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机器人科普知识-西北工业大学

2017-05-05 14:33 作者:

摘要:机器人最早出现在1920年捷克作家Karel Capek的剧本《Rossum Universal Robot》中,在该剧本中“Robot”这个词的本意(捷克语)是奴隶、苦力;是作家笔下的一个具有人的外表特征和功能的机器,是一种人造的劳动力,随后,一名叫Isaac Asimov的科幻小说家首先使用了机器人学(robotics),并定义了“机器人三原则”。

人类始终渴望制造一种像人一样的机器,以便将人从繁重的、枯燥的、危险的活动中解脱出来。虽然当今机器人的本领还十分有限,但它正在迅速发展,并开始对人类生产、生活的各方面产生着越来越大的影响。

1.1 机器人及其发展1.1.1机器人的由来

早在我国西周时期(公元前1066年—前771年),就流传有关巧匠偃师献给周穆王一个歌舞机器人的故事。我国东汉时期(公元25年—220年),张衡发明的指南车是世界上最早的机器人雏形。

第一次工业革命以来,随着各种自动机器、动力机械的问世,机器人开始由幻想转入实现,许多机械式控制的机器人,主要是各种精巧的机器人玩具和工艺品应运而生。公元1768—1774年间,瑞士钟表匠德罗斯父子,设计制造了三个像真人一样大小的写字偶人、绘图偶人和弹风琴偶人,它们是由凸轮控制和弹簧驱动的自动机器,至今还作为国宝保存在瑞士纳切特尔市艺术和历史博物馆内。1893年,加拿大人摩尔设计制造了以蒸汽为动力的能行走的机器偶人安德罗丁。这些事例标志着人类在机器人从梦想到现实这一漫长道路上前进了一大步。

早在1770年,美国科学家就发明了一种报时鸟,一到整点,这只鸟的翅膀、头和喙便开始运动,同时发出叫声。图1-1为报时鸟的机械结构简图,它的主弹簧驱动齿轮转动,使活塞压缩空气而发出叫声,同时齿轮转动时带动凸轮转动,从而驱动翅膀、头运动。

图1-1报时鸟简图

1738年,Jacques de vaucanson在巴黎展示了一个能吹口哨的机械。它的核心结构是一个滚轮,就像现在的音乐盒一样,其示意图见图1-2。

图1-2 吹口哨的机械

(二)机器人的创始

由于机器人一词带有“人”字再加上科幻小说和影视作品的宣传,人们往往把机器人想象成为象人的机电装置。其实,机器人最早出现在1920年捷克作家Karel Capek的剧本《Rossum Universal Robot》中,在该剧本中“Robot”这个词的本意(捷克语)是奴隶、苦力;是作家笔下的一个具有人的外表特征和功能的机器,是一种人造的劳动力,随后,一名叫Isaac Asimov的科幻小说家首先使用了机器人学(robotics),并定义了“机器人三原则”。

机器人不应对人类造成危害,即使因人们的疏忽而造成的危险,也不能对人产生有害的影响;

机器人必须服从人们发出的命令,但是当人们发出的命令与第1条原则相违背时,不再受该条原则限制;

在不担心违反上述1、2的情况下,机器人必须能自我保护。

真正的现代机器人是从二次世界大战后发展起来的,一般认为始于40年代在美国橡树岭国家实验室开始的搬运核燃料的遥控机械操作手的研究,它是一种主从型的控制系统。

图1-3 主从型操作机

1954年美国人George C.Devol提出了一个关于工业机器人的技术方案,1959(58)年, Devol和J.F.Engelberger组建了Unimation公司(Universial Automation),1960年推出了工业机器人的试验样机,随后,日本、瑞典、德国、意大利都相继研制出了机器人并广泛应用。

1920年,捷克剧作家卡雷尔·查培克(Karel Capek)在他的幻想情节剧《罗萨姆的万能机器人》中,第一次提出了“机器人”这个名词。在剧中,他把机器人描述成与人相似但能不知疲倦地工作的机器,最终机器人违反他们的创造者而消灭了人类。1950年,美国著名科幻小说作家阿西莫夫在他的小说《我是机器人》中,提出了有名的“机器人三守则”:

(1)机器人必须不危害人类,也不允许它眼看人将受害而袖手旁观;

(2)机器人必须绝对服从于人类,除非这种服从有害于人类;

(3)机器人必须保护自身不受伤害,除非为了保护人类或者是人类命令它做出牺牲。

这三条守则现在仍被机器人研究人员、研制厂家和用户共同遵守。

现代机器人的研究始于第二次世界大战之后处理放射性物质的遥控机械手,当时的遥控机械手包括主操作手和从操作手,从操作手通过一系列连杆与主操作手相连,使用者通过操作主操作手而使从操作手完成同样的动作。1949年,为了使从操作手能够操作诸如玻璃杯等易碎品,在从操作手上增加了力反馈。

在遥控机械手发展的同时,由于航空工业的需求,出现了能够完成复杂曲面加工的数控机床(CNC)。1954年,美国人乔治·德沃尔(George Devol)用CNC机床控制器的可编程技术取代遥控机械手的主操作手,发明了第一台“可编程关节式输送装置”,并取得了该项专利,即工业机器人专利。约瑟夫·艾根伯格(Joseph Engelberger)购买了该专利,于1956年成立了万能自动化(Unimation)公司;1961年,该公司研制出第一台机器人Unimate,如图1-1所示,并在美国通用汽车公司(GM)投入使用,这标志着第一代工业机器人诞生。

图1-1 第一台机器人Unimate

1.1.2机器人的发展

1962年,斯坦福(Stanford)操作手问世,如图1-2所示,该机器人有6个关节,其中一个是移动关节。1974年,机床制造商辛辛那提·米拉克龙(Cincinnati Milacron)公司研制成功第一台计算机控制的机器人未来工具(The Tomorrow Tool,T3),如图1-3所示,它能提起45kg重物,并能在装配线上跟踪运动的工件。1978年,Unimation公司开发出用于装配的可编程万能机器PUMA(Programmable Universal Manipulator for Assembly)机器人,如图1-4所示,它是一种多关节结构形式、全电机驱动、多CPU分级控制的机器人,应用范围十分广泛。

图1-2 Stanford操作手

图1-3 T3机器人

图1-4 PUMA机器人

1976年,美国国家航空航天局(NASA)成功实现了“海盗”号字宙飞船火星着陆计划,该宇宙飞船在火星着陆后,释放出两台机器人,这些机器人在地面监控人员和计算机的共同控制下,在火星上采集样品、进行实验,并把实验所得数据,通过卫星送回地面。

1968年,日本川崎重工业公司从美国引进Unimate机器人,并对它进行改进,增加了视觉功能,使其成为一种具有智能的机器人。这一成就,引起日本产业界和政府的高度重视,于1971年成立了日本工业机器人协会。1979年,日本山梨大学的牧野洋教授研制成功水平关节型SCARA(Selective Compliance Assembly Robot Arm)机器人,如图1-5所示,它特别适合于垂直方向装配作业。

图1-5 SCARA机器人

随着工业机器人应用的普及和推广,机器人的驱动方式也发生了巨大变化。出于洁净和廉价的考虑,对于轻载作业常采用电机驱动,但是由于电机只有在高速时才能获得最大功率,机器人在使用时需对电机进行减速,齿轮减速不可避免带来摩擦、间隙等,引起较大运动误差,因此需要寻找一种无须对电机进行减速、能直接驱动机器人关节的方法。1981年,美国卡内基•梅隆大学(Carnegie Mellon)研制成功直接驱动机器人。

我国对于现代机器人研究和开发始于20世纪70年代,从80年代中期进入快速发展阶段。国家科技攻关计划、国家高技术研究与发展计划等都将机器人的研究和开发列为重点。我国先后研制成功点焊、弧焊、喷漆和搬运等工业机器人,并成功用于工业生产中;在特种机器人领域,我国也取得了丰硕成果,先后研制成功6000米水下自治机器人、双足步行机器人、多手指灵巧手等。

1.2机器人定义与基本组成1.2.1机器人与机器人学定义

机器人的定义处在不断发展变化之中。美国机器人协会(RIA)认为,机器人是一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置的,通过可编程序动作来执行各种任务,并具有编程能力的多功能机械手(manipulator)。日本工业机器人协会(JIRA)认为,工业机器人是一种装备有记忆装置和末端执行器(end effector),能够转动并通过自动完成各种移动来代替人类劳动的通用机器。国际标准化组织(ISO)给出的定义是,机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能机械手,这种机械手具有几个轴,能够借助于可编程序操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置,以执行多种任务。

综上所述,我们认为机器人是一种能自动控制、可重复编程、多功能,可以代替人完成特定任务的一种自动化机电装置。

机器人技术的迅速发展,为机器人学的建立奠定了基础。机器人学是综合运用数学、力学、机械、电子、计算机、自动控制、人工智能等多学科知识,对机器人的体系结构、机构、控制、智能、传感、编程语言以及机器人应用等进行研究的一门综合性新兴交叉学科。

1.2.2机器人基本组成

机器人系统一般由下列四个互相作用的部分组成:机械手、控制器、环境和任务,如图1-6所示。

图1-6 机器人系统的基本组成

执行机构一般是一种多关节式机械结构(也称为机械手、操作器或操作手),由连杆、关节、末端执行器等组成,其末端执行器根据操作需要也可以换装焊枪、吸盘、扳手等工具。

环境指机器人在执行任务时所能达到的几何空间,且包含该空间中每个事物的全部自然特性所决定的条件。在机器人工作环境中,机器人会得到完成任务所需的支持,如自动传输线将为机器人传送生产所需的工件、材料等;同时,在机器人的工作环境中,也会遇到一些障碍物和其它突发事件,机器人必须设计合理的运动路线、避免与这些障碍发生碰撞,并妥善处理好环境中各种突发事件,以保证机器人完成特定任务。环境信息一般是确定的和已知的,这种环境称为结构化环境;但在许多情况下,环境具有未知和不确定性,这种环境称为非结构化环境。

任务定义为环境的初始状态和目标状态间的差别。必须用适当的程序设计语言来描述这些任务,并把它们存入机器人系统的控制计算机中。这种描述必须能为计算机所理解,随着所用系统的不同,语言描述方式可为图形、语音或书面文字。

控制器是机器人系统的指挥中枢,不能过负责信息处理和与人交互,它接收来自传感器的信号,对其进行数据处理,并按照预存信息、机器人的状态及其环境情况等,产生出控制信号去驱动机器人的各个关节。为此,控制器内必须具有保证机器人实现其功能所必需的程序。对于技术比较简单的机器人,计算机只含有固定程序;对于技术比较先进的机器人,可采用可编程序计算机或微处理器作为控制器。

1.3 机器人技术参数1.3.1机器人自由度与机动度

自由度是机器人的一个重要技术指标,它是由机器人的结构决定的,并直接影响到机器人的机动性。

(1)刚体的自由度

刚体能够对坐标系进行独立运动的数目称为自由度(DOF,degree of freedom)。如图1-7所示,刚体所能进行的运动有:

图1-7 刚体的六个自由度

沿坐标轴ox,oy和oz的三个平移运动T1,T2和T3;

绕坐标轴ox,oy和oz的三个旋转运动R1,R2和R3。

这意味着刚体能够运用三个平移和三个旋转,相对于坐标系进行定位和定向。

一个刚体有六个自由度。当两个刚体间确立起某种关系时,每一刚体就对另一刚体失去一些自由度。这种关系也可以用两刚体间由于建立连接关系而不能进行的移动或转动来表示。

(2)机器人的自由度

人们期望机器人能够以准确的方位把它的末端执行装置或与它连接的工具移动到给定点。如果机器人的用途预先是不知道的,那么它应当具有六个自由度;不过,如果工具本身具有某种特别结构,那么就可能不需要六个自由度。例如,要把一个球放到空间某个给定位置,有三个自由度就足够了(见图1-8(a))。又如,要对某个旋转钻头进行定位与定向,就需要五个自由度;这个钻头可表示为某个绕着它的主轴旋转的圆柱体(见图1-8(b))。

机械手的手臂一般具有三个自由度,其它的自由度数为末端执行装置所具有。

图1-8 机器人自由度举例

当要求某一机器人钻孔时,其钻头必须转动。不过,这一转动总是由外部的电机带动的。因此,不把它看做机器人的一个自由度。同样,机械手的手爪应能开闭,也不能把它当做机器人的自由度之一,因为手爪开闭只对手爪的操作起作用。

图1-9 自由度与机动度

(3)自由度与机动度

如图1-9(a)所示,在三维空间中,对于固定底座来说,点A没有自由度,点B有两个自由度,而点C有三个自由度。如果仅仅需要确定点D的位置,那么用于移动D的关节C在理论上将是冗余的。这时,可以认为关节C不再具有自由度,但具有机动度(degree of mobility)。但是,如果需要同时确定点D的位置和方向,那么关节C就成为一个自由度,它能够使CD在一定范围内定向。如果要使CD指向任何方向,那么还需要增加另外两个自由度。

由此可见,并不是所有的机动度都构成一个自由度。例如,在图1-9(b)所示的两维空间中,尽管机器人有五个关节,但是在任何情况下这台机器人的独立自由度不多于两个。

在三维空间中,一般不要求机器人具有六个以上的独立自由度,但是可以采用较多的机动度。

过多的自由度将可能产生冗余自由度,然而可以增加机器人的灵活性。

1.3.2机器人额定速度与额定负载

机器人每个关节的运动过程一般包括启动加速阶段、匀速运动阶段、减速制动阶段。为了缩短机器人运动周期、提高生产效率,希望启动加速阶段和减速制动阶段的时间尽可能的短、匀速运动速度尽可能高,由此带来加速阶段和减速阶段的加速度较大,将会产生较大惯性力,容易导致被抓物品松脱。由此可见,机器人负载能力与其速度有关。

机器人在保持运动平稳性和位置精度前提下所能达到的最大速度称为额定速度(rated velocity)。其某一关节运动的速度称为单轴速度,由各轴速度分量合成的速度称为合成速度。

机器人在额定速度和行程范围内,末端执行器所能承受负载的允许值称为额定负载(rated load)。极限负载是在限制作业条件下,保证机械结构不损坏,末端执行器所能承受负载的最大值。

1.3.3机器人工作空间

机器人末端执行器上参考点能达到的空间的集合称为机器人工作空间(working space)。通常,工业机器人的工作空间用其在垂直面内和水平面内的投影表示,如图1-10所示。对于一些结构简单的机器人,其工作空间也可用解析方程表示。

图1-10 工业机器人工作空间示例

1.3.4机器人分辨率、位姿准确度和位姿重复性

分辨率是机器人各关节运动能够实现的最小移动距离或最小转动角度,它有控制分辨率(Control Resolution)和空间分辨率(Spatial Resolution)之分。

控制分辨率是机器人控制器根据指令能控制的最小位移增量。若机器人末端执行器借助于二进制n位指令移动距离为d,则控制分辨率为d/2n;对于转动关节,则为角度的运动范围除以2n得到控制角分辨率,再乘以关节长度得到末端执行器的控制分辨率。空间分辨率是机器人末端执行器运动的最小增量。空间分辨率是一种包括控制分辨率、机械误差及计算机计算时的圆整、截尾、近似计算误差在内的联合误差。

机器人多次执行同一位姿指令,其末端执行器在指定坐标系中实到位姿与指令位姿之间的偏差称为机器人位姿准确度(pose accuracy)。位姿准确度可分为位置准确度(positioning accuracy)和姿态准确度(orientation accuracy)。

在相同条件下,用同一方法操作机器人时,重复多次所测得的同一位姿散布的不一致程度称为位姿重复性(pose repeatability)。

1.4机器人的分类

机器人的分类方法很多,这里介绍按机器人的几何结构、控制方式、智能程度以及移动方式等分类方法。

1.4.1 按机器人的几何结构分类

机器人的结构形式多种多样。最常见的结构形式是用其坐标特性来描述的。这些坐标结构包括笛卡儿坐标结构、柱面坐标结构、极坐标结构、球面坐标结构和关节式结构等。这里简单介绍柱面、球面和关节式结构等三种最常见的机器人。

(1)柱面坐标机器人。柱面坐标机器人主要由垂直柱子、水平移动关节和底座构成。水平移动关节装在垂直柱子上,能自由伸缩,并可沿垂直柱子上下运动。垂直柱子安装在底座上,并与水平移动关节一起绕底座转动。这种机器人的工作空间就形成一个圆柱面,如图1-11所示。因此,把这种机器人叫做柱面坐标机器人。

图1-11 柱面坐标机器人

(2)球面坐标机器人。这种机器人如图1-12所示。它像坦克的炮塔一样。机械手能够作里外伸缩移动、在垂直平面内摆动以及绕底座在水平面内转动。因此,这种机器人的工作空间形成球面的一部分,称为球面坐标机器人。

(3)关节式机器人。这种机器人主要由底座、大臂和小臂构成。大臂和小臂可在通过底座的垂直平面内运动,如图1-13所示,大臂和小臂间的关节称为肘关节,大臂和底座间的关节称为肩关节。在水平平面上的旋转运动,既可由肩关节完成,也可以绕底座旋转来实现。这种机器人与人的手臂非常类似,称为关节式机器人。

图1-12 球面坐标机器人

图1-13 关节式机器人

1.4.2 按机器人的控制方式分类

按照控制方式可把机器人分为非伺服机器人和伺服控制机器人两种。

(1)非伺服机器人(non-servo robots)。非伺服机器人按照预先编好的程序进行工作,使用终端限位开关、制动器、插销板和定序器来控制机器人的运动;其工作原理如图1-14。图中,插销板用来预先规定机器人的工作顺序,而且往往是可调的;定序器是一种定序开关或步进装置,它能够按照预定的正确顺序接通驱动装置的能源;驱动装置接通能源后,就带动机器人的手臂、腕部和手爪等装置运动;当它们移动到由终端限位开关所规定的位置时,限位开关切换工作状态,给定序器送去一个“工作任务(或规定运动)已完成”的信号,并使终端制动器动作,切断驱动能源;机器人完成一个工作循环。

图1-14 非伺服机器人功能示意图

(2)伺服控制机器人(servo-controlled robots)。伺服控制机器人比非伺服机器人有更强的工作能力,但是在某些情况下不如非伺服机器人可靠。如图1-15所示,伺服系统的输出可为机器人末端执行装置(或工具)的位置、速度、加速度或力等。通过反馈传感器取得的反馈信号与来自给定装置(如给定电位器)的综合信号,用比较器加以比较后,得到误差信号,经过放大后用以控制机器人的驱动装置,进而带动末端执行装置以一定规律运动,到达规定的位置或速度等。

图1-15 伺服机器人功能示意图

伺服控制机器人又可分为点位伺服控制和连续轨迹伺服控制两种。

点位伺服控制机器人一般只对其一段路径的端点进行示教,而且机器人以最快和最直接的路径从一个端点移到另一端点。点与点之间的运动总是有点不平稳,即使同时控制两根轴,它们的运动轨迹也很难完全一样;因此,点位伺服控制机器人用于只有终端位置有要求而对点位之间的路径和速度不作要求的场合。

点位伺服控制机器人的初始程序比较容易设计,但不易在运行期间对点位进行修正。由于没有行程控制,所以实际工作路径可能与示教路径不同。这种机器人具有很大的操作灵活性,因而其负载能力和工作范围均较大。点焊等加工是这种机器人的典型应用。

连续轨迹伺服控制机器人能够平滑地跟随某个规定的轨迹,它能较准确复原示教路径。

连续轨迹伺服控制机器人具有良好的控制和运行特性;其数据是依时间采样的,而不是依预先规定的空间点采样。这样,就能够把大量的空间信息存储在磁盘或光盘上。这种机器人的运行速度较快,功率较小,负载能力也较小。喷漆、弧焊、抛光和磨削等加工是这种机器人典型应用场合。

1.4.3 按机器人的智能程度分类

(1)一般机器人,不具有智能,只具有一般编程能力和操作功能。

(2)智能机器人,具有不同程度的智能,又可分为:

①传感型机器人,具有利用传感信息(包括视觉、听觉、触觉、接近觉、力觉和红外、超声及激光等)进行传感信息处理、实现控制与操作的能力。

②交互型机器人,机器人通过计算机系统与操作员或程序员进行人机对话,实现对机器人的控制与操作。

③自主型机器人,机器人无需人的干预,能够在各种环境下自动完成各项任务。

1.4.4 按机器人移动方式分

(1)固定机器人,机器人固定在某个底座上,只能通过移动各个关节完成任务。

(2)移动机器人,机器人可沿某个方向或任意方向移动。这种机器人又可分为有轨式机器人、履带式机器人和步行机器人,其中步行机器人又可分为单足、双足、多足行走机器人。

责任编辑:超管黄师兄

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