5自由度焊接机器人总体及大臂与腰部设计（全套含CAD图纸）
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购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 开 题 报 告 （ 20*届） 5 自由度焊接机器人总体及大臂与腰部设计 学生姓名 学 号 院 系 专 业 指导教师 填写日期 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 一、 本课题国内外状况，说明选题依据和意义 焊接机 器人是目前最大的工业机器人应用领域。由于汽车制造业对许多构件的焊接精度和速度等指标提出越来越高的要求，一般工人已难以胜任这一工作；此外，焊接时的火花及烟雾等，对人体造成危害，因此，焊接过程的完全自动化已成为重要的研究课题，其中，最为重要的就是要应用焊接机器人。 随着近代模糊数学和神经网络的出现，以及 效解决了专用控制器计算负担重、实时性差等问题 音识别、最优控制、人工智能等先进的研究成果应用到该系统的实时操作中。焊接过程中存在很多不确定的因素，是一 个典型的时变非线性系统，难以建立精确的数学模型。因此，采用与模型无关的人工神经网络或模糊控制技术更为合适。 我国焊接机器人的应用主要集中在汽车、摩托车、工程机械、铁路机车等几个主要行业。汽车是焊接机器人的最大用户，也是最早用户。早在 70 年代末，上海电焊机厂与上海电动工具研究所，合作研制的直角坐标机械手，成功地应用于上海牌轿车底盘的焊接。 “一汽 ”是我国最早引进焊接机器人的企业， 1984 起先后从 司引进了 3 台点焊机器人，用于当时 “红旗牌 ”轿车的车身焊接和 “解放牌 ”车身顶盖的焊接。 1986年成功将焊接机器 人应用于前围总成的焊接，并于 1988年开发了机器人车身总焊线 。 80 年代末和 90 年代初，德国大众公司分别与上海和一汽成立合资汽车厂生产轿车，虽然是国外的二手设备，但其焊接自动化程度与装备水平，让我们认识到了与国外的巨大差距。随后二汽在货车及轻型车项目中都引进了焊接机器人。可以说 90 年代以来的技术引进和生产设备、工艺装备的引进使我国的汽车制造水平由原来的作坊式生产提高到规模化生产，同时使国外焊接机器人大量进入中国。由于我国基础设施建设的高速发展带动了工程机械行业的繁荣，工程机械行业也成为较早引用焊接 机器人的行业之一。近年来由于我国经济的高速发展，能源的大量需求，与能源相关的制造行业也都开始寻求自动化焊接技术，焊接机器人逐渐崭露头角。铁路机车行业由于我国货运、客运、城市地铁等需求量的不断增加，以及列车提速的需求，机器人的需求一直处于稳步增长态势。据 2001 年统计，购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 全国共有各类焊接机器人 1040 台，汽车制造和汽车零部件生产企业中的焊接机器人占全部焊接机器人的 76%。在汽车行业中点焊机器人与弧焊机器人的比例为3： 2，其他行业大都是以弧焊机器人为主，主要分布在工程机械（ 10%）、摩托车（ 6%）、铁路车辆（ 4%）、锅炉（ 1%）等行业。焊接机器人也主要分布在全国几大汽车制造厂， 从图 1 中还能看出，我国焊接机器人的行业分布不均衡，也不够广泛。 进入 21 世纪由于国外汽车巨头的不断涌入，汽车行业迅猛发展，我国汽车行业的机器人安装台数迅速增加， 2002、 2003、 2004 年每年都有近千台的数量增长。估计我国目前焊接机器人的安装台数在 4000 台左右。汽车行业焊接机器人所占的比例会进一步提高。 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、下、 二越、川崎等公司的产 品。欧系中主要有德国的 典的 大利的 奥地利的 司。国产机器人主要是沈阳新松机器人公司产品。 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，有以下几个主要原因： 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美元降低到 2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；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 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。 我们应该承认国产机器人无论从控制水平还是可靠性等方面与国外公司还存在一定的差距。国外工业机器人是个非常成熟的工业产品，经历了 30 多年的发展历程，而且在实际生产中不断地完善和提高，而我国则处于一种单件小批量的生产状态。 国内机器人生产厂家处于幼儿期，还需要政府政策和资金的 支持。焊接机器人是个机电一体化的高技术产品，单靠企业的自身能力是不够的，需要政府对机器购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 人生产企业及使用国产机器人系统的企业给予一定的政策和资金支持，加速我国国产机器人的发展。 二、主要技术经济指标和参数： 自由度数 5 驱动方式 伺服或步进电机 总高 1300大持重 12轴转角 轴 转角 速度/s 1轴 300 2轴 120 3轴 110 90 4轴 210 5轴 360 180 三、研究的基本内容，你解决的主要问题（阐述的主要观点） 焊接机器人之所以能够占据整个工业机器人总量的 40%以上， 焊接精度和速度等指标提出越来越高的要求，一般工人已难以胜任这一工作；此外，焊接时的火 花及烟雾等，对人体造成危害 。归纳起来采用焊接机器人有下列主要意义： (1) 稳定和提高焊接质量 ,保证其均一性。 (2) 改善了工人的劳动条件。 (3) 提高劳动生产率。 本论文所研究的为 5自由度焊接机器人，主要解决焊接机器人腰部以及大臂的工作平稳性和提高其工作效率，主要解决一下几个问题： (1)理清整个机器的工作原理，及各个部件相互关系，使之协调。 (2)都大臂和腰部的工作原理做研究，明确其传动路线。 (3)明确各个部件的装配关系，画出装配图和主要零件图。 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 (4)明确各个部件的技术要求，合理选择材料及配合关系。 四、课题研究工作进度计划 起止日期 工作内容 *2-*4 撰写文献综述 外文翻译 开题报告 *5-*4 毕业实习 *5-*1 总体设计 *2-*7 部件设计 *8-*4 零件设计 *5-*9 编写设计计算说明书 *0-*4 预答辩及修改工作 *6-*9 主审教师评阅 *0左右 答辩及成绩综合评定 六、主要参考文献 1申永盛 M华大学出版社， 264 2 徐德，涂志国，赵晓光，等 J2004，25（ 4）： 103 成大先 减 (变 )速器 M化学工业出版 社 4 周炳森 ,新编焊接设备选型与焊接材料选用实用手册 2006年7月 5 朱浩翔 J6罗诚 ,最新压力容器焊接和切割新技术、新工艺与应用技术标准实用手册，中国科技文化出版社， 2005年 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 7 陈善本，智能化焊接机器人技术。机械工业出版社。 200658王伯平 M械工业出版社，2004 15 25 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 毕业设计说明书 20*届 5 自由度焊接机器人总体及大臂与腰部设计 学生姓名 学 号 院 系 专 业 指导教师 自由度焊接机器人总体及大臂与腰部设计 摘要 据不完全统计，全世界在役的工业 机器人中大约有将近一半的工业机器人用于各种形式的焊接加工领域，焊接机器人应用中最普遍的主要有两种方式，即点焊和电弧焊。我们所说的焊接机器人其实就是在焊接生产领域代替焊工从事焊接任务的工业机器人。这些焊接机器人中有的是为某种焊接方式专门设计的，而大多数的焊接机器人其实就是通用的工业机器人装上某种焊接工具而构成的。在多任务环境中，一台机器人甚至可以完成包括焊接在内的抓物、搬运、安装、焊接、卸料等多种任务，因此，从某种意义上来说，工业机器人的发展历史就是焊接机器人的发展历史。 众所周知，焊接加工一方面要求焊工要 有熟练的操作技能、丰富的实践经验、稳定的焊接水平；另一方面，焊接又是一种劳动条件差、烟尘多、热辐射大、危险性高的工作。工业机器人的出现使人们自然而然首先想到用它代替人的手工焊接，减轻焊工的劳动强度，同时也可以保证焊接质量和提高焊接效率。 本次我所设计的机器人为五自由度弧焊机器人。本说明书对本次设计的主要考虑内容进行了叙述和讲解，包括机器人的总体设计以及传动系统的构成与设计，电动机的选择，圆锥齿轮的设计与校核，谐波减速器的原理以及选择，腕部转动轴的校核，齿形带规格的选择以及滚动轴承的选择与校核等。 由于设计经 验不足以及理论知识的匮乏，本次设计肯定存在许多不足之处，望答辩老师谅解并不吝赐教。 关键词 焊接机器人；齿形带传动；谐波减速器；五自由度 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 to of s in of in we is in of of is of a a In a of of in a of of is of of It is on on of on is a of of it to to it of is a of s of of of of of so 5买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 录 中文摘要 英文摘要 目录 前言 1 1 绪论 3 2 毕业设计基本思路 4 5 5 3 焊接机器人腰部与大部设计 7 部结构设计 7 动机的选择 7 波减速器介绍及选择 8 的设计与校核 10 承的设计计算与核 11 轮设计计算与校核 12 臂结构设计 15 动机的选择 15 波减速器的选择 15 的设计与校核 16 4总结 18 参考文献 19 致谢 20 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 1 前言 焊接机器人之所以能够占据整个工业机器人总量的 40%以上，与焊接这个特殊的行业有关，焊接作为工业“裁缝”，是工业生产中非常重要的加工手段，同时由于焊接烟尘、弧光、金属飞溅的 存在，焊接的工作环境又非常恶劣，焊接质量的好坏对产品质量起决定性的影响。归纳起来采用焊接机器人有下列主要意义： （ 1）稳定和提高焊接质量 ,保证其均一性。焊接参数如焊接电流、电压、焊接速度及焊接干伸长度等对焊接结果起决定作用。采用机器人焊接时对于每条焊缝的焊接参数都是恒定的，焊缝质量受人的因素影响较小 ,降低了对工人操作技术的要求，因此焊接质量是稳定的。而人工焊接时，焊接速度、干伸长等都是变化的，因此很难做到质量的均一性。 （ 2）改善了工人的劳动条件。采用机器人焊接工人只是用来装卸工件，远离了焊 接弧光、烟雾和飞溅等，对于点焊来说工人不再搬运笨重的手工焊钳，使工人从大强度的体力劳动中解脱出来。 （ 3）提高劳动生产率。机器人没有疲劳，一天可 24 小时连续生产，另外随着高速高效焊接技术的应用，使用机器人焊接，效率提高的更加明显。 （ 4）产品周期明确，容易控制产品产量。机器人的生产节拍是固定的，因此安排生产计划非常明确。 （ 5）可缩短产品改型换代的周期 ,减小相应的设备投资。可实现小批量产品的焊接自动化。机器人与专机的最大区别就是他可以通过修改程序以适应不同工件的生产。 我国开 发工业机器人晚于美国和日本，起于 20世纪 70年代，早期是大学和科研院所的自发性的研究。到 80 年代中期，全国没有一台工业机器人问世。而在国外，工业机器人已经是个非常成熟的工业产品，在汽车行业得到了广泛的应用。鉴于当时的国内外形势，国家“七五”攻关计划将工业机器人的开发列入了计划，对工业机器人进行了攻关，特别是把应用作为考核的重要内容，这样就把机器人技术和用户紧密结合起来，使中国机器人在起步阶段就瞄准了实用化的方向。与此同时于 1986 年将发展机器人列入国家“ 863”高科技计划。在国家“ 863”计划实施五周年之际 ，邓小平同志提出了“发展高科技，实现产业化”的目标。在国内市场发展的推动下，以及对机器人技术研究的技术储备的基础上， 863主题专家组及时对主攻方向进行了调整和延伸，将工业机器人及应用工程作为研究开发重点之一，提出了以应用带动关键技术和基础研究的发展方针，以后又列入国家“八五”和“九五”中。经过十几年的持续努力，在国家的组织和支持下，我国焊接机器人的研究在基础技术、控制技术、关键元器件等方面取得了重大进展，并已进入使用化阶段，形成了点焊、弧焊机器人系列产品，能够实现小批量购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 2 生产。 我国焊接机器人的应用主要集中 在汽车、摩托车、工程机械、铁路机车等几个主要行业。汽车是焊接机器人的最大用户，也是最早用户。早在 70年代末，上海电焊机厂与上海电动工具研究所，合作研制的直角坐标机械手，成功地应用于上海牌轿车底盘的焊接。“一汽”是我国最早引进焊接机器人的企业， 1984起先后从 司引进了 3 台点焊机器人，用于当时“红旗牌”轿车的车身焊接和“解放牌”车身顶盖的焊接。 1986 年成功将焊接机器人应用于前围总成的焊接，并于 1988年开发了机器人车身总焊线 。 80 年代末和 90 年代初，德国大众公司分别与上海和一汽成立合资汽 车厂生产轿车，虽然是国外的二手设备，但其焊接自动化程度与装备水平，让我们认识到了与国外的巨大差距。随后二汽在货车及轻型车项目中都引进了焊接机器人。可以说 90 年代以来的技术引进和生产设备、工艺装备的引进使我国的汽车制造水平由原来的作坊式生产提高到规模化生产，同时使国外焊接机器人大量进入中国。由于我国基础设施建设的高速发展带动了工程机械行业的繁荣，工程机械行业也成为较早引用焊接机器人的行业之一。近年来由于我国经济的高速发展，能源的大量需求，与能源相关的制造行业也都开始寻求自动化焊接技术，焊接机器人逐渐崭露头角。 铁路机车行业由于我国货运、客运、城市地铁等需求量的不断增加，以及列车提速的需求，机器人的需求一直处于稳步增长态势。据2001年统计，全国共有各类焊接机器人 1040 台，汽车制造和汽车零部件生产企业中的焊接机器人占全部焊接机器人的 76%。在汽车行业中点焊机器人与弧焊机器人的比例为 3： 2，其他行业大都是以弧焊机器人为主，主要分布在工程机械（ 10%）、摩托车（ 6%）、铁路车辆（ 4%）、锅炉（ 1%）等行业。焊接机器人也主要分布在全国几大汽车制造厂， 从图 1 中还能看出，我国焊接机器人的行业分布不均衡，也不够广泛。 进入 21 世纪由于国外汽车巨头的不断涌入，汽车行业迅猛发展，我国汽车行业的机器人安装台数迅速增加， 2002、 2003、 2004 年每年都有近千台的数量增长。估计我国目前焊接机器人的安装台数在 4000 台左右。汽车行业焊接机器人所占的比例会进一步提高。 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、 下、 二越、川崎等公司的产品。欧系中主要有德国的 典的 大利的 奥地利的 司。国产机器人主要是沈阳新松机器人公司产品 。 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，有以下几个主要原因： 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；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 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。 我们应该承认国产机器人无论从控制水平还是可靠性等方面与国外公司还存在一定的差距。国外工业机器人是个非常成熟的工业产品，经历了 30 多年的发展历程，而且在实际生产中不断地完善和提高，而我国则处于一种单件小批购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 3 量的生产状态。 国内机器人生产厂家处于幼儿期，还需要政府政策和资金的支持。焊接机器人是个机电一体化的高技术产品，单靠企业的自身能力是不够的，需要政府对机器人生产企业及使用国产机器人系统的企业给予一定的政策 和资金支持，加速我国国产机器人的发展。 在“十五”期间，我国曾把包括焊接机器人在内的示教再现型工业机器人的产业化关键技术作为重点研究内容之一，其中包括焊接机器人。把弧焊与点焊机器人作为负载不同的一个系列机器人，可兼作弧焊、点焊、搬运、装配、切割作业，产品的标准化、通用化、模块化、列化设计。弧焊机器人用激光视觉焊缝跟踪装置的开发、激光发射器的选用、成像系统、视觉图像处理技术、视觉跟踪与机器人协调控制、焊接机器人的离线示教编程及工作站系统动态仿真等。 在新的历史时期，面对新的机遇和挑战，只有一方面紧跟世界 科技发展的潮流，研究与开发具有自主知识产权的基础制造装备。另一方面，仍然通过引进和消化，吸收一些现有的先进技术 !尽快缩短和别人的差距，并通过应用研究和二次开发，实现技术创新和关键设备的产业化，提高我国制造业在国际舞台上的地位。 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 4 些图是整个焊接系统的示意图 : 5 自由度 焊接机器人系统由弧焊机器人，焊接电源，焊枪送丝机构，回转双工位变位机，工件夹具和控制系统组成。 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 5 2 我的毕业设计基本思路 体设计思路及内容 本次 设计的机器人是五自由度、关节型焊接机器人。自由度高，采用直流伺服电机驱动、微机控制，结构紧凑，工作范围大，动作灵活，不仅用于弧焊作业，还可以用于搬运和装配作业。腰部和大、小臂的传动采用谐波传动，腕摆和腕转除采用谐波齿轮外还均采用齿形带传动和锥齿轮传动，传动比准确，精度高，结构紧凑，耐油、耐磨性好。大臂上装有气动平衡机构，使大臂驱动力矩减小，且使示教操作轻便。 本次设计的焊接机器人的结构图如下图所示： 1 机座 2 转台 3 腰座 4 腕部 5 小臂 6 大臂 图 1接机器人结构图 设计内 容主要是 5 自由度焊接机器人的工作原理设计，腰部与大臂主要机构的设计与计算 ,主要零部件的设计与校核，装配图的绘制以及主要零部件图纸绘制等。 计传动方案 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 6 腰部传动由伺服电机传出动力一路传递到谐波减速器，再传递到轴，轴通过轴承固定，再通过齿轮机构带动整个腰部机构运动。 大臂传动由伺服电机传出动力一路传递到谐波减速器，再传递到大臂轴，轴通过轴承固定，通过大臂轴带动平衡汽缸运动实现整个大臂机构运动。 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 7 3 焊接机器人大臂与腰部设计 部的设计 动机选择： 由查表得，以及考虑到安全系数 S,一般取 S= 大致确定 下表可选取合适的电动机。 综合以上数据 130参数如下： 额定功率 =定转矩 =4N/M 额定转速 =3000r/定电压 =160V 额定电流 =值转矩 =32N/M 电枢电阻 = 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 8 电框电感 = 谐波齿轮减速器的选择 谐波齿轮减速器是利用行星齿轮传动原理发展起 来的一种新型减速器。谐波齿轮传动（简称谐波传动），它是依靠柔性零件产生弹性机械波来传递动力和运动的一种行星齿轮传动。 谐波齿轮减速器是利用行星齿轮传动原理发展起来的一种新型减速器。谐波齿轮传动（简称谐波传动），它是依靠柔性零件产生弹性机械波来传递动力和运动的一种行星齿轮传动。 （一） 传动原理 它主要由三个基本构件组成： （ 1）带有内齿圈的刚性齿轮（刚轮） 2，它相当于行星系中的中心轮； （ 2）带有外齿圈的柔性齿轮（柔轮） 1，它相当于行星齿轮； （ 3）波发生器 H，它相当于行星架。 当波发生 器为主动时，凸轮在柔轮内转动，就近使柔轮及薄壁轴承发生变形（可控的弹性变形），这时柔轮的齿就在变形的过程中进入（啮合）或退出（啮离）刚轮的齿间，在波发生器的长轴处处于完全啮合，而短轴方向的齿就处在完全的脱开。 波发生器通常成椭圆形的凸轮，将凸轮装入薄壁轴承内，再将它们装入柔轮购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 9 内。此时柔轮由原来的圆形而变成椭圆形，椭圆长轴两端的柔轮与之配合的刚轮齿则处于完全啮合状态，即柔轮的外齿与刚轮的内齿沿齿高啮合。这是啮合区，一般有 30%左右的齿处在啮合状态；椭圆短轴两端的柔轮齿与刚轮齿处于完全脱开状态，简称脱 开；在波发生器长轴和短轴之间的柔轮齿，沿柔轮周长的不同区段内，有的逐渐退出刚轮齿间，处在半脱开状态，称之为啮出。 波发生器在柔轮内转动时，迫使柔轮产生连续的弹性变形，此时波发生器的连续转动，就使柔轮齿的啮入 啮合 啮出 脱开这四种状态循环往复不断地改变各自原来的啮合状态。这种现象称之错齿运动，正是这一错齿运动，作为减速器就可将输入的高速转动变为输出的低速转动。 对于双波发生器的谐波齿轮传动，当波发生器顺时针转动 1/8周时，柔轮齿与刚轮齿就由原来的啮入状态而成啮合状态，而原来脱开状态就成为 啮入状态。同样道理，啮出变为脱开，啮合变为啮出，这样柔轮相对刚轮转动（角位移）了1/4齿；同理，波发生器再转动 1/8周时，重复上述过程，这时柔轮位移一个齿距。依此类推，波发生器相对刚轮转动一周时，柔轮相对刚轮的位移为两个齿距。 柔轮齿和刚轮齿在节圆处啮合过程就如同两个纯滚动（无滑动）的圆环一样，两者在任何瞬间，在节圆上转过的弧长必须相等。由于柔轮比刚轮在节圆周长上少了两个齿距，所以柔轮在啮合过程中，就必须相对刚轮转过两个齿距的角位移，这个角位移正是减速器输出轴的转动，从而实现了减速的目的。 波发生器的连续转动，迫使柔轮上的一点不断的改变位置，这时在柔轮的节圆的任一点，随着波发生器角位移的过程，形成一个上下左右相对称的和谐波，故称之为：“谐波”。 （二）特点 1承载能力高 谐波传动中，齿与齿的啮合是面接触，加上同时啮合齿数（重叠系数）比较多，因而单位面积载荷小，承载能力较其他传动形式高。 2传动比大 单级谐波齿轮传动的传动比，可达 i=70 500。 3体积小、重量轻。 4传动效率高、寿命长。 5传动平稳、无冲击，无噪音，运动精度高。 6由于柔轮承受较大的交变载荷，因而 对柔轮材料的抗疲劳强度、加工和热处理要求较高，工艺复杂。 谐波减速器在国内于六七十年代才开始研制，到目前已有不少厂家专门生产，并形成系列化。广泛应用于电子、航天航空、机器人等行业，由于它的独特优点，在化工行业的应用也逐渐增多。 （三）减速器的选择 根据电动机的参数，有机械设计手册表 15 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 10 120机型， 150表示减速比。 其参数为： 输入功率 =入转速 =3000r/出转矩 =450N/M 输出转速 =20r/ 轴的计算 （一）轴材料选择 轴的材料选用 45 钢，调质处理， =360 （二）轴的校核 轴因为是竖直的，本身自重可以忽略不计，弯矩作用可以忽略，看成轴只受扭矩作用。 故只对轴扭矩进行校核。 对轴进行简化计算： 从齿轮计算中得到转矩 得到的扭矩图： 有图可知，危险截面在 在 扭转应力： 63D =53*53*53*6=29217 910 =T/ 3820 /29217= 在 无须根据第三强度理论进行强度校核。 轴的材料选用 45钢，调质处理， =360 远大于最大应力， 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 11 故合适 。 承选择并校核 机构中有多个轴承，现在选取一圆锥滚子轴承校核。简图如下： (1) 验算轴承平均压力 p(单位为 622 247N 3430247 中： B 轴承宽度， 据宽径比 B/d 确定 ) p 轴瓦材料的许用压力，单位为 2) 验算轴承的 (单位为 m/s) m/s v 轴径圆周速度， 即滑动速度， m/s 轴承材料的 m/s v(单位为 m/s) v=s v为许用滑动速度，单位为 m/s 根据这些数据查机械设计第七版表 12 滑动轴承和轴承座的配合为过渡配合，定为 6/734 ， 3 m ,1 m 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 12 基准孔 I=0,上偏差为 I+m 轴瓦 m ,es=m 由此得 H， m。 滑动轴承和轴的配合为间隙配合，定为 65 7 / 6， 3 m ,1 m 基准轴 ,下偏差为 ei=0 13)= 13 m 孔 I=0 孔 S=1 m 由此得 0 106 5 7 6 5H， 00 36 5 6 6 5h。， 轮的设计与校核 齿轮参数计算及其校核： 材料：高速级小齿轮选用 45 钢调质，齿面硬度为 250速级大齿轮选用 45 钢正火，齿面硬度为 220 齿轮计算，查课本表得 : 550H M 540H M 。 材料弹性系数 )（表 15 重合度系数 Z=（ 4-） /3） 2/1 = 15 节点区域系数 15 螺旋角系数 ZZ=1 (式 15 计算应力循环次数 N： 6005001811250=08 0/08 表 10 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 13 。 故 l i m 11 550 5001 . 1p a M p l i m 22 540 4901 . 1p a M p 。 查课本表 10 200F M 150F M 。 故 l i m 11 200 1541 . 3p a M p l i m 22 150 1151 . 3p a M p 。 由设计计算公式（ 10行试算 即 3 21121 )( 转矩 319 5 5 0 1 0 3820 m 载荷系数 K: K= 7级精度制造，查课本表 10 载 荷 系 数 ， 取 齿 宽 系 数 计 算 中 心 距 ： 1112 2 533 3 3 5 3 3 5 1 . 2 1 . 0 6 9 1 01 1 . 9 7 1 1 5 8 . 94 9 0 0 . 4 1 . 9 7 考虑计算原因取 160a 4m 则12 2 107m 取 1 36Z 2 71Z 传动比： i=71 / 36 齿宽： 0 . 4 1 6 0 6 4 取 2 64b 1 66b 大齿轮： 2 64b 2 71Z ,小齿轮： 1 66b 1 36Z 大端分度圆直径 4 36=144， 4 71=284 齿顶圆直径 2 =144+ 2284+ 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 14 齿根圆直径 76 齿轮锥距 R=1/2 端圆周速度 v= d1 60000=3500/60000=s， 齿宽 b= 齿轮精度为 7 级 1 =（ R =（ 取 1 =10 ， 2 =14 ,c=10 轮宽 （ （ 93= （ （ 291=39 按齿面接触强度设计： 1111 2 7 0 E u d u 21 2122 2 8 F p 所以安全。 验算轮齿弯曲强度： 查课本表 101 2 最小齿宽 2 64b 计算： 111113222 2 1 . 2 1 0 6 . 9 2 . 6 1 0 4 4 . 56 6 2 . 5 3 6 Y M p ab m Z 22 1 215 3 . 8 p 所以安全。 查课本第 162页表 11级的的精度是合适的。 以上课本为 机械设计（第七版）。 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 15 臂的设计 动机选择： 电动机功率计算： 以上是大致受理图，得出电机需带动的扭矩。 T=F*S=12*10* 6 5 0 * 6 5 0 6 5 0 * 6 5 0 /1000=78N/M T=9550*P/n N=60r/以输出功率 P=T*n/9550=78*60*9550=90W。 因为功率经过整个传动系统后不变，所以电机至少需要也为 490W,即 考虑到安全系数 S,一般取 S= 所以 下表可选取合适的电动机。 波齿轮减速器的选择 根据电动机的参数，有机械设计手册表 15 120机型， 150表示减速比。 其参数为： 输入功率 =入转速 =3000r/出转矩 =240/M 输出转速 =24r/买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 16 的计算 一、轴的结构设计 根据轴承的要求和机构本身的性能要求，等到轴的尺寸如附图： 轴的材料选用 45钢，调质处理， =360 二、轴的校核 轴本身自重可以忽略不计，弯矩作用可以忽略，看成轴只受扭矩作用 , 故只对轴扭矩进行校核。 A,B 处为相同两个槽，受扭矩相同， C 处也是受扭矩影响大之处。故腰对 B, 对轴进行简化计算： 从电动机计算中得到转矩 算 A,到的扭矩图： 有图可知，其受理情况一直，每处受到扭矩一样，故可随机选取一点。 在 B 面： 63D =17 17 17 6=964 =T/ 6238/964=购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 17 在 扭转 应力： 63D =72*72*72*6=10 =T/ 73249= 在 无须根据第三强度理论进行强度校核。 轴的材料选用 45钢，调质处理， =360 远大于最大应力， 故合适。 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 18 4总结 经过六个月的不懈努力，我的毕业设计终于接近尾声了。在做毕业设计之前，我就深知其重要性。他是大学教学的最后一个环节，对毕业生在大学所学知识的一次综合运用，是保证毕业生质量的必然要求。所以我认真地去完成其中的每一个细节，包括设计中的设计原理、计算、图纸及撰写设计说明书等。不懂就去查质料，去请教老师和同学。不放过其中不懂的知识点。经过毕业设计之后，我更加深刻地体会到了毕业设计 的重要意义。通过毕业设计，我对大学四年所学的理论知识和基本技能作了一次综合运用。对许多以前所学的专业知识进行了系统复习。包括：理论力学、材料力学、机械原理、机械零件、机械设计、机械制造、互换性与测量技术、机械制图、 算机绘图、 维实体建模、机电传动控制、微机控制原理、机电一体化系统设计等课程。巩固了专业知识，提高了我独立分析和解决实际问题的能力，培养了我的创新意识。增强了我对机电一体化行业的兴趣。 我在以下几方面得到了锻炼与专业认识： 1、巩固和丰富所学的专业理论 知识。本次设计所要求的专业知识面是广泛的。题目是 5自由度焊接机器人总体及大臂与腰部设计。从控制到传动都是机械，是纯机械的设计。我意识到，作为一名设计员，首先必须掌握各种各样的较为全面的理论知识，并且要将这些知识灵活应运于设计之中。 2、 本次设计中我所学到的是一个系统的。学会调查、研究，初步掌握收集资料，获取技术信息的方法和手段。在设计过程中不可死板套用，要注意创新。从多方面来考虑问题，从多种方案中挑选最佳方案。设计必须仔细，用系统与科学的态度处理每个问题。 3、 设计能够解决生产的实际问题。所以在设计中体现 出来的问题是相当的客观的。通过本次设计，增强了自身知识的应用能力和综合能力；增强了分析和解决生产实际问题的能力。 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 19 参考文献 1申永盛 M华大学出版社， 264 2 徐德，涂志国，赵晓光，等 J2004，25（ 4）： 103 成大先 减 (变 )速器 M化学工业出版社 4 周炳森 ,新编焊接设备选型与焊接材料选用实用手册 2006年 7月 5 朱浩翔 J6罗诚 ,最新压力容器焊接和切割新技术、新工艺与应用技术标准实用手册，中国科技文化出版社， 2005年 7 陈善本，智能化焊接机器人技术。机械工业出版社。 200658王伯平 M械工业出版社，2004 15 25 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 20 致 谢 本研究及学位论文是在我的导师 黄德中 教授 和机电系各位老师 的亲切关怀和悉心指导下完成的。他 们 严肃的科学态度，严 谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。从课题的选择到项目的最终完成， 他们 都始终给予我细心的指导和不懈的支持。 大学几年时间里 ， 他们 不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想、生活上给我以无微不至的关怀，在此谨向 所有 老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。 在此，我还要感谢在一起愉快的度过 本科生 生活的 室友和其他同学以及朋友 ，正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本 论文的顺利完成。特别感谢 黄虎钧和黄斌同学 ， 他们教会了我如何更好的去使用画图软件，也帮我 解决了分析和计算上的许多问题，从他们身上学到了许多解决问题的方法，对于即将踏上工作岗位的我来说，帮助是很大的。 在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这 外 文 翻 译 机器人 质 : 毕业设计 毕业论文 教 学 院： 系 别： 学生学号： 学生姓名： 专业班级： 指导教师： 职 称： 起止日期： 机器人 机器人是高级整合控制论、机械电子、 计算机 、材料和 仿生学 的产物。在工业、医学、农业、建筑业甚至军事等领域中均有重要用途。 现在，国际上对机器人的概念已经逐渐趋近一致。一般说来，人们都可以接受这种说法，即机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。联合国标准化组织采纳了美国机器人协会给机器人下的定义： “一种可编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可改变和可编程动作的专门系统。 机器人能力的评价标准包括： 智能 ，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，指变通性、通用性或空间占有性等；物理能，指力、速度、连续运行能力、可靠性、联用性、寿命等。因此，可以说机器人是具有生物功能的三维空间坐标机器。 机器人一般由执行机构、驱动装置、检测装置和控制系统等组成。 执行机构即机器人本体，其臂部一般采用空间开链连杆机构，其中的运动副（转动副 或移动副）常称为关节，关节个数通常即为机器人的自由度数。根据关节配置型式和运动坐标形式的不同，机器人执行机构可分为直角坐标式、圆柱坐标式、 极坐标 式和关节坐标式等类型。出于拟人化的考虑，常将机器人本体的有关部位分别称为基座、腰部、臂部、腕部、手部（夹持器或末端执行器）和行走部（对于移动机器人）等。 驱动装置是驱使执行机构运动的机构，按照控制系统发出的指令信号，借助于动力元件使机 器人进行动作。它输入的是电信号，输出的是线、角位移量。机器人使用的驱 动装置主要是电力驱动装置，如 步进电机 、 伺服电机 等，此外也有采用液压、气动等驱动装置。 检测装置的作用是实时检测机器人的运动及工作情况，根据需要反馈给控制系统，与设定信息进行比较后， 对执行机构进行调整，以保证机器人的动作符合预定的要求。作为检测装置的传感器大致可以分为两类：一类是内部信息传感器，用于检测机器人各部分的内部状况，如各关节的位置、速度、加速度等，并将所测得的信息作为反馈信号送至控制器，形成闭环控制。另一类是外部信息传感器，用于获取有关机器人的作业对象及外界环境等方面的信息，以使机器人的动作能适应外界情况的变化，使之达到更高层次的自动化，甚至使机器人具有某种 “感觉 ”，向智能化发展，例如视觉、声觉等外部传感器给出工作对象、工作环境的有关信息，利用这些信息构成一个大的反馈回路，从而将大大提高机器人的工作精度。 控制系统有两种方式。一种是集中式控制，即机器人的全部控制由一台微型计算机完成。另一种是分散（级）式控制，即采用多台微机来分担机器人的控制，如当采用上、下两级微机共同完成机器人的控制时，主机常用于负责系统的管理、通讯、运动学和动力学计算，并向下级微机发送指令信息；作为下级从机，各关节分别对应一个 行插补运算和 伺服控制 处理，实现给定的运动 ，并向主机反馈信息。根据作业任务要求的不同，机器人的控制方式又可分为点位控制、连续轨迹控制和力（力矩）控制。 1920 年 捷克斯洛伐克作家卡雷尔 恰佩克在他的 科幻小说 罗萨姆的机器人万能公司中，根据 克文，原意为 “劳役、苦工 ”)和 兰文，原意为 “工人 ”)，创造出 “机器人 ”这个词。 1939 年 美国纽约世博会上展出了西屋电气公司制 造的家用机器人 由电缆控制，可以行走，会说 77 个字，甚至可以抽烟，不过离真正干家务活还差得远。但它让人们对家用机器人的憧憬变得更加具体。 1942 年 美国科幻巨匠 阿西莫夫 提出 “机器人三定律 ”。虽然这只是科幻小说里的创造，但后来成为学术界默认的研发原则。 1948 年 诺伯特 维纳出版控制论，阐述了机器中的通信和控制机能与人的神经、感觉机能的共同规律，率先提出以计算 机为核心的自动化工厂。 1954 年 美国人乔治 德沃尔制造出世界上第一台可编程的机器人，并注册了专利。这种机械手能按照不同的程序从事不同的工作，因此具有通用性和灵活性。 1956 年 在达特茅斯会议上， 马文 明斯基 提出了他对智能机器的看法：智能机器 “能够创建周围环境的抽象模型，如果遇到问题，能够从抽象模型中寻找解决方法 ”。这个定义影响到以后 30 年 智能机器人 的研究方向。 1959 年 德沃尔与美国发明家约瑟夫 英格伯格联手制造出第一台 工业机器人 。随后，成立了世界上第一家机器人制造工厂 司。由于英格伯格对工业机器人的研发和宣传，他也被称为 “工业机器人之父 ”。 1962 年 美国 意思是万能搬运 ),与 司生产的 样成为真正商业化的工业机器人，并出口到世界各国，掀起了全世界对机器人和机器人研究的热潮。 1962 年 传感器的应用提高了机器人的可操作性。人们试着在机器人上安装各种各样的传感器，包括 1961 年恩斯特采用的触觉传感器，托莫维奇和博尼 1962 年在世界上最早的 “灵巧手 ”上用到了压力传感器，而麦卡锡 1963 年则开始在机器人中加入视觉传感系统，并在 1965 年，帮助 出了世界上第一个带有视觉传感器，能识别并定位积木的 机器人系统 。 1965 年约翰 霍普金斯大学应用物理实验室研制出 器人。 经能通过声纳系统、光电管等装置，根据环境校正自己的位置。 20 世纪 60 年代中期开始，美国麻省理工学院、斯坦福大学、英国爱丁堡大学等陆续成立了机器人实验室。美国兴起研究第二代带传感器、 “有感觉 ”的机器人，并向人工智能进发。 世界第一台智能机器人 968 年 美国斯坦福研究所公布他们 研发成功的机器人 带有视觉传感器，能根据人的指令发现并抓取积木 ,不过控制它的计算机有一个房间那么大。 以算是世界第一台智能机器人，拉开了第三代机器人研发的序幕。 1969 年 日本早稻田大学 加藤一郎实验室研发出第一台以双脚走路的机器人。加藤一郎长期致力于研究 仿人机器人 ，被誉为 “仿人机器人之父 ”。日本专家一向以研发仿人机器人和娱乐机器人的技术见长，后来更进一步，催生出本田公司的 索尼公司的 1973 年 世界上第一次机器人和小型计算机携手合作，就诞生了美国 司的机器人 1978 年 美国 司推出通用工业机器人 标志着工业机器人技术已经完全成熟。 今仍然工作在工厂第一线。 1984 年 英格伯格再推机器人 种机器人能在 医院里为病人送饭、送药、送邮件。同年，他还预言： “我要让机器人擦地板，做饭，出去帮我洗车，检查安全 ”。 1998 年 丹麦 乐高 公司推出机器人 (件，让机器人制造变得跟搭积木一样，相对简单又能任意拼装，使机器人开始走入个人世界。 1999 年 日本索尼公司推出犬型机器人 爱宝 (当即销售一空，从此娱乐机器人成为目前机器人迈进普通家庭的途径之一。 2002 年 美国 司推出了吸尘器机器人 能避开障碍，自动设计行进路线，还能在电量不足时，自动驶向充电座。 目前世界上销量最大、最商业化的家用机器人。 司北京区授权代理商：北京微网智宏科技有限公司。 2006 年 6 月，微软公司推出 器 人模块化、平台统一化的趋势越来越明显，比尔 盖茨预言，家用机器人很快将席卷全球 诞生于科幻小说之中一样，人们对机器人充满了幻想。也许正是由于机器人定义的模糊，才给了人们充分的想象和创造空间。 家务型机器人：能帮助人们打理生活，做简单的家务活。 操作型机器人：能 自动控制 ，可重复编程，多功能，有几个自由度，可固定或运动，用于相关自动化系统中。 程控型机器人：按预先 要求的顺序及条件，依次控制机器人的机械动作。 示教再现型机器人：通过引导或其它方式，先教会机器人动作，输入工作程序，机器人则自动重复进行作业。 数控型机器人：不必使机器人动作，通过数值、语言等对机器人进行示教，机器人根据示教后的信息进行作业。 感觉控制型机器人：利用传感器获取的信息控制机器人的动作。 适应控制型机器人：能适应环境的变化，控制其自身的行动。 学习控制型机器人：能 “体会 ”工作的经验，具有一定的学习功能，并将所 “学 ”的经验用于工作中。 智能机器人：以人工智能决定其行动的机器人。 我国的机器人专家从 应用环境出发，将机器人分为两大类，即工业机器人和特种机器人。所谓工业机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。而特种机器人则是除工业机器人之外的、用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人，包括：服务机器人、水下机器人、娱乐机器人、 军用机器人 、农业机器人、机器人化机器等。在特种机器人中，有些分支发展很快，有独立成体系的趋势，如服务机器人、水下机器人、军用机器人、微操作 机器人等。目前，国际上的机器人学者，从应用环境出发将机器人也分为两类：制造环境下的工业机器人和非制造环境下的服务与仿人型机器人，这和我国的分类是一致的。 空中机器人又叫无人机器，近年来在军用机器人家族中，无人机是科研活动最活跃、技术进步最大、研究及采购经费投入最多、实战经验最丰富的领域。 80 多年来，世界无人机的发展基本上是以美国为主线向前推进的，无论从技术水平还是无人机的种类和数量来看，美国均居世界之首位 。 人飞机 “别动队 ”无人机 纵观无人机发展的历史，可以说现代战争是推动无 人机发展的动力。而无人机对现代战争的影响也越来越大。一次和二次世界大战期间，尽管出现并使用了无人机，但由于技术水平低下，无人机并未发挥重大作用。朝鲜战争中美国使用了无人侦察机和攻击机，不过数量有限。在随后的越南战争、中东战争中无人机已成为必不可少的武器系统。而在海湾战争、波黑战争及科索沃战争中无人机更成了主要的侦察机种。 越南战争期间美国空军损失惨重，被击落飞机 2500 架，飞行员死亡 5000 多名，美国国内舆论哗然。为此美国空军较多地使用了无人机。如 “水牛猎手 ”无人机在北越上空执行任务 2500 多次，超低空拍 摄照片，损伤率仅 4。 147 火蜂无人机飞行 500 多次，进行电子窃听、电台干扰、抛撒金属箔条及为有人飞机开辟通道等。 高空无人侦察机 在 1982 年的贝卡谷地之战中，以色列军队通过空中侦察发现。叙利亚在贝卡谷地集中了大量部队。 6 月 9 日，以军出动美制 眼 ”预警飞机对叙军进行监视，同时每天出动 “侦察兵 ”及 “猛犬 ”等无人机 70 多架次，对叙军的防空阵地、机场进行反复侦察，并将拍摄的图像传送给预警飞机和地面指挥部。这样，以军准确地查明了叙军雷达的位置，接着发射 “狼 ”式反雷达导弹，摧毁了叙军不少的 雷达、导弹及自行高炮，迫使叙军的雷达不敢开机，为以军有人飞机攻击目标创造了条件。 鬼怪式无人机 1991 年爆发了海湾战争，美军首先面对的一个问题就是要在茫茫的沙海中找到伊拉克隐藏的飞毛腿导弹发射器。如果用有人侦察机，就必须在大漠上空往返飞行，长时间暴露于伊拉克军队的高射火力之下，极其危险。为此，无人机成了美军空中侦察的主力。在整个海湾战争期间， “先锋 ”无人机是美军使用最多的无人机种，美军在海湾地区共部署了 6 个先锋无人机连，总共出动了 522 架次，飞行时间达 1640 小时。那时，不论白天还是黑夜，每天总有一架先锋 无人机在海湾上空飞行。 为了摧毁伊军在沿海修筑的坚固的防御工事， 2 月 4 日密苏里号战舰乘夜驶至近海区，先锋号无人机由它的甲板上起飞，用红外侦察仪拍摄了地面目标的图像并传送给指 挥中心。几分钟后，战舰上的 406 毫米的舰炮开始轰击目标，同时无人机不断地为舰炮进行校射。之后威斯康星号战舰接替了密苏里号，如此连续炮轰了三天，使伊军的炮兵阵地、雷达网、指挥通信枢纽遭到彻底破坏。在海湾战争期间，仅从两艘战列舰上起飞的先锋无人机就有 151 架次，飞行了 530 多个小时，完成了目标搜索、战场警戒、海上拦截及海军炮火支援等任务。 人机 在海湾战争中，先锋无人机成了美国陆军部队的开路先锋。它为陆军第 7 军进行空中侦察，拍摄了大量的伊军坦克、指挥中心、及导弹发射阵地的图像，并传送给直升机部队，接着美军就出动 “阿帕奇 ”攻击型直升机对目标进行攻击，必要时还可呼唤炮兵部队进行火力支援。先锋机的生存能力很强，在 319 架次的飞行中，仅有一架被击中，有4 5 架由于电磁干扰而失事。 除美军外，英、法、加拿大也都出动了无人机。如法国的 “幼鹿 ”师装备有一个 “马尔特 ”无人机排。当法军深入伊境内作战时，首先派无人机侦察敌情，根据侦察到的情况，法军躲 过了伊军的坦克及炮兵阵地。 1995 年波黑战争中，因部队急需， “捕食者 ”无人机很快就被运往前线。在北约空袭塞族部队的补给线、弹药库、指挥中心时， “捕食者 ”发挥了重要的作用。它首先进行侦察，发现目标后引导有人飞机进行攻击，然后再进行战果评估。它还为联合国维和部队提供波黑境内主要公路上军车移动的情况，以判断各方是否遵守了和平协议。美军因而把 “捕食者 ”称作 “战场上的低空卫星 ”。其实卫星只能提供战场上的瞬间图像，而无人机可以在战场上空长时间盘旋逗留，因而能够提供战场的连续实时图像，无人机还比使用卫星便宜得多。 1999 年 3 月 24 日，以美国为首的北约打着 “维护人权 ”的幌子对南联盟开始了狂轰滥炸，爆发了震惊世界的 “科索沃战争 ”。在持续 78 天的轰炸过程中，北约共出动飞机 入舰艇 40 多艘，扔下炸弹 吨，造成了二战以来欧洲空前的浩劫。 南联盟多山、多森林的地形以及多阴雨天的气候条件，大大影响了北约侦察卫星及高空侦察机的侦察效果，塞军的防空火力又很猛，有人侦察机不敢低飞，致使北约空军无法识别及攻击云层下面的目标。为了减少人员的伤亡，北约大量使用了无人机。科索沃战争是世界局部战争中使用无人机数量最多、无人机发挥 作用最大的战争。无人机尽管飞得较慢，飞行高度较低，但它体积小，雷达及红外特征较小，隐蔽性好，不易被击中，适于进行中低空侦察，可以看清卫星及有人侦察机看不清的目标。 在科索沃战争中，美国、德国、法国及英国总共出动了 6 种不同类型的无人机约 200多架，它们有：美国空军的 “捕食者 ”（ 陆军的 “猎人 ”（ 海军的 “先锋 ”（ 德国的 国的 “红隼 ”（ “猎人 ”，以及英国的 “不死鸟 ”（ 无人机。 无人机在科索沃战争中主要完成了以下一些任务：中低空侦察及战场监视，电子干扰，战果评估，目标定位，气象资料搜集，散发传单以及营救飞行员等。 科索沃战争不仅大大提高了无人机在战争中的地位，而且引起了各国政府对无人机的重视。美国参议院武装部队委员会要求， 10 年内军方应准备足够数量的无人系统，使低空攻击机中有三分之一是无人机； 15 年内，地面战车中应有三分之一是无人系统。这并不是要用无人系统代替飞行员及有人飞机，而是 用它们补充有人飞机的能力，以便在高风险的任务中尽量少用飞行员。无人机的发展必将推动现代战争理论和无人战争体系的发展。 种功能的机器人 机器警察 所谓地面军用机器人是指在地面上使用的机器人系统，它们不仅在和平时期可以帮助民警排除炸弹、完成要地保安任务，在战时还可以代替士兵执行扫雷、侦察和攻击等各种任务，今天美、英、德、法、日等国均已研制出多种型号的地面军用机器人。 英国的 “手推车 ”机器人 在西方国家中，恐怖活动始终是个令当局头疼的问题。英国由于民族矛盾，饱受爆炸物的威胁，因而早在 60 年代就研制成功 排爆机器人。英国研制的履带式 “手推车 ”及 “超级手推车 ”排爆机器人，已向 50 多个国家的军警机构售出了 800 台以上。最近英国又将手推车机器人加以优化，研制出土拨鼠及野牛两种遥控电动排爆机器人，英国皇家工程兵在波黑及科索沃都用它们探测及处理爆炸物。土拨鼠重 35 公斤，在桅杆上装有两台摄像机。野牛重 210 公斤，可携带 100 公斤负载。两者均采用无线电控制系统，遥控距离约 1 公里。 “土拨鼠 ”和 “野牛 ”排爆机器人 除了恐怖分子安放的炸弹外，在世界上许多战乱国家中，到处都散布着未爆炸的各种弹药。例如，海湾战争后的科威特，就像 一座随时可能爆炸的弹药库。在伊科边境一 万多平方公里的地区内，有 16 个国家制造的 25 万颗地雷， 85 万发炮弹，以及多国部队投下的布雷弹及子母弹的 2500 万颗子弹，其中至少有 20没有爆炸。而且直到现在，在许多国家中甚至还残留有一次大战和二次大战中未爆炸的炸弹和地雷。因此，爆炸物处理机器人的需求量是很大的。 排除爆炸物机器人有轮式的及履带式的，它们一般体积不大，转向灵活，便于在狭窄的地方工作，操作人员可以在几百米到几公里以外通过无线电或光缆控制其活动。机器人车上一般装有多台彩色 像机用来对爆炸物进行观察；一 个多自由度机械手，用它的手爪或夹钳可将爆炸物的引信或雷管拧下来，并把爆炸物运走；车上还装有猎枪，利用激光指示器瞄准后，它可把爆炸物的定时装置及引爆装置击毁；有的机器人还装有高压水枪，可以切割爆炸物。 德国的排爆机器人 在法国，空军、陆军和警察署都购买了 司研制的 型排爆机器人。 司研制的 器人也被巴黎机场管理局选中。德国驻波黑的维和部队则装备了 司的 列机器人。我国沈阳自动化所研制的 器人也加入了公安部队的行列。 美国 司的 列机器人受到各国军警部门的欢迎，白宫及国会大厦的警察局都购买了这种机器人。在南非总统选举之前，警方购买了四台 机器人，它们在选举过程中总共执行了 100 多次任务。 器人可用于小型随机爆炸物的处理，它是美国空军客机及客车上使用的唯一的机器人。海湾战争后，美国海军也曾用这种机器人在沙特阿拉伯和科威特的空军基地清理地雷及未爆炸的弹药。美国空军还派出 5 台 器人前往科索沃，用于爆炸物及子炮弹的清理。空军每个现役排爆小队及航空救援中心都装备有一台 I。 我国研制的排爆机器人 排爆机器人不仅可以排除炸弹，利用它的侦察传感器还可监视犯罪分子的活动。监视人员可以在远处对犯罪分子昼夜进行观察，监听他们的谈话，不必暴露自己就可对情况了如指掌。 1993 年初，在美国发生了韦科庄园教案，为了弄清教徒们的活动，联邦调查局使用了两种机器人。一种是 司的 和 机器人，另一种是 司研制的 器人。 一辆 6 轮遥控车，采用无线电及光缆通信。车上有一个可升高到 的支架 ，上面装有彩色立体摄像机、 昼用瞄准具、微光夜视 瞄具、双耳音频探测器、化学探测器、卫星定位系统、目标跟踪用的前视红外传感器等。该车仅需一名操作人员，遥控距离达 10 公里。在这次行动中共出动了 3 台 作人员遥控机器人行驶到距庄园 548 米的地方停下来，升起车上的支架，利用摄像机和红外探测器向窗内窥探，联邦调查局的官员们围着荧光屏观察传感器发回的图像，可以把屋里的活动看得一清二楚。 机器人指挥 其实并不是人们不想给机器人一个完整的定义，自机器人诞生之日起人们就不断地尝试着说明到底什么是机器人。但随着机器人技术的飞速发展 和 信息时代 的到来，机器人所涵盖的内容越来越丰富，机器人的定义也不断充实和创新。 1886 年法国作家利尔亚当在他的小说未来夏娃中将外表像人的机器起名为 “安德罗丁 ”（ 它由 4 部分组成： 1，生命系统（平衡、步行、发声、身体摆动、感觉、表情、调节运动等）； 2，造型解质（关节能自由运动的金属覆盖体，一种盔甲）； 3， 人造肌肉 （在上述盔甲上有肉体、静脉、性别等身体的各种形态）； 4，人造皮肤（含有肤色、机理、轮廓、头发、视觉、牙齿、手爪等）。 1920 年捷克作家卡雷尔 卡佩克发表了科幻剧本罗萨姆的万能机器人。在剧本中，卡佩克把捷克语 “成了 “ “奴隶的意思。该剧预告了机器人的发展对人类社会的悲剧性影响，引起了大家的广泛关注，被当成了机器人一词的起源。在该剧中，机器人按照其主人的命令默默地工作 ，没有感觉和感情，以呆板的方式从事繁重的劳动。后来，罗萨姆公司取得了成功，使机器人具有了感情，导致机器人的应用部门迅速增加。在工厂和家务劳动中，机器人成了必不可少的成员。机器人发觉人类十分自私和不公正，终于造反了，机器人的体能和智能都非常优异，因此消灭了人类。 但是机器人不知道如何制造它们自己，认为它们自己很快就会灭绝，所以它们开始寻找人类的幸存者，但没有结果。最后，一对感知能力优于其它机器人的男女机器人相爱了。这时机器人进化为人类，世界又起死回生了。 卡佩克提出的是机器人的安全、感知和自我繁殖问题。科学技 术的进步很可能引发人类不希望出现的问题。虽然科幻世界只是一种想象，但人类社会将可能面临这种现实。 为了防止机器人伤害人类，科幻作家阿西莫夫（ 1940 年提出了 “机器人三原则 ”： 1，机器人不应伤害人类； 2，机器人应遵守人类的命令，与第一条违背的命令除外； 3，机器人应能保护自己，与第一条相抵触者除外。 这是给机器人赋予的伦理性纲领。机器人学术界一直将 这三原则作为机器人开发的准则。 在 1967 年日本召开的第一届机器人学术会议上，就提出了两个有代表性的定义。一是森政弘与合田周平提出的： “机器人是一种具有移动性、个体性、智能性、通用性、半机械半人性、自动性、奴隶性等 7 个特征的柔性机器 ”。从这一定义出发，森政弘又提出了用自动性、智能性、个体性、半机械半人性、作业性、通用性、信息性、柔性、有限性、移动性等 10 个特性来表示机器人的形象。另一个是加藤一郎提出的具有如下 3 个条件的机器称为机器人： 1，具有脑、手、脚等三要素的个体； 2，具有非接触传感器（用眼、耳接受远 方信息）和接触传感器； 3，具有平衡觉和固有觉的传感器。 礼仪机器人 该定义强调了机器人应当仿人的含义，即它靠手进行作业，靠脚实现移动，由脑来完成统一指挥的作用。非接触传感器和接触传感器相当于人的五官，使机器人能够识别外界环境，而平衡觉和固有觉则是机器人感知本身状态所不可缺少的传感器。这里描述的不是工业机器人而是 自主机器人 。 机器人的定义是多种多样的，其原因是它具有一定的模糊 性。动物一般具有上述这些要素，所以在把机器人理解为仿人机器的同时，也可以广义地把机器人理解为仿动物的机器。 1988 年法国的埃斯皮奥将机器人定义为： “机器人学是指设计能根据传感器信息实现预先规划好的作业系统，并以此系统的使用方法作为研究对象 ”。 1987 年国际标准化组织对工业机器人进行了定义： “工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能，能完成各种作业的可编程操作机。 ” 我国科学家对机器人的定义是： “机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能 力和协同能力， 是一种具有高度灵活性的自动化机器 ”。在研究和开发未知及不确定环境下作业的机器人的过程中，人们逐步认识到机器人技术的本质是感知、决策、行动和交互技术的结合。随着人们对机器人技术智能化本质认识的加深，机器人技术开始源源不断地向人类活动的各个领域渗透。结合这些领域的应用特点，人们发展了各式各样的具有感知、决策、行动和交互能力的特种机器人和各种智能机器，如移动机器人、微机器人、水下机器人、医疗机器人、军用机器人、空中空间机器人、娱乐机器人等。对不同任务和特殊环境的适应性，也是机器人与一般自动化装备的重 要区别。这些机器人从外观上已远远脱离了最初仿人型机器人和工业机器人所具有的形状，更加符合各种不同应用领域的特殊要求，其功能和智能程度也大大增强，从而为机器人技术开辟出更加广阔的发展空间。 中国工程院院长宋健指出： “机器人学的进步和应用是 20 世纪自动控制最有说服力的成就，是当代最高意义上的自动化 ”。机器人技术综合了多学科的发展成果，代表了高技术的发展前沿，它在人类生活应用领域的不断扩大正引起国际上重新认识机器人技术的作用和影响。 我国的机器人专家从应用环境出发，将机器人分为两大类，即工业机器人和特种机器人。所 谓工业机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。而特种机器人则是除工业机器人之外的、用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人，包括：服务机器人、水下机器人、娱乐机器人、军用机器人、农业机器人、机器人化机器等。在特种机器人中，有些分支发展很快，有独立成体系的趋势，如服务机器人、水下机器人、军用机器人、微操作机器人等。目前，国际上的机器人学者，从应用环境出发将机器人也分为两类：制造环境下的工业机器人和非制造环境下的服务与仿人型机器人，这和我国的分类是一致的。 古代机器人 机器人一词的出现和世界上第一 台工业机器人的问世都是近几十年的事。然而人们对机器人的幻想与追求却已有 3000 多年的历史。人类希望制造一种像人一样的机器，以便代替人类完成各种工作。 机器马车 西周时期，我国的能工巧匠偃师就研制出了能歌善舞的伶人，这是我国最早记载的机器人。 春秋后期，我国著名的木匠鲁班，在机械方面也是一位发明家，据墨经记载，他曾制造过一只木鸟，能在空中飞行 “三日不下 ”，体现了我国劳动人民的聪明智慧。 公元前 2 世纪，亚历山大时代的古希腊人发明了最原始的机器人 自动机 。它是以水、空气和蒸汽压力为动力的会动的雕像，它可以自己开门，还可以借助蒸汽唱歌。 1800 年前的汉代，大科学家张衡不仅发明了地动仪，而且发明了计里鼓车。计里鼓车每行一里，车上木人击鼓一下，每行十里击钟一下。 后汉三国时期，蜀国丞相诸葛亮成功地创造出了 “木牛流马 ”，并用其运送军粮，支援前方战争。 1662 年，日本的竹田近江利用钟表技术发明了自动机器玩偶，并在大阪的道顿堀演出。 1738 年，法国天才技师 杰克 戴 瓦克逊发明了一只机器鸭，它会嘎嘎叫，会游泳和喝水，还会进食和排泄。瓦克逊的本意是想把生物的功能加以机械化而进行医学上的分析。 写字机器人 在当时的自动玩偶中，最杰出的要数瑞士的钟表匠杰克 道罗斯和他的儿子利 路易 道罗斯。 1773 年，他们连续推出了自动书写玩偶、自动演奏玩偶等，他们创造的自动玩偶是利用齿轮和发条原理而制成的。它们有的拿着画笔和颜色绘画，有的拿着鹅毛蘸墨水写字，结构巧妙，服装华 丽，在欧洲风靡一时。由于当时技术条件的限制，这些玩偶其实是身高一米的巨型 玩具 。现在保留下来的最早的机器人是瑞士努萨蒂尔历史博物馆里的少女玩偶，它制作于二百年前，两只手的十个手指可以按动风琴的琴键而弹奏音乐，现在还定期演奏供参观者欣赏，展示了古代人的智慧。 19 世纪中叶自动玩偶分为 2 个流派，即 科学幻想 派和机械制作派，并各自在文学艺术和近代技术中找到了自己的位置。 1831 年歌德发表了浮士德，塑造了 人造人 “荷蒙克鲁斯 ”； 1870 年霍夫曼出版了以自动玩偶为主角的作品葛蓓莉娅； 1883 年科洛迪的木偶奇遇记问世； 1886 年 未来的夏娃 问世。在机械实物制造方面， 1893 年摩尔制造了 “蒸汽人 ”， “蒸汽人 ”靠蒸汽驱动双腿沿圆周走动。 进入 20 世纪后，机器人的研究与开发得到了更多人的关心与支持，一些适用化的机器人相继问世， 1927 年美国西屋公司工程师温兹利制造了第一个机器人 “电报箱 ”，并在纽约举行的 世界博览会 上展出。它是一个电动机器人，装有无线电发报机，可以回 答一些问题，但该机器人不能走动。 1959 年第一台工业机器人（可编程、圆坐标）在美国诞生，开创了机器人发展的新纪元。 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。 大批量生产的迫切需求推动了自动化技术的进展，其结果之 一便是 1952 年 数控机床的诞生。与数控机床相关的控制、机械零件的研究又为机器人的开发奠定了基础。 另一方面，原子能实验室的恶劣环境要求某些操作机械代替人处理放射性物质。在这一需求背景下，美国原子能委员会的阿尔贡研究所于 1947 年开发了遥控机械手， 1948年又开发了机械式的主从机械手。 铆接机器人 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 司推出的“ 司推出的 “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， 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。 机器狗 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 ”。 自治潜水器 随着计算机技术和人工智能技术的飞速发展，使机器人在功能和技术层次上有了很大的提高，移动机器人和机器人的视觉和触觉等技术就是典型的代表。由于这些技术的发展，推动了机器人概念的延伸。 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。这一概念不但指导了机器人技术的研究和应用，而且又赋予了机器人技术向深广发展的巨大空间，水下机器人、空间机器人、空中机器人、地面机器人、微 小型机器人等各种用途的机器人相继问世，许多梦想成为了现实。将机器人的技术（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。当前与 信息技术 的交互和融合又产生了 “软件机器人 ”、 “网络机器人 ”的名称，这也说 明了机器人所具有的创新活力。 随着社会的不断发展，各行各业的分工越来越明细，尤其是在现代化的大产业中，有的人每天就只管拧一批产品的同一个部位上的一个螺母，有的人整天就是接一个线头，就像电影摩登时代中演示的那样，人们感到自己在不断异化，各种职业病逐渐产生，于是人们强烈希望用某种机器代替自己工作，因此人们研制出了机器人，用以代替人们去完成那些单调、枯燥或是危险的工作。由于机器人的问世，使一部分工人失去了原来的工作，于是有人对机器人产生了敌意。 “机器人上岗，人将下岗。 ”不仅在我国，即使在 一些发达国家如美国，也有人持这种观念。其实这种担心是多余的，任何先进的机器设备，都会提高劳动生产率和产品质量，创造出更多的社会财富，也就必然提供更多的就业机会，这已被人类生产发展史所证明。任何新事物的出现都有利有弊，只不过利大于弊，很快就得到了人们的认可。比如汽车的出现，它不仅夺了一部分人力车夫、挑夫的生意，还常常出车祸，给人类生命财产带来威胁。虽然人们都看到了汽车的这些弊端，但它还是成了人们日常生活中必不可少的交通工具。英国一位著名的政治家针对关于工业机器人的这一问题说过这样一段话： “日本机器人的数量居世 界首位，而失业人口最少，英国机器人数量在发达国家中最少，而失业人口居高不下 ”，这也从另一个侧面说明了机器人是不会抢人饭碗的。 美国是机器人的发源地，机器人的拥有量远远少于日本，其中部分原因就是因为美国有些工人不欢迎机器人，从而抑
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