自由曲面研拋微小機器人設(shè)計【文獻綜述】 (2)

1、<p><b>　　文獻綜述</b></p><p>　　自由曲面研拋微小機器人設(shè)計</p><p><b>　　1 文獻綜述正文：</b></p><p>　　1.1國外機器人的發(fā)展現(xiàn)狀：</p><p>　　自從20世紀(jì)60年代機器人在美國誕生以來，世界各發(fā)達國家競相競爭這個象征機電一

2、體化最高成就領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。日本在1967年由川崎重工業(yè)公司從美Unimation公司引進了機器人和機器人技術(shù)，建立起生產(chǎn)車間，并于1968年試制出第一臺川崎的“尤尼曼特”機器人，從那時起， 日本有了自己的機器人技術(shù)， 并開始向這個高技術(shù)領(lǐng)域的制高點進攻。80年代中期, 日本一躍成為“機器人王國”，其機器人的產(chǎn)量和安裝的臺數(shù)在國際上躍居首位。1961年，美國Consolidated Control Corp和AMF公司聯(lián)合制造了第一臺實

3、用的示教再現(xiàn)型工業(yè)機器人，迄今為止，世界上對工業(yè)機器人的研究已經(jīng)經(jīng)歷了四十余年的歷程，日本、美國、法國、德國的機器人產(chǎn)業(yè)已日趨成熟和完善。</p><p>　　1.11吸盤式機器人研究方面的成果</p><p>　　美國密歇根州立大學(xué)研制了兩種雙足結(jié)構(gòu)的小型爬壁機器人，均采用真空吸附方式。1997美國西雅圖的Henry R Seem ann由波音公司的資助研制出一種真空吸附履帶式爬壁機器人

4、“Auto Crawler”。機器人兩條履帶上各裝有數(shù)個微小吸附室，隨著履帶的移動,吸附室連續(xù)地形成真空腔而使得履帶貼緊壁面行走。2006年，Carnegie Mellon University基于壁虎爬行的原理研究制造一種爬壁機器人，它可以完成檢查、監(jiān)督、探測、和清洗等特定工作。1966年，日本大阪府立大學(xué)工學(xué)部的西亮講師成功研制了利用風(fēng)扇進氣側(cè)低壓作用作為吸附力的垂直移動機器人的原理樣機，并且于1975年制作了以實用化為目標(biāo)的第二號

5、樣機，采用單吸盤結(jié)構(gòu)，這也是世界上出現(xiàn)最早的爬壁機器人。日本東京工業(yè)大學(xué)制做了一種爬壁機器人“NINJA”，可以在不同表面(地面、墻壁、桌面)上爬行并且具有較高的靜載荷能力。腳步為三自由度并聯(lián)機構(gòu)，安裝了真空吸盤，用來吸附在工作表面。1999年，意大利的Cassino大學(xué)機器人制造實驗室的Giorgio Figliolini等人研制了一種電動氣動聯(lián)合驅(qū)動的雙足行走機器人EP-WAR</p><p>　　1.12其

6、他類型機器人的研究</p><p>　　美國不僅僅致力于服務(wù)機器人和工業(yè)機器人的研究，其對軍用機器人的發(fā)展更是格外的重視。施樂公司的帕洛·阿爾托研究中心正在研究一種可變形狀的機器人，大小像網(wǎng)球，外形為12面體，眾多的表面使得它們便于相互連結(jié)，從而使得機器人可以選擇最適合環(huán)境的外形配置，呈現(xiàn)不同的形狀。軍工企業(yè)巨頭BAE系統(tǒng)公司正在為美軍打造的這支“電子昆蟲”部隊將會成為士兵在戰(zhàn)場上的耳目，用來挽救數(shù)千人

7、的性命。在美國國防高級研究計劃局和海軍裝備研究局的贊助下iRobot公司研制出了“羚羊”—Ⅱ型海底機器人。這種海底機器人有六條腿，每條腿都有一個兩自由度的關(guān)節(jié)，這樣的設(shè)計使它能夠比較輕松地越過海底障礙和裂縫。“羚羊”—Ⅱ型所有電子器件都放置在一個耐壓防水殼體內(nèi)，能夠承受很大的壓力，可以放心大膽地在淺水區(qū)進行排雷清障工作而不必擔(dān)心爆炸和沖擊對它所造成的影響。同時美國北卡羅萊納州立大學(xué)設(shè)計出了一種跳躍機器人。</p><

8、p>　　對于日本方面，目前日本在機器人的生產(chǎn)、出口和使用上都居世界榜首，日本國內(nèi)裝配有41萬臺各類機器人，產(chǎn)業(yè)用機器人已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各類企業(yè)中，就連許多中小企業(yè)也將機器人用于生產(chǎn)；據(jù)日本機器人工業(yè)會的統(tǒng)計報告，2004年工業(yè)機器人產(chǎn)值5768億日元，其中日本國內(nèi)銷售為2724億日元，國外銷售3045億日元。表1.1是世界主要一些國家機器人研究的情況</p><p>　　資料來源: 日本 國家科技政策研究所,

9、 ISSN 1349 – 3663</p><p>　　1.2我國機器人的發(fā)展概況</p><p>　　機器人最初出現(xiàn)是傳統(tǒng)的機構(gòu)學(xué)與近代電子技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。從1959年美國第一臺工業(yè)機器人到本世紀(jì)80年代初，機器人技術(shù)經(jīng)歷了一個長期緩慢的發(fā)展過程。到了90年代，隨著計算機技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等技術(shù)的快速發(fā)展，機器人技術(shù)也得到了飛速發(fā)展。制造的價格不斷降低，而且其質(zhì)量與性能在迅速提

10、高，開拓了機器人行業(yè)的新進展。當(dāng)前，機器人技術(shù)是綜合了計算機、控制論、信息和傳感技術(shù)、機構(gòu)學(xué)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，是當(dāng)代十分活躍的研究開發(fā)領(lǐng)域，它包括了正在逐步深入的機器人學(xué)基礎(chǔ)技術(shù)研究，同時也包括了對國民經(jīng)濟有著重要作用的機器人工程應(yīng)用技術(shù)研究。</p><p>　　我國的機器人研究開發(fā)工作始于上世紀(jì)70年代初，到現(xiàn)在已經(jīng)歷了21年的歷程前31年處于研究單位自行開展研究工作狀態(tài)，主要是沒有

11、成型的機器人產(chǎn)業(yè)，發(fā)展比較緩慢。七五攻關(guān)計劃將工業(yè)機器人和水下焊接機器人的研究和開發(fā)列人計劃，由機械部等部門組織了點焊、弧焊、噴漆、搬運等型號的工業(yè)機器人攻關(guān)，取得了一定的成績1986年，國家863計劃機器人技術(shù)主題在“發(fā)展高技術(shù)，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化”方針的指導(dǎo)下面向國民經(jīng)濟主戰(zhàn)場，開展了工業(yè)機器人與應(yīng)用工程的研究與開發(fā)，在短短幾年內(nèi)取得了重大進展。先后開發(fā)了點焊、弧焊、噴漆、裝配、搬運、自動導(dǎo)引車在內(nèi)的全系列工業(yè)機器人產(chǎn)品，并在汽車、摩托車、

12、工程機械、家電等制造業(yè)得到成功的應(yīng)用，對我國制造業(yè)的發(fā)展和技術(shù)進步起到了促進作用。90年代，確定了特種機器人與工業(yè)機器人及其應(yīng)用工程并重，以應(yīng)用帶動關(guān)鍵技術(shù)和基礎(chǔ)研究的發(fā)展的方針，研制出了有自主知識產(chǎn)權(quán)的工業(yè)機器人系列產(chǎn)品，并小批試產(chǎn)，完成了一批機器人應(yīng)用工程，其中有130多臺套噴漆機器人在20余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產(chǎn)線上獲得規(guī)模應(yīng)用。</p><p>　　但總體說來。我國仍是一個機器人設(shè)備的消費市場，行業(yè)

13、市場處于發(fā)展壯大中?！熬盼濉逼陂g，國家“863”高技術(shù)計劃已將沈陽新松機器人自動化股份有限公司、哈爾濱博實自動化設(shè)備有限責(zé)任公司、一汽集團涂裝技術(shù)開發(fā)中心、北京機械工業(yè)自動化所、上海機電一體工程有限公司、四川綿陽四維焊接自動化設(shè)備有限公司等確立為智能機器人主題產(chǎn)業(yè)化基地。大連組合機床所、上海富安工廠自動化公司、東風(fēng)汽車公司、昆明船舶公司、哈爾濱焊接研究所、安川北科公司等單位也都憑借自己開發(fā)生產(chǎn)的特色機器人或應(yīng)用工程項目活躍在當(dāng)今國內(nèi)工業(yè)

14、機器人市場上。</p><p>　　在機器人微型化的進程中，我國也有長足的發(fā)展。浙江大學(xué)研制出了無損傷醫(yī)用微型機器人的原理樣機，該微型機器人以懸浮方式進入人體內(nèi)腔(如腸道,食道)，可避免對人體內(nèi)腔有機組織造成損傷,運行速度快,速度控制方便。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)在國家自然科學(xué)基金的資助下研制出了基于壓電陶瓷驅(qū)動的多節(jié)蛇行游動腹腔手術(shù)術(shù)微型機器人，該機器人將CCD攝像系統(tǒng)，手術(shù)器械及智能控制系統(tǒng)分別安裝在微型機器人的端部

15、,通過開在患者腹部的小口，伸入腹腔進行手術(shù)。其特點是響應(yīng)速度快,運動精度高，作用力與動作范圍大，每一節(jié)可實現(xiàn)兩個自由度方向上±60°范圍內(nèi)迅捷而靈活的動作。</p><p>　　但總的來看我國的工業(yè)機器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，如：可靠性低于國外產(chǎn)品；機器人應(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)與國外比有差距。</p><p>　　1.3 機

16、器人在模具自由曲面精整加工中的應(yīng)用：</p><p>　　近年來的研究中，在研磨拋光加工方法中還出現(xiàn)了利用振動、超聲波扭振等進行研磨的加工方法。在超精密研磨加工方法中，除了特種加工和在傳統(tǒng)技術(shù)基礎(chǔ)上改進形成的各種研磨方法之外，還有許多與現(xiàn)代科技交叉形成的新技術(shù)，比較典型的有機械電解拋光、彈性發(fā)射加工、浮動拋光。以及復(fù)合加工技術(shù)。如：將激光加工與切削加工相結(jié)合，可以解決高硬度、高強度等難加工材料的切削加工問題；將電

17、火花加工與超聲加工相結(jié)合，可以提高加工效率和加工質(zhì)量；磨削復(fù)合加工主要用于獲得高的形狀精度和表面質(zhì)量，尤其是大規(guī)模集成電路的發(fā)展；化學(xué)機械復(fù)合加工可以有效地加工陶瓷、單晶藍寶石和半導(dǎo)體晶片，可防止通常機械加工用硬磨料引起的表面脆性裂紋和凹痕，獲得光滑無缺陷的表面等。</p><p>　　在工業(yè)生產(chǎn)中以機械拋光為主，其他的拋光方法應(yīng)用不多，而且其他的拋光方法對拋光的設(shè)備要求也不盡相同，其中化學(xué)拋光和電解拋光主要是對

18、化學(xué)介質(zhì)成分的要求較高，對其設(shè)備并無太多的要求，磁研磨拋光主要是對拋光材料及磁場的作用有一定的要求以保證加工的精度及效果。</p><p>　　早在上世紀(jì)70年代末，日本學(xué)者就進行了機器人的研拋實驗，目前，日本在機器人輔助拋光模具自動化加工方面居世界領(lǐng)先地位。隨后美國、西班牙、德國、韓國、新加坡等國家和我國臺灣、香港也陸續(xù)開展了這方面的研究。雖然機器人的機構(gòu)剛度較低，難以在數(shù)控機床模具加工中發(fā)揮作用，但由于拋光加

19、工可以看作是一種少無切削加工，刀具與工件接觸表面之間的法向力很小，機器人具有如人類手腕一般的自由活動能力，使得它非常適合于模具的自動拋光加工。</p><p>　　早期的研究主要集中在模仿手工拋光軌跡，隨后又引入了CAD/CAM自動進行軌跡規(guī)劃。上世紀(jì)80年代日本學(xué)者Satio、Miyoshi、Jeong在手工拋光的基礎(chǔ)上，展開了機器人拋光工藝的研究，如切削深度、進給速度、材料去除率、刀具、作用力、拋光軌跡等對拋

20、光質(zhì)量的影響。隨著傳感技術(shù)、微電子技術(shù)、智能技術(shù)，尤其是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，機器人拋光系統(tǒng)正向智能化、網(wǎng)絡(luò)化過渡，如韓國釜山大學(xué)開發(fā)了基于網(wǎng)絡(luò)的機器人自動拋光系統(tǒng)，新加坡開發(fā)了智能型機器人拋光系統(tǒng)。圖1.5所示為典型的機器人輔助模具拋光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。研拋機器人的末端執(zhí)行器和拋光工具的研究也漸漸的深入，柔性工具被普遍使用，硬質(zhì)工具拋光的效率高，但是質(zhì)量低于軟質(zhì)工具。各國研究學(xué)者陸續(xù)提出了磁力、空氣活塞和彈簧對拋光過程進行控制，以減小微小的位置

21、誤差對加工表面質(zhì)量造成的影響。</p><p>　　國內(nèi)對此研究相對比較晚，上世紀(jì)90年代，國內(nèi)華中科技大學(xué)以PUMA-562機器人為平臺開發(fā)了機器人拋光實驗系統(tǒng)；吉林工業(yè)大學(xué)進行了機器人超聲彈性研拋研究。北京航空航天大學(xué)的機器人研究所提出了一種用于復(fù)雜空間曲面拋光加工的機器人柔性拋光系統(tǒng)；中國科學(xué)院沈陽自動化所對機器人研磨拋光工藝，研磨拋光參數(shù)優(yōu)化設(shè)計方法進行了研究。</p><p>　

22、　機器人拋光比數(shù)控機床拋光更具優(yōu)越性，機器人柔性大，非常適合涉及復(fù)雜曲面加工的拋光操作。同時,拋光作用力小，精度要求低，正好避開了機器人剛性弱、精度差的缺點。文獻即論述了研拋機器人代替手工和大型設(shè)備加工大型模具的理論和嘗試。研究資料表明，由于機器人靈活性和可編程性充分體現(xiàn)了自動化裝備的優(yōu)點，特別是智能性、適應(yīng)性、機器作業(yè)的準(zhǔn)確性以及在各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在通過編程可重組的生產(chǎn)單元進行敏捷制造的裝備中，機器人化機器將占據(jù)非常重要的地

23、位。實踐研究表明，在自由曲面的精整加工中，機器人能夠提供更廣闊、更可靠的控制手段。將對我國的模具制造行業(yè)增添更大的活力，具有很大的研究發(fā)展空間和市場潛力。</p><p>　　1.4 結(jié)論及課題內(nèi)容</p><p>　　本課題提出技術(shù)思路以實現(xiàn)用小型裝備對大型自由曲面進行精整加工的目標(biāo)。本課題設(shè)計的是框架式移動機器人，以真空吸盤作為腳部結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)與加工曲面的定位，用兩根滾珠絲杠構(gòu)成十字交叉