机器人报告.doc

密 号：密 号：密号研究生请勿填写山东理工大学研究生课程考试答 题 纸题号分 数阅卷人123456789101112总分 姓 名 杨 明 星 学 号 Y1101025 专 业 机械设计及理论 考 试 科 目 机 器 人 学 考 试 时 间 2012年5月25日 注意事项1. 以上各项除试卷密号之外必须填写清楚。2. 可正反两面书写。3. 答题字迹要清楚、保持卷面清洁。注意：此半页研究生请勿填写机器人学课程报告杨明星摘 要：基于对机器人学的学习，文章介绍了机器人的概念、分类，阐述了机器人的发展过程，分析了与机器人有关的理论基础和机器人技术；简述了国内外机器人的研究现状和近期研究内容以及机器人的发展方向及利用方向，并对未来机器人发展做了展望。关键词：机器人 技术 发展现状 研究内容Abstract：Based on the study of robotics, this paper introduces the concept, classification of the robot, and it expounds the development process of the robot.and this paper also analyzes the relevant theoretical basis and technology of the robot. This paper not only describes the research present situation and recent research content as well as the development direction and utilization direction of the robots at home and abroad, but also makes prospection to the future development of the robot.Key words: Robotics Technique Development present situation Research contents 1 机器人概况1.1机器人的定义关于机器人有各种不同的定义，比较统一的定义是联合国标准化组织（ISO）采纳的美国机器人协会的“机器人”定义：“一种可以反复编程的多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机；或者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”。我国科学家对机器人的定义是：“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”。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。人们发展了各式各样的具有感知、决策、行动和交互能力的特种机器人和各种智能机器，如移动机器人、微机器人、水下机器人、医疗机器人、军用机器人、空中空间机器人、娱乐机器人等。1.2 机器人的分类和组成机器人的分类：机器人的分类方法很多，这里主要按机器人的控制方法和功能进行分类。（1）按控制方法可以分为点位控制机器人、连续轨迹控制机器人、可控轨迹机器人和伺服型与非伺服型机器人等。（2）按机器人的功能分为顺序控制型机器人、再现型机器人、可控轨迹机器人、自适应机器人、智能机器人等。机器人的组成：下图示出了机器人的基本组成部分，主要由机械系统、执行元件、传动装置、传感器、计算机等组成。2 机器人国内外发展现状2.1国外机器人领域发展近几年有如下几个方面 (1)工业机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修)，而单机价格不断下降。 (2)机械结构向模块化、可重构化发展。 (3)工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。 (4)机器人中的传感器作用日益重要,装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器,而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制；多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。 (5)虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。 (6)当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。 (7)机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一,纷纷探索开拓其实际应用的领域。2.2国内机器人发展概述 我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下,目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术,生产了部分机器人关键元器件,开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人。但总的来看,我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离,因此迫切需要解决产业化前期的关键技术,对产品进行全面规划,搞好系列化、通用化、模化设计,积极推进产业化进程。我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下,也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人,6000米水下无缆机器人的成果居世界领先水平,还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种;在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作,有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步,与国外先进水平差距较大。3 与机器人有关的理论基础和内容3.1 机器人的总体和机械结构设计 包括机器人的基本组成和技术参数： 基本组成 机械部分、传感部分、控制部分三大部分驱动系统、机械结构系统、感受系统、机器人环境交互系统、人机交互系统、控制系统六个子系统 。 技术参数自由度；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。机器人的总体设计：确定基本参数、选择运动方式、手臂配置形式、位置检测、驱动和控制方式等。仿真分析；机器人机械系统设计：在确定机器人运动形式的基础上，机器人机械系统设计还包括确定机器人驱动方式、关节驱动方式、材料选择等。平衡系统设计、零部件设计。传统部件设计、行走机构设计、机身设计等。3.2机器人的空间描述和变换 介绍了机器人的数学基础包括机器人自由度、关节及连杆等的基本概念、机器人位置和姿态的描述、坐标变换、齐次坐标变换、通用旋转变换和复合变换的法则等。对于位置描述，需要建立一个坐标系，然后用某个31位置矢量来确定该坐标空间内任一点的位置，并用一个31的矢量表示，称为位置矢量。对于物体的方位，也用固接于该物体的坐标系来描述，并用一个33矩阵表示。我们还给出了对应于袖x小或c作转角为口旋转的旋转变换矩阵。在采用位置矢量描述点的位置，用旋转矩阵描述物体方位的基础上，物体在空间的位姿就由位置矢量和旋转矩阵共同表示。 在讨论了平移和旋转坐标变换之后，进一步研究齐次坐标变换，包括平移齐次坐标变换和旋转齐次坐标变换。这些有关空间一点的变换方法，为空间物体的变换和逆变换建立了基础。3.3 机器人动力学分析 研究机器人的运动特性与力的关系。有两类问题：动力学正问题：已知机械手各关节的作用力或力矩，求各关节的位移、速度、加速度、运动轨迹；动力学逆问题：已知机械手的运动轨迹，即各关节的位移、速度和加速度，求各关节的驱动力和力矩。3.4 机器人运动学分析主要介绍了机器人的运动姿态和位置描述，连杆变换矩阵，机器人运动学方程的建立，投影法和解析法结合求解机器人的逆向运动学；机器人的微分运动和雅克比矩阵。3.5 机器人设计的理论和技术 机器人是一个多学科和技术交叉和结合的综合高技术领域。从某种意义上讲,一个国家机器人技术水平的高低反映了这个国家综合技术实力的高低。智能机器人是具有感知、思维和行动功能的机器,是机构学、测试技术、制造技术、自动控制、计算机、人工智能、微电子学、光学、通讯技术、传感技术、仿生学等多种学科和技术的综合成果。4 国内近期机器人研究内容 根据国内外机器人发展的经验、现状及近几年的动态,结合当前国内经济发展的具体情况,机器人技术应重点开展智能机器人、机器人化机械及其相关技术的开发及应用;开展以机器人为基础的重组装配系统及其相关技术的开发研究及加强多传感器融合及决策、控制一体化技术及应用的研究。具体有以下主要研究内容。4.1示教再现型工业机器人产业化技术研究关节式、侧喷式、顶喷式、龙门式喷涂机器人产品标准化、通用化、模块化、系列化设计。柔性仿形喷涂机器人开发:柔性仿形复合机构开发,仿形伺服轴轨迹规划研究,控制系统开发,整机安全防爆、防护技术开发,高速喷杯喷涂工艺研究。焊接机器人(把弧焊与点焊机器人作为负载不同的一个系列机器人,可兼作弧焊、点焊、搬运、装配、切割作业)产品的标准化、通用化、模块化、系列化设计。弧焊机器人用激光视觉焊缝跟踪装置的开发:激光发射器的选用，CCD成象系统,视觉图象处理技术,视觉跟踪与机器人协调控制。焊接机器人的离线示教编程及工作站系统动态仿真。电子行业用装配机器人产品标准化、通用化、模块化、系列化设计。批量生产机器人所需的专用制造、装配、测试设备和工具的研究开发。4.3 智能机器人开发研究遥控加局部自主系统构成和控制策略研究。智能移动机器人的导航和定位技术。面向遥控机器人的虚拟现实系统。人机交互环境建模系统。基于计算机屏幕的多机器人遥控技术。4.4 机器人化机械研究开发并联机构机床(VMT)与机器人化加工中心(RMC)开发研究。机器人化无人值守和具有自适应能力的多机遥控操作的大型散料输送设备。4.5 以机器人为基础的重组装配系统开放式模块化装配机器人。面向机器人装配的设计技术。机器人柔性装配系统设计技术。可重构机器人柔性装配系统设计技术。装配力觉、视觉技术。智能装配策略及其控制。4.6 多传感器信息融合与配置技术机器人的传感器配置和融合技术。机电一体化智能传感器5 机器人的未来展望5.1 机器人技术的发展 机器人已在工业领域得到了广泛的应用,而且正以惊人的速度不断向军事、医疗、服务、娱乐等非工业领域扩展。毋庸质疑,21世纪机器人技术必将得到更大的发展,成为各国必争之知识经济制高点和研究热点。未来技术发展特点：许多国家都已将机器人技术列入高技术发展计划。当今机器人技术的发展趋势主要有两个突出的特点:一个是在横向上,机器人的应用领域在不断扩大,机器人的种类日趋增多；另一个是在纵向上,机器人的性能不断提高,并逐步向智能化方向发展。1.智能机器人的发展（1）具有感知功能的机器人和具有自主功能的智能机器人技术将迅速发展，计算机的小型化与智能化、传感器系统的集成化与智能化将促使智能机器人的发展。（2）在21世纪,各种智能机器人将得到广泛应用。具有像人的四肢、灵巧的双手、双目视觉、力觉及触觉感知功能的仿人型智能机器人将被研制成功,并得到应用。 微型机器人发展（1）将登上历史舞台，微型机器人的发展还面临着许多技术上的难题,但是MEMS技术、LIGA技术和微细加工技术的进步将使各种微型机器人走向应用。（2）微型机器人将会首先在医疗、军事、环境、空间等科技领域得到应用。2.新型机器人关键器件技术的发展目前,机器人技术的发展尚存在许多待解决的瓶颈问题，如驱动器、能源和控制器。从仿生学角度看,21世纪将出现与人体执行、感知和大脑类似的新的机器人器件和系统。3.专项技术的发展（1）21世纪,机器人的种类将大量增加，机器人种类的多样性和机器人应用的广泛性,要求机器人系统逐渐走向标准化、模块化、开放化和网络化。（2）网络机器人技术，通信网络技术的发展完全能够将各种机器人连接到计算机网络上,并通过网络对机器人进行有效的控制。这种技术包括网络遥操作控制技术、众多信息组的压缩与扩展方法及传输技术等。（3）虚拟机器人技术，许多特种机器人在使用时,遥控是一个主要手段。基于多传感、多媒体和虚拟现实、增强现实(或临场感)的虚拟遥控操作和人机交互,将成为需要共同发展的一项技术。（4）多智能体协调控制技术，用于实现决策和操作自治性的、由多智能体组成的群行为控制是一个具有挑战性的关键技术,这里包括任务的解释和表达、学习、实时推理和广义反应能力、监控和异况处理、多智能体协调等。 (5) 软机器人技术许多特种机器人,特别是用于医疗和护理、休闲和娱乐等场合时,经常处于与人共存的环境中。现在的大多数机器人,由于在设计时未考虑与人共存,用的是金属等硬材料。软机器人技术要求其结构和相应的控制以及所用的传感器,在机器人意外地碰撞人或相互碰撞时是“软”的,增强人对机器人的安全感和亲近感。5.2 机器人的应用前景 在未来的100年中,科学与技术的发展将会使机器人技术提高到一个更高的水平。机器人将成为人类多才多艺和聪明伶俐的“伙伴”,更加广泛地参与人类各方面的生产活动和社会生活。1） 机器人将更加广泛地代替人从事各种生产作业它将从目前已广泛地用的汽车、机械制造、电子工业及塑料制品等生产领域扩展到核能、采矿、冶金、石油、化学、航空、航天、船舶、建筑、纺织、制衣、医药、生化、食品等工业领域，进而应用在非工业领域中,如在农业、林业、畜牧业和养殖业等方面。机器人将成为人类社会生产活动的“主劳力”，人类将从繁重的、重复单调的、有害健康和危险的生产劳动中解放出来,从而有更多的时间去学习、研究和创造。 2）机器人将成为人类探索与开发宇宙、海洋和地下未知世界的有力工具。将人送入太空进行宇宙探索非常危险和昂贵，机器人将代替人从事空间作业和太空探索。目前，航天飞机已经将舱外作业机器人带入太空进行太空作业，火星探测车已被送到火星表面上,并成功地完成了预定的探测任务。 水下和地底作业对于人来说是一项危险作业,也是人类未解决的难题，水下和地下机器人将解决这个问题，被用于海底和地底的探索与开发、海洋和地下资源的利用、水下作业与救生等，水下和地底作业对于人来说是一项危险作业,也是人类未解