计算机控制技术（第4版） 教案 第10章 飞速发展的机器人技术

第10章飞速发展的机器人技术 机器人技术是一项快速进步的技术，在短短几十年的时间里，工业机器人已经在全世界范围内变成工厂大量使用的廉价劳动力。工业机器人不仅可以克服恶劣环境对生产的影响，减少人工的使用，保障工人的安全，还能够帮助工厂节约生产成本，提高生产效率，保证产品质量。除工业机器人之外的、用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人（特种机器人）也正在雨后春笋般地出现。10.1机器人原则和定义10.1.1机器人原则1920年，捷克斯洛伐克作家卡雷尔•恰佩克在他的科幻小说《罗萨姆的机器人万能公司》中，创造了“机器人”（Robot）这个词。1950年，美国著名科幻小说家阿西莫夫在他的小说《我是机器人》中，首次使用了Robotic（机器人学）来描述与机器人有关的科学，并且提出了著名的“机器人三原则”：机器人不能伤害人类，也不能眼见人类受到伤害而袖手旁观。机器人应该服从人类的命令，但不能违反第一条原则。机器人应该保护自身的安全，但不能违反第一条和第二条原则。这三条原则已经成为机器人研究人员和机器人研制厂家共同遵守的指导方针。10.1.2机器人定义国际上，关于机器人还没有统一的定义，但是有一些共同的认识。都认为机器人应该像人或人的上肢，具有智力或感觉与识别能力，是人造的机器或者机械电子装置。我国国家标准GB/T12643-1990对工业机器人下了这样的定义：工业机器人是一种能够自动定位控制、可重复编程的、多功能的、多自由度的操作机，能搬运材料、零件或操持工具，用以完成各种作业。由于机器人发展非常迅速，现在不仅有各种各样的工业机器人，还有各种各样的特种机器人，所以各个国家对于机器人的定义确实需要与时俱进。自从1959年美国研制出世界上第一台工业机器人以来，机器人技术及其产品发展非常迅速，已成为柔性制造系统(FMS)、自动化工厂(FA)、计算机集成制造系统(CIMS)的自动化工具。10.1.3机器人系统的基本组成 机器人系统框图如图10.1所示，包括机械系统、驱动系统、控制系统和感知系统4大部分。图10.1机器人系统组成机械系统机器人的机械系统可以包括机身、手臂、腕部、手（末端操作器）和行走机构，每一部分都有若干自由度，构成一个多自由度的机械系统。图10.2是一个通用关节工业机器人的执行部分，它由多个连杆组成，显然是为了模仿手臂的基本运动。图10.2通用关节工业机器人的执行部分驱动系统驱动系统向机械系统提供动力，采用的动力源不同，驱动系统的传动方式也不同。驱动系统的传动方式主要有液压式、气压式、电气式和机械式4种。其中，电力驱动目前使用最多，因为电源取用方便，响应快，驱动力大，信号检测、传递、处理方便，还可以采用多种灵活的控制方式。电动机一般采用步进电机或者伺服电机，也可以采用直接驱动电机（DD马达，即DirectDriveMotor）。DD马达除延续了伺服电机的特性外，因为其低速大扭矩、高精度定位、高响应速度、结构简单，减小机械损耗、低噪声、少维护等独有的特点，被广泛应用于各行各业。控制系统顾名思义，控制系统是根据机器人的作业指令以及从传感器反馈回来的信号，控制机器人的执行机构完成规定运动的自动控制装置。它可以实现点位控制，也可以实现连续轨迹控制；它可以是开环的，也可以是闭环的；它可以是简单的程序控制，也可以是适应性控制系统或者人工智能控制系统。感知系统感知系统相当于人类的感觉器官，它由各种各样的传感器组成。机器人使用的传感器分为内部传感器和外部传感器，以便获取机器人内部或者外部环境的有用信息。从机器人系统框图不难理解，机器人系统其实是一个自动控制系统。事实上，真是由于自动控制技术、计算机技术、传感器技术等现代技术的发展，才出现了机器人系统飞速发展的局面。10.2机器人分类10.2.1机器人分类机器人的用途很广，它有很多的分类。中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。国际上通常将机器人分为工业机器人和服务机器人两大类，是和我国专家的观点一致的。工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备。而特种机器人则是除工业机器人之外的、用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人。10.2.2工业机器人分类 工业机器人品种繁多，有很多分类方式：图10.3汽车装配流水线上的机器人按坐标形式分类 按坐标形式，工业机器人可分为直角坐标式（PPP）、圆柱坐标式（RPP）、球坐标式（RRP）、关节坐标式（RRR，又称回转坐标式）。关节坐标式又分为链式关节坐标式和水平（平面）关节坐标式两种。图10.4直角坐标机器人图10.5圆柱坐标机器人图10.6球柱标机器人图10.7链式关节坐标式机器人图10.8水平（平面）关节坐标式机器人按控制方式分 按控制方式，工业机器人可分为点位控制和连续轨迹控制。点位控制适用于上下料、点焊、卸运等作业。连续轨迹控制适用于焊接、喷漆和检测的机器人。按驱动方式分 按驱动方式，工业机器人可分为电力驱动、液压驱动和气动驱动。电力驱动的驱动部件可以是步进电机、交流或直流伺服电机。液压驱动具有很大的抓取能力，动作灵活、传动平稳，防爆性好，但需要配备一套液压系统，而且对密封性要求高，不宜在高、低温环境下工作。气压驱动结构简单、动作迅速、价格便宜，但工作速度稳定性差，抓取力小。按编程方式分按编程方式，工业机器人可分为示教编程和语言编程两种方式。示教编程适用于重复操作，作业任务比较简单的机器人，分为手把手示教和示教盒示教编程两种。语言编程方式适用于操作精度高的机器人。按机器人的负荷和工作空间分 按机器人的负荷和工作空间，工业机器人可以分为大型、中型、小型和超小型4类，他们的负荷重量和工作空间如表10.1所示。表10.1各种型号工业机器人的负荷和工作空间工业机器人类型负荷工作空间大型机器人1-10kN>10m3中型机器人100-1000N1-10m3小型机器人1-100N0.1-1m3超小型机器人<1N<0.1m3按机器人具有的运动自由度分工业机器人的自由度一般为2-7个，自由度越多，机器人的柔性越好，但结构和控制也越复杂。简易机器人的自由度为2-4个，复杂机器人的自由度为5-7个。按使用范围分按使用范围，机器人分为可编程的通用机器人和固定程序的专用机器人。通用机器人通用性强，适用于多品种、小批量生产的场合；固定程序的专用机器人，顾名思义，程序不可改动，适合完成日复一日的大批量作业，它们一般采用液动或气动驱动，结构比较简单。10.23特种机器人分类特种机器人（服务机器人）是机器人家族中的一个年轻成员，按照服务范围和用途的不同，特种机器人可以分为民用和军用两大类。民用机器人又可分为：家务机器人、医用机器人、娱乐机器人、服务机器人、农业机器人等。军用机器人又可分为：排爆机器人、侦察机器人、战场机器人、扫雷机器人、空中机器人、水下机器人等。有些分支发展很快，如空中机器人，即无人机，广泛地应用于现代战争中。图10.9服务机器人 图10.10水下机器人10.3机器人技术主要内容10.3.1工业机器人主要涉及的技术近些年来，机器人行业发展迅速，机器人被广泛应用于各个领域尤其是工业领域，工业机器人的各个部件主要涉及到哪些技术，有哪些研究热点呢？机器人操作机结构采用有限元分析、模态分析及仿真设计等现代设计方法，实现机器人操作机构的优化设计。探索新的高强度轻质材料，进一步提高负载/自重比。采用先进的RV减速器及交流伺服电机，使机器人操作机构几乎成为免维护系统。机构向着模块化、可重构方向发展，使机器人的结构更加灵巧，控制系统愈来愈小，让二者朝着一体化方向发展。采用并联机构，利用机器人技术，实现高精度测量及加工，为实现机器人和数控技术一体化奠定了基础。机器人控制系统向基于PC机的开放型、模块化的控制器方向发展，大大提高系统的可靠性、易操作性和可维修性。使控制系统的性能进一步提高。研发更加友好的人机界面，研制语言、图形编程界面。除进一步提高在线编程的可操作性之外，实现离线编程的实用化。机器人传感技术除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了激光传感器、视觉传感器和力传感器，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，大大提高了机器人的作业性能和对环境的适应性。遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术。其研究热点在于有效可行的多传感器融合算法。另一问题就是传感系统的实用化。机器人遥控和监控技术在一些诸如核辐射、深水、有毒等高危险环境中进行焊接或其它作业时，需要有遥控的机器人代替人去工作。当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制。虚拟机器人技术在机器人的操作控制中采用虚拟现实技术的思想已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。基于多传感器、多媒体和虚拟现实以及临场感技术，实现机器人的虚拟遥操作和人机交互。10.3.2机器人行业中的十大前沿技术机器人行业的蓬勃发展，离不开先进的科研进步和技术支撑。以下，是机器人十大前沿技术：柔性机器人技术柔性材料具有能在大范围内任意改变自身形状的特点，柔性机器人技术是指采用柔韧性材料研发、设计和制造软体机器人，在管道故障检查、医疗诊断、侦查探测领域具有广泛应用前景。生肌电控制技术即利用人类上肢表面肌生物电信号来控制机器臂，在远程控制、医疗康复等领域有着较为广阔的应用。3.敏感触觉技术利用新型触觉传感器，让机器人有皮肤，对物体的外形、质地和硬度更加敏感，最终胜任医疗、勘探等一系列复杂工作。4.会话式智能交互技术使机器人不仅能理解用户的问题并给出精准答案，还能在信息不全的情况下主动引导完成会话。5.情感识别技术实现对人类情感甚至是心理活动的有效识别，使机器人获得类似人类的观察、理解、反应能力，可应用于机器人辅助医疗康复、刑侦鉴别等领域。6.用意念操控机器——脑机接口技术通过对神经系统的电活动和特征信号的收集、识别及转化，使人脑发出的指令能够直接传递给指定的机器终端，可应用于助残康复、灾害救援和娱乐体验。7.自动驾驶技术为人类提供自动化、智能化的装载和运输工具，并延伸到道路状况测试、国防军事安全等领域。8.虚拟现实机器人技术实现操作者对机器人的虚拟遥控操作，在维修检测、娱乐体验、现场救援、军事侦察等领域有应用价值。9.液态金属控制技术液态金属是一种不定型、可流动的液体金属，目前的技术重点主要集中在液态金属的铸造成型上，期望制造可变形液态机器人。10.机器人云服务技术机器人本身作为执行终端，通过云端进行存储与计算，即时响应需求和实现功能，有效实现数据互通和知识共享，为用户提供无限扩展、按需使用的新型机器人服务方式。10.4机器人常用传感器第2章所介绍的传感器的基本知识，对机器人当然是适用的。但是各种各样的机器人，所使用的传感器更加纷繁复杂，所以本节作适当补充。如今的机器人已具有类似人一样的肢体及感官功能，有一定程度的智能，动作程序灵活，在工作时可以不依赖人的操纵。而这一切都是由于使用了各种各样的传感器。传感器不仅使机器人具有视觉、力觉、触觉、嗅觉、味觉等对外部环境的感知能力，同时，传感器还可用来检测机器人自身的工作状态。10.4.1内部传感器和外部传感器根据检测对象的不同机器人使用的传感器分为内部传感器和外部传感器。内部传感器主要用来检测机器人各内部系统的状况，如各关节的位置、速度、加速度、温度、电机速度、电机载荷、电池电压等，并将所测得的信息作为反馈信息送至控制器，形成闭环控制。外部传感器是用来获取有关机器人的作业对象及外界环境等方面的信息，是机器人与周围交互工作的信息通道，用来执行视觉、接近觉、触觉、力觉等功能，比如测量距离、声音、光线等等。10.4.2机器人常用传感器1、视觉传感器机器人通过对视觉传感器获取的图像进行分析，实现判断、测量、定位等功能。视觉传感器的优点是探测范围广、获取信息丰富，实际应用中常使用多个视觉传感器或者与其它传感器配合使用，通过一定的算法就可以得到物体的形状、距离、速度等诸多信息。2、声觉传感器声觉传感器的作用相当于一个话筒（麦克风）。它用来接收声波，显示声音的振动图象。但不能对噪声的强度进行测量。声觉传感器主要用于感受和解释在气体（非接触感受）、液体或固体（接触感受）中的声波，可以从简单的声波存在检测到复杂的声波频率分析，直到对连续自然语言中单独语音和词汇的辨别。3、距离传感器距离传感器有激光测距仪（兼可测角）、声纳传感器等，近年来发展起来的激光雷达传感器是目前比较主流的一种，可用于机器人导航和回避障碍物，比如SLAMTEC－思岚科技研发的RPLIDARA2激光雷达可进行360度全方面扫描测距，来获取周围环境的轮廓图，采样频率高达每秒4000次。配合SLAMTEC－思岚科技的SLAMWARE自主定位导航方案可帮助机器人实现自主构建地图、实时路线规划与自动避开障碍物。4、触觉传感器触觉是人与外界环境直接接触时的重要感觉功能，研制满足要求的触觉传感器是机器人发展中的技术关键之一。这一类的传感器一般安装在抓手上用来检测和感觉所抓的物体是什么。随着微电子技术的发展和各种有机材料的出现，已经提出了多种多样的触觉传感器的研制方案，但目前大都属于实验室阶段，达到产品化的不多。5、接近觉传感器接近觉传感器可以测量距离和方位，而且可以融合视觉和触觉传感器的信息，辅助视觉系统的功能，来判断对象物体的方位、外形，同时识别其表面形状。这种传感器的主要作用是发现前方障碍物，限制机器人的运动范围，避免与障碍物发生碰撞。为了准确抓取部件，对机器人接近觉传感器的精度要求是非常高的。6、滑觉传感器滑觉传感器主要是用于检测机器人与抓握对象间滑移程度的传感器。为了在抓握物体时确定一个适当的握力值，需要实时检测接触表面的相对滑动，然后判断握力，在不损伤物体的情况下逐渐增加力量。滑觉检测功能是实现机器人柔性抓握的必备条件。7、力觉传感器力觉传感器是用来检测机器人自身力与外部环境力之间相互作用力的传感器。力觉传感器用于测量两物体之间作用力的三个分量和力矩的三个分量。力觉传感器经常装于机器人的关节处，通过检测弹性体变形来间接测量所受的力。装于机器人关节处的力觉传感器常以固定的三坐标形式出现，有利于满足控制系统的要求。目前出现的六维力觉传感器可实现全力信息的测量，因其主要安装于腕关节处被称为腕力觉传感器。腕力觉传感器大部分采用应变电测原理，按其弹性体结构形式可分为两种，筒式和十字形腕力觉传感器。其中筒式具有结构简单、弹性梁利用率高、灵敏度高的特点；十字形的传感器结构简单、坐标建立容易，但加工精度高。8、速度和加速度传感器速度传感器有测量平移运动速度和旋转运动速度两种，但大多数情况下，只限于测量旋转速度。利用位移的导数，特别是光电方法让光照射旋转圆盘，检测出旋转频率和脉冲数目，以求出旋转角度；也可以利用有缝隙的圆盘，通过光电二极管辨别出角速度，即转速，这就是光电脉冲式转速传感器。加速度传感器通常由质量块、阻尼器、弹性元件、敏感元件和适调电路等部分组成。在加速过程中，通过对质量块所受惯性力的测量，利用牛顿第二定律获得加速度值。根据传感器敏感元件的不同，常见的加速度传感器包括电容式、电感式、应变式、压阻式、压电式等。9.其它传感器（1）碰撞检测传感器这种传感器的主要应用是为作业人员提供一个安全的工作环境。一些碰撞检测传感器可以是某种触觉识别系统，利用柔软的表面感知压力，如果感知到压力，将给机器人发送信号，限制或停止机器人的运动。有些传感器还可以直接内置在机器人中。有些公司利用加速度计反馈，还有些则使用电流反馈。在这两种情况下，当机器人感知到异常的力度时，触发紧急停止，从而确保安全。但是在机器人停止之前，你还是会被它撞到。因此最安全的环境是完全没有碰撞风险的环境。（2）零件检测传感器在零件拾取应用中，（假设没有视觉系统），机器人无法知道抓手是否正确抓取了零件，而零件检测传感器可以为机器人提供抓手位置的反馈。例如，如果抓手漏掉了一个零件，传感器就会检测到这个错误，使机器人重复操作一次，以确保零件被正确抓取。市场上还有很多的传感器适用于不同的应用，例如焊缝追踪传感器等。机器人要想做到如人类般的灵敏，视觉传感器、声觉传感器、距离传感器、触觉传感器、接近觉传感器、力觉传感器、滑觉传感器、速度和加速度传感器这8种传感器对机器人极为重要，尤其是机器人的5大感官传感器是必不可少的。从拟人功能出发，视觉、力觉、触觉最为重要，目前已进入实用阶段，但听觉、嗅觉、味觉、滑觉等对应的传感器还等待一一攻克。10.5机器人的驱动系统驱动系统是机器人结构中的重要部分。机器人的驱动器对应于控制系统的执行器，第3章所介绍的执行器的基本知识，对机器人当然是适用的。但是各种各样的机器人，所使用的驱动器更加纷繁复杂，所以本节作适当补充。对机器人驱动系统由如下要求：驱动系统质量要尽可能轻，单位质量的输出功率大，效率高。反应速度快，力质量比和力矩转动惯量比大。动作平滑，不产生冲击。控制灵活，位移偏差和速度偏差小，安全可靠。操作维修方便。10.5.1传统驱动器机器人系统的驱动器有各种各样的形式，如果根据所需能量的形式（液压、气动和电动）和输出机构的特性来进行分类，也是分为气动、电动和液压三类执行器，它们是机器人系统使用的传统驱动器。10.5.2新型驱动器1.磁致伸缩驱动某些铁磁材料和亚铁磁材料由于磁化状态的改变,其长度和体积都要发生微小的变化,这种现象称为磁致伸缩，利用这种现象制作的驱动器称为磁致伸缩驱动器。1972年，clark等首先发现laves相稀土-铁化合物RFe2(R代表稀土元素Tb、Dy、Ho、Er、Sm及Tm等)的磁致伸缩在室温下是Fe、Ni等传统磁致伸缩材料的100倍，这种材料称为超磁致伸缩材料。从那时起，对磁致伸缩效应的研究再次引起了学术界和工业界的注意。超磁致伸缩材料具有伸缩效应大，机电耦合系数高，响应速度快，输出力大等特点，因此，它的出现为新型驱动器的研制与开发提供了一种行之有效的方法，并引起了国际上的极大关注。20世纪80年代末，德国柏林大学KieseWetter教授就利用超磁致伸缩材料制作了世界上第一台超磁致伸缩驱动器，已在造纸工业中进行商业化应用。图10.11超磁致伸缩驱动器结构简图2.形状记忆合金驱动器(1）形状记忆合金形状记忆合金是一种特殊的合金，一旦让它记忆了任何形状，即使产生变形，但当将合金加热到某一适当温度，它就能恢复到变形前的状态，即它记忆的状态。形状记忆合金具有3个特点：①变形量大。②变位方向自由度大。③变位可急剧发生。所以，形状记忆合金的驱动能力具有位移较大、功率重量比高、变位迅速、方向自由的特点，特别适用于小负载高速度、高精度的机器人装配作业、显微镜内样品移动装置、反应堆驱动装置、医用内窥镜、人工心脏、探测器、保护器等产品。（2）形状记忆合金驱动器及特点利用合金的形状记忆特性制造的驱动器即为形状记忆合金驱动器。它可以直接实现各种直线运动或者曲线运动轨迹，而不需要任何机械传动装置。形状记忆合金驱动器具有以下特点：①由于不需要任何机械传动装置，可以做成非常简单的形式，有利于微型化，也有利于降低成本，提高系统的可靠性。②工作时不存在外摩擦，因此无噪声，无污染。③实现形状转变的常用热源来自于电流通过金属时金属自身电阻所产生的热量，即形状记忆合金是依靠电流驱动的。其导线直径非常小，不会妨碍机器人的运动，因此，形状记忆合金驱动器便于独立控制。④形状记忆合金的电阻和其相变过程之间存在一定的对应关系，因此利用形状记忆合金的电阻值可以确定驱动器的位移量和作用在驱动器上的力，也就是说，形状记忆合金具有传感功能，从而使形状记忆合金驱动器的控制系统变得非常简单。⑤最适合制造微机器人驱动器的形状记忆合金TiNi合金，可以用5V或12V的控制电路的电源，从而简化系统。3．超声波电机超声波电机的工作原理是用超声波激励弹性体定子，使其表面形成椭圆运动，由于其与转子(或滑块)接触，在摩擦的作用下使转子转动(或滑块移动)，从而将摩擦传动转换成运动体的回转或直线运动。图10.12环形行波型超声波电机的定子和转子图10.13环形行波型超声波电机装配图图10.12为环形行波型超声波电机的定子和转子。超声波电机中既没有线圈，也没有永磁体，其定子由永磁体和压电陶瓷组成，转子是一个金属板，定子和转子在压力下紧密接触，为了减少定子和转子之间的相对运动产生的摩擦，一般在二者之间加一层摩擦材料。对极化后的压电陶瓷元件施加一定的高频交变电压，压电陶瓷便随着高频电压幅值的变化而膨胀或收缩，从而在定子弹性体内激发出超声波振动，这种振动传递给与定子紧密接触的摩擦材料，从而驱动转子旋转。图10.13为环形行波型超声波电机的装配图。超声波电机的负载特性与DC电机相似，将超声波电机与DC电机进行比较，它的特点有：①低速大转矩，无需齿轮减速机构，结构简单紧凑，可实现直接驱动。②转矩重量比高，同样的尺寸，能得到大的转矩，而且能保持大转矩。③动作响应快（毫秒级），控制性能好。④不产生磁场，也不受外界磁场影响。⑤运行噪声小。⑥断电自锁。⑦外形的自由度大等。但是，超声波电机也有一些不足：摩擦损耗大，效率低，只有10-40%。输出功率小，目前实际应用的只有10w左右。③寿命短，只有1000-5000h，不适合连续工作。4.静电驱动器静电驱动器利用电荷间引力和排斥力的互相作用顺序驱动电极而产生平移或旋转运动。因静电作用属于表面力，作用力大小和元件尺寸的二次方成正比，在尺寸很微小时，能够产生很足的电量。静电驱动器有各种各样的形式，目前开发的静电驱动器绝大部分是基于在相对的电极之间施加电压，储蓄电荷，从而得到静电力的结构。静电驱动器有回转型和直线型两种。驱动时，将转子当做接地电极，长方形或扇形定子作为另一极，通过顺次移动加在定子上的电压，从而使定子与转子间产生引力与排斥力，就可以实现回转或直线移动。静电驱动器的位置和速度控制需要转子位置检测电路。（4）静电驱动器一般的特点是：有比较简单的平面结构；伴随着微型化，单位体积的发生力增加；适合薄膜成形，即所谓的刻饰微细加工；可以薄型化和多层化；保持动作时不消耗能量等。静电驱动器作为实现人工筋肉的一种方法,受到了人们的关注。5．压电驱动器/p-1071225481.html压电效应的原理是，如果对压电材料施加压力，它就会产生电位差（称为正压电效应）；反之，若对压电材料施加电压，它就会产生机械应力（称为逆压电效应）。压电材料具有低压驱动、控制方便、易于微型化、对环境影响小以及无电磁干扰等优点。压电驱动器正是利用逆压电效应，将电能转变为机械能或机械运动的装置。压电体逆效应的利用可以有动态和静态两种方式。动态是利用压电体的振动功能，将压电体作为振子或振子的激励源使用，主要用于能量较大而需要持续转换的场合，如超声波电动机和超声波轴承等。静态方式指直接利用压电体的静变形构造驱动功能，无需另外的能量转换装置，主要用于变形要求较小而精度要求较高的场合，如精密位移驱动器，压电伺服阀等。压电双晶片是在金属片的两面黏贴两个极性相反的压电薄膜或薄片，由于压电体的逆压电效应，当单向电压加在压电双晶片厚度方向时，压电双晶片的一片收缩，另一片伸长，从而引起压电双晶片的定向弯曲而产生微位移。图10.14足式压电微执行器图10.14是一种典型的应用于微型管道机器人的足式压电微执行器。它有一个压电双晶薄片，在双晶薄片上下侧贴有类鳍型弹性体足。在电压信号作用下，压电双晶片会产生周期性的定向弯曲，使得上下弹性体与管道接触处的摩擦力不同，从而推动执行器向前移动。压电双晶片驱动器的优点是其位移量比叠层式的驱动器的位移量大，因此机器人的运动速度比较快，但是由于受到双晶片尺寸的限制，其直径一般大于20mm，不适合在直径较小的管道中使用。10.6机器人控制系统10.6.1机器人控制系统的基本概念 1.机器人控制系统的类型机器人控制系统按其控制方式可分集中控制系统、主从控制系统及分散控制系统。（1）集中控制系统：用一台计算机实现全部控制功能，结构简单，成本低，但实时性差，难以扩展，在早期的机器人中常采用这种结构。基于PC的集中控制系统里，充分利用了PC资源开放性的特点，可以实现很好的开放性：多种控制卡，传感器设备等都可以通过标准PCI插槽或通过标准串口、并口集成到控制系统中。集中式控制系统的优点是：硬件成本较低，便于信息的采集和分析，易于实现系统的最优控制，整体性与协调性较好，基于PC的系统硬件扩展较为方便。（2）主从控制系统：采用主、从两级处理器实现系统的全部控制功能。主CPU实现管理、坐标变换、轨迹生成和系统自诊断等：从CPU实现所有关节的动作控制。主从控制方式系统实时性较好，适于高精度、高速度控制，但其系统扩展性较差，维修困难。（3）分散控制系统：按系统的性质和方式将系统控制分成几个模块，每一个模块各有不同的控制任务和控制策略，各模式之间可以是主从关系，也可以是平等关系。这种方式实时性好，易于实现高速、高精度控制，易于扩展，可实现智能控制，是目前流行的方式，系统灵活性好，控制系统的危险性降低，采用多处理器的分散控制，有利于系统功能的并行执行，提高系统的处理效率，缩短响应时间。 2.机器人控制系统的特点工业机器人控制系统的主要任务是控制机器人在工作空间中的运动位置、姿态和轨迹，操作顺序及动作的时间等。它同时具有编程简单、软件菜单操作、友好的人机交互界面、在线操作提示和使用方便等特点。机器人从结构上讲属于一个空间开链机构，其中各个关节的运动是独立的，为了实现末端点的运动轨迹，需要多关节的运动协调，机器人的自由度越高，位移精准度也愈出色，然所须使用的伺服电机数量就相对较多，对控制器性能要求也越高，其控制系统较普通的控制系统要复杂得多。机器人控制系统有如下特点：（1）机器人的控制是与机构运动学和动力学密切相关的。在各种坐标下都可以对机器人手足的状态进行描述，应根据具体的需要对参考坐标系进行选择，并要做适当的坐标变换。经常需要正向运动学和反向运动学的解，除此之外还需要考虑惯性力、外力（包括重力）和向心力的影响。（2）即使是一个较简单的机器人，也至少需要3～5个自由度，比较复杂的机器人则需要十几个甚至几十个自由度。每一个自由度一般都包含一个伺服机构，它们必须协调起来，组成一个多变量控制系统。（3）由计算机来实现多个独立的伺服系统的协调控制和使机器人按照人的意志行动，甚至赋予机器人一定“智能”的任务。所以，机器人控制系统一定是一个计算机控制系统。同时，计算机软件担负着艰巨的任务。（4）由于描述机器人状态和运动的是一个非线性数学模型，随着状态的改变和外力的变化，其参数也随之变化，并且各变量之间还存在耦合。所以，只使用位置闭环是不够的，还必须要采用速度甚至加速度闭环。系统中经常使用重力补偿、前馈、解耦或自适应控制等方法。（5）由于机器人的动作往往可以通过不同的方式和路径来完成，所以存在一个“最优”的问题。对于较高级的机器人可采用人工智能的方法，根据传感器和模式识别的方法获得对象及环境的工况，利用计算机建立庞大的信息库，按照给定的指标要求，借助信息库进行控制、决策、管理和操作，自动地选择最佳的控制规律。综上所述，机器人的控制系统是一个与运动学和动力学原理密切相关的、有耦合的、非线性的多变量控制系统，所以经典控制理论和现代控制理论都不能照搬使用，到目前为止，机器人控制理论还不够完整和系统。10.6.2机器人控制系统的运动控制方式1.位置控制方式这种控制方式只对机器人末端执行器在作业空间中某些规定的离散点上的位姿进行控制。在控制时，只要求机器人能够快速、准确地在相邻各点之间运动，对达到目标点的运动轨迹则不作任何规定。定位精度和运动所需的时间是这种控制方式的两个主要技术指标。这种控制方式具有实现容易、定位精度要求不高的特点，因此，常被应用在上下料、搬运、点焊和在电路板上安插元件等只要求目标点处保持末端执行器位姿准确的作业中。这种方式比较简单，但是要达到2～3um的定位精度是相当困难的。运动轨迹控制（1）连续轨迹控制这种控制方式是对机器人末端执行器在作业空间中的位姿进行连续的控制，要求其严格按照预定的轨迹和速度在一定的精度范围内运动，而且速度可控，轨迹光滑，运动平稳，以完成作业任务。机器人各关节连续、同步地进行相应的运动，其末端执行器即可形成连续的轨迹。这种控制方式的主要技术指标是机器人末端执行器位姿的轨迹跟踪精度及平稳性，通常弧焊、喷漆、去毛边和检测作业机器人都采用这种控制方式。（2）速度控制有时候，在位置控制或者轨迹控制的同时，还要求对运动速度进行控制。因为机器人是一种工作情况（行程负载）多变、惯性负载大的运动机械，任何剧烈的速度变化都会造成机器人运动的不稳定，要解决快速和平稳的矛盾，必须控制起动时的加速过程和停止时的减速过程。力矩控制方式在进行装配、抓放物体等工作时，除了要求准确定位之外，还要求所使用的力或力矩必须合适，这时必须要使用（力矩）控制方式。这种控制方式的原理与位置伺服控制原理基本相同，只不过输入量和反馈量不是位置信号，而是力（力矩）信号，所以该系统中必须有力（力矩）\o"传感器"传感器。有时也利用接近、滑动等传感功能进行自适应式控制。4.智能控制方式机器人的智能控制是通过传感器获得周围环境的知识，并根据自身内部的知识库作出相应的决策。采用智能控制技术，使机器人具有较强的环境适应性及自学习能力。智能控制技术的发展有赖于近年来人工神经网络、基因算法、遗传算法、专家系统等人工智能的迅速发展。也许这种控制模式，使工业机器人才真正有了“人工智能”的味道，不过也是最难控制得好的，除了算法外，也严重依赖于元件的精度。10.7机器人发展历史和发展趋势10.7.1机器人发展历史机器人是集机械、电子、控制、传感、人工智能等多学科先进技术于一体的自动化装备。世界上第一台机器人是在1959年，由享有“机器人之父”美誉的恩格尔伯格先生发明的，经过近60年发展，机器人已经被广泛应用在装备制造、新材料、生物医药、智慧新能源等高新产业。机器人技术与人工智能技术、先进制造技术和移动互联网技术的融合发展，推动了人类社会生活方式的变革。机器人技术的发展，大致经历了3代。第一代机器人是简单的示教再现型机器人，这类机器人需要使用者事先教给它们动作顺序和运动路径，再不断地重复这些动作。目前在汽车工业和电子工业自动线上大量使用的就是这类机器人。它们基本上没有感觉也不会思考。

第二代机器人是低级智能机器人，或称感觉机器人。和第一代机器人相比，低级智能机器人具有一定的感觉系统，能获取外界环境和操作对象的简单信息，可对外界环境的变化做出简单的判断并相应调整自己的动作，以减少工作出错、产品报废。因此这类机器人又被称为自适应机器人。20世纪90年代以来，在生产企业中这类机器人的台数正逐年增加。

第三代机器人是高级智能机器人。它不但有第二代机器人的感觉功能和简单的自适应能力，而且能充分识别工作对象和工作环境，并能根据人给的指令和它自身的判断结果自动确定与之相适应的动作。这类机器人目前尚处于实验室研究探索阶段。10.7.2我国机器人行业的现状和前景从2010年开始，我国也积极投身到机器人产业的发展之中，在经过了起步、爆发与加速之后，如今产业的发展已经日趋平稳。当前，我国机器人市场进入高速增长期，工业机器人连续五年成为全球第一大应用市场，服务机器人需求潜力巨大，核心零部件国产化进程不断加快，创新型企业大量涌现，部分技术已可形成规模化产品，并在某些领域具有明显优势。那么，在这段长时间的沉淀与发展过程中，我国机器人行业究竟展现出了怎样的现状和前景呢？未来又有哪些发展的趋势和关键需要掌握呢？国内市场发展平稳快速1959年，第一台工业机器人在美国问世之后，全球逐渐进入到关于机器人的研发和应用热潮之中。我国虽然引进与起步发展的时间较晚，但在生产和生活领域，机器人的融合应用水平也毫不逊色。在装备制造方面，越来越多的机械臂已经凭借高负载、高精准的操作能力取代了工人的双手；在物流配送方面，智能仓储机器人和无人搬运车也不断提高着运输效率；同时在生活服务方面，家用机器人与服务机器人也正努力成为每一个家庭的标配......。近年来，我国机器人产业的整体发展趋势也呈现出明显的较快增长，从2012-2017年，5年来的平均增速接近60%，市场规模和需求双双占据全球首位！我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人，6000米水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种；在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。在2018年的世界机器人大会上，协会主席曾感慨：“纵观全球工业机器人市场，主要应用领域是搬运材料和焊接，主要应用行业是汽车和电子制造业，主要使用地区是中国。”这不仅道出了我国机器人市场的发展实际，更展现出国内市场的强劲需求，未来发展前景令人看好。前进路上机遇挑战并存不过，产业发展有喜亦有忧，政策、需求和销量等方面带来良好机遇的同时，技术、应用和规范等方面也面临着严峻考验。目前，随着机器人发展进入2.0时代，过去以设备速度、精度、负载和可靠性建立的衡量指标，已经逐渐被设备自主决策能力、运动和交互能力等取代，新性能变化带来的新要求对不少企业的技术实力和研发创新能力带来了挑战。同时行业人士认为，当下机器人的发展趋势也已经不限于工业制造领域，通过人工智能、物联网、大数据等技术的加持，正逐渐进入到艺术、文学等各个行业。面对这