工業(yè)機(jī)器人、機(jī)械手在先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域中扮演著極其重要的角色，是近幾十年發(fā)展起來(lái)的一種高科技自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備，是一種能自動(dòng)化定位控制并可重新編程序以變動(dòng)的多功能機(jī)器，它有多個(gè)自由度，可用來(lái)搬運(yùn)物體以完成在各個(gè)不同環(huán)境中工作。工業(yè)機(jī)械手的是工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)重要分支。它的特點(diǎn)是可通過(guò)編程來(lái)完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn)，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。機(jī)械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。機(jī)械手技術(shù)涉及到力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電氣液壓技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，是一門(mén)跨學(xué)科綜合技術(shù)。

1國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)狀況

1.1機(jī)器人領(lǐng)域

機(jī)器人技術(shù)與信息技術(shù)一樣，在強(qiáng)化產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力方面是極為重要的戰(zhàn)略技術(shù)領(lǐng)域。機(jī)器人是先進(jìn)制造技術(shù)和自動(dòng)化裝備的典型代表，是人造機(jī)器的“終極”形式。它涉及到機(jī)械、電子、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)、人工智能、傳感器、通訊與網(wǎng)絡(luò)等多個(gè)學(xué)科和領(lǐng)域，是多種高新技術(shù)發(fā)展成果的綜合集成，因此它的發(fā)展與眾多學(xué)科發(fā)展密切相關(guān)。一方面，機(jī)器人在制造業(yè)應(yīng)用的范圍越來(lái)越廣闊，其標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的程度也越來(lái)越高，功能越來(lái)越強(qiáng)，并向著成套技術(shù)和裝備的方向發(fā)展;另一方面，機(jī)器人向著非制造業(yè)應(yīng)用發(fā)展以及微小型方向發(fā)展，并將服務(wù)于人類(lèi)活動(dòng)的各個(gè)領(lǐng)域。總體趨勢(shì)是，從狹義的機(jī)器人概念向廣義的機(jī)器人技術(shù)概念轉(zhuǎn)移，從工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)向解決方案業(yè)務(wù)的機(jī)器人技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。機(jī)器人技術(shù)的內(nèi)涵已變?yōu)?ldquo;靈活應(yīng)用機(jī)器人技術(shù)的、具有在實(shí)世界動(dòng)作功能的智能化系統(tǒng)”。

工業(yè)機(jī)器人由操作機(jī)(機(jī)械本體)、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測(cè)傳感裝置構(gòu)工成，是一種仿人操作、自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對(duì)穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動(dòng)條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。

機(jī)器人并不是在簡(jiǎn)單意義上代替人工的勞動(dòng)，而是綜合了人的特長(zhǎng)和機(jī)器特長(zhǎng)的一種擬人的電子機(jī)械裝置，既有人對(duì)環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機(jī)器可長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說(shuō)它也是機(jī)器的進(jìn)化過(guò)程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)備，也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動(dòng)化設(shè)備.

1.2機(jī)械手領(lǐng)域

工業(yè)機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來(lái)的一種高科技自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機(jī)械手的是工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)重要分支。它的特點(diǎn)是可通過(guò)編程來(lái)完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn)，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。機(jī)械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。機(jī)械手技術(shù)涉及到力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電氣液壓技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，是一門(mén)跨學(xué)科綜合技術(shù)。

2工業(yè)機(jī)器人的研究趨勢(shì)

目前，國(guó)外機(jī)器人技術(shù)正在向智能機(jī)器和智能系統(tǒng)的方向發(fā)展，其現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1)工業(yè)機(jī)器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修)，而單機(jī)價(jià)格不斷下降，平均單機(jī)價(jià)格從91年的10.3萬(wàn)美元降至97年的6.5萬(wàn)美元。

(2)機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測(cè)系統(tǒng)三位一體化;由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī);國(guó)外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問(wèn)市。

(3)工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開(kāi)放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化;器件集成度提高，控制柜日見(jiàn)小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu);大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。

(4)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過(guò)程控制，如使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺(jué)來(lái)操縱機(jī)器人。

(5)機(jī)器人化機(jī)械開(kāi)始興起。從94年美國(guó)開(kāi)發(fā)出“虛擬軸機(jī)床”以來(lái)，這種新型裝置已成為國(guó)際研究的熱點(diǎn)之一，紛紛探索開(kāi)拓其實(shí)際應(yīng)用的領(lǐng)域。

3有關(guān)工業(yè)機(jī)械手的設(shè)計(jì)技術(shù)

3.1機(jī)器人機(jī)構(gòu)技術(shù)

目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了多種類(lèi)型機(jī)器人機(jī)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)自由度從3自由度到7或8自由度不等，其結(jié)構(gòu)有串聯(lián)、并聯(lián)及垂直關(guān)節(jié)和平面關(guān)節(jié)多種。目前研究重點(diǎn)是機(jī)器人新的結(jié)構(gòu)、功能及可實(shí)現(xiàn)性，其目的是使機(jī)器功能更強(qiáng)、柔性更大、滿足不同目的的需求。另外研究機(jī)器人一些新的設(shè)計(jì)方法，探索新的高強(qiáng)度輕質(zhì)材料，進(jìn)一步提高負(fù)載/自重比。同時(shí)機(jī)器人機(jī)構(gòu)向著模塊化、可重構(gòu)方向發(fā)展。

3.2機(jī)器人控制技術(shù)

你現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的全數(shù)字化控制，控制能力可達(dá)21軸的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制;基于傳感器的控制技術(shù)已取得了重大進(jìn)展。目前重點(diǎn)研究開(kāi)放式、模塊化控制系統(tǒng)，人機(jī)界面更加友好，具有良好的語(yǔ)言及圖形編輯界面。同時(shí)機(jī)器人的控制器的標(biāo)準(zhǔn)化和網(wǎng)絡(luò)化以及基于Pc機(jī)網(wǎng)絡(luò)式控制器已成為研究熱點(diǎn)。編程技術(shù)除進(jìn)一步提高在線編程的可操作性之外，離線編程的實(shí)用化將成為重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。

3.3數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)

機(jī)器人已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字交流伺服驅(qū)動(dòng)控制，絕對(duì)位置反饋。目前正研究利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，探索高效的控制驅(qū)動(dòng)算法，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制精度;同時(shí)利用現(xiàn)場(chǎng)總線(Profibus)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)的分布式控制。

3.4多傳感系統(tǒng)技術(shù)

為進(jìn)一步提高機(jī)器人的智能和適應(yīng)性，多種傳感器的應(yīng)用是其問(wèn)題解決的關(guān)鍵。目前視覺(jué)傳感器、激光傳感器等已在機(jī)器人中成功應(yīng)用。下一步的研究熱點(diǎn)集中在有效可行的(特別是在非線性及非平穩(wěn)非正態(tài)分布的情形下)多傳感器融合算法，以及解決傳感系統(tǒng)的實(shí)用化問(wèn)題。

3.5機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)

機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)主要包括機(jī)器人工作環(huán)境的優(yōu)化設(shè)計(jì)和智能作業(yè)。優(yōu)化設(shè)計(jì)主要利用各種先進(jìn)的計(jì)算機(jī)手段，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)分析和仿真，提高設(shè)計(jì)效率和優(yōu)化。智能作業(yè)則是利用傳感器技術(shù)和控制方法，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人作業(yè)的高度柔性和對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性，同時(shí)降低操作人員參與的復(fù)雜性。目前，機(jī)器人的作業(yè)主要靠人的參與實(shí)現(xiàn)示教，缺乏自我學(xué)習(xí)和自我完善的能力。這方面的研究工作剛剛開(kāi)始。

3.6機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)化使機(jī)器人由獨(dú)立的系統(tǒng)向群體系統(tǒng)發(fā)展，使遠(yuǎn)距離操作監(jiān)控、維護(hù)及遙控腦型工廠成為可能，這是機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的一個(gè)里程碑。目前，機(jī)器人僅僅實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)通訊和控制，網(wǎng)絡(luò)化機(jī)器人是目前機(jī)器人研究中的熱點(diǎn)之一。

3.7機(jī)器人靈巧化和智能化發(fā)展

機(jī)器人結(jié)構(gòu)越來(lái)越靈巧，控制系統(tǒng)愈來(lái)愈小，其智能也越來(lái)越高，并正朝著一體化方向發(fā)展。

3.8工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

機(jī)器人是最典型的機(jī)電一體化裝備，技術(shù)附加值很高，應(yīng)用范圍很廣，作為先進(jìn)制造業(yè)的支撐技術(shù)和信息化社會(huì)的新興產(chǎn)業(yè)，將對(duì)未來(lái)生產(chǎn)和社會(huì)發(fā)展起越來(lái)越重要的作用。從近幾年世界機(jī)器人推出的產(chǎn)品來(lái)看，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)正在向智能機(jī)器和智能系統(tǒng)的方向發(fā)展，其發(fā)展趨勢(shì)主要為結(jié)構(gòu)的模塊化和可重構(gòu)化，控制技術(shù)的開(kāi)放化、PC化和網(wǎng)絡(luò)化，伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的數(shù)字化和分散化，多傳感器融合技術(shù)的實(shí)用化，工作環(huán)境設(shè)計(jì)的優(yōu)化和作業(yè)的柔性化，以及系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化和智能化等方面。

4新興技術(shù)在機(jī)器人上的應(yīng)用

4.1微機(jī)在機(jī)器人上的應(yīng)用

微操作系統(tǒng)作為MEMS研究領(lǐng)域的一個(gè)重要分支受到各發(fā)達(dá)國(guó)家的高度重視，紛紛投入大量資金進(jìn)行微操作機(jī)器人系統(tǒng)的研究，現(xiàn)已研制出多種各具特色的微操作機(jī)器人實(shí)驗(yàn)樣機(jī)系統(tǒng)。大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人是按照給定的程序做簡(jiǎn)單重復(fù)的動(dòng)作(如焊接、裝配、搬運(yùn)等)，不需要太強(qiáng)的智能。而對(duì)于微操作機(jī)器人來(lái)說(shuō)，情況就有很大不同。因?yàn)楸徊僮鲗?duì)象十分微小，操作人員不可能十分清楚它們的精確位置，況且外界環(huán)境的變化使得它們的相對(duì)位置不定，微觀世界里的物理法則及力學(xué)特性與宏觀世界也大相徑庭，這就要求機(jī)器人有很強(qiáng)的自動(dòng)識(shí)別能力和決策能力。

4.2藍(lán)牙在機(jī)器人上的應(yīng)用

機(jī)器人智能技術(shù)中最為重要的相關(guān)領(lǐng)域是機(jī)器人的多感覺(jué)系統(tǒng)和多傳感信息的集成與融合。藍(lán)牙技術(shù)是用于替代電纜或連線的短距離無(wú)線通信技術(shù)。機(jī)器人采集信號(hào)可以通過(guò)在智能機(jī)器人上安裝一個(gè)帶有藍(lán)牙模塊的探測(cè)器作為接收設(shè)備來(lái)完成各種不同通信協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換和信息共享以及同外部通信之間的數(shù)據(jù)交換功能，同時(shí)還負(fù)責(zé)對(duì)各個(gè)從設(shè)備的管理和控制。

5我國(guó)工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展前景

有人認(rèn)為，應(yīng)用機(jī)器人只是為了節(jié)省勞動(dòng)力，而我國(guó)勞動(dòng)力資源豐富，發(fā)展機(jī)器人不一定符合我國(guó)國(guó)情。這是一種誤解。在我國(guó)，社會(huì)主義制度的優(yōu)越性決定了機(jī)器人能夠充分發(fā)揮其長(zhǎng)處。它不僅能為我國(guó)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)帶來(lái)高度的生產(chǎn)力和巨大的經(jīng)濟(jì)效益，而且將為我國(guó)的宇宙開(kāi)發(fā)、海洋開(kāi)發(fā)、核能利用等新興領(lǐng)域的發(fā)展做出卓越的貢獻(xiàn)。

我國(guó)機(jī)器人學(xué)研究起步較晚，但進(jìn)步較快，已經(jīng)在工業(yè)機(jī)器人、特種機(jī)器人和智能機(jī)器人各個(gè)方面區(qū)的了明顯的成就。近年來(lái)我國(guó)的機(jī)器人自動(dòng)化技術(shù)也取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，但是與世界發(fā)達(dá)國(guó)家相比，還有一定的差距，如可靠性低于國(guó)外產(chǎn)品;機(jī)器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國(guó)外比有差距。我國(guó)目前從事機(jī)器人研發(fā)和應(yīng)用工程的單位相對(duì)較少，工業(yè)機(jī)器人的擁有量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需求量，長(zhǎng)期大量依靠從國(guó)外引進(jìn)。

我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人從80年代“七五”科技攻關(guān)開(kāi)始起步，在國(guó)家的支持下，通過(guò)“七五”、“八五”科技攻關(guān)，目前已基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開(kāi)發(fā)出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人;其中有130多臺(tái)套噴漆機(jī)器人在二十余家企業(yè)的近30條自動(dòng)噴漆生產(chǎn)線(站)上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機(jī)器人已應(yīng)用在汽車(chē)制造廠的焊裝線上。但總的來(lái)看，我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國(guó)外比還有一定的距離，如：可靠性低于國(guó)外產(chǎn)品;機(jī)器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國(guó)外比有差距;在應(yīng)用規(guī)模上，我國(guó)已安裝的國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人約200臺(tái)，約占全球已安裝臺(tái)數(shù)的萬(wàn)分之四。以上原因主要是沒(méi)有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)。當(dāng)前我國(guó)的機(jī)器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求，“一客戶，一次重新設(shè)計(jì)”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長(zhǎng)、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、?；O(shè)計(jì)，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。