1、机器人概论学 院 ： 机 电 工 程 专 业：机械设计制造制造及其自动化 学 号：2009010084姓 名：徐伟 工 业 机 器 人 由 主 体 、 驱 动 系 统 和 控 制 系 统 三 个 基 本 部 分 组 成 。 主 体 即机 座 和 执 行 机 构 ， 包 括 臂 部 、 腕 部 和 手 部 ， 有 的 机 器 人 还 有 行 走 机 构 。 大 多数 工 业 机 器 人 有 3 6 个 运 动 自 由 度 ， 其 中 腕 部 通 常 有 1 3 个 运 动 自 由 度 ；驱 动 系 统 包 括 动 力 装 置 和 传 动 机 构 ， 用 以 使 执 行 机 构 产 生 相 应 的
2、 动 作 ； 控 制系 统 是 按 照 输 入 的 程 序 对 驱 动 系 统 和 执 行 机 构 发 出 指 令 信 号 ， 并 进 行 控 制 。 工 业 机 器 人 按 臂 部 的 运 动 形 式 分 为 四 种 。 直 角 坐 标 型 的 臂 部 可 沿 三 个 直角 坐 标 移 动 ； 圆 柱 坐 标 型 的 臂 部 可 作 升 降 、 回 转 和 伸 缩 动 作 ； 球 坐 标 型 的 臂部 能 回 转 、 俯 仰 和 伸 缩 ； 关 节 型 的 臂 部 有 多 个 转 动 关 节 。 工 业 机 器 人 按 执 行 机 构 运 动 的 控 制 机 能 ， 又 可 分 点 位 型
3、和 连 续 轨 迹 型 。点 位 型 只 控 制 执 行 机 构 由 一 点 到 另 一 点 的 准 确 定 位 ， 适 用 于 机 床 上 下 料 、 点 焊 和 一 般 搬 运 、装 卸 等 作 业 ； 连 续 轨 迹 型 可 控 制 执 行 机 构 按 给 定 轨 迹 运 动 ， 适 用 于 连 续 焊 接和 涂 装 等 作 业 。 工 业 机 器 人 按 程 序 输 入 方 式 区 分 有 编 程 输 入 型 和 示 教 输 入 型 两 类 。 编 程输 入 型 是 将 计 算 机 上 已 编 好 的 作 业 程 序 文 件 ， 通 过 RS232 串 口 或 者 以 太 网等 通 信
4、 方 式 传 送 到 机 器 人 控 制 柜 。 示 教 输 入 型 的 示 教 方 法 有 两 种 ： 一 种 是 由 操 作 者 用 手 动 控 制 器 (示 教 操纵 盒 )， 将 指 令 信 号 传 给 驱 动 系 统 ， 使 执 行 机 构 按 要 求 的 动 作 顺 序 和 运 动 轨迹 操 演 一 遍 ； 另 一 种 是 由 操 作 者 直 接 领 动 执 行 机 构 ， 按 要 求 的 动 作 顺 序 和运 动 轨 迹 操 演 一 遍 。 在 示 教 过 程 的 同 时 ， 工 作 程 序 的 信 息 即 自 动 存 入 程 序 存储 器 中 在 机 器 人 自 动 工 作 时
5、 ， 控 制 系 统 从 程 序 存 储 器 中 检 出 相 应 信 息 ， 将 指令 信 号 传 给 驱 动 机 构 ， 使 执 行 机 构 再 现 示 教 的 各 种 动 作 。 示 教 输 入 程 序 的 工业 机 器 人 称 为 示 教 再 现 型 工 业 机 器 人 。 具 有 触 觉 、 力 觉 或 简 单 的 视 觉 的 工 业 机 器 人 ， 能 在 较 为 复 杂 的 环 境 下 工作 ； 如 具 有 识 别 功 能 或 更 进 一 步 增 加 自 适 应 、 自 学 习 功 能 ， 即 成 为 智 能 型 工业 机 器 人 。 它 能 按 照 人 给 的 “宏 指 令 ”自
6、 选 或 自 编 程 序 去 适 应 环 境 ， 并 自 动完 成 更 为 复 杂 的 工 作 。一， 机器人技术发展进程、现状及发展趋势机器人技术的发展经历:1920 年捷克作家卡雷尔查培克在其剧本罗萨姆的万能机器人中最早使用机器人一词。剧中机器人(Robot)这个词的本意是苦力，即剧作家笔下的一个具有人的外表、特征和功能的机器，是一种人造的劳力。机器人一词虽出现得较晚，然而这一概念在人类的想象中却早已出现。制造机器人是机器人技术研究者的梦想，代表了人类重塑自身、了解自身的一种强烈愿望。自古以来，就有不少科学家和杰出工匠制造出了具有人类特点或具有模拟动物特征的机器人雏形。机器人技术的发展现状
7、:计算机技术的不断进步和发展使机器人技术的发展一次次达到一个新水平。上至太空舱、宇宙飞船，下至微机器人、深海开发，机器人技术已拓展到全球经济发展的诸多领域，成为高科技中极为重要的组成部分。人类文明的发展、科技的进步已和机器人的研究、应用产生了密不可分的关系。人类社会的发展已离不开机器人技术，而机器人技术的进步又对推动科技发展起着不可替代的作用。目前，对全球机器人技术发展最有影响的国家是美国和日本。美国在机器人技术的综合研究水平上仍处于领先地位，而日本生产的机器人在数量、种类方面则居世界首位。机器人技术的发展趋势：当今机器人技术正逐渐向着具有行走能力、多种感觉能力以及对作业环境的较强自适应能力的
8、方面发展。各种类型具有视觉、触觉、高灵巧手指、能行走的智能机器人相继出现，开始用于精密装配、核工业、宇航和深海开发、各种恶劣环境和农业部门，并出现了多传感器融合、具有一定语言能力的机器人。机器人正朝第三代智能化机器人方向发展：自学习、自适应控制、自治行动。美国贝尔科尔公司已成功地将神经网络装配在芯片上，其分析速度比普通计算机快千万倍，可更快、更好地完成语言识别、图像处理等工作。中国工业机器人技术及其产业的状况：我国机器人技术发展已有近 30 年历史。我国的机器人技术起步较晚，约于20 世纪 70 年代末、80 年代初开始。在“七五”计划期间，国家对机器人工业给予了足够的重视，投入了一定的资金，
9、组织了全国近百个单位的机器人技术攻关，开发出喷漆、焊接、搬运等工业机器人操作机、控制系统、驱动系统及相关的元器件，形成了我国机器人研究开发的基本力量，为进一步发展我国工业机器人打下了一定的基础。在此期间，我国机器人工业基本上实现了从无到有并进行了相关的应用开发。我国机器人发展中呈现的几个特点：工业机器人是典型的机电一体化高技术产品。在许多生产领域，它对于提高生产自动化水平，提高劳动生产率、产品质量和经济效益，改善工人劳动条件的作用日见显著，不少劳动条件恶劣、生产要求苛刻的场合，机器人代替人力劳动已是必然的趋势，各行各业对机器人的需求将越来越多，其市场将稳步增长。1机器人产业化进程加快，国内将逐
10、步形成产值上千万、上亿元的机器人骨干生产企业从国际市场来看，机器人工业是一种高投入低赢利的产业，市场竞争极为激烈，机器人工业必须上一定规模才有利润可言，才有必需的开发投入，才能走上良性循环的发展道路。世界上机器人产量最大的三家公司年产机器人数均超千台以上，其中 ABB（瑞典）公司达到 9000 台，安川电机公司（日本）近2500 台，KUKA（德国）公司近 2000 台，从国内现状来看，大公司、大企业通过与外国机器人公司合资合作，引进技术和资金，逐步规模化生产机器人，把国内机器人产业推向一个新的阶段，其中有代表性的，如首钢集团公司与安川电机公司合资的首钢莫托曼公司、唐山电子设备厂与松下电器公司
11、合资的唐山松下产业机器有限公司、东风汽车公司与德国 KUKA 公司合作、济南二机床公司与美国 ISI 机器人公司合作等等。这些合资合作的开展，将会有效地推动中国机器人工业的进步，全面促进中国机器人工业水平的提高，但是它也会和其他外国机器人公司一样，冲击中国机器人市场，影响具有自主开发能力的中国机器人产业的形成，也会使国内其他的机器人生产厂家面临一种严峻的挑战。2由注重机器人单机开发过渡到成套开发机器人应用系统生产机器人多的大型公司，可以凭借规模优势，占据较大的市场份额，形成规模效益，而一些中小公司要想在激烈的市场竞争中求得生存，必须具有自己的特色。国外许多中小公司把自己的市场定位在机器人系统集
12、成或某些有特长领域，从而形成自己的局部优势，在市场中求得生存和发展，如奥地利 IGM公司以向用户提供大型机器人焊接系统著称，机器人在系统中只占售价的 13左右，卖单台机器人赢利甚微，而卖机器人系统却赢利可观。意大利 COMAU 公司以承接压机生产线见长，在这里，机器人系统是促销售的关键。我国国内机器人生产厂家规模大都较小，甚至谈不上规模，而国内一般企业又没有能力将机器人有效地集成到生产系统中去，因此，那些进行系统集成并向用户提供一条龙服务的公司，在机器人市场中将有较强的竞争力。国内机器人生产厂家中北京机械工业自动化研究所，以承接涂装自动化生产线见长，中国科学院沈阳自动化研究所承接焊接生产线，哈
13、尔滨工业大学机器人研究所的机器人码垛生产线已产业化。3机器人开发走开放型科研之路国内“七五”时就开展了机器人技术攻关，已具备了生产国产机器人的基础，但国产机器人无论在技术上，还是在可靠性上，都与国外机器人差相当一段距离，要尽快缩短这种距离，必须走一条开放型的自主科研道路。1) 多方筹措开发资金，通过政府部门投资、用户单位投资、自我积累、外商投资、银行贷款等形式，筹措国产机器人的开发资金。2) 消化和利用国外机器人技术、资料、样机和关键元器件，为我所用。3) 选择引进国外质量可靠的机器人零部件和元器件。4) 开展国内合作，利用国内技术优势，开发具有中国技术特色的国产机器人产品。5) 注意机器人产
14、品的高可靠性，使国产机器人的可靠性与国外机器人具有可比性，同时要做到低成本、易操作。4机器人品种的多样化和应用领域的广泛化我国机器人 80 年代起步之初，主要机型为喷漆、弧焊、点焊、搬运等，应用领域主要局限于汽车、摩托车、工程机械等，但是进入 90 年代以来，机型和领域均有了很大的发展，根据国内外机器人发展的趋势，国内逐步开发出以下的机器人品种。机器人机型：焊接机器人 搬运机器人 装配机器人 喷涂机器人 切割用机器人(水切割、激光切割、等离子切割) 娱乐机器人 水下机器人 爬壁机器人 管道机器人 医疗服务机器人 微型机器人 多臂机器人 行走机器人 移动避障机器人二，机器人技术的学科前沿机器人技
15、术发展到今天，正朝着自学习、自适应控制、自主性(自治行动)、智能性等方向发展。人们将在更现实基础上开拓机器人在各个领域的应用，开发的机器人应当是具有灵活的可操作性和移动性，丰富的传感器及其处理系统，全面的智能行为和友好协调的人机器人交互能力的高级机器人。有关机器人机械学的学科前沿，可归纳为以下几个方面：1操作机在智能机器人操作机研究方面，人们重点集中在各种具有柔性感、灵巧性的手爪和手臂上。研究前沿有：手臂结构，关键是其轻质化，研究新型高刚度、抗震结构和材料；机器人手、腕及其连接机构，实现快速、准确、灵活性、柔顺性以及结构的紧凑性。冗余自由度柔性操作机，为适应狭小环境中的灵活操作，需要像人手那样
16、地灵巧、需达到 27 个自由度且结构可变的柔性操作机。微型操作机，其线径小于 1mm，用于军事侦察和各种微型操作。2动力源和驱动智能机器人的机动性要求动力源轻、小、出力大，研究重点是改善动力源的现状，以提高机器人的自主性。智能机器人的主要驱动器是电动机，为使智能机器人的作业能力与人相当，它的指、肘、肩、腕各关节大致需要 3300Nm 的输出力矩和 3060rmin的输出转速。减轻电动机质量的措施有：采用交流电动机、优化电气及结构参数，采用电动机编码器减速器的一体化设计、把多自由度集成等等。应搭载在智能机器人的移动载体上的电动机的功放单元和控制单元，为缩小到目前体积的 l20，措施有采用多层印刷
17、电路板、表面贴装技术、PLD 器件和混合IC 等。新型驱动器，如形状记忆合金、人工肌肉、压电元件、挠性轴丝绳集束传动等已得到人们关注，但在实用方面近来己达到伺服电动机水平。在日本极限作业计划中，水下机器人机械手的手腕和手爪驱动采用了人工肌肉，肌肉本身质量才 58g，以 2MPa 压力为工作介质，收缩力高达 500N(管径 3mm)，这可是新型驱动器一个成功例子。3移动技术移动技术是智能机器人与一般机器人显著的区别之一。研究前沿有：新型移动机构，开发用于凹凸不平路面、楼梯、高山、弯管、海面、水下、高空等环境中的移动机构。用于行走的传感技术，主要是高级的三维视觉、触觉和接近觉等。移动路途分析，采用
18、动态规划等方法，对移动环境、成本、时间等进行综合分析、规划最佳路径：人机协调行走控制，对于复杂环境的行走，单纯用计算机控制有困难，可用人机协调方式；行走动作选择，对于复杂环境多自由度行走，需事先制定行走方案，选择最佳动作，研究最佳关节配置及动作级语言等。美国开发了一种双轮并联式全方位移动小车，MIT 研制了采用球形轮的全方位移动小车。我国的哈尔滨工业大学研制的壁面爬行检查机器人采用负压吸附，全方位移动方式，最大爬壁速度达到 2mmin，其利用光缆通信实现有线遥控与程序控制，定位精度为士 2mm。4微机器人微机器人是近期机器人研究一个热点，其可能引起机器人结构的变革。微机器人是一个智能机器人系统
19、，最终目标是将移动、传感、控制、能源集于一身，具有广泛应用前景，研究前沿课题有：执行元件和认识机构的微型化；从感觉传感器回路的微型化向微小的位置姿态控制方向发展：从微型电池向化学能源和外部能源场的方向发展：各种材料的微型部件的加工装配向缩小法和自动生成方向发展；微小生物运动机构、生物执行器、生物能源机构规律的探索和人工化。5仿生机构开展仿生机构的研究，可以从生物体构造、移动模式、运动机理、能量分配、信息处理与综合，以及感知和认识等方面多层次得到启发。目前人工肌肉、以躯体为构件的蛇形移动机构、仿象鼻子柔性臂、人造关节、假肢、多肢体动物的运动协调等得到关注。6机构与控制的一体化设计机器人学的新问题
20、是，如何进行“机构一控制一传感器一驱动”的一体化优化设计，以满足机械手高速高精度定位的要求。机器人机电一体优化设计的目标函数除动作时间外，还可以选择能量、误差、力矩、成本等，除成本一项外，其余指标都与机器人的运动性能有密切关系。设计宗旨是在电动机极限和其他约束条件下求解使目标函数达到极值(最大或最小)的控制命令值，将这些指令发给控制系统。最省能量控制也越来越受到智能机器人关注。7智能控制与人工智能及示教技术智能控制方面发展动向主要是多级分布式计算机控制、基于神经网络的控制，以及实现通用模块、智能机器人核心程序模块、机器人操作系统的通用化等。人工智能在机器人技术方面应用主要有：规划和知识表述；机
21、器人数据库；自治功能(自治控制、自学习、自立能源、高安全可靠性等)；智能通信(人机通信、机器人间通信等)。示教技术方面发展动向主要是：实现复杂柔性作业的机器人综合语言，带有三维动态显示的离线示教以适应多机群控操作，满足复杂环境行走和野外作业的智能主从操作示教。世界上机器人工业萌芽于 50 年代的美国，经过 50 余年的发展，已被不断地应于人类社会很多领域，正如计算机技术一样，机器人技术正在日益改变着我们的生产方式，以至今后的生活方式（比尔.盖茨在微软创立 30 年时向世界预言：机器人将与个人电脑一样迈入家家户户，彻底改变人类的生活方式） 。因此，我们有必要以极大的兴趣关注它的发展，研究它的未来，迎接它给我们带来的机遇。姓名：徐伟班级：机 0903学号：2009010084
