浅析工业机器人专业技术哲学

1、2011年秋季学期研究生课程考核（读书报告、研究报告）考核科目：科学技术哲学学生所在院（系）：机电工程学院学生所在学科:机学生姓名：席宝时学号:09S008223学生类别:定向考核结果阅卷人械设计及理论浅谈工业机器人中的技术哲学摘要：本文以吴伟国教授设计的点焊机器人为例，结合自身对点焊机器人的理解，阐述和分析了点焊机器人技术的技术认识、技术结构、技术方法，并详细说明了吴伟国教授是如何设计点焊机器人的，同时讨论了点焊机器人的技术伦理。关键字：点焊机器人、技术结构、技术方法、机器人技术社会观一、工业机器人背景与技术认识1920年捷克作家卡雷尔查培克在其剧本罗萨姆的万能机器人中最早使用机器人一词，剧

2、中机器人“Robo这个词的本意是苦力，即剧作家笔下的一个具有人的外表，特征和功能的机器，是一种人造的劳力。它是最早的点焊机器人设想。自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以来，随着机器人技术的不断发展，机器人应用领域也不断扩展，如海洋开发、宇宙探测、采掘、服务、娱乐等都有机器人活跃的身影。工业机器人是机器人工程中发展相对成熟的分支，目前工业机器人被广泛应用到流水生产线上，代替人来从事焊接、喷涂、搬运等繁重的工作，大大提高了生产效率，对工业的发展起到了巨大的推动作用。点焊机器人就是工业机器人中的典型产品，其控制原理是可编程的示教再现，应用领域是汽车工业。一般装配每台汽车车体

3、大约需要完成30004000个焊点，而其中的60%以上是由机器人完成的。汽车工业引入工业机器人已取得了下述明显效益：改善多品种生产的柔性；提高焊接质量：提高生产率；把工人从恶劣的作业环境中解放出来。我们要设计制作出一台点焊机器人，需要怎样的技术认识呢？根据技术认识规律，首先要了解技术活动的目的，以及要满足技术目的其构成要素及其体系结构。技术本质反映了人对自然的能动关系，其三要素包括：材料、动力、控制o点焊机器人应用于汽车的自动装备流水线，应满足以下要求：安装面积小，工作空间大（适用于多点焊接），快速完成小节距的多点定位（例如每0.30.4s移动3050mm节距后定位）；定位精度高，以确保焊接质

4、量；持重大，以便携带内装变压器的焊钳。根据要求，材料应选择高强度不锈钢作为机械本体，以满足结构紧凑的要求；动力应选用电力系统，以满足快速响应的要求；控制则选用交流伺服电机，以满足定位精度高的需要0分析完点焊机器人的构成要素后，我们接下来要分析它的体系结构，它到底应该有那几个方面构成。一般的点焊机器人系统主要由三个系统组成：（1）、通过各关节相连的连杆组成的机械臂；（2）测量机械臂和速度，加速度的测量装置；（3）、对测量数据进行处理并按一定规则给出控制作用的控制器。具体点焊机器人体系结构图如下图1-1所示二、工业机器人的技术创造技术创造的任务是通过概略设计、技术设计到工程图设计的从抽象到具体的发

5、展阶段，把创造构思得到的设想或方案具体化，拟定出具体的可供实施的技术方案。技术创造是技术活动的微观创造阶段。这是技术研究中最关键、最富于创造性的阶段。参照吴伟国教授的构思与设计点焊机器人过程，对点焊机器人技术创造过程分析如下：机器人本体设计：（1）本体结构设计。为了适应灵活动作的工作要求，通常点焊机器人选用关节式点焊机器人的基本设计，机械结构为仿人手臂形，具有六个自由度：腰转、大臂转、小臂转、腕转、腕摆及腕捻。其动力驱动方式为电气驱动。（2）末端执行器轨迹创成：可根据机器人作业要求，得出末端执行器轨迹函数fX（t）,Y（t）,Z（t）,a（t）,B，求出其随时间变化机器人各运动构件位移、速度、

6、加速度，并且在此基础上求出它们的最大值。（3）运动学仿真分析：建立机器人各杆件的连杆坐标系，利用运动学仿真软件，确定杆件操作空间范围。（4）动力学分析：根据各个杆件的重量和惯量，计算各关节的驱动力矩及其最大值。（5）结构的详细设计：根据各种传动机构的性能，参照相关标准，选择有关机械零部件及参数，确定机器人各器件尺寸，完成该点焊机器人的总体设计。（6）设计结果输出：输出所设计点焊机器人的总装配图，零件图4。机器人控制系统设计：控制系统是按照输入的程序对驱动系统和执行结构发出指令信号，使机器人按预想的轨迹行动。其设计步骤为（1）分析任务、确定总体控制方案：控制装备包括PLCPC单片机等，其中PLC

7、适合的控制对象是：点焊环境较差，而对安全性、可靠性要求较高。较为适合做点焊机器人的控制器。（2）对PLC产品的选择及二次开发：根据设备要求和价格选择合适的PLC产品，并对接线端子上进行I/O地址的分配。（3）系统设计。系统设计包括硬件系统设计和软件系统设计。硬件系统设计包括PLC以及外围电路的设计、电气线路和抗干扰措施的设计等。软件系统设计指PLC控制程序设计。（4）系统调试。在PC机上进行模拟调试和联机调试，如不满足要求，可根据情况进行修改及重新设计。机器人焊接系统设计：此工作交付其它专业人员进行设计。上述机器人系统的建模和控制系统设计，是一个典型的认识世界和改造世界的过程。它通过表征事物运

8、动过程的数量属性以及变量间的数学关系，抓住事物的本质的、具有决定性的、支配性的因素，从而突破了对事物感性的或表层的认识，对技术进行了再创造，这就是人能动地改造世界的过程。吴伟国教授刚毕业参加工作不久就参与了一汽集团点焊机器人的设计工作，该项目为当时863项目，根据任务分配吴伟国教授首先设计一种机构非常复杂的四自由度全方位关节机构（根据齿轮构成的双万向节传动原理），自己制作加工，装配。因为需要把它控制运动起来，所以他自学印刷电路板设计、数字电路、模拟电路、PC机结构技术，步进电机传动与控制，传感器技术中的光电编码器原理，自己设计步进电机驱动器，PC机接口板，光电编码器计算器与电路板，编写控制程序

9、，成功地让该机器人的核心部件四自由度全方位关节在PC机的控制下运动起来，解决了该项目的核心难题。此项目完成后，点焊机器人作为产品已用于一汽生产线，带来了巨大的经济效益。三、工业机器人的技术伦理1978年9月6日，日本广岛某工厂发生的一起切割机器人杀人事件震惊了世界。一石激起千层浪，安全隐患和失业忧虑使大部分人认为在人口众多的中国发展机器人技术不合国情。这种机器人会抢人饭碗”的担心一度程度上延误了我国机器人领域研究水平。可见工业机器人技术一把双刃剑，它有利的一面是能解放工人摆脱从事焊接、喷涂、搬运等繁重的工作，有害的一面则是它会抢工人的饭碗，同时有可能也伤害人。机器人的设计工作不是孤立于整个工业

10、产业的，对自然界的任何侵犯都具有无数的响应，其中许多是不可预料的。在机器人这把“双刃剑”中，正面的积极效应就是点焊的高效率运行，且其效应清晰可见。负面的消极后果如出现机器人伤人事件、使工人失业等是设计过程中未曾遇见的，加之不被注意而愈显模糊。随着生命、信息、智能和纳米等新兴科技的发展，人和机器直接的分野日渐模糊，对机器人伦理地位的思考正在成为人类不可回避的价值基点。只有承认机器人是一种存在，承认其独立的伦理地位和内在价值。人类才能和机器人和平共处，才能在与机器的结合中发展出恰当的伦理规范5。早在1942年，阿莫西夫提出的“机器人三定律”也就成为了学术界默认的研发原则，其具体内容是：1、机器人不

11、得伤害人，也不得见人受到伤害而袖手旁观2、机器人应当服从人的一切命令，但不得违反第一定律3、机器人应保护自身的安全，但不得违反第一、二定律2007年四月，日本经济产业省出台下一代机器人安全问题指导方案，以规范机器人的研究和生产。在这份草案中，未来机器人将受制于大量繁文缛节，至将使得机器人“造反”变成不可能的事情。此事件表明机器人伦理问题得到了相关部门的重视，已纳入政策规划。四、结束语在自动化技术飞速发展的今天，作为一名工业机器人相关领域的工程技术工作者，在以后的科研工作中，需要在建立好技术认识和技术创造的同时，树立起正确的工程伦理观念，处理好哲学、科学、工程技术之间的关系，让哲学来开阔自己的思维，扩展自己的视野，并以此为基础，正确、有效地指导自己在工程技术领域的工作，体现出工程技术的科学价值、社会价值以及哲学价值。五、参考文献孟庆伟科学技术哲学M.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2006:14