（机械电子工程专业论文）6r型串联弧焊机器人结构优化及其控制研究.pdf

浙江大学博士学位论文摘要 摘要 工业机器人市场蓬勃发展，据估计，全球工业机器人市场仍然有1 2 1 5 百 万台市场空间，然而，在这巨大的市场中，中国工业机器人产品不足1 。因此， 对工业机器人的通用共性技术和关键技术的深入研究不仅对我国机器人技术发 展意义重大，更可为我国机器人产业带来极大的经济利益。本文对6 r 型串联弧 焊机器人的结构优化和控制方法进行系统深入研究，主要研究内容如下： 第一章，在查阅国内外相关文献的基础上，综述了本课题的相关研究背景及 意义，介绍了机器人特别是工业机器人的国内外研究现状和产业现状，探讨了工 业机器人研究的关键技术，总结了工业机器人发展趋势，提出了本课题的主要研 究工作。 第二章，设计并研制了六自由度串联关节型弧焊机器人一一钱江i 号，建立 了钱江i 号运动学正解模型，提出了一种用于计算多自由度串联旋转关节型机器 人最大工作空间的曲面包络叠加计算方法，该方法将多自由度机器人分为几个少 自由度部分，选取各部分的工作参考点并用曲面包络法计算各参考点的边界曲 面，然后，将各部分的边界曲面相互叠加以获得最终完整工作空间，在钱江i 号 上的仿真结果表明，该方法可有效计算机器人工作空间，建立其三维模型，方法 简单、直观。 第三章，研究了串联机器人结构优化通用性能指标，针对工业机器人长期重 复执行单一轨迹规划任务的工作特性，提出了基于工作空间和能量消耗综合最优 的机器人结构优化性能指标，采用实数编码遗传优化算法对钱江i 号结构进行了 优化，得到了优化后机器人连杆设计参数。优化结果表明，基于工作空间和能量 消耗综合最优的结构优化方法不但能够满足机器人原有工作空间特性约束，同时 还能减小运行能量消耗以降低机器人运行成本。 第四章，提出了一种机器人关节位置反馈空问校正法，设计了空间校正滤波 器模型对各关节位置反馈进行滤波，以消除机器人结构误差，并通过运动学正解 i l l 浙江大学博士学位论文摘要 得到机器人末端参考点真实位置反馈，研究了基于最小均方值自适应算法的空间 校正滤波器权值矩阵优化求解方法及基于分段样条曲线的关节校正权值拟合方 法，得到了各关节校正权值分段多项式样条函数。在钱江i 号上的仿真结果表明， 文中提出的空间校正滤波器权值矩阵求解方法可有效得到关节校正权值，由空间 校正滤波器得到的机器人工作参考点校正轨迹与其真实轨迹相吻合。 第五章，实现了钱江i 号机器人关节位置闭环控制系统，利用递归广义最小 二乘算法辨识了钱江i 号关节速度闭环控制系统模型，并在此基础上采用改进的 实数编码自适应遗传优化算法对钱江i 号关节位置闭环控制参数进行了优化，得 到了各关节控制参数优化结果。实验结果表明，优化后的关节位置闭环控制系统 在响应、超调、稳态误差等方面较优化前都有明显改善。 第六章，针对串联机器人时延响应问题，提出了自适应实时预测补偿控制方 法，建立了基于神经网络的关节速度闭环控制系统预测模型，推导了模型层间权 值修正公式，建立了钱江i 号自适应实时预测补偿控制模型并对其进行了实验 在钱江i 号上的轨迹跟踪实验和焊接试验结果表明，应用自适应实时预测补偿控 制后，机器人工作参考点轨迹跟踪更加平稳，精度更高，弧焊焊缝更均匀且连续 无断点。 第七章，总结本论文的主要工作，阐述研究结论和创新点，并对串联机器人 的后续研究动作作出了展望。 关键词：六自由度，串联工业机器人，工作空间，结构优化，系统辨识，位 置校正，自适应补偿控制。 i v 浙江大学博士学位论文 a b s t r a c t t h ew h o l ei n d u s t r i a lr o b o tm a r k e ti sb o o m i n g i ti se s t i m a t e dt h a tt h e r ea r es t i l l 1 2t 01 5m i l l i o nu n i t sm a r k e ts p a c ea tl e a s tf o rt h eg l o b a li n d u s t r i a lr o b o t sm a r k e t h o w e v e r , i nt h i sh u g em a r k e t , t h em a r k e ts h a r eo fc h i n ai sl e s st h a n1 h e n c e ，d e e p r e s e a r c ho nt h eg e n e r a lc o m m o nt e c h n o l o g ya n dt h ek e yt e c h n o l o g yo fi n d u s t r i a lr o b o t n o to n l ym e a n ss i g n i f i c a n t l yt ot h ed e v e l o p m e n to fr o b o t i c st e c h n o l o g yi nc h i n a , b u t a l s ow i l lb r i n gs u b s t a n t i a le c o n o m i cb e n e f i t st oo u rr o b o t i c si n d u s t r y i nt h i sp a p e r , r e s e a r c ho i ls t r u c t u r eo p t i m i z a t i o na n dc o n t r o lt e c h n i q u e so f6 rs e r i a la r cw e l d i n g m a n i p u l a t o rw a sc a r r i e do u ts y s t e m a t i c a l l ya n dd e e p l y a n dt h em a i nc o n t e n t so ft h i s t h e s i sa r ea sf o l l o w s ： i nc h a p t e ri ，o nt h eb a s i so fr e f e r r i n gt od o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a la s s o c i a t e d d o c u m e n t s ，r e l a t e ds t u d yb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo ft h es u b j e c tw e r ee x p o u n d e d ， t h ec u r r e n tr e s e a r c hs i t u a t i o na n d a p p l i c a t i o np r o s p e e t i o no fr o b o t se s p e c i a l l y i n d u s t r i a lr o b o t sw e r eb r i e f l yi n t r o d u c e d , k e yt e c h n o l o g i e so fi n d u s t r i a lr o b o t sw e r e i n v e s t i g a t e d ，d e v e l o p m e n tt r e n do fi n d u s t r i a lr o b o t sw e r es u m m e du p ，a n dt h em a i n s t u d yw o r kw a sp r o p o s e d i nc h a p t e ri i ，as i xd e g r e e o f - f r e e d o m ( d o f ) s e r i a la r cw e l d i n gm a n i p u l a t o r n a m e dq i a n j i a n giw a sd e s i g n e d , b a s e do nw h i c ht h ek i n e m a t i c sm o d e lw a sb u i l ta n da w o r k s p a c ec a l c u l a t i o nm e t h o df o rm u l t i p l ed o fs e r i a lm a n i p u l a t o r s 、析t l lr e v o l u t e j o i n t sc a l l e ds u r f a c ee n v e l o p i n ga n do v e r l a y i n g ( s e o ) m e t h o dw a sp r e s e n t e d b y d i v i d i n gam a n i p u l a t o ri n t os e v e r a ll o w - d o fp a r t s ，t h es e om e t h o dc h o o s e dt h e r e f e r e n c ep o i n to fe a c h p a r t ，c a l c u l a t e di t sb o u n d a r ys u r f a c eu s i n gt h es u r f a c e e n v e l o p i n gm e t h o da n do v e r l a y e dt h e s eb o u n d a r ys u r f a c e st o o b t a i nt h ew h o l e w o r k s p a c ef m a l l y b ys h o w i n gt h ew o r k s p a c es i m u l a t i o nr e s u l t so nq i a n g i i a n gi ，t h e s e om e t h o dw a sp r o v e dw o r k i n g c o r r e c t l ya n de f f e c t i v e l y i nc h a p t e ri i i ，r e s e a r c ho ng e n e r a ls t r u c t u r eo p t i m i z a t i o ni n d e xo fs e r i a li n d u s t r i a l r o b o tw a sc a r r i e do u t as t r u c t u r e o p t i m i z a t i o nm e t h o db a s e d0 1 1c o m p r e h e n s i v e p e r f o r m a n c ei n d e xo fw o r k s p a c ea n de n e r g yc o s tw a sp r e s e n t e df o rs e r i a li n d u s t r i a l v 浙江大学博士学位论文a b s t r a c t m a n i p u l a t o r s w i t h w o r k i n gc h a r a c t e r i s t i c so fi m p l e m e n t i n gal o n g t e r mr e p e a t e d t r a j e c t o r y o p t i m i z e dg e o m e t r i cp a r a m e t e r so fq i a n j i a n g1w a so b t a i n e db a s e do nt h e m e n t i o n e dc o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c ei n d e xb yr e a l c o d e dg e n e t i ca l g o r i t h m i tw a s p r o v e db ys t r u c t u r eo p t i m i z a t i o nr e s u l t so fq i a n j i a n git h a tt h es t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n m e t h o db a s eo nt h ec o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c ei n d e xo fw o r k s p a c ea n de n e r g yc o s t n o to n l ys a t i s f i e da l lw o r k s p a c ec o n s t r a i n t s ，b u ta l s os a v e dr o b o tr u n n i n ge n e r g yc o s t a n dr e d u c e dr o b o tr u n n i n gc o s t s i nc h a p t e ri v , as p a t i a lr e g u l a t i o nm e t h o df o rr o b o tj o i n tp o s i t i o nf e e d b a c kw a s p r e s e n t e d i no r d e rt og e tt h er e a lp o s i t i o nf e e d b a c ko fe n d - e f f e c t o rr e f e r e n c ep o 砬b y t h er o b o tk i n e m a t i c sm o d e l ，as p a t i mr e g u l a t i o nf i l t e rw a sb u i l t ，t h r o u g hw h i c h p o s i t i o n f e e d b a c ks i g n a l so f e a c hr o b o tj o i n tc o u l db ef i l t e r e dt oe l i m i n a t er o b o ts t r u c t u r ee r r o r o p t i m i z a t i o n - b a s e ds o l v i n gm e t h o d sf o rw e i g h tm a t r i xo ft h es p a t i a lr e g u l a t i o nf i l t e r w a ss t u d i e da n dt h el e a s tm e a ns q u a r e ( l m s ) a d a p t i v ea l g o r i t h mw a sa d o p t e d b a s eo n t h ep i e c e w i s es p l i n e ，t h ef i t t i n gm e t h o df o rj o i n tr e g u l a t i o nw e i g h t sw a ss t u d i e da n d t h ep o l y n o m i a ls p l i n ef u n c t i o nf o re a c hr o b o tj o i n tr e g u l a t i o nw e i g h t sw a sd e d u c e d b y s h o w i n gt h es i m u l a t i o nr e s u l t so nq i a n j i a n gi ，t h em e n t i o n e ds o l v i n gm e t h o df o r w e i g h tm a t r i xo ft h es p a t i a lr e g u l a t i o n f i l t e rw a sp r o v e dw o r k i n gc o r r e c t l ya n d e f f e c t i v e l ya n dt h er e g u l a t e dt r a j e c t o r yo fe n d e f f e c t o rr e f e r e n c ep o i n tf i t t e di t sr e a l t r a j e c t o r y i nc h a p t e rvaj o i n tp o s i t i o nc l o s e d l o o pc o n t r o ls y s t e mo fq i a n j i a n giw a s r e a l i z e da n dt h ej o i n tv e l o c i t yc l o s e d - l o o pc o n t r o lm o d e lw a si d e n t i f i e du s i n gt h e r e c u r s i v eg e n e r a l i z e dl e a s t s q u a r ea l g o r i t h m b a s e do nt h ei d e n t i f i e dj o i n tv e l o c i t y m o d e l ，p a r a m e t e r so ft h ej o i n tp o s i t i o nc l o s e d - l o o pc o n t r o ls y s t e mw a so p t i m i z e db y a ni m p r o v e dr e a l c o d e da d a p t i v eg e n e t i ca l g o r i t h m ，、) l ，i mw h i c ht h es y s t e mr e s p o n s e t i m e ，o v e r s h o o ta n dg e a d y - s t a t ee r r o rw e r eh i g h l yi m p r o v e d ，w h i c hw a sp r o v e db y e x p e r i m e n t a lr e s u l t s i nc h a p t e rv i ，a l la d a p t i v er e a l - t i m ep r e d i c t i v ec o m p e n s a t i o nc o n t r o l ( a r t p c c ) i sp r o p o s e df o rt h et i m ed e l a yp r o b l e mo fs e r i a lm a n i p u l a t o r st om i n i m i z er e a l t i m e t r a c k i n gc o n t r o le r r o r s b a s e do na r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ( 删，ap r e d i c t i v em o d e l o ft h ej o i n tv e l o c i t yc l o s e d - l o o pc o n t r o ls y s t e mw a sb u i l ta n dm o d i f i e df u n c t i o n so f v i 浙江大学博士学位论文 a b s t r a c t m o d e lw e i g h t sb e t w e e nl a y e r sw e r ed e d u c e d w i t ht h ea n n p r e d i c t i v em o d e l ，a l l a r t p c cm o d e lf o rq i a n j i a n g1w a sb u i l ta n dt r a j e c t o r yt r a c k i n gc o n t r o le x p e r i m e n t s w e r ec a r r i e do u t t h er a c k i n gc o n t r o le x p e r i m e n tr e s u l t so ft h ee n d e f f e c t o rr e f e r e n c e p o i n to fq i a n j i a n gis h o w e dt h a tt h ea r t p c c r e d u c e dt h et r a c k i n ge r r o r , e n h a n c e dt h e s y s t e mr e s p o n s ea n dt r a c k i n ga c c u r a c ye f f i c i e n t l y m e a n w h i l e ，t h ew e l d i n ge x p e r i m e n t r e s u l t ss h o w e dt h a tt h ew e l d i n gs e a mt u m e dm o r ec o n t i n u o u s ，u n i f o r ma n ds m o o t h a f t e ru s i n gt h ea r t p c c i nc h a p t e rv i i ，t h em a j o rw o r ko ft h es t u d yw a ss u m m a r i z e d ，a n dt h ec o n c l u s i o n s a n di n n o v a t i o n so ft h es t u d yw e r ee l a b o r a t e d a n dt h ef u t u r es t u d yo ft h es e r i a l m a n i p u l a t o rw a sa l s op r o s p e c t e d k e y w o r d s ：s i xd e g r e e o f - f r e e d o m ( d o f ) ，s e r i a li n d u s t r i a lm a n i p u l a t o r , w o r k s p a c e ， s t r u c t u r e o p t i m i z a t i o n , s y s t e mi d e n t i f i c a t i o n , p o s i t i o nr e g u l a t i o n ，a d a p t i v e c o m p e n s a t i o nc o n t r o l v i i 浙江大学博士学位论文图目录 图目录 图1 12 0 0 7 年- 2 0 0 8 年全球各行业工业机器人用量2 图1 2 第一台工业机器人u n i m a t e 3 图1 3 现代机器人4 图l - 4 可重构机器人5 图1 5 虫群机器人5 图1 - 6 日本先进人型机器人及幻想机器人6 图1 7 通用自主型机器人7 图1 8 工业机器人8 图1 - 9 特种机器人8 图1 1 0 气动包装直角坐标机器人。9 图1 11 圆柱坐标型工业机器人1 0 图1 1 2 关节型工业机器人l l 图1 1 3s h a d o wd e x t e r o u sh a n d 1 2 图1 1 4a b b 工业机器人l8 图1 1 5 日本安川公司m o t o m a n 一1 9 图1 1 6 新松工业机器人1 9 图2 1 钱江i 号六自由度串联弧焊机器人。2 5 图2 2 钱江i 号各关节细部图2 6 图2 3 钱江i 号连杆坐标系简图2 7 图2 4 钱江i 号末端操作器示意图3 2 图2 5 曲面4 ，5 的空间图形3 4 图2 - 6 上臂子空间边界曲面3 的空间图形3 6 图2 7 下臂子空间边界曲面2 的空间图形3 8 图2 8 最大工作空间 的空间图形3 9 i v 浙江大学博士学位论文图目录 图2 - 9 旋转曲面与旋转轴的位置关系4 0 图3 1 基于遗传的机器人结构优化算法流程图4 9 图3 2 钱江i 号结构简图5 0 图3 3 钱江i 号球形工作区域5 1 图3 - 4 最优评价函数值曲线5 7 图3 5 标准化工作空间体积及能量消耗曲线5 7 图3 - 6 连杆标准化能量曲线5 8 图3 7 标准化连杆结构参数曲线5 8 图4 1 机器人全闭环位置控制框图6 3 图4 2 机器人空间校正全闭环位置控制框图6 4 图4 3 机器人空间校正滤波器校正矩阵算法流程。6 6 图4 4 理论轨迹和实际轨迹运动学逆解6 8 图4 5 权值矩阵切片图6 9 图4 - 6 空间校正滤波器输出误差。7 0 图4 7 参考点校正轨迹和真实轨迹及其轨迹误差。7 l 图4 - 8 校正权值t t 1 1 随q l 变化曲线7 2 图4 - 9 关节i 校正权值拟合结果7 4 图5 1 钱江i 号弧焊机器人电气控制系统架构7 8 图5 2 钱江i 号电气控制系统7 9 图5 3 钱江i 号关节伺服电机控制系统7 9 图5 - 4 伺服驱动器速度控制框图8 0 图5 5 单关节速度响应辨识框图。8 0 图5 - 6 钱江i 号各关节最大转动惯量和启动负载姿态8 2 图5 7 关节速度阶跃响应曲线。8 3 图5 8 递推广义最小二乘辨识算法流程8 4 图5 - 9 关节速度响应滤波曲线与辨识结果对比8 6 图5 1 0 钱江i 号单关节位置控制系统8 7 v 浙江大学博士学位论文图目录 图5 1 1 交叉和变异概率的自适应变化曲线9 0 图5 1 2 配对自适应遗传优化算法流程9 0 图5 1 3s i m u l i n k 关节实时位置控制系统9 2 图5 1 4 各代最优目标函数曲线9 3 图5 1 5 各代群体适应度最大值、平均值、最小值和标准差9 3 图5 1 6 关节i 成熟进化代及最优进化代关节位置阶跃响应9 4 图5 1 7 钱江i 号关节位置阶跃响应实验曲线9 6 图6 1 典型闭环控制系统模型9 9 图6 - 2 自适应补偿控制系统模型1 0 0 图6 3 自适应实时预测补偿控制模型1 0 2 图6 - 4b p 神经网络模型10 2 图6 5 模型阶跃响应k 与实际采样州) 1 1 2 图6 - 6 钱江i 号单关节实时预测补偿控制模型1 1 3 图6 7 钱江i 号轨迹跟踪实验姿态1 1 4 图6 8 关节跟踪控制误差实验结果11 4 图6 - 9 工作参考点跟踪控制误差实验结果11 5 图6 1 0 钱江i 号曲线及直线弧焊实验11 6 图6 - 11 添加a r t p c c 前后弧焊实验对比11 7 浙江大学博士学位论文表目录 表目录 表2 1 钱江i 号关节坐标系及d h 参数2 7 表2 2 钱江i 号最大工作空间理论位置边界4 0 表3 - 1 钱江i 号d h 参数5 0 表4 - 1 各关节运动轨迹范围6 9 表4 2 各关节代价函数最小值7 0 表4 3 关节i 多项式系数7 2 表4 - 4 关节多项式系数7 3 表4 5 关节i i i 多项式系数7 3 表4 - 6 关节v 多项式系数7 3 表4 7 关节v i 多项式系数7 3 表5 1 关节i 成熟进化代及最优进化代控制参数9 5 表5 2 钱江i 号各关节位置控制系统参数优化结果9 5 表6 1 关节i 神经网络模型层问权值1 0 7 表6 2 关节i i 神经网络模型层间权值1 0 8 表6 3 关节i i i 神经网络模型层间权值1 0 9 表6 4 关节神经网络模型层问权值1 0 9 表6 5 关节v 神经网络模型层间权值1 1 0 表6 - 6 关节v i 神经网络模型层间权值1 11 表6 7 关节和工作参考点跟踪误差均方根值1 1 5 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝婆太堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：丁荆贝 签字日期： 2 矿口7 年眨月勃日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解浙江太堂有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝江太堂可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 学位论文作者签名： 丁渊昭 签字日期：芴刁年月弓日 | - 导师签名：7 秀 擀唑呷抄月弓卜 i 浙江大学博士学位论文致谢 致谢 五年研究生求学生涯如白驹过隙飘然而逝，而今，在临近毕业之际，回首刚 刚步入浙江大学校门之时，心中感慨万千。“学会做人、学会生活、学会求学” 一直是我做人的目标，浙大的师友让我不舍，浙大的生活让我留恋，浙大的求学 历程更是让我难忘回首走过的求是路，怀念结识的有缘人，唯有感恩能够代表 我此刻的心情。 首先要向我的恩师，王宣银教授，致以最诚挚的感谢，感谢王老师在整个博 士课题研究及论文撰写过程中给予我的悉心指导。王老师学识渊博、求真务实、 治学严谨，不仅为我提供了优良的科研环境，而且犹如明灯一般指引我前进的方 向，在授予我知识和求学技能的同时，更教会了我做人的目标和原则。对于王老 师给予的教导、帮助、支持和照顾，我将铭记于心，永生难忘! 衷心感谢朱世强教授，朱老师宽厚豁达、高瞻远瞩，诲人不倦，不仅为我提 供了难得的研究对象，而且在科研上给予我悉心指导和帮助，促进了我的科研进 展。 衷心感谢研究所的众位老师，王庆丰教授、丁凡教授、宋开臣教授、吴根茂 教授、邱敏秀研究员、陈鹰教授、杨华勇教授、李伟教授、傅新教授、陶国良教 授、魏建华教授、朱世强教授、陈章位教授、范毓润教授、周华教授、杨灿军教 授、阮晓东教授、顾临怡教授、姚斌教授、龚国芳教授、傅周东副教授、李世伦 副教授、金波副教授、徐兵副教授、黄克强高工、谢英俊副教授、孔晓武副教授、 谢海波副教授、刘昊副教授、林勇刚副教授、葛耀铮老师、潘宏老师，黄琪老师、 刘俊老师、陈彩凤老师等，感谢给予本人的教导和帮助。 衷心感谢课题组刘荣、潘锋、程佳、李强、向桂山、陈奕泽、李冰茹等师兄 师姐对我学习上的帮助。感谢徐志鹏、马启明、李潇潇、梁冬泰、尹瑞多、吴剑、 吴乐彬、童南建、阎擂、叶水环、张阳、皮阳军、余状、周辅疆、姜泽、朱志强、 郭家驹、罗语溪、富晓杰、曹松晓、王晓娟、赵雁斌、孙赫、向可、雷军波、唐 宏、江军、李宇鹏、戴捷、宋涛、余家林、顾曦等同学和我的朋友张璐璐、王丹、 浙江大学博士学位论文致谢 李宁宁、穆颖、陈峰、魏琦、赵锦彤等，正是你们使我的生活更加快乐、温暖， 更加丰富多彩。 特别感谢我的父母，二十九年成长历程，他们含辛茹苦，教我养我，给予我 无微不至的关怀和莫大的精神支持，感谢我的舅舅、姑姑、姨妈以及所有亲人给 予我不懈鼓励和支持。学 - j 生涯的结束意味着新的人生即将开始，我将继续努力 进取，回报父母和亲人们的期望。 还有很多老师、同学和朋友不及备载，你们对我的关心和帮助，让我一路走 来受惠良多，在此表示衷心地感谢。 最后，感谢浙江大学! 丁渊明 二零零九年十一月于求是园 浙江大学博士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 摘要：本章综述了本课题的相关研究背景及意义，介绍了机器人特别是工业机器 人的国内外研究现状和产业现状，探讨了工业机器人研究的关键技术，总结了工 业机器人发展趋势，提出了本课题的主要研究工作。 1 1 课题背景 来自国际机器人联合会( i f r , i n t e r n a t i o n a lf e d e r a t i o nf or o b o t i c s ) 机器人2 0 0 9 市 场调查报告【l 】指出，尽管受经济危机影响，2 0 0 8 年全球工业机器人总销售量虽然 较2 0 0 5 下降大约6 仅为1 1 33 0 0 台，但仍然有6 03 0 0 台工业机器人在亚洲市场 ( 包括澳大利亚和新西兰) 售出，超过总销售量5 0 ，比2 0 0 7 年增加了约4 中国、韩国、印度和东南亚国家的工业机器人储备量持续上升，仅2 0 0 8 年一年， 就有1 16 0 0 台工业机器人在韩国售出比上年增加了2 8 ，工业机器人在国内销售 量近年来持续上升，2 0 0 8 年销售量为79 0 0 台比去年增加2 0 ，如今中国已经成 为第三大亚洲机器人市场。据统计，自1 9 6 0 年工业机器人首次应用以来，截至 2 0 0 8 年已有19 7 00 0 0 台工业机器人售出，目前仍在运行的工业机器人超过l3 0 0 0 0 0 台。2 0 0 8 年整个工业机器人市场总价值大约有6 2 亿美元，如果包括机器人 软件、配件和系统工程整个市场总价超过1 9 亿美元。据估计，在整个全球工业 生产领域，工业机器人密度在5 0 - 1 0 0 之间，即平均1 万个工人就有5 0 1 0 0 台机 器人，发达国家目前的工业机器人密度在2 0 0 左右，这就意味者工业机器人市场 仍然有1 2 1 5 百万台空间。 目前，工业机器人主要集中应用在汽车工业、电子工业、塑料和橡胶工业， 除此之外，金属加工、机械、化妆品、食品和饮料行业的工业机器人用量近年来 持续上升。图1 1 所示为2 0 0 7 年- 2 0 0 8 年全球各行业工业机器人用量，汽车工业 仍然是工业机器人用量最多的行业，电子工业、塑料和橡胶工业机器人用量自 2 0 0 5 年来持续下降，2 0 0 8 年塑料和橡胶工业机器人用量较2 0 0 7 年下降了2 2 ， 1 浙大学博士学位论文第1 章绪论 相反，制药和化妆品行业机器人用量增加了1 4 ，金属加工行业增加了1 5 ，机 械工业增加了2 ，食品和饮料行业增加了1 0 ，近2 ，3 欧洲生产的机器人销往食 品和饮料加工行业。 e s t i m a t e d w o r l d w i d ey e a r l ys u p p l yo f i n d u s t r i a lr o b o t sa t y e a r - e n d b yi n d u s t r i e s2 0 0 7 - 2 0 0 8 口- y - _ 一 日t _ _ ，_ 矿 a 埔 - d - 时州- i f 柚 c 0 - h _ k n _ - # _ b 1 - _ 嘲 曲_ 岫 o m u h “ 一_ 田i - l2 0 0 7 年一2 0 0 8 年全球各行业工业机器 用量 由上述数据可以看出，工业机器人已经逐渐进入各生产行业，行业对工业机 器人的需求量日渐庞大，工业机器人市场无疑将是未来最为繁荣的市场之一然 而，9 0 以上的工业机器人产品来自日本、美国，西欧国家，国内虽然对工业机 器人研究鞍早，但一直未真正形成自主机器人产业。因此，对工业机器人的通用 共性技术和关键技术的深入研究十分必要，对于国内工业机器人市场将带来极大 的经济利益。 1 2 国外机器人技术现状 “机器人”一词最早出现于1 9 2 0 年捷克作家k a t e c a p e k 的剧本罗萨姆的 万能机器人( p o s s u m su n i v e r s a lr o b o t s ) 中在剧中捷克语r o b o t s 本意指苦 力，是剧作家笔下的一个具有人的外表、特征和功能的机器，是一种人造的劳动 力。 浙太学博士单位论支第1 章绪论 自从1 9 6 2 年美国英格伯格和德沃尔稍造出世界上第一台工业机器 u n l m a t e 以后，机器人才从文学幻想变成了现实，机器人的历史才由此开始。 时至争日，在不到一百年的时间里，人类充分发挥自身的想象力与创造力，使机 器人技术有了飞跃性的发展。 酉1 第一台工业机嚣人u n l m a t e 机器人的起辣众说不种说法认为最早的机器人来自于中国凹，公元前 3 世纪列子传* 中描述了一种人形大小具有人的模样的机械制品。国际上对机 器人还没有统一的定义，各个国家对机器人的定义各有不同，而且定义之问的差 别较大蒋新橙院士曾建议把机器人定义为“一种拟人功能的机械电子装置”。 国际标堆化组织对机器人有这样的定义，机器人是一种自动的，位置可控的、具 有编程能力的多功能机器人，这种机器人具有几个轴，能够借助于可编程序操作 来处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行种种任务。一些机器人的共性 为大众和学者所接受，妇机器人可以自由行动，操作机器假肢，感知和改变周围 环境，具有智能行为等。 近年来，机墨人技术迅速发展，日本商业部曾宣称希望可以在2 0 2 5 年全面 实现服务机器人商品化 为了适应机器人技术的迅速发展，斯坦福大学、麻省理工学院和慕尼黑理工 大学鞋台研发了一敖机器人标准计算机操作系统一- - r o s ( r o b o to p e r a t i n g 淅大学博学位论文第1 章绪论 s y s t e m ) 。r o s 可以为机器人导航和肢体操作提供编程环境而不必考虑机器人本身 硬件设备，同时它还提供高层命令以实现诸如图像识别等功能。当r o s 启动机器 人计算机时，它可以自动莸取机器人属性数据诸如肢体长度动作等，并将这些 数据传送给高层算法。微软的机器人研究中心也专门为机器人开发了一种称为 “w i n d o w s f o rr o b o t s ”的视窗操作系统，并且已在2 0 0 7 年推向市场。 新型机器人的研究已经不再局限于特定的工业任务，而是致力于机器人的新 形式新思维方式、新设计方法和新生产方武。学者们希望能通过实现这些新的 机器人来解决现实世界