机电一体化典型实例

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8 机电一体化系统典型实例

8.1 机器人

8.1.1 概述

机器人是能够自动识别对象或其动作，根据识别，自动决定应采取动作的自动化装置。

它能模拟人的手、臂的部分动作，实现抓取、搬运工件或操纵工具等。它综合了精密机械技

术、微电子技术、检测传感技术和自动控制技术等领域的最新成果，是具有发展前途的机电

一体化典型产品。机器人技术的应用会越来越广，将对人类的生产和生活产生巨大的影响。

可以说，任何一个国家如不拥有一定数量和质量的机器人，就不具备进行国际竞争所必需的

工业基础。

机器人的发展大致经过了三个阶段。 第一代机器人为示教再现型机器人，为了让机器人

完成某项作业，首先由操作者将完成该作业所需的各种知识（如运动轨迹、作业条件、作业

顺序、作业时间等）通过直接或间接的手段，对机器人进行示教，机器人将这些知识记忆下

来，然后根据再现指令，在一定的精度范围内，忠实地重复再现各种被示教的动作。第二代

机器人通常是指具有某种智能（如触觉、力觉、视觉等）的机器人，即由传感器得到的触觉、

听觉、视觉等信息经计算机处理后，控制机器人完成相应的操作。第三代机器人通常是指具

有高级智能的机器人，其特点是具有自学习和逻辑判断能力，可以通过各类传感器获取信息，

经过思考做出决策，以完成更复杂的操作。

一般认为机器人具备以下要素：思维系统（相当于脑），工作系统（相当于手），移动系

统（相当于脚），非接触传感器（相当于耳、鼻、目）和接触传感器（相当于皮肤）（图8-1）。

如果对机器人的能力评价标准与对生物能力的评价标准一样，即从智能、机能和物理能三个

方面进行评价，机器人能力与生物能力具有一定的相似性。图8-2是以智能度、机能度和物

理能度三座标表示的“生物空间”，这里，机能度是指变通性或通用性以及空间占有性等；物

理能度包括力、速度、连续运行能力、均一性、可靠性等；智能度则指感觉、知觉、记忆、

运算逻辑、学习、鉴定、综合判断等。把这些概括起来可以说，机器人是具有生物空间三座

标的三元机械。某些工程机械有移动性，占有空间不固定性，因而是二元机械。计算机等信

息处理机，除物理能之外，还有若干智能，因而也属于二元机械。而一般机械都只有物理能，

所以都是一元机械。

8.1.2 机器人的组成及基本机能

机器人一般由执行系统、驱动系统、控制系统，检测传感系统和人工智能系统等组成，

各系统功能如下所述。 ① 执行系统。执行系统是完成抓取工件（或工具）实现所需运动的机械部件，包括手部、

信息处理机

图8-2生物空间

图8-1机器人三要素

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腕部、臂部、机身以及行走机构。

② 驱动系统。驱动系统的作用是向执行机构提供动力。随驱动目标的不同，驱动系统的传动方式有液动、气动、电动和机械式四种。

③ 控制系统。控制系统是机器人的指挥中心，它控制机器人按规定的程序运动。控制系统可记忆各种指令信息（如动作顺序，运动轨迹，运动速度及时间等），同时按指令信息向各执行元件发出指令。必要时还可对机器人动作进行监视，当动作有误或发生故障时即发出警报信号。

④ 检测传感系统。它主要检测机器人执行系统的运动位置、状态，并随时将执行系统的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行系统以一定的精度达到设定的位置状态。

⑤ 人工智能系统。该系统主要赋予机器人自动识别、判断和适应性操作。

8.1.4 BJDP-1型机器人

该机器人是全电动式、五自由度、具有连续轨迹控制等功能的多关节型示教再现机器人，用于高噪声，高粉尘等恶环境的喷砂作业。

该机器人的五个自由度，分别是立柱回转（L ）、大臂回转（D ）小臂回转（X ）、腕部俯仰（W1）和腕部转动（W2），其机构原理如图8-3所示，机构的传动关系如图8-4所示。

8.2视觉传感式变量喷药系统简介 在农业方面，近年来发达国家（如美国、英国）都投入大量资金进行现代农业技术的开发。先后开发出了精确变量播种机、精确变量施肥机以及精确变量喷药机等。它们都是与机器人极为相似的自动化系统，是高新技术在农业中的应用。

视觉传感变量喷药系统，是以较少药剂而有效控制杂草、提高产量、减少成本的一种自动化药物喷撒机械。近年来，随着杂草识别的视觉感知技术与变量喷药控制等技术的成熟，这种视觉传感式变量喷药机械也趋于成熟。下面就以这种系统为例，对它的组成及工作原理作一简要介绍。

（1） 系统的组成

一般地说，这种机器由图像信息获取系统、图像信息处理系统、决策支持系统、变量喷撒系统等组成（图8-5）。各子系统的主要功能如下所述。

① 图像信息获取系统。主要由彩色数码像机（如PULNIX ， TMC-7ZX 等）和高速图像数据采集卡（如CX100，IMAGENA TION ，INC 等）组成。采集卡一般置于机载计算机中。 图8-3机器人的结构原理

R 2 图8-4机器人机构传动关系 谐波减速器R 小臂

M 2

②图像信息处理系统。是一种基于影像信息的提取算法，由计算机高级语言（如C++等）开发出的一种软件系统。它能够快速准确地提取出影像数据中包含的人们所需的信息（如杂草密度，草叶数量，无作物间距区域面积等）。

③决策支持系统。也是由高级语言开发出的一种软件系统。它能够基于信息处理系统，把得到的有用信息与人们的决策要求作综合判断，最后作出所需的决策。

④变量喷撒系统。是基于视觉信息的控制器，由若干可调节喷药流量与雾滴大小的变量喷头组成。

⑤机器行走系统。有发动机、机身、车轮等组成（图中省略）。

图8-5精确变量喷药系统

（2）工作原理

当机器在田间行走时，置于机器上离地面具有一定高度的彩色数码像机就会扫描一定大小的地面。一般彩色数码像机可覆盖2.44m ⨯ 3.05m范围分辨率可达到0.005m⨯0.005m。与此同时，高速图像数据采集卡将彩色数码像机获取的信息存入计算机中。然后，由图像信息处理系统快速地将地面杂草的密度、草叶数量、作物密度以及无植被区域面积等信息提取出来，并由决策支持系统调用这些信息，经过数据处理得到所需的行走速度、药液流量和雾滴大小等的决策。这些决策被传输给药滴大小控制器以及流量控制器，随之它们就控制管路中的压力和PWM脉宽调制变量喷头。从而实现了精确变量喷药。这样一方面减少了药量、降低了成本，另一方面保护作物、减少对环境的污染。据报道，与传统的喷撒方法比较，变量喷药系统在杂草高密区可节约药液18 %，在杂草低密区可节约药液17 %。

8.3 数控机床

数控机床是由计算机控制的高效率自动化机床。它综合应用了电子计算机、自动控制、伺服驱动、精密测量和新型机械结构等多方面的技术成果，是今后机床控制的发展方向。随着数控技术的迅速发展，数控机床在机械加工中的地位将越来越重要。

8.3.1 数控机床的工作原理和组成

(1) 数控机床的工作原理

数控机床加工零件时，是将被加工零件的工艺过程、工艺参数等用数控语言编制成加工程序，这些程序是数控机床的工作指令。将加工程序输入到数控装置，再由数控装置控制机

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