工业机器人课程报告
昆明理工大学 机电工程学院机械工程及自动化专业2006级 流体传动与控制模块（8）
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工业机器人的结构原理及其应用
[摘要]:自从20世纪初以来,随着机床,汽车等制造业的发展出现了机械手,并且经过多年的发展以及在工业中的应用,工业机器人已经越来越受到人们的重视.有代表性的美国,日本，苏联，欧洲在工业机器人方面的研究和应用加大了力度,特别是日本在这方面尤其突出。近年来工业机器人在焊接,喷涂,搬运物料,装配,海洋开发,原子能工业,宇宙开发，军事应用，农牧业，建筑，矿业，医疗福利等方面也有了广泛的应用，并且随着机器人技术的进步，其应用范围一定会越来越广泛。下面我们将从执行系统，驱动系统，控制系统和人工智能系统四方面来具体介绍工业机器人。
[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, aembly, 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.工业机器人的定义、产生和发展
1.1机器人的定义
到目前为止，世界各地对“工业机器人”还没有作出统一的明确定义。通常所说的工业机器人是一种能模拟人的手、臂的部分动作，按照预定的程序、轨迹及其它要求，实现抓取、搬运工件或操纵工具的自动化装置。
机器人的外表不一定像人，有的根本不像人。因为人们制造机器人是为了让及其人代替人的工作，所以机器人能够具有人的劳动机能。机器人能力的评价标准，应当和生物能力的评价标准一样，包括智能、机能和物理能三个方面。
智能是指感觉和感知，包括记忆、运算，比较，鉴别，判断，决策，学习和逻辑推理等。 机能是指变通性，通用性或空间占有性等。
物理能则包括力，速度，连续运行能力，可靠性，联用性，寿命等。
把上述三方面能力综合起来，有可以说机器人是具有生物功能的空间三维坐标系机械。 既然要求机器人能代替人的劳动。人们就希望它能有一双像人一样的巧手；能行走的双脚；具有人类感官的功能（视觉、触觉、听觉、味觉、嗅觉、痛觉等）；具有理解人类语言和用语言表达的能力；具有一颗善于思考，学习和决策的头脑。但是机器人所有这些能力都必须满足机器人学三定律：
第一定律：机器人不得伤害人，也不得见人受到伤害而袖手旁观。
第二定律：机器人应服从人的一切命令，但不得违反第一定律。
第三定律：机器人应保护自身的安全，但不得违反第一，第二定律。
1.2机器人的产生和发展
早在20世纪初，随着机床，汽车等制造业的发展就出现了机械手。1913年美国福特汽车工业公司就安装了第一条汽车零件加工自动线。自动机的上下料与工件的传送采用了专用机械手代替人工上下料及传送工件。可见专用机械手就是作为自动机，自动线的附属装置出现的。
到了40年代，随着原子能工业的产生，出现了另一类半自动化抓取搬运装置——操作机。在原子能工业中用它来进行放射性材料的加工，处理和实验；
“工业机器人”这种自动化装置出现的比较晚。它的研究工作是50年代初从美国开始的。日本，苏联，欧洲的研制工作比美国大约晚十年。但是日本的发展速度比美国快，欧洲特别是西欧各国比较注意工业机器人的研制和应用，其中英国，瑞典，挪威等国的技术水平较高，产量也较大。
1954年美国人G.C戴万获得了一项工业机器人专利。到1958年，美国机械与铸造公司研制成功一台数控自动通用机器。这就是世界上最早的机器人。从此之后，美国的工业机器人技术的发展，大致经历了以下几个阶段：
（1）1963——1967年为实验定型阶段;
（2）1968——1970年为实际应用阶段；
（3）1970年至今一直处于技术发展和推广应用阶段。
二机器人的组成及各部分结构原理
工业机器人一般应由执行系统，驱动系统，控制系统和人工智能系统组成。下面我们就来详细分析各个系统的组成及其原理。
2.1执行系统
执行系统是工业机器人完成抓取工件（或工具）实现所需的各种运动的机械部件，包括以下几个部分：手部，腕部，臂部，机身和行走机构。
（1） 手部：是工业机器人直接与工件接触用来完成握持工件（或工具）的部件。有些
工业机器人直接将工具（如焊枪，喷枪，容器）装在手部位置，而不再设置手部。 根据手指和手掌在抓取物体时的相对状态，抓取方式可分为捏，夹握三大类。这三种抓取方式都是靠手指间或手指与手掌间对工件的作用力以及手指手掌与工件之间的摩擦力保持工件的。
从机械手指根部来看，手部机构的动作形式有回转式和移动式（或直进式）两种。其中回转式为基本形式，它结构简单，容易制造，应用广泛。由于移动式手部结构比较复杂，庞大等，所以以用较少。但移动式手部机构抓取工件时，工件直径的变化对定位精度一般无影响，故宜于工件直径有较大变化时使用。
（2） 腕部：是工业机器人中联接手部与臂部，主要用来确定手部工作位置并扩大臂部
动作范围的部件。有一些专用机器人没有手腕部件，而是直接将手部安装在手臂部件的顶端。为了使手部处于空间任意方向，要求腕部能实现对空间三个坐标轴X.Y.Z的转动。即具有回转，俯仰和摆动。一些专用机械手甚至没有腕部，但有的腕部是为了特殊要求还有横向移动自由度。
（3） 臂部：是机器人用来支承腕部和手部实现较大运动范围的部件。工业机器人的臂
部一般有2——3个自由度，即伸缩，回转，俯仰和升降。专用机械手的臂部一般具有1——2个自由度，即伸缩，回转和直移。臂部总重量较大，受力一般叫复杂，在运动时，直接承受腕部手部和工件（工具）的静动载荷，尤其高速运动时，将产生教的的惯性力（或惯性矩），引起冲击，影响定位的准确性。臂部运动部分零部件的重量直接影响着臂部构建的刚度和强度。专用机械手的臂部一般直接安装在主机上，工业机器人的臂部一般与控制系统和驱动系统一起安装在机身上（即机座上），机身可以是固定式的，也可以是行走式的，即沿地面和导轨运动。
（4） 机身：是工业机器人用来支承手部部件的，并安装驱动装置和其他装置的部件。
专用机械手一般将臂部安装在主机上。成为主机的附属装置，臂部的运动越多，机身的受力和结构情况越复杂。机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结构，可沿地面和架空轨道运行。设计机身时为提高刚度应注意
以下几点：刚度，精度，平稳性。
（5） 行走机构：是工业机器人用来扩大活动范围的机构，有的是专门的行走装置，有
的是轨道滚轮机构。行走部是行走机器人的重要执行部件，是由行走的驱动装置，传动机构，位置检测元件，传感器，电缆及管路等构成。它一方面支承机器人的机身，臂和手部，另一方面还根据工作任务的要求，带动机器人实现更广泛的空间内运动。行走部机构按其行走运动轨迹固定轨迹式和无固定轨迹式。随着海洋科学，原子能工业及宇宙空间事业的发展，可以预见，具有智能的可移动机器人，能够自行的柔性机器人肯定是今后的发展方向。
2.2驱动系统
驱动系统是向执行系统各部件提供动力的装置。采用的动力源不同，驱动系统的传动方式也不同。驱动系统的传动方式有四种：液压式，气压式，电器式和机械式。
（1） 液压式:其驱动系统由油缸，电磁阀，油泵和邮箱等组成。其特点是操作力大，体
积小，动作平稳，耐冲击耐振动。但漏油对系统的工作性能影响大。与气压式相比成本高。
（2） 气压式：其驱动系统由气缸，气阀，空气压缩机（或气压站直接供给）和储气罐
等组成。其特点是起源方便，维修简单，易于获得高速度，成本低，防火防爆，漏气对环境无影响，有冲击，臂力一般不超过300牛顿。
（3） 电器式；其驱动系统一般由电机驱动。优点是电源方便，信号传递运算容易，响
应快，驱动力较大，适用于中小型工业机器人。但是必须使用减速装置（如齿轮减速器，谐波齿轮减速器等），所需要的电机有步进电机，DC伺服电机和AC伺服电机等。
（4） 机械式：器驱动系统由电机，凸轮，齿轮齿条，连杆等机械装置组成。传动可靠，
适用于简单的机械手。
2．3控制系统
控制系统是工业机器人或机械手的指挥系统，它控制驱动系统，让执行机构按照规定的要求进行工作，并检测其正确与否。一般常见的为电气与电子回路控制。计算机控制系统也不断增多。就其控制方式可分为分散控制与集中控制两种类型。若以控制的运动轨迹来分原则上分为两种：（1）点位控制：主要控制空间两点或有限多个点的空间位置，而其对运动路径没有要求。专用机械手和绝大部分工业机器人均采用这种点位控制方式。（2）连续轨迹控制：是用连续的信息对运动轨迹的任意位置进行控制，其运动路径是连续的。对运动轨迹有要求的工业机器人需要连续轨迹控制，如电弧焊，切割等。
2.4人工智能系统
传感器技术是今后左右工业机器人发展的重要技术之一。传感器的功能相当于人的部分感觉机能。机器人自动操作时，需要检测自身状态和作业对象与作业环境的状态。检测机器人自身状态的传感器称为内部信息传感器而检测外部信息的传感器有和人的五官对应的，有纯工程的和五官对应的有接触式的触觉，味觉（PH计，化学分析器）传感器。非接触式的视觉，嗅觉（气体传感器，化学分析器，烟传感器）传感器，以及有固定作用的听觉传感器。
（1）触觉传感器人的触觉包含有接触觉，压觉，冷热觉，滑动觉，痛觉等。
（2）接近觉传感器人没有专门的接近觉器官，而是依靠视觉和经验来判断物体的接近情况。如果仿照人的功能使机器人具有接近觉将非常复杂，所以机器人使用专门的接近觉传感器。
（3）视觉传感器视觉传感器在机器人上起三个作用：第一位置的测量，第二进行图像识别，第三进行检验
（4）人工视觉人类是借助五种感官从外界获得信息的，一般认为有90%以上的信息来自
视觉。就是说，人要顺利地生活和工作，非用眼睛识别客观环境不可。同样，要让机器人有高度的适应性以及复杂的工作能力也必须使之具备某种形式的人工视觉。
三机器人的应用
工业机器人最早应用的领域是汽车工业。其中应用最早最多的工种为焊接，喷涂和上下料。有人称这个领域为机器人的传统应用领域。
1焊接包括点焊，弧焊，锡焊，激光焊等，它的用途广，历史长。例如汽车的驾驶室是用点焊的方法把各个分离的板件焊成一个整体的。
2喷涂由于喷涂工序中雾状漆料对人体有危害，喷涂环境中照明，通风等条件很差，而且不易从根本上改进，因此在这个领域中大量使用了机器人。使用机器人不仅可以改善劳动条件，而且还可以提高产品的质量和产量，降低成本。
3搬运物料包括为机床服务,上下工件,为自动线服务,在不同流向的自动线上转运工件.这种机器人和数控机床可以组成柔性加工系统(FMS),它可以满足多品种,中小批量生产的需要.4装配由于机器人的触觉和视觉系统不断完善,可以把轴类件投放于孔内的准确度提高到0.01mm之内。国外已逐步开始应用机器人装配复杂部件，例如装配发电机，电动机，大规模集成电路板等。
5海洋开发机器人常用于海洋测量多目标观测，海底施工，电缆铺设，管道连接维修，石油开采等。
6原子能工业机器人可用于放射性物质搬运，设备检查维修，污染物处理等对人体有害的工作。
7其他机器人在宇宙开发，军事应用，农牧业，建筑，矿业，医疗福利等方面也有了广泛的应用，并且随着机器人技术的进步，其应用范围一定会越来越广泛。
参考文献：吴广玉 姜复兴编 《机器人工程导论》哈尔滨工业大学出版社1988年3月张建明 编著《工业机器人》北京理工大学出版社1988年12月
