機(jī)械手機(jī)器人的技術(shù)發(fā)展研究國內(nèi)外文獻(xiàn)綜述1.1國內(nèi)研究現(xiàn)狀機(jī)器人正以人們難以相信的速度深入各行各業(yè)，從可以勝任危難險(xiǎn)重和精密制造的工業(yè)機(jī)器人，到微納米級的醫(yī)療機(jī)器人，更有各種服務(wù)機(jī)器人、協(xié)作機(jī)器人?？梢灶A(yù)見，未來機(jī)器人的應(yīng)用場景將越來越廣泛。近年來,由于政府相繼制定了多項(xiàng)促進(jìn)政策和發(fā)展規(guī)劃,推動了機(jī)器人行業(yè)不斷升級,我國機(jī)器人市場規(guī)模已經(jīng)持續(xù)多年成為全球第一。隨著5G通信、人工智能、半導(dǎo)體等領(lǐng)域的技術(shù)革新和不斷融合，推進(jìn)我國機(jī)器人技術(shù)和產(chǎn)業(yè)步入快車道，有望在機(jī)器人領(lǐng)域后來居上。制造業(yè)：傳統(tǒng)的制造業(yè)通常生產(chǎn)批量大，工藝要求高，主要是用于精密零件的或重復(fù)勞動的生產(chǎn)線上的機(jī)械臂。如汽車制造業(yè)，手機(jī)組裝生產(chǎn)線和家用電氣如電視，冰箱，洗衣機(jī)等生產(chǎn)線。同時(shí)最新的協(xié)作機(jī)器人嵌入了視覺系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，以滿足短周期、定制化的生產(chǎn)需求。如圖1-1所示為汽車生產(chǎn)線工業(yè)機(jī)器人及3D視覺協(xié)作機(jī)械手。服務(wù)業(yè)：受疫情影響和產(chǎn)業(yè)升級推動，2021年我國的服務(wù)機(jī)器人產(chǎn)品市場規(guī)模持續(xù)加速增長，總額預(yù)計(jì)將會高達(dá)40億美元，約占全球市場的30%。不同于之前笨重單一的服務(wù)機(jī)器人，目前服務(wù)機(jī)器人正向著智能化和人性化發(fā)展。醫(yī)療保健：隨著工業(yè)機(jī)器人控制技術(shù)的成熟，工業(yè)機(jī)器人的控制精度及穩(wěn)定性進(jìn)一步提高。一些疑難復(fù)雜的手術(shù)，醫(yī)生坐在控制臺前，通過3D顯示屏就可以控制機(jī)械手同步操作，突破人手局限，精準(zhǔn)的完成手術(shù)[3]。圖1-13D視覺協(xié)作機(jī)械手1986年我國正式啟動"863計(jì)劃"，先后建立了一批先進(jìn)的機(jī)器人企業(yè)與研究院所,推動了我國機(jī)器人等高技術(shù)及產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，使我國能夠追上甚至趕超世界先進(jìn)水平[4]。上海交通大學(xué)自主研制的永磁同步裝卸機(jī)器人調(diào)速控制系統(tǒng)采用弱磁控制技術(shù)解決了永磁同步電動機(jī)運(yùn)行速度相對較低的問題，可以充分滿足永磁同步裝卸機(jī)器人對于高速、有可靠性的工作運(yùn)轉(zhuǎn)需要[5]。中國石油大學(xué)將人工智能、智能制造、智能物料運(yùn)輸?shù)惹把丶夹g(shù)引入教學(xué),設(shè)計(jì)開發(fā)了一套復(fù)現(xiàn)工廠物料輸送的智能物料搬運(yùn)機(jī)器人教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺[6]。2020年,明富機(jī)器人有限公司通過自主開發(fā)研制設(shè)計(jì)并推出了國內(nèi)行業(yè)首款便攜式遙控可折疊自動裝卸機(jī)器人,可以很好地適應(yīng)砂石地、雪地、草地、集裝箱內(nèi)等各種特殊裝卸場景，解決了困擾貨運(yùn)人多年的野外裝卸難題[7]。圖1-2便攜式遙控折疊裝卸機(jī)器人機(jī)械科學(xué)研究總院研究了基于3D視覺技術(shù)的紙箱拆垛方案，采用了基于縫隙分割技術(shù)提取目標(biāo)最小外接矩形的圖像處理方法，解決了垛型未知的自動化拆垛問題[8]。目前國內(nèi)對新型搬運(yùn)機(jī)械手的研究方向主要集中在控制、感知和設(shè)計(jì)領(lǐng)域，包括機(jī)器人的安全避障技術(shù)研究[9]、機(jī)器視覺技術(shù)[10]、路徑規(guī)劃研究[11]、自主定位導(dǎo)航[12]、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[13]等。1.2國外研究現(xiàn)狀20世紀(jì)40年代正值第二次世界大戰(zhàn),美國南部某研究所為運(yùn)輸放射性物料而研制了一種采用編程遙控式機(jī)械作為輔助運(yùn)輸?shù)脑O(shè)備，由此世界上第一臺機(jī)器人誕生[14]。20世紀(jì)80年代美國的Unimate科技公司與美國的高等院校聯(lián)合研發(fā)了當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的工業(yè)用輕型搬運(yùn)機(jī)器人Unimation-Vic.arm，其控制器采用高集成的控制模塊，控制精度高，操作穩(wěn)定。而后美國Unimation公司發(fā)布的PUMA系列通用工業(yè)機(jī)器人，采用全電動驅(qū)動、關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)、微機(jī)控制，可配置視覺感受器、力感受器，至今仍在使用[15]。HtetHtetLinZaw等人研究了PUMA機(jī)器人三維動態(tài)控制系統(tǒng)的SIMULINK實(shí)現(xiàn)[16]。美國羅格斯大學(xué)研究者最新開發(fā)的機(jī)械手采用AI控制，能夠?qū)o序堆放的物品準(zhǔn)確抓取并運(yùn)至目標(biāo)區(qū)域堆垛整齊，其下一步目標(biāo)是對不規(guī)則物品的柔性抓取。德國很早就開始研制工業(yè)機(jī)器人，逐漸成為工業(yè)最強(qiáng)大的國家，自動化技術(shù)也逐漸領(lǐng)先世界。研發(fā)的工業(yè)機(jī)器人涉及自動化、汽車、電子、物流等行業(yè)。德國的KUKA公司研發(fā)的裝卸機(jī)器人，配置智能末端連桿，可以滿足裝卸不同形狀物品的需求[17]。2020年KUKA中國發(fā)布了四款六軸小型機(jī)械手，緊湊型設(shè)計(jì)和更出色的性能成為新的研發(fā)方向。KUKAKMRiiwa是KUKA機(jī)器人公司研發(fā)的一款新型智能移動機(jī)器人，代表著目前世界領(lǐng)先的移動機(jī)器人技術(shù)水平。如圖1-3它由一個(gè)小型協(xié)作機(jī)械手LBRiiwa搭配一個(gè)萬向移動平臺組成。這種移動平臺加機(jī)械手的組合大大擴(kuò)展了在各個(gè)場景應(yīng)用的可能，將成為移動機(jī)器人的一種未來發(fā)展趨勢[18]。圖1-3KUKAKMRiiwa移動機(jī)器人憑借麥克納姆輪技術(shù)和導(dǎo)航控制軟件，KMRiiwa具有極高的靈活性和適應(yīng)性，可以自主的移動到所需的位置，在狹窄的空間內(nèi)自由移動。其可升級的、模塊化的系統(tǒng)由機(jī)械手、移動平臺和工業(yè)組件構(gòu)成眾多組合方式，為所有可想象得到的場景提供了解決方案。大量國外學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)也對其進(jìn)行了研究，包括Mecanum輪的驅(qū)動輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[19]、全向輪移動機(jī)器人運(yùn)動學(xué)模型[20]、移動機(jī)器人能量優(yōu)化運(yùn)動控制[21]等領(lǐng)域。日本的高性能電弧焊接工業(yè)機(jī)器人FANUCR-0iBRobot開發(fā)了用于示教和適應(yīng)薄電弧焊接場所的4D圖形功能[22]。日本政府高度重視工業(yè)機(jī)器人技術(shù)研發(fā)，提出用機(jī)器人解決勞動力不足的戰(zhàn)略計(jì)劃，使日本逐漸成為目前世界上工業(yè)自動化程度最高國家之一。目前日本在機(jī)器人的減速器、電機(jī)以及控制器這三大核心技術(shù)上都處于領(lǐng)先地位。日本川崎重工研制的高手腕力矩機(jī)器人MX700N，屬于大負(fù)載重物搬運(yùn)機(jī)器人系列，具有700kg負(fù)載和2540mm的工作范圍，同時(shí)緊湊化的機(jī)身設(shè)計(jì)使其能夠適應(yīng)狹窄空間的工作場景。從美國的國家機(jī)器人2.0計(jì)劃，到德國、歐盟的工業(yè)4.0計(jì)劃，再到日本的機(jī)器人新戰(zhàn)略及中國制造2025。目前，世界各國都已經(jīng)加大力度投入到機(jī)器人技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用中，機(jī)器人的研發(fā)、制造、應(yīng)用已經(jīng)成為反映一個(gè)國家高端制造業(yè)水平的重要因素。1.3機(jī)械手發(fā)展趨勢隨著傳統(tǒng)制造向智能制造轉(zhuǎn)型的發(fā)展趨勢，在致力于提高工業(yè)生產(chǎn)效率及質(zhì)量的同時(shí)，對機(jī)器人的設(shè)計(jì)制造也提出了更加現(xiàn)代化的要求，早期所研制的機(jī)器人已經(jīng)不能滿足愈發(fā)柔性化的、個(gè)性化的生產(chǎn)需求。2020全球疫情的爆發(fā)，機(jī)器人在醫(yī)療、物流、服務(wù)等領(lǐng)域的研發(fā)和應(yīng)用成為熱門方向。在這一時(shí)代潮流下，相關(guān)企業(yè)紛紛引進(jìn)各種創(chuàng)新技術(shù)，未來機(jī)器人主要有以下幾個(gè)發(fā)展趨勢：趨勢1：人機(jī)協(xié)作模式。隨著應(yīng)用場景愈加廣泛，工業(yè)機(jī)器人操作能力更加精細(xì)化。趨勢2：標(biāo)準(zhǔn)化模塊組裝，軟件易于編程，使用更加靈活。模塊集成高，機(jī)器人更小更輕、載荷更高、更優(yōu)化的傳感器，易于操作，系統(tǒng)具有較高穩(wěn)定性。例如各種服務(wù)機(jī)器人應(yīng)用于物流、軍事等場景的智能無人機(jī)。趨勢3：AI機(jī)器人，通過多種高精度傳感器的應(yīng)用，可以工作的同時(shí)采集分析數(shù)據(jù)，并做出判斷，逐漸向自主學(xué)習(xí)自主作業(yè)發(fā)展。趨勢4：借助云計(jì)算和云存儲技術(shù)，讓機(jī)器人擁有云端大腦。云端大腦可以控制多臺機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)多機(jī)器人協(xié)同工作，并為機(jī)器人提供數(shù)據(jù)共享、分析、存儲等服務(wù)。通過高速、低延時(shí)的通信網(wǎng)絡(luò)，可以將工廠內(nèi)海量的生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行信息共享和協(xié)調(diào)控制，有利于實(shí)時(shí)采集傳感器反饋的數(shù)據(jù)，為生產(chǎn)流程優(yōu)化、能耗監(jiān)控、設(shè)備管理提供網(wǎng)絡(luò)支持。趨勢5：通過系統(tǒng)仿真技術(shù)研究新型機(jī)器人結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)動態(tài)仿真模擬技術(shù)的應(yīng)用促使新一代產(chǎn)品的開發(fā)和生產(chǎn)周期逐步縮短,研發(fā)費(fèi)用大大減少[23]。參考文獻(xiàn)徐文質(zhì).裝卸貨物機(jī)械手運(yùn)動規(guī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