工业机器人机械本体自主构设方法的研究

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1、工业机器人机械本体自主构设方法的研究第1章绪论1.1工业机器人发展现状工业机器人是集多种先进技术于一体的现代自动化制造装备，具有可编程、拟人化、通用性等传统机械无可比拟的优势。因此，自从20世纪60年代初第一台工业机器人问世以后，就显示出它强大的生命力，经过短短50多年的发展，工业机器人的技术发展水平已经成为衡量一个国家科学技术和工业技术发展水平的标杆。目前，工业机器人已经实现了在工业生产中代替人做某些单调、频繁和重复的长时间作业，或是危险、恶劣环境下的作业，例如应用在弧焊、点焊、上下料、装配、搬运、喷涂、清砂、核废料处理等工序上，具体应用比

2、例如图1-1所示。相应的出现了许多应用领域专一的的工业机器人，例如焊接机器人、装配机器人、搬运机器人、喷涂机器人等，均已在工业生产中获得大量应用[1-3]。工业机器人是机器人学的一个分支，它代表了机电一体化的最高成就。虽然目前的工业机器人大都缺乏智能，能实现的功能任务也比较简单，但是在提高效益、节约原料、保障生产安全上仍然起着重要作用。工业机器人是计算机辅助制造系统、柔性生产系统、自动作业系统实现自动化的重要工具，提高工业机器人技术,水平，对促进我国生产力发展，有着十分重要的意义[4,5]。在发达国家中，工业机器人技术正朝着标准化、模块化、网

3、络化和智能化的方向发展。将机器人技术与数控技术，自动搬运机械以及自动检测系统融合而成的柔性制造系统(FMS)、计算机集成制造系统(CIMS)广泛应用在汽车行业、电器行业、机械行业等行业中，实现了一定的生产自动化。与此同时，随着智能化水平的不断提高，工业机器人也开始应用于非制造领域。农业采摘机器人、医疗机器人、服务机器人、太空机器人、核工业机器人等相继问世，并均有使用案例。机器人正在方方面面进入人类生活并改善人类生活，而机器人技术必将成为未来科学技术的至高点[6,7]。..1.2工业机器人设计技术发展概况我国工业机器人的设计水平较低，不能满足国

4、内蓬勃发展的工业生产要求。而花费巨资引进的洋机器人，经常出现大批量水土不服的情况，既不能满足生产，又浪费了大量外汇。解决这一问题的主要途径就是我国自主进行工业机器人的设计研发，以满足国内日益增长的生产力的发展需求[12]。要发展我国的工业机器人，必须结合本国国情走产业化的发展道路。我国工业机器人在发展中应注意到以下几点情况：第一，应将工业机器人的发展纳入长远计算；第二，企业采购工业机器人时不要盲目进口，应该综合评估，优先使用满足要求的国产工业机器人；第三，我国工厂自动化的发展必然要依靠工业机器人技术，国家要有更多的政策支持，吸引人才，扶持人才

5、[13]。现代工业机器人设计技术主要有两个发展趋势：一是从集成化设计向模块化设计发展，二是从手工经验设计向计算机理性设计发展。在传统的集成化产品结构中，产品单一元素的功能与整机功能是多对多的关系，某一产品元素的修改会起到牵一发而动全身的效果，导致整机功能的变更，进而导致产品其他组成元素的修改或替换。随着产品组成元素的增多，集成化产品在设计、使用和售后服务等领域中的管理运行会变得十分困难。而在模块化的产品结构中，产品单一元素的功能与整机功能是一对一的关系，这样对于单一元素的更改和整机功能的改善不会造成其他组成元素和功能的变更，也就是将整机功能的

6、实现与产品单一元素的设计实现分离，单一元素自身的修改替换不会影响其他组成元素[14]。第2章工业机器人结构模块库的建立2.1引言建立一个合理的机器人模型，是进行机器人运动分析与仿真的基础。传统机器人的建模方式都是根据机器人具体的工艺条件，绘制机器人的各个关节和连杆，并设定机器人的结构参数。一旦工作空间改变，便需要进行重新设计，工作的重复量过大。本文采用模块化思想，目标是设计一系列具有一致几何接口和独立功能的机器人结构模块，从而建立一个合理的工业机器人的结构模块库。用户可以根据具体工艺条件，从中进行结构模块的选取，用以搭建满足任意工程的具体机器

7、人模型。2.2结构模块的划分原理目前针对模块化工业机器人所做的模块设计划分，除了绪论中所叙述的还有以下几种典型性成果：Yang等人采用积木原理，设计了连杆模块、旋转模块和移动模块三种用于机器人拼接的最基本的单元模块。为了方便模块在各个方向进行拼接，所有模块均设计成正方体。这种方形模块由于连接面较多，在进行机器人拼接时非常方便。但是拼接出的机器人的关节轴线不是共线就是垂直，无法实现前后两个关节轴线平行[37]。Paredis等人进行比较细致的模块划分，设计了基座模块、末端模块、三个旋转模块、自旋转模块和连杆模块等七种模块。模块间的柔性组合能搭建

8、出多种不同构型的机器人，缺点是没有设计移动模块，在实现往复直线运动方面比较困难[38]。Gershenson等人面向零件制造工艺，从相似学角度出发进行单元模块设计。