浅谈机器人理论与技术.doc

浅谈机器人理论与技术【摘要】机器人正越来越多的走进人类社会生产、生活各个领域。本文讨论了机器人的定义及分类，基本结构、控制方式和应用，最后论述了我国机器人的研究现状以及机器人的未来发展方向。【关键字】机器人 定义 分类 结构 控制进入二十一世纪后，随着科学技术与信息技术的发展，智能机器人发展较快，机器人已经为越来越多的人所熟悉，也直接涉及到我们的社会生活。而机器人的合理、有效运用也使得生产效率有了更大地提高，促进经济的发展，给人们的日常生活带来更多的便利和快捷。一、机器人的定义及分类1、机器人的定义随着信息科技的发展，机器人已走向智能化。智能机器人应具备四项基本特征：感知获取外部信息，以机器视觉和机器听觉为主；运动特定的自动机械装置完成动作；思维对感知的信息认知、推理与判断；人机互动理解程序指令，实现程序可控和可变性，如同自身有大脑。随着机器人技术的飞速发展和信息时代的到来，机器人所涵盖的内容越来越丰富，机器人的定义也不断充实和创新。下面给出以下有代表性的定义：（1）中国科学家定义智能机器人为：机器人是一种具有高度灵活性的自动化的机器，这种机器具备与人或生物相似的智能，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力；（2）国际化标准组织（ISO）的定义是：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；（3）美国机器人协会（RIA）的定义是：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；（4）日本工业机器人协会（JIRA）的定义是：工业机器人是一种装备有记忆装置和末端执行器的，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。由以上几种不同定义的内容可知，智能机器人是通过操控机械手和编写程序来模仿人或其他生物的某些器官（如肢体、感官等）的功能，机器人具有通用性，工作种类多样，动作程序灵活易变，是柔性加工的主要组成部分。机器人也具有独立性，完整的机器人系统，在工作中可以不依赖于人的干预。机器人的发展就是最大限度地对人的活动功能和思维功能进行模拟，使其帮助人类完成特定环境下的特殊任务。2、机器人的分类机器人有多种不同分类方法，下面根据不同分类方法介绍机器人的分类：（1）按照从低级高级的发展程度可分为三类机器人：第一代机器人：即可编程、示教再现工业机器人的机器人，已进入商品化、实用化；第二代机器人：装备有一定的传感装置，能获取作业环境、操作对象的简单信息，通过计算机处理分析，能作出简单的推理，对动作进行反馈的机器人，通常称为低级智能机器人，由于信息处理系统的庞大与昂贵，第二代机器人目前只有少数可投入应用；第三代机器人：具有高度适应性的自治机器人。它具有多种感知功能，可进行复杂的逻辑思维、判断决策，在作业环境中独立行动。第三代机器人又称作高级智能机器人，它与第五代计算机关系密切，目前还处于研究阶段。（2）按照开发内容和目的区分，可分为以下两类机器人：工业机器人：主要包括装配、搬运、焊接、喷漆、机器人等；特种机器人：如航天飞机上在失重状态下的工作的机械手，海洋探测机器人、军用机器人、防核防化机器人、爬壁机器人、微小物体操作机器人等，也包括医疗、服务、娱乐等领域用到的机器人。对于机器人的研究与开发，更多地是把它应用到特定的环境中。二、机器人的结构与控制方式1、机器人的结构基本上，一个机器人包括以下三个方面：（1）机械设备。如可以与周围环境进行交互的车轮平台、手臂或其他构造；电动机，驱动机器人，让它们用不同的编程动作搬运材料、零件、工具或专用设备；电源，为机器人的电动机提供电动力；（2）设备上或周围的传感器：可以感知周围环境并向设备提供有用的反馈。传感器的种类繁多，诸如有逻辑传感器、本体感受传感器、接近传感器、红外线传感器、碰撞和触角传感器等；（3）根据设备当前的情况处理传感输入，并按照情况指示系统执行相应动作的系统。通过开放源代码机器人控制软件、开放源代码矩阵库、实时内核和控制器等操作硬件和软件实现机器人特定动作的实施。2、机器人的控制方式机器人的控制方式可分为：（1）示教再现：即分为示教存储再现操作四步进行。示教方式有两种，一是直接示教；而是间接示教，即示教盒控制。存储即为保存示教信息。再现是根据需要，读出存储的示教信息向机器人发出重复动作的命令。最后是机器人的操作。（2）控制信息：包括顺序信息，是各种动作单元（包括机械手和外围设备）按动作先后顺序的设定、检测等。位置信息，是作业之间各点的坐标值，包括手爪在该点上的姿态，通常总称为位姿。时间信息，即各顺序动作所需时间，即机器人完成各个动作的速度。（3）位置控制：一是点位控制PTP（Point to Point），即只考虑起始点和目的点的位置，而不考虑两点之间的移动路径的控制方式，适用于上下料、点焊、搬运等；二是连续路径控制CP（Continuous Path），其不但要求机器人以一定的精度到达目标点，而且对其移动的轨迹形式有一定精度范围的要求。三、机器人的应用机器人的应用十分广泛，在许多领域机器人都得到了成功的应用或有着美好的应用前景。1、工业机器人：工业机器人是应用最为成功和广泛的机器人，它的应用涉及到工业生产的各个方面，如焊接、搬运、装配、喷漆等，使得生产效率大大提高，也代替了人的劳动，减小人力的投入；2、海洋探测机器人：可用于海底矿物资源和水文气象探测、海底地势勘查、打捞、救生、排险等；3、空间机器人：在航天飞机上用来回收和维修人造卫星，在空间站、月球表面和火星上进行工作；4、军用机器人：有扫描排雷机器人、侦查机器人、防核防化机器人等；5、特种机器人：替代人在繁重、危险、恶劣环境下作业必不可少的工具，如消防（灭火）机器人、防爆机器人、盾构机器人、极地考察机器人等；6、微型机器人：进入煤气、输油管道等狭窄场所进行工作，甚至进入人体的血管、肠胃等特殊环境；7、微操作机器人：是机器人领域的一个重要研究方向，在国防、空间技术、生物医学工程、智能制造和微机电系统（MEMS）中有广泛的应用前景；8、娱乐机器人：充当导游、做表演，甚至与人进行简单交流，如导游机器人、足球机器人、机器狗、机器猫、机器鱼等；9、服务机器人：已经开始或在不久的将来进入人类家庭生活，如保健机器人、导盲机器人、垃圾清扫和擦玻璃机器人等。四、我国机器人研究的简况我国机器人研究始于70年代，并被列入“七五”期间实施的国家“863”高科技发展计划（512主题）。“863”计划的实施大大推动了我国机器人技术的发展，在短短30多年里，中国的机器人技术在世界上已占有一席之地，在制造业中陆续出现一些喷涂、焊接、搬运、装配机器人，但受市场和资金等因素的影响，截止到1998年我国机器人装机数量仅1200台，其中绝大部分是进口的，这与发达国家相比还存在很大差距。在特种机器人方面，自第一台水下机器人在沈阳自动化所研制成功后，瑞康（RECON）一号、探索者一号相继下水，特别是“CR-01”6000米水下机器人，能完成在深水摄像，进行海底地势勘探和水文测量，自动记录各种数据等工作。另外，我国还在壁面爬行机器人（哈工大、北航）、遥控检查和排险机器人（沈阳自动化所）、自动驾驶机器人（清华大学、国防科技大学）、防核防化军用机器人（国防科技大学）、微操作机器人（华中科技大学、南开大学）的研究方面取得了较大的进展。目前我国机器人的发展正朝着实用化、智能化和特种机器人的方向发展。我们完全有理由相信，随着我国科学技术的飞速发展和知识经济时代的到来，我国机器人的研究水平和应用领域，将进入一个大的发展时期。五、未来机器人的发展方向机器人的应用领域正在逐步的扩大。机器人在制造业中的发展是成功的，正逐步涉足非制造业。随着人类改造大自然要求的提高，以及机器人适应特殊环境能力的增强，农业、林业、军事、海洋勘探、太空探索、生物医学工程等行业是机器人崭露头角的新领域。在人们的日常生活中，各种服务机器人也将向我们走来，误了机器人将给我们的生活增添无限乐趣。清洁机器人将减轻我们繁重的家务。保健机器人可为老人和残疾人提供保健帮助，是人们强烈需求的对象。未来的机器人将像人一样，能听、能看、能说、能识别环境，具有记忆推理和决策能力，在某些方面甚至有超过人的能力，如计算、速度、记忆、力量和适应恶劣环境的能力等。人类对机器人将逐渐实现语言、表情甚至意念等方式进行控制，机器人终将成为人类的忠实助手和亲密朋友。【参考文献】1蔡自兴，机器人学，清华大学出版社，2000. 92严学高、孟正大，机器人原理，东南大学出版社，19923熊有伦等，机器人学，机械工业出版社，19934徐缤昌、阙志宏等，机器人控制工程，西北工业大学出版社，19925 M.武科布拉托维奇等（M.Vukobratovic），机器人学的科学原理（中译本）6机器人 中科院沈阳自动化所（沈阳）7自动化学报 中国自动化学会、中科院自动化所（北京）8控制理论与应用 华南理工大学（广州）9高技术通讯 中科院情报所（北京）10张铁，谢存禧主编.机器人学，第一版，华南理工大学出版社，2001，911吴广玉，姜复兴主编.机器人工程导论，第一版，哈尔滨工业大学出版社，198812崔正昀主编.机械设计基础，第一版，天津大学出版社，2000 13贾名著主编.工程力学，第一版，天津大学出版社，1998 14廖念钊主编.互换性与测量技术基础，第三版，2002 15孟宪员源，姜琪主编.机构构型与应用，第一版，机械工业出版社，2004 16谈欣柏主编.大学物理，第一版，天津大学出版社，2000，2-2217成大先主编.机械设计手册，第一版，化学工业出版社，2005 18加腾一郎主编.机械手图册，第一版，上海科学技术出版社，1979 19宗光华等编著.机器人的创意设计与实践，第一版，北京航空航天大学出版社,2004 20卜炎主编.中国机械设计大典机械零部件设计，第一版，江西科技出版社，200221费仁元，张慧慧主编.机器人机械设计和分析，第一版，北京工业大学出版社,199822朱冬梅，胥北澜主编.画法几何及机械制图，第五版，高等教育出版社，2000 23周祖德，唐永洪主编. 机电一体化，第一版，华中科技大学出版社，2002 24Richard P.Paul. Robot Manipultons: Mathematics, Programming and Control. The MIT Press, Cambridge, MA, USA, 198125H.Asada, J-J.E.Slotine. Robot Analysis and Control. A Wiley-Interseience Publication John Wiley and Sons,198626John J.Craig. Introduction to Robotics: Mechanics and Control. Addison-Wesley Publishing Company, 198627K.S.Fu, R.C.Gonsalez, C.S.G.Lee. Robotics: Control, Sensing, Vision and Intelligence. Me Graw-Hill Book Company, 198728IEEE Trans. on Automatic