机器人概述

机器人概述1.1 机器人技术一、机器人的由来1920年，捷克作家卡雷尔.查培克（Karel Capek）编写了一部幻想剧：《罗莎姆万能罗博特公司》（“Rossum’s Universal Robots”）。

剧中描写一家公司发明并制造了一大批能听命于人，能劳动而且形状象人的机器，公司驱使这些人造劳动者进行各种日常劳动，甚至取代了世界各国工人的工作，l 进一步的研究竟能使这些机器富有感情，于是导致了它们反抗主人的暴乱。

剧中的人造劳动者取名为捷克语Robota，意为“苦力”、“劳役”，英语Robot 系由此衍生而来。

该剧轰动一时，很快译传国外。

此后，种种“人形机器”见之于各类科学幻想作品。

机器人形象的产生充分说明了人类对于先进生产工具的创造性想象和勇敢追求。

人们期待着诞生一种通用、柔软、灵活的自动机械，它与单能的传统机器不同，它能模仿人的器官的功能，从事那些只有人才能很好完成的工作。

于是，人们这种美好的愿望给科学技术的研究提出了一个深s的课题——用工程的方法实现人体所特有的动作机能，以及完成这些动作所必要的智能。

二、机器人技术的进程机器人从幻想世界真正走向幻想世界是从自动化生产和科学研究的发展需要出发的。

遥控操作器（Teleoperator）和数控机床的出现为机器人的产生准备了技术条件。

二次世界大战期间，在放射性材料的生产和处理过程中应用了一种简单的遥控操纵器。

操纵人员在一层很厚的混凝土防护墙外通过观察，用手操纵两个操s杆（主动部分），操纵杆与墙内的一对机械抓手（从动部分）通过六个自由度的传动机构相连，于是机械抓手就能复现人手的动作位置和姿态，代替了操作人员的直接操作。

1947年，人们对这种遥控操纵器进行改进，采用电动伺服方式，使从动部分能相对于主动部分作跟随运动。

1949年，由于生产先进飞机的需要，美国麻省理学院辐射实验室（MIT Radiation Laboratory）开始研制数控铣床，把复杂伺服系统的技术与最新发展的数字计算机技术结合起来，1953年研成功。

切削模型以数字形式通过穿孔纸带输入机器，然后控制铣床的伺服轴按照模型的轨迹作切削动作。

1954年美国的George C. Devol设计并制作了世界上第一台机器人实验装置，发表了《适用于重复作业的通用性工业机器人》一文，并获得了专利。

Devol巧妙地把遥控操作器的关节型连杆机构与数控机床的伺服轴连接在一起，预定的机械手动作一经编程输入后，机械手就可以离开人的辅助而独立运行。

这种机器人也可以接受示教而能完成各种简单任务。

示教过程中操作者用手带动机械手依次通过工作任务的各个位置，这些位置序列记录数字存储器内，任务执行过程中，机器人的各个关节在伺服驱动下再现出那些位置序列。

因此，这种机器人的主要技术功能就是“可编程”以及“示教再现”。

60年代，机器人产品正式问世，机器人技术开始形成。

1960年，美国的Consolidated Control公司根据Devol的专利研制出第一台机器人样机，并成立Unimation公司，定型生产了Unimate（意为“万能自动”）机器人。

同时，美国“机床与铸造公司”（AMF）设计制造了另一种可编程的机器人Versatran（意为“多才多艺”）。

这两种型号的机器人以“示教再现”的方式在汽车生产线上成功地代替工人进行传送、焊接、喷漆等作业，它们在工作中表现出来的经济效益、可靠性、灵活性，使其它发达工业国家为之倾倒。

于是Unimate和Versatran作为商品开始在世界岢∩舷售，日本、西欧也纷纷从美国引进机器人技术。

在机器人崭露头角于工业生产的同时，研究领域不断地把机器人技术引向深入发展。

1961年，美国麻省理工学院Lincoln实验室把一个配有接触传感器的遥控操纵器的从动部分与一台计算机连结在一起，这样形成的机器人可以凭触s决定物体的状态。

随后，用电视摄像头作为输入机理的计算机图像处理、物体辩识的研究工作也陆续取得成果。

1968年，美国斯坦福人工智能实验室（SAIL）的J.McCarthy等人研究了新颖的课题：研制带有手、眼、耳的计算机系统。

于是，智能机器人的研究形象逐渐丰满起来。

70年代以来，机器人产业蓬勃兴起，机器人技术发展为专门的学科。

1970年，第一次国际工业机器人会议在美国举行。

工业机器人各种卓有成效的实用范例促成了机器人应用领域的进一步扩展，同时，又由于不同应用场合的特点，导致了各种坐标系统、各种结构的机器人相继出现。

而随后的大规模集成电"技术的飞跃发展及微型计算机的普遍应用，则使机器人的控制性能大幅度地得到提高，成本不断降低。

于是，导致了数百种类的不同结构、不同控制方法、不同用途的机器人终于在80年代以来真正进入了实用化的普及阶段。

经过几十年的发展过程，机器人技术终于形成了一门综合性学科——机器人学（Robotics）。

一般地说，机器人学的研究目标是以智能计算机为基础的机器人的基本组织和操作，它包括基础研究和应用研究两方面内容，研究课题有：（1）机械手设计（2）机器人运动学、动力学和控制（3）轨迹设计与规划（4）传感器（5）机器人视觉（6）机器人控制语言（7）装置与系统结构（8）机械智能等。

由于机器人学综合了力学、机械学、电子学、生物学、控制论、计算机、人工智能、系统工程等多种学科领域的知识，因此，也有人认为机器人学实际上是一个可分为若干学科的学科类。

1.2 机器人的定义与分类一、机器人的定义国际上，关于机器人的定义主要有如下几种：（1）英国牛津字典的定义：“机器人是貌似人的自动机，具有智力的和顺从于人的但不具人格的机器”。

（2）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（manipulator）”。

（3）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（end effector）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”。

（4）美国国家标准局（NSB）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”。

（5）国际标准化组织（ISO）的定义：“机器人是一自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能机械手，这种机械手有几个轴，能够借助于可编程序操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行各种任务”。

（6）我国中科院沈阳自动化研究所的蒋新松院士将机器人定义为：“机器人是一种拟人功能的机械电子t置（a mechantronic device toimitate some human funtions）”。

上述各种定义有共同之处，即认为机器人（1）像人或人的上肢，并能模仿人的动作（2）具有智力或感觉与识别能力（3）是人造的机器或机械电子装置。

随着机器人的进化和机器人智能的发展，这些定义都有修改的必要，甚至需要对机器人重新定义。

二、机器人的分类机器人的分类方法很多。

主要有以下几种分类方法，即按机器人的几何结构、机器人的控制方式以及机器人的信息输入方式来分、按机器人的智能程度分、按机器人的用途分等。

1. 按机器人的几何结构来分机器人机械手的机械配置形式多种多样。

最常见的结构形式是用其坐标特征来描述的。

这t坐标结构包括笛卡尔坐标结构、柱面坐标结构、极坐标结构、球面坐标结构和关节式球面坐标结构等。

2.按机器人的控制方式分按照控制方式可把机器人分为非伺服机器人和伺服控制机器人两种。

（1）非伺服机器人（non-servo robots）。

非伺服机器人工作能力比较有限，它们往往涉及那些叫做“终点”、“抓放”或“开关”式机器人，尤其是“有限顺序”机器人。

这种机器人按照预先编制好的程序顺序进行工作，使用终端限位开z、制动器、插销板和定序器来控制机器人机械手的运动；其工作原理如图？？所示。

图中，插销板用来预先规定机器人的工作顺序，而且往往是可调的。

定序器是一种定序开关或步进装置，它能够按照预定的正确顺序接通驱动装置的能源。

驱动装置接通能源后，就带动机器人的手臂、腕部z抓手等装置运动。

当它们运动到由终端限位开关所规定的位置时，限位开关切换工作状态，给定序器送去一个“工作任务业已完成”的信号，并使终端制动器动作，切断驱动能源，使机械手停止运动。

（2）伺服控制机器人（servo-controlled robots）。

伺服控制机器人比非伺服控制机器人有更强的工作能力，因而价格较贵，而且在某些情况下不如简单的机器人可靠。

其工作原理如图？？所示。

伺服系统的被控制量（即输出）可为机器人端部执行装置（或工具）的位置、速度、加速度和力等。

通过反馈传感器取得的反馈信号与来自给定装置（如给定电位器）的综合信号，用比较器加以比较后，得到误差信号，经过放大后┯诩し⒒器人的驱动装置，进而带动末端执行装置以一定规律运动，达到规定的位置或速度等。

显然，这就是一个反馈控制系统。

伺服控制机┤擞挚煞治点位伺服控制和连续路径（轨迹）伺服控制两种。

点位伺服控制机器人点位伺服控制机器人能够在其工作包迹内精确地编入程序的三维点之间的运动。

一般只对其端点进行示教，而且机器人以最快的和最直接的路径从一个端点移到另一个端点。

可把这些端点设置在已知移动轴的任何位置上。

点与点之间的操作总是有点不平稳，即使同时控制两根轴，它们的运动慵Ｒ埠苣淹耆一样。

因此，点位伺服控制机器人用于只有终端位置是重要的而对编程点之间的路径和速度不作主要考虑的场合。

点位伺服控制闫魅说某跏蓟程序比较容易设计，但不易在运行期间对编程点进行修正。

由于没有行程控制，所以实际工作路径可能与示教路径不同。

这种机器人很大的操作灵活性，因而其负载能力和工作范围均名列前茅。

液压装置是这种机器人系统最常用的驱动装置。

连续路径（轨迹）伺服控制机器人连续路径（轨迹）伺服控制机器人能够平滑地跟随某个规定的路径，其轨迹往往是某=不在预编程端点停留的曲线路径。

因此这种机器人特别适用于喷漆作业。

连续路径（轨迹）伺服控制机器人具有良好的控制和运行特性，其数=是依时间采样的，而不是依预先规定的空间点采样。

这样，就能够把大量的空间信息存储在磁盘或光盘上。

这种机器人的运行速度较快，功率较小，负载能力也较小。

喷漆、弧焊、抛光和磨削等加工是这种机器人的典型应用场合。

3.按机器人控制器的信息输入方式分采用这种分类法进行分类时，对于不同国家，也略有不同，但它们能够有统一的标准。

这里主要介绍日本工业机器人协会（JIRA）、美国机器人协会（RIA）和法国工业机器人协会（AFRI）所采用的分类法。

（1）JIRA分类法日本工业机器人协会把机器人分为六类：①手动操作手，是一种由操作人员直接进行操作的具有几个自由度的加工装置。