工业机器人球坐标型机械臂结构设计 文献综述.doc

工业机器人球坐标型机械臂结构设计 摘 要 机器人自诞生之日起，便显示出其强大的生命力。机器人首先在工业生产中得到了广泛应用，并给传统工业带来了质的飞跃。它不仅提高了传统产业的自动化程度，提高了劳动生产率，而且还推动了以资源消耗低、环境污染少为特征的新型工业的诞生。随着人类在机械工程、电气工程、微电子技术、计算机技术、控制论、传感技术、信息学、声学、仿生学及人工智能等学科领域的飞速发展，机器人技术的应用也正在向农业、林业、畜牧养殖、海洋开发、宇宙探索、国防建设、安全救济、生物医学、服务娱乐等新领域拓展开来，并已取得显著进展。机器人技术已成为高科技应用领域中的重要组成部分[1]-[15]]。 机器人主要有两大类：用于制造环境下的工业机器人和用于非制造环境下的服务机器人。工业机器人是一种对生产环境和生产条件具有较强的适应性和灵活性的柔性自动化装备，它主要用于现代制造业中代替人们从事繁重、重复单调、环境恶劣危险、人做不了或做不好的工作，从而减轻了人们的劳动强度，改善了劳动环境，并有效地提高了生产的自动化程度，提高了产品质量和劳动生产率。工业机器人是柔性化制造系统（FMS）、自动化工厂（FA）和计算机集成制造系统（CIMS）必不可少的自动化工具，它的发展和应用情况已成为一个国家工业自动化水平的重要标志[9]-[15]。 图1 机械臂模型 1 工业机器人的发展及研究现状 工业机器人的发展通常可规划分为三代： 第一代工业机器人：通常是指目前国际上商品化与使用化的“可编程的工业机器人”，又称“示教再现工业机器人”，即为了让工业机器人完成某项作业，首先由操作者将完成该作业所需要的各种知识（如运动轨迹、作业条件、作业顺序和作业时间等），通过直接或间接手段，对工业机器人进行“示教”，工业机器人将这些知识记忆下来后，即可根据“再现”指令，在一定精度范围内，忠实的重复再现各种被示教的动作。1962年美国万能自动化公司的第一台Unimate工业机器人在美国通用汽车公司投入使用，标志着第一代工业机器人的诞生。 第二代工业机器人：通常是指具有某种智能（如触觉、力觉、视觉等）功能的“智能机器人”。即有传感器得到触觉、力觉和视觉等信息计算机处理后，控制机器人的操作机完成相应的适当操作。1982年美国通用汽车在装配线上为工业机器人装备了视觉系统，从而宣布了新一代智能工业机器人的问世。 第三代工业机器人：即所谓的“只治式工业机器人”。它不仅具有感知功能，而且还有一定的决策及规划能力。第一代工业机器人目前仍处在实验室研究阶段。工业机器人经历了诞生---成长---成熟期后，已成为制造业中不可缺少的核心装备，世界上有约75万台工业机器人正与工人朋友并肩战斗在个条生产线上，特种机器人作为机器人家族的后起之秀，由于其用途广泛而大有后来居上之势，仿人机器人、农业机器人、服务机器人、水下机器人、医疗机器人、军用机器人、娱乐机器人等各种用途发特种机器人纷纷面世，而且正以飞快的速度向实用化迈进。 图2 林木球果采集机器人总体结构 1.1 工业机器人的发展历程 1954年美国的George Devol设计了第一台可编程机器人，取名为“万能自动（Universal Automation）”。该机器人自带存储器，可以实现点到点的再现运动。1956年，Devol和被誉为“工业机器人之父”的Joseph F.Engel Berger成立了Unimation公司，开始设计、生产工业机器人UNIMATE，并于1960年研制出第一台机器人样机。同时，美国AMF（American Machine and Foundry）公司也设计制造了另一种圆柱坐标形式的机器人Versatran。Unimation和Versatran成为世界上最早的工业机器人。1962年，美国General Motor公司的装配生产线安装了世界上第一台工业机器人UNIMATE，从而拉开了工业机器人为人类服务的序幕[11][16]。 20世纪60年代是工业机器人的萌芽发展阶段。工业机器人首先被应用于汽车生产线的搬运、焊接、喷漆等作业，它们在工业生产中表现出良好的灵活性和稳定性，极大地提高了生产效率，因此在工业生产中得到推广。 20世纪70年代，随着计算机技术、自动控制理论的发展和工业生产对自动化需求的不断增长，工业机器人技术得到了迅速发展。1970年在美国召开了第一届国际工业机器人学术会议，1973年，Richard Hohn为Cincinnati Milacron公司开发了第一台由微型计算机控制的工业机器人T3，该机器人由液压驱动，能提升的有效负载达45公斤。1974年，Scheinman教授设计了一台通过触觉和压力传感器反馈进行小零件装配的机械臂the Silver Arm，并成立了Vi