引言

工業(yè)機器人自20世紀60年代問世以來，其研究和開發(fā)在工業(yè)發(fā)達國家中一直備受青睞。盡管各國對機器人的定義不盡相同，但都有可編程、擬人化、通用性等特點，是一種融機械工程、電子工程、計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)等多學(xué)科為一體的高新技術(shù)產(chǎn)品。隨著相關(guān)支撐學(xué)科的長遠發(fā)展，工業(yè)機器人的研究和開發(fā)正突飛猛進，其應(yīng)用領(lǐng)域進一步擴大。

我國機器人技術(shù)的研究工作起步較晚，雖已取得較大進展，但較之發(fā)達國家的水平仍有較大距離，應(yīng)積極探索適合我國國情的工業(yè)機器人應(yīng)用思路，開發(fā)低成本、高性價的實用型工業(yè)機器人。

1組合式工業(yè)機器人設(shè)計思路

目前機器人技術(shù)領(lǐng)域的研究工作從智能化程度來區(qū)分，主要分2個方向：一是全功能通用機器人的研究，追求高智能化，即在計算機控制下的視、觸、聽、嗅覺與肢體動作協(xié)調(diào)一致、高度擬人化的機器人；二是不過于強調(diào)機器人的智能化，提供價格和性能都能令人滿意的簡易型機器人。

根據(jù)我國的實際情況，我們認為工業(yè)機器人技術(shù)開發(fā)的思路應(yīng)從以下幾個方面進行考慮：

(1)實用性。應(yīng)能開發(fā)出市場急需的、功能實用的、滿足用戶要求的機器人。為此，應(yīng)強調(diào)功能實用性，不片面追求所謂的高科技和全面先進性，先進并不等于實用。

(2)快速性。能夠在盡可能短的時間內(nèi)實現(xiàn)機器人產(chǎn)品的快速制造，快速投放市場和發(fā)往用戶。

(3)高質(zhì)量。能夠生產(chǎn)出品質(zhì)優(yōu)良的機器人產(chǎn)品，機器人配置中關(guān)鍵部件必要時可采用進口產(chǎn)品，只有質(zhì)量好的機器人產(chǎn)品才能贏得用戶。

(4)低價格。價格往往是用戶購置機器人時考慮的首要因素。機器人開發(fā)應(yīng)盡可能選用標準件、通用件，減少自制件，控制成本，能夠向市場提供價格低廉的機器人產(chǎn)品。

(5)模塊化。采用模塊化的設(shè)計理念和配置組合、系統(tǒng)集成的制造思路。

綜上所述，工業(yè)機器人設(shè)計總體技術(shù)原理是：在成組技術(shù)指導(dǎo)下，針對多品種小批量生產(chǎn)的特點，面對生產(chǎn)線上的機臺和單元間的物品移置的工藝要求或是裝配、噴涂等作業(yè)的工藝要求，利用模塊化設(shè)計手段，選擇品質(zhì)優(yōu)良的控制模塊以及執(zhí)行模塊，按一定的坐標體系進行集成，實現(xiàn)工業(yè)機器人的快速制造。

其明顯的優(yōu)點在于：(1)簡化了結(jié)構(gòu)，兼顧了使用上的專用性和設(shè)計上的通用性。便于實現(xiàn)標準化、系列化和組織專業(yè)生產(chǎn)。(2)縮短了研制周期。能適應(yīng)工廠用戶的急需，在盡可能短的時間內(nèi)，快速制造出功能實用的滿足用戶要求的機器人產(chǎn)品。(3)提高了性能價格比。采用優(yōu)質(zhì)功能部件集成的方式，有利于保證機器人的質(zhì)量和降低成本。(4)具備了充分的柔性。以具備高可靠性的工控機為核心，控制模塊和伺服模塊可根據(jù)機器人及相應(yīng)周邊設(shè)備的工作要求，綜合運用步進驅(qū)動技術(shù)、交流伺服控制技術(shù)、微機氣動控制技術(shù)及變頻技術(shù)等，為機器人提供了充分的柔性。

2工業(yè)機器人組合式模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計

2．1工業(yè)機器人結(jié)構(gòu)配置方式及分析

圖l列出了幾種常規(guī)的工業(yè)機器人配置方式，按不同的坐標進行配置可歸納為以下幾種：直角坐標型、圓柱坐標型、球坐標型、關(guān)節(jié)坐標型和平面關(guān)節(jié)型(scARA型)‘11等。無疑，這些配置方式都是經(jīng)過實踐證明為經(jīng)濟可行的方式，也是組合式模塊化工業(yè)機器人坐標配置方式設(shè)計時所要借鑒和參照的方式。

通過對常用配置方式(常規(guī)坐標型)的機器人的運動分析可看到以下兩點：(1)基本動作可分解為體升降、臂伸縮、體旋轉(zhuǎn)、臂旋轉(zhuǎn)、腕旋轉(zhuǎn)等；(2)基本運動形式可分為直線運動和旋轉(zhuǎn)運動兩類。這啟發(fā)我們在設(shè)計機器人時，可充分利用能夠?qū)崿F(xiàn)直線運動和旋轉(zhuǎn)運動的通用部件(氣、液、電等)來進行功能組合，也就是說可以將經(jīng)過合適選擇的通用部件作為模塊來進行集成。這些部件可以作為一個獨立的基本模塊，也可以將幾個部件組合為一個復(fù)合模塊。顯然，配置方式應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品最終實現(xiàn)的功能要求來確定，同樣，模塊的分解也是基于產(chǎn)品應(yīng)滿足的功能要求下的模塊分解。


(a)直角坐標型 (b)圓柱坐標型 (c)球坐標型 (d)關(guān)節(jié)坐標型 (e)平面關(guān)節(jié)型
圖1工業(yè)機器人常規(guī)配置方式
2．2工業(yè)機器人組合式模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計

對所要設(shè)計的工業(yè)機器人進行功能分析，劃分并設(shè)計出一系列通用的功能模塊，并對這些模塊進行選擇和組合配置，就可以構(gòu)成不同功能，或功能相近但性能不同、價格不同的機器人產(chǎn)品。可見，在工業(yè)機器人設(shè)計中，采用組合式、模塊化設(shè)計思路可以很好地解決產(chǎn)品品種、規(guī)格與設(shè)計制造周期和生產(chǎn)成本之間的矛盾。工業(yè)機器人的組合式模塊化設(shè)計也為機器人產(chǎn)品快速更新?lián)Q代、提高產(chǎn)品質(zhì)量、方便維修、增強競爭力提供了條件。隨著敏捷制造時代的到來，模塊化設(shè)計會越來越顯示出其獨到的優(yōu)越性。工業(yè)機器人的組合式模塊化設(shè)計過程見圖2所示，圖3列出了初步設(shè)計的工業(yè)機器人模塊編碼結(jié)構(gòu)示意。


圖2 工業(yè)機器人組合式模塊化設(shè)計過程
2．3功能模塊的整體集成

2．3．1以功能模塊有機集成為前提的模塊組合

在對各功能模塊分解的基礎(chǔ)上，再將各功能模塊有機集成到一個系統(tǒng)中去，完成功能模塊的整體集成，最終形成組合式工業(yè)機器人系統(tǒng)。從系統(tǒng)工程角度研究其集成，可見集成的組合式工業(yè)機器人系統(tǒng)具有以下屬性：

(1)集合性。組合式工業(yè)機器人系統(tǒng)是由兩個以上具有獨立特性的模塊所構(gòu)成。

(2)相關(guān)性。構(gòu)成系統(tǒng)的模塊之間具有相互聯(lián)系，這意味著其中的一個模塊發(fā)生變化，都會對其他模塊產(chǎn)生影響，因此，要研究各模塊的影響范圍、影響方式和影響程度。

(3)整體性。組合式工業(yè)機器人系統(tǒng)應(yīng)是一個有機的整體，對內(nèi)呈現(xiàn)各模塊間的最優(yōu)組合，使信息流暢、反饋敏捷，對外則呈現(xiàn)出整體特性，要研究系統(tǒng)內(nèi)各模塊發(fā)生變化時對整體特性的影響。

(4)目的性。組合式工業(yè)機器人系統(tǒng)是為實現(xiàn)特定的目的而存在，具有一定的功能。集成并不是簡單地將各組成模塊聯(lián)接起來，而是模塊間的有機組合。

(5)環(huán)境適應(yīng)性。一般情況下，系統(tǒng)與外部環(huán)境之間總有能量交換、物質(zhì)交換和信息交換。環(huán)境對系統(tǒng)的作用為輸入，系統(tǒng)對環(huán)境的作用為輸出。作為移置機臺或物品的組合式工業(yè)機器人，物品對系統(tǒng)的作用為輸入，系統(tǒng)對物品的作用為輸出。這樣的機器人其工作特性不應(yīng)受環(huán)境的影響，能在環(huán)境對系統(tǒng)的輸入發(fā)生變化時，通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)的有關(guān)參數(shù)，始終使系統(tǒng)處于最佳運行狀態(tài)，實現(xiàn)對相似機臺或物品的移置。