機器人技術基礎及應用 課件 第9、10章 機器人應用、機器人技術變革

機器人技術基礎及應用Fundamentalsandapplicationsofrobotics第九章:機器人應用29.1機器人應用概述9.2工業(yè)機器人9.3服務機器人9.4特種機器人目錄3隨著機器人技術的不斷革新，在確保安全、經濟、有效、高質的前提下，需要創(chuàng)造與總結新的經驗，包括在各種產業(yè)部門批量使用機器人的經驗。目前，機器人除了在工業(yè)領域外，還在醫(yī)療康復、?？仗剿骱蛙娛碌阮I域獲得廣泛應用。本章將以工業(yè)機器人、服務機器人和特種機器人為例，說明機器人的應用。9.1機器人應用概述4現代工業(yè)機器人主要應用于汽車行業(yè)機電行業(yè)建筑業(yè)金屬加工鑄造等其它輕重型工業(yè)部門。工業(yè)機器人的應用可分為四個方面：材料加工零件制造產品檢驗和裝配。9.2工業(yè)機器人59.2工業(yè)機器人9.2.1焊接機器人焊接機器人(weldingrobot)是工業(yè)機器人中應用領域最廣的機器人，約占工業(yè)機器人總數的25%。常用的焊接機器人有點焊機器人和弧焊機器人。69.2工業(yè)機器人焊接機器人由機械本體、控制柜和焊接電源等組成。工作原理:焊接機器人采用可編程的控制方式，工作人員事先根據工作任務和運動軌跡編制控制程序，并將其輸入到控制器中，機器人則會按照指令復現出運動軌跡。焊接機器人整體79.2工業(yè)機器人許多新一代焊接機器人采用視覺方法對焊縫進行自動檢測和自動跟蹤，使自動化程度和焊接質量達到更高的水平。89.2工業(yè)機器人9.2.2搬運機器人搬運機器人(handlingrobot)是可進行自動化搬運作業(yè)的工業(yè)機器人。常用的搬運機器人有龍門式搬運機器人、懸臂式搬運機器人、側壁式搬運機器人、擺臂式搬運機器人和關節(jié)式搬運機器人等(a)龍門式機器人

(b)懸掛式機器人(c)擺臂式機器人

(d)關節(jié)式機器人99.2工業(yè)機器人由視覺、機器人和監(jiān)控三個子系統(tǒng)組成。工作原理:通過視覺系統(tǒng)，測定傳送帶上零件的方向和位置，將零件抓放至合適的位置。視覺搬運機器人—CONSIGHT109.2工業(yè)機器人9.2.3噴涂機器人噴涂機器人(sprayrobot)是可進行自動噴漆或噴涂其他涂料的工業(yè)機器人。119.2工業(yè)機器人焊接機器人由機器人本體、噴涂機、控制器等組成。工作原理:噴漆機器人一般采用液壓驅動，多采用5或6個自由度關節(jié)式結構，手臂有較大的運動空間，并可做復雜的軌跡運動，其腕部一般有2至3個自由度，可靈活運動噴涂機器人系統(tǒng)129.2工業(yè)機器人PJ-I噴涂機器人是國內研制的最早噴涂機器人之一，由操作器、油源和控制裝置組成。工作模式分為示教和再現兩個過程。PJ-I裝配圖139.2工業(yè)機器人9.2.4檢修機器人檢修機器人(maintenanceandinspectionrobot)用于一些危險和工人不方便作業(yè)的場合(高空作業(yè)、管道等)。(c)管道檢修機器人14服務機器人組成部分移動機構感知系統(tǒng)控制系統(tǒng)服務機器人關鍵技術自主移動技術感知技術人機交互9.3服務機器人159.3服務機器人9.3.1手術機器人手術機器人(surgicalrobot)被稱為刀尖上的科技。借助機械臂、控制臺和成像系統(tǒng)，協(xié)助醫(yī)生以微創(chuàng)手術的形式進行準確控制，完成復雜的手術。(a)骨科手術機器人

(b)神經外科手術機器人

手術機器人169.3服務機器人達芬奇手術機器人是世界上僅有的、可正式在腹腔手術中使用的機器人手術系統(tǒng)，也是目前最復雜和最昂貴的外科手術系統(tǒng)之一。術者通過手術臺車上仿真機械臂、聲控、手控或踏板完成各項手術操作。PJ-I裝配圖179.3服務機器人康復機器人(rehabilitationrobot)幫助殘疾人解決生活中活動困難的一種機器人。(a)上肢康復機器人(b)下肢康復機器人康復機器人康復機器人可劃分為：康復訓練機器人和輔助型康復機器人。驅動方式有電機驅動、氣壓驅動、油液驅動和氣動肌肉等9.3.2康復機器人189.3服務機器人肌電接口技術，通過對肌電圖的檢測，人們可以做出肌疲勞性、重癥肌無力、肌強直、肌萎縮等各種肌病的臨床診斷；同時，還可以利用人體表面肌電的某些特征進行識別來驅動康復設備的動作。肌電接口技術199.3服務機器人BCI技術BCI關鍵技術包含信號采集、特征提取、信號分類和生物反饋。大腦在進行活動時，神經細胞將產生微電活動傳到頭皮表層形成腦電波(EEG)，通過檢測、信號處理辨析出人的意圖，隨后將其轉換為控制命令，來實現對外部設備的控制和與外界的交流。209.3服務機器人教育機器人(educationalrobot)應用在教育領域，成本較低、安全性比較高，整體的性價比比較好，在使用的過程中開放性比較好。(a)樂高機器人(b)BIOLOID機器人教育機器人9.3.3教育機器人219.3服務機器人教育機器人應用外國的學者運用語音識別、口語理解、會話管理、情感表達等技術設計了Mero機器人和EngKey口語教育機器人并投入使用。229.4特種機器人特種機器人(specialrobot)是指應用于專業(yè)領域，一般由經過專門培訓的人員操作或使用的，輔助或代替人執(zhí)行任務的機器人。具有靈活性、機動性，可代替人完成重復、繁瑣或危險的勞動，已廣泛應用于消防、軍用、海洋探索等領域。239.4特種機器人9.4.1水下機器人水下機器人(underwaterrobot)是工作于水下的極限作業(yè)機器人，能潛入水中代替人完成某些操作，又稱潛水器。主要于在海上救援、石油開發(fā)、地貌勘察、科研、水產養(yǎng)殖、水下船體檢修清潔、潛水娛樂、城市管道檢測等領域。奮斗者號載人潛水器

249.4特種機器人水下機器人根據不同的特征，可分為：浮游式水下機器人、步行式水下機器人、移動式水下機器人。(a)浮游式水下機器人

(b)步行式水下機器人

(c)移動式水下機器人259.4特種機器人9.4.2空間機器人空間機器人是指能在宇宙空間作業(yè)的機器人，近年來隨著智能機器人的發(fā)展與研究，其已成為新的研究領域，是空間開發(fā)的重要組成部分。主要任務：(1)先驅勘探；(2)能量補給；(3)功能服務；(4)科學實驗。特點：體積比較??；重量比較輕；抗干擾能力比較強；智能程度比較高；功能全；耗能低；工作壽命長；可靠性高。269.4特種機器人空間機器人按用途可以分為：艙內/外服務機器人、星球探測機器人、自由飛行機器人。(a)航天飛機遙操作臂(b)“海盜號”火星探測器(c)“軌道快車”項目279.4特種機器人9.4.3軍用機器人軍用機器人是一種用于完成以往由人員承擔的軍事任務的自主式、半自主式或人工遙控的機械電子裝置。目標：完成預定的技術或戰(zhàn)略任務(a)地面軍用機器人

(b)核潛艇(c)軍用微型無人機289.4特種機器人9.4.4消防機器人消防機器人作為特種機器人的一種，廣泛的應用于消防救援當中。作用：代替消防救援人員進入有毒、缺氧、濃煙等危險災害事故現場代替救援人員進行數據采集、處理(a)高樓消防供水機器人(b)自動滅火小型機器人(c)搬移危險品的消防機器人29作業(yè)習題：1-1、1-3、1-5。機器人技術基礎及應用Fundamentalsandapplicationsofrobotics機器人技術基礎及應用Fundamentalsandapplicationsofrobotics第十章:機器人技術變革3110.1機器人技術變革概述10.2仿生機器人10.3軟體機器人10.4微納機器人目錄32隨著科學技術的不斷發(fā)展以及發(fā)展戰(zhàn)略的進一步深入實施，機器人技術迎來了重大變革。機器人技術逐漸聚焦國家戰(zhàn)略與產業(yè)發(fā)展需求，把握機器人技術發(fā)展趨勢，研發(fā)例如仿生機器人、水下機器人、軟體機器人與微納機器人等前沿技術，推進人工智能、5G、大數據、云/霧/邊緣計算等新技術的融合應用。10.1機器人技術變革概述3310.2仿生機器人10.2.1足式機器人足式機器人理論與技術是一個多學科集成的研究領域，涉及智能控制(主要包括位置與姿態(tài)的穩(wěn)定性控制、魯棒控制)、行為步態(tài)的自動生成方法、和諧人機交互理論、人工智能與人工情感理論方法等多個方面。3410.2仿生機器人Atlas雙足機器人是由一個由28個驅動器組成的液壓系統(tǒng)提供動力，其內部充滿了這些液壓驅動器以及連接它們的液壓管道。它的控制軟件是采用了機器人身體的基本物理學的數學模型，以及它如何與環(huán)境互動。阿特拉斯依靠其整個身體來平衡和移動。當跳過障礙物或做雜技特技時，機器人不僅使用它的腿，而且還使用它的上半身，擺動手臂來推動自己。

波士頓動力Atlas雙足機器人3510.2仿生機器人Spot四足機器人的腿由12個定制的直流電機驅動，每個電機配備減速器，以提供高扭矩。Spot的硬件包括用于控制的處理板，以及用于感知的傳感器模塊。每個模塊由一對立體相機、一個廣角相機和一個紋理投影儀組成，能在低光下增強3D感知能力。這些傳感器使機器人能夠使用SLAM導航方法，即同時定位和測繪，來自主地四處游走。

波士頓動力Spot四足機器人3610.2仿生機器人10.2.2仿生魚近年來，隨著仿生學、人工智能的不斷進步以及機器人技術的發(fā)展，仿生機器魚(BiomimeticRoboticFish)的研究成為魚類推進機理和機器人技術的結合點。仿生機器魚是參照魚類游動的推進機理，利用機械電子元器件或智能材料實現水下推進的一種運動裝置。3710.2仿生機器人德國FESTO，所設計的Airacuda是一種具有鰭推進功能的仿生漂浮物，采用氣動驅動，在構造、設計和運動學方面遵循其生物模型。有四個氣動肌腱，可實現S形運動，并且尾鰭可以平順轉向偏轉。Airacuda像其自然原型一樣，借助氣泡設法在水中保持平衡。內部有一個空腔，可以充滿水或充滿空氣。壓力傳感器確定深度并向電子設備發(fā)送信號，然后電子設備打開相應的閥并向腔室供應真空或壓縮空氣。FESTO還設計了一款靈感源自蝠鲼的水下機器魚Aqua_ray。其采用流量優(yōu)化的結構，易于靈活、高效地在水中操縱。仿生魚不僅在形式和設計上模仿真實的蝠鲼，它的運動模式也非常接近自然原型。AiracudaAqua_ray3810.2仿生機器人中科院自動化所在對魚類深入觀察的基礎上，開發(fā)了多種類型的微小型機器魚以及多機器魚協(xié)調控制系統(tǒng)，并對機器魚的控制、感知能力以及協(xié)調控制方法開展了深入的研究。仿豹魴鮄機器魚（RobDact）擁有一對波動長鰭與一個大功率雙關節(jié)尾鰭，可實現原地旋轉、浮潛以及狹窄的空間內自由運動。它同時具有一定負載能力，以及良好的環(huán)境友好性、機動性和運動穩(wěn)定性。仿豹魴鮄機器魚（RobDact）3910.2仿生機器人香港大學機械工程系研發(fā)的SNAPP，保持著一項于2020年創(chuàng)下的吉尼斯世界紀錄：游完50m的水下路線只需耗時22.92秒，其以2.18米/秒的速度突破了人類游泳的科學界限。SNAPP采用模塊化設計，便于維護、維修和定制。浮力可通過增加身體組件來增加，其防水性能得益于它使用了丙烯酸管和O型圈。它還使用433MHz低頻無線電，所以能更好地穿透水下信號。SNAPP以3D打印制作而成，總成本大約641美元。模塊化結構的SNAPP4010.2仿生機器人10.2.3撲翼飛行機器人鳥類撲翼飛行四個階段：下拍階段：鳥機器人的機械翅膀從后上方向下前方拍動，在下拍的過程中翅膀同時向前扭轉，此時翅膀基本保持平直。彎曲階段：在下拍到最低點時翅膀有一個短暫的停頓，翅膀外部向下折疊成拱形。上提階段：鳥機器人從最低點向上提的過程中，只有腦骨關節(jié)部分抬起，腕關節(jié)只稍向后扭轉，仍保持低下位置，整個翅膀保持折疊成拱形。展平階段：骨關節(jié)幾乎抬到最高點時，前肢迅速抬起到“充分高”的部位，翅膀迅速展平，然后重復循環(huán)。4110.2仿生機器人SmartBird哈工大鳥類撲翼飛行機器人德國FESTO公司設計的“SmartBird”，哈工大團隊設計制作的機器海鷗等都是鳥類撲翼飛行機器人。4210.2仿生機器人昆蟲類撲翼飛行機器人能夠在空中實現任意前進、倒退與懸停。如黃蜂的翅膀是類似平面的薄體結構，不能伸縮變形，不具滑翔能力，只能通過高頻振動和靈巧的撲翅運動產生足夠升力。昆蟲機器人在空中飛行，可以沿者三個自由度方向來改變飛行姿態(tài)。Micro-Bat撲翼機器人，機翼結構形狀模仿蝙蝠或昆蟲的翅膀，利用微機電系統(tǒng)（MEMS）技術加工制作。Micro-Bat撲翼機器人4310.3軟體機器人在眾多軟體機器人中軟體機器人手/臂以獨特的操作性能和廣泛的應用領域得到率先發(fā)展。10.3.1軟體機械臂應用前景：在太空捕獲、水下操作、消防救援等領域。分類：依附型軟體機械臂，主要配合運動機器人和人體完成操作任務；獨立軟體機械臂，兼具位姿變換功能，實現了抓持結構與運動功能的巧妙融合。4410.3軟體機器人麻省理工學院研制一款三維空間運動軟體機械臂，它完全由低硬度彈性體組成，并由壓縮空氣提供動力，通過特定的形狀設計使軟體機械臂實現給定的抓取動作。麻省理工學院軟體機械臂上海交大線驅動軟體機械臂機器人上海交通大學某課題組提出了一種基于光纖布拉格光柵（FPG）傳感的傳感網絡，以及采用機械臂末端的視覺反饋系統(tǒng)進行軟體機械臂的運動控制研究。利用形狀感知算法基于分段恒定曲率和扭矩假設，可以將傳感器網絡測量的曲率和扭矩轉化為節(jié)點的全局位置和方向。4510.3軟體機器人特點：由于軟材料比剛性材料具有更加復雜豐富的響應特性，這不僅帶來功能上的靈活性和順應性，在軟體手的設計和控制方法上也具有了更多可能。10.3.2軟體機械手哈佛氣動驅動軟體機器手4610.3軟體機器人中科大計算機學院陳小平教授團隊研究了一種“象鼻”軟體機器手?；诜涑矚鈩泳W絡結構，制備了像象鼻一樣兼具靈活度和大負載能力的軟體手臂，其負載能力約為3Kg，負載自重比達到了1：1。這種結構使用桌面級3D打印機打印，決定了這一機器人成本低、易制備。象鼻機器人轉動手輪氣動軟體機器手抓取不同物體北京航空航天大學文力課題組研究了一種四指氣動柔性軟體機器人，構建了一個具有可調有效手指長度的四指軟機器人抓手，它具有無限自由度近似于生物手指。在多個有效手指長度和氣動空氣壓力下，機器手抓握不同形狀和尺寸的物體。4710.3軟體機器人10.3.3軟體仿生機器人世界首個全軟體機器人Octobot2016年，麻省理工提出了世界上首個全軟體機器人Octobot（軟體章魚機器人）。Octobot是一只僅手掌大、各個構件都不使用硬性材料的自動機器人，不僅機器人的軀干和驅動器是柔性材料，連控制系統(tǒng)和電源也使用柔性材料，無需再受外置電纜的牽制。實現運動：爬行、跳躍、游動、蠕動和滾動等4810.3軟體機器人中科院寧波材科所設計的一種由智能變形水凝膠制作的小型軟體機器人。研究人員制備具有超快溫度響應的PNIPAm復合水凝膠，將雙層水凝膠切斷并重新排序組裝，形成更多的自由度與變形策略。智能變形水凝膠軟體機器人浙江大學自供電軟體機器魚浙江大學李鐵風教授團隊聯合之江實驗室，提出機電系統(tǒng)軟-硬共融的壓力適應原理，成功研制了無需耐壓外殼的仿生軟體智能機器人，首次實現了在萬米深海自帶能源軟體人工肌肉驅控和軟體機器人深海自主游動。4910.4微納機器人特點：質量輕、體積小、靈活性高、推重比大等10.4.1微型機器人分類(按尺寸大小)：微米至厘米級尺寸的機器人納米至微米級尺寸的機器人作用：前者尺寸稍大，可搭載通信、控制、監(jiān)測等多種負載，在人工監(jiān)督下完成預定路線的任務；后者一般由外力驅動，主要用于生物醫(yī)療等領域。5010.4微納機器人四足MEMS微型機器人類水黽微型機器人利用NiTi合金構建線形致動器，尺寸為3.5mm×6.0mm×5.1mm的四足MEMS微型機器人。致動器采用電驅動，腿部為四連桿機構，可將致動器的線性運動轉為步態(tài)運動。基于超疏水和光熱轉換特性的復合材料—石墨烯/聚二甲基硅氧烷復合材料，制作了一種類水黽微型機器人，可以在水面上滑行和180°翻滾跳躍，并表現出良好的紅外光驅動性能和磁可控性。5110.4微納機器人環(huán)境約束：低雷諾數和布朗運動10.4.2微納米機器人分類(按驅動方式)：物理場驅動微納米機器人、化學驅動微納米機器人、生物驅動微納米機器人、混合驅動微納米機器人。5210.4微納機器人制造方法：(a)生物手段的自組裝；(b)3D打??；(c)自卷曲技術制造等。(a)不對成結構

(b)螺旋結構

(c)管狀結構5310.4微納機器人(a)電場驅動微納機器人(b)光驅動微納機器人(c)磁場驅動微納機器人(d)氣泡驅動微納機器人

(e)超聲驅動微納機器人物理場驅動微納米機器人磁驅動微納米機器人，適用于遠程操作,在生物醫(yī)療領域具有巨大的應用前景。光驅動微納米機器人主要是基于光催化反應，具有遠程可控、高時空分辨率等多種優(yōu)勢。除此之外，物理場驅動的微納米機器人還包含超聲驅動微納米機器人、氣泡驅動微納米機器人與電驅動微納米機器人。5410.4微納機器人化學驅動微納米機器人學驅動一般是基于化學反應進行驅動。常見的是催化反應，如酶催化反應、過氧化氫（H2O2）催化反應等。通過與化學燃料反應產生不對稱的濃度梯度誘導微納米機器人的運動。5510.4微納機器人基于活細胞的生物驅動微納米機器人自然界中有很多具有自運動能力的微生物，如精子、藻類細胞、細菌和心肌細胞等。這些生物體表現出高能量轉換效率以及生物相容性。將它們作為驅動馬達可以制備出具有特定功能的微納米機器人，比如在藥物遞送時可以和癌細胞特異性靶向結合等。5610.4微納機器人混合驅動微納機器人在面對復雜的應用環(huán)境以及特定的功能任務時，具有單一驅動方式的微納米機器人可能無法實現目標任務。(a)光-磁混合機器人

(b)光-超聲混合機器人通常使用多種控制方式共同驅動，采用化學驅動和磁驅動方式共同驅動的微納米機器人與采用單