1、文献综述自由曲面研抛微小机器人设计1文献综述正文11国外机器人的发展现状自从20世纪60年代机器人在美国诞生以来，世界各发达国家竞相竞争这个象征机电一体化最高成就领域的领先地位。日本在1967年由川崎重工业公司从美UNIMATION公司引进了机器人和机器人技术，建立起生产车间，并于1968年试制出第一台川崎的“尤尼曼特”机器人，从那时起，日本有了自己的机器人技术，并开始向这个高技术领域的制高点进攻。80年代中期,日本一跃成为“机器人王国”，其机器人的产量和安装的台数在国际上跃居首位1。1961年，美国CONSOLIDATEDCONTROLCORP和AMF公司联合制造了第一台实用的示教再现型工业
2、机器人，迄今为止，世界上对工业机器人的研究已经经历了四十余年的历程，日本、美国、法国、德国的机器人产业已日趋成熟和完善2。111吸盘式机器人研究方面的成果美国密歇根州立大学研制了两种双足结构的小型爬壁机器人，均采用真空吸附方式。1997美国西雅图的HENRYRSEEMANN由波音公司的资助研制出一种真空吸附履带式爬壁机器人“AUTOCRAWLER”。机器人两条履带上各装有数个微小吸附室，随着履带的移动,吸附室连续地形成真空腔而使得履带贴紧壁面行走。2006年，CARNEGIEMELLONUNIVERSITY基于壁虎爬行的原理研究制造一种爬壁机器人，它可以完成检查、监督、探测、和清洗等特定工作。
3、1966年，日本大阪府立大学工学部的西亮讲师成功研制了利用风扇进气侧低压作用作为吸附力的垂直移动机器人的原理样机，并且于1975年制作了以实用化为目标的第二号样机，采用单吸盘结构，这也是世界上出现最早的爬壁机器人。日本东京工业大学制做了一种爬壁机器人“NINJA”，可以在不同表面地面、墙壁、桌面上爬行并且具有较高的静载荷能力。脚步为三自由度并联机构，安装了真空吸盘，用来吸附在工作表面。1999年，意大利的CASSINO大学机器人制造实验室的GIORGIOFIGLIOLINI等人研制了一种电动气动联合驱动的双足行走机器人EPWAR，机器人脚步用真空吸盘吸附表面，使机器人可以实现行走的任务。112
4、其他类型机器人的研究美国不仅仅致力于服务机器人和工业机器人的研究，其对军用机器人的发展更是格外的重视。施乐公司的帕洛阿尔托研究中心正在研究一种可变形状的机器人，大小像网球，外形为12面体，众多的表面使得它们便于相互连结，从而使得机器人可以选择最适合环境的外形配置，呈现不同的形状。军工企业巨头BAE系统公司正在为美军打造的这支“电子昆虫”部队将会成为士兵在战场上的耳目，用来挽救数千人的性命。在美国国防高级研究计划局和海军装备研究局的赞助下IROBOT公司研制出了“羚羊”型海底机器人。这种海底机器人有六条腿，每条腿都有一个两自由度的关节，这样的设计使它能够比较轻松地越过海底障碍和裂缝。“羚羊”型所
5、有电子器件都放置在一个耐压防水壳体内，能够承受很大的压力，可以放心大胆地在浅水区进行排雷清障工作而不必担心爆炸和冲击对它所造成的影响。同时美国北卡罗莱纳州立大学设计出了一种跳跃机器人。对于日本方面，目前日本在机器人的生产、出口和使用上都居世界榜首，日本国内装配有41万台各类机器人，产业用机器人已经广泛应用于各类企业中，就连许多中小企业也将机器人用于生产；据日本机器人工业会的统计报告，2004年工业机器人产值5768亿日元，其中日本国内销售为2724亿日元，国外销售3045亿日元。表11是世界主要一些国家机器人研究的情况日本韩国欧盟美国工业机器人极为突出一般很突出一般仿人型机器人极为突出很突出一
6、般一般个人/家用机器人极为突出很突出一般一般服务机器人突出很突出突出突出生物、医疗机器人技术一般一般很突出很突出国防/航空机器人技术一般不突出突出极为突出资料来源日本国家科技政策研究所,ISSN1349366312我国机器人的发展概况机器人最初出现是传统的机构学与近代电子技术相结合的产物。从1959年美国第一台工业机器人到本世纪80年代初，机器人技术经历了一个长期缓慢的发展过程。到了90年代，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等技术的快速发展，机器人技术也得到了飞速发展。制造的价格不断降低，而且其质量与性能在迅速提高，开拓了机器人行业的新进展9。当前，机器人技术是综合了计算机、控制论、信息和
7、传感技术、机构学、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代十分活跃的研究开发领域，它包括了正在逐步深入的机器人学基础技术研究，同时也包括了对国民经济有着重要作用的机器人工程应用技术研究。我国的机器人研究开发工作始于上世纪70年代初，到现在已经历了21年的历程前31年处于研究单位自行开展研究工作状态，主要是没有成型的机器人产业，发展比较缓慢。七五攻关计划将工业机器人和水下焊接机器人的研究和开发列人计划，由机械部等部门组织了点焊、弧焊、喷漆、搬运等型号的工业机器人攻关，取得了一定的成绩1986年，国家863计划机器人技术主题在“发展高技术，实现产业化”方针的指导下面向国民经济主战场，开展了
8、工业机器人与应用工程的研究与开发，在短短几年内取得了重大进展。先后开发了点焊、弧焊、喷漆、装配、搬运、自动导引车在内的全系列工业机器人产品，并在汽车、摩托车、工程机械、家电等制造业得到成功的应用，对我国制造业的发展和技术进步起到了促进作用10。90年代，确定了特种机器人与工业机器人及其应用工程并重，以应用带动关键技术和基础研究的发展的方针，研制出了有自主知识产权的工业机器人系列产品，并小批试产，完成了一批机器人应用工程，其中有130多台套喷漆机器人在20余家企业的近30条自动喷漆生产线上获得规模应用。但总体说来。我国仍是一个机器人设备的消费市场，行业市场处于发展壮大中。“九五”期间，国家“86
9、3”高技术计划已将沈阳新松机器人自动化股份有限公司、哈尔滨博实自动化设备有限责任公司、一汽集团涂装技术开发中心、北京机械工业自动化所、上海机电一体工程有限公司、四川绵阳四维焊接自动化设备有限公司等确立为智能机器人主题产业化基地。大连组合机床所、上海富安工厂自动化公司、东风汽车公司、昆明船舶公司、哈尔滨焊接研究所、安川北科公司等单位也都凭借自己开发生产的特色机器人或应用工程项目活跃在当今国内工业机器人市场上11。在机器人微型化的进程中，我国也有长足的发展。浙江大学研制出了无损伤医用微型机器人的原理样机，该微型机器人以悬浮方式进入人体内腔如肠道,食道，可避免对人体内腔有机组织造成损伤,运行速度快,
10、速度控制方便。中国科学技术大学在国家自然科学基金的资助下研制出了基于压电陶瓷驱动的多节蛇行游动腹腔手术术微型机器人，该机器人将CCD摄像系统，手术器械及智能控制系统分别安装在微型机器人的端部,通过开在患者腹部的小口，伸入腹腔进行手术。其特点是响应速度快,运动精度高，作用力与动作范围大，每一节可实现两个自由度方向上60范围内迅捷而灵活的动作12。但总的来看我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如可靠性低于国外产品；机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距。13机器人在模具自由曲面精整加工中的应用近年来的研究中，在研磨抛光加工方法中还出现了利用振动、
11、超声波扭振等进行研磨的加工方法。在超精密研磨加工方法中，除了特种加工和在传统技术基础上改进形成的各种研磨方法之外，还有许多与现代科技交叉形成的新技术，比较典型的有机械电解抛光、弹性发射加工、浮动抛光13。以及复合加工技术。如将激光加工与切削加工相结合，可以解决高硬度、高强度等难加工材料的切削加工问题；将电火花加工与超声加工相结合，可以提高加工效率和加工质量；磨削复合加工主要用于获得高的形状精度和表面质量，尤其是大规模集成电路的发展；化学机械复合加工可以有效地加工陶瓷、单晶蓝宝石和半导体晶片，可防止通常机械加工用硬磨料引起的表面脆性裂纹和凹痕，获得光滑无缺陷的表面等14。在工业生产中以机械抛光为
12、主，其他的抛光方法应用不多，而且其他的抛光方法对抛光的设备要求也不尽相同，其中化学抛光和电解抛光主要是对化学介质成分的要求较高，对其设备并无太多的要求，磁研磨抛光主要是对抛光材料及磁场的作用有一定的要求以保证加工的精度及效果。早在上世纪70年代末，日本学者就进行了机器人的研抛实验，目前，日本在机器人辅助抛光模具自动化加工方面居世界领先地位。随后美国、西班牙、德国、韩国、新加坡等国家和我国台湾、香港也陆续开展了这方面的研究。虽然机器人的机构刚度较低，难以在数控机床模具加工中发挥作用，但由于抛光加工可以看作是一种少无切削加工，刀具与工件接触表面之间的法向力很小，机器人具有如人类手腕一般的自由活动能
13、力，使得它非常适合于模具的自动抛光加工。早期的研究主要集中在模仿手工抛光轨迹，随后又引入了CAD/CAM自动进行轨迹规划。上世纪80年代日本学者SATIO、MIYOSHI、JEONG在手工抛光的基础上，展开了机器人抛光工艺的研究，如切削深度、进给速度、材料去除率、刀具、作用力、抛光轨迹等对抛光质量的影响。随着传感技术、微电子技术、智能技术，尤其是网络技术的快速发展，机器人抛光系统正向智能化、网络化过渡，如韩国釜山大学开发了基于网络的机器人自动抛光系统，新加坡开发了智能型机器人抛光系统。图15所示为典型的机器人辅助模具抛光系统结构。研抛机器人的末端执行器和抛光工具的研究也渐渐的深入，柔性工具被普
14、遍使用，硬质工具抛光的效率高，但是质量低于软质工具。各国研究学者陆续提出了磁力、空气活塞和弹簧对抛光过程进行控制，以减小微小的位置误差对加工表面质量造成的影响。国内对此研究相对比较晚，上世纪90年代，国内华中科技大学以PUMA562机器人为平台开发了机器人抛光实验系统15；吉林工业大学进行了机器人超声弹性研抛研究16。北京航空航天大学的机器人研究所提出了一种用于复杂空间曲面抛光加工的机器人柔性抛光系统17；中国科学院沈阳自动化所对机器人研磨抛光工艺，研磨抛光参数优化设计方法进行了研究18。机器人抛光比数控机床抛光更具优越性，机器人柔性大，非常适合涉及复杂曲面加工的抛光操作。同时,抛光作用力小，
15、精度要求低，正好避开了机器人刚性弱、精度差的缺点。文献1920即论述了研抛机器人代替手工和大型设备加工大型模具的理论和尝试。研究资料表明，由于机器人灵活性和可编程性充分体现了自动化装备的优点，特别是智能性、适应性、机器作业的准确性以及在各种环境中完成作业的能力，在通过编程可重组的生产单元进行敏捷制造的装备中，机器人化机器将占据非常重要的地位。实践研究表明，在自由曲面的精整加工中，机器人能够提供更广阔、更可靠的控制手段。将对我国的模具制造行业增添更大的活力，具有很大的研究发展空间和市场潜力。14结论及课题内容本课题提出技术思路以实现用小型装备对大型自由曲面进行精整加工的目标。本课题设计的是框架式
16、移动机器人，以真空吸盘作为脚部结构，实现与加工曲面的定位，用两根滚珠丝杠构成十字交叉结构作为机器人的框架，实现微小机器人的移动。利用微小机器人研抛加工大型复杂模具自由曲面，可以更新大型自由曲面自动研抛加工技术的观念，也可以提高模具制造整体水平，对我们汽车工业的发展有着重要的意义。参考文献1黄军英日本机器人技术发展浅议J科技管理研究，2008（2）1652苏东海，李怀东机器人在先进制造业应用与研究J2005（11）8284YIZHANG,AKIRANISHILOWPRESSUREAIRMOTORFORWALLCLIMBINGROBOTACTUATIONJMECHATRONICS,20031337
17、7392MELSIEGELREMOTEANDAUTOMATEDINSPECTIONSTATUSANDPROSPECTSCINTHEFIRSTJOINTDOD/FAA/NASACONFERENCEONAGINGAIRCRAFT,OGDENUT,1997CARLOMENON,METINSITTIABIOMIMETICCLIMBINGROBOTBASEDONTHEGECKOJJOURNALOFBIONICENGINEERING,20063115125GIORGIOFIGLIOLINI,MARCOCECCARELLIWALKINGPROGRAMMINGFORANELECTROPNEUMATICBIPE
18、DROBOTMECHATRONICS,19999941964王永寿美国军用机器人的现状与开发动向J飞航导弹，2003（2）1115蔡剑，青张，炜王伟机器人技术革命推动日本得到飞跃发展J机器人技术与应用，2007（4）9149王亚辉，何耀民机器人的应用现状及发展趋势J经济师，2005（8）26410刊物记者工业机器人发展现状浅谈J自动化博览，2007（4）545511毕胜国内外工业机器人的发展现状J机械工程师，2008（7）5812李勃，吴月华等基于压电陶瓷驱动的腹腔手术微型机器人光学精密工程，2001，9（6）53553813詹建明机器人研磨自由曲面时的作业环境与柔顺控制研究博士学位论文，吉林
19、吉林大学，200214王先逵，吴丹，刘成颖精密加工与超精密加工技术综述J中国机械工程，1999，10（5）57057215王通，袁楚明，陈幼平，周祖德机器人模具抛光自由曲面刀具轨迹的生成研究J中国机械工程，2001，12（4）40140416金仁成，赵继，王立江机器人超声波振动弹性研磨J机械工业自动化，1997（2）272917郎志，李成群，费超机器人柔性抛光系统研究J机械工程师，2006（6）262818郭彤颖，曲道奎，徐方机器人研磨抛光工艺研究J机械加工与自动化技术，2006（1）848519AOYAMANDIEPOLISHINGROBOTSYSTEMASME，1992（2）96797020ZHAOJI,ZHANJIANMING,ZHUPEIXINGETALANOBLIQUEULTRASONICPOLISHINGMETHODBYROBOTFORFREEFORMSURFACESINTJMACHTOOLSMANUFACT,2000,406795808
