搬运机器人
一，论文选题的目的以及意义
工业机器人常用于搬运、喷漆、焊接和装配工作，能代替人工操作，按照生产工艺的要求，遵循一定的程序，时间和位置来完成工件的传送和装卸，能操作必要的机具进行焊接和装配，改善工人的劳动调节，提高劳动生产率，加快自动化和机械化的进程。搬运机器人是可以进行自动化搬运作业的工业机器人。最早的搬运机器人出现在1960年的美国，Versatran和Unimate两种机器人首次用于搬运作业。搬运作业是指用一种设备握持工件，是指从一个加工位置移到另一个加工位置。搬运机器人可安装不同的末端执行器以完成各种不同形状和状态的工件搬运工作，大大减轻了人类繁重的体力劳动。目前世界上使用的搬运机器人逾10万台，被广泛应用于机床上下料、冲压机自动化生产线、自动装配流水线、码垛搬运、集装箱等的自动搬运。部分发达国家已制定出人工搬运的最大限度，超过限度的必须由搬运机器人来完成。搬运机器人是近代自动控制领域出现的一项高新技术，涉及到了力学，机械学，电器液压气压技术，自动控制技术，传感器技术，单片机技术和计算机技术等学科领域，已成为代机械制造生产体系中的一项重要组成部分。在工业生产中，为了改善工人的劳动条件，提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。需要一种能够进行简单重复性劳作、花费少、效率高的机械设备，尤其是在高温、高压、粉尘、 噪音以及带有放射性和污染的场合这种需求更为迫切。因此，搬运机器人应运而生。搬运机器人在实际的工作中就是一个机械手，它的快速发展正是因为其积极作用和影响日渐被人们意识到。首先,它在很多场合能够替代人工作业；其次，它能够严格按照预先设定的程序，快速准确地完成工件的拆装及运输；再次，它能操作必要的机具进行焊接和装配，因而，受到很多国家的重视，投入大量的人力物力来研究和应用。所设计的搬运器人能够自行判断物体的位置,并实现自动抓取、运送及放置的功能，实用价值较高。
二，国内外研究的历史和发展趋势
国外研究现状：工业机器人最早是从国外发明的，可以追溯到第一次出现“工业机器人”的理念是在1954年的美国，随后在美国1959年发明了世界上第一台工业机器人，并取得飞速发展。目前工业机器人已经经历了三代更新和完善，从第一代的示教再现型机器人，到第二代的感觉型机器人，再到第三代的智能型机器人，中间在反馈调节功能方面从无到有，自动化智能操作方面也实现了从无到有的巨大转变，目前国外的机器人技术非常成熟，并且已经形成了标准化流程化作业，很多知名的工业机器人公司也相继出现，并日益影响着全世界。使用两个四机器人的协作对象运输.为了实现自主的合作运输，采用了基于隐式通信的合作方式。每个机器人只使用自己的传感器来估计任务的状态。通过这种方法，人们可以在不改变任何变化的情况下关注合作系统。应用于建筑施工现场的无人驾驶机器人原型的研制[1]。目前的机器人成为柔性制造系统、自动化工厂、计算机高度集成制造系统为一体的多元化自动化操作工具，为世界经济发展和促进社会进步发挥着巨大的作用[2]。经过多年的发展，美国的工业机器人生产技术一直处于国际领先地位，在生产技术和经验等方面具有不可比拟的优势。日本的工业机器人生产数量和生产密度优势明显，德国的工业机器人在很多危险性岗位应用较多，且发挥着较大的功能和作用。意大利、瑞典、芬兰等国家工业机器人技术和生产等方面也取得了全面突破和发展。根据国际工业机器人联合会(IFR) 前几年的预测,到2000年全世界工业机器人的总数将达到82万台,比1996年增加 24 %。其中,日本将拥有42万台,占全世界机器人总数的50 %左右,继续保持“机器人王国”地位。除日本外,世界上还有许多工业发达国家,如美国、前苏联和西欧一些国家的机器人产业也发展得很快。例如,在美国,1970～1980年间的机器人台数增加20倍以上。尽管美国所拥有的机器人在台数上不如日本,但其技术水平较高,占有一定的优势。到1998年,美国拥有8万多台机器人,德国为7万多台, 分别占世界机器人总数的15%和13%左右,排名世界第2位和第3位。在亚洲,韩国的机器人产业发展迅速,现排名世界第5位 ;而日本 、韩国和新加坡的机器人密度(即制造业中每万名雇员占有的工业机器人数量)居世界第 1～3位 , 包揽了前三名。西欧的意大利、法国、英国和东欧的匈牙利、波兰、南斯拉夫以及北美的加拿大等,机器人制造业及应用机器人的情况都有很大发展[3]。
工业机器人是典型的机电一体化高科技产品，它对于提高生产自动化水平、劳动生产率和经济效益，保证产品质量，改善劳动条件等方面的作用日益显著。机器人按照预先配置的参考路径对建筑材料进行改造。无人运输机器人的硬件配置可分为履带车辆系统、控制系统和多传感器系统三个部分。无人驾驶运输的控制策略包括传感器与间接卡尔曼滤波的融合，利用超传感器实现施工现场安全定位、路径跟踪和避障。然后，将传感器融合从目标信息和航向角度结合起来，引导机器人沿着参考路径前进[4]。工业机器人代替人力劳动是必然的发展趋势，和计算机技术一样，工业机器人的广泛应用，正在日益改变着人类的生产方式和生活方式。机器人工业已成为世界各国备受关注的产业[5]。
国内研究现状：随着科学技术的不断发展,工业机器人已成为柔性制造系统(FM S)、自动化工厂(FA)、计算机集成制造系统(CIMS)的自动化工具。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,节约原材料消耗以及降低生产成本,对促进我国制造业的崛起,有着十分重要的意义。我国工业机器人起步于20世纪70年代初期 ,经过30多年的发展,大致可分为3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。在高技术发展的推动下,随着改革开放方针的实施,我国机器48组合机床与自动化加工技术人技术的发展得到政府的重视和支持。在80年代中期,国家组织了对工业机器人需求的行业调研,结果表明,对第一代工业机器人的需求主要集中在汽车行业(占总需求的60%～70%)。在众多专家的建议和规划下,于“七五”期间 ,由机电部主持,中央各部委、中科院及地方科研院所和大学参加,国家投入相当资金,进行了工业机器人基础技术、基础元器件、几类工业机器人整机及应用工程的开发研究。经过五年攻关,完成了示教再现式工业机器人成套技术(包括机械手、控制系统、驱动转动单元、测试系统的设计、制造、应用和小批量生产的工艺技术等)的开发,研制出喷漆、弧焊、点焊和搬运等作业机器人整机,几类专用和通用控制系统及几类关键元部件的主要性能指标达到 80年代初国外同类产品的水平,并且形成小批量生产能力。经过80年代尤其是后5年的努力,我国的工业机器人技术发展基本上可以立足于国内。90年代中期, 国家已选择以焊接机器人的工程应用为重点进行开发研究,从而迅速掌握焊接机器人应用工程成套开发技术、关键设备制造、工程配套、现场运行等技术。目前已有500台左右的焊接机器人分布于大陆各大中城市的汽车、摩托车、工程机械等制造业, 其中55%左右为弧机器人,45%左右为点焊机器人,已建成的机器人焊接柔性生产线5条 ,机器人焊接工作站300个。90年代后半期是实现国产机器人的商品化,为产业化奠定基础的时期。目前,我国(指大陆地区,不包括港、台、澳)工业机器人数量只有约2500台, 还没达到1997年新加坡(3000 多台)和我国台湾省(5000 多台)的水平[6]。刘少军设计的智能搬运机器人, 能够自动检测设置的标识, 实现了自动抓取、搬运和码放货物的功能, 提高了劳动效率,具有较高的应用价值。本着简单、 高效的原则设计了一种基于单片机的智能搬运机器人。系统采用干电池供电,摆脱了交流电源的束缚,并通过对机械结构的运动学分析,建立相应的数学模型, 实现了对机械手臂的精确控制。经过反复模拟测试,智能搬运机器人能够模拟工业生产中进行重复性劳动所需的各种动作,完全满足设计要求。经过简单的扩展, 还能够实现无线电远距离控制,具有较高的工业实用价值[7]。李雷研究了在MCS－51单片机控制下的搬运机器人的系统设计，但是并没有提出对应的路径规划，户硕设计了一款搬运机器人，能实现远程遥控机器人搬运物品，并能对搬运物品通过数据库进行物流管理，但该方法使用微处理器很难实现。王文凭等人设计了一种基于ATmega16单片机的搬运机器人，系统采用涡流传感器检测金属线进行路径识别。通过单片机控制舵机将货物运送到指定位置。然而，该方法成本较高，不符合工业生产低成本的要求。搬运机器人采用STM32芯 片，STM32芯片在处理复杂任务时效率更高，PID闭环控制的电机调速系 统使得该机器人用于工业生产的稳定性和精确性得到了提高， 颜色传感 器 基 于STM32的处理速度大大提升[7]。崔玲玲使用单片机对搬运机器人系统进行控制。通过单片机输出稳定的脉冲信号控制舵机的运动，实现三自由度运动以达到灵活抓取、转移、放松物体的目的。经过实验和调试，信号输出稳定，实现了机器人自行搬运物体的动作，打破传统设计中搬运机械手的结构，而是把机械手安装在车身上，实现可以自由移动和搬运货物的目的，实现了自动抓取、搬运和移动的功能，提高了劳动效率，具有较高的应用价值[8]。杨军通过机器人安装的传感器实现数据采集，利用WIFI网络高速传输实时视频图像。采用WIFI网络通信可使控制端多样化，可用手机、电脑等具备WIFI功能的设备进行控制，此外，还可将 机器人接入Internet实现更远距离的控制。在S3C6410平台上移植了Linux操作系统，用于接收命令并对硬件设备进行控制，其中移植了MJPGstreamer作为视频服务器，BOA作为WEB服务器[9]。吕应柱设计了一种新型机器人机械结构，可使机器人码放货物更加准确、平稳，同时能够使机械臂实现轻量化，在同等条件下承载能力更强，提高了整机稳定性，运用解析几何法对该机器人的机构进行了详尽的运动学分析，给出了运动学正解方程，对空间位姿确定及后续的轨迹规划具有重要意义。新型码垛机器人，其本体机械结构的创新使得末端执行器码放物料箱更加精准和稳定，可以调节整机质量的分布，相比于关节电机上移的机器人可以减小臂部的重量，实现机身轻量化[10]。高颖超针对超大尺寸瓷板的码垛作业要求，通过真空吸盘实现 瓷板的可靠抓取、搬运、码 放 等 动 作。设计了一种基 于STC12C5A60S2单片机控制的的智能搬运机器人。并利用ISP下载模块来实现PC机与主控板的程序下载通信。设计的基 于STC12C5A6OS2单片机控制的智能搬运机器人，软硬件设计合理，扩展性强，采用通用的软件开发平台KeiluVision3进行开发[11]。刘少军以六自由度大载荷搬运机器人为研究对象,对其本体结构及性能进行了研究。,应用一种简单而有效地工程上广泛应用的方法,初选搬运机器人臂部的结构参数,且大臂采用侧置型安装,以便于扩大搬运机器人的整个作业空间。设计选择了搬运机器人手腕的结构形式,即采用RBR正交球型手腕,并采用五六轴传动齿轮叠加的方式,来其结构紧凑,提高了手腕的灵活度,减轻了手腕的重量[12]。为了实现在危险环境下的物品搬运与提高运输效率，设计了一款搬运机器人，能实现 在视频窗口下远程遥控机器人搬运有底座物品，与在布线的模拟仓库中以循迹的方式搬运物品，并能 对搬运物品通过数据库进行物流管理，为现代化的仓库物流管理提供了一个新的概念[13]。针对物流仓储中危险品搬运的特殊需求，根据实用功能需求和以往搬运机器人的性能 要求，设计了一种码垛机器人。该机器人在满负载情况 下，车架的设计能够满足危险品物流自动化的需求，因而提供了一种实用型的码垛机器人的特 殊设计。提出了一种码垛机器人的设计，专门用于单元化危险品的堆 垛和搬运，从而实现仓储过程的非人工化机器人作业[14]。在国内来说，还有机器人实际应用工作单元的设计技术标准化和技术成熟度。比如现已有越来越多的汽车巨头 将其海外使用的各种汽车零部件转移至中国生产[15]。
三，参考文献
[1].杜志俊.工业机器人的应用及发展趋势[J].机械工程师, 2002(5)
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