机器人发展与运用
摘要
从世界上第一台遥控机械手的诞生至今已有50年了，在这短短的几年里，伴随着计算机、自动控制理论的发展和工业生产的需要及相关技术的进步，机器人的发展已经历了3代；（1）可编程的示教再现型机器人；（2）基于传感器控制具有一定自主能力的机器人；（3）智能机器人．作为机器人的核心部分，机器人控制器是影响机器人性能的关键部分之一．它从一定程度上影响着机器人的发展与运用。 关键字
机器人robot 发展方向 development特种机器人special robot 运用utilize 正文
工业机器人发展
1.系统发展方式 工业机器人必须改变过去的\"部件发展方式\而优先考虑\"系统发展方式\"。随着工业机器人应用范围的不断扩大,在今天机器人早已从当初的柔性上下料装置,发展成为可编程的高度柔性加工单元。随着高刚性及微驱动问题的解决,机器人作为高精度、高柔性的敏捷性加工设备的时代,迟早将会到来。不论机器人在生产线中起什么样的作用,它总是作为系统中的一员而存在。考虑到我们即将进入敏捷制造的时代,我们更应该从组成敏捷生产系统的观点出发,考虑工业机器人的发展。 从系统观点出发,首先要考虑如何能和其他设备方便地实现连接及通信。总之,从系统观点来看,设计和开发机器人必须考虑和其他设备互联和协调工作的能力。
2.编程语言及编程方式 通用的工业机器人程序语言仍是动作级语言,虽然开发了很多种任务级语言,但多不实用。随着OO技术的发展及离线编程技术的成熟,任务级语言可能会日趋成熟。但在可以预见的将来,由于\"任务\"的复杂性,实用的语言仍将是动作级语言。机器人群作为整个集成化的生产装备的一部分,编程及监控技术必须进一步改进,使得它能和整个生产设备在统一的框架下进行编程、仿真及监控。目前的编程语言仍然是供应商开发,五花八门,各式各样。在今后的发展中,随着机器人控制器采用通用计算机已成为一个主流,机器人语言完全可以像计算机语言一样规范化,这将大大有利于系统集成,便于系统的编程、仿真及监控。当前在形成我们自己的工业机器人产业中,完全有条件制订机器人语言规范,特别是动作级的编程语言规范。。 机器人编程方式是一个大问题。目前仍在广泛应用的示教编程方式,在机器人发展的历史上起过不可磨灭的作用。如今,机器人作为一个群体在生产线上工作,例如汽车车身组装线,有的多达上百台机器人。当投产一个新产品时,仍采用示教方式编程,则占用时间过长,严重影响生产效率。生
产进入敏捷制造后,因为产品变化非常频繁,这一问题就显得更加突出,应该说到了非解决不可的时候了。 依今天实现的条件,可从三方面着手:一是改进结构,改善加工精度;二是在开发新一代控制器时,有必要重新研究误差补偿问题,研究实用化方法;三是加入传感器来补偿机械精度。这一问题的解决,可使机器人的编程和机床的数控设备一样,完全可以实现离线编程,配合易于大规模安全修改的软件,就可实现\"敏捷制造生产线\"。 3.传感器的引入及机器人本体的进化 十多年来,各式各样的机器人传感器发展得很快,随着微机构的出现,下一世纪将是传感器发生性变化的时代。超小型化、高可靠性及廉价的传感器的出现,将从根本上改变机器人编程及其控制系统的设计。 随着炭纤维增强的材料的出现,及大量关于弹性臂的研究,有可能实现长期以来人们所追求的负载/自重比为1∶2的轻型机器人。另外一个瓶颈问题是驱动单元问题。从过去的经验来看,形状记忆合金、磁至伸缩、气动伸缩驱动单元的应用范围很有限,驱动主体还是电机。但电机的自重是一个有待解决的老问题,从目前来看,还没有什么新的概念和原理出现,研究的重点还是开发耐高温及具有高校顽磁力的磁性材料,另外把力及力矩传感器、加速度传感器等和电机及驱动单元组合成所谓新传感驱动单元。 总之,为了适应下一世纪敏捷制造企业底层敏捷生产设备发展的需要,工业机器人的发展又到了一个新时期,我们必须从敏捷产生系统出发,在更高、更广的角度研究机器人的发展。 高级机器人的发展
沿用国际上通用的名词,称遥控机器人及特种机器人为高级机器人(Advanced Robot)。 1.共性技术 高级机器都工作在非结构性环境中,在现在及可以预见的将来,人机遥控加上局部自治,仍将是一种主要的控制方式。操作者和机器人可能在同一环境中,也可能分布在两处。分布在两处时,其联系的通信时间,在空间及深海中,可能长达分的数量级,而工作的环境,在大多数的情形下又是未知的,如何提高作业的效率,减轻操作者负荷,在相当长的一段时间内,将是未来主要的研究方向。
遥控及监控技术 在技术上,下面几项将是今后研究的重要方面: (1)机器人高水平的半自治功能;多机器人和操作者之间的协制:通过网络建立大范围内的机器人遥控系统;对有时延的环境,对预先显示进行遥控,即在准实时显示工作环境的屏幕上,将机器人经控制后的结果,以预测方法动态叠加显示,克服时延所造成的控制上的困难;事先对可能出现情况及对策的详细研究,造出\"事件-响应\"表,然后形成\"事件-行为响应\"的局部自治控制等。 (2)人机接口 近年来,在包括虚拟环境的人机接口方面的研究工作非常活跃,开发出来了各式各样的输入和输出装置,如三维鼠标、数据手套、快门眼镜、头盔等等。各种具有更好性能的临场感方法和装置相继被提出来了,如具有类似人的大小的手、臂和双眼视觉系统等。利用临境技术建立机器人工作环境,让操作者身临其境的进行操作。但在利用多种传感器的实时信息,动态实时地建立环境方面,有很多问题还有待研究。 (3)多传
感器系统 多传感器及先进的感知算法,将是在现实环境中实现具有高度灵活性及高鲁棒性行为的机器人的关键。 (4)导般和定位问题 对移动式机器人来说,导般和定位是两个重要的问题,对陆上机器人来说,里程计、方向陀螺、GPS等都比较成熟;对水下短程机器人来说,定位可以利用短极线、超短极线或长基极线,而用GPS来标定,导航可采用基于方向陀螺和多普鲁测速组成的死推算法,并按测定的位置定时校正;对水下大航程机器人来说,目前还没有好的方法。 水下机器人
水下机器人(指无人潜器)得到了很大发展,开发出了一批能工作在各种不同深度、进行多种作业的机器人,可用于石油开采、海底矿藏调查、救捞作业、管道敷设和检查、电缆敷设和检查、海上养殖及江河水库的大坝检查等领域。(1)水下机器人控制问题 水下机器人是在水中运动的具有六个自由度的刚体,它本身就是一个强耦合的非线性系统;由于在水中运动,水动力(阻力)系数和运动速度的平方成比例;采用螺旋桨推进,推力和螺旋浆转速平方成正比。这一切使得控制问题变得很困难,特别是要求在定点进行作业时,上述原因造成在零速时的\"零增益、零阻尼\"现象,使得动力定位控制系统的刚度很难满足定点作业的要求。这是一个有待研究的问题。 (2)水下机器人回收问题 这是一个至今还没有完全解决的问题。目前,深水AUV水面回收是不现实的,这是因为深海区浪涌很大。海试经验表明,在4000米水深的洋面,风平浪静时浪涌也在3米以上,这样则很难保证回收时,机器人本体和回收装置在同一水平的波面上,这将带来极大的危险。 (3)水下机器人的通信问题 水下通信的唯一手段是水声。目前从国内外的情况来看,可靠的通信速率为1200波特率。通信时延取决于水声在水中来回一次所耗费的时间,水深为6000米时,传输时间就是8秒。传输的距离取决于使用的载波频率及发射的功率,对水下机器人来说,这两者都受到了很大的。通信时延是一个本质上不能克服的问题,因此如何在功率的情况下,提高通信的距离将是一个主要问题,目前通信距离仅十公里。
服务机器人发展
服务机器人的种类很多,随着应用场合的不同而不同。西方把下列机器人都归纳为服务机器人:建筑机器人、救灾机器人、公共服务(清洁)机器人、家用机器人、娱乐机器人、医用及康复机器人、老年及残疾人护理机器人、办公及后勤服务机器人、酒店售货及餐厅服务机器人等等。 其他机器人
随着技术的进步,机器人的应用将日益广泛,下一世纪将是各式各样机器发展的时代。从控制方式来看,将采用遥控、监控、预编程、局部自治或其组合等。
总结
随着机器人技术的发展，机器人应用领域的不断扩大，对机器人的性能提出了更高
的要求，因此，如何有效地将其他领域（如图像处理、声音识别、最优控制、人工智能等）的研究成果应用到机器人控制系统的实时操作中，是一项富有挑战性的研究工作．而具有开放式结构的模块化、标准化机器人控制器的研究无疑对提高机器人性能和自主能力、推动机器人技术的发展具有重大意义．
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