一种取件式平面多关节机械手的研究与计算

第1章绪论1.1 引言工业机器人的出现和高速发展是社会、经济发展的必然，是为提高社会的生产水平和人类的生活质量，让机器人替人们干那些人们不愿干、干不了、干不好的工作。

我国对于工业机器人的定义为：“一种自动化的机器，所不同的这种机器具备一些与人或者生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器”。

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，美国发明家英格伯格与德沃尔制造出世界上第一台工业机器人Unimate以来，从此工业机器人在现代化社会工业生产的环节中的占比与日俱增。

同时伴随着新一轮工业革命及科技革命的到来，各国对于工业现代化都提出了更高的要求，德国提出了“工业4.0”美国提出了“先进制造业国家战略计划”，并采取多种措施“吸引制造业回流”，英国提出了“高价值制造业战略”，日本提出了“产业复兴计划”、法国提出了“新工业法国”等。

中国作为全球制造业中心，更要做好充分准备，提升中国制造业的国际竞争新优势，打造中国的工业现代化、做大做强中国制造，对此，我国提出了“中国制造2025”战略。

在这场全球聚焦的科技革命中，机器人由于其安全，高效，智能，高精度及稳定性必将在这场革命中发挥巨大的作用。

1.2 机器人特点及分类1.2.1 工业机器人机器人特点工业机器人主要具有四个显著特点：1）具有特定的机械结构2）具有通用性3）具有不同程度的智能4）具有独立性1.2.2 工业机器人机器人分类关于机器人的分类，国际上没有统一的标准，由于机器人技术除主要应用在工业领域外同时也已经广泛地应用在农业、医疗、服务、娱乐、空间等各个领域。

1.按照机器人的技术等级划分（1）示教再现机器人第一代工业机器人是示教再现型。

这类机器人能够按照人类预先示教的轨迹、行为、顺序和速度重复作业。

（2）感知机器人第二代工业机器人具有环境感知装置，能在一定程度上适应环境的变化，目前已进入应用阶段。

（3）智能机器人第三代工业机器人称为智能机器人，具有发现问题，并且能自主地解决问题的能力，尚处在实验研究阶段。

2.按照机器人的机构特征划分工业机器人的机械配置形式多种多样，典型机器人的机构运动特征是用其坐标特性来描述的。

按照基本动作结构，工业机器人通常可分为直角坐标机器人、柱面坐标机器人、球面坐标机器人和关节型机器人等类型。

（1）直角坐标机器人直角坐标机器人具有空间上相互独立的多个直线移动轴，通过直角坐标方向的3个独立自由度确定手部的空间位置，其动作空间为一长方体。

直角坐标机器人的结构较为简单，定位精度较高，空间轨迹容易求解，但同时其活动范围较小，设备的空间因数低，机体本身的体积较大。

直角坐标机器人柱面坐标机器人（2）柱面坐标机器人柱面坐标机器人的空间位置机构主要有旋转基座、垂直移动和水平移动轴构成，具有一个回转和两个水平自由度，活动空间为圆柱形。

柱面坐标机器人的结构简单、刚性好，但同时也存在空间利用率低的缺点。

（3）球面坐标机器人球面坐标机器人的空间位置由旋转、摆动和平移3个自由度确定，空间动作轨迹形成一部分球面。

结构紧凑，所占空间面积较球面坐标和直角坐标机器人少，但仍多于多关节机器人。

（4）多关节型机器人由多个旋转和摆动机构组合而成。

这类机器人结构紧凑、工作空间大、动作和人相仿，对喷涂，装配、焊接等多种工位具有良好的适应性，应用范围较广。

摆动方向主要为铅垂和水平方向，这类机器人又可分为垂直多关节机器人和水平多关节机器人。

多关节机械手垂直多关节机械手1）垂直多关节机器人模拟人的手臂部分，由垂直于地面的腰部旋转轴、肘部旋转轴及小臂前端的手腕等构成。

手腕通常由2～3个自由度构成。

动作空间类似一个球体，所以也称为多关节球面机器人。

其优点是可以自由的实现三维空间的各种姿势，可以生成各种复杂形状的轨迹，动作范围较宽，但其结构刚度及绝对位置精度较低。

2）水平多关节机器人结构上具有串联配置的两个能在平面内旋转的关节，根据用途自由度可选择2～4个，动作空间为圆柱体。

其在铅垂方向上的刚性较好，具有较好的二维平面动作能力，普遍用于装配行业。

水平多关节机械手1.3 国内外研究现状1.3.1 国内研究现状我国机器人产业的研究可追溯到上世纪80年代，当时科技部将工业机器人列入了科技攻关计划，原机械工业部牵头组织了点焊、弧焊、喷漆、搬运等类型的工业机器人攻关，其他部委对此也积极立项支持，迎来了中国工业机器人产业发展的第一次高潮。

其后，由于国内市场需求不大，机器人研发和产业化长期处于止步不前的状态。

2010年以后，我国机器人产量逐年递增，开始着眼于机器人全产业链发展。

《中国制造2020》中，规划大力推动机器人重点领域的发展。

针对汽车、机械、电子、危险品制造、国防军工、化工、轻工等工业机器人、特种机器人，以及医疗、服务、娱乐等类型服务机器人的需求，积极研发新型产品，促进机器人标准化、模块化发展，扩大市场应用。

突破机器人本体、控制器、伺服电机、减速器、传感器与驱动器等关键部件及系统集成设计制造等技术瓶颈。

目前，由于工业机器人产业的发展对工业基础及相关科研水平有较高要求。

目前我国工业机器人产业主要位于中于东北、京津冀和长三角地区。

东北作为老工业基地，对工业机器人的发展投入较早；京津冀由于其优秀的科研水平，在工业机器人及其自动化生产线、工业机器人集成应用、工业机器人技术咨询等产品和服务涉猎较多；长三角地区集中了中国大多数汽车制造及电子产业，因而与之配套的机器人产业发展也较为迅速。

近年来我国工业机器人产业在相关政策与市场需求的双重作用下，正在快速增长，企业产业化能力不断提升，同时越来越多的新企业也积极投身于机器人产业当中。

据统计，2015年中国工业机器人产量15600台，同比增长29.5%。

2013-2015年中国工业机器人产量与增长我国机器人数量少但增幅较快，未来工业机器人市场潜力巨大，市场需求将逐步增大并保持井喷趋势。

2015年8月4日，美的公布了机器人产业战略并与日本安川电机合资设立两家子公司。

两家子公司将分别研究工业机器人和服务类机器人。

2016年5月18日，2016年5月18日，美的集团宣布将以不超过292亿元人民币收购德国库卡公司。

同时，国内的沈阳新松机器人、广州数控、南京埃斯顿、埃夫特、新时代、李群等机器人品牌也正在逐步发展，如沈阳新松在工博会上首次展出的主动视觉系统的柔性7轴复合机器人及双臂协作机器人，南京埃斯顿机器人有限公司推出了钣金柔性智能制造生产线，这些均说明国内机器人产业的蓬勃发展和进步。

但不可否认的是我国在机器人产业的发展仍有很长的一段路要走，目前中国设计机器人的企业不少于800家，其中约有200家是机器人本体制造企业，这些企业大多是组装和代加工，产业集中度较低，总体规模很小。

此外，本土机器人企业制造高端产品能力较弱，六轴以上的机器人中外资品牌占有率高达85%，70%的机器人配套零部件依赖从国外进口。

面对这些挑战，我们更要持之以恒，大力发展制造业，打响中国创造的品牌力量。

1.3.2 国外研究现状国际上的工业机器人主要品牌为瑞士的ABB，德国的KUKA，日本的FANUC及YASKAWA。

工业机器人的主要产销国家为日本、韩国和德国，这三国的机器人保有量和年度新增量居于全球前列。

日本、韩国和德国的机器人密度和保有量处于全球领先水平。

据IFR统计，2014年日本每万名工人拥有323台工业机器人，韩国为437台，德国为282台；2013年日本的机器人保有量为30.4万台，韩国为15.6万台，德国为16.8万台。

2014年，日本、韩国、德国三国的机器人市场新增量占全球的30.9%，市场规模分别为2.9万台、2.1万台、2万台。

由于全球制造业转型升级，2014年三国工业机器人市场份额占全球的30.9%，相对减少6.6%。

日本机器人市场成熟，其制造商国际竞争力强，FANUC、NACHIN、YASKAWA,OTC等品牌在微电子技术、功率电子技术领域持续领先。

韩国的半导体、传感器、自动化生产等高端技术为机器人快速发展奠定了基础。

德国工业机器人在人机交互、机器视觉、机器互联等领域处于领先水平，德国本土的库卡公司是世界工业机器人四大制造商之一，年产量超过1.8万台。

2014年全球工业机器人市场分布情况目前全球推出的机器人产品向模块化、智能化和系统化方向发展。

第一，模块化改变了机器人的传统构型适用范围有限的问题，工业机器人的研发采用组合式、模块化的产品设计思路，重构模块化帮助用户解决产品品种、规格与设计制造周期和生产成本之间的矛盾。

例如，关节模块中伺服电机、减速机和检测系统的三位一体化，由关节、连杆模块重组的方式构造机器人整机。

第二，机器人产品向智能化发展的过程中，工业机器人控制系统向开放性控制系统集成方向发展，伺服驱动技术向非结构化、多移动机器人系统改变，机器人协作已经不仅是控制的协调，而是机器人系统的组织与控制方式的协调。

第三，工业机器人技术不断延伸，目前的机器人产品正在嵌入工程机械、食品机械、实验设备、医疗器械等传统装备之中。

同时，下一代机器人将更加智能，对外界的感知能力进一步增强，同时灵活性及协作能力也会得到进一步提高。

1.4 本文研究的主要内容本文研究的主要内容为圆柱坐标型水平多关节机械手。

水平多关节机器人(选择顺应性装配机器手臂)是一种水平多关节机器人，具有四个轴和四个运动自由度:X,Y,Z方向的平动自由度和绕Z轴的转动自由度。

也称SCARA-Selective Copmliance Assembly Robot Arm, 中文译名：选择顺应性装配机器手臂。

SCARA 是一种水平多关节机器人，具有四个轴和四个运动自由度：X,Y,Z方向的平动自由度和绕Z轴的转动自由度。