机器人
机电一体化
——机器人
姓名闻萍
学号2016202050029
所在院系机电工程学院
专业班级农业电气化与自动化
机电一体化
1. 简述
机电一体化又称机械电子学，英语称为Mechatronics，它是由英文机械学Mechanics 的前半部分与电子学Electronics的后半部分组合而成。机电一体化最早出现在1971年日本杂志《机械设计》的副刊上，随着机电一体化技术的快速发展，机电一体化的概念被我们广泛接受和普遍应用。随着计算机技术的迅猛发展和广泛应用，机电一体化技术获得前所未有的发展。现在的机电一体化技术，是机械和微电子技术紧密集合的一门技术，他的发展使冷冰冰的机器有了人性化，智能化。
机电一体化技术是将机械技术、电工电子技术、微电子技术、信息技术、传感器技术、接口技术、信号变技术等多种技术进行有机地结合，并综合应用到实际中去的综合技术。是现代化的自动生产设备几乎可以说都是机电一体化的设备。机电一体化技术包含六个部分，它们分别是：
（1）机械技术：机械技术是机电一体化的基础，机械技术的着眼点在于如何与机电一体化技术相适应。在机电一体化系统制造过程中，经典的机械理论与工艺应借助于计算机辅助技术，同时采用人工智能与专家系统等，形成新一代的机械制造技术。
（2）计算机与信息技术：其中信息交换、存取、运算、判断与决策、人工智能技术、专家系统技术、神经网络技术均属于计算机信息处理技术。
（3）系统技术：系统技术即以整体的概念组织应用各种相关技术，从全局角度和系统目标出发，将总体分解成相互关联的若干功能单元。
（4）自动控制技术：其范围很广，在控制理论指导下，进行系统设计，设计后的系统仿真，现场调试，控制技术包括如高精度定位控制、速度控制、自适应控制、自诊断校正、补偿、再现、检索等。
（5）传感检测技术：传感检测技术是系统的感受器官，是实现自动控制、自动调节的关键环节。
（6）伺服传动技术：包括电动、气动、液压等各种类型的传动装置，伺服系统是实现电信号到机械动作的转换装置与部件、对系统的动态性能、控制质量和功能有决定性的影响。
2.组成要素与四大原则
五大组成要素：一个机电一体化系统中一般由结构组成要素、动力组成要素、运动组成要素、感知组成要素、职能组成要素五大组成要素有机结合而成。机械本体（结构组成要素）是系统的所有功能要素的机械支持结构，一般包括有机身、框架、支撑、联接等。动力驱动部分（动力组成要素）依据系统控制要求，为系统提供能量和动力以使系统正常运行。测试传感部分（感知组成要素）对系统的运行所需要的本身和外部环境的各种参数和状态进行检测，并变成可识别的信号，传输给信息处理单元，经过分析、处理后产生相应的控制信息。控制及信息处理部分（职能组成要素）将来之测试传感部分的信息及外部直接输入的指令进行集中、存储、分析、加工处理后，按照信息处理结果和规定的程序与节奏发出相应的指令，控制整个系统有目的的运行。执行机构（运动组成要素）
；根据控制及信息处理部分发出的指令，完成规定的动作和功能。
机电一体化系统一般由机械本体、检测传感部分、电子控制单元、执行器和动力源5个组成部分构成。
四大原则：构成机电一体化系统的五大组成要素其内部及相互之间都必须遵循接口耦合、运动传递、信息控制与能量转换四大原则。接口耦合：两个需要进行信息交换和传递的环节之间，由于信息模式不同（数字量与模拟量，串行码与并行码，连续脉冲与序列脉冲等）无法直接传递和交换，必须通过接口耦合来实现。而两个信号强弱相差悬殊的环节之间，也必须通过接口耦合后，才能匹配。变换放大后的信号要在两个环节之间可靠、快速、准确的交换、传递，必须遵循一致的时序、信号格式和逻辑规范才行，因此接口耦合时就必须具有保证信息的逻辑控制功能，使信息按规定的模式进行交换与传递。
能量转换：两个需要进行传输和交换的环节之间，由于模式不同而无法直接进行能量的转换和交流，必须进行能量的转换，能量的转换包括执行器，驱动器和他们的不同类型能量的最优转换方法及原理。
信息控制：在系统中，所谓智能组成要素的系统控制单元，在软、硬件的保证下，完成信息的采集、传输、储存、分析、运算、判断、决策，以达到信息控制的目的。对于智能化程度高机电一体化的信息控制系统还包含了知识获得、推理机制以及自学习功能等知识驱动功能。
运动传递：运动传递使构成机电一体化系统各组成要素之间，不同类型运动的变换与传输以及以运动控制为目的的优化。
下面结合机器人来阐述一下机电一体化技术。
3. 机器人
3.1 概述
机器人是能够自动识别对象或其动作，根据识别，自动决定应采取动作的自动化装置。
它能模拟人的手、臂的部分动作，实现抓取、搬运工件或操纵工具等。它综合了精密机械技
术、微电子技术、检测传感技术和自动控制技术等领域的最新成果，是具有发展前途的机电
一体化典型产品。机器人技术的应用会越来越广，将对人类的生产和生活产生巨大的影响。
可以说，任何一个国家如不拥有一定数量和质量的机器人，就不具备进行国际竞争所必需的
工业基础。
机器人的发展大致经过了三个阶段。 第一代机器人为示教再现型机器人，为了让机器
人完成某项作业，首先由操作者将完成该作业所需的各种知识（如运动轨迹、作业条件、作
业顺序、作业时间等）通过直接或间接的手段，对机器人进行示教，机器人将这些知识记忆
下来，然后根据再现指令，在一定的精度范围内，忠实地重复再现各种被示教的动作。第二
代机器人通常是指具有某种智能（如触觉、力觉、视觉等）的机器人，即由传感器得到的触
觉、听觉、视觉等信息经计算机处理后，控制机器人完成相应的操作。第三代机器人通常是
指具有高级智能的机器人，其特点是具有自学习和逻辑判断能力，可以通过各类传感器获取
信息，经过思考做出决策，以完成更复杂的操作。 一般认为机器人具备以下要素：思维系统（相当于脑），工作系统（相当于手），移动
系统（相当于脚），非接触传感器（相当于耳、鼻、目）和接触传感器（相当于皮肤）（图
1-1）。如果对机器人的能力评价标准与对生物能力的评价标准一样，即从智能、机能和物理
能三个方面进行评价，机器人能力与生物能力具有一定的相似性。图1-2是以智能度、机能
度和物理能度三座标表示的“生物空间”，这里，机能度是指变通性或通用性以及空间占有性
等；物理能度包括力、速度、连续运行能力、均一性、可靠性等；智能度则指感觉、知觉、记忆、运算逻辑、学习、鉴定、综合判断等。把这些概括起来可以说，机器人是具有生物空
间三座标的三元机械。某些工程机械有移动性，占有空间不固定性，因而是二元机械。计算
机等信息处理机，除物理能之外，还有若干智能，因而也属于二元机械。而一般机械都只有
物理能，所以都是一元机械。
工程机械
信息处理机 物理能度 机器人
人
机能度
智
能度 图1-2生物空间
思维系统 脑 工作系统
手 脚 非接触传感器 图1-1机器人三要素 接触传
感器
3.2 机器人的组成及基本机能
机器人一般由执行系统、驱动系统、控制系统，检测传感系统和人工智能系统等组成，各系统功能如下所述。
①执行系统：执行系统是完成抓取工件（或工具）实现所需运动的机械部件，包括手部、腕部、臂部、机身以及行走机构。
②驱动系统：驱动系统的作用是向执行机构提供动力。随驱动目标的不同，驱动系统的传动方式有液动、气动、电动和机械式四种。
③控制系统：控制系统是机器人的指挥中心，它控制机器人按规定的程序运动。控制系统可记忆各种指令信息（如动作顺序，运动轨迹，运动速度及时间等），同时按指令信息向各执行元件发出指令。必要时还可对机器人动作进行监视，当动作有误或发生故障时即发出警报信号。
④检测传感系统：它主要检测机器人执行系统的运动位置、状态，并随时将执行系统的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行系统以一定的精度达到设定的位置状态。
⑤人工智能系统：该系统主要赋予机器人自动识别、判断和适应性操作。
3.3 SCARA型机器人(装配机器人)
SCARA是Selective Compliance Assembly Robot Arm的缩写，意思是具有选择顺应性的装配机器人手臂。这种机器人在水平方向具有顺应性，而在垂直方向则具有很大的刚性，最适合于装配作业使用。它有大臂回转、小臂回转、腕部升降与回转四个自由度，如图所示。下而以ZP-1型多手臂装配机器人为例作一简单介绍。
该机器人装配系统用于装配40火花式电雷管，代替人从事易燃易爆危险作业。电雷管的组成如图a所示，机器人完成的工作是，①将导电帽、弹簧组合件装在雷管体上：②将小螺钉拧到雷管体上，把导电帽、弹簧组合件和笛管体联成一体：③检测雷管体外径、总高度及雷管体与导电帽之间是否短路。装配前雷管体倒立在10行X 10列的料盘5上，弹簧与导电帽的组合件插放在另一个10行X 10列的料盘6上，小螺钉散放在振动料斗8中，装配好的成品放在10行X 10列料盘7上，如图b所示。机器人在装配点的重复定位精度可达土0.05mm,电雷管重约100g，一次装配过程约需20s。
3.3.1 SCARA 型机器人功能构成原理图
SCARA 型机器人的功能构成原理如图3-1所示：
图3-1功能构成结构原理 3.3.2 SCARA 型机器人结构分析
2.驱动系统
该机器人机械系统构成如下图所示，由左、中、右三只手臂组成，左右手臂的结构基本相同，大臂长200mm ，小臂长为160mm 两立柱间距为710mm ，总高度约820mm(可适当
电涡流传感器、可实现装配点的位置、雷管的直径与高度等 火花式电雷管 螺钉
导电冒
弹簧
雷管体 输出 输入
结 构 功 能 主功能 检测功能 动力功能 控制功能 能量输入
信息输入 信息输出
（组装、检测、装配） CMC80工业控制机
步进电动机（型号70BF10）
调整).左（右)手留各有大臂l(1'),小臂2(2')、手腕3(3')和手部4(4'),驱动大臂的为步进电动机5(5')及谐波减速器6(6')与位置反馈用光电编码器7(7');驱动小臂的为步进电动机8(8' )及谐波减速器9(9')与位置反馈用光电编码器10(10'):另外还有平行四连杆机构11 (11');整个手臂安装在支架和立柱12(12')上，并由基座19(19')支承.手腕的升降、回转和手爪的开闭部是气动的，因此有相应的气缸、输气管路.右臂右侧雷管科盘为13'、左臂左侧为导电帽与弹簧组含件料13.第三只手臂为拧螺钉装置，放在左、右手臂中间的工作台上，装有摆动臂14和气动改锥15, 它的左侧装有供螺钉用的振动料斗16，成品科盘18安装在右臂的右前方。
2.驱动系统
该机器人两手臂在平面内的运动是由步逬电动机驱动的.所选用的步进电动机型号为70BF10、六相、按2-3方式分配、共12拍，电动机的启动频率为600步/s，达到运行频率24000步/s，所需的启动时间为0.6s.一个关节的电动机驱动系统如下图所示.
3.控制与检测传感系统
控制与检测传感系统原理如下图所示，由七个CSA-S16型电涡流传感器分别检测俩手臂到达装配点的位置、雷管的直径与高度、手爪是否抓住笛管体与弹簧组件、以及雷管体与导电帽的短路状态等.这些信号送到测量仪与设定值进比较，确定是否合格或过、欠，再经过测量接口电路，送到CMC80工业控制机逬行处理、产生中断信号。
该机器人的五个自由度，分别是立柱回转（L）、大臂回转（D）小臂回转（X）、腕部俯仰（W1）和腕部转动（W2），其机构原理如图1-3所示，机构的传动关系如图1-4所示。
综上所述，涉及机器人的技术关键很多，制定和开发机器人是一项重要而艰巨的任务。而对机器人的投资则更是一项长远的战略决策。一旦取得突破，机器人技术必将深刻地影响企业的组织结构，使机械制造工业产生一机电一体化向智能化方向迈进.
3.4 发展方向
20世纪90年代后期，各主要发达国家开始了机电一体化技术向智能化方向迈进的新阶段。一方面，光学、通信技术等进入了机电一体化，微细加工技术也在机电一体化中崭露头脚，出现了光机电一体化和微机电一体化等新分支；另一方面，对机电一体化系统的建模设计、分析和集成方法，机电一体化的学科体系和发展趋势都进行了深入研究。同时，由于人工智能技术、神经网络技术及光纤技术等领域取得的巨大进步，为机电一体化技术开辟了发展的广阔天地，也为产业化发展提供了坚实的基础。