你的位置:首页 > 新闻动态 > 专题报道

机器/机械人(Robot)的构成与发展历史

2020-04-26 15:55:04      点击:

从机器人诞生到现在,机器人技术经历了一个长期缓慢的发展过程。随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展,机器人技术也得到了飞速发展。除了工业机器人水平不断提高之外,各种用于非制造业的先进机器人系统也有了长足的进展。机器人技术代表了机电一体化技术的最高研究成果,涉及机械工程、电子技术、计算机技术、自动控制理论及人工智能等多门学科,是当代科学技术发展最活跃的领域之一。机器人的研究、制造和应用程度,是一个国家或公司科技水平和经济实力的象征。目前,国际上许多大公司都在竞相研制各类先进机器人,向人们展示其实力。机器人是高级整合控制论、机械电子、计算机、材料和仿生学的产物。在工业、医学、农业、建筑业甚至军事等领域中均有重要用途。

机器人(Robot)是自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥,又可以运行预先编排的程序,也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。它的任务是协助或取代人类工作的工作,例如生产业、建筑业,或是危险的工作。有些人认为,最高级的机器人要做的和人一模一样,其实非也。实际上,机器人是利用机械传动、现代微电子技术组合而成的一种能模仿人某种技能的机械电子设备,他是在电子、机械及信息技术的基础上发展而来的。然而,机器人的样子不一定必须像人,只要能独立完成一些人类的技能或有一定危险性的工作,就属于机器人大家族的成员。

一.机器人的发展

第一代:60年代初,美国Unination公司成功研制第一台数控机械手,它是具有记忆存储能力的示教再现式机器人。
第二代:70年代,出现了具有感觉传感器的机器人,具有一定的自适应能力。
第三代:80年代,具有智能功能的机器人,具有灵活的思维功能。
到了本世纪,随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展,机器人技术也得到了飞速发展。除了工业机器人水平不断提高之外,各种用于非制造业的先进机器人系统也有了长足的进展。

二.机器人的组成

      机器人一般由执行机构、驱动装置、检测装置和控制系统和复杂机械等组成。
      执行机构即机器人本体,其臂部一般采用空间开链连杆机构,其中的运动副(转动副或移动副)常称为关节,关节个数通常即为机器人的自由度数。出于拟人化的考虑,常将机器人本体的有关部位分别称为基座、腰部、臂部、腕部、手部(夹持器或末端执行器)和行走部(对于移动机器人)等。
    驱动装置是驱使执行机构运动的机构,按照控制系统发出的指令信号,借助于动力元件使机器人进行动作。它输入的是电信号,输出的是线、角位移量。机器人使用的驱动装置主要是电力驱动装置,此外也有采用液压、气动等驱动装置。
    检测装置的作用是实时检测机器人的运动及工作情况,根据需要反馈给控制系统,与设定信息进行比较后,对执行机构进行调整,以保证机器人的动作符合预定的要求。
      控制系统有两种方式。一种是集中式控制,即机器人的全部控制由一台微型计算机完成。另一种是分散(级)式控制,即采用多台微机来分担机器人的控制。根据作业任务要求的不同,机器人的控制方式又可分为点位控制、连续轨迹控制和力(力矩)控制。

三.工业机器人最新进展情况

(1)机器人操作机:通过有限元分析、模态分析及仿真设计等现代设计方法的运用,机器人操作机已实现了优化设计。以德国KUKA公司为代表的机器人公司,已将机器人并联平行四边形结构改为开链结构,拓展了机器人的工作范围,加之轻质铝合金材料的应用,大大提高了机器人的性能。此外采用先进的RV减速器及交流伺服电机,使机器人操作机几乎成为免维护系统。
(2)并联机器人:采用并联机构,利用机器人技术,实现高精度测量及加工,这是机器人技术向数控技术的拓展,为将来实现机器人和数控技术一体化奠定了基础。意大利COMAU公司,日本FANUC等公司已开发出了此类产品。
(3)控制系统:控制系统的性能进一步提高,已由过去控制标准的6轴机器人发展到现在能够控制21轴甚至27轴,并且实现了软件伺服和全数字控制。人机界面更加友好,基于图形操作的界面也已问世。编程方式仍以示教编程为主,但在某些领域的离线编程已实现实用化。
(4)传感系统:激光传感器、视觉传感器和力传感器在机器人系统中已得到成功应用,并实现了焊缝自动跟踪和自动化生产线上物体的自动定位以及精密装配作业等,大大提高了机器人的作业性能和对环境的适应性。日本KAWASAKI、YASKAWA、FANUC和瑞典ABB、德国KUKA、REIS等公司皆推出了此类产品。
(5)网络通信功能:日本YASKAWA和德国KUKA公司的最新机器人控制器已实现了与Canbus、Profibus总线及一些网络的联接,使机器人由过去的独立应用向网络化应用迈进了一大步,也使机器人由过去的专用设备向标准化设备发展。
(6)可靠性:由于微电子技术的快速发展和大规模集成电路的应用,使机器人系统的可靠性有了很大提高。过去机器人系统的可靠性MTBF一般为几千小时,而现在已达到5万小时,几冬天可以满足任何场合的需求。

四.国内工业机器人技术的发展与现状

      我国于1972年开始研制自己的工业机器人。
    进入80年代后,在高技术浪潮的冲击下,随着改革开放的不断深入,我国机器人技术的开发与研究得到了政府的重视与支持。“七五”期间,国家投入资金,对工业机器人及其零部件进行攻关,完成了示教再现式工业机器人成套技术的开发,研制出了喷涂、点焊、弧焊和搬运机器人。1986年国家高技术研究发展计划(863计划)开始实施,智能机器人主题跟踪世界机器人技术的前沿,经过几年的研究,取得了一大批科研成果,成功地研制出了一批特种机器人。  
      从90年代初期起,我国的国民经济进入实现两个根本转变时期,掀起了新一轮的经济体制改革和技术进步热潮,我国的工业机器人又在实践中迈进一大步,先后研制出了点焊、弧焊、装配、喷漆、切割、搬运、包装码垛等各种用途的工业机器人,并实施了一批机器人应用工程,形成了一批机器人产业化基地,为我国机器人产业的腾飞奠定了基础。
      在机器人的单元技术和基础元部件开发方面:诸如交直流伺服电机及其驱动系统、测速发电机、光电编码器、液压元部件等均开发出一些样机和产品。但这些元部件距批量化生产还有一段距离。
      在机器人装置方面:以开发出具有双CPU、多CPU和分级控制的机器人控制装置多台,主控计算机的档次也逐渐升级。
      在机器人操作方面机制方面:已开发出一些先进的操作机和特种机器人,如AVG、壁面爬行机器人,重复定位精度为0.024mm的装配机器人,可潜入海底6000m的水下机器人,移动机器人,移动遥控机器人等,有些已达到实用化水平并应用于实际工程。
      在应用工程方面:目前国内已建立了多条弧焊机器人生产线,装配机器人生产线,喷涂生产线和焊接生产线。国内的机器人技术研发力量已达到国际同类产品的先进水平,而整体价格仅为国外同类产品的三分之二甚至一半,具有很好的性能价格比和市场竞争力。

五.目前研究热点及发展趋势:目前国际机器人界都在加大科研力度,进行机器人共性技术的研究,并朝着智能化和多样化方向发展。主要研究内容集中在以下10个方面:
1.工业机器人操作机结构的优化设计技术:探索新的高强度轻质材料,进一步提高负载/自重比,同时机构向着模块化、可重构方向发展。
2.机器人控制技术:重点研究开放式,模块化控制系统,人机界面更加友好,语言、图形编程界面正在研制之中。机器人控制器的标准化和网络化,以及基于PC机网络式控制器已成为研究热点。编程技术除进一步提高在线编程的可操作性之外,离线编程的实用化将成为研究重点。
3.多传感系统:为进一步提高机器人的智能和适应性,多种传感器的使用是其问题解决的关键。其研究热点在于有效可行的多传感器融合算法,特别是在非线性及非平稳、非正态分布的情形下的多传感器融合算法。另一问题就是传感系统的实用化。
4.机器人的结构灵巧,控制系统愈来愈小,二者正朝着一体化方向发展。
5.机器人遥控及监控技术,机器人半自主和自主技术,多机器人和操作者之间的协调控制,通过网络建立大范围内的机器人遥控系统,在有时延的情况下,建立预先显示进行遥控等。
6.虚拟机器人技术:基于多传感器、多媒体和虚拟现实以及临场感技术,实现机器人的虚拟遥操作和人机交互。
7.多智能体(multi-agent)调控制技术:这是目前机器人研究的一个崭新领域。主要对多智能体的群体体系结构、相互间的通信与磋商机理,感知与学习方法,建模和规划、群体行为控制等方面进行研究。
8.微型和微小机器人技术(micro/miniature robotics):这是机器人研究的一个新的领域和重点发展方向。过去的研究在该领域几乎是空白,因此该领域研究的进展将会引起机器人技术的一场革命,并且对社会进步和人类活动的各个方面产生不可估量的影响,微小型机器人技术的研究主要集中在系统结构、运动方式、控制方法、传感技术、通信技术以及行走技术等方面。
9.软机器人技术(soft robotics):主要用于医疗、护理、休闲和***合。传统机器人设计未考虑与人紧密共处,因此其结构材料多为金属或硬性材料,软机器人技术要求其结构、控制方式和所用传感系统在机器人意外地与环境或人碰撞时是安全的,机器人对人是友好的.