【正文】 如圖 所示。這是一臺用于壓鑄作業(yè)的五軸液壓驅動機器人，手臂的控制由一臺專用計算機完成。它采用分離式固體數(shù)控元件，并裝有存儲信息的磁鼓，能夠記憶完成 180 個工作步驟。與此同時，另一家美國公司 ——AMF 公司也開始研制工業(yè)機器人，即Versatran(Versatile Transfer)機器人，如圖 所示。它主要用于機器之間的物料運輸，采用液壓驅動。該機器人的手臂可以繞底座回轉，沿垂直方向升降，也可以沿半徑方向伸縮。 一般 認為 ， Unimate 和 Versatran 是世界上最早的工業(yè)機器人 (見圖 )。這兩種工業(yè)機器人 的控制方式和數(shù)控機床大致相似，但外形特征迥異，主要有類似人的手和臂組成。 工業(yè)機器人的發(fā)展歷史可用表 來說明。 工學學士論文 緒論 表 工業(yè)機器人的發(fā)展歷史 年代 領域 事件 1955 理論 Denavit 和 Hartenberg 發(fā)展了齊次變換 1961 工業(yè) 美國專利 2998237， Gee devol 的 “編程技術 ”、 “傳輸 ”(基于 Unimate 機器人 ) 1961 技術 第一臺 Unimate 機器人安裝，用于壓鑄 1961 技術 有傳感器的機械手 MH1，由 Ernst 在麻省理工學院發(fā)明 1961 工業(yè) Versatran 圓柱坐標機器人商業(yè)化 1965 理論 將齊次變換 矩 陣應用于機器人 1965 技術 MIT 的 Roborts 演示了第一個具有視覺傳感器的、能識別與定位簡單積木的機器人系統(tǒng) 1967 理論 日本成立了人工手研究會 (現(xiàn)改名為仿生機構研究會 )，同年召開了日本首屆機器人學術會 1968 技術 斯坦福研究院發(fā)明帶視覺的、由計算機控制的行走機器人 Shakey 1969 技術 V． C． Sheinman 及其助手發(fā)明斯坦福機器臂 1970 理論 在美國召開了第一屆國際工業(yè)機器人學術會議。 1970年以后，機器人的研究得到迅速廣泛的普及 1970 技術 ETL 公司發(fā)明帶視覺的自適應機器人 1971 工業(yè) 日本工業(yè)機器人協(xié)會 (JIRA)成立 1972 理論 R． P． Paul 用 D—H 矩陣計算軌跡 1972 理論 D． E． Whitney 發(fā)明操作機的協(xié)調控制方式 1973 理論 辛辛那提 米拉克隆公司的理查德 豪恩制造了第一臺由工學學士論文 緒論 小型計算機控制的工業(yè)機器人，它是液壓驅動的，能提升的 有效負載達 45kg 1975 工業(yè) 美國機器人研究院成立 1975 工業(yè) Unimation 公司公布其第一次利潤 1976 技術 在斯坦福研究院完成用機器人的編程裝配 1978 工業(yè) 及其同事成立了機器人智能公司，生產出第一個商業(yè)視覺系統(tǒng) 1980 工業(yè) 工業(yè)機器人真正在日本普及，故稱該年為 “機器人元年 ”。隨后，工業(yè)機器人在日本得到了巨大發(fā)展，日本也因此而贏得了 “機器人王國 ”的美稱 隨著計算機技術和人工智能技術的飛速發(fā)展，使機器人在功能和技術層次上有了很大的提高，移動機器人和機器人 的視覺和觸覺等技術就是典型的代表。由于這些技術的發(fā)展，推動了機器人概念的延伸。 20 世紀 80年代，將具有感覺、思考、決策和動作能力的系統(tǒng)稱為智能機器人。這是一個概括的、含義廣泛的概 念。這一概念不但指導了機器人技術的研究和應用，而且又賦予了機器人技術向深廣發(fā)展的巨大空間。水下機器人、空間機器人、空中機器人、地面機器人、微小型機器人等各種用途的機器人相繼問世，許多夢想成為了現(xiàn)實。將機器人的技術 (如傳感技術、智能技術、控制技術等 )擴散和滲透到各個領域，便形成了各式各樣的新機器 ——機器人化機器。當前，與信息技術的交互 和融合又產生了 “軟件機器人 ”、 “網絡機器人 ”的名稱，這也說明了機器人所具有的創(chuàng)新活力。 美國的機器人技術一直處于世界領先水平。在 1967~1974 年的幾年時間里，因為政府對機器人發(fā)展的重視不夠，且機器人處于發(fā)展初期，價格昂貴，適用性不強，所以發(fā)展緩慢。此后，由于美國機器人協(xié)會、制造工工學學士論文 緒論 程師協(xié)會積極主動地進行機器人技術推廣工作，且美國為了高效生產，適應市場多變的需要，以機器人為核心的柔性自動化生產線恰好具有這些優(yōu)點，所以機器人技術得以迅猛發(fā)展。 日本機器人的發(fā)展經過了 20 世紀 60 年代的搖籃期， 70 年代的實用化時期以及 80 年代的普及、提高期三個基本階段。在 1967 年，日本東京機械貿易公司首次從美國 AMF 公司引進 Versatran 機器人。 1968 年，日本川崎重工業(yè)公司與美國 Unimation 公司締結國際技術合作協(xié)議，引進Unimation 機器人。 1970 年，日本機器人實現(xiàn)國產化。從此，日本進入了開發(fā)和應用機器人技術時期。幾年后，美國反而要從日本進口機器人。 1983年，美國 從日本進口的機器人占美國總數(shù)的 78%。 我國工業(yè)機器人的發(fā)展狀況 我國工業(yè)機器人起步于 20 世紀 70 年代初，經過 30 多年的發(fā)展， 90年代進 入了適用化期，先后研制出了點焊、弧焊、裝配、噴漆、切割、搬運 、包裝、碼垛等各種用途的工業(yè)機器人，并實現(xiàn)了一批機器人應用工程，形成了一批機器人產業(yè)化基地 ，為我國機器人產業(yè)的騰飛奠定了基礎。 目前我國機器人研究的主要內容如下： 1)示教再現(xiàn)型工業(yè)機器人產業(yè)化技術研究 這些研究主要包括：關節(jié)式、側噴式、頂噴式、龍門式噴涂機器人產品的標準化，通用化、模塊化、系列化設計；柔性仿形噴涂機器人產品的標準化、通用化、模塊化、系列化設計；弧焊機器人用激光視覺焊縫跟蹤裝置的開發(fā)；焊接機器人的離線示教編程及工作站系統(tǒng)動態(tài)仿真；電 子行業(yè)用裝配機器人產品標準化、通用化、模塊化、系列化設計；批量生產機器人所需的專用制造、裝配、測試設備和工具的研究開發(fā)。 2)智能機器人開發(fā)研究 這些研究主要包括：遙控加局部自主系統(tǒng)構成和控制策略研究；智能工學學士論文 緒論 移動機器人的導航和定位技術研究；面向遙控機器人的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)；人機交互環(huán)境建模系統(tǒng)；基于計算機屏幕的多機器人遙控技術。 3)機器人化機械研究開發(fā) 這些研究開發(fā)主要包括：并聯(lián)機構機床 (VMT)與機器人化加工中心(RMC)開發(fā)研究；機器人化無人值守和具有自適應能力的多機遙控操作的大型散料輸送設備。 4)以機器 人為基礎的重組裝配系統(tǒng) 這些研究主要包括：開放式模塊化裝配機器人；面向機器人裝配的設計技術；機器人柔性裝配系統(tǒng)設計技術；可重構機器人柔性裝配系統(tǒng)設計技術；裝配力覺、視覺技術；智能裝配策略及其控制技術。 5)多傳感器信息融合與配置技術 該技術主要包括：機器人的傳感器配置和融合技術在水泥生產過程控制和污水處理自動控制系統(tǒng)中的應用；機電一體化智能傳感器的設計應用。工學學士論文 設計概述 2 設計概述 工業(yè)機器人的基本組成 工業(yè)機器人由三大部分六個子系統(tǒng)組成。三大部分是機械部分、傳感部分和 控制部分 [3]。六個子系統(tǒng)是驅動系統(tǒng)、機 械結構系統(tǒng)、感受系統(tǒng)、機器人 ——環(huán)境交互系 統(tǒng)、人機交互系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，可用圖 來表示。 圖 機器人系統(tǒng)組成 六個子系統(tǒng)的作用分述如下： 1．驅動系統(tǒng) 要使機器人運行起來，需給各個關節(jié)即每個運動自由度安置傳動裝置，這就是驅動系統(tǒng)。驅動系統(tǒng)可以是液壓傳動、氣動傳動、電動傳動，或者把它們結合起來應用的綜合系統(tǒng)；可以是直接 驅動或者是通過同步帶、鏈條、輪系、諧波齒輪等機械傳動機構進行間接 驅動。 工業(yè)機器人的機械結構系統(tǒng)由基座、手臂、 末端操作器三大件組成 。每一大件都有若干自由度，構成一個多自由度的機械系統(tǒng)。若基座具備行人機交互系統(tǒng) 控制系統(tǒng) 機械機構系統(tǒng) 機器人 —— 環(huán)境交互系統(tǒng) 感受系統(tǒng) 驅動系統(tǒng) 工學學士論文 設計概述 走機構，則構成行走機器人；若基座不具備行走及腰轉機構，則構成單機器人臂 (Single Robot Arm)。手臂一般由上臂、下臂和手腕組成。末端操作器是直接裝在手腕上的一個重要部件，它可 以 是二手指或多手指的手爪，也可以是噴漆槍、焊具等作業(yè)工具。 感受系統(tǒng)由內部傳感模塊和外部傳感模塊組成，用以獲取內部和外部環(huán)境狀態(tài)中有意義的信息。智能傳感器的使用提高了機器人的機動性、適應性和智能化的水準。人類的感受系統(tǒng)對感知外 部世界信息是極其靈巧的，然而，對于一些特殊的信息，傳感器比人類的感受系統(tǒng)更有效。 ——環(huán)境交互系統(tǒng) 機器人 ——環(huán)境交互系統(tǒng)是實現(xiàn)工業(yè)機器人與外部環(huán)境中的設備相互聯(lián)系和協(xié)調的系統(tǒng)。工業(yè)機器人與外部設備集成為一個功能單元，如加工制造單元、焊接單元、裝配單元等。當然，也可以是多臺機器人、多臺機床或設備、 多個零件存儲裝置等集成為一個執(zhí)行復雜任務的功能單元。 人機交互系統(tǒng)是使操作人員與機器人控制并與機器人進行聯(lián)系的裝置，例如，計算機的標準終端，指令控制臺，信息顯示板，危險信號報警器等。該系 統(tǒng)歸納起來分為兩大類：指令給定裝置和信息顯示裝置。 控制系統(tǒng) 的任務是根據(jù)機器人 的作業(yè)指令程序以及從傳感器反饋回來的信號支配機器人的執(zhí)行機構去完成規(guī)定的運動和功能。假如工業(yè)機器人不具備信息反饋特征，則為開環(huán)控制系統(tǒng)；若具備信息反饋特征，則為閉環(huán)控制系統(tǒng)。根據(jù)控制原理，控制系統(tǒng)可分為程序控制系統(tǒng)、適應性控制系統(tǒng)和人工智能控制系統(tǒng)。根據(jù)控制運動的形式，控制系統(tǒng)可分為點位控制和軌跡控制。 工學學士論文 設計概述 機器人的自由度 正如在工程力學課程中學到的，為了確定點在空間的位置，需要指定三個坐標，就像沿直角坐標軸的 x， y 和三個坐標。同樣地，如果考慮一個三自由度的三維裝置，在它的工作區(qū)內可以將任意一點放到所期望的位置。 同樣，要確定一個剛體 (一個三維物體，而不是一個點 )在空間的位置，首先需要在該剛體上選擇一個點應指定該點的位置，因此需要三個數(shù)據(jù)來確定該點的位置。然而，即使物體的位置已確定，仍有無數(shù)種方法來確定該物體的姿態(tài)。為了完全定位空間的物體，除了確定 物體上的所選點的位置外，還須確定 該物體的姿態(tài)。這就意味著需要六個數(shù)據(jù)才能完全確定剛體物體的位置和姿態(tài)。基于同樣的理由，需要六個自由度才能將物體放置到空間的期望位姿。如果少 于六個自由度，機器人的能力將受到很大的限制。 為了說明這個問題，考慮一個三自由度機器人，它只能沿 x， y 和 z 軸運動。在這種情況下，不能指定機械手的姿態(tài)。此時，機器人只能夾持物體做平行于坐標軸的運動，姿態(tài)保持不變。再假設一個機器人有五個自由度，可以繞三個坐標軸旋轉，但只能沿 x 和 y 軸運動。這時雖然可以任意地指定姿態(tài)，但只能沿 x 和 y 軸而不可能沿 z 軸給部件定位。 具有七個自由度的系統(tǒng)沒有唯一解。這就意味著，如果一個機器人有七個自由度，那么機器人可以有無窮多種方法在期望位置為部件定位和定姿。為了使控制器知道具體怎么做， 必須有附加的決策程序使機器人能夠從無數(shù)種方法中只選擇出一種。例如，可以采用最優(yōu)程序來選擇最快或最短路徑到達目的地。為此，計算機必須檢驗所有的解，從中找出最短或最快的響應并執(zhí)行之。 課題組總框架 本課題 組 是一個完整的工業(yè)機器人遙操作嵌入式伺服控制系統(tǒng)設計，工學學士論文 設計概述 由示教操作器、規(guī)劃器和嵌入式伺服控制器組成，總體框圖見 附錄一 。 操作器是操作人員控制工業(yè)機器人的人際交互系統(tǒng)，在操作端，操作者通過操縱桿、鍵盤等人機交互設備發(fā)出命令， 一方面 這些控制命令通過通信環(huán)節(jié)送往遠端的機器人系統(tǒng)，另一方面通過 總線 通信，現(xiàn)場機器人的運動狀態(tài)信息都可以反饋到操作端 。操作 作者向遠端機器人發(fā)出的指令既可以是低級的運動指令，也可以是高級的任務級指令 。 規(guī)劃器主要負責路徑規(guī)劃，即根據(jù)作業(yè)任務確定實時計算和生成運動軌跡。接收從操作器接受任務，完成路徑規(guī)劃，在發(fā)出給控制器命令。在規(guī)劃中，不僅要規(guī)定機器人的起始點和終止點，而且要給出中間點 (路徑點 )的位姿及路徑點之間的時間分配，即給出兩個路徑點之間的運動時間。 控制器除了接收上位機發(fā)出的命令外，主要負責 控制驅動器和完成以速度為反饋信號的閉環(huán)控制。詳細信息見下一節(jié)。 控制器的功能 及設計思路 控制器的功能 控制器的功能