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1机器人技术前言机器人技术是综合了计算机、控制论、信息和传感技术、人工智能等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。从某种意义上说，机器人也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。了解机器人的一些基本原理、用途、发展状况等，对我们现代研究生来说，是十分迫切和必要的。一、机器人的定义（1）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，以执行种种任务”。（2）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(endeffector)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)”。（5）我国对机器人的定义。蒋新松院士曾建议把机器人定义为“一种拟人功能的机械电子装置”(amechantronicdevicetoimitatesomehumanfunctions)。参考各国的定义，对机器人给出以下定义：机器人是一种计算机控制的可以编程的多功能操作装置，能感知环境，识别对象，理解指示命令，有记忆和学习功能，具有情感和逻辑判断思维，能自身进化，能计划其操作程序来完成任务。机器人学是一门不断发展的科学，对机器人的定义也随其发展而变化。因此，其实至今为止,各国也没有一个真正完全统一的机器人的定义。机器人的工作过程，就是通过规划，将要求的任务变为期望的运动和力，由控制环节根据期望的运动和力的信号，产生相应的控制作用，以使机器人输出实际的运动和力，从而完成期望的任务。二、机器人的应用领域机器人技术的发展，它应该说是一个科学技术发展共同的一个综合性的结果，也同时，对社会经济发展产生了一个重大影响的一门科学技术，它的发展归功于在第二次世界大战中，各国加强了经济的投入，就加强了本国的技术的发展。另一方面它也是生产力发展的需求的必然结果，也是人类自身发展的必然结果，那么人类的发展随着人们这种社会发展的情况，人们越来越不断在探讨自然过程中，在改造自然过程中，认识自然过程中，实现人们对不可达世界的认识和改造，这也是人们在科技发展过程中的一个客观需要。研制机器人的最初目的是为了帮助人们摆脱繁重劳动或简单的重复劳动，以及替代人到有辐射等危险环境中进行作业，因此机器人最早在汽车制造业和核工业领域得以应用。在研究和开发未知及不确定环境下作业的机器人的过程中，人们逐步认识到机器人技术的本质是感知、决策、行动和交互技术的结合。随着人们对机器人技术智能化本质认识的加深，机器人技术开始源源不断地向人类活动的各个领域渗透。工业领域的焊接、喷漆、搬运、装配、铸造等场合，己经开始大量使用机器人。另外在军事、海洋探测、航天、医2疗、农业、林业甚到服务娱乐行业，也都开始使用机器人。这些机器人从外观上已远远脱离了最初仿人型机器人和工业机器人所具有的形状，更加符合各种不同应用领域的特殊要求，其功能和智能程度也大大增强，从而为机器人技术开辟出更加广阔的发展空间。三、机器人的特点1．通用性：即指执行不同功能完成同一任务的能力和完成多样不同简单任务的能力。或者说在机械结构上允许机器人执行不同的任务或以不同的方式完成同一任务。2．适应性：机器人的适应性是指其对环境的自适应能力，即要求所设计的机器人能够自我执行并适应未经完全指定的任务，而不管任务执行过程中是否发生了所没有预计到的环境变化。这一能力要求机器人具有人工知觉，即能感知周围环境。四、机器人系统的基本工作原理机器人一般由程序控制，具有人或生物的某些功能。智能机器人可以通过传感器了解外部环境或自身状态的变化，可以做出自己的逻辑推理、判断与决策。计算机是机器人的大脑，传感器是机器人的感觉器官，输入/输出设备是人与机器人的交互工具，常用的有显示器、键盘、示教盒、打印机、网络接口等。五、机器人的分类1、按机器人结构形式：根据手臂机构的运动副不同形式的组合得到不同的机器人机构形式。(1)直角坐标式(Cartesian)(2)圆柱坐标式(Cylindrical)(3)球坐标式(Spherical)(4)多关节式(Jointed)(5)SCARA(SelectiveComplianceAssemblyRobotArm)2.按机器人的智能程度：(1)一般机器人：只具有一般编程能力和操作功能(2)智能机器人：具有不同程度的智能1)传感型机器人2)交互型机器人3)自主型机器人3、按机器人控制方式：(1)非伺服控制机器人：这种机器人按照事先编好的程序进行工作，使用限位开关、制动器、插销板和定序器控制机器人的工作。(2)伺服控制机器人：通过反馈传感器取得的反馈信号与来自给定装置的给定信号，用比较器加以比较后，得到误差信号，经过放大后用以激发机器人的驱动装置，并带动末端执行装置以一定的运动规律运动，实现所要求的作业。4．按机器人的信息输入方式：1)手动操作手：由操作人员直接进行操作的有几个自由度的加工装置；2)定序机器人：按预定的顺序、条件和位置，逐步地重复执行给定的作业任务，其预定信息难以修改；3)变序机器人：和第二类一样，但预定信息易于修改；4)示教式机器人：能够按照记忆装置存储的信息复现事先由人示教的动作，且这些示教的动作能够自动重复地进行；5)程控机器人：能够通过提供的运动程序，执行给定的任务；36)智能机器人：通过感知信息独立检测工作环境或工作条件的变化，借助机器人本身的自我决策能力，进行相应的工作。5.按机器人的用途：(1)军用机器人：主要用于军事上代替或辅助军队进行作战、侦察、探险等工作。根据不同的作战空间可分为地面军用机器人、空中军用机器人(即无人飞行机)、水下军用机器人和空间军用机器人等。(2)民用机器人：各种生产制造领域中的工业机器人和其它各种种类的机器人。1)工业机器人：制造工业部门应用机器人的主要目的在于削减人员编制和提高产品质量。机器人无论是否与其它机器一起运用，与传统的机器相比，它具有两个主要优点：(1)．生产过程的几乎完全自动化。(2)．生产设备的高度适应能力。现在工业机器人主要用于汽车工业、机电工业（包括电讯工业）、通用机械工业、建筑业、金属加工、铸造以及其它重型工业和轻工业部门。机器人的工业应用分为四个方面，即材料加工、零件制造、产品检验和装配。其中，材料加工往往是最简单的。零件制造包括锻造、点焊、捣碎和铸造等。检验包括显式检验（在加工过程中或加工后检验产品表面图像和几何形状、零件和尺寸的完整性）和隐式检验(在加工中检验零件质量上或表面上的完整性）两种。装配是最复杂的应用领域，因为它可能包含材料加工、在线检验、零件供给、配套、挤压和紧固等工序。在农业方面，已把机器人用于水果和蔬菜嫁接、收获、检验与分类，剪羊毛和挤牛奶等。这是一个潜在的产业机器人应用领域。2)服务机器人：根据国际机器人联合会（IFR）采用的初步定义，所谓服务机器人是一种半自主或全自主工作的机器人，它完成的是有益于人类健康的服务工作，但不包括那些从事生产的设备。另一种定义把服务机器人看做一种可自由编程的移动装置，它至少有三个运动轴，可以部分地或全自动地完成服务工作。这些服务工作为个人或单位完成的，不指工业生产服务。包括:(1)诊断机器人，即配备有医疗诊断专家系统的机器人。(2)护理机器人，是一些具有丰富护理经验的机器人护士或护师。(3)伤残瘫痪康复机器人，包括假肢、矫形以及遥控等技术。(4)家用机器人，机器人已开始进入家庭和办公室，用于代替人从事清扫、洗刷、守卫、煮饭、照料小孩、接待、接电话、打印文件等。酒店售货和餐厅服务机器人、炊事机器人和机器人保姆已不再是一种幻想。(5)娱乐机器人，包括文娱歌舞和体育机器人。(6)医疗手术机器人近年来有所突破。6.按应用环境：我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。目前，国际上的机器人学者，从应用环境出发将机器人也分为两类：制造环境下的工业机器人和非制造环境下的服务与仿人型机器人，这和我国的分类是一致的。六、机器人的结构组成1.执行机构：机器人完成工作任务的机械实体一般为机械手臂和末端操作器。(1)机械手臂manipulator：一般为由杆件机构和关节机构组成的空间开链机构常常进一步细分为机座腰部臂部肩和肘腕部。(2)末端操作器（end-effector）：按作业用途定（是机器人完成特定作业的关键装置）。2.驱动单元：包括驱动器、传动机构和运动件(1)驱动器：电机（步进电机、伺服电机、DD电机）、气缸、液压缸、新型驱动器。(2)传动机构：谐波传动、螺旋传动、链传动、带传动、绳传动、各种齿轮传动及液力传动。(3)运动件：机器人本体上的各运动体。43.控制系统：一般都是由控制计算机、驱动装置和伺服控制器（servocontroller）组成。4.智能系统(1)运动机能(2)感知机能：获取外部环境信息以便进行自我行动决策和监视的机能，视觉传感器是当前发展的重点。(3)思维机能：求解问题的认识推理和判断机能——人工智能。(4)人—机通信机能：理解指示命令输出内部状态与人进行信息交换的机能。七、机器人控制系统的功能、组成机器人控制系统的基本功能构成：记忆功能、示教功能、坐标设置功能、传感器接口、人机接口、与外围设备联系功能、故障诊断安全保护功能、位置伺服功能。机器人控制系统的组成：控制计算机、操作面板、硬盘和软盘存储、数字和模拟量输入输出、示教盒、打印机接口、传感器接口、轴控制器、辅助设备控制、通信接口、网络接口。八、我国工业机器人发展历史我国的工业机器人起步于70年代，大致分为三个阶段：70年代的萌芽期，80年代的开发期，90年代的实用化期。我国于50年代开始研究机械手。70年代是世界科技发展的一个新里程碑：人类登上了月球，实现了金星与火星的软着陆。我国也发射了人造地球卫星。70年代末，美国推出Puma系列高功能机器人，采用了当时最先进的16位多CPU二级微机控制系统，可进行轨迹控制和相当复杂的动作。在第一台机械手出现后20年，于1972年我国开始研制工业机器人。由上海开始，接着各大城市十几个研究单位和院校开发了固定程序、组合式、液压伺服型通用机器人，并开始了机构学、计算机控制和应用技术的研究，这些机器人大约有三分之一用于生产。80年代是国际高技术竞争的年代。人类实现了太空行走、太空炼钢，中国也掌握了一箭多星技术。在高技术浪潮的冲击下，随着改革开放方针的实施，我国机器人技术的发展得到政府的重视和支持。在80年代中期，国家组织了对工业机器人的需求的调查。在众多专家的建议和规划下，由机电部主持，中央各部委、中科院及地方几十所科研院所和大学参加，进行了工业机器人基础技术、基础元器件等的开发研究。为了跟踪国外高技术，80年代在国家高技术计划中安排了智能机器人的研究开发，包括水下无缆机器人、高功能装配机器人(DD驱动）和各类特种机器人，进行了智能机器人体系结构、机构、控制、人工智能、机器视觉、高性能传感器及新材料等的应用研究，已出了一批成果。这些技术的实用化将加速我国第二、三代工业机器人的发展。经过多年努力，形成了京津、东北、华北、华南等机器人技术发达地区和十几家优势单位，培养了一支2000多人的工业机器人设计、研制、应用队伍，使我国的工业机器人技术发展基本上可以立足于世界之林。90年代是20、21世纪交替的关键年代，以微电子技术为代表的高科技渗透进各个领域，信息高速公路将人类推向更快节奏发展的信息化时代。对我国来说，由于市场竞争加剧，一些企业认识到必须要用机器人等自动化设备来改造传统产业，提高劳动生产率和产品质量，使产品更新换代，增强竞争力。90年代初期，在国家几无资金投入、市场经济发展的大潮裹胁