清華課件01張文增講義機(jī)器人技術(shù)

1、文檔來(lái)源為 :從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word 版本可編輯.歡迎下載支持機(jī)器人技術(shù)張文增編，機(jī)器人學(xué)是關(guān)于設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用機(jī)器人的一門(mén)正在發(fā)展中的新興學(xué)科。機(jī)器人技術(shù)涉及機(jī)構(gòu)學(xué)、控制理論和技術(shù)、計(jì)算機(jī)、傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等諸領(lǐng)域，是一門(mén)多學(xué)科的綜合性高技術(shù)，是當(dāng)代研究十分活躍、應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域，機(jī)器人的應(yīng)用情況也標(biāo)志著一個(gè)國(guó)家制造業(yè)及其工業(yè)自動(dòng)化的水平。1.1 機(jī)器人概述1.2 機(jī)器人的由來(lái)雖然說(shuō)機(jī)器人是近代這幾十年才迅速發(fā)展起來(lái)的，但是關(guān)于機(jī)器人的描述在古代就已經(jīng)有了。早在中國(guó)古代就有關(guān)于機(jī)器人的描述：嶗山道士；故事人物“木刻鐘馗，能左手扼鼠，右手持鐵簡(jiǎn)斃之，身高三尺，動(dòng)作靈巧；少林銅人；

2、科學(xué)家沈括“夢(mèng)溪筆談”書(shū)中，記載的“自動(dòng)木人抓老鼠”。同樣的在外國(guó)古代也有對(duì)機(jī)器人的描述：公元前3世紀(jì)古希臘神話(huà)中的科幻人物“太羅斯”為一個(gè)國(guó)王的衛(wèi)士，青銅的身體、盔甲裝備、刀槍不入、力大無(wú)比、巡邏于克里特島上、能扔石沉船、能灼熱自身、燒殺來(lái)犯之?dāng)场６鳵obot這個(gè)詞卻是到了近代才產(chǎn)生的：Robot源于捷克作家卡雷爾查培克（KarelCaPek18901958）在1920年寫(xiě)的羅莎姆萬(wàn)能機(jī)器人RossumUniversalRobot劇本中的主人公的名字Robota（奴隸）。之后它就被用來(lái)描寫(xiě)機(jī)器，“有勞動(dòng)力、沒(méi)有思維、外形似人、被用來(lái)替人做勞力勞動(dòng)和日常雜活的奴隸?！?950年美國(guó)作家I.阿西

3、莫夫提出了“機(jī)器人三原則”：（1）機(jī)器人不可傷人；（2）在不違反第一條的前提下，機(jī)器人必須服從人的命令；（3）在不違反前兩條的前提下，機(jī)器人可維護(hù)自身不受傷害。在50年代初由MIT發(fā)展的數(shù)控技術(shù)CNC為機(jī)器人的出現(xiàn)準(zhǔn)備了控制方面的基礎(chǔ)。美國(guó)是工業(yè)機(jī)器人的誕生地，1954年，美國(guó)GeorgeC.Devol申請(qǐng)了發(fā)明專(zhuān)利：可編程序關(guān)節(jié)型搬運(yùn)裝置。1959年，GeorgeC.Devol和，生產(chǎn)出了第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人Unimate，如圖1所示。與自動(dòng)機(jī)床的不同之處在于它可以通過(guò)重復(fù)編程來(lái)完成不同的作業(yè)，可以被教會(huì)作某些工作，然后自動(dòng)完成。圖1Unimate機(jī)器人正在生產(chǎn)線(xiàn)上工作1963年，美國(guó)AMF公司

4、生產(chǎn)出商用機(jī)器人Versatran。1968年，日本川崎重工從美國(guó)引進(jìn)Unimate機(jī)器人。1978年，第一臺(tái)PUMAJL器人在GMK入使用。1979年，Unimation公司推出了一種多關(guān)節(jié)、全電動(dòng)驅(qū)動(dòng)、多CPU二級(jí)控制PUM刖器人。19701980年，美國(guó)機(jī)器人占有量增加了20倍以上；日本機(jī)器人產(chǎn)量增加25倍；前蘇聯(lián)的機(jī)器人1985年比1980年增加了9倍。1981年，日本機(jī)器人占有量為全世界的57.5，因此被譽(yù)為“機(jī)器人王國(guó)”；同時(shí)全世界機(jī)器人總數(shù)已達(dá)到57萬(wàn)臺(tái)，形成了一個(gè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)。到1999年，全世界機(jī)器人總數(shù)已達(dá)100萬(wàn)臺(tái)。從機(jī)器人誕生到上世紀(jì)80年代初，機(jī)器人技術(shù)經(jīng)歷了一個(gè)長(zhǎng)期緩

5、慢的發(fā)展過(guò)程。到了上世紀(jì)90年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的快速發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)也得到了飛速發(fā)展。工業(yè)機(jī)器人是現(xiàn)代制造業(yè)的基礎(chǔ)設(shè)備，它屬于自動(dòng)化制造系統(tǒng)的物理層次。機(jī)器人的過(guò)去、現(xiàn)在和未來(lái)都與制造業(yè)的發(fā)展密切相關(guān)。以1993年日本工業(yè)機(jī)器人按行業(yè)分布的統(tǒng)計(jì)資料為例，用于制造業(yè)的機(jī)器人占全日本機(jī)器人總數(shù)的96，根據(jù)國(guó)際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)（IFR）的報(bào)告資料，日本機(jī)器人密度最高，1997年在制造業(yè)中每萬(wàn)名工人占有機(jī)器人的數(shù)量為277臺(tái)，1997年日本新裝機(jī)器人臺(tái)數(shù)為42696臺(tái)，1997年未現(xiàn)役工業(yè)機(jī)器人的臺(tái)數(shù)未412961臺(tái)，汽車(chē)工業(yè)、機(jī)電工業(yè)是機(jī)器人的重要用戶(hù)，焊接是機(jī)器人的最大應(yīng)用領(lǐng)

6、域。機(jī)器人作為高技術(shù)的一個(gè)重要分支，已引起世人關(guān)注，1997年世界機(jī)器人銷(xiāo)售額已達(dá)48億美元。我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展和制造業(yè)巨大市場(chǎng)為機(jī)器人在我國(guó)的發(fā)展提供了廣闊的空間，機(jī)器人的發(fā)展特別與汽車(chē)制造業(yè)、電子制造業(yè)密切相關(guān)。機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展能促使我國(guó)大中型企業(yè)實(shí)現(xiàn)高新技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化和傳統(tǒng)工業(yè)的高新化，提高了企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。顯然，機(jī)器人技術(shù)也是先進(jìn)制造技術(shù)中一個(gè)重要單元技術(shù)，其作用及重要性表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:面向先進(jìn)制造中柔性裝配的機(jī)器人及系統(tǒng)、機(jī)器人加工系統(tǒng)及其設(shè)備、機(jī)器人化機(jī)器、特種環(huán)境下作業(yè)機(jī)器人等，工業(yè)機(jī)器人已廣泛應(yīng)用于噴漆、焊接、沖壓、壓鑄、上下料、搬運(yùn)、裝配加工自動(dòng)化中。1.3 機(jī)器人定義

7、關(guān)于機(jī)器人的定義有很多種。英國(guó)機(jī)器人協(xié)會(huì)的機(jī)器人定義：“一種可重復(fù)編程的裝置，用以加工和搬運(yùn)零件、工具、特殊的加工器具，通過(guò)可變的程序流程以完成特定的加工任務(wù)”美國(guó)機(jī)器人學(xué)會(huì)的機(jī)器人定義：“一種可編程的、多功能操作手，用以搬運(yùn)材料、零件、工具或?qū)Ｓ迷O(shè)備。通過(guò)可變的程序流程，以完成多樣化的作業(yè)任務(wù)”美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局的機(jī)器人定義：“一種可編程的在自動(dòng)控制下完成某些加工任務(wù)或動(dòng)作的機(jī)械裝置”日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)器人定義：“機(jī)器人是一種機(jī)械裝置，在自動(dòng)控制下，能夠編程完成某些現(xiàn)作或者動(dòng)作功能”聯(lián)合國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化組織的機(jī)器人定義：“一種可重復(fù)編程的多功能操作手，用以搬運(yùn)材料、零件、工具或者是一種為了完成不同探作任務(wù)

8、，可以有多種程序流程的專(zhuān)門(mén)系統(tǒng)”以上的定義雖然從字面上看起來(lái)相差較大，但是所描述的機(jī)器人都具有三個(gè)共同點(diǎn)：1機(jī)械裝置?？梢酝瓿啥喾N操作和動(dòng)作功能，必須具有通用性2可重復(fù)編程。具有多種多樣程序流程，提供人/機(jī)對(duì)話(huà)功能能，有柔軟性3包含一個(gè)自控系統(tǒng)。可以在無(wú)人參與下，完成操作作業(yè)和動(dòng)作功能綜合各國(guó)對(duì)工業(yè)機(jī)器人的定義，其在“可編程”“計(jì)算機(jī)控制”和“機(jī)械裝置”三方面的共同點(diǎn)是：工業(yè)機(jī)器人是在工業(yè)中應(yīng)用的一種能進(jìn)行自動(dòng)控制的、可重復(fù)編程的、多功能的、多自由度的、多用途的操作機(jī)，能搬運(yùn)材料、工件和操持工具，用以完成各種作業(yè)。且這種操作機(jī)可以固定在一個(gè)地方，也可以在往復(fù)運(yùn)動(dòng)的小車(chē)上?？梢酝ㄋ椎乩斫鉃椤皺C(jī)器

9、人是技術(shù)系統(tǒng)地一個(gè)類(lèi)別，它能以其動(dòng)作復(fù)現(xiàn)人的動(dòng)作和職能，它與傳統(tǒng)的自動(dòng)機(jī)的區(qū)別在于有更大的萬(wàn)能性和多目的的用途，可以反復(fù)調(diào)整，以執(zhí)行不同的功能?！边@一概念反映了人類(lèi)研究機(jī)器人的最終目的是為了創(chuàng)造一種能夠綜合人的所有動(dòng)作和智能特征，延伸人的活動(dòng)范圍，使其具有通用性、柔韌和靈活性的自動(dòng)機(jī)械。工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)成為FMSCMIS等自動(dòng)化制造系統(tǒng)中的重要設(shè)備。1.4 機(jī)器人的組成一個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)一般由執(zhí)行機(jī)構(gòu)（機(jī)械手）、控制器、環(huán)境等組成，如圖2、3所示。（ 1）執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)器人一般是一臺(tái)機(jī)械手，是由若干（旋轉(zhuǎn)的或棱柱的）關(guān)節(jié)連接在一起的剛體（連桿）鏈。多數(shù)機(jī)械手是具有六個(gè)自由度的關(guān)節(jié)式機(jī)械結(jié)構(gòu)。其中三個(gè)自由

10、度用來(lái)引導(dǎo)末端執(zhí)行機(jī)器到所需位置，另外三個(gè)自由度用來(lái)確定末端執(zhí)行裝置的方向。機(jī)械臂的末端根據(jù)需要可以安裝末端夾持器、噴槍、焊槍、吸盤(pán)、扳手等工具。機(jī)器人的主要規(guī)格參數(shù)有：自由度個(gè)數(shù)（DOF,Degreeoffreedom）、工作空間（workspace）、負(fù)載（payload）、精度（precision）、重復(fù)性（repeatability）。圖2機(jī)器人系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)1機(jī)械手；2控制器；3編程盒；4變位機(jī)；5線(xiàn)纜圖3典型工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)組成（ 2）控制器控制器是機(jī)器人系統(tǒng)的指揮中樞，它接受來(lái)自傳感器的信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并按照預(yù)存的信息、機(jī)器人的狀態(tài)及環(huán)境情況等，產(chǎn)生控制信號(hào)去驅(qū)動(dòng)機(jī)器人執(zhí)行

11、機(jī)構(gòu)的各個(gè)關(guān)節(jié)，以完成特定的動(dòng)作。機(jī)器人工作部分的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)作是由控制部分所編的程序來(lái)決定的。由于是程序控制的，所以能夠方便、容易地改變工作方式和任務(wù)。因此，機(jī)器人是一種具有“柔性”的機(jī)器。（ 3）環(huán)境環(huán)境是指機(jī)器人在執(zhí)行任務(wù)時(shí)所能達(dá)到的幾何空間。在工作環(huán)境中，機(jī)器人會(huì)得到為完成任務(wù)所需的支持，如自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)會(huì)為生產(chǎn)線(xiàn)上的機(jī)器人運(yùn)送工件材料等；同時(shí)，機(jī)器人必須避免與工作環(huán)境中的障礙發(fā)生碰撞，并妥善處理好環(huán)境中發(fā)生的各種可能的事件。在運(yùn)動(dòng)的空間里機(jī)器人要設(shè)計(jì)好合理的運(yùn)動(dòng)路線(xiàn)等，環(huán)境信息一般為已知的，這時(shí)稱(chēng)為結(jié)構(gòu)環(huán)境；但在許多情況下，環(huán)境具有未知的和不確定性質(zhì)，這時(shí)就稱(chēng)為非結(jié)構(gòu)環(huán)境。機(jī)器人具有與人類(lèi)似

12、地功能，如行走、抓拿等，高級(jí)機(jī)器人還具有智能行為，能夠進(jìn)行邏輯推理、判斷與決策。更具機(jī)器人地不同用途，可以將機(jī)器人分為工業(yè)機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人、水下機(jī)器人、空間機(jī)器人等多種類(lèi)型。1.5 機(jī)器人的分類(lèi)機(jī)器人的分類(lèi)如圖4所示。圖4機(jī)器人分類(lèi)除此外，還有以下的分類(lèi)方法：（ 1）按自動(dòng)化功能層次分類(lèi)專(zhuān)用機(jī)器人：以固定程序在固定地點(diǎn)工作的機(jī)器人，其動(dòng)作少，工作對(duì)象專(zhuān)一，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低，適用于在大量生產(chǎn)系統(tǒng)中工作。通用機(jī)器人：具有獨(dú)立的控制系統(tǒng)，動(dòng)作靈活多樣，通過(guò)改變控制程序能完成多種作業(yè)的機(jī)器人。它的工作范圍大，定位精度高，通用性能強(qiáng)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，適用于柔性制造系統(tǒng)中。示教再現(xiàn)機(jī)器人：這是具有記憶功能、

13、能完成復(fù)雜動(dòng)作的機(jī)器人，它在由人示教操作后，能按示教的順序、位置、條件與其它信息反復(fù)重現(xiàn)示教作業(yè)。智能機(jī)器人：具有各種感覺(jué)功能和識(shí)別功能，能作出決策自動(dòng)進(jìn)行反饋糾正的機(jī)器人，它采用計(jì)算機(jī)控制，依賴(lài)于識(shí)別、學(xué)習(xí)、推理和適應(yīng)環(huán)境等智能，決定其動(dòng)作或作業(yè)。3文檔來(lái)源為 :從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word 版本可編輯.歡迎下載支持 .文檔來(lái)源為 :從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word 版本可編輯.歡迎下載支持 .（ 2）按控制方式分類(lèi)固定程序控制機(jī)器人：采用固定程序的繼電器控制器或固定邏輯控制器組成控制系統(tǒng)，按預(yù)先設(shè)定的順序、條件和位置，逐次執(zhí)行各階段的動(dòng)作，但不能用編程的方法改變已設(shè)定的信息。可編程序控制機(jī)器人：可利用

14、編程方法改變機(jī)器人的動(dòng)作順序和位置，控制系統(tǒng)具有程序選擇環(huán)節(jié)來(lái)調(diào)用存儲(chǔ)系統(tǒng)中相應(yīng)的程序，適用于比較復(fù)雜的工作場(chǎng)合，并能隨著工作對(duì)象的不同需要在較大范圍內(nèi)調(diào)整機(jī)器人的動(dòng)作，可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制。（ 3）按驅(qū)動(dòng)方式分類(lèi)氣壓傳動(dòng)機(jī)器人、電氣傳動(dòng)機(jī)器人、液壓傳動(dòng)機(jī)器人以及復(fù)合傳動(dòng)機(jī)器人。（ 4）按應(yīng)用場(chǎng)合分類(lèi)工業(yè)機(jī)器人、特種機(jī)器人、娛樂(lè)機(jī)器人等。近幾年來(lái)，人類(lèi)的活動(dòng)領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，機(jī)器人的應(yīng)用也從制造業(yè)領(lǐng)域到非制造領(lǐng)域發(fā)展。向海洋開(kāi)發(fā)、宇宙探測(cè)、采掘、建筑、醫(yī)療、農(nóng)林業(yè)、服務(wù)娛樂(lè)等行業(yè)都提出了自動(dòng)化和機(jī)器人化的要求。這些行業(yè)與制造業(yè)相比其主要特點(diǎn)就是工作環(huán)境的非結(jié)構(gòu)化和不確定性，因而對(duì)機(jī)器人的

15、要求將會(huì)更高，需要機(jī)器人具有行走功能、對(duì)外感知能力以及局部的自主規(guī)劃能力等，是機(jī)器人技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向?？梢灶A(yù)見(jiàn)，在21世紀(jì)各種先進(jìn)的機(jī)器人系統(tǒng)將會(huì)進(jìn)入人類(lèi)生活的各個(gè)領(lǐng)域，成為人類(lèi)良好的助手和親密的伙伴。下面對(duì)幾種典型機(jī)器人進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。1）工業(yè)機(jī)器人早期的機(jī)器人以工業(yè)應(yīng)用為主，稱(chēng)為工業(yè)機(jī)器人，主要包括用于搬運(yùn)、噴漆、弧焊和點(diǎn)焊工作。如圖5所示。2）移動(dòng)機(jī)器人上世紀(jì)80年代以來(lái)，逐漸開(kāi)發(fā)出來(lái)形形色色的各類(lèi)特種機(jī)器人，如移動(dòng)機(jī)器人，如圖6所示。3）智能機(jī)器人從20世紀(jì)70年代開(kāi)始的智能機(jī)器人的開(kāi)發(fā)，經(jīng)過(guò)一段暫時(shí)的沉寂之后，向技術(shù)分化與實(shí)用化兩個(gè)方向各自發(fā)展。智能機(jī)器人系統(tǒng)是由指令解釋、環(huán)境認(rèn)

16、識(shí)、作業(yè)計(jì)劃、作業(yè)方法決定、作于程序生成與實(shí)施、知識(shí)庫(kù)等環(huán)節(jié)及外部各種傳感器和接口等組成。智能機(jī)器人分為適應(yīng)控制機(jī)器人和學(xué)習(xí)控制機(jī)器人。適應(yīng)控制機(jī)器人具有適應(yīng)控制功能，即當(dāng)環(huán)境變化時(shí)，控制作用也跟著變化，從而使得機(jī)器人能適應(yīng)環(huán)境得變化而完成任務(wù)。學(xué)習(xí)控制機(jī)器人則是能對(duì)環(huán)境的未知特征所固有的信息進(jìn)行學(xué)習(xí)，并將學(xué)習(xí)得到的信息用來(lái)進(jìn)行控制的功能。近年來(lái)，已研制出一批具有一定感知能力的機(jī)器人以及少數(shù)具有環(huán)境進(jìn)行“對(duì)話(huà)”能力的交互式機(jī)器人。在機(jī)器人視覺(jué)方面，已具有接近人眼的部分能力，能夠從不同的陳列物中挑選出有關(guān)形狀、尺寸、顏色的零件，能夠?qū)Ρ蛔R(shí)別的物體的一小段進(jìn)行高分辨率的或展寬的觀測(cè)。具有視覺(jué)、觸覺(jué)

17、和力覺(jué)的機(jī)器人已被成功應(yīng)用于自動(dòng)操作、自動(dòng)裝配和產(chǎn)品檢測(cè)，甚至能夠進(jìn)行手表零件的裝配和集成電路的生產(chǎn)。對(duì)行走機(jī)器人的研究取得一些成果，這種機(jī)器人能夠模仿人用兩條腿走路，具有在凹凸不平的地面上行走和上下臺(tái)階的能力。智能機(jī)器人已在自主系統(tǒng)和柔性加工系統(tǒng)中得到日益廣泛的應(yīng)用。自主機(jī)器人能夠設(shè)定自己的目標(biāo)，規(guī)劃并執(zhí)行自己的動(dòng)作，使自己不斷適應(yīng)還進(jìn)的變化。4）擬人機(jī)器人擬人機(jī)器人技術(shù)屬于智能機(jī)器人技術(shù)的高級(jí)階段，所開(kāi)發(fā)的擬人機(jī)器人應(yīng)具備仿人外形，能夠模仿人的一些基本動(dòng)作，具備基本的感知外部環(huán)境的能力，如視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)等。1996年日本本田公司研究開(kāi)發(fā)出擬人機(jī)器人P2。機(jī)器人與外界無(wú)直接電纜連接,是世界上第一

18、臺(tái)真正意義上的擬人機(jī)器人，具有人的外形，能夠?qū)崿F(xiàn)雙足步行，具有雙臂，能夠在遙控下抓取簡(jiǎn)單物體和操作簡(jiǎn)單工具（如擰扳手）。在P2之后，本田公司又相繼研制了擬人機(jī)器人P3和ASIMO。2002年，我國(guó)北京理工大學(xué)自主研發(fā)的擬人機(jī)器人“匯童”，高1.6m，重63kg，具有視覺(jué)、力覺(jué)、語(yǔ)音對(duì)話(huà)等功能，能前進(jìn)、后退、側(cè)行、轉(zhuǎn)彎、上下臺(tái)階的運(yùn)動(dòng)，并能做太極拳、刀術(shù)等表演。如圖5所示。（a）用于弧焊的工業(yè)機(jī)器人（b）用于點(diǎn)焊的工業(yè)機(jī)器人圖5工業(yè)機(jī)器人（a）軍用移動(dòng)機(jī)器人（b）船舶焊接用移動(dòng)機(jī)器人圖6移動(dòng)機(jī)器人圖5擬人機(jī)器人P2、P3、ASIMO和匯童5）醫(yī)用機(jī)器人醫(yī)用機(jī)器人的主要研究?jī)?nèi)容包括醫(yī)療外科手術(shù)的規(guī)

19、劃與仿真、機(jī)器人輔助外科手術(shù)、最小損傷外科、臨場(chǎng)感外科手術(shù)等。美國(guó)已開(kāi)展臨場(chǎng)感外科手術(shù)的研究，用于戰(zhàn)場(chǎng)模擬，手術(shù)培訓(xùn)，解剖教學(xué)等。6）地下機(jī)器人地下機(jī)器人主要包括采掘機(jī)器人和地下管道檢修機(jī)器人兩類(lèi)。主要研究?jī)?nèi)容為：機(jī)械結(jié)構(gòu)、行走系統(tǒng)、傳感器及定位系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、通信及遙控技術(shù)。目前，日、美、德等發(fā)達(dá)國(guó)家已研制出了地下管道和石油、天然氣等大型管道檢修用德機(jī)器人，各種采掘機(jī)器人及自動(dòng)化系統(tǒng)正在研制中。7）水下機(jī)器人美國(guó)的AUSS俄羅斯的MT-88、法國(guó)的EPAVLAR第水下機(jī)器人已用于海洋石油開(kāi)發(fā)、海底勘查、救撈作業(yè)、管道敷設(shè)和檢查、電纜鋪設(shè)和維護(hù)以及大壩檢查等方面，形成了有纜水下機(jī)器人（Remo

20、teOperatedVehicle）和無(wú)纜水下機(jī)器人（AutonomousUnderWaterVehicle）兩大類(lèi)。8）空間機(jī)器人空間機(jī)器人一直是先進(jìn)機(jī)器人的重要研究領(lǐng)域。目前，美、俄、加拿大等國(guó)已研制出各自的空間機(jī)器人。如美國(guó)NASA的空間機(jī)器人Sojanor等。Sojanor是一輛自主移動(dòng)車(chē)，重量為11.5kg，有6各輪子，它在火星上的成功應(yīng)用引起了全球的關(guān)注。1.5機(jī)器人技術(shù)的研究熱點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)目前，國(guó)際機(jī)器人界都在加大科研力度，進(jìn)行機(jī)器人共性技術(shù)的研究，并朝著智能化和多樣化方向發(fā)展。主要研究?jī)?nèi)容集中在以下10個(gè)方面：（ 1）工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)。探索新的高強(qiáng)度輕質(zhì)材料，

21、進(jìn)一步提高負(fù)載/自重比。同時(shí)機(jī)構(gòu)向著模塊化、可重構(gòu)方向發(fā)展。（ 2）機(jī)器人控制技術(shù)。重點(diǎn)研究開(kāi)放式模塊化控制系統(tǒng)，人機(jī)界面更加友好，語(yǔ)言、圖形編程界面正在研制之中。機(jī)器人控制器的標(biāo)準(zhǔn)化和網(wǎng)絡(luò)化，以及基于PC機(jī)網(wǎng)絡(luò)形式控制器已成為研究熱點(diǎn)。編程技術(shù)除進(jìn)一步提高在線(xiàn)編程的可操作性之外，離線(xiàn)編程的實(shí)用化將成為研究重點(diǎn)。（ 3）多傳感系統(tǒng)。為進(jìn)一步提高機(jī)器人的智能和適應(yīng)性，多種傳感器的使用是其問(wèn)題解決的關(guān)鍵。其研究關(guān)鍵在于有效可行的多傳感器融合算法，特別是在非線(xiàn)性及非平穩(wěn)、非正態(tài)分布的情況下的多傳感器的融合算法。另一問(wèn)題就是傳感系統(tǒng)的實(shí)用化。（ 4）機(jī)器人的結(jié)構(gòu)靈巧，控制系統(tǒng)越來(lái)越小，二者正朝著一體化

22、的方向發(fā)展。（ 5）機(jī)器人遙控及監(jiān)控技術(shù)，機(jī)器人半自主和自主技術(shù)，多機(jī)器人和操作者之間的協(xié)調(diào)控制，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)建立大范圍內(nèi)的機(jī)器人遙控系統(tǒng)，在有延時(shí)的情況下，建立預(yù)先顯示進(jìn)行遙5文檔來(lái)源為:從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word 版本可編輯.歡迎下載支持文檔來(lái)源為 :從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word 版本可編輯.歡迎下載支持控等。（ 6）虛擬機(jī)器人技術(shù)。基于多傳感器、多媒體和虛擬現(xiàn)實(shí)及臨場(chǎng)感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的虛擬遙控操作和人機(jī)交互。（ 7）多智能體（Multi-Agent）控制技術(shù)。這是目前機(jī)器人研究的一個(gè)嶄新領(lǐng)域。主要對(duì)多智能體的群體體系結(jié)構(gòu)、相互間的通信與磋商機(jī)理，感知與學(xué)習(xí)方法，建模和規(guī)劃、群體行為控制方面進(jìn)行研

23、究（ 8）微型和微小機(jī)器人技術(shù)。這是機(jī)器人研究的一個(gè)嶄新領(lǐng)域和重點(diǎn)發(fā)展方向。過(guò)去的研究在該領(lǐng)域幾乎是一片空白，因此該領(lǐng)域研究的進(jìn)展將會(huì)引起機(jī)器人技術(shù)的一場(chǎng)革命，并且對(duì)社會(huì)進(jìn)步和人類(lèi)活動(dòng)的各個(gè)方面產(chǎn)生不可估量的影響。（ 9）軟機(jī)器人技術(shù)（Softrobotics）主要用于醫(yī)療、護(hù)理、休閑和娛樂(lè)場(chǎng)所。傳統(tǒng)機(jī)器人設(shè)計(jì)為考慮與人緊密共處，因此其結(jié)構(gòu)多為金屬或硬性材料，軟機(jī)器人技術(shù)要求其結(jié)構(gòu)，控制方式和所用傳感系統(tǒng)在機(jī)器人意外地與人碰撞時(shí)是安全地，機(jī)器對(duì)人是友好地。（ 10）仿人和仿生技術(shù)。這是機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的最高境界，目前僅在某些方面進(jìn)行一些基礎(chǔ)的研究。特別值得提到的是視覺(jué)傳感與控制技術(shù)的發(fā)展。機(jī)器人

24、的工作要能適應(yīng)環(huán)境的變化，必須能夠識(shí)別自身所處的環(huán)境。在這方面，視覺(jué)認(rèn)知能力尤為重要，這也是智能機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)。機(jī)器人視覺(jué)賦予機(jī)器人以視覺(jué)功能，稱(chēng)為計(jì)算機(jī)視覺(jué)或機(jī)器視覺(jué)。由機(jī)器來(lái)感覺(jué)環(huán)境并執(zhí)行要完成的任務(wù)，具有明顯的優(yōu)越性，并獲得多方面的應(yīng)用。例如在空間探索、醫(yī)用X射線(xiàn)自動(dòng)識(shí)別、地球資源遙感監(jiān)視和各種軍事應(yīng)用等。在工業(yè)中，機(jī)器人視覺(jué)可用于零件的識(shí)別、分類(lèi)、裝配、檢測(cè)、分級(jí)、焊縫跟蹤以及加工有害材料等。機(jī)器人的視覺(jué)系統(tǒng)的組成取決于機(jī)器人的具體應(yīng)用領(lǐng)域，一個(gè)比較完整的機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)分為五個(gè)子系統(tǒng)：照明和光學(xué)系統(tǒng)、圖像輸入、圖像處理、圖像輸出以及圖像儲(chǔ)存系統(tǒng)。1）照明和光學(xué)系統(tǒng)在照明光源、照明方法

25、、透鏡、濾光鏡等方面有多種類(lèi)型可以使用。照明光源可以用鎢絲燈、熒光燈、水銀燈、激光燈等。照明方法則有透明光照明、發(fā)射背景照明、同向照明等。通過(guò)這些方法能有效地獲得信噪比良好的圖像。2）圖像輸入圖像輸入是指用視覺(jué)傳感器輸入對(duì)象的圖像。視覺(jué)傳感器將光信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)。近年來(lái)，固態(tài)傳感器使用日益廣泛。視覺(jué)傳感器輸出的電信號(hào)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換變換為數(shù)字圖像信號(hào)。3）圖像處理計(jì)算機(jī)對(duì)輸入圖像進(jìn)行處理，并按照相應(yīng)的處理目的，輸出其處理結(jié)果。為了縮短處理時(shí)間，在計(jì)算機(jī)的前段往往加上專(zhuān)用的圖像處理器。4）圖像輸出以及圖像儲(chǔ)存開(kāi)發(fā)機(jī)器人的視覺(jué)應(yīng)用系統(tǒng)，如果有圖像顯示裝置及存儲(chǔ)裝置，就便于研究處理中間結(jié)果或最終結(jié)果。作

26、為計(jì)算機(jī)的外設(shè)，市場(chǎng)上有各類(lèi)這種裝置出售。2工業(yè)機(jī)器人2.1 工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軸系機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軸系通常分為四類(lèi)：直角坐標(biāo)系、圓柱坐標(biāo)系（兩個(gè)直線(xiàn)和一個(gè)回轉(zhuǎn)坐標(biāo)系）、球坐標(biāo)系（一個(gè)直線(xiàn)和兩個(gè)回轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸）、關(guān)節(jié)系（三個(gè)回轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸），如圖69所示。其中，工作空間是指機(jī)器人末端所能到達(dá)點(diǎn)的集合。與運(yùn)動(dòng)軸系相對(duì)應(yīng)，工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)可分為四種坐標(biāo)型式的操作機(jī)，其特點(diǎn)如下：1 )直角坐標(biāo)型操作機(jī)在空間三個(gè)相互垂直的方向x、y、z上作移動(dòng)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)獨(dú)立，其控制簡(jiǎn)單、易達(dá)到高精度，但操作靈活性差，運(yùn)動(dòng)速度較低，操作范圍較小。2)圓柱坐標(biāo)型測(cè)量機(jī)這類(lèi)操作機(jī)在水平轉(zhuǎn)臺(tái)上裝有立柱，水平臂可沿立柱上下運(yùn)動(dòng)并可在

27、水平方向伸縮，其操作范圍較大，運(yùn)動(dòng)速度較高，但隨著水平臂沿水平方向伸長(zhǎng)，基線(xiàn)位移分辨精度越來(lái)越低。3)球坐標(biāo)型操作機(jī)又稱(chēng)極坐標(biāo)型操作機(jī)，工作臂不僅可以繞垂直軸旋轉(zhuǎn)，還可以繞水平軸仰俯運(yùn)動(dòng)，且能沿手臂軸線(xiàn)作伸縮運(yùn)動(dòng)，其操作比圓柱坐標(biāo)型更為靈活，但旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)反映在末端執(zhí)行器上的線(xiàn)位移分辨力是一個(gè)變量。4)關(guān)節(jié)型操作機(jī)由多個(gè)關(guān)節(jié)連接的機(jī)座、大臂、小臂和手腕等構(gòu)成，大、小臂既可在垂直于機(jī)座的平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，也可實(shí)現(xiàn)繞垂直軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，其操作靈活性最好，運(yùn)動(dòng)速度較高，操作范圍大，但精度受手臂位姿的影響，實(shí)現(xiàn)高精度較困難。(a)裝置簡(jiǎn)圖(b)工業(yè)機(jī)器人圖6直角坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人(a)裝置簡(jiǎn)圖(b)工作空間(c)工業(yè)機(jī)

28、器人圖7圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人(a)裝置簡(jiǎn)圖(b)工作空間(c)工業(yè)機(jī)器人圖8球坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人(a)裝置簡(jiǎn)圖(b)工業(yè)機(jī)器人圖9關(guān)節(jié)坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人為了使工業(yè)機(jī)器人能夠按必要的動(dòng)作順序運(yùn)動(dòng)，需要六個(gè)基本運(yùn)動(dòng)軸，即所謂的六個(gè)自由度。這六個(gè)自由度用來(lái)模擬人手臂的各種功能動(dòng)作，并且所有的機(jī)器人都需要具備全部的六個(gè)自由度。這六個(gè)基本運(yùn)動(dòng)中的三個(gè)是腕部的，三個(gè)是臂部和機(jī)身的，以球坐標(biāo)機(jī)器人為例，說(shuō)明如下：1 )垂直仰俯運(yùn)動(dòng)整個(gè)臂部圍繞一個(gè)水平軸的支點(diǎn)(肩關(guān)節(jié))在垂直方向上作仰俯運(yùn)動(dòng)。2)徑向往復(fù)運(yùn)動(dòng)臂部的伸縮運(yùn)動(dòng)，對(duì)于關(guān)節(jié)機(jī)器人來(lái)說(shuō)，是指前臂繞肘關(guān)節(jié)的回轉(zhuǎn)來(lái)完成的，3)往復(fù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)圍繞垂直軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)(

29、工業(yè)機(jī)器人臂部的左右旋轉(zhuǎn))。2.2 工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)按動(dòng)力源分為液壓驅(qū)動(dòng)、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)、和電動(dòng)驅(qū)動(dòng)三種基本驅(qū)動(dòng)方式，根據(jù)需要也可采用由這三種基本驅(qū)動(dòng)類(lèi)型組合成的復(fù)合式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選用，應(yīng)根據(jù)工業(yè)機(jī)器人的性能要求、控制功能、運(yùn)行的功耗、應(yīng)用環(huán)境及作業(yè)要求、性能價(jià)格比以及其它因素綜合加以考慮。在充分考慮各種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)特點(diǎn)基礎(chǔ)上以保證工業(yè)機(jī)器人性能規(guī)范、可行性和可靠性為前提。電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式應(yīng)用類(lèi)型一般可分為直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)等。伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)單元一般由伺服電動(dòng)機(jī)、傳感器、減速器和制動(dòng)器組成，它經(jīng)輸出軸輸出力矩和運(yùn)動(dòng)，驅(qū)

30、動(dòng)機(jī)器人操作機(jī)的某一關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。隨著伺服功率放大器成本的降低，許多新設(shè)計(jì)的機(jī)器人大多選用通用性強(qiáng)、動(dòng)作靈活性好的關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)，每一個(gè)關(guān)節(jié)采用一臺(tái)電動(dòng)機(jī)和一個(gè)微處理器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和控制。在工業(yè)機(jī)器人中，直流伺服電動(dòng)機(jī)、交流伺服電動(dòng)機(jī)都采用閉環(huán)控制，常用于位置精度和速度要求高的機(jī)器人中。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)主要適用于開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，一般用于位置和速度精度要求不高價(jià)格較低的機(jī)器人中。在功能強(qiáng)、價(jià)格低的計(jì)算機(jī)廣泛使用前，早期的機(jī)械手和機(jī)器人中，其操作機(jī)多采用連桿機(jī)構(gòu)中的導(dǎo)桿、滑塊、曲柄，多采用液壓（氣動(dòng)）活塞缸（或回轉(zhuǎn)缸）來(lái)實(shí)現(xiàn)其直線(xiàn)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。隨著控制技術(shù)的發(fā)展，對(duì)機(jī)器人操作機(jī)各部分動(dòng)作要求的不斷提高，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)在機(jī)器

31、人的應(yīng)用日益廣泛。目前，只有經(jīng)濟(jì)型、重型工業(yè)機(jī)器人和噴涂機(jī)器人才建議考慮液壓驅(qū)動(dòng)方式。對(duì)輕負(fù)荷的搬運(yùn)，上、下料點(diǎn)位操作的工業(yè)機(jī)器人則可以考慮采用氣壓驅(qū)動(dòng)方式。2.3 工業(yè)機(jī)器人的控制機(jī)器人控制系統(tǒng)是機(jī)器人的重要組成部分，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)操作機(jī)的控制，以完成特定的工作任務(wù)，其基本功能有坐標(biāo)設(shè)置功能、記憶功能、示教功能、與外圍設(shè)備聯(lián)系功能、人機(jī)接口、傳感器接口等功能。機(jī)器人的控制系統(tǒng)按不同方式可分類(lèi)如下：1 ）按驅(qū)動(dòng)方式分為液壓驅(qū)動(dòng)、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)、和電動(dòng)驅(qū)動(dòng)三種控制方式2）按控制方式分為順序控制系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng)、適應(yīng)性控制系統(tǒng)、人工智能系統(tǒng)。3）按運(yùn)功方式分為點(diǎn)位式、軌跡式兩類(lèi)控制系統(tǒng)4）按控制總線(xiàn)分為國(guó)

32、際標(biāo)準(zhǔn)總線(xiàn)控制系統(tǒng)和自定義總線(xiàn)控制系統(tǒng)。5）按編程方式分為物理設(shè)置編程系統(tǒng)、在線(xiàn)編程系統(tǒng)和離線(xiàn)編程系統(tǒng)。工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)是一個(gè)多自由度的、本質(zhì)上非線(xiàn)性的、同時(shí)又是耦合的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)。由于其動(dòng)力性能的復(fù)雜性，實(shí)際控制系統(tǒng)中往往要根據(jù)機(jī)器人所完成的作業(yè)作出若干假設(shè)并簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)。許多工業(yè)機(jī)器人所要完成的作業(yè)作出若干假設(shè)并簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)。許多工業(yè)機(jī)器人所要完成的作業(yè)基本要求是控制操作機(jī)末端根據(jù)的位置（含姿態(tài)），以實(shí)現(xiàn)滿(mǎn)足一定速度下的點(diǎn)到點(diǎn)控制（如搬運(yùn)機(jī)器人、點(diǎn)焊機(jī)器人）或連續(xù)路徑控制（如弧焊機(jī)器人、噴漆機(jī)器人等）。位置控制成為工業(yè)機(jī)器人最基本的控制任務(wù)。只有很少機(jī)器人采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)或開(kāi)環(huán)回路控制的驅(qū)動(dòng)器

33、。為了得到每個(gè)關(guān)節(jié)的期望位置運(yùn)動(dòng)，必須設(shè)計(jì)一種控制算法，算出合適的力矩，再將指令送入驅(qū)動(dòng)器。此時(shí)要采用敏感元件進(jìn)行位置和速度反饋。位置控制需要操作機(jī)動(dòng)力學(xué)的精確建模，并且忽略作業(yè)中負(fù)載的變化。當(dāng)動(dòng)力學(xué)建模誤差過(guò)大或負(fù)載變化過(guò)于顯著時(shí)，這種基于反饋的控制策略可能會(huì)失效，此時(shí)需要考慮采用自適應(yīng)控制方法。對(duì)有些作業(yè)，當(dāng)末端執(zhí)行器與周?chē)h(huán)境或作業(yè)對(duì)象有任何接觸時(shí)，僅有位置控制是不夠的，必須引入人力控制器。例如，在裝配機(jī)器人中，接觸力的監(jiān)視和控制是非常必要的，否則會(huì)發(fā)生碰撞、擠壓，損壞設(shè)備和工作。2.4 工業(yè)機(jī)器人軟件機(jī)器人正常工作的基礎(chǔ)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成。其中，硬件系統(tǒng)包括機(jī)械系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、驅(qū)

34、動(dòng)系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)與控制系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)則是所有控制程序的統(tǒng)稱(chēng)。機(jī)器人的精度與執(zhí)行工作的速度由硬件決定，而機(jī)器人執(zhí)行何種操作、操作控制的方便性及具有的功能則由機(jī)器人的軟件系統(tǒng)決定。機(jī)器人的硬件系統(tǒng)已經(jīng)趨于模塊化和簡(jiǎn)單化，而且逐步定型。機(jī)器人軟件系統(tǒng)則由于機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)的多樣化而趨向復(fù)雜化。隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，特別是智能機(jī)器人的發(fā)展，機(jī)器人的軟件在整個(gè)系統(tǒng)中占的比例會(huì)越來(lái)越大。（ 1）機(jī)器人軟件的作用和構(gòu)成很明顯硬件系統(tǒng)是工作的執(zhí)行者，而軟件系統(tǒng)是機(jī)器人的工作指揮中心。軟件系統(tǒng)可分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。系統(tǒng)軟件是由機(jī)器人制造廠(chǎng)商提供，相當(dāng)于機(jī)器人的操作系統(tǒng)，提9文檔來(lái)源為 :從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word 版本可編輯.歡迎下載支持 .文檔來(lái)源為 :從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word 版本可編輯.歡迎下載支持 .供了各種控制機(jī)器人的動(dòng)作的手段和指令系統(tǒng)。應(yīng)用軟件是由用戶(hù)編制的，它是機(jī)器人完成具體任務(wù)的程序。機(jī)器人的系統(tǒng)軟件的主要功能有提供人與機(jī)器對(duì)話(huà)的手段、提供控制機(jī)器人的指令系統(tǒng)與編程環(huán)境、監(jiān)控和管理機(jī)器人完成任務(wù)的過(guò)程和實(shí)施監(jiān)控機(jī)器人的各關(guān)節(jié)的活動(dòng)。（ 2）系統(tǒng)軟件及結(jié)