【文章內(nèi)容簡介】 開洞筑路；農(nóng)業(yè)機器人可以耕耘播種、施肥除蟲；軍用機器人可以沖鋒陷陣、排雷排彈……　　現(xiàn)在社會上對機器人有很多迷惑，有人認為機器人無所不能。這些朋友是從電影、電視、小說中認識機器人的，他們眼中的機器人是神通廣大的萬能機器，當他們看到現(xiàn)實的機器人時，他們會認為現(xiàn)在的機器人太普通，不能稱之為機器人。有人認為機器人是人，形狀必須像人，不像人怎么能叫機器人，然而現(xiàn)實中絕大多數(shù)的機器人樣子不像人，這使很多機器人愛好者大失所望。還有人認為機器人上崗，工人就會下崗，無形中把機器人當成了競爭對手，他們沒有想到機器人會為人做許多有益的事情，會推動產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，給人類創(chuàng)造更多的就業(yè)機會。浙江科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）3 機器人定義　　在科技界，科學(xué)家會給每一個科技術(shù)語一個明確的定義，但機器人問世已有幾十年，機器人的定義仍然仁者見仁，智者見智，沒有一個統(tǒng)一的意見。原因之一是機器人還在發(fā)展，新的機型，新的功能不斷涌現(xiàn)。根本原因主要是因為機器人涉及到了人的概念，成為一個難以回答的哲學(xué)問題。就像機器人一詞最早誕生于科幻小說之中一樣，人們對機器人充滿了幻想。也許正是由于機器人定義的模糊，才給了人們充分的想象和創(chuàng)造空間　　其實并不是人們不想給機器人一個完整的定義，自機器人誕生之日起人們就不斷地嘗試著說明到底什么是機器人。但隨著機器人技術(shù)的飛速發(fā)展和信息時代的到來，機器人所涵蓋的內(nèi)容越來越豐富，機器人的定義也不斷充實和創(chuàng)新。　　1886 年法國作家利爾亞當在他的小說《未來夏娃》中將外表像人的機器起名為“安德羅丁” （android） ，它由 4 部分組成：　　1，生命系統(tǒng)（平衡、步行、發(fā)聲、身體擺動、感覺、表情、調(diào)節(jié)運動等） ；　　2，造型解質(zhì)（關(guān)節(jié)能自由運動的金屬覆蓋體，一種盔甲） ；　　3，人造肌肉（在上述盔甲上有肉體、靜脈、性別等身體的各種形態(tài)） ；　　4，人造皮膚（含有膚色、機理、輪廓、頭發(fā)、視覺、牙齒、手爪等） ?！　?920 年捷克作家卡雷爾卡佩克發(fā)表了科幻劇本《羅薩姆的萬能機器人》 。在劇本中，卡佩克把捷克語“Robota”寫成了“Robot” ， “Robota”是奴隸的意思。該劇預(yù)告了機器人的發(fā)展對人類社會的悲劇性影響，引起了大家的廣泛關(guān)注，被當成了機器人一詞的起源。在該劇中，機器人按照其主人的命令默默地工作，沒有感覺和感情，以呆板的方式從事繁重的勞動。后來，羅薩姆公司取得了成功，使機器人具有了感情，導(dǎo)致機器人的應(yīng)用部門迅速增加。在工廠和家務(wù)勞動中，機器人成了必不可少的成員。機器人發(fā)覺人類十分自私和不公正，終于造反了，機器人的體能和智能都非常優(yōu)異，因此消滅了人類。　　但是機器人不知道如何制造它們自己，認為它們自己很快就會滅絕，所以它們開始尋找人類的幸存者，但沒有結(jié)果。最后，一對感知能力優(yōu)于其它機器人的男女機器人相愛了。這時機器人進化為人類，世界又起死回生了?！　】ㄅ蹇颂岢龅氖菣C器人的安全、感知和自我繁殖問題。科學(xué)技術(shù)的進步很可能引發(fā)人類不希望出現(xiàn)的問題。雖然科幻世界只是一種想象，但人類社會將可能面臨這種現(xiàn)實?！　榱朔乐箼C器人傷害人類，科幻作家阿西莫夫于 1940 年提出了“機器人三原則”：　　1，機器人不應(yīng)傷害人類；　　2，機器人應(yīng)遵守人類的命令，與第一條違背的命令除外；　　3，機器人應(yīng)能保護自己，與第一條相抵觸者除外?！　∵@是給機器人賦予的倫理性綱領(lǐng)。機器人學(xué)術(shù)界一直將這三原則作為機器人開發(fā)的準則?！　≡?1967 年日本召開的第一屆機器人學(xué)術(shù)會議上，就提出了兩個有代表性的定義。一是浙江科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）4森政弘與合田周平提出的：“機器人是一種具有移動性、個體性、智能性、通用性、半機械半人性、自動性、奴隸性等 7 個特征的柔性機器” 。從這一定義出發(fā)，森政弘又提出了用自動性、智能性、個體性、半機械半人性、作業(yè)性、通用性、信息性、柔性、有限性、移動性等 10 個特性來表示機器人的形象。另一個是加藤一郎提出的具有如下 3 個條件的機器稱為機器人：　　1，具有腦、手、腳等三要素的個體；　　2，具有非接觸傳感器（用眼、耳接受遠方信息）和接觸傳感器；　　3，具有平衡覺和固有覺的傳感器?！≡摱x強調(diào)了機器人應(yīng)當仿人的含義，即它靠手進行作業(yè)，靠腳實現(xiàn)移動，由腦來完成統(tǒng)一指揮的作用。非接觸傳感器和接觸傳感器相當于人的五官，使機器人能夠識別外界環(huán)境，而平衡覺和固有覺則是機器人感知本身狀態(tài)所不可缺少的傳感器。這里描述的不是工業(yè)機器人而是自主機器人?！　C器人的定義是多種多樣的，其原因是它具有一定的模糊性。動物一般具有上述這些要素，所以在把機器人理解為仿人機器的同時，也可以廣義地把機器人理解為仿動物的機器?！　?988 年法國的埃斯皮奧將機器人定義為：“機器人學(xué)是指設(shè)計能根據(jù)傳感器信息實現(xiàn)預(yù)先規(guī)劃好的作業(yè)系統(tǒng)，并以此系統(tǒng)的使用方法作為研究對象” 。　　1987 年國際標準化組織對工業(yè)機器人進行了定義：“工業(yè)機器人是一種具有自動控制的操作和移動功能，能完成各種作業(yè)的可編程操作機。 ”　　我國科學(xué)家對機器人的定義是：“機器人是一種自動化的機器，所不同的是這種機器具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規(guī)劃能力、動作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動化機器” 。在研究和開發(fā)未知及不確定環(huán)境下作業(yè)的機器人的過程中，人們逐步認識到機器人技術(shù)的本質(zhì)是感知、決策、行動和交互技術(shù)的結(jié)合。隨著人們對機器人技術(shù)智能化本質(zhì)認識的加深，機器人技術(shù)開始源源不斷地向人類活動的各個領(lǐng)域滲透。結(jié)合這些領(lǐng)域的應(yīng)用特點，人們發(fā)展了各式各樣的具有感知、決策、行動和交互能力的特種機器人和各種智能機器，如移動機器人、微機器人、水下機器人、醫(yī)療機器人、軍用機器人、空中空間機器人、娛樂機器人等。對不同任務(wù)和特殊環(huán)境的適應(yīng)性，也是機器人與一般自動化裝備的重要區(qū)別。這些機器人從外觀上已遠遠脫離了最初仿人型機器人和工業(yè)機器人所具有的形狀，更加符合各種不同應(yīng)用領(lǐng)域的特殊要求，其功能和智能程度也大大增強，從而為機器人技術(shù)開辟出更加廣闊的發(fā)展空間?！　≈袊こ淘涸洪L宋健指出：“機器人學(xué)的進步和應(yīng)用是 20 世紀自動控制最有說服力的成就，是當代最高意義上的自動化” 。機器人技術(shù)綜合了多學(xué)科的發(fā)展成果，代表了高技術(shù)的發(fā)展前沿，它在人類生活應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴大正引起國際上重新認識機器人技術(shù)的作用和影響。 機器人分類浙江科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）5關(guān)于機器人如何分類，國際上沒有制定統(tǒng)一的標準，有的按負載重量分，有的按控制方式分，有的按自由度分，有的按結(jié)構(gòu)分，有的按應(yīng)用領(lǐng)域分。一般的分類方式見表：表 11 機器人分類分類名稱 簡要解釋操作型機器人 能自動控制，可重復(fù)編程，多功能，有幾個自由度，可固定或運動，用于相關(guān)自動化系統(tǒng)中。程控型機器人 按預(yù)先要求的順序及條件，依次控制機器人的機械動作。示教再現(xiàn)型機器人 通過引導(dǎo)或其它方式，先教會機器人動作，輸入工作程序，機器人則自動重復(fù)進行作業(yè)。數(shù)控型機器人 不必使機器人動作，通過數(shù)值、語言等對機器人進行示教，機器人根據(jù)示教后的信息進行作業(yè)。感覺控制型機器人 利用傳感器獲取的信息控制機器人的動作。適應(yīng)控制型機器人 機器人能適應(yīng)環(huán)境的變化，控制其自身的行動。學(xué)習(xí)控制型機器人 機器人能“體會”工作的經(jīng)驗，具有一定的學(xué)習(xí)功能，并將所“學(xué)”的經(jīng)驗用于工作中。智能機器人 以人工智能決定其行動的機器人。我國的機器人專家從應(yīng)用環(huán)境出發(fā)，將機器人分為兩大類，即工業(yè)機器人和特種機器人。所謂工業(yè)機器人就是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機械手或多自由度機器人。而特種機器人則是除工業(yè)機器人之外的、用于非制造業(yè)并服務(wù)于人類的各種先進機器人，包括：服務(wù)機器人、水下機器人、娛樂機器人、軍用機器人、農(nóng)業(yè)機器人、機器人化機器等。在特種機器人中，有些分支發(fā)展很快，有獨立成體系的趨勢，如服務(wù)機器人、水下機器人、軍用機器人、微操作機器人等。目前，國際上的機器人學(xué)者，從應(yīng)用環(huán)境出發(fā)將機器人也分為兩類：制造環(huán)境下的工業(yè)機器人和非制造環(huán)境下的服務(wù)與仿人型機器人，這和我國的分類是一致的。機器人運用的領(lǐng)域也越來越廣泛。不僅在國民經(jīng)濟中扮演了重要的角色，而且在深海探測，科學(xué)研究，太空計劃等前沿領(lǐng)域得以大展身手。本文中提到的登月車實際上就是種類繁多的工業(yè)機器人在太空中的應(yīng)用。 我國登月車需要解決的主要關(guān)鍵技術(shù)我國深空探測急需解決的技術(shù)是：① 深空通信[7]和測控網(wǎng)；[8]② 登月軌道設(shè)計及實現(xiàn)技術(shù)；[9]③ 軟著陸登陸技術(shù)；④ 月球探測機器人遙感科學(xué)技術(shù)[10]。 根據(jù)月球環(huán)境及特點，考慮到登月車所執(zhí)行的任務(wù)，登月車研究包括以下幾個關(guān)鍵技術(shù)。 （1）輕小型機械及驅(qū)動機構(gòu) 浙江科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）6 登月車的機構(gòu)結(jié)構(gòu)應(yīng)體現(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、質(zhì)量輕的特點，同時與之配套的驅(qū)動機構(gòu)應(yīng)具備很好的穩(wěn)定性和較強的爬坡和翻越障礙的能力。目前已經(jīng)出現(xiàn)的行駛機構(gòu)主要有履帶式、腿式和輪式，其中輪式的效率最高，但適應(yīng)能力最差，而腿式的適應(yīng)能力最強但效率最差。 （2）大時延遙操作技術(shù) 登月車遙操作中最主要的問題是空間與地面通信中的時間延遲，以及有限的數(shù)據(jù)傳輸帶寬。通信延遲包括遙控指令的延遲和遙測信號的延遲，主要是由光傳播速度造成的。時延使連續(xù)遙操作閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)變得不穩(wěn)定。目前，3D 預(yù)測仿真圖形是解決大時延遙操作的主要方法，為此需建立登月車和月球環(huán)境的預(yù)測仿真圖形顯示系統(tǒng)，在良好人機界面的條件下進行遙操作。 （3）自主導(dǎo)航、定位與控制 登月車應(yīng)同時具備自主與遙操作兩種工作方式。由于月球場景數(shù)據(jù)與遙操作指令傳輸存在大時延問題，所以對登月車有必要實現(xiàn)自主導(dǎo)航、定位與控制，在自主和遙操作配合的情況下完成任務(wù)。 （4）傳感技術(shù) 自主導(dǎo)航的前提是登月車配備完善的傳感系統(tǒng)，充分、細致地感知外部環(huán)境，同時將遙測數(shù)據(jù)傳回地面控制臺。 （5）信號的壓縮、傳輸與恢復(fù) 對在大時延、數(shù)據(jù)傳輸帶寬有限條件下的信號壓縮、傳輸與恢復(fù)技術(shù)的研究。 （6）安全及可靠性技術(shù) 包括材料、密封、潤滑、能源、溫控、故障診斷與處理等技術(shù)。 研究的主要內(nèi)容登月車模型玩具設(shè)計，模仿登月車的基本功能和設(shè)計思路，運用“模擬制造”的設(shè)計理念，設(shè)計可完成規(guī)定動作的登月車，完成理論方案的設(shè)計，運用 PROE 軟件進行的實體造型和對所設(shè)計登月車的進行受力分析，模型設(shè)計，模擬裝配。運用對登月車的控制系統(tǒng)進行電子電路硬件設(shè)計，并用單片機進行編程。設(shè)計的登月車能夠在限定的時間（十分鐘）內(nèi)完成以下動作：1）登月車攜帶紅旗翻越障礙。2）登月車將紅旗插在指定地點的旗樁上并站立。3）登月車拾取藍色木塊按要求放入指定基地區(qū)。 設(shè)計要求（1）登月車以收起機械臂計，其長度小于或等于 300mm、寬度小于或等于 300mm、高度小于或等于 300mm。 浙江科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）7（2）登月車的驅(qū)動可采用各種形式的原動機，不允許使用人力直接驅(qū)動，若使用電動機驅(qū)動，其電源應(yīng)為安全電源。（3）登月車前進方式不限，拾取木塊的方式和每次拾取木塊的數(shù)量不限。（4）登月車的控制可采用有線或無線遙控方式工作場地及用品規(guī)格（1）本登月車工作場地采用木質(zhì)地板，場地尺寸： 4000mm 2022mm，四周圍板高200mm。（2）場地細節(jié)見圖 11，圖中障礙管采用市售 216。50、 216。90、216。110 及 216。160PVC 塑料管。（3）木塊尺寸：216。4040，漆成藍色和黃色，其中藍色木塊的另一端底面漆成紅色。（4）紅旗尺寸：120200 直角三角形。（5）紅旗旗桿尺寸：216。3300。圖 11 場地浙江科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）8第二章 產(chǎn)品設(shè)計思路－虛擬設(shè)計技術(shù) 虛擬制造隨著計算機軟硬件技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的迅速發(fā)展，制造業(yè)中許多新概念、新觀點應(yīng)運而生，虛擬制造(virtual manufacturing)就是其中之一，它代表了一種全新的制造體系和模式。在虛擬制造中，基于數(shù)字化的虛擬產(chǎn)品開發(fā)方式(virtual product development)，以用戶的需求為驅(qū)動，并將用戶需求轉(zhuǎn)化為最終產(chǎn)品的各種功能特征。虛擬制造技術(shù)的出現(xiàn)是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果，是各種現(xiàn)代制造技術(shù)與系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。虛擬制造技術(shù)是多個學(xué)科領(lǐng)域知識的綜合集成與應(yīng)用，計算機仿真、建模和優(yōu)化技術(shù)是虛擬制造的核心與關(guān)鍵技術(shù)。對設(shè)計、制造等生產(chǎn)過程進行統(tǒng)一建模，在產(chǎn)品設(shè)計階段或產(chǎn)品制造之前，就能真實地模擬出產(chǎn)品的未來制造全過程及其對產(chǎn)品設(shè)計的影響，預(yù)測產(chǎn)品的性能、成本及可制造性，從而更有效、更經(jīng)濟靈活地進行組織生產(chǎn)，合理配置工廠和車間的資源，使生產(chǎn)布局更合理、更有效，以達到產(chǎn)品開發(fā)周期和成本最優(yōu)化，生產(chǎn)效率最高化之目的。針對虛擬制造的特點，結(jié)合現(xiàn)有的研究手段和條件，構(gòu)建了一個虛擬設(shè)計與制造環(huán)境。 虛擬設(shè)計與制造環(huán)境的總體結(jié)構(gòu)虛擬設(shè)計與制造環(huán)境的總體框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。該環(huán)境由以下幾個部分組成：主控制界面、參數(shù)化CAD／CAM 系統(tǒng)、虛擬設(shè)計環(huán)境、虛擬裝配環(huán)境、虛擬加工環(huán)境，機床建模環(huán)境和數(shù)據(jù)集成管理模塊。主控制界面用于幫助用戶在各個子環(huán)境之間進行切換。虛擬設(shè)計、裝配和加工環(huán)境均是以虛擬現(xiàn)實技術(shù)為基礎(chǔ)所創(chuàng)建的具有一定沉浸感的三維虛擬環(huán)境，其中設(shè)計環(huán)境可以讓用戶從各個角度觀察，變換和修改由CAD系統(tǒng)所生成的參數(shù)化模型；裝配環(huán)境可以使用戶通過直接操作虛擬環(huán)境中的零件來進行裝配操作；虛擬加工環(huán)境則為用戶提供了一個虛擬的車間環(huán)境，以進行零件加工過程的分析。虛擬設(shè)計與加工環(huán)境通過系統(tǒng)主控制界面來調(diào)用參數(shù)化CAD／CAM 系統(tǒng)。在設(shè)計過程中，用戶可通過主控制界面選擇進入相應(yīng)虛擬環(huán)