Festo六軸工業(yè)機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及控制系統(tǒng)二次開(kāi)發(fā)含SW三維圖
Festo六軸工業(yè)機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及控制系統(tǒng)二次開(kāi)發(fā)含SW三維圖,festo,工業(yè),機(jī)械手,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),控制系統(tǒng),二次開(kāi)發(fā),sw,三維
一、選題依據(jù)
1．論文（設(shè)計(jì)）題目 Festo 六軸工業(yè)機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及控制系統(tǒng)二次開(kāi)發(fā)
2．研究領(lǐng)域
本題目的研究領(lǐng)域?qū)儆诠I(yè)機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人是集機(jī)械、電子、控制、計(jì)算機(jī)、傳感器、人工智能等多學(xué)科先進(jìn)技術(shù)于一體的現(xiàn)代制造業(yè)重要的自動(dòng)化裝備。它涉及機(jī)械工程學(xué)、控制工程學(xué)以及人工智能工程學(xué)等等多門(mén)尖端學(xué)科。
3．論文（設(shè)計(jì)）工作的理論意義和應(yīng)用價(jià)值
本機(jī)械手設(shè)計(jì)是基于實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的 Festo 六軸工業(yè)機(jī)械手，具有一定的實(shí)用性。本文擬開(kāi)展工業(yè)機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)和其控制系統(tǒng)終端開(kāi)發(fā)的探究，為工業(yè)自動(dòng)化提供參考。機(jī)械手在工業(yè)上應(yīng)用越來(lái)越廣泛，工業(yè) 4.0 的重要環(huán)節(jié)之一是確保加工前后序環(huán)節(jié)的自動(dòng)化，六軸工業(yè)機(jī)械手高度自動(dòng)化機(jī)器，在工業(yè)生產(chǎn)中能代替人做某些單調(diào)、頻繁和重復(fù)的長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)，或是危險(xiǎn)、惡劣環(huán)境下的作業(yè)。由于工業(yè)機(jī)器人具有一定的通用性和適應(yīng)性，能適應(yīng)多品種中、小批量的生產(chǎn)，成為柔性制造單元或柔性制造系統(tǒng)的組成部分。
4．目前研究的概況和發(fā)展趨勢(shì)
隨著電子技術(shù)有了一定的發(fā)展，在產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域出現(xiàn)了受計(jì)算機(jī)控制的可編程的數(shù)控機(jī)床，人類(lèi)需要開(kāi)發(fā)機(jī)械代替人手去勞動(dòng)，在這一背景下，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的研發(fā)得到快速發(fā)展。
國(guó)外：1959 年，戴沃爾與美國(guó)發(fā)明家英格伯格聯(lián)手制造出第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人。
1967 年，日本川崎重工公司和豐田公司分別從美國(guó)購(gòu)買(mǎi)了工業(yè)機(jī)器人 Unimation 和
Verstran 的生產(chǎn)許可證。日本從此開(kāi)始了機(jī)器人的研制。20 世紀(jì) 60 年代，噴漆弧焊機(jī)器人問(wèn)世并逐步發(fā)展應(yīng)用于工業(yè)。1969 年，日本早稻田大學(xué)加藤一朗實(shí)驗(yàn)室研發(fā)出第一臺(tái)雙腳走路機(jī)器人。帶有視覺(jué)傳感器，能根據(jù)人的指令發(fā)現(xiàn)并抓取積木。1979 年，美國(guó) Unimation 公司推出通用工業(yè)機(jī)器人，標(biāo)志著工業(yè)機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)成熟。
1979 年，日本山梨大學(xué)牧野洋發(fā)明了平面關(guān)節(jié)型 SCARA 機(jī)器人，該型機(jī)器人在以后裝配作業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。目前，世界上工業(yè)機(jī)器人無(wú)論是從技術(shù)水平上還是從已裝配的數(shù)量上都日趨成熟，優(yōu)勢(shì)集中在以日、美為代表的少數(shù)幾個(gè)發(fā)達(dá)的工業(yè)化國(guó)家，已經(jīng)成為一種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備被工業(yè)界廣泛應(yīng)用。
國(guó)內(nèi)：我國(guó)機(jī)器人技術(shù)起步較晚，從 20 世紀(jì) 80 年代初才開(kāi)始。全國(guó)第一個(gè)機(jī)
器人研究示范工程 1986 年在沈陽(yáng)建成。目前我國(guó)已經(jīng)基本掌握了機(jī)器人設(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)和軌道規(guī)劃技術(shù)。開(kāi)發(fā)出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人。20 世紀(jì) 90 年代中期，我國(guó) 6000m 以下深水作業(yè)機(jī)器人試驗(yàn)成功。以后近十年中，在步行機(jī)器人、精密裝配機(jī)器人、多自由度關(guān)節(jié)機(jī)器人的研制等國(guó)際前沿領(lǐng)域，我國(guó)逐步縮小了與世界先進(jìn)水平的差距。目前機(jī)械手大部分還屬于第一代，主要依靠人工控制。第二代機(jī)械手設(shè)有微型電子計(jì)算控制系統(tǒng)， 具有視覺(jué)、觸覺(jué)能力，甚至聽(tīng)、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺(jué)到的信息反饋，使機(jī)械手具有感覺(jué)機(jī)能。雖然目前我國(guó)機(jī)器人還處于初級(jí)階段，國(guó)產(chǎn)六軸機(jī)
器人產(chǎn)量低迷，核心部件減速器等依然依賴(lài)進(jìn)口，但這不影響中國(guó)市場(chǎng)已成為全球最大的市場(chǎng)。而且，我國(guó)提出的中國(guó)制造 2025 發(fā)展戰(zhàn)略，為我國(guó)國(guó)內(nèi)的機(jī)器人發(fā)展奠定了深厚的基礎(chǔ)和支持。
目前國(guó)內(nèi)機(jī)器人使用的減速機(jī)、伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)還是以國(guó)外供應(yīng)為主，其中日本為最大的減速機(jī)出口國(guó)。而國(guó)內(nèi)的研制減速機(jī)的上市公司以及擬上市公司有秦川發(fā)展和華恒焊接，匯川技術(shù)、英威騰、科遠(yuǎn)股份、華中數(shù)控研制驅(qū)動(dòng)器。在非上市公司中，廣州數(shù)控和南京埃斯頓除了減速機(jī)沒(méi)有批量生產(chǎn)，機(jī)器人的各個(gè)環(huán)節(jié)都有涉足。
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)殪`活應(yīng)用機(jī)器人技術(shù)的、具有實(shí)際動(dòng)作功能的智能化系統(tǒng)。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。
二、論文（設(shè)計(jì)）研究的內(nèi)容
1.重點(diǎn)解決的問(wèn)題
（1）提出六軸工業(yè)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，選用合適的三維軟件，進(jìn)行六軸工業(yè)機(jī)械手三維實(shí)體設(shè)計(jì)。
（2）六軸工業(yè)機(jī)械手抓取端蓋動(dòng)作程序開(kāi)發(fā)。
2.擬開(kāi)展研究的幾個(gè)主要方面（論文寫(xiě)作大綱或設(shè)計(jì)思路）
六軸工業(yè)機(jī)械手本身就是以我們?nèi)说氖直圩鳛閰⒄斩O(shè)計(jì)出來(lái)的，即跟人的手臂一樣，其運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)（擺動(dòng)）、移動(dòng)或復(fù)合運(yùn)動(dòng)作，改變被抓持物件的位置和姿勢(shì)。設(shè)計(jì)應(yīng)了解工業(yè)機(jī)器人的功能和結(jié)構(gòu)，并提出六軸工業(yè)機(jī)械手結(jié)構(gòu)方案，為實(shí)現(xiàn)方案的可行化程度再進(jìn)行三維實(shí)體設(shè)計(jì)。機(jī)械結(jié)構(gòu)需模塊化、可重構(gòu)化，采用關(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，由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造工業(yè)機(jī)械手整機(jī)。了解工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的原理，以用戶(hù)角度對(duì)工業(yè)機(jī)器人做控制分析，學(xué)習(xí) G 代碼，其控制系統(tǒng)要基于 PC 機(jī)的開(kāi)放型控制器，通過(guò)嵌入式的實(shí)操手柄和電腦無(wú)線(xiàn)通訊的仿真上位機(jī)進(jìn)行終端控制。本設(shè)計(jì)的研究重點(diǎn)在于控制系統(tǒng)的用戶(hù)開(kāi)發(fā)，基于實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的 Festo 六軸工業(yè)機(jī)械手，根據(jù)其抓取端蓋功能，完成整套的設(shè)計(jì)任務(wù)和具體實(shí)現(xiàn)。
3.本論文（設(shè)計(jì)）預(yù)期取得的成果。
通過(guò)對(duì)工業(yè)機(jī)器人的相關(guān)技術(shù)的學(xué)習(xí)和研究，制定出六軸工業(yè)機(jī)械手的整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，并運(yùn)用三維軟件繪制出實(shí)體模型。開(kāi)發(fā)出一套工業(yè)機(jī)器人的控制程序，并在 PC 端上位機(jī)仿真軟件中模擬，最后結(jié)合實(shí)驗(yàn)室六軸工業(yè)機(jī)械手及手部安裝的傳感器，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手在空間中做區(qū)域位置判斷和任意動(dòng)作，并完成夾取端蓋的具體任務(wù)。
三、論文（設(shè)計(jì)）工作安排
1.擬采用的主要研究方法（技術(shù)路線(xiàn)或設(shè)計(jì)參數(shù)）；
本研究課題為六自由度工業(yè)機(jī)械手的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及操作控制，其中以操作控制的開(kāi)發(fā)為重點(diǎn)，任務(wù)是對(duì)端蓋從 A 點(diǎn) B 姿態(tài)夾取放置在 C 點(diǎn) D 姿態(tài)。明確任務(wù)， 首先對(duì)工業(yè)機(jī)器人功能和結(jié)構(gòu)進(jìn)行初步了解，查閱現(xiàn)有文獻(xiàn)，分析目前工業(yè)機(jī)器人企業(yè)已有的相關(guān)機(jī)械手產(chǎn)品，提出本機(jī)械手整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，其中包含相關(guān)機(jī)械設(shè)計(jì)參數(shù)，通過(guò)三維實(shí)體設(shè)計(jì)直觀(guān)表達(dá)。掌握工業(yè)機(jī)器人的操作流程，學(xué)習(xí)機(jī)器人語(yǔ)言和仿真軟件運(yùn)用，結(jié)合傳感器系統(tǒng)，優(yōu)化路徑和診斷動(dòng)作，設(shè)置多項(xiàng)程序變量，開(kāi)發(fā)出本一套靈活的、智能的控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)程序。再結(jié)合實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的設(shè)備， 實(shí)踐設(shè)計(jì)的可行性。
2.論文（設(shè)計(jì)）進(jìn)度計(jì)劃
第 1 周：下達(dá)設(shè)計(jì)任務(wù)，介紹設(shè)計(jì)內(nèi)容和具體要求。查閱文獻(xiàn)，了解課題。
第 2 周：撰寫(xiě)開(kāi)題報(bào)告和文獻(xiàn)綜述。
第 3 周：修改完善開(kāi)題報(bào)告和文獻(xiàn)綜述。確定外文翻譯文章。
第 4 周：完成外文翻譯。開(kāi)題答辯。
第 5 周：了解六軸工業(yè)機(jī)器人基本知識(shí)，包括組成、技術(shù)參數(shù)、分類(lèi)及應(yīng)用。并針對(duì)某一具體六軸工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行全面詳細(xì)的剖析。為課題設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備。
第 6 周：對(duì)六軸工業(yè)機(jī)械手的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出若干設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行比較篩選。擬定結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，出整體結(jié)構(gòu)草圖，分析參數(shù)可行性。
第 7 周：對(duì)六軸工業(yè)機(jī)械手進(jìn)行三維實(shí)體設(shè)計(jì)，根據(jù)初步的尺寸參數(shù)，繪制所需零件和部件的 3D 圖，并在繪制過(guò)程中可完善設(shè)計(jì)參數(shù)。
第 8 周：繼續(xù)對(duì)六軸工業(yè)機(jī)械手進(jìn)行三維實(shí)體設(shè)計(jì)，將繪制好的零件和部件進(jìn)行裝配，并可模擬拖動(dòng)。裝配過(guò)程中可繼續(xù)完善設(shè)計(jì)參數(shù)。
第 9 周：了解六軸工業(yè)機(jī)械手控制方式和流程，收集相關(guān)產(chǎn)品資料，結(jié)合機(jī)械結(jié)構(gòu)，傳感系統(tǒng)，控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)出控制系統(tǒng)框圖。為機(jī)器人的控制操作做準(zhǔn)備。第 10 周到 12 周：學(xué)習(xí) G 語(yǔ)言， 掌握數(shù)控仿真仿真軟件的運(yùn)用，結(jié)合仿真效
果，熟悉六軸工業(yè)機(jī)械手的控制程序并編寫(xiě)。PC 端測(cè)試無(wú)誤，則對(duì)現(xiàn)有平臺(tái)進(jìn)行實(shí)操，完成端蓋的夾取任務(wù)。
第 13 周：整理設(shè)計(jì)資料，結(jié)合同學(xué)和老師的建議，根據(jù)要求編寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)，。
第 14 周：修改完善設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)，準(zhǔn)備答辯。
四、需要閱讀的參考文獻(xiàn)
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附：文獻(xiàn)綜述或報(bào)告
1. 引言
文獻(xiàn)綜述
工業(yè)機(jī)器人是集機(jī)械、電子、控制、計(jì)算機(jī)、傳感器、人工智能等多學(xué)科先進(jìn)技術(shù)于一體的現(xiàn)代制造業(yè)重要的自動(dòng)化裝備。工業(yè)機(jī)器人作為自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)上的重要成員，其技術(shù)水平和應(yīng)用程度在一定程度上反映了一個(gè)國(guó)家工業(yè)自動(dòng)化的水平，目前， 工業(yè)機(jī)器人主要承擔(dān)著焊接、噴涂、搬運(yùn)以及堆垛等等強(qiáng)干擾惡劣環(huán)境，重復(fù)性并且勞動(dòng)強(qiáng)度極大的工作，工作方式一般采取示教再現(xiàn)的方式。機(jī)器人技術(shù)是具有前瞻性、戰(zhàn)略性的高技術(shù)領(lǐng)域。
然而，國(guó)外已經(jīng)研制和生產(chǎn)了各種不同的標(biāo)準(zhǔn)組件，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越我國(guó)，我國(guó)進(jìn)口的工業(yè)機(jī)器人主要來(lái)自日本，因此作為制造大國(guó)，應(yīng)在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域自力更生，創(chuàng)新進(jìn)取。本設(shè)計(jì)是擬開(kāi)展工業(yè)機(jī)器人的整體機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)終端開(kāi)發(fā)，為工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域提供助力。
2. 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)成套設(shè)備已成為自動(dòng)化裝備的主流及未來(lái)的發(fā)展方向。各國(guó)都對(duì)工業(yè)機(jī)器人的研究和開(kāi)發(fā)做大量投入，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)得到突飛猛進(jìn)。
國(guó)外概況：國(guó)外的工業(yè)機(jī)器人研究概況優(yōu)于我國(guó)。以智能化為主要方向，美國(guó)企業(yè)一方面加大對(duì)新材料的研發(fā)力度，力爭(zhēng)大幅降低機(jī)器人自重與負(fù)載比，一方面加快發(fā)展視覺(jué)、觸覺(jué)等人工智能技術(shù)，如視覺(jué)裝配的控制和導(dǎo)航[5]。日本產(chǎn)業(yè)體系配套完備，政府大力推動(dòng)應(yīng)用普及和技術(shù)突破。日本工業(yè)機(jī)器人完備的配套產(chǎn)業(yè)體系，在控制器、傳感器、減速機(jī)、伺服電機(jī)、數(shù)控系統(tǒng)等關(guān)鍵零部件方面，均具備較強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，呈現(xiàn)出以工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)帶動(dòng)服務(wù)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)[3]。德國(guó)帶動(dòng)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)改造升級(jí)，政府資助人機(jī)交互技術(shù)及軟件開(kāi)發(fā)。通過(guò)智能人機(jī)交互傳感器， 人類(lèi)可借助物聯(lián)網(wǎng)對(duì)下一代工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)程管理，機(jī)器人還具備生產(chǎn)間隙的“網(wǎng)絡(luò)喚醒模式”，以解決使用中的高能耗問(wèn)題，促進(jìn)制造業(yè)的綠色升級(jí)。
國(guó)內(nèi)概況：中國(guó)面臨核心技術(shù)被發(fā)達(dá)國(guó)家控制等挑戰(zhàn)，中國(guó)在機(jī)器人領(lǐng)域的部分技術(shù)已達(dá)到或接近國(guó)際先進(jìn)水平。機(jī)器人涉及的技術(shù)較多，大體可分為器件技術(shù)、系統(tǒng)技術(shù)和智能技術(shù)[3]。中國(guó)在通用零部件、信息網(wǎng)絡(luò)等部分器件和系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域與發(fā)達(dá)國(guó)家的差距在 10 年左右，而對(duì)智能化程度要求不高的焊接、搬運(yùn)、清潔、碼垛、包裝機(jī)器人的國(guó)產(chǎn)化率較高。近年來(lái)，中國(guó)在人工智能方面的研發(fā)也有所突破，中國(guó)科學(xué)院和多所著名高校都培育出專(zhuān)門(mén)從事人工智能研究的團(tuán)隊(duì)，機(jī)器人學(xué)習(xí)、仿生識(shí)別、數(shù)據(jù)挖掘以及模式、語(yǔ)言和圖像識(shí)別技術(shù)比較成熟。
3. 工業(yè)機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì)
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷向智能化方向發(fā)展，機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展和深化以及在系統(tǒng)（FMS、CIMS）中的群體應(yīng)用，工業(yè)機(jī)器人也在不斷向智能化方向發(fā)展，以適應(yīng)“敏捷制造”，滿(mǎn)足多樣化、個(gè)性化的需要，并適應(yīng)多變的非結(jié)構(gòu)環(huán)境作業(yè)，向非制造領(lǐng)域進(jìn)軍[6]。從優(yōu)化設(shè)計(jì)、材料優(yōu)選、加工工藝、裝配技術(shù)、專(zhuān)用制造裝備、產(chǎn)業(yè)化能力等多方面入手，全面提升高精密減速器、高性能機(jī)器人專(zhuān)用伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器、高速高性能控制器、傳感器、末端執(zhí)行器等五大關(guān)鍵零部件的質(zhì)量穩(wěn)定性和批量生產(chǎn)能力，突破技術(shù)壁壘，打破長(zhǎng)期依賴(lài)進(jìn)口的局面。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)[2]。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，控制器件集成度提高，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)的可控性、易操作性和可維修性。
（1）感覺(jué)功能：感覺(jué)功能方面將實(shí)現(xiàn)多傳感器信息的融合，以檢測(cè)多變的外部環(huán)境，做出判斷和決策，其實(shí)質(zhì)類(lèi)似于人的五官和身體的綜合感覺(jué)功能，包括視覺(jué)、
觸覺(jué)、力覺(jué)、滑覺(jué)、接近覺(jué)、壓覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、味覺(jué)、臭覺(jué)、溫覺(jué)等。研究包括各類(lèi)傳感信息的采集及融合處理、傳感器與驅(qū)動(dòng)器一體化技術(shù)、感覺(jué)功能繼承模塊等。
（2）控制智能化：由引導(dǎo)教向 NC，離線(xiàn)編程發(fā)展，進(jìn)而發(fā)展到進(jìn)一步應(yīng)用。隨著系統(tǒng)化、集成化生產(chǎn)的發(fā)展，基于 PC 的開(kāi)放式控制系統(tǒng)將機(jī)器人控制和車(chē)間一級(jí)控制的發(fā)展方向，國(guó)外專(zhuān)家預(yù)測(cè)，2007 年它將占 30％。
（3）移動(dòng)功能的智能化：為解決長(zhǎng)距離搬運(yùn)作業(yè)、大作業(yè)對(duì)象、多作業(yè)對(duì)象及極限作業(yè)等問(wèn)題，需開(kāi)發(fā)自主移動(dòng)系統(tǒng)（包括滑動(dòng)、滾動(dòng)、行走、爬行、跳躍、飛行等）。
（4）系統(tǒng)應(yīng)用與集成化：支持以人為核心的生產(chǎn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)中機(jī)器人群體協(xié)調(diào)功能、群智能和多機(jī)通訊協(xié)議，開(kāi)發(fā)能理解人的意志的“同事機(jī)器人”。國(guó)外專(zhuān)家預(yù)測(cè)，2000 你后有可能 IMS 要走向 MA(R)S（多智能體系統(tǒng)），而該系統(tǒng)中的“同事機(jī)器人”（Cobot）將成為操作人員不可或缺的伙伴。圍繞著各種機(jī)器人與人共存的諸多課題，正在興起一門(mén)新學(xué)科“軟機(jī)器人學(xué)”。
（5）安全可靠性：由于大量不確定因素的存在，要實(shí)現(xiàn)智能化的安全可靠性， 機(jī)器人必須具有對(duì)各種意外情況的應(yīng)變能力，及時(shí)采取預(yù)防措施和安全對(duì)策，包括硬件級(jí)、軟件級(jí)、應(yīng)用級(jí)和人機(jī)系統(tǒng)級(jí)的自診斷和自修復(fù)故障。
（6）微型化：向微型化發(fā)展，開(kāi)發(fā)毫米級(jí)機(jī)器人，用于微加工、醫(yī)學(xué)、宇宙和海洋開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域。就使用性和成本來(lái)看，毫米級(jí)最可行。
（7）多傳感器信息融合與配置技術(shù)：①機(jī)器人的傳感器配置和融合技術(shù)在水泥生產(chǎn)過(guò)程控制和污水處理自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用包括面向工藝過(guò)程的多傳感器融合 和配置技術(shù)；采用智能傳感器的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)；面向工藝要求的新型傳感器研制。② 機(jī)電一體化智能傳感器：包括具有感知、自主運(yùn)動(dòng)、自清污（自調(diào)整、自適應(yīng)）的機(jī)電一體化傳感器研究；面向工藝要求的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)檢測(cè)和清污的自主運(yùn)動(dòng)； 調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)；機(jī)器人機(jī)構(gòu)和控制技術(shù)在傳感器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。
4. 工業(yè)機(jī)械手結(jié)構(gòu)
工業(yè)機(jī)械手主要由機(jī)械臂，機(jī)械手抓和伺服傳動(dòng)組成。機(jī)械手抓部分是抓持的最關(guān)鍵部分，一般是由各方向轉(zhuǎn)動(dòng)、伸展、縮回、升降等復(fù)合動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的功能作用，實(shí)現(xiàn)被抓持或周轉(zhuǎn)工件的姿勢(shì)、位置。機(jī)械臂各方向轉(zhuǎn)動(dòng)、伸展、縮回、升降為獨(dú)立式軌跡運(yùn)動(dòng)，為智能機(jī)械手的多自由度。為實(shí)現(xiàn)能在一定運(yùn)行軌跡范圍內(nèi)任意方位、位置的被抓取空間工件，需要有六個(gè)靈活的自由度。多自由度參數(shù)設(shè)計(jì)是機(jī)械手的關(guān)鍵，因此自由旋轉(zhuǎn)角度越多，機(jī)械手的使用范圍就越廣，適用行業(yè)性就越大， 其結(jié)構(gòu)、自由度控制難度相對(duì)也就越復(fù)雜[1]。機(jī)械結(jié)構(gòu)主要是手部分、各自由轉(zhuǎn)軸關(guān)節(jié)及擺動(dòng)力臂，其中抓手是根據(jù)所抓起的物體來(lái)設(shè)計(jì)，有的需要設(shè)計(jì)抓起夾具，有的平面結(jié)構(gòu)物體則需要安裝吸從機(jī)械結(jié)構(gòu)來(lái)看，盤(pán)的結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)等。工業(yè)機(jī)器人總體上分為串聯(lián)機(jī)器人和并聯(lián)機(jī)器人。串聯(lián)機(jī)器人的特點(diǎn)是一個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)會(huì)改變另一個(gè)軸的坐標(biāo)原點(diǎn)，而并聯(lián)機(jī)器人所采用的并聯(lián)機(jī)構(gòu)，其一個(gè)軸運(yùn)動(dòng)則不會(huì)改變另一個(gè)軸的坐標(biāo)原點(diǎn)。1978 年，Hunt 首次提出把六自由度機(jī)構(gòu)作為機(jī)器人操作器，機(jī)器人具有剛度大、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、承載能力大、微動(dòng)精度高、運(yùn)動(dòng)負(fù)荷小的優(yōu)點(diǎn)。工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)可以具有冗余自由度，冗余度機(jī)器人是指關(guān)節(jié)自由度大于操作自由度的機(jī)器 人。多余的自由度可用來(lái)改善機(jī)器人的靈活性、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)性能，提高避障能力。旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力作用點(diǎn)，一般由電機(jī)通過(guò)減速器驅(qū)動(dòng)。減速器是機(jī)器人的關(guān)鍵部件，其成本約占機(jī)器人本體成本的 1/3，目前主要使用兩種類(lèi)型的減速器： 諧波齒輪減速器和 RV 減速器[4]。
5. 工業(yè)機(jī)械手控制系統(tǒng)
機(jī)器人控制系統(tǒng)是機(jī)器人的大腦，是決定機(jī)器人功能和性能的主要因素。工業(yè)機(jī)器人控制技術(shù)的主要任務(wù)就是控制工業(yè)機(jī)器人在工作空間中的運(yùn)動(dòng)位置、姿態(tài)和軌
跡、操作順序及動(dòng)作的時(shí)間等。具有編程簡(jiǎn)單、軟件菜單操作、友好的人機(jī)交互界面、在線(xiàn)操作提示和使用方便等特點(diǎn)[10]。開(kāi)放性模塊化的控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)采用分布式
CPU 計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，分為機(jī)器人控制器(RC)，運(yùn)動(dòng)控制器(MC)，光電隔離 I/O 控制板、傳感器處理板和編程示教盒等。機(jī)器人控制器(RC)和編程示教盒通過(guò)串口/CAN 總線(xiàn)進(jìn)行通訊。機(jī)器人控制器(RC)的主計(jì)算機(jī)完成機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、插補(bǔ)和位置伺服以及主控邏輯、數(shù)字 I/O、傳感器處理等功能，而編程示教盒完成信息的顯示和按鍵的輸入。模塊化層次化的控制器軟件系統(tǒng)建立在基于開(kāi)源的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)Linux 上， 采用分層和模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)軟件系統(tǒng)的開(kāi)放性。整個(gè)控制器軟件系統(tǒng)分為三個(gè)層次：硬件驅(qū)動(dòng)層、核心層和應(yīng)用層。三個(gè)層次分別面對(duì)不同的功能需求，對(duì)應(yīng)不同層次的開(kāi)發(fā)，系統(tǒng)中各個(gè)層次內(nèi)部由若干個(gè)功能相對(duì)對(duì)立的模塊組成，這些功能模塊相互協(xié)作共同實(shí)現(xiàn)該層次所提供的功能。機(jī)器人的故障診斷與安全維護(hù)技術(shù)通過(guò)各種信息，對(duì)機(jī)器人故障進(jìn)行診斷，并進(jìn)行相應(yīng)維護(hù)，是保證機(jī)器人安全性的關(guān)鍵技術(shù)。當(dāng)前機(jī)器人的應(yīng)用工程由單臺(tái)機(jī)器人工作站向機(jī)器人生產(chǎn)線(xiàn)發(fā)展，機(jī)器人控制器的聯(lián)網(wǎng)技術(shù)變得越來(lái)越重要?？刂破魃暇哂写凇F(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)及以太網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)功能?？捎糜跈C(jī)器人控制器之間和機(jī)器人控制器同上位機(jī)的通訊，便于對(duì)機(jī)器人生產(chǎn)線(xiàn)進(jìn)行監(jiān)控、診斷和管理。
6. 工業(yè)機(jī)械手程序控制
機(jī)器人的控制系統(tǒng)不僅要能夠支持機(jī)器人編程、控制，還要支持機(jī)器人與外圍設(shè)備、傳感器的接口、和計(jì)算機(jī)的通信等，系統(tǒng)應(yīng)提供操作者編輯和運(yùn)行機(jī)器人程序的方式。機(jī)器人程序編輯狀態(tài)和執(zhí)行狀態(tài)是互斥的，即程序在編輯時(shí)不可運(yùn)行，在運(yùn)行時(shí)不可編輯。在編輯狀態(tài)下，操作者可以進(jìn)行程序文本的編輯操作如機(jī)器人指令的添加、修改、刪除和機(jī)器人位姿點(diǎn)的修改，也可以進(jìn)行程序文件的新建、復(fù)制、粘貼等操作[11]。在程序執(zhí)行狀態(tài)，機(jī)器人順序執(zhí)行機(jī)器人的每一條指令。操作者應(yīng)該還能調(diào)試發(fā)現(xiàn)并修改程序中的錯(cuò)誤。例如在程序執(zhí)行過(guò)程中，某一個(gè)機(jī)器人位置的關(guān)節(jié)角超過(guò)限制，因此機(jī)器人不能執(zhí)行此條指令，這時(shí)應(yīng)該立即停止程序的執(zhí)行并在人機(jī)界面上顯示錯(cuò)誤信息。操作者可切換至編輯界面修改程序中的錯(cuò)誤。和計(jì)算機(jī)語(yǔ)言類(lèi)似， 機(jī)器人語(yǔ)言可以編譯，即把機(jī)器人源程序轉(zhuǎn)換成機(jī)器碼或可供機(jī)器人控制器執(zhí)行的目標(biāo)代碼，以便機(jī)器人控制柜能直接讀取和執(zhí)行。機(jī)器人一般只用其專(zhuān)用的語(yǔ)言進(jìn)行編程而不使用計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言和 G 代碼，是由機(jī)器人控制的復(fù)雜性決定的。因?yàn)樵跈C(jī)器人控制中用到各種運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)算法等，這些算法只是開(kāi)發(fā)人員需要涉及的， 而用戶(hù)不需關(guān)心，可以用機(jī)器人語(yǔ)言將其封裝起來(lái)。而且，機(jī)器人在三維空間中工作， 需要有對(duì)空間物體的描述方法。
7. 六軸工業(yè)機(jī)械手
六軸工業(yè)機(jī)械手（抓取端蓋）的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)屬于機(jī)電一體。難度很大，本次研究基于實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的 Festo 六軸工業(yè)機(jī)械手抓取端蓋功能，對(duì)其工業(yè)機(jī)械手進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)完成抓取端蓋動(dòng)作的控制系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，確保動(dòng)作準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)。其中研究重點(diǎn)為控制系統(tǒng)終端開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，并編寫(xiě)開(kāi)發(fā)程序。根據(jù)機(jī)械原理、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等的相關(guān)課程知識(shí)，設(shè)計(jì)出工業(yè)機(jī)械手的整體結(jié)構(gòu)，并完成三維實(shí)體模型的繪制。然后再基于機(jī)械控制工程，數(shù)控技術(shù)和機(jī)電控制系統(tǒng)等的相關(guān)課程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合人機(jī)交互，學(xué)習(xí)操作指令，編寫(xiě)控制程序，運(yùn)用 PC 端仿真軟件到實(shí)操等。本次解決設(shè)計(jì)過(guò)程中的難點(diǎn)重點(diǎn)問(wèn)題，預(yù)期完成六軸工業(yè)機(jī)械手精確抓取端蓋。
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