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机器人

机器人

分类: 工控
属性: 技术
最后修改时间: 2024年03月18日
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机器人(Robot)是自动执行工作的机器装置。一种可编程和多功能的,用来搬运材料、零件、工具的操作机;或是为了执行不同的任务而具有可改变和可编程动作的专门系统。

组成

  机器人一般由执行机构、驱动装置、检测装置和控制系统和复杂机械等组成。

  执行机构即机器人本体,其臂部一般采用空间开链连杆机构,其中的运动副(转动副或移动副)常称为关节,关节个数通常即为机器人的自由度数。根据关节配置型式和运动坐标形式的不同,机器人执行机构可分为直角坐标式、圆柱坐标式、极坐标式和关节坐标式等类型。出于拟人化的考虑,常将机器人本体的有关部位分别称为基座、腰部、臂部、腕部、手部(夹持器或末端执行器)和行走部(对于移动机器人)等。

  驱动装置是驱使执行机构运动的机构,按照控制系统发出的指令信号,借助于动力元件使机器人进行动作。它输入的是电信号,输出的是线、角位移量。机器人使用的驱动装置主要是电力驱动装置,如步进电机伺服电机等,此外也有采用液压、气动等驱动装置。

  检测装置的作用是实时检测机器人的运动及工作情况,根据需要反馈给控制系统,与设定信息进行比较后,对执行机构进行调整,以保证机器人的动作符合预定的要求。作为检测装置的传感器大致可以分为两类:一类是内部信息传感器,用于检测机器人各部分的内部状况,如各关节的位置、速度、加速度等,并将所测得的信息作为反馈信号送至控制器,形成闭环控制。另一类是外部信息传感器,用于获取有关机器人的作业对象及外界环境等方面的信息,以使机器人的动作能适应外界情况的变化,使之达到更高层次的自动化,甚至使机器人具有某种“感觉”,向智能化发展,例如视觉、声觉等外部传感器给出工作对象、工作环境的有关信息,利用这些信息构成一个大的反馈回路,从而将大大提高机器人的工作精度。

  控制系统有两种方式。一种是集中式控制,即机器人的全部控制由一台微型计算机完成。另一种是分散(级)式控制,即采用多台微机来分担机器人的控制,如当采用上、下两级微机共同完成机器人的控制时,主机常用于负责系统的管理、通讯、运动学和动力学计算,并向下级微机发送指令信息;作为下级从机,各关节分别对应一个CPU,进行插补运算和伺服控制处理,实现给定的运动,并向主机反馈信息。根据作业任务要求的不同,机器人的控制方式又可分为点位控制、连续轨迹控制和力(力矩)控制。

发展历史

  1920年 捷克斯洛伐克作家卡雷尔·恰佩克在他的科幻小说《罗萨姆的机器人万能公司》中,根据Robota(捷克文,原意为“劳役、苦工”)和Robotnik(波兰文,原意为“工人”),创造出“机器人”这个词。

  1939年 美国纽约世博会上展出了西屋电气公司制造的家用机器人Elektro。它由电缆控制,可以行走,会说77个字,甚至可以抽烟,不过离真正干家务活还差得远。但它让人们对家用机器人的憧憬变得更加具体。

  1942年 美国科幻巨匠阿西莫夫提出“机器人三定律”。虽然这只是科幻小说里的创造,但后来成为学术界默认的研发原则。

  1948年 诺伯特·维纳出版《控制论》,阐述了机器中的通信和控制机能与人的神经、感觉机能的共同规律,率先提出以计算机为核心的自动化工厂。

  1954年 美国人乔治·德沃尔制造出世界上第一台可编程的机器人,并注册了专利。这种机械手能按照不同的程序从事不同的工作,因此具有通用性和灵活性。

  1956年 在达特茅斯会议上,马文·明斯基提出了他对智能机器的看法:智能机器“能够创建周围环境的抽象模型,如果遇到问题,能够从抽象模型中寻找解决方法”。这个定义影响到以后30年智能机器人的研究方向。

  1959年 德沃尔与美国发明家约瑟夫·英格伯格联手制造出第一台工业机器人。随后,成立了世界上第一家机器人制造工厂——Unimation公司。由于英格伯格对工业机器人的研发和宣传,他也被称为“工业机器人之父”。

  1962年 美国AMF公司生产出“VERSTRAN”(意思是万能搬运),与Unimation公司生产的Unimate一样成为真正商业化的工业机器人,并出口到世界各国,掀起了全世界对机器人和机器人研究的热潮。

  1962年-1963年传感器的应用提高了机器人的可操作性。人们试着在机器人上安装各种各样的传感器,包括1961年恩斯特采用的触觉传感器,托莫维奇和博尼1962年在世界上最早的“灵巧手”上用到了压力传感器,而麦卡锡1963年则开始在机器人中加入视觉传感系统,并在1965年,帮助MIT推出了世界上第一个带有视觉传感器,能识别并定位积木的机器人系统

  1965年约翰·霍普金斯大学应用物理实验室研制出Beast机器人。Beast已经能通过声纳系统、光电管等装置,根据环境校正自己的位置。20世纪60年代中期开始,美国麻省理工学院、斯坦福大学、英国爱丁堡大学等陆续成立了机器人实验室。美国兴起研究第二代带传感器、“有感觉”的机器人,并向人工智能进发。

  1968年 美国斯坦福研究所公布他们研发成功的机器人Shakey。它带有视觉传感器,能根据人的指令发现并抓取积木,不过控制它的计算机有一个房间那么大。Shakey可以算是世界第一台智能机器人,拉开了第三代机器人研发的序幕。

  1969年 日本早稻田大学加藤一郎实验室研发出第一台以双脚走路的机器人。加藤一郎长期致力于研究仿人机器人,被誉为“仿人机器人之父”。日本专家一向以研发仿人机器人和娱乐机器人的技术见长,后来更进一步,催生出本田公司的ASIMO和索尼公司的QRIO。 

  1973年 世界上第一次机器人和小型计算机携手合作,就诞生了美国Cincinnati Milacron公司的机器人T3。

  1978年 美国Unimation公司推出通用工业机器人PUMA,这标志着工业机器人技术已经完全成熟。PUMA至今仍然工作在工厂第一线。

  1984年 英格伯格再推机器人Helpmate,这种机器人能在医院里为病人送饭、送药、送邮件。同年,他还预言:“我要让机器人擦地板,做饭,出去帮我洗车,检查安全”。

  1990年 我国著名学者周海中教授在《论机器人》一文中预言:到二十一世纪中叶,纳米机器人将彻底改变人类的劳动和生活方式。 

  1998年 丹麦乐高公司推出机器人(Mind-storms)套件,让机器人制造变得跟搭积木一样,相对简单又能任意拼装,使机器人开始走入个人世界。 

  1999年 日本索尼公司推出犬型机器人爱宝(AIBO),当即销售一空,从此娱乐机器人成为目前机器人迈进普通家庭的途径之一。

  2002年 美国iRobot公司推出了吸尘器机器人Roomba,它能避开障碍,自动设计行进路线,还能在电量不足时,自动驶向充电座。Roomba是目前世界上销量最大、最商业化的家用机器人。iRobot公司北京区授权代理商:北京微网智科技有限公司。

  2006年 6月,微软公司推出Microsoft Robotics Studio,机器人模块化、平台统一化的趋势越来越明显,比尔·盖茨预言,家用机器人很快将席卷全球。

分类

  诞生于科幻小说之中一样,人们对机器人充满了幻想。也许正是由于机器人定义的模糊,才给了人们充分的想象和创造空间。

  家务型机器人:能帮助人们打理生活,做简单的家务活。

  操作型机器人:能自动控制,可重复编程,多功能,有几个自由度,可固定或运动,用于相关自动化系统中。

  程控型机器人:按预先要求的顺序及条件,依次控制机器人的机械动作。

  示教再现型机器人:通过引导或其它方式,先教会机器人动作,输入工作程序,机器人则自动重复进行作业。 

  数控型机器人:不必使机器人动作,通过数值、语言等对机器人进行示教,机器人根据示教后的信息进行作业。

  感觉控制型机器人:利用传感器获取的信息控制机器人的动作。

  适应控制型机器人:能适应环境的变化,控制其自身的行动。

  学习控制型机器人:能“体会”工作的经验,具有一定的学习功能,并将所“学”的经验用于工作中。

  智能机器人:以人工智能决定其行动的机器人。

  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。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。而特种机器人则是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,包括:服务机器人水下机器人、娱乐机器人、军用机器人农业机器人、机器人化机器等。在特种机器人中,有些分支发展很快,有独立成体系的趋势,如服务机器人、水下机器人、军用机器人、微操作机器人等。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。

  空中机器人又叫无人机器,近年来在军用机器人家族中,无人机是科研活动最活跃、技术进步最大、研究及采购经费投入最多、实战经验最丰富的领域。80多年来,世界无人机的发展基本上是以美国为主线向前推进的,无论从技术水平还是无人机的种类和数量来看,美国均居世界之首位。

技术参数

  技术参数是机器人制造商在产品供货时所提供的技术数据。不同的机器人其技术参数不一样,而且各厂商所提供的技术参数项目和用户的要求也不完全一样。但是,机器人的主要技术参数一般都应有:自由度、定位精度和重复定位精度、工作范围、最大工作速度、承载能力等。

自由度

  自由度是指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目,不包括手爪(末端操作器)的开合自由度。在三维空间中描述一个物体的位姿需要6个自由度。但是,机器人的自由度是根据其用途而设计的,可能少于6个自由度,也可能多于6个自由度。例如,A4020型装配机器人具有4个自由度,可以在印制电路板上接插电子器件;PUMA562型机器人具有6自由度,可以进行复杂空间曲面的弧焊作业。从运动学的观点看,在完成某一特定作业时具有多余自由度的机器人,就叫作冗余自由度机器人,亦可简称冗余度机器人。例如PUMA562机器人去执行印制电路板上接插电子器件的作业时,就成为冗余度机器人。利用冗余的自由度可以增加机器人的灵活性、躲避障碍物和改善动力性能。人的手臂(大臂、小臂、手腕)共有7个自由度,所以工作起来很灵巧,手部可回避障碍物从不同方向到达同一个目的点。

  大多数机器人从总体上看是个开链机构,但其中可能包含有局部闭环机构。闭环机构可提高刚性,但限制了关节的活动范围,因而会使工作空间减小。

定位精度

  机器人精度包括定位精度和重复定位精度。定位精度是指机器人手部实际到达位置与目标位置的差异。重复定位精度是指机器人重复定位其手部于同一目标位置的能力,可以用标准偏差这个统计量来表示。它是衡量一系列误差值的密集度,即重复度。

  机器人操作臂的定位精度是根据使用要求确定的,而机器人操作臂本身所能达到的定位精度,取决于定位方式、运动速度、控制方式、臂部刚度、驱动方式、缓冲方法等因素。 

  工艺过程的不同,对机器人操作臂重复定位精度的要求也不同。

  当机器人操作臂达到所要求的定位精度有困难时,可采用辅助工夹具协助定位的办法,即机器人操作臂把被抓取物体送到工、夹具进行粗定位,然后利用工、夹具的夹紧动作实现工件的最后定位。这种办法既能保证工艺要求,又可降低机器人操作臂的定位要求。

工作范围

  工作范围是指机器人操作臂末端或手腕中心所能到达的所有点的集合,也叫做工作区域。因为末端执行器的形状和尺寸是多种多样的,为了真实反映机器人的特征参数,所以是指不安装末端执行器时的工作区域。工作范围的形状和大小是十分重要的。机器人在执行某一作业时,可能会因为存在手部不能到达的作业死区(dead zone)而不能完成任务。 

  机器人操作臂的工作范围根据工艺要求和操作运动的轨迹来确定。一个操作运动的轨迹往往是几个动作合成的,在确定工作范围时,可将运动轨迹分解成单个动作,由单个动作的行程确定机器人操作臂的最大行程。为便于调整,可适当加大行程数值。各个动作的最大行程确定之后,机器人操作臂的工作范围也就定下来了。

最大工作速度

  通常指机器人操作臂末端的最大速度。提高速度可提高工作效率,因此提高机器人的加速减速能力,保证机器人加速减速过程的平稳性是非常重要的。

承载能力

  承载能力是指机器人在工作范围内的任何位姿上所能承受的最大质量。机器人的载荷不仅取决于负载的质量,而且还与机器人运行的速度和加速度的大小和方向有关。为了安全起见,承载能力是指高速运行时的承载能力。通常,承载能力不仅要考虑负载,而且还要考虑机器人末端操作器的质量。 

运动速度

  机器人或机械手各动作的最大行程确定之后,可根据生产需要的工作节拍分配每个动作的时间,进而确定各动作的运动速度。如一个机器人操作臂要完成某一工件的上料过程,需完成夹紧工件,手臂升降、伸缩、回转等一系列动作,这些动作都应该在工作节拍所规定的时间内完成。至于各动作的时间究竟应如何分配,则取决于很多因素,不是一般的计算所能确定的。要根据各种因素反复考虑,并试作各动作的分配方案,进行比较平衡后,才能确定。节拍较短时,更需仔细考虑。

  机器人操作臂的总动作时间应小于或等于工作节拍。如果两个动作同时进行,要按时间较长的计算。一旦确定了最大行程和动作时间,其运动速度也就确定下来了。

  分配各动作时间应考虑以下要求。 

  ①给定的运动时间应大于电气、液(气)压元件的执行时间。

  ②伸缩运动的速度要大于回转运动的速度。因为回转运动的惯性一般大于伸缩运动的惯性。机器人或机械手升降、回转及伸缩运动的时间要根据实际情况进行分配。如果工作节拍短,上述运动所分配的时间就短,运动速度就一定要提高。但速度不能太高,否则会给设计、制造带来困难。在满足工作节拍要求的条件下,应尽量选取较低的运动速度。机器人或机械手的运动速度与臂力、行程、驱动方式、缓冲方式、定位方式都有很大关系,应根据具体情况加以确定。 

  ③在工作节拍短、动作多的情况下,常使几个动作同时进行。为此,驱动系统要采取相应的措施,以保证动作的同步。

应用

医疗行业

       在医疗行业中,许多疾病都不能只靠口服外敷药物治疗,只有将药物直接作用于病灶上或是切除病灶才能达到治疗的效果,现代医疗手段最常使用的方法就是手术,然而人体生理组织有许多极为复杂精细而又特别脆弱的地方,人的手动操作精度不足以安全的处理这些部位的病变,但是这些部位的疾病都是非常危险的,如果不加以干预,后果是非常致命的。

       随着科技的进展,这些问题逐渐得到解决,微型机器人的问世为这一问题提供了解决的方法,微型机器人由高密度纳米集成电路芯片为主体,拥有不亚于大型机器人的运算能力和工作能力且可以远程操控,其微小的体积可以进入人的血管,并在不对人体造成损伤的情况下进行治疗和清理病灶。还可以实时的向外界反馈人体内部的情况,方便医生及时做出判断和制定医疗计划。有些疾病的检查和治疗手段会给患者造成大量的痛苦,比如胃镜,利用微型机器人就可以在避免增加患者痛苦的前提下完成身体内部的健康检查。截止到2022年,制约微型机器人发展的关键因素在于成本非常昂贵,稀有金属的替代品的寻找将成为未来发展的重要方向。 

       2021年,美国1/3的手术是使用机器人系统进行的。机器人更常被应用于医院的门诊外科手术中。机器人助手正在被整合到医疗领域,以改善服务质量,提高治疗和护理工作的效率。 

军事行业

       将机器人最早应用于军事行业始于二战时期的美国,为了减少人员的伤亡,作战任务执行前都会先派出侦查无人机到前方打探敌情。在两军作战的时候,能够先一步了解敌人的动向要比单纯增加兵力有用得多。随着科技的进步,战争机器人在军事领域的应用越来越广泛,从最初的侦查探测逐渐拓展到战斗和拆除行动。利用无人机制敌于千里之外成为军事战略的首选,拆弹机器人可以精确的拆弹排弹,避免了拆弹兵在战斗中的伤亡。拥有完备的军事机器人系统逐渐成为一个现代强国必不可少的发展部分。 

教育行业

       教育机器人是一个新兴的概念,多年来,机器人领域的技术发展研究方向都是如何应用于生活中代替人们完成体力或是危险工作,而教育机器人则是以机器人为媒介,对人进行教育或是对机器人进行编程完成学习目标。教育机器人作为一个新兴产业,发展非常迅速,其主要形式为一些机器人启蒙教育工作室,对儿童到青年不同的人群进行机器人组装调试编程控制等方面的教学。大型的教育机器人公司也会承办一些从小学到大学组的机器人竞赛,通常包含窄足、交叉足场地竞步,体操表演比赛。对于机器人的推广有着极为重要的作用。

地铁巡检

       2023年,一台拥有“超强大脑”的在列车检修领域试点应用的列车智能巡检机器人在京港地铁17号线次渠南停车场工作。

生产生活

       工厂制造业的发展历程十分久远,最初的工厂都是以手工业为主,后来逐渐发展成手工与机床结合的生产方式。现代社会的供给需求对生产力的要求越来越高,工厂对于人力成本方面的问题也一直难以攻克,尤其对于工作人员的管理和安全保障是最为难办的问题。对于一些会产生有毒有害气体粉尘或是有些爆炸和触电风险的工作场合,机械臂凭借着良好的仿生学结构可以代替人手完成几乎全部的动作。为了适应大规模的批量生产,零散的机械臂逐渐发展组合成完整的生产流水线,工人只需要进行简单的操作和分拣包装,其余的工作全部都由生产流水线自动完成。

       随着技术的成熟,机器人和人们的生活的关系越来越密切,智能家居成为当下非常热门的话题,扫地机器人算是智能家居推广的先行者,将机器人技术引入住宅可以使生活更加安全舒心,尤其家里有老人和儿童,智能的家居和家政机器人可以起到自动操作调整模式并保障安全的作用。

实验室

       机器人学国家重点实验室(State Key Laboratory of Robotics)依托于中国科学院沈阳自动化研究所,前身是中国科学院机器人学开放实验室。该实验室是中国机器人学领域最早建立的部门重点实验室,中国机器人学领域著名科学家蒋新松院士1989-1997年曾任实验室主任。近二十年来,实验室在机器人学基础理论与方法研究方面与国际先进水平同步发展,并在机器人技术前沿探索和示范应用等方面取得一批有重要影响的科研成果,充分显示出实验室具有解决国家重大科技问题的能力。中国在沈阳浑南技术开发区的“新松机器人”公司即是中国的该科研领域的基地。该实验室机器人学研究总体水平在国内相关领域处于核心和带头地位,是国内外具有重要影响的机器人学研究基地。  

       实验室定位于为中国经济和社会发展、国家安全和重大科学工程提供所需要的机器人技术与系统,研究机器人学基础理论与方法、发展可行技术和平台样机系统,培养和汇聚从事机器人学研究的高水平人才,推动中国先进机器人技术与系统的可持续发展。主要面向发展具有感知、思维和动作能力的先进机器人系统,研究机器人学基础理论方法、关键技术、机器人系统集成技术和机器人应用技术。

       实验室坚持对外开放,吸引国内外专家学者开展交流与合作研究。通过设立基金课题,实验室与国内有关从事机器人学研究的近30所大学、研究所和企业建立了联系,几乎涵盖国内从事机器人学研究的所有单位。实验室结合自身的发展方向,有针对性地与国内外知名科研团队建立合作关系。这些合作,对于本实验室加强学科建设、了解国家需求、建立有针对性的演示验证系统,发挥了重要作用。

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