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03届机械设计专业毕业设计（论文） 毕业设计（论文）文献综述题 目 四自由度圆柱坐标 机器人设计 专 业机械设计制造及其自动化班 级 机设033 学 生 楼 渊 指导教师 谢 敬 2 0 0 7 年文 献 综 述一、工业机器人技术的背景及其意义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现代制造业重要的自动化装备。自从1962年美国研制出世界上第一台工业机器人以来,机器人技术及其产品发展很快,已成为柔性制造系统( FMS) 、自动化工厂( FA) 、计算机集成制造系统(CIMS)的自动化工具。广泛采用工业机器人,不仅可提高产品的质量与数量,而且保障人身安全、改善劳动环境、减轻劳动强度、提高劳动生产率、节约材料消耗以及降低生产成本有着十分重要的意义。和计算机、网络技术一样,工业机器人的广泛应用正在日益改变着人类的生产和生活方式。20世纪80年代以来，工业机器人技术逐渐成熟，并很快得到推广，目前已经在工业生产的许多领域得到应用。在工业机器人逐渐得到推广和普及的过程中，下面三个方面的技术进步起着非常重要的作用。1. 驱动方式的改变20世纪70年代后期，日本安川电动机公司研制开发出了第一台全电动的工业机器人，而此前的工业机器人基本上采用液压驱动方式。与采用液压驱动的机器人相比，采用伺服电动机驱动的机器人在响应速度、精度、灵活性等方面都有很大提高，因此，也逐步代替了采用液压驱动的机器人，成为工业机器人驱动方式的主流。在此过程中，谐波减速器、R V减速器等高性能减速机构的发展也功不可没。近年来，交流伺服驱动已经逐渐代替传统的直流伺服驱动方式，直线电动机等新型驱动方式在许多应用领域也有了长足发展。2. 信息处理速度的提高机器人的动作通常是通过机器人各个关节的驱动电动机的运动而实现的。为了使机器人完成各种复杂动作，机器人控制器需要进行大量计算，并在此基础上向机器人的各个关节的驱动电动机发出必要的控制指令。随着信息技术的不断发展，C P U的计算能力有了很大提高，机器人控制器的性能也有了很大提高，高性能机器人控制器甚至可以同时控制20多个关节。机器人控制器性能的提高也进一步促进了工业机器人本身性能的提高，并扩大了工业机器人的应用范围。近年来，随着信息技术和网络技术的发展，已经出现了多台机器人通过网络共享信息，并在此基础上进行协调控制的技术趋势。3. 传感器技术的发展机器人技术发展初期，工业机器人只具备检测自身位置、角度和速度的内部传感器。近年来，随着信息处理技术和传感器技术的迅速发展，触觉、力觉、视觉等外部传感器已经在工业机器人中得到广泛应用。各种新型传感器的使用不但提高了工业机器人的智能程度，也进一步拓宽了工业机器人的应用范围。二、国内外研究概况1. 国际发展状况机器人是最典型的机电一体化装备, 技术附加值很高, 应用范围很广, 作为先进制造业的支撑技术和信息化社会的新兴产业, 将对未来生产和社会发展起越来越重要的作用。国外专家预测,机器人产业是继汽车、计算机之后出现的新的大型高技术产业。据UNECE (联合国欧洲经济委员会)和IFR (国际机器人联合会)统计,从20 世纪下半叶起,世界机器人产业一直保持着稳步增长的良好势头,进入90 年代,机器人产品发展速度加快,年销售量增长率平均在10%左右; 2004年增长率达到了创记录的20% ,其中,亚洲机器人增长幅度最为突出,增长43% 。UNECE估计, 2004 年全球至少安装了10 万台新的工业机器人。其中: 欧盟31 100台(比2003年增加15% ,但比2001年的记录仅增加1% ) ; 北美16 100台(比2003年增加27% ,比2000年的记录高24% ) ; 亚洲51 400台,主要在日本,但中国市场增长迅速(比2003年增长24% ) 。美国是机器人的诞生地,早在1962年就研制出世界上第一台工业机器人,比起号称机器人王国的日本起步至少要早五六年。经过40多年的发展,美国现已成为世界上的机器人强国之一。据UNECE和IFR统计, 2004年美国新安装工业机器人12 693台,预计到2007年底,新安装的工业机器人将达15 900台。至2003年末,在北美运行的机器人总量为112 390台,比2002年增长7% ,预计至2007年6美国运行的工业机器人总量将达到145 100台。就每万名雇员拥有的工业机器人数进行统计,至2003年末,在美国制造业中,每1万名雇员有63个工业机器人。作为对比,德国为148个,欧盟为93个。在美国汽车工业中,每万名产业工人拥有740个工业机器人,但这个数字还是远低于日本( 1 400个机器人) 意大利(1 400个机器人)和德国( 1 000个机器人)。日本素有“机器人王国”之称,其工业机器人的发展令人瞩目,无论机器人的数量还是机器人的密度都位居世界第一。在其经历了短暂的摇篮期之后,快速跨过实用期,迈入普及提高期。在20 世纪80 年代至90年代初期,日本的工业机器人可谓处于繁荣鼎盛时期,似乎无所不能。然而,花无百日红,自20世纪90年代中期开始,随着欧洲和北美工业机器人产业的崛起,国际市场的格局发生了明显的变化,从日本转向了欧洲和北美。在度过了几年的低迷期之后, 21世纪初日本的工业机器人又开始重新焕发生机,尤其是伴随着中国和其他周边国家对工业机器人需求的增长,以及日本本国早年工业机器人因服务期限而带来的更新换代,预期将对日本工业机器人的发展发挥积极的作用。据日本机器人协会的统计, 2004年全年日本工业机器人的定单较去年增长了1718% ,达到4 99516亿日元(48亿美元) ，是连续第三年大幅度增长。2004年全年日本工业机器人出货量为4 45813亿日元,同比增长13.4%。2005年第一季度,日本工业机器人出货量为1 289亿日元,较去年同期增长13.6%。从日本工业机器人出口情况看, 2004年出口量为2 788亿日元(27亿美元) ,较2003年大幅增长20.7% ,其主要原因在于中国和其他亚洲国家对工业机器人需求的大幅增长。从日本国内工业机器人市场看,日本是工业机器人最大的消费国。日本2004 年国内工业机器人出货量为1 67012 亿日元,比上年小幅增长了3% ,新安装工业机器人为33 200 台。2. 国内发展状况我国机器人研究与应用起步于二十世纪70年代初，1986年，“智能机器人”被列入国家高技术研究发展计划（863计划），经过近二十年的不懈努力，取得了一系列令世界瞩目的科研成果。随着以国家863机器人技术主题为主的国家相关部门对机器人产业的进一步推动，必将对我国创建“以人为本”社会发展模式和发展国民经济产生巨大的影响。根据调查结果显示，近年来，国内各类主要机器人的生产和应用均呈现快速增长的趋势。从大型的工业机器人到小型的纳米机器人，从代表国家最高科技水平的登月机器人到提高学生综合素质的教育机器人，机器人产业在中国正进入一个快速发展的时期，呈现出一种欣欣向荣的前景。中国是一个制造业大国，以其低成本的劳动力奠定了在国际制造业中的地位，号称“世界工厂”。但是，随着经济快速全球化以及信息技术飞速发展，单纯地依靠劳动密集型的生产模式已经满足不了对生产效率和产品品质等日益提高的要求，提高制造业的技术与资金密集度是制造业现代化的必然趋势。实践证明，通过信息化带动工业化是中国继续保持国际制造业大国并转变为制造业强国的唯一出路。工业机器人作为重要的自动化基础装备，是制造业信息化发展的基石。在可以预见的未来，机器人技术与现代传感技术、智能技术、控制技术和信息技术互相渗透、融合，应用于制造业基础装备的改造，使传统制造业发生“脱胎换骨”式的飞跃，对社会生产力的进步产生强大的推动力。三、工业机器人技术的应用1. 仿人机器人仿人机器人具有可移动性、超多的自由度、视觉和听觉处理能力，可以完成更复杂的任务。但对控制系统的可靠性、实时性，建立包含语音、视频等多媒体信息的多功能远程操作平台，都提出了更高的要求。以往采用的集中控制系统，控制功能高度集中，局部的故障就可能造成系统的整体失效，降低了系统的可靠性和稳定性，因此考虑采用分布式的控制系统来实现系统控制.CAN(Controller Area Network，控制器局域网)总线作为在工业领域广泛应用的一种总线，具有成本低、可靠性好、结构简单、开放性好等特点，非常适合用来搭建仿人机器人的控制系统。2. 机器人在机械制造业中的应用机器人远程控制技术不仅在传统的机器人遥控操作领域有着广泛的应用，随着Internet 的迅猛发展，它在其它许多领域中也有良好的应用前景，如远程制造业、分布式制造系统、自主机器人系统等领域。(1)机械加工机器人：在多品种、大批量、效率低下的生产线上，通过网络控制生产过程，谋求实现生产的自动化；通过机器人收集现场工况信号，使运送、装卸工件、切屑处理等工序流程均处于远程监视之下，控制信号神经网络及时传送到现场机器人完成生产过程的控制。（2）工业装配机器人：在装配作业过程中，往往有视觉、触觉等感知功能的运用。这些信号经现场机器人采集后，通过网络传送到远方控制终端，由远方工作人员来操控现场机器人的动作，完成装配任务，实现装配过程的远程控制。(3)喷漆机器人：与其它作业的机器人不同(其它作业的机器人只需正确控制动作，即控制定位精度、轨迹模仿精度和速度就已足够)，喷漆机器人在进行喷漆作业时还要评价喷漆完成的状态，需不断采集工件喷漆后的图像信息，把这些信号通过网络传送到远方控制终端，实现喷漆作业的远程控制，可以大大提高喷漆作业的精度和速度。(4)焊接机器人：在焊接生产中可提高焊接质量和生产效率，保证了焊接过程的稳定性和产品的一致性，减小了劳动强度，满足了高度柔性化生产的要求。因此，焊接机器人广泛地应用于现代制造业，如汽车制造和汽车零部件、摩托车制造、工程机械、机车车辆、家用电器等行业。3. 网络机器人在我国机械制造业中的应用基于网络的机器人的思想是由Ken Goldberg 于1994 年春首先提出，具有以下一些特点：一是涵盖现代网络技术和机器人控制技术两方面的内容，并且将两者有机地结合起来；二是建立在Internet 的基础上，相应地具有Internet特有的一些功能，拥有良好的人机界面，可以实现人机交互功能；三是以HTTP 作为控制系统的标准通信协议，其系统控制软件具有良好的可移植性和互用性，可以使用一个服务器供不特定的多个用户在网络上任意使用。四是由于网络的存在，网络机器人技术使得机器人系统中必需的多数控制软件可以分散配置，机器人的软件开发也可以分散进行，更容易实现。四、目前仍存在的问题和解决的思路工业机器人在我国的发展需要克服众多困难，其中很重要的一个就是认识上的错误。就我国绝大多数制造厂家而言，对机器人如何提高劳动生产率、降低劳动成本方面缺乏相应的了解和认识。这种认识上的缺乏导致许多人抱着一个错误的观念，工业机器人在中国没有市场。但是实际情况却正好相反。最近几年，中国工业机器人使用量呈大幅上升趋势，工业机器人的使用已经从传统的汽车和工程机械行业向其它制造类行业快速扩散。目前，我国机械制造业的现状是大而不强。为了全面提升我国制造业的竞争力，实现从制造业大国向制造业强国的转变，必须加快推进制造业信息化。将网络机器人技术应用于机械制造业。这对于实现我国制造业信息化、提高本国制造业的国际影响力，完成“用信息化带动制造业现代化，用高新技术改造制造业，以实现制造业跨越发展”的战略目标，有着显著的现实意义，应用前景十分广阔，将来大有可为。五、结束语我国的工业机器人研究从“七五”开始起步，近十几年来在国家“863”计划的支持下已经取得了长足进步。虽然因为工业基础方面的原因，我国在工业机器人本体的生产水平方面与国外还有较大差距，但在机器人应用技术和系统集成等方面，与国外先进水平的差距已经不大。国内部分企业在许多工业机器人应用的招标项目中已经可以和国外著名企业抗衡。目前国内的工业机器人市场已经逐步走向成熟，应用范围也越来越广。随着我国经济的不断发展，国内外市场竞争将更加激烈，制造业对产品质量和生产率的要求越来越高，人力成本也将不断提高，作为全球制造工厂的我国制造业对工业机器人的需求也将会在较短时间内进入快速发展时期。六、参考文献1 原 魁，工业机器人发展现状与趋势，MC 现代零部件07年第一期2 张效祖，工业机器人的现状与发展趋势 ， WMEM第五期，3 宋海宏 ，机器人技术展望，山西煤炭管理干部学院学报4 顾震宇，全球工业机器人产业现状与趋势，机电一体化06年第2期5 坪岛茂彦 中村修照 ，电动机实用技术指南，科学出版社6 熊有伦，机器人技术基础，华中科技大学出版社7 温效朔，机器人技术在农业上的开发与应用现状，安徽农业科学8 周伯英，工业机器人设计，机械工业出版社9 吴 林 张广军 高洪明 ，焊接机器人技术，中 国 表 面 工 程10 吴宗泽，机械零件设计手册，机械工业出版社11 I.OM.索罗门采夫，工业机器人图册，机械工业出版社12 Morris R. Driels, Lt W. Swayze USN and Lt S. Potter USN，Department of Mechanical Engineering, Naval Postgraduate School
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