机器人技术概述

机器人技术TechniquesofRobotManipulators21.1机器人名称的由来(About“Robot”)机器人的英文名词是Robot，Robot一词最早出现在1920年捷克作家卡雷尔·卡佩克（KarelCapek）所写的一个剧本中，这个剧本的名字为《Rossum’sUniversalRobots》，中文意思是“罗萨姆的万能机器人”。剧中的人造劳动者取名为Robota，捷克语的意思是“苦力”、“奴隶”。英语的Robot一词就是由此而来的，以后世界各国都用Robot作为机器人的代名词。31.2机器人的发展历史(TheDevelopingHistoryofRobots)古代“机器人”——现代机器人的雏形人类对机器人的幻想与追求已有3000多年的历史西周时期，我国的能工巧匠偃师研制出的歌舞艺人，是我国最早记载的机器人。春秋后期，据《墨经》记载，鲁班曾制造过一只木鸟，能在空中飞行“三日不下”。公元前2世纪，古希腊人发明了最原始的机器人──太罗斯，它是以水、空气和蒸汽压力为动力的会动的青铜雕像，它可以自己开门，还可以借助蒸汽唱歌。1800年前的汉代，大科学家张衡不仅发明了地动仪，而且发明了计里鼓车，计里鼓车每行一里，车上木人击鼓一下，每行十里击钟一下。4后汉三国时期，蜀国丞相诸葛亮成功地创造出了“木牛流马”，并用其在崎岖山路中运送军粮，支援前方战争。1662年，日本的竹田近江利用钟表技术发明了自动机器玩偶，并在大阪的道顿堀演出。1738年，法国天才技师杰克·戴·瓦克逊发明了一只机器鸭，它会嘎嘎叫，会游泳和喝水，还会进食和排泄。瓦克逊的本意是想把生物的功能加以机械化而进行医学上的分析。1773年，著名的瑞士钟表匠杰克·道罗斯和他的儿子利·路易·道罗斯制造出自动书写玩偶、自动演奏玩偶等，他们创造的自动玩偶是利用齿轮和发条原理而制成的，它们有的拿着画笔和颜色绘画，有的拿着鹅毛蘸墨水写字，结构巧妙，服装华丽，在欧洲风靡一时。1927年，美国西屋公司工程师温兹利制造了第一个机器人“电报箱”，并在纽约举行的世界博览会上展出，它是一个电动机器人，装有无线电发报机，可以回答一些问题，但该机器人不能走动。5现代机器人的发展历史二战期间（1938-1945）由于核工业和军事工业的发展，研制了“遥控操纵器”（Teleoperator）主要用于放射性材料的生产和处理过程。1947年，对这种较简单的机械装置进行了改进，采用电动伺服方式，使其从动部分能跟随主动部分运动，称为主从机械手（Master-SlaveManipulator）。1949-1953美国麻省理工学院开始研制数控铣床随着先进飞机制造的需要，美国麻省理工学院辐射实验室（MITRadiationLaboratory）开始研制数控铣床。1953年研制成功能按照模型轨迹做切削动作的多轴数控铣床。1954年“可编程”“示教再现”机器人美国人GeorgeC.Devol设计制作了世界上第一台机器人实验装置，并发表了题为《适用于重复作业的通用性工业机器人》的文章。660年代机器人产品正式问世，机器人技术开始形成1960年美国“联合控制公司”（ConsolidatedControl）根据Devol的专利技术，研制出第一台真正意义上的工业机器人，并成立了Unimation公司，开始定型生产名为Unimate的工业机器人。两年后，美国“机床与铸造公司”（AMF）也生产了另一种可编程工业机器人Versatran。70年代机器人技术发展成为专门学科机器人产业得到蓬勃发展，机器人技术发展成为专门学科，称之为机器人学（Robotics）。机器人的应用领域进一步扩大，不同的应用场所，导致了各种坐标系统、各种结构的机器人相继出现，大规模集成电路和计算机技术飞跃发展使机器人的控制性能大大提高，成本不断下降。780年代开始进入智能机器人研究阶段80年代，不同结构、不同控制方法和不同用途的工业机器人在工业发达国家真正进入了实用化的普及阶段。随着传感技术和智能技术的发展，开始进入智能机器人研究阶段。机器人视觉、触觉、力觉、接近觉等项研究和应用，大大提高了机器人的适应能力，扩大了机器人的应用范围，促进了机器人的智能化进程。经历了40多年的发展，机器人技术逐步形成了一门新的综合性学科—机器人学（Robotics）它包括有基础研究和应用研究两个方面主要研究内容有：(1)机械手设计；(2)机器人运动学、动力学和控制；(3)轨迹设计和路径规划；(4)传感器(包括内部传感器和外部传感器)；(5)机器人视觉；(6)机器人语言；(7)装置与系统结构；(8)机器人智能等。81.3机器人的定义和分类（DefinitionandClassifyingforRobots）1.3.1机器人的定义(DefinitionofRobots)机器人问世已有几十年，机器人的定义仍然仁者见仁，智者见智，没有一个统一的意见。原因之一是机器人还在发展，新的机型，新的功能不断涌现。同时由于机器人涉及到了人的概念，成为一个难以回答的哲学问题。就像机器人一词最早诞生于科幻小说之中一样，人们对机器人充满了幻想。也许正是由于机器人定义的模糊，才给了人们充分的想象和创造空间。随着机器人技术的飞速发展和信息时代的到来,机器人所涵盖的内容越来越丰富，机器人的定义也不断充实和创新。下面给出一些有代表性的定义。9国际和国外相关组织的定义国际标准化组织（ISO）的定义：机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能机械手，这种机械手具有几个轴，能够借助可编程序操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行种种任务。美国国家标准局（NBS）的定义：机器人是一种能够进行编程并在自动控制下执行某些操作和移动作业任务的机械装置。美国机器人协会（RIA）的定义：机器人是一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置的，通过可编程序动作来执行种种任务的，并具有编程能力的多功能机械手。日本工业机器人协会（JIRA）的定义：工业机器人是一种装备有记忆装置和末端执行器的，能够转动并通过自动完成各种移动来代替人类劳动的通用机器。10有关学者的定义在1967年日本召开的第一届机器人学术会议上提出了两个有代表性的定义。森政弘与合田周平提出的定义：“机器人是一种具有移动性、个体性、智能性、通用性、半机械半人性、自动性、奴隶性等7个特征的柔性机器”。从这一定义出发，森政弘又提出了用自动性、智能性、个体性、半机械半人性、作业性、通用性、信息性、柔性、有限性、移动性等10个特性来表示机器人的形象。日本早稻田大学加藤一朗（日本机器人之父）教授认为：机器人是由能工作的手，能行动的脚和有意识的头脑组成的个体，同时具有非接触传感器（相当于耳、目）、接触传感器（相当于皮肤）、固有感及平衡感等感觉器官的能力。11也有一些组织和学者针对不同形式的机器人分别给出具体的解释和定义，而机器人则只作为一种总称。例如，日本工业机器人协会（JIRA）列举了6种型式的机器人：(1)手动操纵器：人操纵的机械手，缺乏独立性；(2)固定程序机器人：缺乏通用性；(3)可编程机器人：非伺服控制；(4)示教再现机器人：通用工业机器人；(5)数控机器人：由计算机控制的机器人；(6)智能机器人：具有智能行为的自律型机器人。12综合诸家的解释，概括各种机器人的性能，我们认为可以按以下特征来描述机器人：1.机器人的动作机构具有类似于人或其他生物体某些器官(如肢体、感官等)的功能；2.机器人具有通用性，工作种类多样，动作程序灵活易变，是柔性加工主要组成部分；3.机器人具有不同程度的智能，如记忆、感知、推理、决策、学习等；4.机器人具有独立性，完整的机器人系统，在工作中可以不依赖于人的干预。131.3.2机器人的分类(ClassifyingofRobots)按照从低级→高级的发展程度可分为三类机器人第一代机器人（FirstGenerationRobots）：即可编程、示教再现工业机器人，已进入商品化、实用化。第二代机器人（SecondGenerationRobots）：装备有一定的传感装置，能获取作业环境、操作对象的简单信息，通过计算机处理、分析，能作出简单的推理，对动作进行反馈的机器人，通常称为低级智能机器人，由于信息处理系统的庞大与昂贵，第二代机器人目前只有少数可投入应用。第三代机器人（ThirdGenerationRobots）：具有高度适应性的自治机器人。它具有多种感知功能，可进行复杂的逻辑思维、判断决策，在作业环境中独立行动。第三代机器人又称作高级智能机器人，它与第五代计算机关系密切，目前还处于研究阶段。14按照结构形态，负载能力和动作空间划分可分为超大型机器人：负载能力1000kg以上大型机器人：100-1000kg/10m2以上中型机器人：10-100kg/1–10m2小型机器人：0.1-10kg/0.1-1m2超小型机器人：0.1kg以下/0.1m2以下15按照开发内容和目的区分，可分为以下三类机器人工业机器人（IndustrialRobot）：如焊接、喷漆、装配机器人。操纵机器人（TeleoperatorRobot）：如主从手，遥控排险、水下作业机器人。智能机器人（IntelligentRobot）：如演奏、表演、下棋、探险机器人。特种机器人和微型机器人是目前机器人发展的一个重要方向特种机器人（SpecialRobots）：如航天飞机上的机械手在失重状态下的工作，海洋探测机器人、军用机器人、防核防化机器人、爬壁机器人、微小物体操作机器人等。微型机器人（Micro-robots）：体积小，如管道机器人、血管疏通机器人。微动机器人（Micro-movementrobots）：动作小、精度高，如细胞切割机器人、微操作和微装配机器人等。161.4机器人的结构与控制方式(StructureandControlofRobots)1.4.1机器人的结构(TheStructureofRobot)简单地说，机器人主要由执行机构、驱动和传动装置、传感器和控制器四大部分构成（如图）。记忆、示教装置控制装置驱动装置传感器工业机器人系统结构17执行机构：机器人的足、腿、手、臂、腰及关节等，它是机器人运动和完成某项任务所必不可少的组成部分。驱动和传动装置：用来有效地驱动执行机构的装置，通常采用液压、电动和气动，有直接驱动和间接驱动二种方式。传感器：是机器人获取环境信息的工具，如视觉、听觉、嗅觉、触觉、力觉、滑觉和接近觉传感器等，它们的功能相当于人的眼、耳、鼻、皮肤及筋骨。控制器：是机器人的核心，它负责对机器人的运动和各种动作控制及对环境的识别。现代工业机器人的控制器都是由计算机控制系统组成，控制方式主要有示教再现、可编程控制、遥控和自主控制等多种方式。18日本三菱公司产MOVEMASTER-EX五自由度机器人▲实验室中的MOVEMASTER-EX机器人实物照片▼MOVEMASTER-EX五自由度机器人结构图19美国UNIMATE公司产PUMA/560型六自由度机器人▲PUMA/560机器人（照片）▼PUMA/560六自由度机器人结构201.4.2机器人的工作原理（ThePrincipleofRobot）机器人的工作原理是一个比较复杂的问题。简单地说，机器人的原理就是模仿人的各种肢体动作、思维方式和控制决策能力。从控制的角度，机器人可以通过如下四种方式来达到这一目标。“示教再现”方式：它通过“示教盒”或人“手把手”两种方式教机械手如何动作，控制器将示教过程记忆下来，然后机器人就按照记忆周而复始地重复示教动作，如喷涂机器人。21“可编程控制”方式：工作人员事先根据机器人的工作任务和运动轨迹编制控制程序，然后将控制程序输入给机器人的控制器，起动控制程序，机器人就按照程序所规定的动作一步一步地去完成，如果任务变更，只要修改或重新编写控制程序，非常灵活方便。大多数工业机器人都是按照前两种方式工作的。“遥控”方式：由人用有线或无线遥控器控制机器人在人难以到达或危险的场所完成