直线轴工业机器人的设计 开题报告

第一篇：直线轴工业机器人的设计 开题报告

燕 山 大 学

本科毕业设计（论文）开题报告

课题名称：直线轴工业机器人的设计

学院（系）：机械工程学院

年级专业：06级机电3班

学生姓名：张长华

指导教师：田行斌

完成日期：2010年3月22日

一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义

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。在工业生产中广泛采用工业机器人,不仅可提高产品的质量与数量,而且对保障人身安全、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。同计算机、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[1]。

自从工业机器人产生以来，取得了很大的发展。归纳起来，工业机器人分为以下三代[2]：

第一代：按示教/再现方式进行工作而没有感知功能（如力感觉、视觉、听觉等）的工业机器人。

第二代：随着科技的发展，最近出现的带有感觉、视觉、听觉等感知功能的工业机器人。

第三代：正在研制的智能化工业机器人。它不仅具有更发达的感知功能，而且还具有逻辑判断和决策功能，可根据作业要求和环境信息自行工作。由于工业机器人的迅猛发展而给人类社会带来了巨大利益，所以许多专家学者都在不断的对工业机器人产业的发展进行研究，这将是促使这一新兴产业不断发展的重要原因。

赵臣等对我国工业机器人产业的发展做了详细的介绍，并对工业机器人产业的发展模式进行探讨，归纳出三种发展模式，即日本模式、欧洲模式和美国模式。同时，还揭示了我国机器人产业发展存在的问题并针对性的提出了对于我国机器人产业化得几点建议[3]。

夏鲲等对工业机器人做了详细的解释，并对工业机器人在国内外的发展现状及其应用做了细致的介绍；同时，阐述了工业机器人给人们的生产和生活带了的效益[4]。

王楠介绍了机器人领域的相关情况,包括国内外研究设计情况、工业机器人研究趋向、工业机械手的设计技术、机器人应用技术、我国工业机器人的发展前景、机器人网络化等相关问题[5]。

司震鹏等指出模块化机器人是21世纪机器人发展的主要方向,并设计了一种模块化机器人,在机械结构上分别设计出了关节模块和连杆模块,而且模块

之间具有很好的互换性,可以提高机器人的研发速度,降低成本,并且对其进行运动学分析,得出了机器人的正解和逆解,为机器人进一步设计提供了方向及理论依据[6]。

陈雪华等提出三种模块化转动关节,详述它们的结构参数,并用这三种模块化关节装配了写字机器人,对其进行运动参数计算、运动学分析和写字的模拟实验。结果表明,提出的三种模块化关节在一定范围内能较好地实现模块化机器人的运动功能[7]。

李平针对工业机器人现有末端执行器的应用缺陷,结合人手构造,在保证具有良好机械特性及适合物体抓取的前提下,通过对结构参数的优化,设计了一种多指型末端执行器。建立了单手指的运动学模型并对抓持状态下各手指的运动姿态进行了仿真分析,在此基础上完成了分层模块化控制系统的设计[8]。

由此看来，广大学者对工业机器人的发展都非常的关注，并且不断的在工业机器人的制造技术上进行研究和创新，使这一产业在各个领域都发挥了很大的作用，取得了骄人的成就。

现在的直架型工业机器人由于自身结构的限制，只能在水平和垂直方向做移动，有的还可以绕某一轴转动，这样就使该类型的工业机器人在其工作空间上有了很大的限制。而现在的关节型工业机器人，尽管在手臂工作空间的问题上有了很大的改进，但是由于其安装方式和工作环境都有一定的限制，依然有待改进[9]。

然而，直线轴工业机器人融合了直架型和多关节型机器人的优点。顶部安装的机器人只占用有限的空间，可提供更高的活动范围，从而有助于提高生产灵活性。该型工业机器人是一种高成本效益的灵活解决方案，可以用于多个机器或站点，而性能不受影响。这种自身具备的灵活性有助于快速方便地进行转换，能够提高正常运行时间。通过调整直线轴的长度和高度，该类型工业机器人的作业范围可以适用于各种不同的应用。机器臂可以安装在侧面或倒置安装，从而确保达到最大的工作范围。这是最为理想的灵活自动化。

二、研究的基本内容，拟解决的主要问题

我研究的基本内容是直线轴工业机器人，对其机械结构进行设计，并进行必要的计算以及完成直线轴工业机器人的三维造型设计和运动仿真，并完成设计图纸和部分零件图。直线轴工业机器人能完成物料搬运、动力传动系组装、重型弧焊等工作，具有很大的研究意义。

通过对文献[4][9][10][13]的阅读可知直线轴工业机器人面临着许多待解决的问题：

（1）有些直线轴工业机器人承载能力不强，这就使该类型机器人在某些工作领域受到限制。不仅如此，这还限制了机器人本身安装传感器，进而对机器人的功能改进有了一定的限制。所以，需要改进现有直线轴工业机器人的机械机构设计，使其能够承受更大的负载。

（2）该类型机器人工作时的位置精度和运动精度还达不到一些工作领域的要求。前者决定机器人能否符合精度要求进行工作，后者直接关系到机器人能否适应生产节拍的要求。要解决这一问题，应解决好机器人平稳工作这一基本问题。这就要求对其结构刚性和抗震性等方面进一步改进。

（3）直线轴工业机器人的机械本体体积很大，而且重量也随着适应各种工作而变大。这就在一些工作领域受到限制，进而使它的工作灵活性不能得到发挥。

这些问题都是本次设计中要重点考虑和解决的关键问题。

三、研究步骤、方法及措施

首先查阅文献资料，从文献资料中了解一些关于直线轴工业机器人的基本知识，确定研究方案。

然后按照给定的设计参数对研究方案进行机械结构设计，确定各零部件的尺寸形状，进行相关的设计计算，用CAXA制作直线轴工业机器人的装配图和部分零件图。

用Solidworks对零件进行设计造型，再将每个零件装配起来，利用仿真模块进行运动仿真，从而确认其工作特性是不是符合给定的设计参数。

设计思路：结合直架型和关节型工业机器人的结构特点来进行机械结构设计。

四、研究工作进度

第一阶段（第一周~第四周），查阅相关资料和阅读参考文献，了解国内外直线轴工业机器人的发展现状和趋势，明确研究方案的意义及其可行性，并且确定大体的机械结构，完成文献综述和开题报告，准备节点考核。

第二阶段（第五周~第十周），对研究方案进行机械结构的相关设计计算，通过校核选择电机并进行运动学分析，用CAXA绘制直线轴机器人设计装配图，翻译外文文献。

第三阶段（第十一周~第十四周），选择直线轴机器人的部分典型零件绘制零件图。

第四阶段（第十五周~第十六周），用Solidworks绘制机器人的三维实体零部件，并进行装配进而完成运动仿真模拟，着手准备设计说明书。

第五阶段（第十七周~第十八周），完成毕业设计说明书，准备答辩。

五、主要参考文献

[1] 顾振宇.全球工业机器人产业现状与趋势.机电一体化.2006，（2）

[2] 马香峰,余达太.工业机器人的操作机设计（1）.北京:冶金工业出版社,1996,1-10

[3] 赵臣,王刚.我国工业机器人产业.机器人技术与应用.2009,（2）

[4] 夏鲲,徐涛,李静锋.工业机器人的发展与应用研究.机械与电气.2008,(8)

[5] 王楠.小型工业机器人的设计状况与前景.机械与电气.2008,(3)

[6] 司震鹏,曹西京,姜小放.4自由度模块化机器人的设计.轻工机械.2009,27(4)

[7] 陈雪华,梁锡昌.基于模块化关节的机器人结构设计和运动学分析.现代制造工程.2005,（2）

[8] 李平.一种工业机器人新型末端执行器的研究与设计.设计与研究.2008,（12）

[9] 侯奎孝,易平.龙门机器人的研制.组合机床与自动化加工技术.1999,（2）

[10] 张君,朱海涛,谭定忠.十字龙门式机器人的研究.机械工程师.2007,（1）

[11] 熊建国.工业机器人的应用和发展趋势.科技天地.2009,（5）

[12] 原魁.工业机器人发展现状与趋势.工厂自动化.2007,（1）

[13] 石炜.工业机器人控制的稳定性研究.包钢科技.2007,33（2）

[14] Koji Yoshida,Khalil W.Verification of the positive definiteness of the inertial matrix of manipulators using base inertial parameters.Roborics Research.2000,(5):498-510.[15] B.Subudhi and A.S.Morris.Dynamic modeling,simulation and control of a manipulator with flexible link and joints.Robotics and

Autonomous Systems,2002,(41):257-270.[16] Garcia,E,J Estremera,and P.Gonzalezde Santos.A Compara-tive StudyofStabilityMargin for WalkingMachines.Robotica.2002,Vol 20.[17] L.Zhou,T.Lin,S.B.Chen.Autonomous Acquisition of Seam Coordinates for Arc Welding Robot Based on Visual Servoing[J].Journal of Intelligent and Robotic Systems,2006,47(3).[18] S.S.Ge,Y.J.Cui.Dynamic Motion Planning for Mobile Robots Using Potential Field Method[J].Autonomous Robots,2002,13(3).六、指导教师意见

同意

指导教师签字：

2010年03月22日

七、系级教学单位审核意见：

审查结果： □ 通过□ 完善后通过□ 未通过

负责人签字：

2010年03月22日

第二篇：工业机器人开题报告

工业机器人开题报告

一、选题的目的和意义：

工业机器人在工业生产中能代替人做某些单调、频繁和重复的长时间作业，或是危险、恶劣环境下的作业，例如在冲压、压力铸造、热处理、焊接、涂装、塑料制品成形、机械加工和简单装配等工序上，以及在原子能工业等部门中，完成对人体有害物料的搬运或工艺操作。广泛采用工业机器人，不仅可提高产品的质量与产量，而且可以保障人身安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料消耗以及降低生产成本。因此，研究和设计各种用途的机器人特别是工业机器人、推广机器人的应用是有现实意义的。由于工业机器人具有一定的通用性和适应性，能适应多品种中、小批量的生产，70年代起，常与数字控制机床结合在一起，成为柔性制造单元或柔性制造系统的组部分。

二、国内外研究综述：

20世纪50年代末，美国在机械手和操作机的基础上，采用伺服机构和自动控制等技术，研制出有通用性的独立的工业用自动操作装置，并将其称为工业机器人；60年代初，美国研制成功两种工业机器人，并很快地在工业生产中得到应用；1969年，美国通用汽车公司用21台工业机器人组成了焊接轿车车身的自动生产线。此后，各工业发达国家都很重视研制和应用工业机器人。我国工业机器人起步于70年代初期，经过20多年的发展，大致经历了3个阶段：70年代的萌芽期，80年代的开发期和90年代的适用化期。

我国工业机器人经过20多年的发展已经初具规模。目前我国已生产出部分机器人关键元器件，开发出弧焊、点焊、码垛、装配、搬运、注塑、冲压、喷漆等工业机器人。一批国产工业机器人已服务于国内诸多企业的生产线上；一批机器人技术的研究人才也涌现出来。一些相关科研机构和企业已掌握了工业机器人操作机的优化设计制造技术；工业机器人控制、驱动系统的硬件设计技术；机器人软件的设计和编程技术；运动学和轨迹规划技术；弧焊、点焊及大型机器人自动生产线与周边配套设备的开发和制备技术等。某些关键技术已达到或接近世界水平。

虽然中国的工业机器人产业在不断的进步中，但和国际同行相比，差距依旧明显。从市场占有率来说，更无法相提并论。工业机器人很多核心技术，目前我们尚未掌握，这是影响我国机器人产业发展的一个重要瓶颈。

在发达国家中，工业机器人自动化生产线成套设备已成为自动化装备的主流及未来的发展方向。国外汽车行业、电子电器行业、工程机械等行业已经大量使用工业机器人自动化生产线，以保证产品质量，提高生产效率，同时避免了大量的工伤事故。全球诸多国家近半个世纪的工业机器人的使用实践表明，工业机器人的普及是实现自动化生产，提高社会生产效率，推动企业和社会生产力发展的有效手段。

机器人技术是具有前瞻性、战略性的高技术领域。国际电气电子工程师协会IEEE的科学家在对未来科技发展方向进行预测中提出了4个重点发展方向，机器人技术就是其中之一。一个国家要引入高技术并将其转移为产业技术（产业化），必须具备5个要素即5M:Machine/Materials/Manpower/Management/Market。广泛使用机器人是实现工业自动化，提高社会生产效率的一种十分重要的途径。我国正在努力发展工业机器人产业，引进国外技术和设备，培养人才，打开市场。

三、毕业设计（论文）所用的主要技术与方法：

在本次设计中，拟应用到的文献涉及机械原理机械设计类，机械绘图类，机械工程控制类，机械工程材料和力学以及工业机器人或工业机器人手臂相关的资料，在设计过程中这些材料可以首先帮我们从整体上了解与机器人手臂相关的技术以及现在国内外的发展趋势；其次，利用这些资料，可以在设计过程中进行合理的结构分析和设计方案的初步制定；最后，机器人手臂设计过程中的所需材料的选择，设计与校核计算，运动过程的控制以及其他的注意事项，都可以在相关文献资料中得到一些指导与帮助。

机器人本体由机座、腰部、大臂、小臂、手腕、末端执行器和驱动装置组成。共有六个自由度，依次为腰部回转、大臂俯仰、小臂俯仰、手腕回转、手腕俯仰、手腕侧摆。机器人采用电动机驱动。这种驱动方式具有结构简单、易于控制、使用维修方便、不污染环境等优点，这也是现代机器人应用最多的驱动方式。为实现机器人灵活自由地移动，驱动系统使用了蓄电池供电。电动机可以选择步进电机或直流伺服电机。使用直流伺服电机能构成闭环控制，精度高，额定转速高，但价格较高，而步进电机驱动具有成本低，控制系统简单的优点。确定这种机器人的6 个关节都采用步进电驱动，开环控制。各部件组成和功能描述如下：(1)底座部件： 底座部件包括底座、回转部件、传动部件和步进电机等。底座部件固定在自动引导车（AGV）上，支持整个操作机，步进电机固定在底座上，一级同步带传动将运动传递到腰部回转轴，同时起到减速作用。2)腰部回转部件： 腰部回转部件包括腰部支架、回转轴、支架、谐波减速器和步进电机、制动器等。作用是支承大臂部件，并完成腰部回转运动。在腰部支上固定着驱动大臂俯仰和小臂俯仰的电机。(3)大臂部件：包括大臂和传动部件。(4)小臂部件：包括小臂、减速齿轮箱、传动部件、传动轴等，在小臂前端（靠近大臂的一端）固定驱动手腕三个运动的步进电机(5)手腕部件：包括手腕壳体、传动齿轮和传动轴、机械接口等(6)末端执行器： 为抓取不同形状、不同材质的物体，末端执行器设计得开合范围比较大，为 0～100mm。考虑在指尖的平面上贴传器片，进行力的控制。

四、主要参考文献与资料获得情况：

[1].孟庆鑫、王晓东.《机器人技术基础》.哈尔滨工业大学出版社，2006.[2].董华梁、彭文生.《机械设计基础》.高等教育出版社，2007.[3].周伯英.《工业机械人设计》.机械工业出版社，1995 [4].郑堤、唐可洪.《机电一体化设计基础》.机械工业出版社，1997 [5].张铁、谢存禧.《机械人学》.华南理工大学出版社，2004 [6].曲兴华.《仪器制造技术》.机械工业出版社，2010 [7].柳晖.《互换性与技术测量基础》.华东理工大学出版社，2006 [8].沈鸿.《机械工程手册》.机械工业出版社，1983

五、毕业设计（论文）进度安排（按周说明）第5-6周 收集并整理相关资料

第7-8周 研究资料、编写开题报告

第9-10周 完成毕业设计论文的初稿

第11-12周 根据指导教师意见，修改和完善论文 第13-14周 进一步完善论文，定稿并装订成册 第15-17周 准备毕业答辩，提交论文

第三篇：工业机器人调研报告

调研报告

一、本课题的来源及意义

本课题研究的是直角坐标电力控制机械手升降、伸缩部分的设计。机械手是机器人的一个重要组成部分，它是随着机器人技术和传感器技术的不断成熟而不断发展的。而机器人在现代生产中应用日益广泛，作用越来越重要，工业机械手尤其如此，因此设计实用高效的机械手对于机械设计者来说是个富有意义和挑战的课题。

通常机械手由多自由度机械臂和末端夹持器组成。机械手通过多自由度机械臂的姿态调整和末端夹持器的动作完成操作任务。球坐标机械手突出特点是具有较强的机动性、灵活性，机构承载能力强，具有较好的通用性，重复定位精度高，动作速度快，能够成功的应用于包装、上下料以及工业生产等广泛领域；而电力控制中步进电机可直接实现数字控制，控制结构简单，控制性能好，通常不需要反馈就能对位置和速度进行控制，位置误差不会累积；在机器人中，机械手起着连接和承受外力的作用，机械臂需要承受物料的重量和手部、手腕、手臂自身的重量，其结构、工作范围、灵活性以及抓重大小、定位精度等对机械手性能影响很大。综上所述，设计球坐标步进电机驱动的机械手是个很有意义的课题。

二、国内外发展状况

专用机械手经过几十年的发展，如今已进入以通用机械手为标志的年代。通用机械手的应用和发展又促进了智能机器人的研制。智能机器人涉及的知识内容不仅包括一般的机械、液压、气动等基础知识，而且还应用了一些电子技术、电视技术、通信技术、计算技术无线电控制、仿生学和假肢工艺等，因此它是一项综合性较强的新技术。目前国内外对发展这一新技术都很重视。几十年来，这项技术的研究和发展一直比较活跃，设计在不断修改，品种在不断增加，应用领域也在不断扩大。

早在20世纪40年代，随着原子能工业的发展，以出现了模拟关节式的第一代机械手。50~60年代即制成了传送和装卸工件的通用机械手和数控示教再现型机械手。这种机械手也称第二代机械手。

1968～1970年，又相继把通用机械手用于汽车车身的点焊和冲压生产自动线上，使第二代机械手这一新技术进入了应用阶段，70年代机械手可以说是处于技术发展阶段。

80年代以来，国际机械手的发展速度平均保持在25%～30%的年增长率（其中1986、1987、1993、1994年略低，无增长）。如此高的增长率有其深刻的社

会背景。首先，60年代末70年代初，由于世界石油价格的冲击，国际竞争加剧，产品更新换代的速度也越来越快，致使30年代～50年代逐步建立起来的单一产品的大规模生产流水线上遇上了在改变产品品种是，原有的单一产品专用生产装置改变的困难（时间、投资、停产等）以及如何实现多品种、中小批量或混流生产的自动化难题。为此，“柔性生产”的概念及其试验性的设计就诞生了。这些因素都促进了机械手的高速发展。

我国机械手起步较晚,经过30多年的发展。我国机器手的研究，有了长足的发展，有的方面已达到了世界先进水平。但与先进的国家相比，还有很大距离，从总体上看，我国机器手的研究仍然任重道远。

三、本课题研究目标和内容 本文研究的直角坐标电液控制机械手升降伸缩部分的设计，包括机械结构方案的确定，电动机控制系统的确定（设计选型和校核），编制PLC梯形图，绘制I/O端子接线图，控制系统原理图，驱动电路原理图，升降及伸缩机构零件图和装配图。（任务量为3张零号图纸）目标是希望通过本课题，能巩固和加强专业基本理论知识，理解机械手的功能、组成及工作原理，研究步进电机的性能，熟悉以PLC为核心的编程与控制装置应具备的基本功能，掌握整个机电一体会系统的设计思想和具体方法；同时训练专业基本技能，提高自己查阅资料，独立分析问题和解决问题的能力，为以后深造研究打下良好基础。

四、本课题研究的方法和手段 研究方法：主要是搜索相关文献，包括图书馆电子资源CNKI学术网络总库，Springer link电子期刊，专业图书上课笔记，以及机器人等期刊，网上的豆丁网以及百度文库中的许多论文和专利；通过对已有产品的分析，对信息进行分类和整理，作为依据，确定在我的机械手设计中相应的参数，并对其进行改进和提高。研究手段：首先是前期准备，收集相关资料，查阅中外文献，请教老师和同学；同时学习使用AutoCAD软件。然后进行机械手的总体设计包括机械手俯仰伸缩机械结构方案的确定，机械传动部分的结构，继而进行电力驱动部分选型和计算，分析工艺流程，绘制PLC的端子接线图和控制图，最后编写论文。努力在老师的指导下，定期完成工作任务。

五、本课题可行性分析和已具备的实验条件

已具备的条件：

我国的机器人研究始于70年代。经过近20年努力，特别是经过“七11.”攻关、“ 863”计划，取得了一批重要成果，已经系统掌握了机器人控制系统硬件设计、软件设计、机器人语言等技术。就全国来说，目前我国机器人研究开发工作做得较好的地区是:以中科院沈阳自动化研究所为首的东北地区机器人工程中心，以机电部广州机床所为龙头的华南地区的机器人工程中心。而各工程中心_L作的侧重点又有所不同:东北地区以特种机器人、水下机器人开发为L,华北地区以喷漆Y1lt人、焊接机器人开发为主，华东地区以搬运机器人、装配机器人、移动机器人开发为主。

我国的高等院校，如长沙国防科技大学、上海交通大学、北京航空航天大学、哈尔滨工业大学等在步行机器人、精密装配机器人及7自由度机器人研制等前沿领域内也做出了可喜的成绩，有了相当的基础。

通过调研，我知道直角坐标型机器人能够在空间中的任意两点距离中移动，所以能够抓取离地面较高，或者中间有障碍的工件，其位置精度高，位置误差与臂长成正比等。为了在X轴和Y轴的自由移动，可以滚珠丝杠与螺母相连接完成旋转便直线的运动，通过行星齿轮减速机可以使机器人运转更稳使控制更精确。通过交流伺服电机的闭环反馈能达到相当高的精度要求。

该机械手的基本技术参数如下： 水平横梁：3500mm,50mm/s 竖直大臂：1500mm,50mm/s 负载重量：200Kg；

驱动方式：交流伺服电机驱动 样式如图1-1

图1-1 直角坐标机械手

六、进度安排

第一周：获得设计题目，制定毕业设计进度计划；查阅相关资料；着手进行外文

翻译。

第二周：通过实地调查研究和查阅相关资料，完成实习（调研）报告；完成外文翻译，并对其进行完善。

第三周：对机械手相关知识，软件进行学习和准备工作。第四周：选定传动机构，确定机械手整体机械结构部分。第五周：计算选定结构的参数和精度，并着手画AutoCAD图。第六周：确定具体的细节结构，着手画装配图。

第七周：对相关的电机进行选型，查阅在实际中能买到的型号。第八周：对机械部分进行计算校核。第九周：PLC选型。

第十周：对机械手控制部分，分析动作顺利，画梯形图。第十一周：对控制部分进行整理。第十二周：编写设计计算说明书1份。

第十三周：整理毕业设计材料，对其进行完善、补充；准备毕业设计答辩。第十四周：进行毕业设计答辩。

七、主要参考文献

[1] 胡玉睿.机械手原理[M].北京：中央广播电视大学出版社，2004 [2] 王承义.机械手及其应用[M].北京：机械工业出版社.1981 [3] 孙志礼等主编.机械设计[M].沈阳：东北大学出版社.2000 [4] 巩云鹏等主编.机械设计课程设计[M].沈阳：东北大学出版社.2000 [5] 蔡春源.机电液设计手册（上）[M].北京：机械工业出版社.1997 [6] 蔡春源.机电液设计手册（下）[M].北京：机械工业出版社.1997 [7] 赵松年.机电一体化系统设计[M].北京：机械工业出版社.2004 [8] 吴中俊 黄永红.可编程控制器原理及应用[M].北京：机械工业出版社.2004 [9] 喻子建等主编.机械设计习题与解题分析[M].沈阳：东北大学出版社.2000 [10]郝桐生.理论力学[M].北京：高等教育出版社.2003 [11] 吴玉香.S7-200PLC集成脉冲输出功能的应用[J].机电工程，2000，17（5）：33-34 [12] 刘涛等.基于S7-200PLC的三维机械手控制设计[J].科技广场，2011.9：180-182 [13] 西门子.S7-200可编程序控制器系统手册.[M].2008.8 [14] 王丰等.利用可编程控制器实现步进电动机控制.[J]微机电，2008，41（9）：87-89

[15] Yoshihiko Nomura ,Yuki Yagi , Tokuhiro Sugiura ,et al.A fingertip guiding manipulator for mental image creation of multi-stroke drawings[J].Microsyst Technol,2007,13:905-910

第四篇：调研报告(工业机器人)

大连交通大学信息工程学院2011届本科生毕业设计（论文）实习（调研）报告

调研报告工业机器人的概念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。工业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一种机器。它可以接受人类指挥，也可以按照预先编排的程序运行，现代的工业机器人还可以根据人工智能技术制定的原则纲领行动。工业机器人展现状与前景展望 2.1工业机器人的发展简史

1920年捷克作家卡雷尔·查培克在其剧本《罗萨姆的万能机器人》中最早使用机器人一词，剧中机器人“Robot”这个词的本意是苦力，即剧作家笔下的一个具有人的外表，特征和功能的机器，是一种人造的劳力。它是最早的工业机器人设想。

20世纪40年代中后期，机器人的研究与发明得到了更多人的关心与关注。50年代以后，美国橡树岭国家实验室开始研究能搬运核原料的遥控操纵机械手，如图0.2所示，这是一种主从型控制系统，主机械手的运动。系统中加入力反馈，可使操作者获知施加力的大小，主从机械手之间有防护墙隔开，操作者可通过观察窗或闭路电视对从机械手操作机进行有效的监视，主从机械手系统的出现为机器人的产生为近代机器人的设计与制造作了铺垫。

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。1959年第一台工业机器人在美国诞生，开创了机器人发展的新纪元。

2.2工业机器人的特点

戴沃尔提出的工业机器人有以下特点:将数控机床的伺服轴与遥控操纵器的连杆机构联接在一起，预先设定的机械手动作经编程输入后，系统就可以离开人的辅助而独立运行。这种机器人还可以接受示教而完成各种简单的重复动作，示教过程中，机械手可依次通过工作任务的各个位置，这些位置序列全部记录在存储器内，任务的执行过程中，机器人的各个关节在伺服驱动下依次再现上述位置，故这种机器人的主要技术功能被称为“可编程”和“示教再现”。

1962年美国推出的一些工业机器人的控制方式与数控机床大致相似，但外形主要由类似人的手和臂组成。后来，出现了具有视觉传感器的、能识别与定位的工业机器人系统。

当今工业机器人技术正逐渐向着具有行走能力、具有多种感知能力、具有较强的对作业环境的自适应能力的方向发展。目前，对全球机器人技术的发展最有影响的国家是美国和日本。美国在工业机器人技术的综合研究水平上仍处于领先地位，而日本生产的工业机器人在数量、种类方面则居世界首位。

2.3工业机器人的构造与分类工业机器人由主体、驱动系统和控制系统三个基本部分组成。主体即机座和执行机构，包括臂部、腕部和手部，有的机器人还有行走机构。大多数工业机器人有3～6个运动自由度，其中腕部通常有1～3个运动自由度；驱动系统包括动力装置和传动机构，用以使执行机构产生相应的动作；控制系统是按照输入的程序对驱动系统和执行机构发出指令信号，并进行控制。

工业机器人按臂部的运动形式分为四种。直角坐标型的臂部可沿三个直角坐标移动；圆柱坐标型的臂部可作升降、回转和伸缩动作；球坐标型的臂部能回转、俯仰和伸缩；关节型的臂部有多个转动关节。

工业机器人按执行机构运动的控制机能，又可分点位型和连续轨迹型。点位型只控制执行机构由一点到另一点的准确定位，适用于机床上下料、点焊和一般搬运、装卸等作业；连续轨迹型可控制执行机构按给定轨迹运动，适用于连续焊接和涂装等作业。

工业机器人按程序输入方式区分有编程输入型和示教输入型两类。编程输入型是将计算机上已编好的作业程序文件，通过RS232串口或者以太网等通信方式传送到机器人控制柜。

示教输入型的示教方法有两种：一种是由操作者用手动控制器(示教操纵盒)，将指令信号传给驱动系统，使执行机构按要求的动作顺序和运动轨迹操演一遍；另一种是由操作者直接领动执行机构，按要求的动作顺序和运动轨迹操演一遍。在示教过程的同时，工作程序的信息即自动存入程序存储器中在机器人自动工作时，控制系统从程序存储器中检出相应信息，将指令信号传给驱动机构，使执行机构再现示教的各种动作。示教输入程序的工业机器人称为示教再现型工业机器人。

具有触觉、力觉或简单的视觉的工业机器人，能在较为复杂的环境下工作；如具有识别功能或更进一步增加自适应、自学习功能，即成为智能型工业机器人。它能按照人给的“宏指令”自选或自编程序去适应环境，并自动完成更为复杂的工作。

2.3.1 点焊机器人

焊接机器人具有性能稳定、工作空间大、运动速度快和负荷能力强等特点，焊接质量明显优于人工焊接，大大提高了点焊作业的生产率。

点焊机器人主要用于汽车整车的焊接工作，生产过程由各大汽车主机厂负责完成。国际工业机器人企业凭借与各大汽车企业的长期合作关系，向各大型汽车

生产企业提供各类点焊机器人单元产品并以焊接机器人与整车生产线配套形式进入中国，在该领域占据市场主导地位。

随着汽车工业的发展，焊接生产线要求焊钳一体化，重量越来越大，165公斤点焊机器人是目前汽车焊接中最常用的一种机器人。2008年9月，机器人研究所研制完成国内首台165公斤级点焊机器人，并成功应用于奇瑞汽车焊接车间。2009年9月，经过优化和性能提升的第二台机器人完成并顺利通过验收，该机器人整体技术指标已经达到国外同类机器人水平。

2.3.2弧焊机器人

弧焊机器人主要应用于各类汽车零部件的焊接生产。在该领域，国际大型工业机器人生产企业主要以向成套装备供应商提供单元产品为主。本公司主要从事弧焊机器人成套装备的生产，根据各类项目的不同需求，自行生产成套装备中的机器人单元产品，也可向大型工业机器人企业采购并组成各类弧焊机器人成套装备。在该领域，本公司与国际大型工业机器人生产企业既是竞争亦是合作关系。关键技术包括：

(1)弧焊机器人系统优化集成技术：弧焊机器人采用交流伺服驱动技术以及高精度、高刚性的RV减速机和谐波减速器，具有良好的低速稳定性和高速动态响应，并可实现免维护功能。

(2)协调控制技术：控制多机器人及变位机协调运动，既能保持焊枪和工件的相对姿态以满足焊接工艺的要求，又能避免焊枪和工件的碰撞。

(3)精确焊缝轨迹跟踪技术：结合激光传感器和视觉传感器离线工作方式的优点，采用激光传感器实现焊接过程中的焊缝跟踪，提升焊接机器人对复杂工件进行焊接的柔性和适应性，结合视觉传感器离线观察获得焊缝跟踪的残余偏差，基于偏差统计获得补偿数据并进行机器人运动轨迹的修正，在各种工况下都能获得最佳的焊接质量。

2.3.3激光加工机器人

激光加工机器人是将机器人技术应用于激光加工中，通过高精度工业机器人实现更加柔性的激光加工作业。本系统通过示教盒进行在线操作，也可通过离线方式进行编程。该系统通过对加工工件的自动检测，产生加工件的模型，继而生成加工曲线，也可以利用CAD数据直接加工。可用于工件的激光表面处理、打孔、焊接和模具修复等。

关键技术包括：

(1)激光加工机器人结构优化设计技术：采用大范围框架式本体结构，在增大作业范围的同时，保证机器人精度；

(2)机器人系统的误差补偿技术：针对一体化加工机器人工作空间大，精度高等要求，并结合其结构特点，采取非模型方法与基于模型方法相结合的混合机器人补偿方法，完成了几何参数误差和非几何参数误差的补偿。

(3)高精度机器人检测技术：将三坐标测量技术和机器人技术相结合，实现了机器人高精度在线测量。

(4)激光加工机器人专用语言实现技术：根据激光加工及机器人作业特点，完成激光加工机器人专用语言。

(5)网络通讯和离线编程技术：具有串口、CAN等网络通讯功能，实现对机器人生产线的监控和管理；并实现上位机对机器人的离线编程控制。

2.3.4真空机器人真空机器人是一种在真空环境下工作的机器人，主要应用于半导体工业中，实现晶圆在真空腔室内的传输。真空机械手难进口、受限制、用量大、通用性强，其成为制约了半导体装备整机的研发进度和整机产品竞争力的关键部件。而且国外对中国买家严加审查，归属于禁运产品目录，真空机械手已成为严重制约我国半导体设备整机装备制造的“卡脖子”问题。直驱型真空机器人技术属于原始创新技术。

关键技术包括：

(1)真空机器人新构型设计技术：通过结构分析和优化设计，避开国际专利，设计新构型满足真空机器人对刚度和伸缩比的要求；

(2)大间隙真空直驱电机技术：涉及大间隙真空直接驱动电机和高洁净直驱电机开展电机理论分析、结构设计、制作工艺、电机材料表面处理、低速大转矩控制、小型多轴驱动器等方面。

(3)真空环境下的多轴精密轴系的设计。采用轴在轴中的设计方法，减小轴之间的不同心以及惯量不对称的问题。

(4)动态轨迹修正技术：通过传感器信息和机器人运动信息的融合，检测出晶圆与手指之间基准位置之间的偏移，通过动态修正运动轨迹，保证机器人准确地将晶圆从真空腔室中的一个工位传送到另一个工位。

(5)符合SEMI标准的真空机器人语言：根据真空机器人搬运要求、机器人作业特点及SEMI标准，完成真空机器人专用语言。

(6)可靠性系统工程技术：在IC制造中，设备故障会带来巨大的损失。根据半导体设备对MCBF的高要求，对各个部件的可靠性进行测试、评价和控制，提高机械手各个部件的可靠性，从而保证机械手满足IC制造的高要求。

2.3.5洁净机器人

洁净机器人是一种在洁净环境中使用的工业机器人。随着生产技术水平不断提高，其对生产环境的要求也日益苛刻，很多现代工业产品生产都要求在洁净环境进行，洁净机器人是洁净环境下生产需要的关键设备。

关键技术包括：

(1)洁净润滑技术：通过采用负压抑尘结构和非挥发性润滑脂，实现对环境无颗粒污染，满足洁净要求。

(2)高速平稳控制技术：通过轨迹优化和提高关节伺服性能，实现洁净搬运的平稳性。

(3)控制器的小型化技术：根据洁净室建造和运营成本高，通过控制器小型化技术减小洁净机器人的占用空间。

(4)晶圆检测技术：通过光学传感器，能够通过机器人的扫描，获得卡匣中晶圆有无缺片、倾斜等信息。

2.4工业机器人的应用

工业机器人在工业生产中能代替人做某些单调、频繁和重复的长时间作业，或是危险、恶劣环境下的作业，例如在冲压、压力铸造、热处理、焊接、涂装、塑料制品成形、机械加工和简单装配等工序上，以及在原子能工业等部门中，完成对人体有害物料的搬运或工艺操作。20世纪50年代末，美国在机械手和操作机的基础上，采用伺服机构和自动控制等技术，研制出有通用性的独立的工业用自动操作装置，并将其称为工业机器人；60年代初，美国研制成功两种工业机器人，并很快地在工业生产中得到应用；1969年，美国通用汽车公司用21台工业机器人组成了焊接轿车车身的自动生产线。此后，各工业发达国家都很重视研制和应用工业机器人。由于工业机器人具有一定的通用性和适应性，能适应多品种中、小批量的生产，70年代起，常与数字控制机床结合在一起，成为柔性制造单元或柔性制造系统的组成部分。

2.5工业机器人的发展前景

在发达国家中，工业机器人自动化生产线成套设备已成为自动化装备的主流机器人发展前景及未来的发展方向。国外汽车行业、电子电器行业、工程机械等行业已经大量使用工业机器人自动化生产线，以保证产品质量，提高生产效率，同时避免了大量的工伤事故。全球诸多国家近半个世纪的工业机器人的使用实践表明，工业机器人的普及是实现自动化生产，提高社会生产效率，推动企业和社会生产力发展的有效手段。机器人技术是具有前瞻性、战略性的高技术领域。国际电气电子工程师协会IEEE的科学家在对未来科技发展方向进行预测中提出了4个重点发展方向，机器人技术就是其中之一。1990年10月，国际机器人工业人士在丹麦首都哥本哈根召开了一次工业机器人国际标准大会，并在这次大会上通过了一个文件，把工业机器人分为四类：⑴顺序型。这类机器人拥有规定的程序动作控制系统；⑵沿轨迹作业型。这类机器人执行某种移动作业，如焊接。喷漆等；⑶远距作业型。比如在月球上自动工作的机器人；⑷智能型。这类机器人具有感知、适应及思维和人机通信机能。日本工业机器人产业早在上世纪90年代就已经普及了第一和第二类工业机器人，并达到了其工业机器人发展史的鼎盛时期。而今已在第发展三、四类工业机器人的路上取得了举世瞩目的成就。日本下一代机器人发展重点有：低成本技术、高速化技术、小型和轻量化技术、提高可靠性技术、计算机控制技术、网络化技术、高精度化技术、视觉和触觉等传感器技术等。根据日本政府2007年指定的一份计划，日本2050年工业机器人产业规模将达到1.4兆日元，拥有百万工业机器人。按照一个工业机器人等价于10个劳动力的标准，百万工业机器人相当于千万劳动力，是目前日本全部劳动人口的15%。我国工业机器人起步于70年代初，其发展过程大致可分为三个阶段：70年代的萌芽期；80年代的开发期；90年代的实用化期。而今经过20多年的发展已经初具规模。目前我国已生产出部分机器人关键元器件，开发出弧焊、点焊、码垛、装配、搬运、注塑、冲压、喷漆等工业机器人。一批国产工业机器人已服务于国内诸多企业的生产线上；一批机器人技术的研究人才也涌现出来。一些相关科研机构和企业已掌握了工业机器人操作机的优化设计制造技术；工业机器人控制、驱动系统的硬件设计技术；机器人软件的设计和编程技术；运动学和轨迹规划技术；弧焊、点焊及大型机器人自动生产线与周边配套设备的开发和制备技术等。某些关键技术已达到或接近世界水平。一个国家要引入高技术并将其转移为产业技术（产业化），必须具备5个要素即5M: Machine/Materials/Manpower/Management/Market。和有着“机器人王国”之称的日本相比，我国有着截然不同的基本国情，那就是人口多，劳动力过剩。刺激日本发展工业机器人的根本动力就在于要解决劳动力严重短缺的问题。所以，我国工业机器人起步晚发展缓。但是正如前所述，广泛使用机器人是实现工业自动化，提高社会生产效率的一种十分重要的途径。我国正在努力发展工业机器人产业，引进国外技术和设备，培养人才，打开市场。日本工业机器人产业的辉煌得益于本国政府的鼓励政策，我国在十一五纲要中也体现出了对发展工业机器人的大力支持。

3结束语

工业机器人是机械科学技术的一个分支，它的发展需要机械及其他门类学科的发展来推动，它的发展也能推动工业系统的整体发展。它有其独特的优势与劣势，和其他技术一样，需要不断地设计应用修改和完善。

4参考文献

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Proceedings of The 6th

第五篇：工业机器人读书报告

工业机器人读书报告

今天刚好没什么事，于是就应老师的要求把我们《工业机器人》这本书老师让我们自己课后看的第二章认真看了一遍。

《工业机器人》第二章讲的是工业机器人机械系统的设计。这本书主要是从以下6个方面来讲的：1.工业机器人总体设计；2.驱动机构；3.机身和臂部设计；4.腕部设计；5.手部设计；6.行走机构设计。

在2.1中，书中主要给我们讲了一下工业机器人的总体设计思路。机器人总体设计一般分为系统分析和技术设计两大步骤。其中系统分析主要分为以下几步：1.根据使用场合，确定机器人的目的和任务；2.分析机器人所在系统的工作环境，包括机器人与已有设备的兼容性；3.分析系统的工作要求，确定机器人的基本功能和方案，准备做技术设计；4.进行必要的调查研究，搜集国内外的有关资料，进行综合分析，找出可供借鉴之处，以及别人的经验教训。技术设计主要有以下几个过程：1.确定机器人的基本参数（自由度数目、工作范围、承载能力、运动速度、定位精度等）；2.确定机器人的运动形式；3.拟定检测传感系统框图；4.确定控制系统总体方案，绘制框图；5.机械结构设计。

在2.2中，书中给我讲了一下机器人的驱动机构。首先它给我们分析了一下液压、气压和电气这三种驱动方式的优缺点，其中液压驱动的优点是：1.体积小，可以获得较大的推力和转矩；2.介质的可压缩性小，系统工作稳定可靠，精度高；3.容易实现对力、速度、方向的自动控制；4.油液介质使系统具有防锈蚀和自润滑性能。缺点是：1.油液的黏度受温度影响，影响工作性能；2.液体泄漏难以克服，要求液压元件制造精度高；3.需要提供相应的供油系统和严格的滤油装置。气压驱动的优点是：1.压缩空气黏度小，容易达到高速（1m/s)；2.工厂一般都自有空气压缩机站，可提供压缩空气，不必再额外的添加动力设备，而且空气介质对环境无污染，使用安全；3.气动元件工作压力低，因此制造要求也低一些，价格低廉；4.空气具有压缩性，是系统能够实现过载自动保护。缺点是：1.压缩空气一般为0.4~0.6Mpa，要想获得较大的压力，结构就要增大；2.空气具有压缩性，工作平稳性差，速度控制困难，要实现准确的位置控制更困难；3.压缩空气排水比较麻烦；4.排气造成噪音污染。电气驱动的特点是：1.步进电机：多为开环控制，简单，功率较小，多用于低精度、小功率的机器人；2.直流伺服电机：易于控制，有较理想的机械特性，但其电刷易磨损，易形成火花；3.交流伺服电机：结构简单，运行可靠，可以频繁的启动、制动。交流伺服电机和直流伺服电机相比：没有电刷等易磨损部件，外形尺寸小，能在重载下高速运行，加速性能好，能实现动态控制和平滑运动，但控制较复杂。其次它把驱动机构分为了直线驱动机构和旋转驱动机构，然后分别深入地给我们讲解了这两种机构。其中直线驱动可以直接由气缸或液压缸和活塞产生，也可以采用齿轮齿条、丝杠、螺母等传动元件由旋转运动转换而得到。旋转驱动主要有齿轮链驱动、同步带传动装置驱动、谐波齿轮驱动、摆线针轮传动减速器驱动。

在2.3中，书中主要给我们介绍了一下机身和臂部设计，这一节主要是从三方面来给我们讲的：首先是给我们介绍了一下机身设计过程，书中给我们介绍了几种机身的典型机构，并给我们讲了一下机身驱动力和力矩的计算，还给我们列举了一些设计机身时要注意的问题；其次给我们讲了一下机器人的臂部设计，它是先给我们介绍了一下臂部设计的基本要求，再给我们介绍了一些手臂的常用机构；最后还给我们举了一个MOTOMAN SV3机器人的机身与臂部的例子。机身设计要注意以下问题：1.要有足够的刚度和稳定性；2.运动要灵活，升降运动的导套长度不宜过短，避免发生卡死现象，一般要有导向装置；3.结构布置要合理。通常工业机器人的机身具有具有回转、升降、回转与升降、回转与俯仰、回转与升降及俯仰等5种运动方式，采用哪一种方式由工业机器人的总体设计来确定。机身驱动力和力矩的计算主要分为三种：1.垂直升降运动的驱动力的计算：作垂直运动时，除克服摩擦力之外，还要克服机身自身运动部件的重力和其承受的手臂、手腕、手部、工件等总重力以及升降运动的全部部件的惯性力，因此其驱动力的计算如下：

；2.回转运动的驱动力矩的计算：作回转运动时，驱动力矩只包括两项：回转部件的摩擦总力矩；机身自身运动部件和其携带的手臂、手腕、手部、工件等总惯性力矩，因此，其驱动力矩计算方法为：中，其

。3.升降立柱下降过程不卡死的条件计算偏重力矩是指臂部全部零部件与工件的总重量对机身立柱轴的静力矩。当手臂在最大行程位置时，偏重力矩最大，因此，偏重力矩按悬伸最大行程，最大抓重时进行计算。手臂在总重量G的作用下，产生偏重力矩，导致立柱倾斜。如果偏重力矩过大，并且导套设计不合理（导套长度不够），立柱在导套中有卡住现象，这时，机身的升降驱动力必须增大，相应驱动及传动装置结构就庞大。如果机身下降靠重力的话，则可能立柱被卡死在导套内而不能作下降运动，这就是自锁。因此必须根据偏重力矩的大小决定立柱导套的长度。要使立柱在导套内自由下降，则臂部总重量必须大于导套与立柱之间的摩擦力，这就是升降立柱靠自重下降而不卡死的条件：在2.4中，书中给我们讲的是机器人的腕部设计。这一节主要是从腕部的作用于自由度和机器人的手腕分类这两个方面给我们讲解

了一下，并给我们举了一个MOTOMAN SV3机器人的手腕机构的例子，还给我们分析了一下六自由度关节型机器人的关节布置与机构特点。工业机器人的腕部是连接手部和臂部的部件，起支承手部的作用，手腕上的自由度主要是使手部（末端操作器）达到目标位置和处于期望的姿态。为了使手部能处于空间任意方向，要求腕部能实现对空间三个坐标轴X、Y、Z的转动，即具有翻转、俯仰、偏转三个自由度，如下图所示。一般将手腕的翻转称为Roll，用R表示；将手腕的俯仰称为Pitch，用P表示；将手腕的偏转称为Yaw，用Y表示，图（d）所示的手腕即可实现RPY运动。机器人的手腕分类主要有以下两种方法：1.按自由度数目来分类：可分为单自由度手腕、两自由度手腕、三自由度手腕。2.按驱动方式分类：可分为直接驱动手腕、远距离传动手腕。在2.5这一节，书中主要是从机器人手部的特点和手部的分类这两个方面给我们着重介绍了一下机器人的手部设计。工业机器人的手部也称末端操作器，是装在工业机器人手腕上直接抓握工件或执行作业的部件。工业机器人手部的特点有：1.手部与手腕相连处可拆卸。手部与手腕有机械接口，也可能有电、气、液接头，当作业对象不同时，可以方便地拆除和更换手部；2.手部是工业机器人末端操作器，它可以是像人手那样具有手指，也可以不具备手指，直接就是进行专业作业的工具。3.手部的通用性比较差，手部属于专用的装置，一只手爪往往只能抓握一种或几种在形状、尺寸、重量等方面近似的工件；一种工具只能执行一种作业任务；4.手部是一个独立的部件。手部的分类主要有以下几种方法：1.按用途分类：可分为手爪、工具。2.按夹持原理分类：可分为机械类、磁力类、真空类。3.按手指或洗盘数目分类：可分为两指手爪、多指手爪。4.按智能化分类：可分为普通手爪、智能手爪。

2.6这一节，书中主要给我们着重介绍了一下车轮式行走机构和履带式行走机构、步行机构，并简单介绍了一下其他行走机构。机器人可分为固定机器人和行走机器人，一般的工业机器人都是固定式的，随着科学技术的发展，行走机器人的应用也越来越多。行走机构是行走机器人的重要执行部件，它由行走的驱动装置、传动机构、位置检测元件、传感器、电缆以及管路组成。一方面它支承机器人的机身、臂部、腕部。手部、工件，另一方面还根据工作任务的要求，带动机器人实现在广阔的空间内运动。行走机构按其行走运动轨迹可分为固定轨迹式和无固定轨迹式。固定轨迹式行走机构主要用于工业机器人，无固定轨迹式主要有轮式、履带式、步行式。

这一章看起来比较简单，涉及到的计算也不多，但真正想把它搞透彻还是需要一点时间的，我是花了整整一下午才把它理解得差不多。