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工业机器人
湖北工业大学
研究生考试答题纸
考试科目
研究生姓名
学号
任课教师
学院、专业
成绩
二0年月日
摘要
工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器人，是自动执行工作的机器装置，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的专门系统。
因其灵活性高、输出功率大、定位精确的特点，工业机器人被广泛应用于制造业的各个环节。
以其高效，高质、稳定的运转工作，工业机器人为所在行业的高效生产和稳定质量起到重要作用。
在生产方面，以工业自动化为主要发展方向的方针下，我国自主研制出了点焊、弧焊、装配、喷漆、切割、搬运、包装码垛等各种用途的工业机器人，并实施了一批机器人应用工程，形成了一批机器人产业化基地，这些研制出来的专用工业机器人，在很大程度上提高了我国生产率和生产效率，对我国国民经济的发展起到了重要的推动作用。
在军事方面，目前世界上许多国家正在致力于研发军事机器人，并且已有正式投入于现代战争的实例。
军事机器人主要被应用于侦查、探测、拆弹等比较危险的方面，军事机器人可以在对人类构成威胁的环境中运行自如，以此来把士兵从充斥着死亡的战场中解放出来。
在人们的生活中，也能发现机器人的影子。
医疗机器人，已经应用于用于世界各地的许多手术室中的外科手术机器人，由医用机器人和工业机器人的技术结合而诞生的康复机器人，它们都给人们的生活带来更多的方便。
关键词：
生产军事生活工业机器人重要
Abstract
IndustrialrobotisarobotwithmultijointrobotormultiDOFintheindustrialfield.Itisaspecialsystemfortheautomaticexecutionofthework.Becauseofitshighflexibility,highoutputpowerandprecisepositioning,industrialrobotiswidelyusedinallaspectsofmanufacturingindustry.Withitshighefficiency,highqualityandstableoperation,theindustrialrobotplaysanimportantroleintheefficientproductionandstablequalityoftheindustry.
Intermsofproduction,themaindirectionofdevelopmentofthepolicyisindustrialautomation,Chinaindependentlydevelopedthespotwelding,arcwelding,assembly,painting,cutting,handling,packagingandpalletizingandvarioususesofindustrialrobots,andtheimplementationofanumberofrobotapplication,formingagroupofroboticsindustrybase,developmentofthesespecialindustrialrobot,inagreatextentimprovestheproductivityinourcountryandtheproductionefficiency,playedaimportantroleinpromotingthedevelopmentofournationaleconomy.
Onthemilitaryside,manycountriesintheworldareworkingonthedevelopmentofmilitaryrobots,andhavebeenformallyputintomodernwar.Militaryrobotsaremainlyusedintheinvestigation,detection,andmoredangerousaspectsofthebomb,militaryrobotscanbeusedintheenvironmentinwhichthehumanposeathreattotheenvironment,inordertofreethesoldiersfromthebattlefieldofthedead.
Inpeople'slives,canalsofindtherobot'sshadow.Medicalrobot,whichhasbeenappliedtothesurgicalrobotinmanyoperationroomintheworld,andtherehabilitationrobot,whichisbornbythemedicalrobotandindustrialrobot,bringsmoreconveniencetopeople'slife.
Keywords:
ProductionMilitaryLifeIndustrialrobotImportant
目录
摘要I
AbstractII
第一章绪论1
1.1工业机器人的发展史1
1.1.1早期1
1.1.2现代1
1.2工业机器人的现状2
1.2.1国外工业机器人的现状2
1.2.2国内工业机器人的现状2
1.3工业机器人在现代制造业中的应用3
1.4工业机器人的研究热点及其发展趋势3
1.4.1研究热点3
1.4.2发展趋势4
第二章工业机器人机械系统设计4
2.1工业机器人的总体设计4
2.1.1主体结构设计4
2.1.2传动方式5
2.1.3模块化结构设计5
2.1.4材料的选择5
2.1.5平衡系统设计5
2.2传动部件设计6
2.2.1移动关节导轨6
2.2.2转动关节轴承6
2.2.3传动件的定位及消隙6
2.2.4协波传动6
2.2.5丝杠螺母副和滚珠丝杠传动7
2.3臂部设计7
2.4机身及行走机构设计8
2.5材料的选择9
第三章工业机器人运动学9
3.1工业机器人运动学概述9
3.2工业机器人运动学分析中要注意的问题10
第四章工业机器人静力计算及动力学分析11
4.1概述11
4.1.1静力计算11
4.1.2动力学分析11
4.2工业机器人速度雅可比与速度分析11
4.2.1工业机器人速度雅可比11
4.2.2工业机器人速度分析 13
4.3工业机器人力雅可比与静力学分析13
4.3.1操作臂中的静力学13
4.3.2工业机器人力雅可比14
4.3.3工业机器人静力学的两类问题15
4.4工业机器人动力学分析15
第五章工业机器人控制16
5.1工业机器人控制16
5.1.1工业机器人控制系统的特点16
5.1.2工业机器人控制系统的主要功能17
5.1.3工业机器人的控制方式17
5.1.4工业机器人的驱动器18
5.1.5工业机器人控制系统19
5.2控制策略20
5.2.1自适应控制21
5.2.2滑膜变结构控制21
5.2.3鲁棒控制21
5.2.4智能控制21
5.2.5工业机器人控制策略发展趋势22
5.3发展及前景22
5.3.1全球控制器专利分析22
5.3.2控制系统关键技术23
5.3.3未来发展方向23
第六章工业机器人感觉系统24
6.1机器人传感技术24
6.1.1机器人与传感器24
6.1.2机器人传感器的分类24
6.2机器人内部传感器25
6.3机器人多感知技术的前沿理论和发展趋势26
6.3.1机器人多感知技术的发展趋势26
6.3.2机器人多感知技术的前沿理论28
第七章工业机器人轨迹规划与编程28
7.1整体方法分析29
7.2轨迹规划29
7.2.1全局路径规划29
7.2.2局部路径规划30
7.3机器人轨迹规划的发展趋势31
7.3.1性能指标上不断提高31
7.3.2多移动机器人系统的轨迹规划31
7.3.3多传感器信息融合用于轨迹规划31
参考文献32
第一章绪论
1.1工业机器人的发展史
1.1.1早期
其实在以前，就有类似机器人的机器出现，只不过不是以人的模样出现，所以就没有所谓的机器人。
比如：
我国赫赫有名的木牛流马：
西周时期．我国的能上巧匠偃师研制出了能歌善舞的水制伶人二这是史书~己载的我国最早的机器人。
春秋后期．我H著名的水履鲁班，曾制造过·只木鸢，岂能在空中，三日不下”1800年前的议代．人科学家张衡不仪发明了地动仪，而且发明了计坐鼓车：
车行一里。
乍卜水人击鼓下，每行十里则击钟一下。
三国时期，蜀国丞相渚葛亮发明了‘木牛流马’，并用它束运送乍粮．支援前方战争．还有就是自动机：
公元前2世纪亚圳山大时代的占希腊人发明丁最原始的机器人——自动机。
它是以水、空气和水蒸气压力为动力的会动的雕像，可以自己开门，还可以借助整齐唱歌；1662年，日本人利用钟表技术发明了机器玩偶；1783年，一位法国天才技师发明了一只机器鸭，不仅会游泳，会嘎嘎嘎叫，还会饮食、喝水和排泄等等好多事例。
1.1.2现代
现代机器人的研究始于20世纪中期，其技术背景是计算机和自动化的发展，以及原子能的开发利用。
自1946年第一台数字电子计算机问世以来，计算机取得了惊人的进步，向高速度、大容量、低价格的方向发展。
1954年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。
该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节，利用人手对机器人进行动作示教，机器人能实现动作的记录和再现。
这就是所谓的示教再现机器人。
现有的机器人差不多都采用这种控制方式。
作为机器人产品最早的实用机型（示教再现）是1962年美国AMF公司推的“VERSTRAN”和UNIMATION公司推出的“UNIMATE”。
这些工业机器人的控制方式与数控机床大致相似，但外形特征迥异，主要由类似人的手和臂组成。
1965年，MIT的Roborts演示了第一个具有视觉传感器的、能识别与定位简单积木的机器人系统。
1967年日本成立了人工手研究会（现改名为仿生机构研究会），同年召开了日本首届机器人学术会。
1970年在美国召开了第一届国际工业机器人学术会议。
1970年以后，机器人的研究得到迅速广泛的普及。
1973年，辛辛那提米拉克隆公司的理查德豪恩制造了第一台由小型计算机控制的工业机器人，它是液压驱动的，能提升的有效负载达45公斤。
到了1980年，工业机器人才真正在日本普及，故称该年为“机器人元年”。
随后，工业机器人在日本得到了巨大发展，日本也因此而赢得了“机器人王国的美称”。
80年代，将具有感觉、思考、决策和动作能力的系统称为智能机器人，这是一个概括的、含义广泛的概念。
机器人的技术（如传感技术、智能技术、控制技术等）扩散和渗透到各个领域形成了各式各样的新机器机器人化机器。
1.2工业机器人的现状
1.2.1国外工业机器人的现状
工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的重要的现代制造业自动化装备。
在国外，工业机器人技术日趋成熟，已经成为一种标准设备而得到工业界广泛应用，从而也形成了一批在国际上较有影响力的、知名工业机器人公司。
目前，国际上的工业机器人公司主要分为日系和欧系。
日系中主要有安川、OTC、松下、FANUC、不二越、川崎等公司的产品。
欧系中主要有德国的KUKA、CLOOS、瑞典的ABB、意大利的COMAU及奥地利的IGM公司。
工业机器人已成为柔性制造系统（FMS）、工厂自动化（FA）、计算机集成制造系统（CIMS）的自动工具。
据专家预测，机器人产业是继车、计算机之后出现的一种新的大型高技术产业。
2002年至2004年，根据联合国欧洲经济委员会（UNECE）和国机器人联合会（IFR）的统计，世界工业机器人市场前景看好，年增长率平均在10％左右。
2005年增长率达到创记录的30％，其中亚洲工业机器人增长幅度最为突出，高达45％。
2007年，全球新安装工业机器人的数量将超过十万套。
1.2.2国内工业机器人的现状
目前在我国应用的机器人主要分日系、欧系和国产三种。
日系中主要有安川、OTC、松下、FANUC、不二越、川崎等公司的产品。
欧系中主要有德国的KUKA、CLOOS、瑞典的ABB、意大利的COMAU及奥地利的IGM公司。
国产机器人主要是沈阳新松机器人、首钢MOTOMAN、唐山松下等公司产品。
目前在我国虽然已经具有自主知识产权的焊接机器人系列产品，但却不能批量生产，形成规模。
国内机器人价格没有优势。
近10年来，进口机器人的价格大幅度降低，从每台7-8万美元降低到2-3万美元，使我国自行制造的普通工业机器人在价格上很难与之竞争。
特别是我国在研制机器人的初期，没有同步发展相应的零部件产业，如伺服电机、减速机等需要进口，使价格难以降低，所以机器人生产成本降不下来；但随着伺服电机、减速机产品的国产化，特别是向国外减速机产品：
NEUGART、COMPODRIVE等减速机的国产化，使生产成本不断的降低，使我们也看到成本下降的希望。
但我国焊接装备水平与国外还存在很大差距，这一点也间接影响了国内机器人的发展。
对于机器人的最大用户—-汽车白车身生产厂来说，目前几乎所有的装备都来从国外引进，国产机器人几乎找不到表演的舞台。
1.3工业机器人在现代制造业中的应用
点焊机器人：
点焊机器人广泛应用于焊接薄板材料。
装配每台汽车车体一般大约需要完成3000~4000个焊点。
其中60%的是点焊机器人完成的。
弧焊机器人：
弧焊机器人应用于焊接金属连续结合的焊缝工艺，绝大多数可以完成自动送丝、熔化电极和气体保护下进行焊接工作。
弧焊机器人的应用范围很广，除汽车行业外，在通用机械、金属结构等需哦多行业中都有应用。
喷漆机器人：
喷漆机器人广泛应用于汽车车体、家电产品和各种塑料制品的喷漆工作。
装配机器人：
采用工业机器人进行自动装配，是近十几年来才发展起来的一项新技术。
从目前的情况来看，整个机械制造过程中自动化程度最低的就是装配工艺。
搬运机器人：
随着计算机集成制造技术、物流技术、自动仓储技术的发展，搬运机器人在现代制造业中的应用越来越广泛。
机器人可用于零件的加工过程中，物料、工辅量具的装卸和储运，可用于将零件从一个输送装置送到另一个输送装置，或从一台机床上加工完得零件取下再安装到另一台机床上去。
1.4工业机器人的研究热点及其发展趋势
1.4.1研究热点
21世纪，机器人可能会成为与我们朝夕相处的伙伴，各国都在加大力度，进行机器人共性技术的研究，并朝着智能化和多样化方向发展。
工业机器人性能不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修），而单机价格不断下降。
机械结构向模块化、可重构化发展。
工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展便于标准化、网络化；这是目前研究的热点。
器件集成度提高，控制日见小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。
机器人中的多传感器系统日益重要。
为进一步提高机器人的智能和适应性，多种传感器的使用是其问题解决的关键，其研究热点也在于此。
1.4.2发展趋势
智能化是工业机器人的一个重要方向。
目前，机器人的智能化研究可以分为以下两个层次：
一是利用模糊控制神经元网络控制等智能控制策略，利用被控制的对象对模型依赖性不强的特点来解决机器人的复杂控制问题。
二使是机器人具有与人类类似的逻辑推理和问题求解能力，面对非结构环境自主雪球解决方案并加以执行，这是更高层次的智能化。
智能技术领域的研究热点，如虚拟现实、智能材料（如形状记忆合金）、人工神经网络、专家系统、多传感器集成和信息融合技术等。
由于生产规模不断扩大，对机器人的多级协调化作业要求越来越迫切。
在很多大型生产线上，往往要求很多机器人共同完场一个生产过程，因此每一个机器人的控制就不单纯是自身的控制问题，需要多级协调动作。
机器人已经不再是一个个独立的作业机械，而是成为了其中的重要组成部分，这些都要求多个机器人之间、机器人和生产系统之间必须协调作业。
多机协调可以认为是智能化的一个分支。
智能机器人和高级机器人的结构力求简单紧凑，其高性能不见甚至全部结构的设计已像模块化方向发展。
其驱动采用交流伺服电动机，向小型和高输出方向发展;其控制装置向小型化和智能化发展；其软件编程也在向模块化方向发展。
微型机器人是21世纪的尖端技术之一。
目前已经开发出手指大小的微型移动机器人，预计将生产出毫米级大小的微型移动机器人和直径为几百微米甚至更小的医疗和军事机器人。
第2章工业机器人机械系统设计
2.1工业机器人的总体设计
2.1.1主体结构设计
工业机器人主体结构设计的主要问题是选择由连杆件和运动副组成的坐标形式。
工业机器人的坐标形式主要有直角坐标式、圆柱坐标式、球面坐标式、关节坐标式等。
直角坐标式机器人主要用于生产设备的上下料，也可用于高精度的装配和检测作业。
圆柱坐标式机器人主要有三个自由度：
腰转，升降，手臂伸缩。
手腕常采用两个自由度，绕手臂纵向轴转动与垂直的水平轴线转动。
手腕若采用三个自由度，机器人总自由度达到六个。
球面坐标式机器人也叫极坐标式机器人，具有较大的工作范围，设计和控制系统比较复杂。
关节坐标式主体结构的三个自由度腰转关节、肩关节、肘关节全部是转动关节，手腕的三个自由度上的转动关节（俯仰、偏转和翻转）用来最后确定末端操作器的姿态，它是一种惯犯使用的拟人化的机器人。
2.1.2传动方式
传动方式选择是指选择驱动源及传动装置与关节部件的连接形式和驱动形式，主要包括：
直接连接传动：
驱动源或带有机械传动装置直接与关节相连。
远距离连接传动：
驱动源通过远距离机械传动后与关节相连。
间接传动：
驱动源经一个速比远大于1的机械装置与关节相连。
直接传动：
驱动源不经过中间环节或经过一个速比等于1的机械传动这样的中间环节与关节相连。
2.1.3模块化结构设计
模块化机器人是有一些标准化、系列化的模块件通过具有特殊功能的结合部用积木拼接的方式组成一个工业机器人系统。
模块化设计是指基本模块设计和结合部设计。
模块化工业机器人主要的特点是：
经济性、灵活性。
2.1.4材料的选择
与一般机械设备相比，机器人结构的动力特性是十分重要的，这是材料选择的出发点。
材料选择的基本要求是：
强度高、弹性模量大、重量轻、阻尼大、材料价格低。
2.1.5平衡系统设计
工业机器人是一个多刚体耦合系统，系统的平衡性是极其重要的，在工业中采用平衡系统的理由是：
安全、借助平衡系统能降低因机器人结构变化而导致重力引起关节驱动力矩变化的峰值、借助平衡系统能降低因机器人运动而导致惯性
力矩引起关节驱动力矩变化的峰值、借助平衡系统能减少动力学方程中内部耦合项和非线性项，改进机器人动力特性、借助平衡系统能减小机械臂结构柔性所引起的不良影响、借助平衡系统能使机器人运行稳定，降低地面安装要求。
2.2传动部件设计
传动部件是驱动源和机器人各个关节连接的桥梁，是工业机器人的重要部件。
机器人的运动速度、加速度（减速度）特性、运动平稳性、精度、承载能力很大程度上是取决于传动部件设计的合理性和优劣。
因此，关节传动部件的设计是工业机器人设计的关键之一。
2.2.1移动关节导轨
移动关节导轨的目的是在运动过程中保证位置精度和导向,对移动导轨有如下要求:
1．间隙小或者能消除间隙；
2．再垂直于运动方向上的刚度高；
3．摩擦系数低并不随速度变化;
4．高阻尼；
5．移动导轨和其辅助元件尺寸小、惯量低。
移动关节导轨主要分类：
普通滑动导轨、液压动压滑动导轨、液压静压滑动导轨、气浮导轨和滚动导轨。
上面介绍的导轨中，前两种具有结果结构简单、成本低的特点，但是必须有间隙以便润滑，但是间隙的存在又将会引起坐标的变化和有效负载的变化，在低速时候容易产生爬行现象。
第三种静压滑动导轨结构能产生预载荷，能完全消除间隙，具有高刚度、低摩擦、高阻尼等优点，但是它需要单独的液压系统和回收润滑油的机构。
第四种气浮导轨不需要回收润滑油的机构，但是刚度和阻尼较低。
第五种滚动导轨在工业机器人导轨种用的是最广泛，具有很多的优点:
1摩擦小,特别是不随速度变化;2尺寸小;3刚度高承载能力大;4精度和精度保持度高;5润滑简单;6容易制造成标准件;7易加预载，消除间隙，增加刚度等等。
但是,滚动导轨用在机器人机械系统也存在着缺点:
1阻尼低;2对脏物比较敏感.
2.2.2转动关节轴承
转动关节轴承主要用的是球轴承，它能承受轴向和径向载荷，摩擦较小，对轴和轴承座的刚度不敏感。
主要分向心推力球轴承和“四点接触”球轴承。
2.2.3传动件的定位及消隙
传动件的定位主要有：
电气开关定位；机械挡块定位；伺服定位系统定位
传动件的消隙主要有：
消隙齿轮；柔性齿轮消隙；对称传动消隙；偏心机构消隙；齿廓弹性覆层消隙
2.2.4协波传动
要求：
1.伺运动精度高，间隙小，能实现较高的重复定位精度。
2.回转速度稳定，无波动，运动副键摩擦小，效率高。
3.体积小，重量轻，传动扭矩大。
常用的减速机构是行星齿轮机构和谐波传动机构
2.2.5丝杠螺母副和滚珠丝杠传动
丝杠传动机构是将旋转运动变成直线运动的重要传动部件，其优点是不会产生冲击，传动平稳，无噪声，能自锁，由较小的扭矩产生较大的牵引力；缺点是传动效率底下。
采用滚珠丝杠传动则能解决这种问题，并且传动精度和定位精度都很高，在传动时灵敏和平稳性很好，磨损小，使用寿命比较长。
2.3臂部设计
工业机器人臂部设计的基本要求：
1.刚度高。
为了防止臂部在运动过程中产生过大的变形，手臂的截面形状要合理选择。
工字形截面弯曲刚度一般比截面大；空心管的弯曲刚度和扭转刚度都比实心轴大得多，所以常用钢管作臂杆及导向杆，用工字钢和槽钢作支撑板。
2.导向性好。
为防止手臂在直线运动中，沿运动轴线发生相对转动，或设置导向装置，或设计方形，花键等形式的臂杆。
3.重量轻。
为提高机器人的运动速度，要尽量减小臂部运动部分的重量，以减小整个手臂对回转轴的转动惯量。
4.运动平稳定位精度高。
除了臂部设计上要求力求结构紧凑，重量轻外，同时要采用一定形式的缓冲措施。
常用的臂部结构有：
1.手部直线运动机构
机器人手臂的伸缩，横向移动均属于直线运动。
实现手臂往复直线运动的机构形式比较多，常用的有活塞油（气）缸，齿轮齿条机构，丝杠螺母机构以及连杆机构等。
由于活塞（气）缸的体积小，重量轻，因而在机器人结构中应用的比较多。
2.手臂回转运动机构
实现机器人手臂回转运动的机构形式是多样的
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