机器人研究论文

绪论经过一学期的机械工程导论课程学习，从对机械概念模糊无知到对机械学科有了一定的了解，认识到机械的无所不在和其无与伦比的魅力。老师在课上授予我的知识和其对机械的经验总结，给予了我很大的启发，对我有很大的影响，使我认识到了自己在机械领域的兴趣和方向。这次对机器人的研究更是让我被机械的博大精深所折服。机器人随着社会的发展，社会分工越来越细，尤其在现代化的大生产中，有的人每天就只管拧同一个部位的一个螺母，有的人整天就是接一个线头，就像电影《摩登时代》中演示的那样，人们感到自己在不断异化，各种职业病开始产生。于是人们强烈希望用某种机器代替自己工作。于是人们研制出了机器人，代替人完成那些枯燥、单调、危险的工作。1910年捷克斯洛伐克作家卡雷尔·恰佩克在他的科幻小说中，根据Robota（捷克文，原意为“劳役、苦工”）和Robotnik(波兰文，原意为“工人”），创造出“机器人”这个词。这便表明了人们发明机器人最初的目的仅仅是去干一些比较单一简单的工作。但是随着社会发展和科学的进步，人们对机器人的功能有了更大的需求，1911年，美国纽约世博会上展出了西屋电气公司制造的家用机器人Elektro。它由电缆控制，可以行走，会说77个字，甚至可以抽烟，不过离真正干家务活还差得远。但它让人们对家用机器人的憧憬变得更加具体。从此以后人们开始真正考虑机器人的智能化，怎样利用机器人将人们从劳动中更大程度的解放出来。但是人们却开始担心机器人会不会脱离人的控制，对人类社会产生巨大危害。此时艾西莫夫提出了机器人三定律：第一法则：机器人不得伤害人类，且确保人类不受伤害；第二法则：在不违背第一法则的前提下，机器人必须服从人类的命令；第三法则：在不违背第一及第二法则的前提下，机器人必须保护自己。现在“三定律”成为机械伦理学的基础，这便说明了机器人智能化还是有一定的潜在危机可能，但是机器人的研究还是一直处于快速发展当中，所以机器人智能化，普及化也是历史发展的必然和未来社会发展的要求。机器人一般由执行机构、驱动装置、检测装置和控制系统和复杂机械等组成。执行机构：即机器人本体，其臂部一般采用空间开链连杆机构，其中的运动副（转动副或移动副）常称为关节，关节个数通常即为机器人的自由度数。根据关节配置型式和运动坐标形式的不同，机器人执行机构可分为直角坐标式、圆柱坐标式、极坐标式和关节坐标式等类型。出于拟人化的考虑，常将机器人本体的有关部位分别称为基座、腰部、臂部、腕部、手部（夹持器或末端执行器）和行走部（对于移动机器人）等。驱动装置：是驱使执行机构运动的机构，按照控制系统发出的指令信号，借助于动力元件使机器人进行动作。它输入的是电信号，输出的是线、角位移量。机器人使用的驱动装置主要是电力驱动装置，如步进电机、伺服电机等，此外也有采用液压、气动等驱动装置。检测装置：是实时检测机器人的运动及工作情况，根据需要反馈给控制系统，与设定信息进行比较后，对执行机构进行调整，以保证机器人的动作符合预定的要求。作为检测装置的传感器大致可以分为两类：一类是内部信息传感器，用于检测机器人各部分的内部状况，如各关节的位置、速度、加速度等，并将所测得的信息作为反馈信号送至控制器，形成闭环控制。一类是外部信息传感器，用于获取有关机器人的作业对象及外界环境等方面的信息，以使机器人的动作能适应外界情况的变化，使之达到更高层次的自动化，甚至使机器人具有某种“感觉”，向智能化发展，例如视觉、声觉等外部传感器给出工作对象、工作环境的有关信息，利用这些信息构成一个大的反馈回路，从而将大大提高机器人的工作精度。控制系统：一种是集中式控制，即机器人的全部控制由一台微型计算机完成。另一种是分散（级）式控制，即采用多台微机来分担机器人的控制，如当采用上、下两级微机共同完成机器人的控制时，主机常用于负责系统的管理、通讯、运动学和动力学计算，并向下级微机发送指令信息；作为下级从机，各关节分别对应一个CPU，进行插补运算和伺服控制处理，实现给定的运动，并向主机反馈信息。根据作业任务要求的不同，机器人的控制方式又可分为点位控制、连续轨迹控制和力（力矩）控制。分类情况:中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。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、机器人化机器等。本论文主要论述特种机器人，工业机器人会做一些简单的论述。工业机器人1954年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节，利用人手对机器人进行动作示教，机器人能实现动作的记录和再现。在这里就不得不说伺服技术，伺服系统（servomechanism）是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标（或给定值）的任意变化的自动控制系统。伺服主要靠脉冲来定位，基本上可以这样理解，伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度，从而实现位移，因为，伺服电机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样，和伺服电机接受的脉冲形成了呼应，或者叫闭环，如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，这样，就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位，可以达到0.00mm可以说伺服电机是能够创造高级精密机器人的基础，伺服电机可以根据机器人的行为从而形成反馈脉冲，方便控制程序日本设计的机器人用伺服电机示意图判断和调控，其如此精密的定位，可以使机器人胜任人类无法完成的高精密工作。工业机器人最显著的特点有以下几个：(1)可编程。生产自动化的进一步发展是柔性启动化。工业机器人可随其工作环境变化的需要而再编程，因此它在小批量多品种具有均衡高效率的柔性制造过程中能发挥很好的功用，是柔性制造系统中的一个重要组成部分。(2)拟人化。工业机器人在机械结构上有类似人的行走、腰转、大臂、小臂、手腕、手爪等部分，在控制上有电脑。此外，智能化工业机器人还有许多类似人类的“生物传感器”，如皮肤型接触传感器、力传感器、负载传感器、视觉传感器、声觉传感器、语言功能等。传感器提高了工业机器人对周围环境的自适应能力。(3)通用性。除了专门设计的专用的工业机器人外，一般工业机器人在执行不同的作业任务时具有较好的通用性。比如，更换工业机器人手部末端操作器（手爪、工具等）便可执行不同的作业任务。(4)工业机器技术涉及的学科相当广泛，归纳起来是机械学和微电子学的结合-机电一体化技术。第三代智能机器人不仅具有获取外部环境信息的各种传感器，而且还具有记忆能力、语言理解能力、图像识别能力、推理判断能力等人工智能，这些都是微电子技术的应用，特别是计算机技术的应用密切相关。因此，机器人技术的发展必将带动其他技术的发专用弧焊6关节机器人展，机器人技术的发展和应用水平也可以验证一个国家科学技术和工业技术的发展水平。当今工业机器人技术正逐渐向着具有行走能力、具有多种感知能力、具有较强的对作业环境的自适应能力的方向发展。当前，对全球机器人技术的发展最有影响的国家是美国和日本。美国在工业机器人技术的综合研究水平上仍处于领先地位，而日本生产的工业机器人在数量、种类方面则居世界首位。工业机器人在工业生产中能代替人做某些单调、频繁和重复的长时间作业，或是危险、恶劣环境下的作业，例如在冲压、压力铸造、热处理、焊接、涂装、塑料制品成形、机械加工和简单装配等工序上，以及在原子能工业等部门中，完成对人体有害物料的搬运或工艺操作。例如：电焊机器人，弧焊机器人，激光加工机器人，真空机器人以及洁净机器人。以弧焊机器人为例分析其机构：弧焊机器人基本的硬件组成：1.焊接机器人汽车装配机器人目前全球生产工业机器人的厂家主要有：瑞典ABB公司；德国KUKA，REIS,CLOOS公司；奥地利IGM公司；意大利CAMAU公司；日本FANUC,MOTOMAN,OTC,Panasonic公司，这些厂家的机器人技术已经非常成熟，产品已经系列化。我国焊接机器人的发展晚于德国、日本等发达国家，但是经过多年的努力，一些厂家也在开发研制生产工业机器人系列产品。目前用的最多的焊接机器人形式是模仿人手臂功能的多关节机器人。这类机器人一般为6关节，具有6个关节的机器人基本上能满足焊枪的位置和空间姿态的控制要求。一般6关节弧焊机器人，各轴采用交流伺服电机驱动高精度RV减速机实现各轴旋转动作。日本的MOTOMAN公司在此基础上开发出了7个关节的机器人具有更好的灵活性。为了更大程度提高焊枪的灵活性和可达性，常用的机器人规格中还有对应的焊接电缆内藏式专用弧焊机器人2.焊接设备焊接设备一般包括：焊接电源、送丝机、焊枪、防碰撞传感器、清抢剪丝机，一般根据所焊工件的焊接工艺要求选择配置3.变位机一些焊接场合，如工件尺寸较大，工件空间集合尺寸复杂，使机器人的焊枪无法达到焊接位置或处于理想的焊接姿态，又或者为了提高机器人的利用率需要在多工位之间切换，这时需要对机器人或工装夹具进行变位。通常的做法有：一是把机器人装于可以移动的轨道小车，升降台或龙门架上，扩大机器人的作业空间；二是移动工件，使作业部位移到机器人的作业范围内，也有同时采用上述两种办法的。4.焊接工装夹具焊接工装夹具根据焊接工艺要求设计，因工件的不同，而形式多种多样。焊接工装夹具在保证焊接质量、焊接生产效率、操作方便性的同时，还需要结合机器人、变位机等保证焊枪的可达性、系统安全性、通用互换性。5.安全措施因机器人在焊接过程中变位机及机器人动作快，且焊缝间切换时经常出现加速情况，当人员或物品意外进入其活动区时将出现危险。所以应该配备光栅或者快速门保护。6.控制系统作为一般的简单应用可以直接采用机器人控制柜配合外部操作盒实现对焊接系统的控制。在实际应用中常常需要一个外部控件系统进行全面协调控制，包括：机器人及其外部轴，工装夹具动作，工件输送，安全防护系统等。外部控件系统通过调用机器人控制系统的相关焊接程序进行焊接。机器人控制系统则负责对焊接过程进行控制，如机器人及外部轴协调动作，焊接设备的动作。外部控件系统通常采用PLC为主2011年全球机器人销量分布控单元，人机界面触摸屏为参数设置及监控单元，通过多个或单个按钮站实现控制。此外弧焊机器人系统中还有很多高级功能：接触传感功能、电弧传感跟踪功能、非接触式传感及跟踪功能、坡口自适应功能、轨迹重现功能及多层多道焊功能、多台机器人协调功能、TCP自动校正功能。一个国家要引入高技术并将其转移为产业技术(产业化)，必须要具备五要素，这五要素分别是：Machine/Materials/Manpower/Management/Market。和有着“机器人王国”之称的日本相比，我国有着截然不同的基本国情，那就是人口多，劳动力过剩。刺激日本发展工业机器人的根本动力就在于要解决劳动力严重短缺的问题。所以，我国工业机器人起步晚发展缓。但是正如前所述，广泛使用机器人是实现工业自动化，提高社会生产效率的一种十分重要的途径。我国正在努力发展工业机器人产业，引进国外技术和设备，培养人才，打开市场。日本工业机器人产业的辉煌得益于本国政府的鼓励政策，我国在十一五纲要中也体现出了对发展工业机器人的大力支持。可见工业机器人无论是在国际还是在国内发展前景都是相当可观的。特种机器人（重点研究）特种机器人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机器人总称。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：“一种可编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可改变和可编程动作的专门系统。”机器人能力的评价标准包括：智能，指感觉和感知，包括记忆、运算、比较、鉴别、判断、决策、学习和逻辑推理等；机能，指变通性、通用性或空间占有性等；物理能，指力、速度、连续运行能力、可靠性、联用性、寿命等。因此，可以说机器人是具有生物功能的空间三维坐标机器。军用机器人军用机器人是一种用于军