng)線的附屬裝置出現(xiàn)的。

到了40年代，隨著原子能工業(yè)的產(chǎn)生，出現(xiàn)了另一類(lèi)半自動(dòng)化抓取搬運(yùn)裝置——操作機(jī)。在原子能工業(yè)中用它來(lái)進(jìn)行放射性材料的加工，處理和實(shí)驗(yàn)；

“工業(yè)機(jī)器人”這種自動(dòng)化裝置出現(xiàn)的比較晚。它的研究工作是50年代初從美國(guó)開(kāi)始的。日本，蘇聯(lián)，歐洲的研制工作比美國(guó)大約晚十年。但是日本的發(fā)展速度比美國(guó)快，歐洲特別是西歐各國(guó)比較注意工業(yè)機(jī)器人的研制和應(yīng)用，其中英國(guó)，瑞典，挪威等國(guó)的技術(shù)水平較高，產(chǎn)量也較大。

1954年美國(guó)人G.C戴萬(wàn)獲得了一項(xiàng)工業(yè)機(jī)器人專(zhuān)利。到1958年，美國(guó)機(jī)械與鑄造公司研制成功一臺(tái)數(shù)控自動(dòng)通用機(jī)器。這就是世界上最早的機(jī)器人。從此之后，美國(guó)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，大致經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段：

（1）1963——1967年為實(shí)驗(yàn)定型階段;

（2）1968——1970年為實(shí)際應(yīng)用階段；

（3）1970年至今一直處于技術(shù)發(fā)展和推廣應(yīng)用階段。

二機(jī)器人的組成及各部分結(jié)構(gòu)原理

工業(yè)機(jī)器人一般應(yīng)由執(zhí)行系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，控制系統(tǒng)和人工智能系統(tǒng)組成。下面我們就來(lái)詳細(xì)分析各個(gè)系統(tǒng)的組成及其原理。

2.1執(zhí)行系統(tǒng)

執(zhí)行系統(tǒng)是工業(yè)機(jī)器人完成抓取工件（或工具）實(shí)現(xiàn)所需的各種運(yùn)動(dòng)的機(jī)械部件，包括以下幾個(gè)部分：手部，腕部，臂部，機(jī)身和行走機(jī)構(gòu)。

（1）手部：是工業(yè)機(jī)器人直接與工件接觸用來(lái)完成握持工件（或工具）的部件。有些

工業(yè)機(jī)器人直接將工具（如焊槍?zhuān)瑖姌專(zhuān)萜鳎┭b在手部位置，而不再設(shè)置手部。根據(jù)手指和手掌在抓取物體時(shí)的相對(duì)狀態(tài)，抓取方式可分為捏，夾握三大類(lèi)。這三種抓取方式都是靠手指間或手指與手掌間對(duì)工件的作用力以及手指手掌與工件之間的摩擦力保持工件的。

從機(jī)械手指根部來(lái)看，手部機(jī)構(gòu)的動(dòng)作形式有回轉(zhuǎn)式和移動(dòng)式（或直進(jìn)式）兩種。其中回轉(zhuǎn)式為基本形式，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易制造，應(yīng)用廣泛。由于移動(dòng)式手部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，龐大等，所以以用較少。但移動(dòng)式手部機(jī)構(gòu)抓取工件時(shí)，工件直徑的變化對(duì)定位精度一般無(wú)影響，故宜于工件直徑有較大變化時(shí)使用。

（2）腕部：是工業(yè)機(jī)器人中聯(lián)接手部與臂部，主要用來(lái)確定手部工作位置并擴(kuò)大臂部

動(dòng)作范圍的部件。有一些專(zhuān)用機(jī)器人沒(méi)有手腕部件，而是直接將手部安裝在手臂部件的頂端。為了使手部處于空間任意方向，要求腕部能實(shí)現(xiàn)對(duì)空間三個(gè)坐標(biāo)軸X.Y.Z的轉(zhuǎn)動(dòng)。即具有回轉(zhuǎn)，俯仰和擺動(dòng)。一些專(zhuān)用機(jī)械手甚至沒(méi)有腕部，但有的腕部是為了特殊要求還有橫向移動(dòng)自由度。

（3）臂部：是機(jī)器人用來(lái)支承腕部和手部實(shí)現(xiàn)較大運(yùn)動(dòng)范圍的部件。工業(yè)機(jī)器人的臂

部一般有2——3個(gè)自由度，即伸縮，回轉(zhuǎn)，俯仰和升降。專(zhuān)用機(jī)械手的臂部一般具有1——2個(gè)自由度，即伸縮，回轉(zhuǎn)和直移。臂部總重量較大，受力一般叫復(fù)雜，在運(yùn)動(dòng)時(shí)，直接承受腕部手部和工件（工具）的靜動(dòng)載荷，尤其高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，將產(chǎn)生教的的慣性力（或慣性矩），引起沖擊，影響定位的準(zhǔn)確性。臂部運(yùn)動(dòng)部分零部件的重量直接影響著臂部構(gòu)建的剛度和強(qiáng)度。專(zhuān)用機(jī)械手的臂部一般直接安裝在主機(jī)上，工業(yè)機(jī)器人的臂部一般與控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一起安裝在機(jī)身上（即機(jī)座上），機(jī)身可以是固定式的，也可以是行走式的，即沿地面和導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)。

（4）機(jī)身：是工業(yè)機(jī)器人用來(lái)支承手部部件的，并安裝驅(qū)動(dòng)裝置和其他裝置的部件。

專(zhuān)用機(jī)械手一般將臂部安裝在主機(jī)上。成為主機(jī)的附屬裝置，臂部的運(yùn)動(dòng)越多，機(jī)身的受力和結(jié)構(gòu)情況越復(fù)雜。機(jī)身即可以是固定的也可以是行走式的，即在他的下部能行走的結(jié)構(gòu)，可沿地面和架空軌道運(yùn)行。設(shè)計(jì)機(jī)身時(shí)為提高剛度應(yīng)注意

以下幾點(diǎn)：剛度，精度，平穩(wěn)性。

（5）行走機(jī)構(gòu)：是工業(yè)機(jī)器人用來(lái)擴(kuò)大活動(dòng)范圍的機(jī)構(gòu)，有的是專(zhuān)門(mén)的行走裝置，有的是軌道滾輪機(jī)構(gòu)。行走部是行走機(jī)器人的重要執(zhí)行部件，是由行走的驅(qū)動(dòng)裝置，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，位置檢測(cè)元件，傳感器，電纜及管路等構(gòu)成。它一方面支承機(jī)器人的機(jī)身，臂和手部，另一方面還根據(jù)工作任務(wù)的要求，帶動(dòng)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)更廣泛的空間內(nèi)運(yùn)動(dòng)。行走部機(jī)構(gòu)按其行走運(yùn)動(dòng)軌跡固定軌跡式和無(wú)固定軌跡式。隨著海洋科學(xué)，原子能工業(yè)及宇宙空間事業(yè)的發(fā)展，可以預(yù)見(jiàn)，具有智能的可移動(dòng)機(jī)器人，能夠自行的柔性機(jī)器人肯定是今后的發(fā)展方向。

2.2驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是向執(zhí)行系統(tǒng)各部件提供動(dòng)力的裝置。采用的動(dòng)力源不同，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)方式也不同。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)方式有四種：液壓式，氣壓式，電器式和機(jī)械式。

（1）液壓式:其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由油缸，電磁閥，油泵和郵箱等組成。其特點(diǎn)是操作力大，體

積小，動(dòng)作平穩(wěn)，耐沖擊耐振動(dòng)。但漏油對(duì)系統(tǒng)的工作性能影響大。與氣壓式相比成本高。

（2）氣壓式：其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由氣缸，氣閥，空氣壓縮機(jī)（或氣壓站直接供給）和儲(chǔ)氣罐

等組成。其特點(diǎn)是起源方便，維修簡(jiǎn)單，易于獲得高速度，成本低，防火防爆，漏氣對(duì)環(huán)境無(wú)影響，有沖擊，臂力一般不超過(guò)300牛頓。

（3）電器式；其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一般由電機(jī)驅(qū)動(dòng)。優(yōu)點(diǎn)是電源方便，信號(hào)傳遞運(yùn)算容易，響

應(yīng)快，驅(qū)動(dòng)力較大，適用于中小型工業(yè)機(jī)器人。但是必須使用減速裝置（如齒輪減速器，諧波齒輪減速器等），所需要的電機(jī)有步進(jìn)電機(jī)，DC伺服電機(jī)和AC伺服電機(jī)等。

（4）機(jī)械式：器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由電機(jī)，凸輪，齒輪齒條，連桿等機(jī)械裝置組成。傳動(dòng)可靠，適用于簡(jiǎn)單的機(jī)械手。

2．3控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)是工業(yè)機(jī)器人或機(jī)械手的指揮系統(tǒng)，它控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，讓執(zhí)行機(jī)構(gòu)按照規(guī)定的要求進(jìn)行工作，并檢測(cè)其正確與否。一般常見(jiàn)的為電氣與電子回路控制。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)也不斷增多。就其控制方式可分為分散控制與集中控制兩種類(lèi)型。若以控制的運(yùn)動(dòng)軌跡來(lái)分原則上分為兩種：（1）點(diǎn)位控制：主要控制空間兩點(diǎn)或有限多個(gè)點(diǎn)的空間位置，而其對(duì)運(yùn)動(dòng)路徑?jīng)]有要求。專(zhuān)用機(jī)械手和絕大部分工業(yè)機(jī)器人均采用這種點(diǎn)位控制方式。（2）連續(xù)軌跡控制：是用連續(xù)的信息對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡的任意位置進(jìn)行控制，其運(yùn)動(dòng)路徑是連續(xù)的。對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡有要求的工業(yè)機(jī)器人需要連續(xù)軌跡控制，如電弧焊，切割等。

2.4人工智能系統(tǒng)

傳感器技術(shù)是今后左右工業(yè)機(jī)器人發(fā)展的重要技術(shù)之一。傳感器的功能相當(dāng)于人的部分感覺(jué)機(jī)能。機(jī)器人自動(dòng)操作時(shí)，需要檢測(cè)自身狀態(tài)和作業(yè)對(duì)象與作業(yè)環(huán)境的狀態(tài)。檢測(cè)機(jī)器人自身狀態(tài)的傳感器稱(chēng)為內(nèi)部信息傳感器而檢測(cè)外部信息的傳感器有和人的五官對(duì)應(yīng)的，有純工程的和五官對(duì)應(yīng)的有接觸式的觸覺(jué)，味覺(jué)（PH計(jì)，化學(xué)分析器）傳感器。非接觸式的視覺(jué)，嗅覺(jué)（氣體傳感器，化學(xué)分析器，煙傳感器）傳感器，以及有固定作用的聽(tīng)覺(jué)傳感器。

（1）觸覺(jué)傳感器人的觸覺(jué)包含有接觸覺(jué)，壓覺(jué)，冷熱覺(jué)，滑動(dòng)覺(jué)，痛覺(jué)等。

（2）接近覺(jué)傳感器人沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的接近覺(jué)器官，而是依靠視覺(jué)和經(jīng)驗(yàn)來(lái)判斷物體的接近情況。如果仿照人的功能使機(jī)器人具有接近覺(jué)將非常復(fù)雜，所以機(jī)器人使用專(zhuān)門(mén)的接近覺(jué)傳感器。

（3）視覺(jué)傳感器視覺(jué)傳感器在機(jī)器人上起三個(gè)作用：第一位置的測(cè)量，第二進(jìn)行圖像識(shí)別，第三進(jìn)行檢驗(yàn)

（4）人工視覺(jué)人類(lèi)是借助五種感官?gòu)耐饨绔@得信息的，一般認(rèn)為有90%以上的信息來(lái)自

視覺(jué)。就是說(shuō)，人要順利地生活和工作，非用眼睛識(shí)別客觀環(huán)境不可。同樣，要讓機(jī)器人有高度的適應(yīng)性以及復(fù)雜的工作能力也必須使之具備某種形式的人工視覺(jué)。

三機(jī)器人的應(yīng)用

工業(yè)機(jī)器人最早應(yīng)用的領(lǐng)域是汽車(chē)工業(yè)。其中應(yīng)用最早最多的工種為焊接，噴涂和上下料。有人稱(chēng)這個(gè)領(lǐng)域?yàn)闄C(jī)器人的傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域。

1焊接包括點(diǎn)焊，弧焊，錫焊，激光焊等，它的用途廣，歷史長(zhǎng)。例如汽車(chē)的駕駛室是用點(diǎn)焊的方法把各個(gè)分離的板件焊成一個(gè)整體的。

2噴涂由于噴涂工序中霧狀漆料對(duì)人體有危害，噴涂環(huán)境中照明，通風(fēng)等條件很差，而且不易從根本上改進(jìn)，因此在這個(gè)領(lǐng)域中大量使用了機(jī)器人。使用機(jī)器人不僅可以改善勞動(dòng)條件，而且還可以提高產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量，降低成本。

3搬運(yùn)物料包括為機(jī)床服務(wù),上下工件,為自動(dòng)線服務(wù),在不同流向的自動(dòng)線上轉(zhuǎn)運(yùn)工件.這種機(jī)器人和數(shù)控機(jī)床可以組成柔性加工系統(tǒng)(FMS),它可以滿(mǎn)足多品種,中小批量生產(chǎn)的需要.4裝配由于機(jī)器人的觸覺(jué)和視覺(jué)系統(tǒng)不斷完善,可以把軸類(lèi)件投放于孔內(nèi)的準(zhǔn)確度提高到0.01mm之內(nèi)。國(guó)外已逐步開(kāi)始應(yīng)用機(jī)器人裝配復(fù)雜部件，例如裝配發(fā)電機(jī)，電動(dòng)機(jī)，大規(guī)模集成電路板等。

5海洋開(kāi)發(fā)機(jī)器人常用于海洋測(cè)量多目標(biāo)觀測(cè)，海底施工，電纜鋪設(shè)，管道連接維修，石油開(kāi)采等。

6原子能工業(yè)機(jī)器人可用于放射性物質(zhì)搬運(yùn)，設(shè)備檢查維修，污染物處理等對(duì)人體有害的工作。

7其他機(jī)器人在宇宙開(kāi)發(fā)，軍事應(yīng)用，農(nóng)牧業(yè)，建筑，礦業(yè)，醫(yī)療福利等方面也有了廣泛的應(yīng)用，并且隨著機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)步，其應(yīng)用范圍一定會(huì)越來(lái)越廣泛。

參考文獻(xiàn)：吳廣玉 姜復(fù)興編 《機(jī)器人工程導(dǎo)論》哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社1988年3月張建明 編著《工業(yè)機(jī)器人》北京理工大學(xué)出版社1988年12月