模块一机器人应用技术概述

工业机器人应用技术模块一机器人应用技术概述机器人的定义、特性与发展1机器人的组成与分类2机器人的应用范围3本模块为机器人应用技术概述。本模块讲述了机器人的定义、特性、历史、发展；讲解了机器人的主要部件、结构、工作原理；介绍了机器人应用技术的应用领域、应用现状与发展趋势。单元提要学习完本模块的内容后，学生应能够了解机器人的定义、历史，了解机器人应用技术的现状与发展趋势，掌握机器人的部件、结构、特性；能够分析机器人的组成与工作原理；能够运用上述所学讲述机器人应用技术的内容，并强化学好本门课程的决心。学习要求学习单元一机器人应用技术概述一、机器人的定义与特性1.机器人的定义1）机器人名称的由来“机器人”一词源于一个科幻的形象。1920年，捷克作家KarelCapek发表了一个科幻剧“Rossum’sUniversalRobots”（罗萨姆的万能机器人），robot是由捷克文robota（意为农奴、苦力）衍生而来的。剧中描述了一家发明类人机器robot的公司，该公司将robot作为工业产品推向市场，让它们去充当劳动力。它们按照主人的指令工作，没有感觉和感情，以呆板的方式从事繁重的劳动。目前现实生活中应用的机器人，外形和人毫无相似之处，通常是按照人们设定的程序重复一些看似简单的动作，设计人员往往只重视机器人的功能。随着科学技术的发展，各国都在致力于研制具有完全自主能力、拟人化的智能机器人。目前研制的最先进的仿人机器人，如日本本田公司研制的ASIMO双足步行机器人，其活动能力和智能与人还相差很远。一、机器人的定义与特性2）国际上对机器人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。机器人是貌似人的自动机，具有智力且顺从于人，但不具备人格。(3)国际标准化组织(ISO)的定义(2)美国机器人协会的定义(1)英国牛津字典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，通过可编程序操作来执行各种任务的，并具有编程能力的多功能机械手。一、机器人的定义与特性3)我国对机器人的定义我国科学家对机器人的定义为：机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。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。一、机器人的定义与特性上述各种定义有共同之处，即认为机器人像人或人的某一部分，并能模仿人的动作；具有智力、感觉与识别能力；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，对这些定义都有修改的必要，甚至需要对机器人进行重新定义。一、机器人的定义与特性4)对工业机器人的定义1987年，国际标准化组织对工业机器人进行了定义：工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能，能完成各种作业的可编程操作机。目前，部分国家倾向于美国机器人协会所给出的机器人的定义：一种可以反复编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机；为了执行不同的任务而具有可改变的和可编程的动作的专门系统。一、机器人的定义与特性2.机器人的特性根据国际标准化组织(ISO)给出的机器人定义，机器人的特性如下：(1)机器人具有类人性，其动作机构具有类似于人或其他生物体某些器官的功能。(2)机器人具有通用性，其工作种类多样，动作程序灵活易变。(3)机器人具有智能性，如记忆、感知、推理、决策、学习等，其智能程度不同。(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。一、机器人的定义与特性为了防止机器人伤害人类，1940年，一位名叫阿西莫夫的科幻作家首次使用了robotics（机器人学）来描述与机器人有关的科学，并提出了“机器人学三原则”：(1)机器人不得伤害人类或由于故障而使人遭受不幸。(2)机器人应执行人们下达的命令，除非这些命令与第一原则相矛盾。(3)机器人应能保护自己的生存，只要这种保护行为不与第一或第二原则相矛盾。这是给机器人赋予的伦理性纲领。机器人学学术界一直将这三原则作为机器人开发的准则。一、机器人的定义与特性二、机器人的历史与发展1.机器人的历史1）古代的机器人“机器人”一词虽然出现得较晚，但是这一概念在人类的想象中却早已出现。制造机器人是机器人技术研究者的梦想，代表了人类重塑自身、了解自身的一种强烈愿望。自古以来，就有不少科学家和杰出工匠制造出了具有人类特点或具有模拟动物特征的机器人雏形。《列子·汤问》记载，西周时期周穆王在位时，能工巧匠偃师制造出一个逼真的机器人，它和人一样能歌善舞，这是我国最早记载的具备机器人概念的文字资料。《墨经》记载，春秋后期，木匠鲁班在机械方面也有所造诣，他曾制造过一只木鸟，能在空中飞行“三日而不下”。三国时，又出现了能替人搬东西的“机器人”。它是由蜀汉丞相诸葛亮发明的，能替代人运输物资的机器——“木牛流马”，也就是现代的步行机机器人。它在结构和功能上相当于今天运输用的工业机器人。二、机器人的历史与发展1662年，日本的竹田近江利用钟表技术发明了自动机器玩偶，并在大阪演出。18世纪末，人们通过改进，制造出了端茶玩偶。它是木质的，发条和弹簧是用鲸鱼须制成的，它双手捧着茶盘，如果把茶杯放在茶盘上，它便会向前走，把茶端给客人，客人取茶杯时，它会自动停止行走，客人喝完茶把茶杯放回茶盘上时，它就又转回原来的地方。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机械化，以进行医学上的分析。二、机器人的历史与发展1768—1774年，瑞士钟表匠德罗斯父子三人合作制造出3个像真人一样大小的机器人——写字偶人、绘图偶人和弹风琴偶人。它们是靠弹簧驱动、由凸轮控制的自动机器，至今还作为国宝保存在瑞士纳切尔市艺术和历史博物馆内。1890年，在美国芝加哥的小实验室里，ArchibaldCampion教授制造出了一个称为机器人锅炉的装置，可以自动向外输出所需温度的热水，这个装置曾经参加了1893年的哥伦比亚世界博览会。1901年，为了迎接新世纪的到来，有人制造出了一个机器人战士，尽管那时汽车和飞机还没有被发明，但是对多功能人工机械人的研发，让人不得不刮目相看。二、机器人的历史与发展2）近代的机器人进入20世纪40年代后期，机器人的研究与发明得到了更多人的关心或关注。20世纪50年代以后，美国橡树岭国家实验室开始研究能搬运核原料的遥控操纵机械手，如图1-1所示。这是一种主从型控制系统，系统中加入力反馈，可使操作者获知施加力的大小，主、从机械手之间由防护墙隔开，操作者可通过观察窗或闭路电视对从机械手操作机进行有效的监视，主、从机械手系统的出现为机器人的产生及近代机器人的设计与制造做了铺垫。图1-1主从型遥控操纵机械手二、机器人的历史与发展1954年，美国德沃尔（GeorgeDevol）最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节，利用人手对机器人进行动作示教，机器人能实现动作的记录和再现。这就是所谓的示教再现机器人。现有的机器人差不多都采用这种控制方式。二、机器人的历史与发展3）现代的机器人机器人是以控制论和信息论为指导，综合了机械学、微电子技术、计算机、传感技术等学科的成果而诞生的。因此，随着这些学科，特别是计算机技术的发展，现代机器人的出现已经是顺理成章的事了。二、机器人的历史与发展1959年，德沃尔的Unimation公司制造出世界上第一台工业机器人——Unimate机器人（见图12），现代机器人的历史才真正开始。这种机器人外形有点儿像坦克炮塔，基座上有一个大机械臂，大臂可绕轴在基座上转动，大臂上又伸出一个小机械臂，它相对大臂可以伸出或缩回。小臂上有一个腕，可绕小臂转动，进行俯仰和侧摇。腕前端是“手”，即操作器。这个机器人的功能和人的手臂功能相似。现在的Unimate机器人是球坐标机器人，它由5个关节串联的液压驱动，可完成近200种示教再现动作。二、机器人的历史与发展图1-2Unimate机器人二、机器人的历史与发展随后，美国AMF公司制造出Versatran机器人。Versatran机器人（见图1-3）主要用于机器之间的物料运输，机器人手臂可以绕底座回转，沿垂直方向升降，也可以沿半径方向伸缩。因此，一般认为Unimate机器人和Versatran机器人是世界上最早的工业机器人。图1-3Versatran机器人二、机器人的历史与发展2.机器人的发展1)美、日、欧机器人的发展美国机器人从诞生起，在相当长的一段时期内，主要停留在大学和研究所的实验室里，虽然做出了一系列研究成果，但是没有形成生产能力，且应用较少，因而也很难得到充裕的经费支持。与此同时，工业生产和应用部门对机器人技术的效益持观望态度，因此研究开发、生产和应用脱节的现象延缓了这一新技术在美国的发展。直到20世纪70年代中期，鉴于机器人技术的发展和日本在工业机器人方面所取得的成就，美国才意识到问题的紧迫性并采取多方面措施。二、机器人的历史与发展日本开始进行机器人研究并不算早，日本的机器人技术人员首先引进了美国机器人技术，经过技术消化并在日本迅速将其实用化。1967年，日本东京机械贸易公司首次从美国引进Versatran机器人；1968年，日本川崎重工业公司从美国引进Unimate机器人，并对它进行改进，增加了视觉功能，使其成为一种具有智能的机器人。这一成就引起了日本产业界和政府的高度重视，为了推广应用这一新技术，日本政府在技术政策和经济上都采取措施加以扶植，因此，日本的工业机器人迅速走出了从试验应用到成熟产品应用的阶段，工业机器人得以大量生产和应用。20世纪70年代是日本机器人的迅速发展时期，日本在机器人的产品开发和应用两个方面超过美国，成为当今世界第一的“机器人王国”。二、机器人的历史与发展1979年，Unimate公司又推出PUMA系列工业机器人，它是一种全电动驱动，关节式结构，多CPU二级微处理器控制，采用VAL专用语言，可配置视觉、触觉和力传感器的较为先进的机器人；同年，日本山梨大学的牧野洋研制出了具有平面关节的SCARA型机器人。1985年，发那科公司又推出了交流伺服驱动的工业机器人产品。这一时期，各种装配机器人的产量增长较快，与机器人配套使用的装置和视觉技术也在迅速发展。近十几年来，欧洲的德国、瑞典、法国及英国的机器人产业发展较快。目前，世界上的机器人无论是从技术水平上，还是从已装备的数量上，其优势集中在以日、欧、美为代表的少数几个发达的工业化国家和地区。二、机器人的历史与发展2）我国机器人的发展70年代萌芽期80年代开发期90年代及以后的实用化期二、机器人的历史与发展我国于1972年开始研制工业机器人，数十家研究单位和院校分别开发了固定程序、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。20世纪80年代，我国机器人技术的发展得到政府的重视和支持，机器人步入了跨越式发展时期。1986年，我国开展了“七五”机器人攻关计划。1987年，我国的863高技术计划将机器人方面的研究开发列入其中，进行了工业机器人基础技术、基础元器件、工业机器人整机及应用工程的开发研究。在完成了示教再现式工业机器人及其成套技术的开发后，我国研制出了喷涂、弧焊、点焊和搬运等工业机器人整机，多类专用和通用控制系统及关键元器件，并在生产中经过实际应用考核，其性能指标达到20世纪80年代初国外同类产品的水平。二、机器人的历史与发展为了跟踪国外高技术，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、多功能装配机器人和各类特种机器人等，并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。20世纪90年代，由于市场竞争加剧，一些企业认识到必须用机器人等自动化设备来改造传统产业，从而使机器人进一步走向产业化。