蓬勃发展的工业机器人技术

蓬勃开展的工业机器人技术山东科技大学机电学院王吉岱Contents机器人的由来与分类1工业机器人的发展历程2工业机器人的组成与功能3工业机器人技术研究4工业机器人的应用51.机器人的由来与分类1.1机器人的定义

在科技界，科学家会给每一个科技术语一个明确的定义，机器人问世已有几十年，但对机器人的定义仍然仁者见仁，智者见智，没有一个统一的意见。原因之一是机器人还在开展，新的机型，新的功能不断涌现。根本原因主要是因为机器人涉及到了人的概念，成为一个难以答复的哲学问题。就像机器人一词最早诞生于科幻小说之中一样，人们对机器人充满了梦想。也许正是由于机器人定义的模糊，才给了人们充分的想像和创造空间。

“Ｒobot〞一词源出自捷克语“robota〞，意谓“强迫劳动〞。1920年捷克斯洛伐克作家萨佩克写了一个名为?洛桑万能机器人公司?的剧本。

1.机器人的由来与分类---机器人的定义1987年国际标准化组织对工业机器人进行了定义：工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能，能完成各种作业的可编程操作机。国际标准化组织〔ISO〕定义的机器人特征如下仿生特征：动作机构具有类似于人或其他生物体某些器官〔肢体、感官等〕的功能；柔性特征：机器人作业具有广泛的适应性，适于多种工作，作业程序灵活易变；智能特征：机器人具有一定程度的人类智能，如记忆、感知、推理、决策、学习等；自动特征：完整的机器人系统，能够独立、自动完成作业任务，不依赖于人的干预;1.机器人的由来与分类---机器人的定义我国科学家对机器人的定义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。经过几十年的开展，机器人技术已经形成了综合性的学科——机器人学〔Robotics〕。机器人学有着及其广泛的研究和应用领域，主要包括机器人本体结构系统、机械手设计，轨迹设计和规划，运动学和动力学分析，机器视觉、机器人传感器，机器人控制系统以及机器智能等。1.机器人的由来与分类---机器人的分类1.2机器人的分类1.2.1按照机器人的技术开展水平分：1〕第一代机器人：操作型机器人：能自动控制，可重复编程，多功能，有几个自由度，可固定或运动，用于相关自动化系统中。

程控型机器人：按预先要求的顺序及条件，依次控制机器人的机械动作。

示教再现型机器人：通过引导或其它方式，先教会机器人动作，输入工作程序，机器人那么自动重复进行作业。1.机器人的由来与分类---机器人的分类1.2.1按照机器人的技术开展水平分：2〕第二代机器人：数控型机器人：不必使机器人动作，通过数值、语言等对机器人进行示教机器人根据示教后的信息进行作业。

感觉控制型机器人：利用传感器获取的信息控制机器人的动作。

适应控制型机器人：机器人能适应环境的变化，控制其自身的行动。

学习控制型机器人：机器人能“体会〞工作的经验，具有一定的学习功能，并将所“学〞的经验用于工作中。

1.机器人的由来与分类---机器人的分类1.2.1按照机器人的技术开展水平分：2〕第三代机器人：智能机器人：以人工智能决定其行动的机器人。能够根据获得的信息，进行逻辑推理、判断决策，在变化的内部状态与变化的外部环境中，自主决定自身的行为。这类机器人具有高度的适应性和自治能力。

1.机器人的由来与分类---机器人的分类机器人BECDA直角坐标机器人柱面坐标机器人球面坐标机器人

移动机器人多关节机器人1.2.2按照机器人的机构特征分类1.机器人的由来与分类---机器人的分类1.2.3按照机器人的用途分类1〕工业机器人工业机器依据具体应用的不同，通常又可以分成焊接机器人、装配机器人、喷漆机器人、码垛机器人、搬运机器人等多种类型。1.机器人的由来与分类---机器人的分类1.2.3按照机器人的用途分类2〕农业机器人农业机器人的研究开发目前主要集中耕种、施肥、喷药、蔬菜嫁接、苗木株苗移栽、收获、灌溉、养殖和各种辅助操作等方面。1.机器人的由来与分类---机器人的分类1.2.3按照机器人的用途分类3〕探索机器人机器人除了在工农业上广泛应用之外，还越来越多地用于极限探索，即在恶劣或不适于人类工作的环境中执行任务。1.机器人的由来与分类---机器人的分类1.2.3按照机器人的用途分类4〕效劳机器人目前主要应用在清洁、护理、执勤、救援、娱乐、和代替人对设备维护保养等场合。我国的机器人专家从应用环境出发，将机器人分为两大类，即工业机器人和特种机器人。所谓工业机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。而特种机器人那么是除工业机器人之外的、用于非制造业并效劳于人类的各种先进机器人，包括：效劳机器人、水下机器人、娱乐机器人、军用机器人、农业机器人、机器人化机器等。目前，国际上的机器人学者，从应用环境出发将机器人也分为两类：制造环境下的工业机器人和非制造环境下的效劳与仿人型机器人，这和我国的分类是一致的。1.机器人的由来与分类---机器人的分类2.工业机器人的国内外开展现状及趋势

工业机器人是一种高自动化的机电一体化设备，具有很高的技术附加值。在大规模工业制造过程中，工业机器人是不可缺少的自动化装备。目前国内大型加工制造企业对工业机器人的需求在日益增加。

机器人的历史并不算长，1959年美国英格伯格和德沃尔制造出世界上第一台工业机器人，工业机器人的历史才真正开始。

1954年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节，利用人手对机器人进行动作示教，机器人能实现动作的记录和再现。这就是所谓的示教再现机器人。现有的机器人差不多都采用这种控制方式。

作为机器人产品最早的实用机型〔示教再现〕是1962年美国AMF公司推出的“VERSTRAN〞和UNIMATION公司推出的“UNIMATE〞。这些工业机器人的控制方式与数控机床大致相似，但外形特征迥异，主要由类似人的手和臂组成。2.1世界工业机器人的开展历程1965年，MIT的Roborts演示了第一个具有视觉传感器的、能识别与定位简单积木的机器人系统。

1967年日本成立了人工手研究会〔现改名为仿生机构研究会〕，同年召开了日本首届机器人学术会。

1970年在美国召开了第一届国际工业机器人学术会议。1970年以后，机器人的研究得到迅速广泛的普及。

1973年，辛辛那提·米拉克隆公司的理查德·豪恩制造了第一台由小型计算机控制的工业机器人，它是液压驱动的，能提升的有效负载达45公斤。

1980年，工业机器人才真正在日本普及，故称该年为“机器人元年〞。

2.工业机器人的国内外开展现状及趋势2.1世界工业机器人的开展历程80年代，将具有感觉、思考、决策和动作能力的系统称为智能机器人，这是一个概括的、含义广泛的概念。这一概念不但指导了机器人技术的研究和应用，而且又赋予了机器人技术向深广开展的巨大空间，水下机器人、空间机器人、空中机器人、地面机器人、微小型机器人等各种用途的机器人相继问世，许多梦想成为了现实。2.工业机器人的国内外开展现状及趋势2.1世界工业机器人的开展历程20世纪90年代以来，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等快速开展，工业机器人技术也得到了飞速开展。现在工业机器人已开展成为一个庞大的家族，并与数控〔NC〕、可编程、控制器〔PLC〕一起成为工业自动化的三大技术支柱和根本手段，广泛应用于制造业的各个领域之中。2.工业机器人的国内外开展现状及趋势2.2中国工业机器人的开展历程我国工业机器人起步于70年代初期，经过20多年的开展，大致经历了3个阶段：70年代的萌芽期，80年代的开发期和90年代的适用化期。

70年代萌芽期，我国于1972年开始研制自己的工业机器人。于1980年研制出第一台工业机器人样机80年代开发期进入80年代后，在高技术浪潮的冲击下，随着改革开放的不断深入，我国机器人技术的开发与研究得到了政府的重视与支持。“七五〞期间，国家投入资金，对工业机器人及其零部件进行攻关，完成了示教再现式工业机器人成套技术的开发，研制出了喷涂、点焊、弧焊和搬运机器人。1986年国家高技术研究开展方案〔863方案〕开始实施，90年代适用期从90年代初期起，我国的国民经济进入实现两个根本转变时期，我国的工业机器人又在实践中迈进一大步，先后研制出了点焊、弧焊、装配、喷漆、切割、搬运、包装码垛等各种用途的工业机器人，并实施了一批机器人应用工程，形成了一批机器人产业化基地，为我国机器人产业的腾飞奠定了根底。1980年—研制成功中国第一台工业机器人样机。

1985年—中国第一台水下机器人〔“海人一号〞〕首航成功。

1986年—中国第一台水下机器人深海试验成功。

1988年—中国第一台中型水下机器人〔“瑞康４号〞〕投入使用。

1989年—水下机器人首次出口美国。

1990年—中国第一台工业机器人通用控制器研制成功。

1992年—国产ＡＧＶ第一次应用于柔性生产线。

1993年—中国唯一的机器人技术国家工程研究中心成立。

1994年—中国第一台五自由度高压水切割机器人投入使用。

1994年—中国第一台1000米水下机器人〔“探索者〞〕海试成功。

1995年—中国第一台6000米水下机器人〔“ＣＲ-０１〞〕海试成功。

1995年—中国首台四自由度点焊机器人开发成功，第一条点焊机器人生产线投入使用。

1995年—自主开发的机器人技术－ＡＧＶ技术出口韩国。

1997年—具有自主版权的高性能机器人控制器小批量生产。

1997年—自主开发的国内第一条机器人冲压自动化线用于一汽群众生产线。

1998年—国内首台激光加工机器人开发成功。

1998年—国内首台浇注机器人用于生产。

1998年—中国机器人领域唯一一家通过了ＩＳＯ９００１国际质量体系认证。2.工业机器人的国内外开展现状及趋势2.工业机器人的国内外开展现状及趋势2.3工业机器人的开展趋势工业机器人从70年代初的第一台诞生开始，至今已经走过了30多年的历程。现在使用最广的工业机器人，是6自由度垂直多关节机器人。世界上的不同机器人厂家都各自有自己的设计标准和结构特点，

主流的新机型，其主要性能的改进，表达在机构的进一步紧凑，速度和范围等指标也有所提高，通信功能更加强大，应用工艺能力更加丰富和便利，控制的轴数也越来越多。作为世界上最先进的机器人之一的MOTOMAN机器人，升级换代周期大致为5年左右。最新一代MOTOMAN机器人可以实现对38个轴的控制，能进行双机加外部轴的协调控制、三机以至四机的协调联动控制。

当前工业机器人技术的开展方向，主要表达在新型机器人的推出以及机器人应用技术的丰富和开展。在国内来说，还有机器人实际应用工作单元的设计技术标准化和技术成熟度。

新型机器人应用量高速增长的主要有洁净机器人以及双臂机器人等；应用技术的重点那么主要有具有更加自适应性和复杂工艺能力的各种机器人控制技术、视觉图象处理机器人动作规划和轨迹补偿技术、远程监控和具有工艺水平的离线编程技术等。机器人的构成机器人

机器人本体机器人控制系统机械本体运动、动力系统

主控系统感知系统传感系统主控系统运动动力系统外界信息机器人的灵魂—控制系统输入：该信息来自机器人的传感器；程序：你想让机器人遵循的一种规那么或指令；输出：机器人的运动，通常包括马达〔运转〕、灯和声音信息转化下达命令

机器人工作过程图机器人的大脑—主控系统可调电阻传感器板接口通用接口9V电池接口4.5V电池接口单片机开关接口下载接口电机接口机器人的感官—传感系统避障传感器功能及原理轨迹识别传感器功能及原理

轨迹识别传感器

光敏传感器功能及原理

光敏传感器跳线机器人的身体——机器人本体

机器人智慧的来源—计算机程序

计算机程序的核心—算法

什么是算法算法包含两方面内容：1、数据。2、操作步骤，也就是算法。算法有哪些特征1、有限性2、确定性3、输出〔结果〕性4、有效性步骤的安排有不同的方式，主要是以下三种：1、顺序模式顺序模式就是一步一步来，做完一步再做下一步。编写程序的时候，就是表示为执行完一个步骤，再按顺序执行下一个步骤。其程序结构为顺序结构。2、选择模式选择，就是在不同的结果里确定一个，然后执行下一步的操作。编写程序的时候，其程序结构为选择结构。3、循环模式循环模式，就是不断地重复一个动作，直到完成最初方案好的重复次数为止。编写程序的时候，其程序结构为循环结构。路径规划

如何在复杂、不可预测的环境中自主移动到目标点，并且能够躲避障碍物是移动机器人最根本、最重要的能力之一，也是其它应用的根底。机器人路径规划最早研究的是从起始点运动到目标点的类型，在效劳机器人中许多场合需要该类型，如医疗效劳机器人、健康福利效劳机器人、搬运机器人等都经常需要该类型路径规划。常用的路径规划方法主要有四种：路线图方法〔RoadmapApproach〕、单元分解方法〔CellDecomposition〕、势场法〔PotentialField〕和爬行虫方法。算法的表示方法1、用自然语言表示算法。2、用伪代码表示算法3、用流程图表示算法。流程线起止框处理框判断框输入输出框

各种用途的机器人：水下机器人、空间机器人、空中机器人、地面机器人、微小型机器人等新的机器人名称：“软件机器人〞、“网络机器人〞、机器人化机器德国排爆机器人相扑机器人无人驾驶振动式压路机5.机器人的工程应用机器鱼“自由泳”“过龙门”在水中“戏球”自主地避开障碍物机器鱼我国研制的排爆机器人理由之三：机器人做人做不了的事情。比方人们对太空的认识，对原子分子进行搬迁的机器人为什么要开展机器人?理由之二：机器人做人不愿意做或做不好的事。比方有毒的、高温的或危险的环境，汽车生产线上的焊接工作机器人汽车焊接生产线理由之一：提高生产效率降低人的劳动强度。比方焊机器人提高生产效率，提高汽车焊接的质量，降低工人的劳动强度汽车装配机器人医疗效劳机器人医疗效劳机器人主要指能够直接为医生提供效劳，帮助医生对病人进行手术治疗的效劳机器人。医疗外科机器人是医疗效劳机器人的典型代表，它可以由医生对机器人进行遥控操作，在医生难以直接进行手术的部位由机器人准确地完成各种手术,如下图为口腔修复机器人。而外科手术导航系统和可以进入人体的微机器人诊疗系统也都可以为医生进行手术提供必要的手术信息和辅助手段。因此，采用医疗效劳机器人进行手术可以减小创面、缩短手术时间，从而到达减少病人痛苦，并使病人早日痊愈的目的。健康福利效劳机器人健康福利效劳机器人是指在医院里为医生或病人提供效劳的效劳机器人。图中是直接为病人提供康复治疗的效劳机器人。他可以提供指定负载力和行走速度的步行训练和为腿部受伤的病人提供术后康复训练治疗。许多研究单位和公司正在积极开发的各种类型的智能轮椅和智能病床也都属于健康福利效劳机器人。公共效劳机器人公共效劳机器人的范围最为广泛，只要能够为公众或公用设备提供效劳的机器人都属于该类型效劳机器人。例如，在展览会会场、办公大楼、旅游景点为客人提供信息咨询效劳的迎宾导游机器人，在建筑物内或居民区内进行自动巡视的保安巡逻机器人如下图，加油站里的自动加油机器人，高楼擦