机器人的设计方案

机器人

机器人是众所周知的一种高新技术产品，然而，“机器人”一词最早并不是一个技术名词，而且至今尚未形成统一的、严格而准确的定义。“机器人”最早出现在上个世纪20年代初期捷克的一个科幻内容的话剧中，剧中虚构了一种称为Robota（捷克文，意为苦力、劳役）的人形机器，可以听从主人的命令任劳任怨地从事各种劳动。实际上，真正能够代替人类进行生产劳动的机器人，是在20世纪60年代才问世的。伴随着机械工程、电气工程、控制技术以及信息技术等相关科技的不断发展，到20世纪80年代，机器人开始在汽车制造业、电机制造业等工业生产中大量采用。现在，机器人不仅在工业，而且在农业、商业、医疗、旅游、空间、海洋以及国防等诸多领域获得越来越广泛的应用。

一、机器人的发展史

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

由英格伯格负责设计机器人的“手”、“脚”、“身体”，即机器人的机械部分和完成操作部分；由德沃尔设计机器人的“头脑”、“神经系统”、“肌肉系统”，即机器人的控制装置和驱动装置。它成为世界上第一台真正的实用工业机器人。

这种机器人外形有点像坦克炮塔，基座上有一个大机械臂，大臂可绕轴在基座上转动，大臂上又伸出一个小机械臂，它相对大臂可以伸出或缩回。小臂顶有一个腕子，可绕小臂转动，进行俯仰和侧摇。腕子前头是手，即操作器。这个机器人的功能和人手臂功能相似。

此后英格伯格和德沃尔成立了“Unimation”公司，兴办了世界上第一家机器人制造工厂。第一批工业机器人被称为“尤尼梅特(UNIMATE)”，意思是“万能自动”。他们因此被称为机器人之父。

1962年美国机械与铸造公司也制造出工业机器人，称为“沃尔萨特兰(VERSTRAN)”，意思是“万能搬动”。

”尤尼梅特”和“沃尔萨特兰”就成为世界上最早的、至今仍在使用的工业机器人。

二、机器人的分类

机器人根据其应用方式的不同可分为以下几类：

家务型机器人：能帮助人们打理生活，做简单的家务活。

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：按照预先要求的顺序及条件，依次控制机器人的机械动作。如机器人闹钟。

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，机器人则自动重复进行作业。

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：能适应环境的变化，控制其自身的行动。

学习控制型机器人：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。

智能机器人：以人工智能决定其行动的机器人。

三、机器人的主要部件

虽然机器人的机械、电气和计算的结构千差万别，但大多数有四个共同的主要部件：（1）机械手（机械单元）；（2）一个或一个以上的传感器；（3）控制器（大脑）；（4）动力源。

（一）机械手

它是机器人的工作装置，以关节连在一起的许多连杆集合体，形成开环的运动学链系，包括齿轮、联轴器等。它在各个方向都能运动，而这些运动认为是机器人在“做工”。

按关节—连杆结构所构成的机械手，一般有三个主要结构部件，即臂、腕和手。除大多数机械手还含有使各种机械部件产生运动的装置，这些装置称为驱动部件，可以是气动的、液压的或电动的。它们总是直接或间接地与臂的不同机械连杆或关节（轴）连结在一起。在间接连结的情况下，可以使用齿轮、皮带、链条、谐波驱动装置或丝杠来传动。

传感器

传感器将有关机械手的信息传递给机器人的控制器。信息传递可连续进行，或在预定动作终了时进行。

近代机器人所用的传感器可分为视觉和非视觉两大类。视觉类包括光导摄像管、电荷耦合器件或电荷注入器件、TV摄像机。非视觉类包括限位开关、位置传感器、速度传感器以及力和触觉传感器。它们用于跟踪、目标识别或目标捕获。

（三）控制器

机器人的控制器一般执行三个功能：

1、使机械手各部件按规定程序在规定的点开始和结束动作；

2、将位置和程序的信息存储在存储器中；

3、是机器人通过装在工作区域的传感器了解“外部”环境并相互联系。

机器人控制器一般有以下几种：

简单步骤顺序控制器；

启动逻辑系统；

电子程序控制器；

微型计算机；

小型计算机。

（四）功率变换单元

它为机械手的驱动部件供给必需的能量，对于伺服电机驱动系统是功率放大器，对于气动或液压设备，可以是装在远处的压缩机。

机器人的应用

（一）焊接

焊接作业是机器人的主要用途之一。现代机器人主要应用于两类性质的焊接作业，即点焊和弧焊。对于点焊作业，一般情况下机器人所夹持的的焊接工具都大而重，通常还要求机械手具有大的活动范围。对于弧焊，它经常用于焊接形状不规则的或较宽的焊缝。该机器人焊机的主要优点是发弧时间能够严格控制。

（二）喷漆

由于可能发生火灾，雾状漆还会挚爱，人不适宜从事喷漆作业，因此，喷漆作业是机器人的特有用途。一般由优秀的喷漆师给喷漆机器人编程，他的动作由一台或多台机器人模仿出来。

（三）零部件的装卸和传送

将零部件或物体从某一位置移到工作区的另一个位置，是机器人的最常见的用途之一。在金属加工中，一种常见的任务是热压加工。因为要求人在加热的窑炉、冲压床、车间或手摇钻床附近工作，这样的工作有危险。而机器人能耐高温环境，程序编好了就可以防止与其他机加工工具碰撞。

（四）零部件的组装

人可以利用眼—手的良好协调动作，再加上触觉，将一组不同的零件组装起来制成成品或半成品，但组装工作令人感到乏味，故组装作业是机器人的一项诱人的用途。

在某些组装作业中，机器人腕部的柔顺性显得特别重要。例如，将轴或杆插在小孔里。为了预防杆被卡住，在端部操纵装置和机器人的腕部法兰之间常用一个远距定心柔性装置（RCC）。另一方面，可利用力觉或触觉的反馈信号获得良好的外部感知能力。

（五）磨削

磨削机器人主要的用途有除焊珠、修整表面，打毛刺等。在这些磨削用途中，被加工的部件尺寸常有误差，需要传感器的信息使机器人能精确地“感知”到零部件真实的外形轮廓。

（六）其他用途

五、国内外机器人的发展

美国作为机器人的诞生地，基础雄厚，技术先进现已成为世界上的机器人强国之一。其机器人技术全面、先进，适应性也很强。具体表现在：

性能可靠，功能全面，精确度高；

机器人语言研究发展较快，语言类型多、应用广；

智能技术发展快，其视觉、触觉等人工智能技术已在航天、汽车工业中广泛应用；高智能、高难度的军用机器人、太空机器人等发展迅速。