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机器人技术概述

时间:2019-08-21 12:22 作者:未知
 

 

 

机器人技术概述伍赛特0 引言机器人技术集成了机械工程、电子技术、计算机技术、自动控制理论及人工智能等多学科的最新研究成果,代表了机电一体化的最高成就,是当代科学技术发展最活跃的领域之一。在传统的制造领域,工业机器人历经诞生期、成长期及成熟期,目前己成为不可缺少的核心自动化装备,世界上有上百万台工业机器人工作在各种生产现场。在非制造领域,上至太空舱、宇宙飞船、月球探险,下至极限环境作业、医疗手术、日常生活服务,机器人技术的应用已拓展到社会经济发展的诸多领域。1 机器人的定义机器人是高级整合控制论、机械电子、计算机、材料和仿生学的产物,在工业、医学、农业、建筑业甚至军事等领域中均有重要应用。国际上对机器人的概念已经逐渐趋于一致。一般来说,人们可以接受这种说法,即机器人是靠自身的动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。联合国标准化组织采纳了美国机器人协会给机器人下的定义:“一种可编程、、多功能的操作机;或是为了执行不同的任务而具有可用电脑改变和可编程动作的专门系统。”它能为人类带来许多方便。日本着名学者加藤一郎提出了机器人的三要素:具有脑、手、脚等要素的个体;具有非接触传感器和接触传感器;具有用于平衡和定位的传感器。我国科学家对机器人的定义是:机器人是一种自动化的机器,这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力,如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力,是一种具有高度灵活性的自动化机器。一般来说,机器人应该具备拟人功能、可编程和通用性好三大特征。拟人功能。机器人是模仿人或动物肢体动作的机器,能像人那样使用工具。因此,数控机床和汽车不是机器人。可编程。机器人具有智力或感觉与识别能力,可随工作环境变化的需要而再编程。一般的电动玩具没有感觉和识别能力,不能再编程,因此不能称为真正的机器人。通用性好。一般机器人在执行不同作业任务时具有较好的通用性,例如通过更换机器人末端操作器便可执行不同的任务。2 机器人的发展史“机器人技术”一词虽出现得较晚,但相关概念早已出现在人类的想象中。制造机器人是机器人技术研究者的梦想,它体现了人类重塑自身、了解自身的一种强烈愿望。自古以来,不少科学家和杰出工匠都曾制造出具有人类特点或模拟动物特征的机器人雏形。“机器人”一词是1920年由捷克作家卡雷尔·恰佩克在他的讽刺剧《罗莎姆的万能机器人》中首先提出的。剧中描述了一个与人类相似,但能不知疲倦工作的机器奴仆Robot。Robot,原为Robo,意为奴隶,即人类的仆人,从那时起,Robot 一词沿用至今,中文意思为“机器人”。1942年,美国科幻作家埃萨克·阿西莫夫在他的科幻小说《我,机器人》中提出了“机器人三定律”,这三定律后来成为学术界默认的研发原则。目前“机器人三定律”已经衍生为“机器人五定律”。现代机器人出现于20世纪中期,当时数字计算机已经出现,电子技术也有了长足的发展,在产业领域出现了受计算机控制的可编程的数控机床,与机器人技术相关的控制技术和零部件加工也已有了扎实的基础。另外,人类需要开发自动机械,以替代人类从事一些恶劣环境下的作业。正是在这一背景下,机器人技术的研究与应用得到了快速发展。以下列举了现代机器人工业史上的几个标志性事件。1954年,美国人戴沃尔制造出世界上第一台可编程的机械手,并注册了专利。这种机械手能按照不同的程序从事不同的工作,因此具有通用性和灵活性。1959年,戴沃尔与美国发明家英格伯格联手制造出第一台工业机器人,并随后成立了世界上第一家机器人制造工厂-Unimation公司。由于英格伯格对工业机器人富有成效的研发和宣传,他被称为“工业机器人之父”。1962年,美国AMF公司生产出万能搬运机器人Verstran,与Unimation公司生产的机器人Unimate -样成为真正商业化的工业机器人,并出口到世界各国,掀起了全世界对机器人研究的热潮。1967年,日本川崎重工公司和丰田公司分别从美国购买了工业机器人Unimate和Verstran的生产许可证,日本从此开始了对机器人的研究和制造。20世纪60年代后期,喷漆弧焊机器人问世并逐步开始应用于工业生产中。1968年,美国斯坦福研究所公布了已研发成功的机器人Shakey。它带有视觉传感,能根据人的指令发现并抓取积木,不过控制它的计算机有一间房间那么大。Shakey被称为世界上第一台智能机器人,由此拉开了第三代机器人研发的序幕。1969年,日本早稻田大学的加藤一郎实验室研发出第一台以双脚走路的机器人。加藤一郎长期致力于研究仿人机器人,被誉为“仿人机器人之父”。日本专家一向以研发仿人机器人和娱乐机器人的技术见长,后来进一步催生出本田公司的ASIMO机器人和索尼公司的QRIO机器人。1973年,世界上机器人和小型计算机第一次携手,研制出了美国Cincinnati Milacron公司的机器人T3。1979年,美国Unimation公司推出通用工业机器人PUMA,这标志着工业机器人技术已经完全成熟。PUMA至今仍工作在生产一线,许多机器人技术的研究都以该机器人为模型和对象。1979年,日本山梨大学牧野洋发明了平面关节型SCARA机器人,该机器人在此后的装配作业中得到了广泛应用。1980年,工业机器人在日本开始普及。随后,工业机器人在日本得到了巨大发展,日本也因此赢得了“机器人王国”的美称。1984年,英格伯格再次推出机器人Helpmate,这种机器人能在医院里为患者送饭、送药、送邮件。同年,英格伯格还预言:我要让机器人擦地板、做饭、出去帮我洗车、检查安全。1996年,本田公司推出仿人型机器人P2,使双足行走机器人的研究达到了一个新的水平。随后许多国际着名企业争相研制代表自己公司形象的仿人型机器人,以展示公司的科研实力。1998年,丹麦乐高公司推出机器人Mindstorms套件,让机器人制造变得跟搭积木一样,相对简单又能任意拼装,使机器人开始走入个人世界。1999年,日本索尼公司推出机器人ALBO,当即销售一空,从此娱乐机器人进入普通家庭。2002年,美国iRobot公司推出吸尘器机器人Roomba,它是目前世界上销量最大、商业化最成功的家用机器人。2006年,微软公司推出Microsoft Robotics Studio机器人,从此机器人模块化、平台统一化的趋势越来越明显。3 机器人的分类关于机器人如何分类,国际上没有制定统一的标准。从不同的角度来看,机器人有不同的分类方法。我国的机器人专家从应用环境出发,将机器人分为两大类,即工业机器人和特种机器人。所谓工业机器人,就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人,如图1-3所示。而特种机器人则是除工业机器人之外的、用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人,包括服务机器人、水下机器人、娱乐机器人、军用机器人、农业机器人和机器人化机器等。在特种机器人中,有些分支发展得很快,有独立成体系的趋势,如服务机器人、水下机器人、军用机器人和微操作机器人等。国际上的机器人学者,从应用环境出发将机器人也分为两类:制造环境下的工业机器人和非制造环境下的服务与仿人型机器人,这和中国的分类是一致的。空中机器人又叫无人机,在军用机器人家族中,无人机是科研活动中最活跃、技术进步最大、研究及采购经费投入最多、实战经验最丰富的领域。80多年来,世界无人机的发展基本上是以美国为主线向前推进的,无论是从技术水平还是从无人机的种类和数量来看,美国均居世界首位。3.1 按机器人发展的程度分类按从低级到高级的发展程度,机器人可分为以下几类:第一代机器人。第一代机器人是指只能以示教一再现方式工作的工业机器人。第二代机器人。第二代机器人带有一些可感知环境的装置,可通过反馈控制使其在一定程度上适应变化的环境。第三代机器人。第三代机器人是智能机器人,它具有多种感知功能,可进行复杂的逻辑推理、判断及决策,可在作业环境中独立往动,具有发现问题并自主解决问题的能力。这类机器人具有高度的适应性和自治能力。第四代机器人。第四代机器人为情感型机器人,它具有人类式的情感。具有情感是机器人发展的最高层次,也是机器人科学家的梦想。3.2 按控制方式分类按控制方式,可将机器人分为操作机器人、程序机器人、示教一再现机器人、数控机器人和智能机器人等。操作机器人。操作机器人是指人可在一定距离处直接操纵进行作业的机器人,通常采用主、从方式实现对操作机器人的遥控操作。程序机器人。程序机器人可按预先给定的程序、条件、位置等信息进行作业,其在工作过程中的动作顺序是固定的。示教一再现机器人。示教一再现机器人的工作原理是:由人操纵机器人执行任务,并记录下这些动作,机器人进行作业时按照记录下的信息重复执行同样的动作。示教一再现机器人的出现标志着工业机器人广泛应用的开始。示教一再现方式目前仍然是工业机器人控制的主流方法。数控机器人。控制数控机器人动作的信息由编制的计算机程序提供,机器人依据这一信息进行作业。智能机器人。智能机器人具有感知和理解外部环境信息的能力,即使其工作环境发生变化,也能够成功完成作业任务。在实际应用中所用的机器人多是这些类型机器人的组合。3.3 按机器人的应用领域分类按应用领域,机器人可分为三大类:产业用机器人、极限作业机器人和服务型机器人。产业用机器人。按照服务产业种类的不同,机器人又可以分为工业机器人、农业机器人、林业机器人和医疗机器人等。按照用途不同,又可以分为搬运机器人、焊接机器人、装配机器人、喷漆机器人和检测机器人等。极限作业机器人。极限作业机器人是指应用于人们难以进入的极限环境,在这些特殊环境完成作业任务的机器人。服务型机器人。服务型机器人是指用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人,包括娱乐机器人、福利机器人和保安机器人等。目前服务型机器人发展速度很快,代表着机器人未来的研究和发展方向。3.4按机器人关节连接布置形式分类按机器人关节连接布置的形式,机器人可分为串联机器人和并联机器人两类。串联机器人的杆件和关节是采用串联方式进行连接的,并联机器人的杆件和关节是采用并联方式进行连接的。本书所涉及的主要是串联机器人。并联机器人是指运动平台和基座间至少由两根活动连杆连接,具有2个或2个以上自由度闭环机构的机器人。并联机器人的并联布置类型可分为Stewart平台型和Stewart变异结构型两种。1965年,英国高级工程师Stewart提出了用于飞行模拟器的6自由度并联机构Stewart平台,推动了对并联机构的研究。Stewart机构可作为6自由度的闭链操作臂,运动平台的位置和姿态由6个直线油缸的行程长度决定,油缸的一端与基座通过2自由度的万向联轴器相连,另一端通过3自由度的球一套关节与运动平台相连。1978年,澳大利亚着名机构学教授Hunt提出把6自由度的Stewart平台机构作为机器人机构,此后,并联机器人技术得到了推广与应用。图1-6所示为ABB公司的6-DOF并联机器人。目前,并联机器人技术与机床结构技术结合的产物——并联机床已成为新型机床研究的热点之一。并联机器人具有刚度高、精度高、响应速度快及结构简单等特点,其不足之处在于工作空间小和控制复杂。并联机器人广泛用于产品包装、飞行员训练模拟及外科手术设备的精确定位中。参考文献[1] 马文倩,晁林. 机器人设计与制作[M]. 北京:北京理工大学出版社, 2016.03.

 

 

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