机器人技术及应用

机器人技术及应用机器人技术及应用 周贤涛周贤涛 郑州大学机械学院郑州大学机械学院 20150150444 1 机器人原理机器人原理 机器人瓦力的原理是一种物理状态 具有一定的形态 机器人的外形究竟是什么样子 这 取决于人们想让它做什么样的工作 其功能设定决定了机器人的大小 形状 材质和特征 等等 像大脑就是控制机器人的程序或指令组 当机器人接收到传感器的信息后 能够遵循 人们编写的程序指令 自动执行并完成一系列的动作 控制程序主要取决于下面几种因素 使用传感器的类型和数量 传感器的安装位置 可能的外部激励以及需要达到的活动效果 动作就是机器人的活动 有时即使它根本不动 这也是它的一种动作表现 任何机器人在 程序的指令下要执行某项工作必定是靠动作来完成的 他是一个智能的机器人产 但是他的智能已经和我们人类没什么区别了 如果在现实 生活中有这样的机器人的话 就完全可以代替人类来做任何事情了 这是我的看法 下面 是现在我们现实生活中智能机器人的五个组成部分 电子计算机是智能模拟的物质技术工 具 它是一种自动 高速处理信息的电子机器 它采用五个与大脑功能相似的部件组成了 电脑 来模拟人脑的相应功能 这五个部件是 1 输入设备 模拟人的感受器 眼 耳 鼻 等 用以接受外来的信息 人通过输入设备将需要计算机完成的任务 课题 运算步骤和 原始数据采用机器所能接受的形式告诉计算机 并经输入设备把这些存放到存贮器中 2 存贮器 模拟人脑的记忆功能 将输入的信息存储起来 供随时提取使用 是电子计算机 的记忆置 3 运算器 模拟人脑的计算 判断和选择功能 能进行加减乘除等算术运算和 逻辑运算 4 控制器 人脑的分析综合活动以及通过思维活动对各个协调工作的控制功能 根据存贮器内的程序 控制计算机的各个部分协调工作 它是电脑的神经中枢 5 输出 设备 模拟人脑的思维结果和对外界刺激的反映 把计算的结果报告给操作人员或与外部设 备联系 指挥别的机器动作 人工智能的产生是人类科学技术进步的结果 是机器进化的结果 人类的发展史是人 们利用各种生产工具有目的地改造第一自然 自然造成的环境 如江河湖海 山脉森林等 创造第二自然 即人化自然 如人造房屋 车辆机器等 的历史 人类为了解决生理机 能与劳动对象之间的矛盾 生产更多的财富 就要使其生产工具不断向前发展 人工智能 是随着科学技术的发展 在人们创造了各种复杂的机器设备 大大延伸了自己的手脚功能 之后 为了解决迫切要延伸思维器官和放大智力功能的要求而产生和发展起来的 人工智能的出现深化了意识对物质的反作用的原理 人工智能是人类意识自我认识的 产物 电脑的出现意昧着人类意识已能部分地从人脑中分化出来物化为物质的机械运动 这不仅延长了意识的器官 也说明意识能反过来创造 人脑 这是意识对人脑的巨大的反 作用 从意识与人脑的相互关系中进一步深化了意识对物质形态进步的反作用 意识作为 最高的物质属性对于物质运动发展的反作用 这样的效果人类不会放弃 科技在进步人类的要求也不断的提高 这就是今后机器人为什 么会继续发展的原因 不过我也相信机器人不管怎么样有些方面还是不能与人类相比的 同时人是无法取代的 2 机器人应用机器人应用 机器人应用和发展前景综述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 随着机器人技术的不断发展 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 医疗 农业 林业甚 到服务娱乐行业 也都开始使用机器人 一 国内外机器人的主要应用方面从机器人的用途 来分 可以分为两大类 军用机器人和民用机器人 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 军用机器人的控制方式一 般有自主操控式 半自主操控式 遥控式等多种方式 在民用机器人中 各种生产制造领 域中的工业机器人在数量上占绝对多数 成为机器人家族中的主力军 其它各种种类的机器 人也开始在不同的领域得到研究开发和应用 总体看来 若按用途分 民用机器人可以分为 以下几个主要类别 1 工业机器人 这是机器人中数量和种类最多的一种机器人 广泛用 于工业领域的各行各业 工 业机器人一般由机械本体 控制器 伺服驱动系统和检测传感 装置等构成 是一种仿人操作 自动控制 可重复编程 能在三维空间完成各种作业的机电 一体化自动化生产设备 特别适合于多品种 变批量的柔性生产 它对稳定 提高产品质量 提高生产效率 改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用 工业机器人并 不是在简单意义上代替人的劳动 它既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力 又具有 机器可长时间持续工作 精确度高 抗恶劣环境的能力 从某种意义上说它也是机器的进化 过程产物 机器人技术是综合了计算机 控制论 机构学 信息和传感技术 人工智能 仿 生学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 三 机器人的发展三 机器人的发展 摘要 本文通过简单介绍机器人的诞生 发展过程以及未来发展趋势 讨论了机器人及其 技术发展的情况 并进一步说明了机器人与现代科学技术革命有着密切的关系 符合科技 革命关于生产实践需要的理论 机器人作为一种高技术 是不断发展和完善的 这种不断 的发展和完善是通过技术革命的内在推动力来实现的 同时 机器人的发展和广泛应用 极大地推动着科学技术的发展和人类社会的进步 1 现代机器人的产生 1 1 早期机器人的出现 机器人 英语为 ROBOT 意思是一种干脏活的人形机器 它体现了人类长期以来的一种愿 望 即创造一种像人一样的智能机器 以便能够代替人去进行各种各样的工作 机器人虽 然是一个新造词 但关于机器人这一思想的渊源 却可以追溯到遥远的古代 早在我国西 周时期 就有能工巧匠侣师制作了一个歌舞 机器人 献给周穆王 公元前 3 世纪 古希腊 发明家戴达罗斯用青铜为可里特岛国王迈诺斯塑造了一个守卫宝岛的青铜卫士塔罗斯 我 国东汉时期 张衡发明了用于军事的指南车 可以说它是最早的移动机器人雏形 随着科技的发展 18 世纪出现了以蒸汽机发明为标志的第一次技术革命 这引起了古代机 器人技术的进步 1893 年 More 制造了 蒸汽人 它的腰由杆件支撑 靠蒸汽驱动双腿沿 圆周运动 以上这些自动玩具或自动作业机的出现均是以当时的科学和技术为基础 用现 代的眼光来看 它们的功能是单一的 实现方法是落后的 但它们却代表了当时的最高科 技水平 1 2 现代机器人的产生 20 世纪 人类取得了辉煌的成就 从量子力学 相对论的创立 原子能的应用 脱氧核糖 核酸双螺旋结构的发现 到信息技术的腾飞 人类基因工作草图的绘就 世界科学发生了 深刻的变革 信息技术 生物技术 新材料技术 先进制造技术 海洋技术 航空航天技 术等都取得了重大突破 此时 科学技术化 技术科学化 科学技术密不可分 出现了人 类历史上第一次科学与技术的综合性革命 现代科技革命 现代机器人是电子工程学 机械学 控制论与控制工程学 计算机科学与工程 人类学 社会学 人工智能 生物学 等多学科的集成 所以它是多学科科技革命的必然结果 当时电子计算机已经出现 电子技术也有了长足的发展 产业领域出现了受计算机控制的 可编程的数控机床 与机器人相关的控制技术和零部件加工有了扎实的基础 另一方面 人类需要开发自动机械 代替人去从事一些恶劣环境下的工作 比如在原子能的研究过程 中 由于存在大量放射性 要求用某种操作机械代替人来处理放射性物质 正是在这一背 景下 美国原子能委员会的阿尔贡研究所于 1947 年开发了一种遥控机械手代替人 1948 年又开发了主从机械手 1954 年美国人乔治 德沃尔设计出了第一台可编程 示教再现型 的 工业机器人 在此基础上 创建了 Un5m 此 on 公司 并于 1962 年生产出来 取名为 Unimate 此机器人在美国通用汽车公司 CM 投入使用 这标志着第一代机器人的诞生 从 此 机器人开始成为社会系统中的一员 影响着社会的发展 科技的进步 2 现代机器人的发展 从 20 世纪 60 年代初 美国生产出最初的工业机器人 到 20 世纪 80 年代初 机器人技术 经历了一个长期缓慢的发展过程 到了 20 世纪 90 年代 随着计算机技术 微电子技术 网络技术等的快速发展 机器人技术也得到了飞速发展 除了工业机器人水平不断提高之 外 各种用于非制造业的先进机器人系统也有了长足的进展 现将按工业机器人 特种机 器人两条技术发展路线分述机器人的发展进程 2 1 工业机器人的发展进程问 1 机器人操作机 通过有限元分析 模态分析及仿真设计等现代设计方法的运用 机器人 操作机已实现了优化设计 以德国 KUKA 公司为代表的机器人公司 已将机器人并联平行 四边形结构改为开链结构 拓展了机器人的工作范围 加之轻质铝合金材料的应用 大大 提高了机器人的性能 此外采用先进的 RV 减速器及交流伺服电机 使机器人操作机几乎 成为免维护系统 2 并联机器人 利用机器人技术 采用并联机构 实现高精度测量及加工 这是工业机器 人技术向数 1 4 页 控技术的拓展 为将来实现机器人和数控技术一体化奠定了基础 意大利 COMAU 公司 日本 FANUC 等公司已开发出了此类产品 我国的燕山大学 哈尔滨工业大学等也研制出了 此类产品 3 机器人控制系统 由于控制理论 控制技术和计算机技术的发展 机器人控制系统的性 能进一步提 高 已由过去控制标准的 6 轴机器人发展到现在能够控制 21 轴甚至 27 轴 并且实现了软件伺服和全数字控制 出现了基于学习或进化方式的控制方法 人机界面更 加友好 基于图形操作的界面也已问世 编程方式仍以示教编程为主 但在某些领域的离 线编程已实现实用化 4 机器人传感系统 微电子技术和新材料的发展 推动了传感技术的进步 激光传感器 视觉传感器 力传感器 触觉传感器在机器人系统中已得到成功应用 并实现了焊缝自动 跟踪和自动化生产线上物体的自动定位以及精密装配作业等 大大提高了工业机器人的作 业性能和对环境的适应性 日本 KAwASAKI YASKAwA rANuc 和瑞典 ABB 德国 KuKA REIs 等公司皆推出了此类产品 5 网络化机器人群体 互联网的出现 使机器人由过去的独立应用向网络化应用迈进了一 大步 日本 YJASKAwA 和德国 KUKA 公司的最新机器人控制器已实现了与 CaId us PID5Lus 总线及一些网络的联接 出现了网络化工业机器人群体 使机器人由过去的专用设备向标 准化设备发展 6 机器人可靠性 由于微电子技术的快速发展和大规模集成电路的应用 使机器人系统的 可靠性有了很大提高 过去机器人系统的可靠性 MTBF 一般为几千小时 而现在已达到 5 万小时 几乎可以满足任何场合的需求 2 2 特种机器人的发展进程 随着人类的活动领域不断扩大 机器人应用也从制造领域向非制造领域迅速发展 像海洋 开发 宇宙探测 采掘 建筑 医疗 农林业 服务 娱乐等行业都提出了自动化和机器 人化的要求 这些行业与制造业相比 其主要特点是工作环境的非结构化和不确定性 因 而对机器人的要求更高 需要机器人具有行走功能 对外感知能力以及局部的自主规划能 力等 是机器人技术的一个重要发展方向 1 水下机器人 美国的 AUSS 俄罗斯的 MT 88 法国的 EPAVLARD 中国的 探索者 和 CR 01A 等水下机器人已用于海洋石油开采 海底勘查 救捞作业 管道敷设和检查 电 缆敷设和维护以及大坝检查等方面 形成了有缆水下机器人 RoV 和无缆水下机器人 AUV 两大类 2 空间机器人 空间机器人是先进机器人的重要研究领域 引起了各国的高度重视 目前 美 俄 加拿大等国已研制出各种空间机器人 最早的太空机器人出现在 20 世纪 70 年代 前苏联的月球 17 探测器把世界上第一台月球巡视机器人 月球车 1 带到了月球 后 来 月球 21 探测器把实用型月球车 2 带到月球 此车重 840kg 车上安装有电视摄像机 和多种环境科学测量仪器 它在月球上工作了 4 个多月 行程 37km 把大量的月球照片和 测量结果发送回地球 再如美国 NASA 的空间机器人幼 Mor 它是一辆自主移动车 重量 为 U 5kg 有 6 个车轮 它在火星上的成功应用 引起了全球的广泛关注 3 核工业用机器人 国外的研究主要集中在机构灵巧 动作准确可靠 反应快 重量轻 刚度好 便于装卸与维修的高性能伺服手以及半自主和自主移动机器人 已完成的典型系 统 如美国 oRML 基于机器人的放射性储罐清理系统 反应堆用双臂操作器 加拿大研制 成功的辐射监测与故障诊断系统 德国的 C7 灵巧手等 4 地下机器人 地下机器人主要包括采掘机器人和地下管道检修机器人两大类 主要研究 内容为 机械结构 行走系统 传感器及定位系统 控制系统 通信及遥控技术 目前日 美 德 中等国家已研制出了地下管道和石油 天然气等大型管道检修用的机器人 各种 采掘机器人及自动化系统正在研制中 5 医用机器人 医用机器人的主要研究内容包括 医疗外科手术的规划与仿真 机器人辅 助外科手术 最小损伤外科 临场感外科手术等 美国已开展临场感外科 Telepresence SurgeIy 的研究 用于战场模拟 手术培训 解剖教学等 法 英 意 德等国家联合开展 了图像引导型矫形外科 Telemahcs 计划 袖珍机器人 Biomed 计划以及用于外科手术的机 电手术工具等项目