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简单的工作。正是由于这个机械手具有了编程示教再现功能，因此许多人把它作为现代工业机器人产生的标志。在随后的生产应用中，为了适应各种不同用途需要，相继出现了直角坐标、关节坐标、极坐标等许多种不同结构的机器人。与第一代示教再现型机器人不同，第二代机器人是具有感觉功能的适应控制机器人。这种机器人带有传感器，能感知环境和对象的情况，以控制自身动作的变化。在机器人视觉、触觉研究的同时，机器人其他感觉功能的开发也已经开始，对机器人的接近觉、听觉、滑觉以及会话等功能都进行了研究，并取得了一定的成果。而且这种有感知功能的机器人开始被应用于工业生产中的焊接、装配及机械加工等作业。智能机器人被人们称为第三代机器人，它是能利用感觉和识别功能做决策行动的机器人。从七十年代后期开始，人们对智能机器人的规划生成系统(问题解决系统，路径搜索等)，环境的理解系统(感觉智能，包括视觉，触觉等)，知识获得与利用系统(知识工程和专家系统等)，人一机接口系统，运动系统等问题展开了更加广泛、深入地研究。智能机器人的研究是一个艰巨而又广泛的问题，随着研究的不断深入，相关科学的飞速发展(如第五代智能计算机)，具有智能的机器人在不久的将来一定会出现。纵观机器人的发展过程，可以看出， 自从机器人在五十年代诞生以来，在短短的四十多年里由于各种有关技术的发展，特别是自动控制技术、集成电路技术及微型计算机技术的应用，在国际形式的推动下，各国在经济上和科技上展开激烈的竞争，机器人的生产和应用随之得到了迅速的发展。它经历了第一代工业机器人的研究、实用化、普及，第二代感知功能机器人的研究、实用化，以及第三代智能机器人的研究等各个阶段。
我国的机器人研究始于70年代。经过近20年努力，特别是经过“七11.”攻关、“ 863”计划，取得了一批重要成果，掌握了机器人控制系统硬件设计、软件设计、机器人语言等技术。就全国来说，目前我国机器人研究开发工作做得较好的地区是:以中科院沈阳自动化研究所为首的东北地区机器人工程中心，以机电部广州机床所为龙头的华南地区的机器人工程中心。而各工程中心_L作的侧重点又有所不同:东北地区以特种机器人、水下机器人开发为L,华北地区以喷漆Y1lt人、焊接机器人开发为主，华东地区以搬运机器人、装配机器人、移动机器人开发为主。
1986年，国家把智能机器人列为高技术发展计划，研究目标是跟踪世界先进水平，工作内容主要是围绕特种机器人进行攻关。
进 入 90 年代，在国内市场经济发展的推动下，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方针，实现了高技术发
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展与国民经济主战场的密切衔接，研制出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，建立了9个机器人产业化基地和7个科研基地。
我国的高等院校，如长沙国防科技大学、上海交通大学、北京航空航天大学、哈尔滨工业大学等在步行机器人、精密装配机器人及7自由度机器人研制等前沿领域内做出了可喜的成绩，正在逐步缩短在机器人技术方面与世界先进水平的差距。
目前机器人技术领域的研究工作从智能化程度来区分，主要分2个方向：一是全功能通用机器人的研究，追求高智能化，即在计算机控制下的视、触、听、嗅觉与肢体动作协调一致、高度拟人化的机器人；二是不过于强调机器人的智能化，提供价格和性能都能令人满意的简易型机器人。
根据我国的情况，我们认为工业机器人技术开发的思路应从高以下几个方面进行考虑：
（1）实用性。应能开发出市场急需的、功能实用的、满足用户要求的机器人。为此，应强调功能实用性，不片面追求所谓的高科技和全面先进性，先进并不等于实用。
（2）快速性。能够在尽可能短的时间内实现机器人产品的快速制造，快速投放市场和发往用户。
（3）高质量。能够生产出品质优良的机器人产品，机器人配置中关键部件必要时可采用进口产品，只有质量好的机器人产品才能赢得用户。
（4）低价格。价格往往是用户购置机器人是考虑的首要因素机器人开发应尽可能选用标准件、通用件，减少自制件，控制成本，能够向市场提供价格低廉的机器人产品。
（5）模块化。采用模块化的设计理念和配置组合、系统集成的制造思路。 对所要设计的工业机器人进行功能分析，划分并设计出一系列通用的功能模块，并对这些模块进行选择和组合配置，就可以构成不同功能，或功能相近但性能不同、价格不同的机器人产品。可见，在工业机器人设计中，采用组合式、模块化设计思路可以很好地解决产品品种、规格与设计制造周期和生产成本之间的矛盾。工业机器人的组合式模块化设计也为机器人产品快速更新换代、提高产品质量、方便维修、增强竞争力提供了条件。随着敏捷制造时代的到来，模块化设计会越来越显示出其独到的优越性。工业机器人的组合式模块化设计过程见图8所示。
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图8 工业机器人模块化设计过程
综上所述，工业机器人设计总体技术原理是：在成组技术指导下，针对多品种小批量生产的特点，面对生产线上的机台和单元间的物品移置的工艺要求或是装配、喷涂等作业的工艺要求，利用模块化设计手段，选择品质优良的控制模块以及执行模块，按一定的坐标体系进行集成，实现工业机器人的快速制造。我国机器人发展已跨过了起步阶段，走上了进步和发展的道路。今后的任务是把机器人技术推广到更多的工业自动化生产领域和其他更广泛的应用领域，大力开展跨区域交流合作，与国际接轨，早日跻身于世界先进行列
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1.5 本文的研究内容
本文研究的机器人机械臂为球坐标型机器人机械臂，一般采用直流无刷伺服电机驱动，控制简单，编程方便。主要应用于工业中小型产品中异形元件装配，小型机电产品如电机、空压机、电器、泵类等的装配工作，是一种小型经济型机器人机械臂。该机器人球坐标型机械臂的突出特点是具备较强机动性、灵活性，机构承载能力强，具有较好的通用性，重复定位精度高，动作速度快，能够成功的应用于包装、上下料以及工业生产等广泛领域，设计将主要围绕球坐标型机械臂各部件结构，将采用模块化思想，进行机械臂包括机械手的结构设计研究，此课题为自拟实际开发的科研课题。该论文涉及计算机技术、电子、机械、检测技术及传感器技术等多学科的知识，主要完成了以下的工作：
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1.在进行充分的课题可行性论证及详细的理论计算之后，用AutoCAD等计算机图形辅助设计软件完成了工业机器人球坐标机械臂的本体结构设计。为了满足灵活性强、工作空间大、重量轻及结构紧凑等工作要求，将其设计为具有两个转动关节和一个移动关节的机器人球坐标型机械臂。
2.建立了工业机器人机械臂的运动学数学模型，得到了运动学方程的正解和反解，并在运动学分析的基础上，求得了工业机器人机械臂的雅可比矩阵。
3机械臂模块的规划与数学描述：研究机械臂的功能约束，研究具有明确机械功能的模块定义方法及数学描述。
4机械臂模块的工程设计：研究模块化机械结构设计方法，设计出机械臂及机械手的整体结构。
2 工业机器人的研究意义和原理设计
2.1 工业机器人的研究意义
目前，国外已有各种专用和通用的装配机器人在生产中得到应用，主要类型大致有直角坐标型、球坐标型、圆柱坐标型和关节型四大类。拒统计资料介绍，在这些装配机器人中，球坐标型装配机器人是应用数量非常多且较为广泛的一种装配机器人。1991年世界上4万余台在生产上应用的装配机器人中，球坐标型机器人占了很大的比重。其主要应用领域为电子电气业、家用电器业、精密机械业。从事印刷电路板上电子元器件的插入作业;家用电器及仪器仪表的组装作业:小型电器开关、接触器等电器产品的组装作业。可以说，球坐标型机器人在轻型、较简单且要求机器人价格较低的装配作业中大显了身手。随着社会需求的增大和技术的进步，装配机器人将会得到迅速的发展，多品种、少批量生产方式和为提高产品质量及生产效率的生产工艺需求，将是推动装配机器人发展的直接动力。近年来计算机、CIMS及柔性自动装配系统等的发展，又为装配机器人的应用和发展提供了良好的可能性。1972年我国开始研制机器人，但发展缓慢，受经济、观念等因素的制约，基本没有什么应用，直到1986年，沈阳机器人研究所成立，中国的机器人才向实用阶段发展。随着国内教育和科技的发展，哈工大等高校出现了专门的机器人机构，研究水平在某些方面己达到国际先进水平。在应用方面，一汽等大型企业己开始使用机器人自动化生产线。但总体来说，国内机器人发展还是趋于落后，特别是在应用方面发展缓慢。究其原因，除了经济因素的制约外，很重要的一点是有关机器人的教育跟不上，知道机器人的人很多，但真
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