1、第七章 機器人第一節 概述一、機器人的由來機器人是眾所周知的一種高新技術產品，然而，“機器人”一詞最早并不是一個技術名詞，而且至今尚未形成統一的、嚴格而準確的定義。“機器人”最早出現在上個世紀20年代初期捷克的一個科幻內容的話劇中，劇中虛構了一種稱為Robota（捷克文，意為苦力、勞役）的人形機器，可以聽從主人的命令任勞任怨地從事各種勞動。實際上，真正能夠代替人類進行生產勞動的機器人，是在20世紀60年代才問世的。伴隨著機械工程、電氣工程、控制技術以及信息技術等相關科技的不斷發展，到20世紀80年代，機器人開始在汽車制造業、電機制造業等工業生產中大量采用。現在，機器人不僅在工業，而且在農業、商

2、業、醫療、旅游、空間、海洋以及國防等諸多領域獲得越來越廣泛的應用。經過幾十年的發展，機器人技術已經形成了綜合性的學科機器人學（Robotics）。 機器人學有著及其廣泛的研究和應用領域，主要包括機器人本體結構系統、機械手設計，軌跡設計和規劃，運動學和動力學分析，機器視覺、機器人傳感器，機器人控制系統以及機器智能等。盡管機器人已經得到越來越廣泛應用，機器人技術的發展也日趨深入、完善，然而“機器人”尚沒有一個統一的、嚴格而準確的定義。一方面，在技術發展過程中，不同的國家、不同的學者給出的定義不盡相同，雖然基本原則一致，但歐美國家的定義限定多一些，日本等給出的定義則較寬松。另一方面，隨著時代的進步、

3、技術的發展，機器人的內涵仍在不斷發展變化。國際標準化組織（ISO）定義的機器人特征如下。：仿生特征：動作機構具有類似于人或其他生物體某些器官（肢體、感官等）的功能；柔性特征：機器人作業具有廣泛的適應性，適于多種工作，作業程序靈活易變；智能特征：機器人具有一定程度的人類智能，如記憶、感知、推理、決策、學習等；自動特征：完整的機器人系統，能夠獨立、自動完成作業任務，不依賴于人的干預。二、機器人的組成機器人是典型的機電一體化產品，一般由機械本體、控制系統、傳感器、和驅動器等四部分組成。機械本體是機器人實施作業的執行機構。為對本體進行精確控制，傳感器應提供機器人本體或其所處環境的信息，控制系統依據控制

4、程序產生指令信號，通過控制各關節運動坐標的驅動器，使各臂桿端點按照要求的軌跡、速度和加速度，以一定的姿態達到空間指定的位置。驅動器將控制系統輸出的信號變換成大功率的信號，以驅動執行器工作。1機械本體機械本體，是機器人賴以完成作業任務的執行機構，一般是一臺機械手，也稱操作器、或操作手，可以在確定的環境中執行控制系統指定的操作。典型工業機器人的機械本體一般由手部（末端執行器）、腕部、臂部、腰部和基座構成。機械手多采用關節式機械結構，一般具有6個自由度，其中3個用來確定末端執行器的位置，另外3個則用來確定末端執行裝置的方向（姿勢）。機械臂上的末端執行裝置可以根據操作需要換成焊槍、吸盤、扳手等作業工具

5、。2控制系統控制系統是機器人的指揮中樞，相當于人的大腦功能，負責對作業指令信息、內外環境信息進行處理，并依據預定的本體模型、環境模型和控制程序做出決策，產生相應的控制信號，通過驅動器驅動執行機構的各個關節按所需的順序、沿確定的位置或軌跡運動，完成特定的作業。從控制系統的構成看，有開環控制系統和閉環控制系統之分；從控制方式看有程序控制系統、適應性控制系統和智能控制系統之分。3驅動器驅動器是機器人的動力系統，相當于人的心血管系統，一般由驅動裝置和傳動機構兩部分組成。因驅動方式的不同，驅動裝置可以分成電動、液動和氣動三種類型。驅動裝置中的電動機、液壓缸、氣缸可以與操作機直接相連，也可以通過傳動機構與

6、執行機構相連。傳動機構通常有齒輪傳動、鏈傳動、諧波齒輪傳動、螺旋傳動、帶傳動等幾種類型。4傳感器傳感器是機器人的感測系統，相當于人的感覺器官，是機器人系統的重要組成部分，包括內部傳感器和外部傳感器兩大類。內部傳感器主要用來檢測機器人本身的狀態，為機器人的運動控制提供必要的本體狀態信息，如位置傳感器、速度傳感器等。外部傳感器則用來感知機器人所處的工作環境或工作狀況信息，又可分成環境傳感器和末端執行器傳感器兩種類型；前者用于識別物體和檢測物體與機器人的距離等信息，后者安裝在末端執行器上，檢測處理精巧作業的感覺信息。常見的外部傳感器有力覺傳感器、觸覺傳感器、接近覺傳感器、視覺傳感器等。三、機器人的分

7、類經過幾十年的發展，機器人的技術水平不斷提高，應用范圍越來越廣，從早期的焊接、裝配等工業應用，逐步向軍事、空間、水下、農業、建筑、服務和娛樂等領域不斷擴展，結構形式也多種多樣。因此，機器人的分類也出現了多種方法、多種標準，本章主要介紹以下三種分類法。1按照機器人的技術發展水平分按照機器人的技術發展水平可以將機器人分為三代。第一代機器人是“示教再現”型。這類機器人能夠按照人類預先示教的軌跡、行為、順序和速度重復作業。示教可以由操作員“手把手”地進行，比如，操作人員抓住機器人上的噴槍，沿噴漆路線示范一遍，機器人記住了這一連串運動，工作時，自動重復這些運動，從而完成給定位置的噴漆工作。這種方式即是所

8、謂的“直接示教”。但是，比較普遍的方式是通過控制面板示教。操作人員利用控制面板上的開關或鍵盤來控制機器人一步一步地運動，機器人自動記錄下每一步，然后重復。目前在工業現場應用的機器人大多屬于第一代。第二代機器人具有環境感知裝置，能在一定程度上適應環境的變化。以焊接機器人為例，機器人焊接的過程一般是通過示教方式給出機器人的運動曲線，機器人攜帶焊槍走這個曲線，進行焊接。這就要求工件的一致性很好，也就是說工件被焊接的位置必須十分準確。否則，機器人走的曲線和工件上的實際焊縫位置會有偏差。為了解決這個問題，第二代機器人采用了焊縫跟蹤技術，通過傳感器感知焊縫的位置，再通過反饋控制，機器人就能夠自動跟蹤焊縫，

9、從而對示教的位置進行修正，即使實際焊縫相對于原始設定的位置有變化，機器人仍然可以很好地完成焊接工作。類似的技術正越來越多地應用在機器人上。第三代機器人稱為“智能機器人”，具有發現問題，并且能自主地解決問題的能力。作為發展目標，這類機器人具有多種傳感器，不僅可以感知自身的狀態，比如所處的位置、自身的故障情況等等；而且能夠感知外部環境的狀態，比如自動發現路況、測出協作機器的相對位置、相互作用的力等等。更為重要的是，能夠根據獲得的信息，進行邏輯推理、判斷決策，在變化的內部狀態與變化的外部環境中，自主決定自身的行為。這類機器人具有高度的適應性和自治能力。盡管經過多年來的不懈研究，人們研制了很多各具特點

10、的試驗裝置，提出大量新思想、新方法，但現有機器人的自適應技術還是十分有限的。2按機器人的機構特征來分機器人的機械配置形式多種多樣，典型機器人的機構運動特征是用其坐標特性來描述的。按機構運動特征，機器人通常可分為直角坐標機器人、柱面坐標機器人、球面坐標機器人和關節型機器人等類型。 圖71 直角坐標機器人（1）直角坐標機器人。直角坐標機器人具有空間上相互垂直的兩根或三根直線移動軸（見圖71），通過直角坐標方向的3個獨立自由度確定其手部的空間位置，其動作空間為一長方體。直角坐標機器人結構簡單，定位精度高，空間軌跡易于求解；但其動作范圍相對較小，設備的空間因數較低，實現相同的動作空間要求時，機體本身的

11、體積較大。主要用于印刷電路基板的元件插入、緊固螺絲等作業。（2）柱面坐標機器人。柱面坐標機器人的空間位置機構主要由旋轉基座、垂直移動和水平移動軸構成（見圖72），具有一個回轉和兩個平移自由度，其動作空間呈圓柱形。這種機器人結構簡單、剛性好，但缺點是在機器人的動作范圍內，必須有沿軸線前后方向的移動空間，空間利用率較低。主要用于重物的裝卸、搬運等作業。著名的Versatran機器人就是一種典型的柱面坐標機器人。 圖72 柱面坐標機器人（3）球面坐標機器人。如圖73所示，其空間位置分別由旋轉、擺動和平移3個自由度確定，動作空間形成球面的一部分。其機械手能夠作前后伸縮移動、在垂直平面上擺動以及繞底座在

12、水平面上轉動。著名的Unimate就是這種類型的機器人。其特點是結構緊湊，所占空間體積小于直角坐標和柱面坐標機器人，但仍大于多關節型機器人。 圖73 球面坐標機器人（4）多關節型機器人。由多個旋轉和擺動機構組合而成。這類機器人結構緊湊、工作空間大、動作最接近人的動作，對噴漆、裝配、焊接等多種作業都有良好的適應性，應用范圍越來越廣。不少著名的機器人都采用了這種型式，其擺動方向主要有鉛垂方向和水平方向兩種，因此這類機器人又可分為垂直多關節機器人和水平多關節機器人。如美國Unimation公司20世紀70年代末推出的機器人PUMA（見圖74）就是一種垂直多關節機器人，而日本山梨大學研制的機器人SCA

13、RA（見圖75）則是一種典型的水平多關節機器人。 圖74 垂直多關節機器人垂直多關節機器人模擬了人類的手臂功能，由垂直于地面的腰部旋轉軸（相當于大臂旋轉的肩部旋轉軸）帶動小臂旋轉的肘部旋轉軸以及小臂前端的手腕等構成。手腕通常由23個自由度構成。其動作空間近似一個球體，所以也稱多關節球面機器人。其優點是可以自由地實現三維空間的各種姿勢，可以生成各種復雜形狀的軌跡。相對機器人的安裝面積其動作范圍很寬。缺點是結構剛度較低，動作的絕對位置精度磨較低。它廣泛應用于代替人完成裝配作業、貨物搬運、電弧焊接、噴涂、點焊接等作業場合 圖75 水平多關節機器人水平多關節機器人在結構上具有串聯配置的二個能夠在水平面

14、內旋轉的手臂，其自由度可以根據用途選擇24個，動作空間為一圓柱體。水平多關節機器人的優點是在垂直方向上的剛性好，能方便地實現二維平面上的動作，在裝配作業中得到普遍應用。3按照機器人的用途分機器人首先在制造業大規模應用，所以，機器人曾被簡單地分為兩類，即用于汽車等制造業的機器人稱為工業機器人，其他的機器人稱為特種機器人。隨著機器人應用的日益廣泛，這種分類顯得過于粗糙。現在除工業領域之外，機器人技術已經廣泛地應用于農業、建筑、醫療、服務、娛樂，以及空間和水下探索等多種領域。（1）工業機器人工業機器依據具體應用的不同，通常又可以分成焊接機器人、裝配機器人、噴漆機器人、碼垛機器人、搬運機器人等多種類型

15、。焊接機器人，包括點焊（電阻焊）和電弧焊機器人，用途是實現自動的焊接作業。裝配機器人，比較多地用于電子部件電器的裝配。噴漆機器人，代替人進行噴漆作業。碼垛、上下料、搬運機器人的功能則是根據一定的速度和精度要求，將物品從一處運到另一處。在工業生產中應用機器人，可以方便迅速地改變作業內容或方式，以滿足生產要求的變化。比如，改變焊縫軌跡，改變噴漆位置，變更裝配部件或位置等等。隨著對工業生產線柔性的要求越來越高，對各種機器人的需求也就越來越強烈。（2）農業機器人隨著機器人技術的進步，以定型物、無機物為作業對象的工業機器人正在向更高層次的以動、植物之類復雜作業對象為目標的農業機器人發展，農業機器人或機器

16、人化的農業機械的應用范圍正在逐步擴大。農業機器人的應用不僅能夠大大減輕以致代替的人們的生產勞動、解決勞動力不足的問題，而且可以提高勞動生產率，改善農業的生產環境，防止農藥、化肥等對人體的傷害，提高作業質量。但由于農業機器人所面臨的是非結構、不確定、不宜預估的復雜環境和工作對象，所以與工業機器人相比，其研究開發的難度更大。農業機器人的研究開發目前主要集中耕種、施肥、噴藥、蔬菜嫁接、苗木株苗移栽、收獲、灌溉、養殖和各種輔助操作等方面。日本是機器人普及最廣泛的國家，目前已經有數千臺機器人應用于農業領域。（3）探索機器人機器人除了在工農業上廣泛應用之外，還越來越多地用于極限探索，即在惡劣或不適于人類工

17、作的環境中執行任務。例如，在水下（海洋）、太空以及在放射性(有毒或高溫等環境中進行作業。人類借助潛水器具潛人到深海之中探秘，已有很長的歷史。然而，由于危險很大、費用極高，所以水下機器人就成了代替人在這一危險的環境中工作的最佳工具。空間機器人是指在大氣層內和大氣層外從事各種作業的機器人，包括在內層空間飛行并進行觀測、可完成多種作業的飛行機器人，到外層空間其他星球上進行探測作業的星球探測機器人和在各種航天器里使用的機器人。（4）服務機器人機器人技術不僅在工農業生產、科學探索中得到了廣泛應用，也逐漸滲透到人們的日常生活領域，服務機器人就是這類機器人的一個總稱。盡管服務機器人的起步較晚，但應用前景十分

18、廣泛，目前主要應用在清潔、護理、執勤、救援、娛樂、和代替人對設備維護保養等場合。國際機器人聯合會給服務機器人的一個初步定義是，一種以自主或半自主方式運行，能為人類的生活、康復提供服務的機器人，或者是能對設備運行進行維護的一類機器人。四、機器人技術的進展國際上第一臺工業機器人產品誕生于20世紀60年代，當時其作業能力僅限于上、下料這類簡單的工作。此后機器人進人了一個緩慢的發展期，直到進人20世紀80年代，機器人產業才得到了巨大的發展，成為機器人發展的一個里程碑，這一時代被稱為“機器人元年”。為了滿足汽車行業蓬勃發展的需要，這個時期開發出的點焊機器人、弧焊機器人、噴涂機器人以及搬運機器人等四大類型

19、的工業機器人系列產品已經成熟，并形成產業化規模，有利地推動了制造業的發展。為進一步提高產品質量和市場競爭能力，裝配機器人及柔性裝配線又相繼開發成功。20世紀90年代以來，隨著計算機技術、微電子技術、網絡技術等快速發展，工業機器人技術也得到了飛速發展。現在工業機器人已發展成為一個龐大的家族，并與數控（NC）、可編程、控制器（PLC）一起成為工業自動化的三大技術支柱和基本手段，廣泛應用于制造業的各個領域之中。工業機器人技術從機械本體、控制系統、傳感系通行統，到可靠性、網絡通信功能的拓展等方面都取得了突破性的進展。機械本體方面，通過有限元分析、模態分析及仿真設計等現代設計方法的運用，機器人操作機已實

20、現了優化設計。以德國KUKA公司為代表的機器人公司，已將機器人并聯平行四邊形結構改為開鏈結構，拓展了機器人的工作范圍，加之輕質鋁合金材料的應用，大大提高了機器人的性能。此外采用先進的RV減速器及交流伺服電機，使機器人操作機幾乎成為免維護系統。控制系統方面，性能進一步提高，已由過去控制標準的6軸機器人發展到現在能夠控制21軸甚至27軸，并且實現了軟件伺服和全數字控制。傳感系統方面，激光傳感器、視覺傳感器和力傳感器在機器人系統中已得到成功應用，并實現了焊縫自動跟蹤和自動化生產線上物體的自動定位以及精密裝配作業等，大大提高了機器人的作業性能和對環境的適應性。日本KAWASAKI、YASKAWA、FA

21、NUC和瑞典ABB、德國KUKA、REIS等公司皆推出了此類產品。網絡通信功能的拓展，日本YASKAWA和德國KUKA公司的最新機器人控制器已實現了與Canbus、Profibus總線及一些網絡的聯接，使機器人由過去的獨立應用向網絡化應用邁進了一大步，也使機器人由過去的專用設備向標準化設備發展。另外，由于微電子技術的快速發展和大規模集成電路的應用，使機器人系統的可靠性有了很大提高。除了工業機器人水平不斷提高之外，各種用于非制造業的機器人系統也有了長足的進展。農業生產環境的的復雜性和作業對象特殊性使得農業機器人研究難度更大，農業機器人的應用尚未達到商品化階段，但農業機器人技術的研究已經在土地耕作、蔬菜嫁接、作物移栽、農藥噴灑、作物收獲、果蔬采摘等生產環節取得了一些突破性進展。例如，日本的耕作拖拉機自動行走系統、聯合收割機自動駕駛技術、無人駕駛農藥噴灑機，英國的葡萄枝修剪機器人、蘑菇采摘機器人和擠牛奶機器人，我國的農業機器人自動引導行走系統、蔬菜嫁接機器人，法國的水果采摘機器人，以及荷蘭開發的擠奶機器人等。機器人技術用于海洋開發，特別是深海資源的開發，一直是的許多國家積極關注的目標。法國、美國、俄羅斯、日本、加拿大等國從20世紀70年代開始先后研制了幾百臺不同結