1、5.4 微操作机器人微操作机器人5.4.1 微操作机器人分类微操作机器人分类v微细作业机器人微细作业机器人 (10-310 -6 m)v超微细作业机器人超微细作业机器人 (10-610 -9m) 5 4.2 微操作机器人介绍微操作机器人介绍(1)具有视觉反馈的微操作机器人具有视觉反馈的微操作机器人(2) 双动式微操作机器人双动式微操作机器人(3) STM的的 “原子移位原子移位 “(4) 纳米移动机器人纳米移动机器人5.4.3 关键技术与相关理论关键技术与相关理论 1.操作手及作业平台操作手及作业平台 2.智能操作系智能操作系 统统 及控制系及控制系 统统 3. 微操作相关理论问题微操作相关理
2、论问题5.5 微机器人应用微机器人应用（ 1）生物工程）生物工程（ 2）超）超 LS1制造制造（ 3） MEMS制造制造（ 4）纳米加工）纳米加工（ 5）星球探险）星球探险（ 6） 空间飞行微机器人空间飞行微机器人（ 7）军用微小机器人）军用微小机器人第第 6章章 空间机器人空间机器人空间机器人是指在大气层内、外从事各种作业的机器人，包空间机器人是指在大气层内、外从事各种作业的机器人，包括在内层空间飞行并进行观测、可完成多种作业的飞行机器人，括在内层空间飞行并进行观测、可完成多种作业的飞行机器人，到外层空间其他星球上进行探测作业的星球探测机器人和在各种到外层空间其他星球上进行探测作业的星球探测
3、机器人和在各种航天器里使用的机器人。航天器里使用的机器人。6.1 飞行机器人飞行机器人微型微型 飞飞 行机器人技行机器人技 术术主要包括三个方面主要包括三个方面 :一是微型一是微型 飞飞 行器平台行器平台 ;二是相关的二是相关的 部部 件技件技 术术 ;三是它的三是它的 发发 射方式射方式1. 体积小、重量极轻的大功率高体积小、重量极轻的大功率高能量密度的发动机和电源能量密度的发动机和电源2.要研究产生升力的新方法，要要研究产生升力的新方法，要解决在低雷诺数空气动力解决在低雷诺数空气动力 学环境学环境下的飞行稳定与控制问题。下的飞行稳定与控制问题。 3.飞行控制。如何控制微型飞行飞行控制。如何
4、控制微型飞行机器人的飞行是另一个难点。机器人的飞行是另一个难点。5.2 星球探测机器人星球探测机器人星球探测机器人所涉及的关键技术如下。星球探测机器人所涉及的关键技术如下。(1)星球探测机器人在重量、尺寸和功耗等方面受到的星球探测机器人在重量、尺寸和功耗等方面受到的严格限制严格限制 。（ 2） 星球探测机器人如何适应空间温度、宇宙射线、真空星球探测机器人如何适应空间温度、宇宙射线、真空、反冲原子等苛刻的末知环境。、反冲原子等苛刻的末知环境。（ 3） 如何建立一个易于操作的星球探如何建立一个易于操作的星球探 测测 机器人系机器人系 统统 。5.3 航天器应用的机器人航天器应用的机器人发射卫星，漫
5、步月球，建立空间站等，宇宙将成为人类另一个发射卫星，漫步月球，建立空间站等，宇宙将成为人类另一个生存的空间已不是幻想。生存的空间已不是幻想。太空作业：太空作业： 修理人造卫星故障修理人造卫星故障太空中长期进行材料试验和生物化学试验太空中长期进行材料试验和生物化学试验目前，国际上正在进行航天器应用机器人的研究开发。例如，目前，国际上正在进行航天器应用机器人的研究开发。例如，日本计划进行三个与机器人项目相关的太空实验。日本计划进行三个与机器人项目相关的太空实验。(1)日本实验舱用机械手日本实验舱用机械手 (JEMRMS) TEMRMS是由日本、欧洲和俄罗斯联合试验的，在美国宇宙是由日本、欧洲和俄罗
6、斯联合试验的，在美国宇宙轨道站的日本试验舱内进行搬运、更换试验机器和辅助实验等作业轨道站的日本试验舱内进行搬运、更换试验机器和辅助实验等作业的机器人系统。该系统由全长约的机器人系统。该系统由全长约 10m的主臂及安装在主臂臂端长约的主臂及安装在主臂臂端长约1.3m的子臂组成。主臂用于搬运实验舱或大型机器，子臂用于实施的子臂组成。主臂用于搬运实验舱或大型机器，子臂用于实施更换作业，由加压舱内的专用操纵台进行控制。更换作业，由加压舱内的专用操纵台进行控制。 (2) 机械手飞行实验机械手飞行实验 (MFD)该实验的目的是验证空间机械手的操作性能，其机构采用该实验的目的是验证空间机械手的操作性能，其机
7、构采用 1.3m长的日本实验舱用机械手长的日本实验舱用机械手 (JEMEMS)的小型手臂。机器人手臂与作的小型手臂。机器人手臂与作业对象机器一起装载在航天飞机的货舱内，通过监视屏幕，在航天业对象机器一起装载在航天飞机的货舱内，通过监视屏幕，在航天飞机的加压舱内，由宇航员进行操纵。在航天飞机飞行时，以更换飞机的加压舱内，由宇航员进行操纵。在航天飞机飞行时，以更换单元和开关门为试验对象，对机器人进行实验，以得出对机器人操单元和开关门为试验对象，对机器人进行实验，以得出对机器人操作控制性能和作业性能的评价。作控制性能和作业性能的评价。(3) 技术试验卫星技术试验卫星 VII型型 (ETS-VTT)E
8、TS-VII卫星主要以开发空间机器人技术、空间会合对接技术卫星主要以开发空间机器人技术、空间会合对接技术以及在空间轨道上进行试验为目的。在地面上通过远程遥控操作控以及在空间轨道上进行试验为目的。在地面上通过远程遥控操作控制机器人的动作，进行更换单元、操纵桁架结构物、操纵滑动摇柄制机器人的动作，进行更换单元、操纵桁架结构物、操纵滑动摇柄、捕捉浮游物和控制标靶卫星等各种作业试验。、捕捉浮游物和控制标靶卫星等各种作业试验。在设计上需要特别考虑以下一些因素在设计上需要特别考虑以下一些因素 :v轻量化，轻量化， 受发射条件制约，需要尽可能减轻航天器应用机器人的受发射条件制约，需要尽可能减轻航天器应用机器
9、人的重量，以降低发射成本重量，以降低发射成本 ;v耐环境性耐环境性 ，航天器应用机器人要能够适应升空时的振动及太空中，航天器应用机器人要能够适应升空时的振动及太空中的极限环境的极限环境 ;v抓取超量重物抓取超量重物 ，航天器应用机器人通常要能操纵超过自身重量的，航天器应用机器人通常要能操纵超过自身重量的作业对象作业对象 ;v浮游物的反作用浮游物的反作用 ，飞行中卫星对机器人的反作用，飞行中卫星对机器人的反作用 ;v固定物体固定物体 ，为了避免错误地释放物体，必须将物体进行固定。，为了避免错误地释放物体，必须将物体进行固定。航天器应用机器人设计的关键技术有以下几方面。航天器应用机器人设计的关键技
10、术有以下几方面。(1)机器人机构的润滑机器人机构的润滑宇宙空间为宇宙空间为 10-5Pa以下的超真空场合，在这样的环境下，通常以下的超真空场合，在这样的环境下，通常地面上使用的润滑油会蒸发掉，导致润滑不良，并且被蒸发的润滑地面上使用的润滑油会蒸发掉，导致润滑不良，并且被蒸发的润滑油会在周围的光学及其他仪器上再次凝结，引起光学特性恶化。油会在周围的光学及其他仪器上再次凝结，引起光学特性恶化。固体润滑剂固体润滑剂 ：金、银、铅等软金属金、银、铅等软金属具有层状结晶结构的硫族物质具有层状结晶结构的硫族物质聚四氟乙烯等高分子材料组成聚四氟乙烯等高分子材料组成(2)电气设备电气设备机器人的控制计算机通讯
11、处理和图像处理部分都是由多个机器人的控制计算机通讯处理和图像处理部分都是由多个 CPU构构成的计算机系统。成的计算机系统。 此外，控制计算机和电机驱动回路要采用耐放射此外，控制计算机和电机驱动回路要采用耐放射性、耐真空、宽耐温性的部件构成。使用的部件重点确保可靠性及性、耐真空、宽耐温性的部件构成。使用的部件重点确保可靠性及在严格设计标准的前提下，努力实现高集成化和轻量化。在严格设计标准的前提下，努力实现高集成化和轻量化。 (3)图像处理图像处理在航天器应用机器人上可设置带有标准标记的标识体，将其作在航天器应用机器人上可设置带有标准标记的标识体，将其作为检测对象，进行相对位置、姿态图像检测及反馈
12、定位。为了实现为检测对象，进行相对位置、姿态图像检测及反馈定位。为了实现完全自动化，还需要开发无需使用标识体即可采用图像处理方法识完全自动化，还需要开发无需使用标识体即可采用图像处理方法识别对象物和进行位置检测的方法。别对象物和进行位置检测的方法。(4)控制系统控制系统航天器应用机器人在使用时需要有对其进行控制的编程语言。可航天器应用机器人在使用时需要有对其进行控制的编程语言。可以将地面用机器人语言附加上太空用功能后进行改编，构成专用的以将地面用机器人语言附加上太空用功能后进行改编，构成专用的机器人语言体系。航天器应用机器人还应采用自动和人工两种控制机器人语言体系。航天器应用机器人还应采用自动
13、和人工两种控制方式，并具备力控制功能。方式，并具备力控制功能。21世纪机器人技术的发展趋势世纪机器人技术的发展趋势回顾近回顾近 10多年来国内外机器人技术的发展历程，可以归纳出下多年来国内外机器人技术的发展历程，可以归纳出下列一些特点和发展趋势。列一些特点和发展趋势。1. 传感型智能机器人发展较快传感型智能机器人发展较快作为传感型机器人基础的机器人传感技术有了新的发展，各种作为传感型机器人基础的机器人传感技术有了新的发展，各种新型传感器不断出现。新型传感器不断出现。例如，例如， 超声波触觉传感器超声波触觉传感器静电电容式距离传感器静电电容式距离传感器基于光纤陀螺惯性测量的三维运动传感器基于光纤陀螺惯性测量的三维运动传感器视觉系统等视觉系统等多传感器集成与融合技术在智能机器人上获得应用多传感器集成与融合技术在智能机器人上获得应用 。采用多传感器集成和融合技术，利用各种传感信息，获得对环采用多传感器集成和融合技术，利用各种传感信息，获得对环境的正确理解，使机器人系统具有容错性，保证系统信息处理的快境的正确理解，使机器人系统具有容错性，保证系统信息处理的快速性和正确速性和正确 。
