機器人與機電一體化

機械工程術語機器人與機電一體化01簡介機電一體化的優(yōu)勢機電一體化發(fā)展階段機器人的組成目錄03020405發(fā)展現(xiàn)狀機器人關鍵技術我國的工業(yè)機器人目錄0706基本信息大量智能化、數(shù)字化的工業(yè)機器人，逐漸的取代傳統(tǒng)的人工流水線作業(yè)模式，智能工業(yè)機器人的廣泛使用，不僅能夠解放了大量的人力，同時還顯著的提高了工業(yè)生產(chǎn)水平和質量。此外，隨著機電一體化技術在工業(yè)機器人優(yōu)化、升級和換代中的應用，能夠推動機電一體化技術逐漸的向數(shù)字化、智能化以及機械化方向發(fā)展。簡介簡介現(xiàn)代機械的標志是機電一體化，但多功能的機電一體化裝置，卻應屬工業(yè)機器人與智能機器人。由于機器人具有多功能性或多用性，以及對環(huán)境的自適應性，它是今后制造業(yè)中發(fā)展最快的一種機電一體化裝置。當今，機器人技術的飛躍發(fā)展正在向人們的智能概念挑戰(zhàn)，它將影響工業(yè)生產(chǎn)的模式，并會改變人們的工作方式和生活方式。機器人技術必定是未來自動化的關鍵技術之一，它會有效地促進科學技術和工業(yè)的發(fā)展。

機電一體化就是“利用電子、信息(包括傳感器、控制、計算機等)技術使機械柔性化和智能化”的技術，“機電一體化”(mechatronics)一詞起源于日本，是由機械(mechanism)和電子(electronics)的兩個英語單詞合成的一個新的專用名詞，顧名思義，機電一體化技術的目標就是將機械技術與電子技術相結合，充分發(fā)揮各自的長處，彌補各項技術的不足。機械的強度較高，輸出功率大，可以承受較大的載荷，但實現(xiàn)微小運動比較困難。而在電子領域，利用傳感器和計算機可以實現(xiàn)復雜的檢測和控制，但只利用電子技術無法實現(xiàn)重載運動。將機械技術與電子技術相結合，可以在重載條件下實現(xiàn)微小運動和復雜運動，使機械產(chǎn)品既能夠像動物那樣靈活動作———柔性化，也能夠像人類那樣會思考判斷———智能化。機器人是典型的機電一體化產(chǎn)品，是一種綜合性的機電一體化技術，包括傳動機構、伺服控制、數(shù)據(jù)處理、人機對話以及與機器人工作性質對應的控制功能等，其系統(tǒng)的構成與實現(xiàn)可按上述的五個要素分述如下：a.機械裝置。機器人的手指、手臂、手臂的連接部分和機座等是使機器人能夠運動的機械結構。機電一體化發(fā)展階段第一階段第三階段第二階段機電一體化發(fā)展階段第一階段20世紀60年代以前為第一階段，這一階段稱為初級階段。在這一時期，人們自覺不自覺地利用電子技術的初步成果來完善機械產(chǎn)品的性能。特別是在第二次世界大戰(zhàn)期間，戰(zhàn)爭刺激了機械產(chǎn)品與電子技術的結合，這些機電結合的軍用技術，戰(zhàn)后轉為民用，對戰(zhàn)后經(jīng)濟的恢復起了積極的作用。那時研制和開發(fā)從總體上看還處于自發(fā)狀態(tài)。由于當時電子技術的發(fā)展尚未達到一定水平，機械技術與電子技術的結合還不可能廣泛和深入發(fā)展，已經(jīng)開發(fā)的產(chǎn)品也無法大量推廣。

第二階段20世紀70~80年代為第二階段，可稱為蓬勃發(fā)展階段。這一時期，計算機技術、控制技術、通信技術的發(fā)展，為機電一體化的發(fā)展奠定了技術基礎。大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路和微型計算機的迅猛發(fā)展，為機電一體化的發(fā)展提供了充分的物質基礎。這個時期的特點是：①mechatronics一詞首先在日本被普遍接受，大約到20世紀80年代末期在世界范圍內得到比較廣泛的承認；②機電一體化技術和產(chǎn)品得到了極大發(fā)展；③各國均開始對機電一體化技術和產(chǎn)品給以很大的和支持。第三階段20世紀90年代后期，開始了機電一體化技術向智能化方向邁進的新階段，機電一體化進入深入發(fā)展時期。一方面，光學、通信技術等進入了機電一體化，微細加工技術也在機電一體化中嶄露頭腳，出現(xiàn)了光機電一體化和微機電一體化等新分支；另一方面對機電一體化系統(tǒng)的建模設計、分析和集成方法，機電一體化的學科體系和發(fā)展趨勢都進行了深入研究。同時，由于人工智能技術、神經(jīng)絡技術及光纖技術等領域取得的巨大進步，為機電一體化技術開辟了發(fā)展的廣闊天地。這些研究，將促使機電一體化進一步建立完整的基礎和逐漸形成完整的科學體系。中國是從20世紀80年代初才開始在這方面研究和應用。國務院成立了機電一體化領導小組并將該技術列為“863計劃”中。在制定“九五”規(guī)劃和2010年發(fā)展綱要時充分考慮了國際上關于機電一體化技術的發(fā)展動向和由此可能帶來的影響。許多大專院校、研究機構及一些大中型企業(yè)對這一技術的發(fā)展及應用做了大量的工作，已經(jīng)取得了一定成果，但與日本等先進國家相比仍有相當差距。機電一體化的優(yōu)勢（1）功能增強并且應用廣泛（2）精度大大提高（3）安全性和可靠性提高（4）改善操作（5）提高柔性12345機電一體化的優(yōu)勢（1）功能增強并且應用廣泛機電一體化產(chǎn)品最顯著的特點就是突破了原來傳統(tǒng)機電產(chǎn)品的單技術和單功能的局限性，將多種技術與功能集成于一體，使其功能更加強大。而且能適應于不同的場合和不同的領域，滿足用戶需求的應變能力較強。（2）精度大大提高機電一體化技術簡化了機構，減少了傳動部件，從而使機械磨損、配合及受力變形等所引起的誤差大大減少，同時由于采用計算機檢測與控制技術補償和校正因各種干擾造成的動態(tài)誤差，從而達到單純用機械技術所無法實現(xiàn)的工作精度。（3）安全性和可靠性提高機電一體化產(chǎn)品一般具有自動監(jiān)控、報警、自動診斷、自動保護、安全聯(lián)鎖控制等功能。這些功能能夠避免人身傷害和設備事故的發(fā)生，提高了設備的安全性和可靠性。（4）改善操作機電一體化產(chǎn)品采用計算機程序控制和數(shù)字顯示，具有良好的人機界面，減少了操作按鈕及手柄，改善了設備的操作性能，減少了操作人員的培訓時間，從而大大簡化操作。（5）提高柔性所謂柔性，即可以利用軟件來改變機器的工作程序，以滿足不同的需要。例如，工業(yè)機器人具有較多的運動自由度，手爪部分可以換用不同的工具，通過改變控制程序改變運動軌跡和運動姿態(tài)，以適應不同的作業(yè)要求。機器人的組成執(zhí)行機構驅動裝置檢測裝置控制系統(tǒng)機器人的組成執(zhí)行機構即機器人本體，其臂部一般采用空間開鏈連桿機構，其中的運動副（轉動副或移動副）常稱為關節(jié)，關節(jié)個數(shù)通常即為機器人的自由度數(shù)。根據(jù)關節(jié)配置型式和運動坐標形式的不同，機器人執(zhí)行機構可分為直角坐標式、圓柱坐標式、極坐標式和關節(jié)坐標式等類型。出于擬人化的考慮，常將機器人本體的有關部位分別稱為基座、腰部、臂部、腕部、手部（夾持器或末端執(zhí)行器）和行走部（對于移動機器人）等。驅動裝置是驅使執(zhí)行機構運動的機構，按照控制系統(tǒng)發(fā)出的指令信號，借助于動力元件使機器人進行動作。它輸入的是電信號，輸出的是線、角位移量。機器人使用的驅動裝置主要是電力驅動裝置，如步進電機、伺服電機等，此外也有采用液壓、氣動等驅動裝置。檢測裝置是實時檢測機器人的運動及工作情況，根據(jù)需要反饋給控制系統(tǒng)，與設定信息進行比較后，對執(zhí)行機構進行調整，以保證機器人的動作符合預定的要求。作為檢測裝置的傳感器大致可以分為兩類：一類是內部信息傳感器，用于檢測機器人各部分的內部狀況，如各關節(jié)的位置、速度、加速度等，并將所測得的信息作為反饋信號送至控制器，形成閉環(huán)控制。一類是外部信息傳感器，用于獲取有關機器人的作業(yè)對象及外界環(huán)境等方面的信息，以使機器人的動作能適應外界情況的變化，使之達到更高層次的自動化，甚至使機器人具有某種“感覺”，向智能化發(fā)展，例如視覺、聲覺等外部傳感器給出工作對象、工作環(huán)境的有關信息，利用這些信息構成一個大的反饋回路，從而將大大提高機器人的工作精度?？刂葡到y(tǒng)一種是集中式控制，即機器人的全部控制由一臺微型計算機完成。另一種是分散（級）式控制，即采用多臺微機來分擔機器人的控制，如當采用上、下兩級微機共同完成機器人的控制時，主機常用于負責系統(tǒng)的管理、通訊、運動學和動力學計算，并向下級微機發(fā)送指令信息；作為下級從機，各關節(jié)分別對應一個CPU，進行插補運算和伺服控制處理，實現(xiàn)給定的運動，并向主機反饋信息。根據(jù)作業(yè)任務要求的不同，機器人的控制方式又可分為點位控制、連續(xù)軌跡控制和力（力矩）控制。發(fā)展現(xiàn)狀發(fā)展現(xiàn)狀在工業(yè)發(fā)達國家中，工業(yè)機器人及自動化生產(chǎn)線成套裝備己成為高端裝備的重要組成部分及未來發(fā)展趨勢，工業(yè)機器人已經(jīng)廣泛應用于汽車及汽車零部件制造業(yè)、機械加工行業(yè)、電子電氣行業(yè)、橡膠及塑料工業(yè)、食品工業(yè)、物流、制造業(yè)等領域。

歐洲、日本在工業(yè)機器人的研發(fā)與生產(chǎn)方面占有優(yōu)勢，其中知名的機器人公司包括ABB、KUKA、FANUC、YASKAWA等，這四家機器人企業(yè)占據(jù)的工業(yè)機器人市場份額達到60%～80%。美國特種機器人技術創(chuàng)新活躍，軍用、醫(yī)療與家政服務機器人產(chǎn)業(yè)占有絕對優(yōu)勢，占有智能服務機器人市場60%。我國工業(yè)機器人需求迫切，以每年25%～30%的速度增長，年需求量在2萬～3萬臺套，國產(chǎn)工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)化剛剛開始；在區(qū)域分布上，沿海地區(qū)企業(yè)需求高于內地需求，民營企業(yè)對工業(yè)機器人的需求高于國有企業(yè)的需求，各地政府及企業(yè)提出了相關發(fā)展規(guī)劃將大力發(fā)展機器人產(chǎn)業(yè)。在國外，工業(yè)機器人技術日趨成熟，已經(jīng)成為一種標準設備被工業(yè)界廣泛應用，相繼形成了一批具有影響力的、著名的工業(yè)機器人公司。日本和歐盟的工業(yè)機器人技術最為先進，日本是全球范圍內國內工業(yè)機器人生產(chǎn)規(guī)模最大、應用最廣的國家，而隸屬于歐盟組織的德國則名列全球第二；韓國在服務類機器人上的發(fā)展較為優(yōu)秀，而美國則側重于醫(yī)療和軍事機器人等方面。根據(jù)IFR預計，全球運行的工業(yè)機器人將從2009年的103.1萬臺提高到2011年的105.7萬臺，增長2.5%。我國的工業(yè)機器人我國的工業(yè)機器人我國工業(yè)機器人面臨著歷史上難得的發(fā)展機遇，包括政策紅利、經(jīng)濟轉型升級等剛性需求的釋放。制造業(yè)的轉型升級將推動我國高端制造裝備的發(fā)展，我國制造業(yè)需要實現(xiàn)從“大”到“強”，同時國內外經(jīng)濟環(huán)境的變化將倒逼產(chǎn)業(yè)轉型升級，我國制造業(yè)將從依靠廉價勞動力、破環(huán)資源與環(huán)境的粗放式發(fā)展模式向依靠提高生產(chǎn)效率、環(huán)境友好型的精細式發(fā)展模式進行轉變。工業(yè)機器人作為我國高端裝備制造的基礎設備之一，是我國“十二五”發(fā)展規(guī)劃中高端制造裝備戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，也是其他戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要基礎裝備。隨著我國產(chǎn)業(yè)的逐步轉型升級，以工業(yè)機器人為代表的智能裝備將實現(xiàn)爆發(fā)式增長。我國工業(yè)機器人盡管在某些關鍵技術上有所突破，但還缺乏整體核心技術的突破，特別是在制造工藝與整套裝備方面，缺乏高精密、高速與高效的減速機、伺服電動機、控制器等關鍵部件。建議對關鍵技術開展攻關，掌握以下核心技術：模塊化、可重構的工業(yè)機器人新型機構設計，基于實時系統(tǒng)和高速通信總線的高性能開放式控制系統(tǒng)，在高速、負載工作環(huán)境下的工業(yè)機器人優(yōu)化設計，高精度工業(yè)機器人的運動規(guī)劃和伺服控制，基于三維虛擬仿真和工業(yè)機器人生產(chǎn)線集成技術，復雜環(huán)境下機器人動力學控制，工業(yè)機器人故障遠程診斷與修復技術等。機器人關鍵技術工業(yè)機器人靈巧操作技術工業(yè)機器人自主導航技術工業(yè)機器人環(huán)境感知與傳感技術工業(yè)機器人的人機交互技術機器人關鍵技術工業(yè)機器人靈巧操作技術工業(yè)機器人機械臂和機械手在制造業(yè)應用中模仿人手的靈巧操作，在感知，高精度高可靠性感知，規(guī)劃和控制性方面開展關鍵技術研發(fā)，最終達到通過獨立關節(jié)以及創(chuàng)新機構、傳感器，達到人手級別的觸覺感知陣列，動力學性能超過人手的高復雜度機械手能夠進行整只手的握取，并能做加工廠工人在加工制造環(huán)境中的靈活性操作工作。

工業(yè)機器人自主導航技術在由靜態(tài)障礙物、車輛、行人和動物組成的非結構化環(huán)境中實現(xiàn)安全的自主導航，對裝配生產(chǎn)線上對原材料進行裝卸處理的搬運機器人、原材料到成品的高效運輸?shù)腁GV工業(yè)機器人以及類似于入庫存儲和調配的后勤操作、采礦和建筑裝備的工業(yè)機器人均為關鍵技術，需要進一步進行深入研發(fā)技術攻關。工業(yè)機器人環(huán)境感知與傳感技術來的工業(yè)機器人將大大提高工廠的感知系統(tǒng)，以檢測機器人及周圍設備的任務進展情況，能夠及時檢測部件和產(chǎn)品組件的生產(chǎn)情況、估算出生產(chǎn)人員的情緒和身體狀態(tài)，需要攻克高精度的覺、力覺傳感器和圖像解析算法，重大的技術挑戰(zhàn)包括非侵入式的生物傳感器及表達人類行為和情緒的模型。通過高精度傳感器構建用于裝配任務和跟蹤任務進度的物理模型，以減少自動化生產(chǎn)環(huán)