轮式机器人调研报告

第一篇：轮式机器人调研报告

轮式机器人调研报告

摘要：机器人是一种自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。在机器人中，轮式机器人的应用十分广泛，在各个领域都出现了轮式机器人的身影。由于应用广泛，人们对其的研究和思考从未间断。

关键词：定义 构成 分类 控制 机构 应用

正文：

一、定义

随着社会发展和科技进步，机器人在生产生活中得到越来越多的应用，其中，工业机器人大多都是机械臂使固定机器人。而还有很多机器人可以根据人们的需要按照预订路径进行移动，这类机器人即为移动机器人其移动机构又分为轮式、履带式、腿式、跳跃式和复合式。每种机器人都有其特定的制造方式和功能。其中，轮式机器人，既以驱动轮子来带动机器人进行移动和工作的机器人。虽然其运动稳定性与路面的路况有很大关系，但是由于其具有自重轻、承载大、机构简单、驱动和控制相对方便、行走速度快、工作效率高等特点，从而被广泛应用。

二、轮式机器人的分类

由于轮子的多少，直接关系到机器人设计的技术和难度，以及其功用。所以轮式机器人的分类一般都是根据其轮子多少进行分类。按照已经出现的机器人，可以分为如下几类：单轮滚动机器人（如球形机器人）、两轮移动机器人在（如自行车机器人）、三、四轮机器人（如智能车）、六轮机器人和复合机器人。一般而言，三轮机器人简单实用，四轮机器人稳定性好，承载能力大，而相比之下，六轮机器人比四轮机器人更为优越。

三、轮式机器人研究的几个重要方面

机器人是一种高自动化的高科技产品，它的诞生，是各个学科交叉应用的结果。如今，研制一种机器人就需要从各个科学领域对其进行研究和创新。一般而言，机器人的主要技术如下：机器人机构、导航和定位、路径规划、传感器技术、控制技术、移动机器人传感器技术、屏蔽技术等。

1.机器人机构

轮式机器人的机构设计属于机械领域，在设计过程中不仅要考虑自身重量的影响，还要考虑到工作环境的影响，而且不能对数据的采集和分析产生干扰。在轮式机器人的机构设计中，最为重要的是转向机构的设计，如今，转向机构主要分为如下几种：艾克曼转向（前轮转向前轮驱动或者前轮转向后轮驱动）；滑动转向（两侧车轮独立驱动）；全向转动（基于全方位移动轮构建，如麦克纳姆轮）；轴－关节转向；（车轮转动幅度较大）；车体－关节转向（转弯半径小，转向灵活，但是轨迹难以控制）。再轮式机器人的设计中应根据具体需要来选择转向机构的设计。

2.导航和定位

导航和定位是确定机器人在多维工作环境中相对于全局坐标的位置，是移动机器人最基本的环节。导航方式有惯性导航，磁导航，视觉导航，卫星导航等，定位方式有惯性定位，陆标定位，声音定位等，在机器人设计中，需要对轮式机器人的模型进行分析，才能得出合理有效地导航方式和定位方式。

3.路径规划

路径规划，既让轮式机器人按照某一性能指标搜索一条起始状态到目标状态的最优路径。在设计过程中路径规划要考虑全局路径和局部路径两个方面。其中全局路径是机器人运行的总路径，而局部路径可以使机器人在运动过程中避免碰撞。在分析运动过程中，可以考虑D-H参数法对其进行分析。

4.传感器

在轮式机器人中，传感器就相当于人的感官。它收集外界和自己发生的信息，从而为后续处理积累了前提的数据。轮式机器人中一般会用到的传感器一般有如下几种：内部有测量机器人行进速度的，如线加速度计；测量转角的，如陀螺仪，外部的传感器主要是用来检测外部环境，防止碰撞，如超声波传感器，视觉传感器等等。传感器将采集来的数据传送给控制器，再加以处理，才能使得轮式机器人按照预订路径进行移动。

5.控制

常见的控制有PID控制，但是这些年一般对机器人所用的都是模糊控制，因为模糊控制不需要建立数学模型，可以语言化的表达复杂的非线性系统。另外，由于工作环境的要求，很多轮式机器人都用上了遥控技术，这样，可以扩大机器人的工作空间和工作能力，但是遥控通常会产生更大的误差，因此，如何更好地控制误差，使其达到预定的工作效果，是遥控技术不可不考虑的一个问题。

6.屏蔽

由于在机器人工作工程中，会产生这样那样的干扰，如何去除这些干扰，让机器人更为可靠，就需要更好的屏蔽技术来为其服务。屏蔽设计时要考虑到可靠

性，适应性以及经济性，尽量为其找到适合的屏蔽技术。一般的屏蔽技术有：隔离技术，滤波技术，接地抑制反电势干扰技术等。

四、总结

机器人是一种仿生的高科技产物。轮式机器人的出现，为人们的生活和科学发展做出了十分接触的贡献。在工业、农业、反恐、防爆、空间探测等各个领域，轮式机器人都可以代替人类完成一些危险或者不可完成的任务。如何控制轮式机器人按照我们需要的方式进行移动和精准的动作是十分重要的一个环节。另外，如今，机器人已经向着更为宏观和微观的方向发展，相信，在不久的将来，在更为精准的设计和控制下，轮式机器人将会为我们带来更为美好的生活！

第二篇：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

第三篇：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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[2] 雷天觉.新编液压工程手册[M].北京：北京理工大学出版社.1998

[3] 王积伟.液压与电气传动[M].北京：机械工业出版社.2005

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[6] 王益群.纯水液压传动及其展望[M].机床与液压.2003

[7] 赵恩刚．纯水液压传动技术的现状与应用展望[M]．流体传动与控制.2006

[8] 许贤良.液压技术回顾和展望[M].煤矿机械.2002

[9] 林建亚.液压元件[M].北京：机械工业出版社.1998

[10] Per Sorensen.News and trends by the industrial application of water hydraulics[J].The

Proceedings of The 6th

第四篇：巡检机器人的调研报告

上海电力学院

关于巡检机器人的调研报告

院（系部）自动化工程学院 专业名称: 电 机 与 电 器 学生姓名: 杨 雪 莹 导 师: 薛阳

2013年12月

目录 巡检机器人的发展状况......................................................................................1 2 巡检机器人的应用..............................................................................................3

2.1 高压线路巡检机器人...............................................................................3

2.2.1 机器人仿真....................................................................................4 2.2.2 巡检机器人越障............................................................................5 2.2 变电站巡检机器人...................................................................................7 2.3 校园巡逻机器人.......................................................................................8 3 总结....................................................................................................................11 参考文献................................................................................................................12

巡检机器人的调研报告 巡检机器人的发展状况

目前巡检机器人已在多个领域中应用，它的智能化推动着它在应用领域的市场前景将是越来越广，尤其是在电力行业。它在多种场合发挥着作用，如变电站，高压线路中等等。

2013年12月9号中山供电局经过三个多月的试运行，该局将“智能巡检机器人”正式投入到500千伏桂山巡维中心使用，开创南方电网公司首例无轨化设备巡视工作。传统的机器人需要铺设类似于火车轨道那样的磁轨，机器人就只能沿着磁轨作运动。而最新投入使用的机器人实现了无轨化运作，不需要铺设任何轨道，也无需进行任何基建工程，机器人就可以直接在日常的路面上运作，既省下基建施工的时间，又节约了投入成本。凭靠机器人配备的四驱越野底盘，还可以爬上30度的陡坡。该机器人上配备了激光扫描设备，可将站内的设备位置，道路扫描为地图，我们在后台为它规划好巡视路径后，它就可以按照指示去工作了。

机器人巡线最大的优点则是，无论白天黑夜还是刮风下雨，它都可以在没有人看管的情况下能自动自觉并出色完成一般日常巡视所包含的工作内容。这样一来，机器人不但减轻了工作量，而且在遇到严重故障或者恶劣天气时，它还可以降低工作人员的安全风险。

智能机器人还具有自动续航功能，当蓄电池电量低于设定值时，它将自动驶入存放室进行充电。据悉，中山供电局通过对智能巡检机器人进行了三个月的试用，已经收到不错的成效。此次正式投入使用，在南方电网公司尚属首例。

2013年11月11日上午，在国家知识产权局与世界知识产权组织举办的第十五届中国专利奖颁奖大会上，由国网山东电力科学研究院申报的外观专利“变电站巡检机器人”荣获外观专利金奖，成为5个金奖之一。这是国家电网公司历史上获得的第一个中国外观专利金奖，也是中国电力行业惟一当选的金奖。

变电站巡检机器人能够全天候全方位全自主对变电站设备进行无人值守巡检,从而代替繁重的变电站设备人工巡检,提高了变电站巡检的自动化、智能化水平,确保了智能电网的安全可靠运行。

该变电站巡检机器人产品外壳采用无污染、抗冲击、高绝缘的ABS树脂材料，具有较好的环保性和安全性；产品外观采用了“仿人”化创新性设计，整体颜色融合变电站“环境”因素，同时配以红色的机器人颈部绕圈与多色的告警指示灯 1

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点缀，使得整体设计简约而富有活力。该产品控制系统具有过流过压充放电保护、待机低功耗、远程唤醒等功能，具有较好的节能性和经济性。变电站智能巡检机器人的专利群，包括10项核心发明专利，33项外围专利。

目前，国内已经投用的57台变电站巡检机器人。传统的变电站值班员进行人工巡检，受人员的生理、心理素质、责任心、外部工作环境、技能技术水平等影响较大，存在漏巡，缺陷漏发现的可能性，并存在较大的巡视过程风险，巡视效率低下。贵州省凯里供电局研制的变电站智能巡检机器人，根据操作人员在基站的任务操作或预先设定任务，操作人员只需通过后台基站计算机收到的实时数据、图像等信息，即可完成变电站的设备巡视工作，从而代替人工巡检。

图1 智能机器人在巡检变电站

巡检机器人的调研报告 巡检机器人的应用

当前，机器人在电力系统得到了越来越广泛的应用，其中用于无人值守变电站设备巡检机器人对高压设备检测的关键技术之一是给机器人的运动控制系统提供连续、实时、精确的位置、航向等导航信息，使其沿预定的路径行驶并完成检测任务。机器人有多种导航方式，这些导航方式各有其特点，适用于不同的应用环境，其中GPS/DR组合导航系统是一种较为成熟的导航方法，已经广泛应用于陆地车辆（装甲战车、轨道列车等）组合导航系统中。

2.1 高压线路巡检机器人

高压输电线路是电力传输的主要途径，对输电线路定期巡检，及时发现和消除隐患，预防重大事故，对电力系统有重要意义。传统巡检方法主要有人工目测法和直升机航测法。人工巡线费用低廉但效率低，复巡周期长，且由于地理环境因素存在巡检盲区，巡检数据准确率也不高；直升机航巡效率较高，但存在飞行安全隐患且费用极其昂贵。针对这些缺陷，高压巡线机器人应运而生。机器人巡线具有近距离、高精度特点，不存在巡检盲区，巡检费用相对于直升机低廉很多，因此已成为特种机器领域的研究热点。

从20世纪80年代末开始，日本、美国、加拿大等国在巡线机器人领域的研究先后展开。1988年，东京电力公司的Jun Sawada等人研制了光纤复合架空地线巡线移动机器人。该机器人可以借助导轨越塔，但总重达100kg，并且不能爬30度以上斜坡，所以无法广泛应用。1999年，美国TRC公司研制了一台悬臂自治巡线机器人原型。但这种机器人仍然无法攀爬30度以上斜坡。2000年，加拿大魁北克水电研究院的Montambault等人研制了一台HQ LineROVer遥控小车。这种遥控小车非常轻便，但没有越障能力，只能在两塔之间工作。1991年，Hisato Kobayashi 等设计了一种具有防震构造的自治分散控制机器人。1998年Jaydev P Desai 等人给出了一种光纤架空地线机器人设计，之后泰国的S．Peungsungwa1 等也设计了一种应用红外探测技术、具有视觉导航能力的巡线机器人。但这些巡 线机器人都存在功耗过高或只能跨越特定类型障碍等种种问题。

国内巡线机器人的研究始于20世纪90年代末。2002年，武汉大学吴功平等研制成功具有沿220kV单分裂导线全程线路行驶和作业的巡检机器人样机，并在

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机器人机构、电能在线补给、机器人局部自治和系统与技术集成等关键技术上取得了实质性突破。2006年，中国科学院沈阳自动化研究所研制出的超高压输电线路巡检机器人在东辽二线上成功完成了沿线行走，但没有越障能力。翌年，沈阳自动化研究所的王鲁单等完成了巡线机器人越障控制研究，实现了巡线机器人沿线行走及跨越障碍的功能。

综合来说，国内外对于高压巡线机器人的研究大多处于实验阶段，但巡线机器人由于其控制简单，成本适中，自动化程度高等特点，正在向实用化迅速发展，是巡线技术的总体发展方向。利用仿真技术建立机器人虚拟样机模型，对机器人进行动力分析、运动分析等，有助于提高机器人本体设计的质量和效率。

2.2.1 机器人仿真

合肥供电公司肥西公司针对高压输电线路巡检工作，阐述了一种巡线机器人作业方案。根据该方案，利用三维动画软件3DS MAX 建立了该机器人的虚拟模型，并对巡线机器人越障动作重点进行了可视化仿真，模拟机器人爬行及越障的实际运动状态。通过模拟和分析，验证了机器人设计方案的合理性。

仿真技术应用于机器人，国内从80年代后期才开始这一方面的研究工作。清华大学、浙江大学、沈阳自动化研究所及上海交通大学等做了起步工作，取得了一定成果。南京理工大学于1994年用C语言开发ROBGSS．ROLOPS系统，逐渐形成了较完善的机器人仿真系统。刘又午教授等人针对由底座、大臂、小臂和3个腕关节构成，且每个关节皆为圆柱铰接，只有1个分支，共计6个自由度的典型机器人多体系统，对程序进行了简化，开发出工业机器人动力学分析专用程序。中国农业大学周一鸣教授等引入GMCADS符号体系，建立了机构的数学模型，进而采用哈密尔顿正则方程进行机构动力学分析，开发了GMCADS广义机构计算机辅助设计系统。但是，国内的软件都只停留在实验室中，离软件商品化还有很大距离。

机器人计算机仿真具有以下意义：

(1)对设计思想进行开发初期的验证和评价，包括对各种方案的运动学及动力学特性进行评估;(2)为机器人的精确控制建立动力学模型并提供参考依据;(3)对机器人进行产品最终设计上的性能检查，包括机器人能否按计划完成目标，同时评价其运行状况;

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(4)产品最终性能跟踪、故障预测、诊断等需要有效的仿真模型辅助。

图2.1机器人越障动画(部分动作)2.2.2巡检机器人越障

上海大学机电工程与自动化学院根据500kV超高压架空输电线路的结构及障碍特点，设计多传感器、多驱动器巡检机器人越障控制方案，提出采用多传感器二次定位方法实现巡检机器人越障时的空间定位。阐述系统的结构和越障原理，通过线下模拟实验环境，不断测试生成合理的知识库，实际越障时根据实测信号自动调用知识库完成自主越障动作。实验结果表明：传感器工作可靠，知识库和空间定位方法设计合理，巡检机器人能高效、快速、高精度地完成巡检及越障任务。

机器人自主跨越架空线上的障碍物是巡检机器人研究中的关键内容。作者针对巡检机器人越障轨迹的要求，完成对控制系统整体的设计及优化；根据机器人的工作环境和作业内容，通过人机交互界面，在模拟环境中摸索出所需要的翻越各种障碍物的动作组合，完成知识库的建立和修改；分析巡检机器人跨越障碍原理，针对越障过程中手臂上线时空间定位这一难点，提出采用多传感器二次定位的方法，其优点是节省手臂上线时间，提高空间定位的准确性。

在这篇文章中，机器人的控制系统实行分级控制，即远程管理主机控制系统和机器人本体控制系统，机器人本体控制系统包括机器人本体主控机和执行层。5

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控制系统的组成结构如图2.2所示。

图2.2控制系统组成结构

中国科学院沈阳自动化研究所机器人学开放实验室和中国科学院研究生院联合分析出了一种改进的超高压输电线路巡检机器人越障方法。文章中介绍了一种新型的超高压输电线路巡检机器人，阐述了分阶段的控制策略。主要针对越障的工程实际问题，从理论上分析了越障阶段的难点：质心调节，输电线的辨识与定位问题。进行了仿真和试验,验证了控制策略和理论分析的正确性。

越障是巡检机器人典型的工程实际问题，也是巡检机器人研究的关键之一。轮臂复合机构能够提供伸缩和旋转配合，使得机器人具有跨越障碍的能力。分阶段控制策略分解了越障的运动过程，降低了编程难度。根据工程实际，详细分析了越障阶段的难点：质心调节、辨识和定位问题。根据实验环境的实际情况，进行了实验算例的参数分析和越障运动过程的仿真，验证了控制策略和理论分析的正确性。

在初步的实验室实验中，遇到由于惯性造成的机器人旋转角度过大、多次重复辨识定位才能正确上线等问题，解决方法还在研究中。

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图2.3 越障流程仿真

2.2 变电站巡检机器人

随着科技进步和电力体制改革的不断发展，以“信息化、数字化、自动化、互动化”为特征的智能电网建设逐渐深入。为保证变电站设备的安全可靠运行，更好更快地推进变电站无人值守进程，变电站巡检机器人部分替代人工巡检已经成为一种趋势。传统的变电站巡视主要是通过人工方式，综合运用感官以及一些配套的检测仪器对变电设备进行以简单定性判断为主的检查，该方式存在劳动强度大，检测质量分散，主观因素多，巡检不到位难以监控，巡检结果数字化不便等缺陷，不符合智能电网的发展方向。变电站巡检机器人集成最新的机电一体化和信息化技术，采用自主或遥控方式，部分替代人对变电站室外设备进行可见光、红外、声音等检测，对巡检数据进行对比和趋势分析，及时发现电网运行的事故隐患和故障先兆，如：异物、损伤、发热和漏油等。巡检机器人为提高变电站的数字化程度和全方位监控的自动化水平，确保设备安全可靠运行发挥了重要作用。

山东鲁能智能技术有限公司和浙江省电力公司嘉兴电力局，共同研究了变电站巡检机器人检测及控制系统，并发表了论文。文章针对全天候、强电磁等复杂背景下，要求变电站巡检机器人适应性强、可靠性高、控制灵活及检测结果准确等因素，介绍一种抗干扰能力强、实用化程度高、完全自主运行，能够满足变电站设备巡检要求的机器人检测及控制系统，主要包括导航定位及运动控制系统、7

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电源管理系统、云台控制系统、图像及声音检测系统。检测及控制系统是机器人的重要组成部分，为巡检机器人长期自主运行提供了有力支持。

1）导航定位及运动控制系统

变电站巡检机器人导航定位原理如图2.4所示，机器人采用磁导航，由安装于机器人前部的磁传感器组检测机器人相对于磁轨迹的偏移，从而引导机器人沿预定路线运行。其主要优点是导引原理简单而可靠，导航定位精度高并且重复性好，抗干扰能力强，缺点是磁轨迹铺设工作量大，地面处理工作量大，路径灵活性差。机器人依靠RFID标签定位，定位精度较高，可达厘米级。

图2.4 导航定位原理示意图

2）云台控制系统

变电站巡检机器人按照规划路线运行至检测点后，调用云台的预置位功能，云台带动可见光摄像机、红外热像仪等检测设备对准待检电力设备。云台性能直接影响可见光、红外图像质量。本文对云台本体采用模块化设计，结构紧凑坚固，齿轮间隙小于0.1°具有IP67防护等级。云台控制系统结构包含直流伺服电机、角度传感器、硬件限位和云台控制板，它们分别负责云台水平和垂直运动时的驱动、位置反馈、行程保护和系统控制。

2.3 校园巡逻机器人

巡检机器人作为服务机器人的一种，是随着近年来社会经济的发展，超级商场、机场、车站、会展中心及物流仓库等大型人流、物流场所规模和数量不断扩大，保安自动化需求日趋迫切这一环境下而催生的一种新型机器人。采用巡检机器人进行定时、定点监控巡逻或不间断流动巡逻将是解决当前情况的一种可行方案。巡逻机器人是一个集环境感知、路线规划、动态决策、行为控制以及报警装 8

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置于一体的多功能综合系统。将机器人用于保安工作，具有广阔的应用前景，近年来已受到国内外的重视，成为服务机器人的一个新研究方向。

山东大学的一名研究生在2013年5月发表的硕士论文中提到了校园巡逻机器人定位与避障技术研究。文章针对校园环境下移动机器人的定位与避障技术展开研究,并取得了一定成果，具体研究内容如下：

(1)针对校园环境范围大、结构简单的特点，结合RFID传感器信息传递功能，提出一种大范围拓扑环境学习与建模新方法。根据校园环境上下文信息需求，设计RFID标签格式，指导机器人进行环境学习，且以标签的分布代表环境整体结构，由标签内容传递导航任务，由此构建环境模型。

(2)针对激光数据存在噪声干扰的问题，设计了一种动态自适应中值滤波方法，利用激光数据时间和空间上的相关性，剔除噪声干扰，平滑激光数据。

(3)根据校园道路特点，采用激光传感器利用路沿高度区分路面区域，完成机器人定位，并针对单一传感器无法可靠定位的问题，提出了基于扩展卡尔曼滤波的激光与惯导模块角度信息融合方法，大大提高了机器人直道定位的精度和可靠性。在路口区域，使用RFID、激光、惯导模块与里程计相互配合，弥补缺陷,保证了路口区域机器人的定位精度。

(4)为保障机器人安全巡逻，在总结常用避障策略的基础上，提出一种新的角度势场法，将机器人所处环境的势场力转化到角度信息上，通过综合分析各角度的可通行性，得出机器人最佳方向选择。同时针对传统障碍检测方法的不足，采用倾斜向下安装的激光检测一个倾斜面，兼顾机器人前方与激光位置下方区域，获得更好的检测效果。

图2.5 机器人发现障碍

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图2.6 机器人选择通行方向

视觉作为机器人定位的常用方法，能够提供丰富、准确的环境信息，且设备价格低廉，易于安装使用，因此，视觉定位一直是机器人定位问题研究的热点。视觉定位通过分析采集的图像，从中提取出能够提供定位信息的人工地标或自然地标信息，从而完成对机器人的定位。邱波等通过视觉检测导航线及定位路标,实现了机器人在变电站的无人巡检。Saeedi等人提出了一种通过提取阁像特征的两步特征跟踪算法，并通过卡尔曼滤波提高了环境特征和移动本体的位赏估计精度，取得了较好的效果。对于完全非结构化的环景，Yang Cheng等设计的三维立体视觉定位方法在“机遇”号火里车上得到了成功应用。虽然视觉定位取得了广泛的应用，但视觉定位算法复杂,定位的实时性较差，且受环境中光照、尺度及部分遮挡等因素的影响较大，这都会对图像信息的理解和分析带来较大的困难。

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3总结

通过对巡检机器人的调研，我了解到巡检机器人运行在一些行业中发挥了很大的作用。目前各电力公司（尤其是山东省电力供电局）和研究所以及部分大学的人员均对它进行了深入的研究和探讨。本文主要对高压线巡检机器人、变电站巡检机器人和校园巡检机器人分别进行了调查和研究，从中知道他们在不同运行环境下拥有不同的功能以及相似的工作原理。

巡检机器人在最近的几年内一定会迅速发展，这已是不争的事实。但是如何在目前的基础和技术进一步完善，以及继续发开出新的功能是科研人员下一步的目标和动力。11

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参考文献

[1] 郭轶敏，张劲．全国已投用变电站巡检机器人近八成山东造．电工中国经济时报．2013-05-17.[2] 周羽．广东中山供电局：无轨化智能巡检机器人首度投入使用．中国广播网．2013.12.17.[3] 山东鲁能智能技术有限公司，浙江省电力公司嘉兴电力局．变电站巡检机器人检测及控制系统研究[J]．机电信息，2013,30(384):131-133． [4] 亓希龙．校园巡逻机器人定位与避障技术研究[D]．山东大学，2013,05.[5] 孙翠莲，王洪光，王鲁丹等．一种改进的超高压输电线路巡检机器人越障方法．机器人 ROBOY．2006,28(4):379—384.[6] 刘勇，张劲．巡检机器人获设计金奖．2013,11,22.

第五篇：托轮式球磨机生产厂家

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送变得简单易行。

4、具有破碎比大、生产效率高、出料粒度小等优点

5、机器驱动装置设有安全电气保护，可有效防止意外故障导致设备损坏。