關(guān)于機(jī)器人技術(shù)你必須知道的基本知識(shí)

機(jī)器人的歷史并不算長(zhǎng)，1959年美國(guó)英格伯格和德沃爾制造出世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人，機(jī)器人的歷史才真正開(kāi)始。德沃爾曾于1946年發(fā)明了一種系統(tǒng)，可以“重演”所記錄的機(jī)器的運(yùn)動(dòng)。1954年，德沃爾又獲得可編程機(jī)械手專(zhuān)利，1959年，英格伯格和德沃爾聯(lián)手制造出第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人。

機(jī)器人的分類(lèi)

關(guān)于機(jī)器人如何分類(lèi)，國(guó)際上沒(méi)有制定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，有的按負(fù)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(lèi)方式：

示教再現(xiàn)型機(jī)器人：通過(guò)引導(dǎo)或其它方式，先教會(huì)機(jī)器人動(dòng)作，輸入工作程序，機(jī)器人則自動(dòng)重復(fù)進(jìn)行作業(yè)。

數(shù)控型機(jī)器人：不必使機(jī)器人動(dòng)作，通過(guò)數(shù)值、語(yǔ)言等對(duì)機(jī)器人進(jìn)行示教，機(jī)器人根據(jù)示教后的信息進(jìn)行作業(yè)。

感覺(jué)控制型機(jī)器人：利用傳感器獲取的信息控制機(jī)器人的動(dòng)作。

適應(yīng)控制型機(jī)器人：機(jī)器人能適應(yīng)環(huán)境的變化，控制其自身的行動(dòng)。

學(xué)**控制型機(jī)器人：機(jī)器人能“體會(huì)”工作的經(jīng)驗(yàn)，具有一定的學(xué)**功能，并將所“學(xué)”的經(jīng)驗(yàn)用于工作中。

智能機(jī)器人：以人工智能決定其行動(dòng)的機(jī)器人。

我國(guó)的機(jī)器人專(zhuān)家從應(yīng)用環(huán)境出發(fā)，將機(jī)器人分為兩大類(lèi)，即工業(yè)機(jī)器人和特種機(jī)器人。

所謂工業(yè)機(jī)器人就是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度機(jī)器人。而特種機(jī)器人則是除工業(yè)機(jī)器人之外的、用于非制造業(yè)并服務(wù)于人類(lèi)的各種先進(jìn)機(jī)器人，

包括：服務(wù)機(jī)器人、水下機(jī)器人、娛樂(lè)機(jī)器人、軍用機(jī)器人、農(nóng)業(yè)機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)器等。在特種機(jī)器人中，有些分支發(fā)展很快，有獨(dú)立成體系的趨勢(shì)，如服務(wù)機(jī)器人、水下機(jī)器人、軍用機(jī)器人、微操作機(jī)器人等。

目前，國(guó)際上的機(jī)器人學(xué)者，從應(yīng)用環(huán)境出發(fā)將機(jī)器人也分為兩類(lèi)：制造環(huán)境下的工業(yè)機(jī)器人和非制造環(huán)境下的服務(wù)與仿人型機(jī)器人，這和我國(guó)的分類(lèi)是一致的。

機(jī)器人的優(yōu)缺點(diǎn)

機(jī)器人使用的優(yōu)點(diǎn)：

機(jī)器人和自動(dòng)化技術(shù)在多數(shù)情況下可以提高生產(chǎn)率，安全性，效率，產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)品的一性;

機(jī)器人可以在危險(xiǎn)的環(huán)境下工作，而無(wú)需考慮生命保障或安全的需要;

機(jī)器人無(wú)需舒適的環(huán)境，例如考慮照明，空調(diào)，通風(fēng)以及噪音隔離等。

機(jī)器人能不知疲倦，不知厭煩地持續(xù)工作，他們不會(huì)有心理問(wèn)題，做事不拖沓，不需要醫(yī)療保險(xiǎn)或假期;

機(jī)器人除了發(fā)生故障或磨損外，將始終如一地保持精確度;

機(jī)器人具有比人高得多的精確度。直線位移精度可達(dá)千分之幾英寸(1英寸= 2.54cm)，新型的半導(dǎo)體晶片處理機(jī)器人具有微英寸級(jí)的精度;

機(jī)器人和其附屬設(shè)備及傳感器具有某些人類(lèi)所不具備的能力;

機(jī)器人可以同時(shí)響應(yīng)多個(gè)激勵(lì)或處理多項(xiàng)任務(wù)，而人類(lèi)只能響應(yīng)一個(gè)現(xiàn)行激勵(lì)。

機(jī)器人使用的負(fù)面：

機(jī)器人替代了工人，由此帶來(lái)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)問(wèn)題;

機(jī)器人缺乏應(yīng)急能能力，除非該緊急情況能夠預(yù)知并已在系統(tǒng)中設(shè)置了應(yīng)對(duì)方案，否則不能很好地處理緊急情況。同時(shí)，還需要有安全措施來(lái)確保機(jī)器人不會(huì)傷害操作人員以及與他一起工作的機(jī)器(設(shè)備)。這些情況包括：不恰當(dāng)或錯(cuò)誤的反應(yīng)、缺乏決策的能力、斷電、機(jī)器人或其它設(shè)備的損傷、人員傷害;

機(jī)器人盡管在一定情況下非常出眾，但其能力在以下方面仍具有局限性(與人相比)，表現(xiàn)在：自由度、靈巧度、傳感器能力視覺(jué)系統(tǒng)、實(shí)時(shí)響應(yīng)。

機(jī)器人的組成部件

機(jī)器人作為一個(gè)系統(tǒng)，它由如下部件構(gòu)成：

機(jī)械手或移動(dòng)車(chē)，這是機(jī)器人的主體部分，由連桿，活動(dòng)關(guān)節(jié)以及其它結(jié)構(gòu)部件構(gòu)成，使機(jī)器人達(dá)到空間的某一位置。如果沒(méi)有其它部件，僅機(jī)械手本身并不是機(jī)器人。(相當(dāng)于人的身體或手臂);

末端執(zhí)行器，連接在機(jī)械手最后一個(gè)關(guān)節(jié)上的部件，它一般用來(lái)抓取物體，與其他機(jī)構(gòu)連接并執(zhí)行需要的任務(wù)。機(jī)器人制造上一般不設(shè)計(jì)或出售末端執(zhí)行器，多數(shù)情況下，他們只提供一個(gè)簡(jiǎn)單的抓持器。(相當(dāng)于人的手)

末端執(zhí)行器安裝在機(jī)器人上以完成給定環(huán)境中的任務(wù)，如焊接，噴漆，涂膠以及零件裝卸等就是少數(shù)幾個(gè)可能需要機(jī)器人來(lái)完成的任務(wù)。通常，末端執(zhí)行器的動(dòng)作由機(jī)器人控制器直接控制，或?qū)C(jī)器人控制器的信號(hào)傳至末端執(zhí)行器自身的控制裝置(如PLC);

驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器是機(jī)械手的“肌肉”。常見(jiàn)的驅(qū)動(dòng)器有伺服電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)，氣缸及液壓缸等，也還有一些用于某些特殊場(chǎng)合的新型驅(qū)動(dòng)器，它們將在第6章進(jìn)行討論。驅(qū)動(dòng)器受控制器的控制。

傳感器，傳感器用來(lái)收集機(jī)器人內(nèi)部狀態(tài)的信息或用來(lái)與外部環(huán)境進(jìn)行通信。機(jī)器人控制器需要知道每個(gè)連桿的位置才能知道機(jī)器人的總體構(gòu)型。人即使在完全黑暗中也會(huì)知道胳膊和腿在哪里，這是因?yàn)榧‰靸?nèi)的中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的神經(jīng)傳感器將信息反饋給了人的大腦。大腦利用這些信息來(lái)測(cè)定肌肉伸縮程度進(jìn)而確定胳膊和腿的狀態(tài)。對(duì)于機(jī)器人，集成在機(jī)器人內(nèi)的傳感器將每一個(gè)關(guān)節(jié)和連桿的信息發(fā)送給控制器，于是控制器就能決定機(jī)器人的構(gòu)型。機(jī)器人常配有許多外部傳感器，例如視覺(jué)系統(tǒng)，觸覺(jué)傳感器，語(yǔ)言合成器等，以使機(jī)器人能與外界進(jìn)行通信。

控制器，機(jī)器人控制器從計(jì)算機(jī)獲取數(shù)據(jù)，控制驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)作，并與傳感器反饋信息一起協(xié)調(diào)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。假如要機(jī)器人從箱柜里取出一個(gè)零件，它的第一個(gè)關(guān)節(jié)角度必須為35°，如果第一關(guān)節(jié)尚未達(dá)到這一角度，控制器就會(huì)發(fā)出一個(gè)信號(hào)到驅(qū)動(dòng)器(輸送電流到電動(dòng)機(jī))，使驅(qū)動(dòng)器運(yùn)動(dòng)，然后通過(guò)關(guān)節(jié)上的反饋傳感器(電位器或編碼器等)測(cè)量關(guān)節(jié)角度的變化，當(dāng)關(guān)節(jié)達(dá)到預(yù)定角度時(shí)，停止發(fā)送控制信號(hào)。對(duì)于更復(fù)雜的機(jī)器人，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度和力也由控制器控制。機(jī)器人控制器與人的小腦十分相似，雖然小腦的功能沒(méi)有人的大腦功能強(qiáng)大，但它卻控制著人的運(yùn)動(dòng)。

處理器，處理器是機(jī)器人的大腦，用來(lái)計(jì)算機(jī)器人關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，確定每個(gè)關(guān)節(jié)應(yīng)移動(dòng)多少和多遠(yuǎn)才能達(dá)到預(yù)定的速度和位置，并且監(jiān)督控制器與傳感器協(xié)調(diào)動(dòng)作。處理器通常就是一臺(tái)計(jì)算機(jī)(專(zhuān)用)。它也需要擁有操作系統(tǒng)，程序和像監(jiān)視器那樣的外部設(shè)備等。

軟件，用于機(jī)器人的軟件大致有三塊。第一塊是操作系統(tǒng)，用來(lái)操作計(jì)算機(jī)。第二塊是機(jī)器人軟件，它根據(jù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方程計(jì)算每一個(gè)關(guān)節(jié)的動(dòng)作，然后將這些信息傳送到控制器，這種軟件有多種級(jí)別，從機(jī)器語(yǔ)言到現(xiàn)代機(jī)器人使用的高級(jí)語(yǔ)言不等。第三塊是例行程序集合和應(yīng)用程序，它們是為了使用機(jī)器人外部設(shè)備而開(kāi)發(fā)的(例如視覺(jué)通用程序)，或者是為了執(zhí)行特定任務(wù)而開(kāi)發(fā)的。

在許多系統(tǒng)中，控制器和處理器放置在同一單元中。雖然這兩部分放在同一裝置盒內(nèi)甚至集成在同一電路中，但他們有各自的功能。

以下幾項(xiàng)用來(lái)定義機(jī)器人的性能指標(biāo)：

負(fù)荷能力，負(fù)荷能力是機(jī)器人在滿足其它性能要求的情況下，能夠承擔(dān)的負(fù)荷重量。例如，一臺(tái)機(jī)器人的最大負(fù)荷能力可能遠(yuǎn)大于它的額定負(fù)荷能力，但是達(dá)到最大負(fù)荷時(shí)，機(jī)器人的工作精度可能會(huì)降低，可能無(wú)法準(zhǔn)確地沿著預(yù)定的軌跡運(yùn)動(dòng)，或者產(chǎn)生額外的偏差。機(jī)器人的負(fù)荷量與其自身的重量相比往往非常小。例如，F(xiàn)anuc RoboTIcs LR Mate機(jī)器人自身重86磅，而其負(fù)荷量?jī)H為6.6磅;M16機(jī)器人自身重594磅，而其負(fù)荷量?jī)H為35磅。

運(yùn)動(dòng)范圍，運(yùn)動(dòng)范圍是機(jī)器人在其工作區(qū)域內(nèi)可以達(dá)到的最大距離。器人可按任意的姿態(tài)達(dá)到其工作區(qū)域內(nèi)的許多點(diǎn)(這些點(diǎn)稱(chēng)為靈巧點(diǎn))。然而，對(duì)于其他一些接近于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)范圍的極限線，則不能任意指定其姿態(tài)(這些點(diǎn)稱(chēng)為非靈巧點(diǎn))。說(shuō)明：運(yùn)動(dòng)范圍是機(jī)器人關(guān)節(jié)長(zhǎng)度和其構(gòu)型的函數(shù)。

精度：精度是指機(jī)器人到達(dá)指定點(diǎn)的精確程度 說(shuō)明：它與驅(qū)動(dòng)器的分辨率以及反饋裝置有關(guān)。大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人具有0.001英寸或更高的精度。