机器人综述14328

上海吉亿电机有限公司confidential1机器人综述2014.3.28张汉允上海吉亿电机有限公司confidential2机器人综述一、机器人由来、定义二、机器人结构三、机器人分类与应用四、机器人技术及发展趋势上海吉亿电机有限公司confidential3一、机器人由来、定义由来·机器人是众所周知的一种高新技术产品，然而，“机器人”一词最早并不是一个技术名词。·“机器人”一词，首次出现在1920年捷克作家卡雷尔·卡佩克发表的科幻剧《罗萨姆的万能机器人》中，意为“强制性劳动”或“奴隶”。·1959年，美国英格伯格和德沃尔制造出第一台工业机器人。英格伯格被称为“工业机器人之父”。上海吉亿电机有限公司confidential4定义机器人至今还没有一个统一、严格、准确的定义，不同国家、不同领域对机器人的定义随基本原则大体一致。简言之，机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。机器人技术不断发展，其内涵也在不断扩展。上海吉亿电机有限公司confidential5一些有代表性的定义：●国际标准化组织（ISO）：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，可具有几个轴，能够借助可编程序操作处理各种材料、零件、工具盒专用装置，以执行种种任务。●美国机器人协会（RIA）：机器人是一种用于移动各种材料、零件、工具或专用的装置，可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：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械。上海吉亿电机有限公司confidential6二、机器人结构机器人系统框图上海吉亿电机有限公司confidential7机器人组成机器人涉及到机械、电子、自动控制、计算机、人工智能、传感器、通讯与网络等多个学科和领域，是多种高新技术发展成果的综合集成。机器人是典型的机电一体化产品，一般由机械本体、控制系统、传感器、驱动器等四部分组成。·机械本体机械本体，是机器人实施作业的执行机构，可在确定的环境中执行控制系统指定的操作。典型工业机器人的机械本体一般由手部（末端执行器）、腕部、臂部、腰部和基座构成。机械手多采用关节式机械结构，一般具有6个自由度，其中3个用来确定末端执行器的位置，另外3个则用来确定末端执行装置的方向（姿势）。上海吉亿电机有限公司confidential8·控制系统控制系统是机器人的指挥中枢，相当于人的大脑功能，负责对作业指令、内外环境信息进行处理，并依据预定的本体模型、环境模型和控制程序做出决策，产生相应的控制信号，通过驱动器驱动执行机构的各个关节完成特定的作业。从控制系统构成看：有开环控制系统和闭环控制系统之分从控制方式看：可分程序控制系统、适应性控制系统和智能控制系统上海吉亿电机有限公司confidential9·传感器传感器是机器人的感测系统，相当于人的感觉器官，是机器人系统的重要组成部分，包括内部和外部两大类传感器。内部传感器主要用来检测机器人本身的状态，为机器人的运动控制提供必要的本体状态信息，多为检测位置和角度的传感器。外部传感器用来感知机器人所处的工作环境或工作状况信息。具体有物体识别传感器、物体探伤传感器、接近觉传感器、距离传感器、力觉传感器，听觉传感器等。上海吉亿电机有限公司confidential10·驱动器驱动器是机器人的动力系统，一般由驱动装置和传动机构组成。因驱动方式不同，驱动装置可分成电动、液动和气动三种类型。驱动装置中的电动机、液压缸、气缸可以与执行机构直接相连，也可以通过传动机构与执行机构相连。驱动装置主要是电力驱动装置，如步进电机、伺服电机等。传动机构通常有齿轮传动、链传动、螺旋传动、带传动等几种。液压气压电动功率/质量比大小较大综合功率20-30%10%60-70%控制性能精度较高反应灵敏精度较低低速不易控制精度高系统较复杂维护与应用方便对油温要求高方便对气压要求高方便对环境影响漏油噪声基本没有投资/运行成本较高/高低/低高/较低应用范围低速、重型快速、小型通用上海吉亿电机有限公司confidential11电动机驱动电动机驱动分为普通交流电动机驱动，交、直流伺服电动机和步进电动机驱动。普通交、直流电动机驱动：需要加减速装置，输出力矩大，但控制性能差，惯性大，适用于、重型机器人。伺服电动机和步进电动机：输出力矩相对小，控制性能好，可实现速度和位置的精确控制，适用于中小型机器人。交、直流伺服电动机一般用于闭环控制系统，而步进电动机则主要用于开换控制系统。上海吉亿电机有限公司confidential12机器人对关节驱动电机的主要要求1.响应快速性2.起动转矩大，惯量小3.控制特性的连续性和直线性4.调速范围宽5.体积小、质量小、轴向尺寸短6.能经受苛刻运行条件，可频繁正反向和加减速运行，并能在短时间内承受过载上海吉亿电机有限公司confidential13一些驱动装置液压马达液压缸气动回转马达气泵交流伺服电机步进电机直流伺服电机与驱动放大器上海吉亿电机有限公司confidential14机器人主要技术参数１．自由度２．工作空间３．工作速度４．工作载荷５．控制方式６．驱动方式７．精度、重复精度和分辨率上海吉亿电机有限公司confidential15１．自由度自由度越多，越接近人手的动作机能；同时，结构越复杂，对机器人整体要求就越高，这是机器人设计中的一个矛盾。工业机器人一般多为４～６个自由度。右图为五自由度机器人，臂部在xO1y面内有三个独立运——升降(L1)、伸缩(L2)、和转动(Φ1)，腕部在xO1y面内有一个独立的运动——转动(Φ2)。机器人手部位置需要一个独立变量——手部绕自身轴线O3C的旋转Φ3。五自由度机器人简图上海吉亿电机有限公司confidential162．工作空间机器人的工作空间是指机器人手臂或手部安装点所能达到的所有空间区域，不包括手部本身所能达到的区域。机器人所具有的自由度数目及其组合不同，则其运动图形不同；而自由度的变化量(即直线运动的距离和回转角度的大小)则决定着运动图形的大小。上海吉亿电机有限公司confidential173．工作速度工作速度是指机器人在工作载荷条件下、匀速运动过程中，机械接口中心或工具中心点在单位时间内所移动的距离或转动的角度。运动循环包括加速度起动，等速运行和减速制动三个过程。为了保证定位精度，加减速过程往往占去较长时间。分配动作时间除考虑工艺动作要求外，还要考虑惯性和行程大小、驱动和控制方式、定位和精度要求。上海吉亿电机有限公司confidential184．工作载荷机器人在规定的性能范围内，机械接口处能承受的最大负载量(包括手部)。用质量、力矩、惯性矩来表示。负载大小主要考虑机器人各运动轴上的受力和力矩。为安全考虑，规定在高速运行时所能抓取的工件重量作为承载能力指标。目前使用的工业机器人，其承载能力范围较大，最大可达9KN。上海吉亿电机有限公司confidential195．控制方式5．控制方式机器人用于控制轴的方式，是伺服还是非伺服，伺服控制方式是实现连续轨迹还是点到点的运动。驱动方式是指关节执行器的动力源形式。6．驱动方式上海吉亿电机有限公司confidential207．精度、重复精度和分辨率精度：指机器人手部实际到达位置与所需要到达理想位置之间的差距。重复精度：在相同的运动位置命令下，机器人连续若干次运动轨迹之间的误差度量。分辨率：指机器人每根轴能够实现的最小移动距离或最小转动角度。分辨率反映了实际需要的运动位置和命令所能够设定的位置之间的差距。上海吉亿电机有限公司confidential21三、机器人分类与应用1912年，美国科幻巨匠阿西莫夫提出“机器人三定律”：1、机器人不危害人类，不允许看人受害而袖手旁观；2、机器人应服从人的命令，但不得违反第一原则；3、机器人应保护自己，但不得违反第一、二原则。在21世纪，各种先进的机器人系统将会进入人类生产、生活的各个领域，成为人类良好的助手和亲密的伙伴。世界各国主要行业对机器人的需求分布上海吉亿电机有限公司confidential22经过几十年的发展，机器人的技术水平不断提高，应用范围越来越广，从早期的焊接、装配等工业应用，逐步向军事、空间、水下、农业、建筑、服务和娱乐等领域不断扩展，结构形式也多种多样。因此，机器人的分类也出现了多种方法、多种标准。这里主要介绍以下几种分类法·按机器人技术发展水平可分三代第一代机器人“示教再现”型机器人，能够按照人类预先示教的轨迹、行为、顺序和速度重复作业（未采用传感器）。第二代机器人感知机器人，采用了传感器，可感知环境状况，具有初步感觉和反馈控制能力（初步智能）。第三代机器人“智能机器人”，具有发现问题，并且能自主地解决问题的能力，“电脑化”是其重要标志。上海吉亿电机有限公司confidential23·按机器人结构坐标系特点方式分类(1)直角坐标机器人；(2)圆柱坐标机器人；(3)极坐标机器人；(4)多关节机器人。上海吉亿电机有限公司confidential24（1）直角坐标机器人直角坐标机器人结构如图所示，它在x,y,z轴上的运动是独立的。上海吉亿电机有限公司confidential25（2）圆柱坐标机器人圆柱坐标机器人的结构如右图所示，R、θ和x为坐标系的三个坐标，其中R、是手臂的径向长度，θ是手臂的角位置，x是垂直方向上手臂的位置。如果机器人手臂的径向坐标R保持不变，机器人手臂的运动将形成一个圆柱表面。上海吉亿电机有限公司confidential26（3）极坐标机器人极坐标机器人又称为球坐标型机器人，其结构如右图所示，R，θ和β为坐标系的坐标。其中θ是绕手臂支撑底座垂直的转动角，β是手臂在铅垂面内的摆动角。这种机器人运动所形成的轨迹表面是半球面。上海吉亿电机有限公司confidential27（4）多关节机器人如右图所示，它是以其各相邻运动部件之间的相对角位移作为坐标系的。θ、α和Φ为坐标系的坐标，其中θ是绕底座铅垂轴的转角，Φ是过底座的水平线与第一臂之间的夹角，α是第二臂相对于第一臂的转角。这种机器人手臂可以达到球形体积内绝大部分位置，所能达到区域的形状取决于两个臂的长度比例。上海吉亿电机有限公司confidential28·按机器人的应用环境可分两大类工业机器人特种机器人工业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。工业机器人在工业领域中主要从事工件上下料、焊接、装配、喷涂、检验、铸造、锻压、热处理、金属切削加工等工作。工业机器人可分焊接、切割、装配、喷漆、码垛、搬运等等多种机器人上海吉亿电机有限公司confidential29工业机器人组装分装机器人（安川）弧焊机器人（安川）组装分装机器人（安川）上海吉亿电机有限公司confidential30特种机器人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特种机器人又可分为（1）农业机器人（2）服务机器人（3）军用机器人（4）探索机器人（水下、空间机器人等）上海吉亿电机有限公司confidential31（1）农业机器人应用主要集中在耕种、施肥、喷药、蔬菜嫁接、苗木移栽、收获、灌溉、养殖和各种辅助操作等方面采摘机器人喷洒机器人耕种机器人上海吉亿电机有限公司confidential32（2）服务机器人为人类日常生活提供各种便利和服务的机器人目前主要应用在清洁、餐饮、执勤、救援、娱乐、教育、医疗等等场合。上海吉亿电机有限公司confidential33智能吸尘器餐饮服务机器人油烟管道清洗机器人上海吉亿电机有限公司confidential34娱乐机器人手术机器人护理机器人矿用救灾蛇形机器人上海吉亿电机有限公司confidential35智能排爆机器人美国“魔爪”军用机器人（3）军用机器人四足军用机器人上海吉亿电机有限公司confidential36水下机器人空间机器人（玉兔号）（4）探索机器人上海吉亿电机有限公司confidential37四、机器人技术及发展趋势国内机器人技术发展我国目前已基本掌