山东大学机器人研究中心

机器人的构成

 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。根据关节配置型式和运动坐标形式的不同,机器人执行机构可分为直角坐标式、圆柱坐标式、极坐标式和关节坐标式等类型。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店里驱动装置,如步进电机、伺服电机等,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主机常用于负责系统的管理、通讯、运动学和动力学计算,并向下级微机发送指令信息;作为下级从机,各关节分别对应一个CPU,进行插补运算和伺服控制微型计算机完成。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,如当采用上、下两级微机共同完成机器人的控制时,处理,实现给定的运动,并向主机反馈信息。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。


机器人相关技术

 机器人是控制、机械、计算机、信息、生物等多学科交叉的产物,根据所设计的机器人的不同所涉及的相关技术也不尽相同。下面只对机器人所采用的部分通用技术进行介绍。

(1) 机器人感知技术及传感器

 机器人感觉器官的必要性:

1)增加机器人功能,提高工作质量,有效完成任务;机器人传感器能监控所操纵工件的质量。例如,及时检查出有毛病的工件。

2)适应复杂情况(对象/环境),扩大应用范围,防止发生意外事故。例如,自动导引车辆(AGV)式机器人,在道路上不能撞到人。

3)人机交互的需要,接受指令,表达感情。

4)降低对机器人及其工作对象精度的要求

 机器人对相关信息的感知是通过传感器获得的。传感器主要用来探测、感受外部环境和身体内部的信号、物理条件(如光、热、湿度)感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号,以便于机器人能够对相关信息做出正确判断。机器人传感器除了一般传感器所要求的可靠性好、精度高、寿命长等特点之外,还特别要求以下各点:a)体积小、结构简单;b)重量轻;c)抗干扰能力强;d)对环境的适应性强;e)回路独立:输入、输出回路应互相独立绝缘;f)调整容易;g)价格低廉,性能价格比高(性价比)。

 根据传感器的作用,一般可将传感器分为:内部传感器(体内传感器):检测机器人自身状态(内部信息),机器人自身运动与正常工作所必需。 ;外部传感器(外界传感器):检测作业对象与作业环境的状态(外部信息),适应特定环境和完成特定任务所必需。

机器人所使用的传感器除了一般的力、位移、速度与加速度传感器外,常用的还有红外传感器、激光测距仪、微波雷达、CCD摄像仪、陀螺仪、声纳传感器、GPS定位仪等。根据实际机器人应用范围及技术指标的不同选择的传感器的类型也不尽相同。机器人传感器选择的主要依据如下表所示:

感觉

用  途

外部传感器

视    觉

对象有无、形状、大小、种类的识别

对象的位置、姿态的识别

对象灼伤痕、缺陷、好坏的识别

对象上的图样、文字的识别

触    觉

对象重量、硬度、表面状态识别;位置偏差的控制,握力的控制

听    觉

指令的识别,异常状态的检测,障碍物的检测

其它(接近觉、味觉、嗅觉、湿度、振动等

各种检查,自我保护等

内部传感器

平衡感觉

机器人自身的平衡

其它(位置、速度、加速度、压力、转矩)

运动器官的控制,自我保护等



(2)机器人运动规划及控制

 为了实现机器人的身体某一部分或者整体部分在空间内的运动,就需要对机器人的运动轨迹进行分析,对机器人的运动路径进行规划。这就需要获取机器人相关部分的位置和姿态信息。为了定义和运用表达位置和姿态的数学量,我们就必须定义坐标系并给出表达的规则,这就需要涉及机器人的空间描述及坐标变换,建立相关的数学模型,并通过进行运动学与动力学分析,获得机器人的相关运动方程,从而实现由系统对各关节的控制来控制机器人整体姿态与位置控制。

(3)移动机器人定位技术

 移动机器人的定位主要依靠传感器获取当前位置信息。常用的定位传感器种类很多,如里程计、陀螺仪、CCD摄像头、激光雷达等。大多数的移动机器人安装了多种定位传感器。不同的传感器的组合,采用不同的定位手段,都可以被移动机器人用来定位。当前移动机器人的定位技术主要有:航机推算、信号灯定位、基于地图的定位、路标定位、基于视觉的定位等。具体实际应用时,可以针对不同的机器人以及机器人所工作的不同的环境,选择合适的定位传感器及定位技术,或是将集中定位技术结合起来,以满足移动机器人的定位需要。


机器人的分类

 我国的机器人专家从应用环境出发,将机器人分为两大类,即工业机器人和特种机器人。所谓工业机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。而特种机器人则是除工业机器人之外的、用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人,包括:服务机器人、水下机器人、娱乐机器人、军用机器人、农业机器人、机器人化机器等。在特种机器人中,有些分支发展很快,有独立成体系的趋势,如服务机器人、水下机器人、军用机器人、微操作机器人等。目前,国际上的机器人学者,从应用环境出发将机器人也分为两类:制造环境下的工业机器人和非制造环境下的服务与仿人型机器人,这和我国的分类是一致的。

机器人的基本机能





  机器人作为一种具备一定智能的自动化机器,有如下3个基本机能:

(1) 获取外界信息: 相当于人的眼、耳、舌头和皮肤,可称之为感应器官。

(2) 规划作业: 相当于人的大脑,可称之为思维器官。  

(3) 对外界产生作用:相当于人的手和脚,可称之为动作器官。


机器人的定义

国际上,关于机器人的定义主要有如下几种:

(1)英国简明牛津字典的定义。机器人是“貌似人的自动机,具有智力的和顺从于人的但不具人格的机器”。

(2)美国机器人协会(RIA)的定义。机器人是“一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置的,通过可编程序动作来执行种种任务的,并具有编程能力的多功能机械手(manipulator)”。

(3)国际标准化组织(ISO)的定义。“机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能机械手,这种机械手具有几个轴,能够借助于可编程序操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置,以执行种种任务”。

(4)关于我国机器人的定义。随着机器人技术的发展,我国也面临讨论和制订关于机器人技术的各项标准向题,其中包括对机器人的定义。蒋新松院士曾建议把机器人定义为“一种拟人功能的机械电子装置”(a mechantronic device to imitate some human functions)。

上述各种定义有共同之处,即认为机器人(1)相当于人的上肢,并能模仿人的动作;(2)具有智力或感觉与识别能力;(3)是人造的机器或机械电子装置。


机器人性能评价标准



机器人能力的评价标准包括:智能,指感觉和感知,包括记忆、运算、比较、鉴别、判断、决策、学习和逻辑推理等;机能,指变通性、通用性或空间占有性等;物理能,指力、速度、连续运行能力、可靠性、联用性、寿命等。因此,可以说机器人是具有生物功能的实际空间运行工具。

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 智能机器人技术正在突飞猛进地发展,其理论研究也如星星之火,可以燎原。本书既可作为从事机器人技术研究和应用的科研人员的参考书,又可作为高等院校相关专业的研究生教材



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  本书可作为研究生教材或高年级本科教材,也可作为相关科研人员与工程技术人员参考用书。