机器人结构系统

机器人结构系统 1 机器人的大脑在给机器人造就肢体和感觉器官的同时，也应该给机器人造就一个“大脑”，使它具有辨别、分析和规划的功能，从而指挥自己的运动和工作。这个大脑就是机器人的计算机控制系统。2 机器人的视觉 人的视觉功能：在人的感觉器官中，视觉是最重要的。据不完全统计，人的视觉细胞数量约在数量级10的8次方，比听觉细胞多二三千倍，是皮肤触觉细胞的一百多倍。因而可以说，人类从外界获取的信息有80是依靠眼睛得到的。人的视觉主要有以下功能： 1、立体感觉能力。对于立体物体，人眼能根据它的各立体面所反射光线的差别进行辨识，再通过大脑神经将视网膜得到的各面图像自动组合成立体形象。 2、测定物体大小及其所在位置远近的能力。 3、自动跟踪和观察运动目标对象的能力。 4、人的视神经有快速接受和传输视觉信息的能力。例如当人刚睡醒睁开眼时，就能一眼把满视野环境中的一切物体尽收入眼底，并传输给大脑，其信息量之大，处理速度之快，是难以比拟的。 5、感觉色彩的能力。因为视神经具有全色的功能，因而正常人的眼睛不但能分辨出各种颜色，而且能分辨出同类色彩中的细微的变化。 机器人视觉系统主要应用于以下三方面： 1、用视觉进行产品检验，代替人的目检。包括：形状检验棗检查和测量零件的几何尺寸。形状和位置；缺陷检验检查零件是否损坏，划伤；齐全检验棗检查部件上的零件是否齐全。 2、在机器人进行装配、搬运等工作时，用视觉系统对一组需装配的零、部件逐个进行识别，并确定它在空间的位置和方向，引导机器人的手准确地抓取所需的零件，并放到指定位置，完成分类、搬运和装配任务。 3、为移动机器人进行导航。利用视觉系统为移动机器人提供它所在环境的外部信息，使机器人能自主地规划它的行进路线，回避障碍物，安全到达目的地，并完成指令的工作任务。3 机器人的听觉 听觉传感器是机器人的耳朵。若仅仅要求它对声音产生反应，作为一个开关量输出形式的听觉传感器是比较简单的，只需用一个声电转换器就能办到。但若让家用机器人能够听懂主人的语言指令，根据指令去打扫房间，开关房门，倒垃圾那就很困难了。而若进一步要求机器人能与主人对话，区别主人和其他人的声音，从而只执行主人的命令，那就是困难重重了。 现在的研究水平只是通过语音处理及辨识技术识别讲话人，还可以正确理解一些极简单的语句。由于人类的语言非常复杂、词汇量相当丰富，即使是同一个人，其发音也会随环境及身体状况变化而变化，因此，要使机器人的听觉系统具有接近人耳的功能，除了扩大计算机容量和提高其运算速度外，还需人们在其他方面做大量、艰苦的研究、探索工作。 4 机器人的嗅觉 人鼻是嗅觉器官:给机器人装上鼻子就要用到嗅觉传感器，使它能感受各种气味，从而用来识别其所在环境中有害气体，并测定有害气体的含量。目前还做不到让机器人像人一样闻出多种气味的机器鼻子。常用的嗅觉传感器是半导体气体传感器，它是利用半导体气敏元件同气体接触，造成半导体的物理性质变化，借以测定某种特定的气体成分及其含量的。大气中的气味各种各样，而目前研制出的气体传感器只能识别像H2 、C2 、CO、NO等少数气体。因此，除特殊需要安装探测特定气体的气体传感器外，一般的机器人基本上没有嗅觉。 5 机器人的语言 计算机控制机器人要用语言来实现人与机器人的联系。由于机器人工作的特殊性，它不但要面对工作对象，而且要面对工作对象和自身的所在的环境。因此，机器人系统不但要对来自各方动作顺序和方式，而且须为以后的活动来存储环境的详细情况及其他附加的功能。这是一般的计算机所用的高级语言不能做到的。为此，人们设计了机器人专用语言。但是用机器人语言写的程序，计算机不能直接理解，因而就无法用计算机去控制机器，必须像处理用高级语言写的程序一样，先将机器人语言写的程序转换成计算机的机器人语言，这就需要语言处理软件。综上所述，机器人语言包括语言本身、语言处理系统和环境模型三部分，实际上是一个语言系统。6 机器人的触觉 触觉是接触、滑动、压觉等机械刺激的总称。多数动物的触觉器是遍布全身的，像人的皮肤位于人的体表，依靠表皮的游离神经末梢能感受温度。痛觉、触觉等多种感觉 ，因此，对人来说，除了视觉以外，触觉接受外界的信息量最多。但是昆虫或甲壳类动物的触觉器官却集中在头部的触角中。像蟋蟀与虾的触须有身体长度的253倍。依靠长触须可确认远处物体所在的位置 ，判别其大小 。要使机器人具有动物那样敏感的触觉是相当困难的，机器人装上触觉传感器的目的是检测机器人的某些部位（如手或足）与外界物体是否接触，识别物体的形状和在空间的位置，保证机器人的手能牢固地抓住物体，或保证其足能稳稳地踩在地面上。虽然这些事情大多数都可以用视觉传感器来解决，但视觉系统造价昂贵，控制复杂，特别是在暗处，或者障碍物存在于视觉传感器和对象物之间，就无法获得视觉信息。与视觉系统相比，触觉系统要简单得多，价钱也便宜得多，这就是广泛使用触觉传感器的原因所在。因此，给机器安装上恰当的触觉传感器，使机器人具有一定的触觉知能，就有更重要的意义了。 机器人的触觉集中在手上，因为它主要是用手指来接触物体的。要想获得较多的触觉信息，最好在手指表面大范围地分布相同的触觉传感器；用像人的皮肤那样柔软而富有弹性的材料制作机器人的手，藉以增大与物体的接触面，牢固地握住物体。此外，还希望触觉传感器形体小、重量轻、灵敏度高、集成度高、可靠性高。 7 机器人的上肢 机器人的手臂 要使机器人的手臂具有人臂一样的功能，最基本的条件就是要像人一样具有腕、肘及肩关节等类似的动作。从前边的分析可知，人臂从肩部到脱部（不包括手掌及手指）共有7个自由度。另外，处在自由状态下的任何物体都具有6个自由度，即沿着3个直角坐标轴的移动和绕着3个坐标轴的转动。移动决定了物体在空间某一点的位置，转动则决定了该物体在空间某位置上的方向，或称姿态。机器人的上肢主要是为了拿物体，或拿了工具去加工工件。换句话说，只要机器人的手臂能在空间某位置以及与物体方向相吻合的姿态去拿到物体就达到了目的。根据这一原则，机器人的手臂只须有相对应的6个自由度就可以了。 目前工业机器人的人口数约占机器人总人口数的7080，而工业机器人的手臂自由度数目前一般最多不超过6个。有时为了降低制造成本，在满足生产要求动作的情况下，反而适当地减少l2个自由度。从技术观点出发，把机器人手臂的6个自由度分成两部分，即臂部确保3个自由度，腕部为l3个自由度。这样的分法，符合了前面提到的臂部3个自由度决定它在空间的位置，腕部3个自由度决定它的姿态的要求。 机器人臂部3个自由度可以由移动自由度和转动自由度不同型式组合而成，而这种组合型式决定了机器人手臂的运动坐标型式，同时也决定了机器人手臂在空间运动范围的不同形状。各种不同坐标型式的臂部运动即运动范围分为以下四种：（l）直角坐标型棗由3个移动自由度组合而成，即机器人手臂的运动是沿着直角坐标的X、Y、Z 3个轴方向的直线运动组成。如图 11所示，其臂部只作伸缩、平移和升降运动，在空间的运动范围一般是一个长方体。（2）圆柱坐标型棗由两个移动自由度和一个转动自由度组成。即机器人手臂的运动是通过沿着圆柱坐标系的中心轴Z的上下方向的升降移动和以Z轴为中心的左右旋转内，以及沿与Z轴垂直的X轴方向的伸缩合成的。如图12所示。由于结构上的限制，它在空间的运动范围一般是一个不完全的中空圆柱形环体。（3）极坐标由一个移动自由度和两个转动自由度组成。即机器人手臂的运动是通过绕极坐标系的中心轴Z的左右旋转Z和绕着与Z轴垂直的水平轴Y的上下摆动Y，以及沿着X轴的伸缩合成的，见图13。它在空间的运动范围一般是一个不完全的中空的扇形圆环体。（4）关节型棗由三个旋转自由度组成。机器人的手臂运动类似人的手臂，臂部可分为大臂。小臂。大臂与机座的连接称为肩关节，大、小臂之间的连接称为时关节。手臂运动由大臂绕肩关节的旋转Z和俯仰Y运动，以及小臂绕时关节的摆动Y合成,见图14.它在空间的运动范围一般是一个中空的几个不完全球体相贯所组成。 机器人手腕一般为一至三个自由度，大都是旋转自由度，这是因为它的运动主要是为了决定手的姿态。其配置情况可视实际需要来决定。一个旋转自由度时，一般绕末端臂杆轴线旋转；两个旋转自由度时，则分别绕两个相互垂直的轴转动；三个旋转自由度时，除了各自绕三个相互垂直的轴转动外，也有以其它方式组合的。 机器人的手 人手由手掌和五个手指组成，其中包含了14个关节。手指和手掌配合起来可以做各种灵巧而复杂的动作。机器人的手只是为了代替人手的部分劳动，因而没有必要，也不可能做得像人手那样灵巧。尤其是工业机器人的手主要的功能动作是夹、抓、提、举，一般都没有手掌，全靠手指抓取、夹持物体，因此，工业机器人的手与其说是“手”，还不如说是“夹钳”。人手夹持物体一般利用拇指和食指或中指对向运动把物体牢牢夹住。例如拿毛笔写字就是拇指和食指、中指对夹。相比之下，无名指和小指作用不大，仅起辅助作用。机器人的手设计时要求简单、实用、易造，所以一般多用对置的两个手指。 为了能够抓取不同形状、大小、重量和材质的物体，机器人的手指可以做成不同形状和大小。一般夹持圆棒形及方形物体可用外夹式两指手，；而夹持大尺寸的空心管状或方形物体，常用向外撑开取物的内撑式两指手；钩形手指适用于类似图19那种形状或中空的物体，可以又提又勾地运送。大型板材、显像管等不宜夹持的物体，常采用气体吸盘或电磁吸盘。用气体吸盘吸引的物体必须平整无凹槽，否则会造成漏气，吸不住物体，而电磁吸盘只适用于提取磁性材料。 如有特殊需要时，可以根据物体的实际情况。 8 机器人的下肢 人的下肢主要功能是承受体重和走路。对于静止直立时支承体重这一要求，机器人还容易做到，而在像人那样用两足交替行走时，平衡体重就存在着相当复杂的技术问题了。首先让我们分析一下人的步行情况。走路时，人的重心是在变动的，人的重心在垂直方向上时而升高，时而下降；在水平方向上亦随着左。右脚交替着地而相对应地左、右摇动。人的重心变动的大小是随人腿迈步的大小、速度而变化的。当重心发生变化时，若不及时调整姿势，人就会因失去平衡而跌倒。人在运动时，内耳的平衡器官能感受到变化的情况，继而通知人的大脑及时调动人体其他部分的肌肉运动,巧妙地保持人体的平衡.而人能在不同路面条件下(包括登高、下坡、高低不平、软硬不一的地面等）走路，是因为人能通过眼睛来观察地面的情况，最后由大脑来决策走路的方法，指挥有关肌肉的动作。从而可以看出，要使机器人能像人一样，在重心不断变化的情况下仍能稳定的步行，那是困难的。同简化人手功能制造机器人的上肢的方法一样，其下肢没有必要按照人的样式全盘模仿。只要能达到移动的目的，我们可以采取多种形式：用足走路是一种形式，还可以像汽车、坦克那样用车轮或履带（以滚动的方式）来移动。如何正确引导机器人的移动。 移动机器人的导向从大的方面来分，有轨道式和无轨道式两种。轨道式是检测机器人与轨道的相对位置进行导向的；无轨道式则是检测机器人在移动环境中的位置进行导向的。 用轨道来引导机器人移动的方法有多种：一是像铁路铺轨道一样，机器人的轮子在轨道上滚动，由轨道引导到各工作位置。在车间地面下浅层snun10mm处敷设电缆，通人数千HZ（赫芝）高频交流电，使之产生磁场；在移动机器人身上安装两个测向线圈检测磁场信号，进行移动导向。移动路线由所敷设的电缆决定。电缆敷好以后，要改变导向路线就很困难，但可靠性高，大多数工厂车间内都采用这种方法。也有的把金属箔带或白色带子沿着机器人必须行走的路线贴在地面上，当光线照在地面上时，用电视摄像机或光电管判别白带反射光谱来进行导向。这种方法比起敷设电缆，改变移动路线要容易一些。更方便的方法是激光导向，即在机器需要经过的道路上用激光照射，依靠移动机器人身上安装的激光测定器来测定其移动方向，控制指挥机器人移动。 无轨道式导向主要用于自动移动机器人，它要求机器人能自动识别自身所处位置，选择移动路线而自主运动。因此，机器人必须装有视觉、触觉等装置，用来辨识环境和道路情况，测出自己的位置和方向，通过计算机控制自身的运动。常用的最简单的方法是超声导向方法。众所周知，振幅的眼睛在夜里是看不见东西的，但它能从体内发出并接受超声波，依靠超声波在夜间飞行。利用这一原理，给机器人配备超声波发射器及接受器，移动前先发射超声波，接受器根据超声波的反射波情况，测出机器人与壁式障碍物间的相对距离及道路情况，从而决定其运动方向，控制机器人的移动。如果再加上摄像机的视觉引导，机器人的移动就更加自如。 采用无轨道式导向装置，检测时需用较复杂的装置，价格昂贵，可靠性还存在问题，但其灵活性则远比轨道式大。进一步完善后，完全有可能替代轨道式的导向控制，在生产车间内应用。 （2）人类为了开发宇宙、开发海洋，需要在没有人工道路的自然环境中行走，使用轮子就会遇到很多困难，有时甚至无法移动。这就迫使人们去研究开发拟人和仿生物足的步行机器人。由于双腿走路，机器人首先必须解决随时平衡身体重心的难题，所以一开始是从开发仿生物的多足步行机构着手的。这类仿生腿大都采用连杆机构，一般有三四个自由度，具有够关节、膝关节和踝关节。这类步行机器人有许多只腿，其中一部分腿用来平衡支撑机器人的重心，另一部分腿迈步移动；两部分腿的交替工作过程，就是机器人迈步行走的过程。 9 机器人接近觉 接近觉传感器是机器人用以探测自身与周围物体之间相对位置和距离的传感器。接近觉原本不是人的专门感觉，故没有专司其职的接近觉器官。人是依靠自己各种感觉器官的综合感觉能力来感觉自己和周围物体之间的相对位置和距离的大致感觉的。因此，在仿照人的功能来使机器人具有接近觉，其复杂程度可想而知，而利用一些特定的物理现象来研制专门的接近觉传感器，相对而言就显得简单易行了。 机器人安装接近觉传感器主要目的有以下三个：其一，在接触对象物体之前，获得必要的信息，为下一步运动做好准备工作；其二，探测机器人手和足的运动空间中有无障碍物。如发现有障碍，则及时采取一定措施，避免发生碰撞；其三，为获取对象物体表面形状的大致信息。 目前使用的接近觉传感器主要有光电式、超声波式和涡流式三种。 1、光电式接近觉传感器是一种比较简单有效的传感器，把它装在机器人手（或足）上，能够检测机器人手臂（或腿）运动路线上的各种物体。图54表示了这种传感器的原理。它用红外发光二极管（D