6.7机器人介绍

机器人介绍

1.机器人的定义

机器人是一种具有与人或生物相似的智能和高度灵活性的自动化机器。机器人技术的本质是感知、决策、行动和交互技术的结合。机器人系统和技术集机械、精密机械、计算机技术、自动控制技术、传感器技术、人工智能等技术之大成，是典型的机电一体化技术。

随着科学技术发展，机器人的含义也在不断地拓宽，一般可以归结机器人特征大致有以下三方面：

（1）像人或人的上肢，能模拟人的动作。

（2）具有智能控制。

（3）机械或电子装置。

机器人一般由执行机构、驱动装置、检测装置和控制系统和复杂机械等组成。

2.机器人的发展

作为20世纪人类最伟大发明之一，自六十年代问世以来，已经取得实质性的进步和成果。机器人的发展代表着国家综合实力和水平。目前，许多先进工业发达国家将机器人技术列为本国的高新技术发展纲要，足以看出大力发展机器人的重要性。

机器人近年来发展呈现两种趋势：在横向上，应用领域不断由传统制造领域向人类工作生活等社会方向延伸，种类逐渐增多。另一方面是纵向上，随着智能化及虚拟现实技术等不断的完善，机器人需要范围不断地扩展，应用扩大，遍布于工业、科技、国防等各部门，大部分机器人水平将提高到更智能的水平。

在传统生产制造领域，工业机器人经过诞生、成长、成熟期后，成为了制造业中不可或缺的核心自动化装备，现在约有百万台工业机器人活跃在各个生产现场。在非传统制造领域，特种机器人由于其独特特征，近年来发展十分迅速，服务机器人、水下机器人、医疗机器人、娱乐机器人纷纷问世，并且正在向实用性迈进。

机构学，自控理论，计算机技术的快速发展带动了机器人的全面发展，传统的机器人由欠自由度操作臂发展到冗余度操作臂、行走机器人、拟人机器人、多机器人系统等多种形式。生产技术从大批量生产自动化向小批量多品种生产自动化的转变。由于工业机器人能大大的提高生产的柔性而广泛渗透到各行业，逐渐形成了工业机器人产业。生产的效率和产品的合格率都得到了很大的改进。同时，少数工业化国家开展了具有视觉、嗅觉、触觉、多臂、避障等特殊条件下的各种机器人的研究。

可见机器人作为21世纪机械电子、信息控制技术的集中体现和各学科的交叉代表，不仅被广泛的应用在先进国家的各种传统工作操作作业中（如：工件抓

取、电子元件装配、汽车喷漆焊接等）发挥着无可替代的作用，而且逐渐的向航空航天工程、生命科学工程和先进制造工程等高科技领域以及社会服务业发展，这将会对社会的进步，科学探索和高速发展产生深远的影响。

3.机器人的功能需求

3.1机器人功能目标一般包括：

（1）机器人自由度需满足要求，保留一定的自由度余量供扩展。

（2）机器人应当具有完善的运动控制系统，易于编程控制机器人的动作。

（3）具有通信接口

（4）具有传感器接口，可根据外部的条件变化做出不同的反应。

（5）硬件系统具有一定的耐用性，机器人模块损坏易于维修。

（6）成本控制符合对应的消费群体。

3.1机器人按需求类型大致分为以下十种：

家务型：能帮助人们打理生活，做简单的家务活。

操作型：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：预先要求的顺序及条件，依次控制机器人的机械动作。

数控型：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。

搜救类：在大型灾难后，能进入人进入不了的废墟中，用红外线扫描废墟中的景象，把信息传送给在外面的搜救人员。

示教再现型：通过引导或其它方式，先教会机器人动作，输入工作程序，机器人则自动重复进行作业。

感觉控制型：利用传感器获取的信息控制机器人的动作。

适应控制型：能适应环境的变化，控制其自身的行动。

学习控制型：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。

智能：以人工智能决定其行动的机器人。

4.机器人系统设计

当前各种各样的机器人虽然外形、功能等差别很大，但是从总的结构上来看，主要都是由两部分构成：机械结构和控制系统。

4.1 机械结构结构设计

机械部分是整个机器人的躯干，承载着控制部分和负载。机械部分的设计核心在于肢体的设计。肢体承载着整个机器人的自重和负载。所以，肢体的驱动机构设计首先要能提供足够的驱动力。其次，肢体的机构要尽可能的简单，不能过

于复杂，杆件太多会使结构冗余并且传动困难。对肢体机构的要求主要包括以下几个方面：

4.1.1 轨迹规划与动力学仿真

在机器人的研究领域中，机器人的运动学和动力学分析是必须面对和解决的两个基本问题。因此在对机器人进行设计研究时首先要进行运动学和动力学分析，根据需求规划运动轨迹与行走步态。

4.1.2 执行机构的确定

机器人肢体一般采用连杆机构，其中的运动副（转动副或移动副）常称为关节，关节个数通常即为机器人的自由度数。根据关节配置型式和运动坐标形式的不同，机器人执行机构可分为直角坐标式、圆柱坐标式、极坐标式和关节坐标式等类型。出于拟人化的考虑，常将机器人本体的有关部位分别称为基座、腰部、臂部、腕部、手部（夹持器或末端执行器）和行走部（对于移动机器人）等。4.1.3 驱动方案的选择

在关节驱动方案中，常用的有三种：电动缸驱动、液压驱动、气压驱动、电机驱动。四种方案各有优点和缺点。是驱使执行机构运动的机构，按照控制系统发出的指令信号，借助于动力元件使机器人进行动作。

●电动缸驱动

与传统气缸相比，电动缸充分发挥了电机的精确位置控制，精确速度控制以及精确推力控制的优势。同时具有低噪音，低振动，高速，节能，可任意加入中间定位点，超长寿命等特点，并可以在恶劣环境下无故障连续工作，防护等级较高。

●液压驱动

液压驱动方式采用伺服控制，精度较高，承载力大，可做大型机器人。但缺点是：对环境要求高，后期维护不方便。

●气压驱动

气压驱动方式是最简单的，使用压力通常在0.4～0.8Mpa，质量轻，成本低，但气压伺服可实现的位置精度低。气压驱动优点是：气源方便，驱动系统具有缓冲性，结构简单，成本低，工作环境要求低。缺点是：推力小，装置体积大，控制精度不准确。这些缺点都是不选择气压驱动作为机器人驱动形式的原因。

●电机驱动

电机驱动是指利用电机产生动力，经减速机构对负载进行驱动，从而实现机器人的运动。电机驱动时目前机器人设计中最常用的一种驱动形式。特点是：控制简便，运动精度高，响应精确，驱动力较大，信号处理方便，成本低廉，可以采用多种灵活的传动方式。

4.1.4工作空间

为了对机器人的路径规划和运动控制等进行研究，必须考虑机器人的工作空