机器人(系统)综述报告

机器人综述
1、机器人定义
机器人，20世纪人类最伟大的发明之一，它的研究对人类有很大的实用价值且其应用领域十分广泛。

自机器人提出以来，由于机器人的不断发展、新的机型不断涌现且人们对机器人的认识不断深入，机器人没有统一的定义。

1967年日本提了代表性的定义：“机器人是一种具有移动性、个体性、智能性、通用性、作业性、信息性、有限性、半机械性、自动性、奴隶性等7个特征的柔性机器”。

1988年法国的埃斯皮奥将机器人定义为：“机器人学是指设计能根据传感器信息实现预先规划好的系统，并以此系统的使用方法作为研究对象。

”我国科学家对机器人的定义是：“机器人是一种自动化机器，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。

”我们可以理解为机器人是用机械传动、现代微电子技术、传感器技术、自动控制技术、人工智能等高科技制造的一种能模仿人类或动物的某种技能的机械电子设备；它是在电子、机械及信息技术的基础上发展而来的，是高级整合哦、控制论、机械电子、计算机、材料和仿生学的产物。

机器人学研究领域主要有：感知系统、机构设计及驱动、运动控制与规划、多机器人协作与控制、应用研究等。

2、机器人的分类
以环境角度分类，有两大类：
工业机器人:面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器人。

●特种机器人:用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人。

包
括：水下机器人、空间机器人、极限作业机器人、微机器人、建筑机器人、医疗机器人、采掘机器人、服务机器人、农业机器人、个人机器人、军用机器人、娱乐机器人等。

以机器人结构形式分类：
分类名称简要解释
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。

智能机器人以人工智能决定其行动的机器人。

以性能指标分类有：
●超大型机器人：负载能力在107 N以上。

●大型机器人：负载能力：106--107 N，作业范围：102m2以上。

●中型机器人：负载能力：105--106N，作业范围：1--102m2。

●小型机器人：负载能力：1--105N，作业范围：0.1--1m2。

●超小型机器人：负载能力：1N以下，作业范围：0.1m2以下。

3、机器人系统结构
3.1 硬件结构
一般而言，机器人硬件由三大部分组成：信息获取与指令输出部分（各种传感器、限位开关、按钮、通信接口等把环境、机器人自身状态以及来自操作人员的命令等传入信息处理部分；信息处理部分处理的结果又通过该部分传送给驱动控制装置，使其产生相应的动作，故也称输入输出电路）、信息处理部分和驱动（把输入部分传来的信息进行处理，通过输出电路控制驱动执行部分，一般由计算机担任）、传动及执行机构部分（即就是机器人本体，体现机器人的功能，执行机构多由机械或声光器件来担任；机器人上的电动机、液压缸或液压马达、气压缸或气压马达等作为驱动部分，传动部分可以是机械传动、液压传动、气压传动或电气传动等）。

对于工业机器人，其组成主要有：执行机构（也叫操作机，由一系列连杆和关节或其他形式的运动副组成，可以实现各个方向的运动，包括基座、腰、臂、腕、手等部件）、驱动系统（主要驱动执行机构的传动装置，根据动力源的不同有电动、液压和气动三种，如电动机、汽缸、油缸可与操作机直接相连，也可通过齿轮、链条、谐波传动装置与执行机构相连）、控制系统（支配执行机构按所需的顺序，沿规定的位置或轨迹运动）及传感系统（利用各种传感器将机器人本体的信息传递给控制器）。

对于特种机器人，其主要组成有：执行机构（机器人本体，如智能轮椅由电机分别驱动四个轮子完成模仿人类走路的功能；先锋机
器人由电机分别驱动两个后轮完成预定轨迹的运动及避障）、控制部分（大多使用单片机，用于处理各种信息后发出指令给执行机构，完成各种作业）、传感部分（各种传感器，包括信息的采集和传输）、通信部分（完成人机通信及机器人各个机构之间的通信）、功能模块（如清洁机器人的清扫机构、先锋机器人的载物机构等）、人机交互部分（机器人状态信息的显示及人通过遥控器、语音、手势、肌电及脑波信号对机器人的实时控制）等。

实验室先锋机器人硬件结构：Pioneer3机器人主要由以下几个主要部分组成：顶板、用户控制面板、车身附件面板、声纳环、电机，车轮及编码器、电源和车载计算机。

3.2 软件结构
机器人的软件结构即机器人的程序设计及仿真。

机器人控制器中都有控制芯片，一般就是单片机，CPU（有的带有操作系统）等，我们通过各种编程语言及编程平台的使用，根据机器人的任务和要实现的功能，写出基于相应硬件结构及各种功能算法的机器人程序，可以处理机器人的所有信息并有效的控制机器人。

如室内清洁机器人的路劲规划，先锋机器人的避障及轨迹规划等。

总的来说，机器人软件就是完成机器人各个硬件机构间传输信号的处理，完成信号的转变，处理为硬件能够接收并正确使用的信号，使各个硬件很好地完成相应的功能，进而整个机器人完成相应作业！这里，最重要的是算法！
实验室先锋机器人软件结构：机器人控制器软件是ARCOS （ActivMedia Robotics Control and Operating System ），机器人
客户端软件主要包括：MobileSim（移动机器人仿真软件）、MobileEyes （界面显示功能）、Mapper3（地图绘制软件）、AriaDemo.exe （控制台程序）、GuiSever.exe（控制程序之一）、SavClient（客户端软件）、ACTS（Advanced Color Tracking System-摄像头操作的软件）以及VNC viewer/pcAnywhere（远程桌面控制软件）。

所有软件的配置与用户所选择的附件有关，因此用户所得到能应用到的客户端软件也是不同的。

3.3 总体结构
一个机器人包括两个主要部分：机器人的身体和某种形式的人工智能（artificial intelligence，AI）系统。

很多不同的身体部分都可以叫做机器人。

关节手臂被用于焊接和上漆；起重机和传送带系统在工厂中运送零件；巨型机器人机器搬运矿井深处的泥土。

一般说来，机器人最有趣的一个方面是它们的行为，这需要一种形式的智能。

机器人最简单的行为是移动。

典型地，轮子被作为让机器人从一点移动到下一点的基本机械装置。

还需要某种力（如电力）让轮子在命令时转动。

4、机器人的传感器种类
机器人根据瞬间测量作出反应，这需要不同种类的传感器。

多数系统中对时间的感知是通过电路和编程中内建的。

要想在实际中让这个具有生产性，机器人必须有感知硬件和软件，还要能快速地更新。

不管传感器硬件或软件如何，感知和传感器可以被当作与外部事件交互（换句话说就是外部世界），传感器测量世界的某个属性。

变换器
（transducer）一词经常与传感器一词交替使用。

交换器是传感器的机制或元素，它将测量到的能源转换成另一种形式的能源。

传感器接收能源并传送一个信号到显示器或计算机。

传感器使用变换器将输入的信号（声音、光线、压力、温度等）改变成机器人可以使用的模拟或数字形式。

根据检测对象的不同可分为内部传感器和外部传感器。

内部传感器：用来检测机器人本身状态（如手臂间角度）的传感器。

多为检测位置和角度的传感器。

外部传感器：用来检测机器人所处环境（如是什么物体，离物体的距离有多远等）及状况（如抓取的物体是否滑落）的传感器。

具体有物体识别传感器、物体探伤传感器、接近觉传感器、距离传感器、力觉传感器，听觉传感器等。

具体有：
（1）明暗觉检测内容：是否有光，亮度多少
应用目的：判断有无对象，并得到定量结果
传感器件：光敏管、光电断续器。

（2）色觉检测内容：对象的色彩及浓度
应用目的：利用颜色识别对象的场合
传感器件：彩色摄像机、滤波器、彩色CCD。

（3）位置觉检测内容：物体的位置、角度、距离
应用目的：物体空间位置、判断物体移动
传感器件：变位器、旋转变压器、光电编码器、光敏阵列、CCD等。

（4）形状觉检测内容：物体的外形
应用目的：提取物体轮廓及固有特征，识别物体
传感器件：光敏阵列、CCD等。

（5）接触觉检测内容：与对象是否接触，接触的位置
应用目的：确定对象位置，识别对象形态，控制速度，安全保障，异常停止，寻径
传感器件：光电传感器、微动开关、薄膜特点、压敏高分子材料。

（6）压觉检测内容：对物体的压力、握力、压力分布
应用目的：控制握力，识别握持物，测量物体弹性
传感器件：压电元件、导电橡胶、压敏高分子材料。

（7）力觉检测内容：机器人有关部件（如手指）所受外力及转矩应用目的：控制手腕移动，伺服控制，正解完成作业
传感器件：应变片、导电橡胶。

（8）接近觉检测内容：对象物是否接近，接近距离，对象面的倾斜
应用目的：控制位置，寻径，安全保障，异常停止
传感器件：光传感器、气压传感器、超声波传感器、电涡流传感器、霍尔传感器。

（9）滑觉检测内容：垂直握持面方向物体的位移，重力引起的变形应用目的：修正握力，防止打滑，判断物体重量及表面状态
传感器件：球形接点式、光电旋转传感器、角编码器、振动检测器。

5、机器人的控制器
微控制器（Microcontrollers，MCU）是机器人内部使用的智能电子设备。

它提供的功能类似于个人电脑内部的微处理器（中央处理单元或 CPU）所执行的功能。

MCU 速度较慢，使用的内存比 CPU 少，设计目的是现实世界的控制问题。

明确机器人控制器的定义,可以清楚的界定机器人控制器所涉及的范围,研究的对象以及最终的目标。

机器人控制器的设计通常分为两个阶段:功能设计和结构设计；功能设计阶段主要完成控制功能和算法的定义,而结构设计阶段是实现功能在硬件和软件上的分布。

这一思想随着机器人控制器的发展,而越来越受到重视。

同时,也为机器人控制器体系结构的研究确立了一个总体框架。

因此,机器人控制器可以定义为:完成机器人控制功能的结构实现。

机器人的控制器值主要是单片机、PC机及其外接电路组成！主要有三种形式：专用/封闭
控制器(proprietary controller) 、开放式控制器(open controller) 和混合型控制器 (hybrid controller)。

5.1 工业机器人控制器
一个完整的工业机器人控制系统包括以下几个部分：
（1）控制计算机。

它是控制系统的调度指挥机构。

（2）示教盒。

用来示教机器人的工作轨迹和参数设定，以及一些人机交互操作，拥有独立的CPU及存储单元，与计算机之间实现信息交互。

（3）操作面板。

它由各种操作按键、状态指示灯构成，只完基本功能操作。

（4）硬盘及存储机器人工作程序的外部存储器。

（5）数字和模拟量的输入输出，各种状态和命令的输入输出。

（6）打印机接口。

它记录需要输出的各种信息。

（7）传感器接口。

用于信息的自动检测，实现机器人的柔性控制。

（8）抽控制器。

它一般包括各关节的伺服控制器，完成机器人各关节位置、速度和加速度的控制。

（9）辅助设备控制。

它主要用于和机器人配合的辅助设备控制。

（10）通信接口。

它主要实现机器人和其他设备的信息交互。

5.2 先锋机器人控制器
先锋机器人的微控制器是H8S，具有更快捷的处理速度和更强大的扩展能力。

车载计算机也全面升级到P-III系统。

软件方面，为ARIA 及AROS 系统。

6、机器人的执行机构
顾名思义，机器人执行机构就是使机器人能够运动且完成相应的功能的机械机构。

控制机构发出指令给驱动部分，由驱动部分驱动执行机构去完成相应的动作。

机器人的执行机构因各种机器人而异。

例如：工业机器人执行机构通常包括：机座、立柱、腰关节、腕关节和手爪等，构成一个多自由度的机械系统；如果工业机器人的机身具备行走机构便构成行走机器人，如果机身不具备行走及腰转机构，则构成单机器人臂（一般有多轴构成）；末端执行器直接装在手腕上的一个重要部位，它可以是两手指、手爪、喷漆枪、焊枪等作业工具。

先锋机器人执行机构主要就是车轮（两轮式或四轮式）、前端的抓球机构和驱动电机；实验室先锋前端是一个万向轮，起支撑和转向的作用，后面两个带有驱动电机的轮子，使机器人能够行走、转向避障、抓球和停止；机器人依靠机身前端的两个机械杆的合并与分离完成抓球任务。

室内清洁机器人执行机构与先锋相似，它也是由电机驱动的轮式运动，它带有地面清洁装置，当机器人运动时，机器人控制器同时也将启动清扫机构工作，完成清扫任务。

其他的还有履带式移动、模仿人类或动物的步行等执行机构的设计；另外还有水下机器人、飞行机器人、空间机器人和微型机器人等都有各自以运动方式和完成任务的不同设计的执行机构。

7、机器人的控制算法
机器人的控制算法，就是完成机器人各种信号之间处理、写入控制器芯片的程序代码。

机器人控制算法有很多，根据机器人的不同
和要求算法实现功能的不同而各异。

例如用于人机交互的算法：语音信号（基于马尔科夫统计模型-HMM算法、人工神经网络算法、支持向量机-SVM算法、基于动态规划-DP算法、模拟匹配算法-DTW等）、图像信号（处理与特征提取：Harris、SUSAN算法等）、脑波肌电信号（HHT算法等）以及人们手持机器人控制器的按键信号等的识别与处理。

用于运动控制的算法：机器人的路劲规划（拓扑法、人工势场法、遗传算法、神经网络法、栅格法等）、机器人的导航与定位（GPRS、磁导航、激光导航、路标导航、组合定位的相对位置与绝对位置及全景和单目视觉导航等）、多机器人的协作算法等。

8、机器人的通信系统
这部分主要是完成人机、机器人之间及机器人各部分之间的通信！机器人通过自带的传感器及显示屏可以显示一些自身信息、发射或者接受信息，使人机。

机器人之间及其各部分保持信息共享。

例如先锋机器人用户控制面板的LED指示灯及其声纳环等，清洁机器人的光电传感器、声纳传感器及其显示屏等。

机器人中通信技术主要有：红外技术、蓝牙通信技术、ZigBee 通信技术、Wi-Fi通信技术、Ad Hoc通信技术、UWB超宽带通信技术等。

9、机器人的电源系统
机器人的运行，电源是不可缺少的！机器人电源主要是对机器人各个组成部分电子设备的供电。

电源一般通过两种电池提供。

一次电池使用过一次就被丢弃；二次电池以一种（通常是）可逆的化学反
应工作，可以多次充电。

一次电池有较高的容量和较低的自放电率。

二次（可充电）电池比一次电池电量小，但可以重复充电，按化学反应和环境的不同可以多达一千次。

一般可充电电池第一次使用可以为电器或机器人提供 4 小时连续工作的能源。

理论上机器人可以使用几百种不同类型和形式的电池。

电池按化学反应和规格分类，按电压和电量分级。

电池的电压由电池的化学反应决定，容量由化学反应和规格两者共同决定。

机器人平台靠两组独立的电池运行，它们共享一根地线。

这样，电动机可以用一组电池，而电子设备可以用另一组电池。

电子设备和电动机还可以在不同的电压下工作（如工业机器人）。

机器人中有两个主要的硬件平台。

非调节电压、电力和反电动势峰的机械平台以及干净电源和 5 伏信号的电子平台。

这两个平台需要顺序桥接，目的是让数字逻辑控制机械系统。

经典的组件是桥式继电器。

一个控制信号在继电器的线圈产生磁场，物理地闭合开关。

例如MOSFET，它是高效率的硅开关，有很多种规格，象晶体管一样可以作为固态继电器控制机械系统。

另一方面，更大的机器人可能需要PMDC 电动机，这样 MOSFET 的“接通”电阻 Rd（on）会导致芯片热量的极大散发，从而显著地降低芯片的发热温度。

MOSFET 中结点的温度、MOSFET 封装和散热片的传导系数是 PMDC 电动机的其它重要的特征。

10、机器人的通用驱动
机器人的一般去驱动机制有：
齿轮和链条：齿轮和链条是机械平台，它提供了一种向另一个
地方传送转动动作的强大而精确的途径（可能在传送的时候改变了动作）。

两个齿轮之间速度的改变取决于每个齿轮上齿的数目。

当加电的齿轮旋转一周时，它根据齿轮上的齿数来拉动链条。

滑轮和皮带：滑轮和皮带是机器人所使用的两种另外的机械平台，工作的方式与齿轮和链条一样。

滑轮是轮缘有凹槽的轮子，皮带是可以放进这个凹槽的橡皮圈。

变速箱：变速箱运转的原理与齿轮和链条一样，不过没有链条。

变速箱需要更精密的公差配合，因为不是使用一条又大又松的链条来传送力量，也不用调整错位，齿轮之间直接和对方啮合。

变速箱的示例可以在汽车的传动装置、落地大座钟的定时机制和打印机的送纸装置中找到。

根据能量转换方式，机器人的驱动机制有电气驱动，液压驱动、气压驱动和新型驱动（静电驱动器、形状记忆合金驱动器、磁致伸缩驱动器、压电效应驱动器、超声波驱动器等）。

11、机器人的控制电机
很多种电动机向机器人提供能源，让它们用不同的编程动作搬运材料、零件、工具或专用设备。

电动机的效率等级表明多少消耗的电量转化成机械能。

机器人控制电机主要有：
直流电机：永久磁铁，直流（Permanent-magnet，direct-current，PMDC）电机只需要两根导线，使用固定磁铁、电磁铁（定子和转子）和开关。

这些组成一个换向器来通过旋转的磁场产生运动。

交流电机：交流电机在输入导线循环能源，连续地运动磁场。

直
流电机和交流电机在收到一个信号时会全速运转。

步进电机：步进电机就像没有电刷的直流或交流电机。

它通过按顺序（步进地）向电动机中不同的磁铁提供能源使其运转。

步进电机设计的目的是更好的控制。

伺服电动机：伺服电动机是闭合线圈设备。

在收到信号时，它可以自我调整直到与该信号匹配。

伺服电动机用于无线电控制的飞机和汽车。

它是有传动装置和反馈控制系统的简单的直流电动机。

12、总结
总的来说，机器人目前已有很多种类而且正在不断地发展。

机器人是多种技术的结合体，它融合了机械传动、现代微电子技术、传感器技术、自动控制技术、人工智能技术等等多种高科技。

可以理解为机器人就是自身本体外形机械、外部传感器、内部传感器、控制器、驱动电机、执行机构、通信模块、电源及其他外带功能模块等的高度结合体。