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1、 河南机电高等专科学校毕业设计说明书 1绪论机器人（Robot）是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。它的任务是协助或取代人类工作，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。在工业的工作，例如生产业、建筑业，或是危险的工作、医学、农业、建筑业甚至军事等领域中均有重要用途。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。由于机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的
2、特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续 工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。 1.1机器人发展史虽然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和追求已有近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。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记载。 春秋后期，我国著名的木匠鲁班，在机械方面也是一位发
3、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。1773年瑞士钟表工人杰克道罗斯和他的儿子利路易道罗斯推出自动书写玩偶、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制成的。由于当时技术条件的
4、限制，这些玩偶身高不足一米，现在保留的最早的机器人是瑞士怒萨迪尔博物馆的少女玩偶，它制作于二百年前，两只手的十指可以按动风琴的琴键而演奏音乐供参观者欣赏，展示了古代人的智慧。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50年代诞生以来，目前已风靡全球。据称，目前，世界上机器人已达20万，并且每年还在35的速度递增。机器人从事的行业，也由原来单一的工业，迅速扩展到农业、交通运输业、商业、科研等各行各业。1.2机器人发展趋势国外机器人领域发展近年来有如下几个趋势：（1）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
5、下降，平均单机价格从91年的103万美元降至97年的65万美元。（2）机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机；国外已有模块化装配机器人产品问市。（3）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；器件集成度提高，控制柜日见小巧，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。（4）机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环
6、境建模及决策控制；多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。（5）虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。（6）当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。(7)机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。我国的机器人发展在“
7、863”计划的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人，6000米水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直播遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人等机种；在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品，以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。1.3机器人的未来1.3.1机器人小型化和智能化目前各国的研究现状而言，微
8、型机器人大多处于实验室和原型开发阶段，但可以预见，将来微型机器人将广泛出现并得到应用。 现在的智能机器人，它的智力最高只相当于2、3岁幼儿的智力水平，将来随着科技的进步，高智能的机器人会越来越多，其智力也会愈加接近成人水平。 随着科学技术的进一步发展创新，如同科幻电影中的机器人将会变成现实，为人类生活带来飞跃般的变革1.4机械手1.4.1工业机械手的简介 机械手是模仿着人手的部分动作，按照给定程序、轨迹和要求能实现自动抓取、搬运的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手叫做“工业机械手”。在实际生产中，应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率，可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产。
9、尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境下，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。随着生产的发展，功能和性能的不断改善和提高，在机械加工、冲压、锻、铸、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等领域得到了越来越广泛的应用。 国内外对机器人及机械手所作的定义不尽相同。国际标准化组织(ISO)对机器人的定义:“机器人是一种能自动定位、可控的可编程的多功能操作机。这类操作机具有几个轴，在可编程序操作下，能处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行各种任务。” 美国国家标准(NBS)对机器人的定义:“一种可编程，并在自动化控制下执行某种特定操作和移动作业任务的
10、机械装置。”日本工业机器人协会对工业机器人的定义:“一种装备有记忆装置和最终执行装置，能够完成各种移动来代替人类劳动的通用机器。”它又分为以下两种情况来定义:(1)工业机器人:“一种能执行与人的上肢类似动作的多功能机器。”(2)智能机器人:“一种具有感觉和识别能力，并能够控制自身行为的机器。”1.4.2工业机械手的发展工业机械手是在第二次世界大战期间发展起来的，始于40年代的美国橡树岭国家实验室的搬运核原料的遥控机械操作手研究，它是一种主从型的控制系统。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。它的结构是：机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的；1962年，
11、美国联合控制公司在上述方案的基础上，又试制成一台数控示教再现型机械手，命名为Unimate(即万能自动)。1962年美国机械铸造公司也实验成功一种叫Versatran机械手，原意是灵活搬运，可作点位和轨迹控制；该机械手的中央立柱可以回转、升降、伸缩，采用液压驱动，控制系统也是示教再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。从60年代后期起，喷漆、弧焊工业机器人相继在生产中开始应用。1978年美国Unimate公司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制出一种Unimation-Vic-arm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差可小于lmm。联
12、邦德国机器制造业是从1970年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业；联邦德国Kuka公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制；日本是工业机器人发展最快，应用国家最多的国家，自1969年从美国引进两种典型机械手后，开始大力从事机械手的研究，目前以成为世界上工业机械手(机器人)应用最多的国家之一。前苏联自六十年代开始发展应用机械手，主要用于机械化、自动化程序较低、繁重单调、有害于健康的辅助性工作。我国工业机械手的研究与开发始于20世纪70年代。1972年我国第一台机械手开发于上海，随之全国各省都开始研制和应用机械手。从第七个五年计划(1986-1990)开始，我国政
13、府将工业机器人的发展列入其中，有由北京机械自动化研究所设计制造的喷涂机器人，广州机床研究所和北京机床研究所合作设计制造的点焊机器人，沈阳工业大学设计制造的装卸载机器等等。这些机器人的控制器，都是由中国科学院沈阳自动化研究所(SIA)和北京科技大学机器人研究所开发的，同时一系列的机器人关键部件也被开发出来，如机器人专用轴承，直流伺服电机，编码器，等。我国的工业机械手(或第一代机械手)发展主要是逐步扩大其应用范围；在应用专用机械手的同时，相应地发展通用机械手，研制出示教式机械手、计算机控制机械手和组合式机械手等。可以将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构，设计成典型的通用机构，以
14、便根据不同的作业要求，选用不同的典型机构，组装成各种用途的机械手，即便于设计制造，又便于更换工件，扩大了应用范围。1.4.3机械手的构成机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度 。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越
15、广，其结构也越复杂。一般专用机械手有23个自由度。1.4.4机械手的分类和应用机械手按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。 机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件。工业制造领域：主要让机器人在机械制造业中代替人完成大批量、高质量
16、要求的工作，如汽车制造、舰船制造及某些家电产品（电视机、电冰箱、洗衣机）的制造等。化工等行业自动化生产线中的点焊、弧焊、喷漆、切割、电子装配及物流系统的搬运、包装等工作，也有部分是由机器人完成的军事领域：主要让机器人执行一些自动的侦察与控制任务，尤其是一些相对较为危险的任务，比如，无人侦察机、拆除炸弹的机器人及扫雷机器人等。机器人还可以代替士兵去完成那些不太复杂的工程及后勤任务，从而使战士从繁重的工作中解脱出来，去从事更加重要的工作娱乐领域：机器人在娱乐领域的应用十分广泛，比如，机器人足球大赛、机器人弹钢琴和机器人宠物等医疗领域：机器人主要用来辅助护士进行一些日常的工作，比如，帮助医生运送用药品及自动监测病房内的空气质量，等等。宜用机器人还可以协助医生完成一些难度较高的手术，
