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機器人

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機器人(Robot)是自動執(zhí)行工作的機器裝置。一種可編程和多功能的,用來搬運材料、零件、工具的操作機;或是為了執(zhí)行不同的任務(wù)而具有可改變和可編程動作的專門系統(tǒng)。

組成

  機器人一般由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動裝置、檢測裝置和控制系統(tǒng)和復(fù)雜機械等組成。

  執(zhí)行機構(gòu)即機器人本體,其臂部一般采用空間開鏈連桿機構(gòu),其中的運動副(轉(zhuǎn)動副或移動副)常稱為關(guān)節(jié),關(guān)節(jié)個數(shù)通常即為機器人的自由度數(shù)。根據(jù)關(guān)節(jié)配置型式和運動坐標形式的不同,機器人執(zhí)行機構(gòu)可分為直角坐標式、圓柱坐標式、極坐標式和關(guān)節(jié)坐標式等類型。出于擬人化的考慮,常將機器人本體的有關(guān)部位分別稱為基座、腰部、臂部、腕部、手部(夾持器或末端執(zhí)行器)和行走部(對于移動機器人)等。

  驅(qū)動裝置是驅(qū)使執(zhí)行機構(gòu)運動的機構(gòu),按照控制系統(tǒng)發(fā)出的指令信號,借助于動力元件使機器人進行動作。它輸入的是電信號,輸出的是線、角位移量。機器人使用的驅(qū)動裝置主要是電力驅(qū)動裝置,如步進電機伺服電機等,此外也有采用液壓、氣動等驅(qū)動裝置。

  檢測裝置的作用是實時檢測機器人的運動及工作情況,根據(jù)需要反饋給控制系統(tǒng),與設(shè)定信息進行比較后,對執(zhí)行機構(gòu)進行調(diào)整,以保證機器人的動作符合預(yù)定的要求。作為檢測裝置的傳感器大致可以分為兩類:一類是內(nèi)部信息傳感器,用于檢測機器人各部分的內(nèi)部狀況,如各關(guān)節(jié)的位置、速度、加速度等,并將所測得的信息作為反饋信號送至控制器,形成閉環(huán)控制。另一類是外部信息傳感器,用于獲取有關(guān)機器人的作業(yè)對象及外界環(huán)境等方面的信息,以使機器人的動作能適應(yīng)外界情況的變化,使之達到更高層次的自動化,甚至使機器人具有某種“感覺”,向智能化發(fā)展,例如視覺、聲覺等外部傳感器給出工作對象、工作環(huán)境的有關(guān)信息,利用這些信息構(gòu)成一個大的反饋回路,從而將大大提高機器人的工作精度。

  控制系統(tǒng)有兩種方式。一種是集中式控制,即機器人的全部控制由一臺微型計算機完成。另一種是分散(級)式控制,即采用多臺微機來分擔(dān)機器人的控制,如當采用上、下兩級微機共同完成機器人的控制時,主機常用于負責(zé)系統(tǒng)的管理、通訊、運動學(xué)和動力學(xué)計算,并向下級微機發(fā)送指令信息;作為下級從機,各關(guān)節(jié)分別對應(yīng)一個CPU,進行插補運算和伺服控制處理,實現(xiàn)給定的運動,并向主機反饋信息。根據(jù)作業(yè)任務(wù)要求的不同,機器人的控制方式又可分為點位控制、連續(xù)軌跡控制和力(力矩)控制。

ontent">發(fā)展歷史

  1920年 捷克斯洛伐克作家卡雷爾·恰佩克在他的科幻小說《羅薩姆的機器人萬能公司》中,根據(jù)Robota(捷克文,原意為“勞役、苦工”)和Robotnik(波蘭文,原意為“工人”),創(chuàng)造出“機器人”這個詞。

  1939年 美國紐約世博會上展出了西屋電氣公司制造的家用機器人Elektro。它由電纜控制,可以行走,會說77個字,甚至可以抽煙,不過離真正干家務(wù)活還差得遠。但它讓人們對家用機器人的憧憬變得更加具體。

  1942年 美國科幻巨匠阿西莫夫提出“機器人三定律”。雖然這只是科幻小說里的創(chuàng)造,但后來成為學(xué)術(shù)界默認的研發(fā)原則。

  1948年 諾伯特·維納出版《控制論》,闡述了機器中的通信和控制機能與人的神經(jīng)、感覺機能的共同規(guī)律,率先提出以計算機為核心的自動化工廠。

  1954年 美國人喬治·德沃爾制造出世界上第一臺可編程的機器人,并注冊了專利。這種機械手能按照不同的程序從事不同的工作,因此具有通用性和靈活性。

  1956年 在達特茅斯會議上,馬文·明斯基提出了他對智能機器的看法:智能機器“能夠創(chuàng)建周圍環(huán)境的抽象模型,如果遇到問題,能夠從抽象模型中尋找解決方法”。這個定義影響到以后30年智能機器人的研究方向。

  1959年 德沃爾與美國發(fā)明家約瑟夫·英格伯格聯(lián)手制造出第一臺工業(yè)機器人。隨后,成立了世界上第一家機器人制造工廠——Unimation公司。由于英格伯格對工業(yè)機器人的研發(fā)和宣傳,他也被稱為“工業(yè)機器人之父”。

  1962年 美國AMF公司生產(chǎn)出“VERSTRAN”(意思是萬能搬運),與Unimation公司生產(chǎn)的Unimate一樣成為真正商業(yè)化的工業(yè)機器人,并出口到世界各國,掀起了全世界對機器人和機器人研究的熱潮。

  1962年-1963年傳感器的應(yīng)用提高了機器人的可操作性。人們試著在機器人上安裝各種各樣的傳感器,包括1961年恩斯特采用的觸覺傳感器,托莫維奇和博尼1962年在世界上最早的“靈巧手”上用到了壓力傳感器,而麥卡錫1963年則開始在機器人中加入視覺傳感系統(tǒng),并在1965年,幫助MIT推出了世界上第一個帶有視覺傳感器,能識別并定位積木的機器人系統(tǒng)。

  1965年約翰·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實驗室研制出Beast機器人。Beast已經(jīng)能通過聲納系統(tǒng)、光電管等裝置,根據(jù)環(huán)境校正自己的位置。20世紀60年代中期開始,美國麻省理工學(xué)院、斯坦福大學(xué)、英國愛丁堡大學(xué)等陸續(xù)成立了機器人實驗室。美國興起研究第二代帶傳感器、“有感覺”的機器人,并向人工智能進發(fā)。

  1968年 美國斯坦福研究所公布他們研發(fā)成功的機器人Shakey。它帶有視覺傳感器,能根據(jù)人的指令發(fā)現(xiàn)并抓取積木,不過控制它的計算機有一個房間那么大。Shakey可以算是世界第一臺智能機器人,拉開了第三代機器人研發(fā)的序幕。

  1969年 日本早稻田大學(xué)加藤一郎實驗室研發(fā)出第一臺以雙腳走路的機器人。加藤一郎長期致力于研究仿人機器人,被譽為“仿人機器人之父”。日本專家一向以研發(fā)仿人機器人和娛樂機器人的技術(shù)見長,后來更進一步,催生出本田公司的ASIMO和索尼公司的QRIO?!?/p>

  1973年 世界上第一次機器人和小型計算機攜手合作,就誕生了美國Cincinnati Milacron公司的機器人T3。

  1978年 美國Unimation公司推出通用工業(yè)機器人PUMA,這標志著工業(yè)機器人技術(shù)已經(jīng)完全成熟。PUMA至今仍然工作在工廠第一線。

  1984年 英格伯格再推機器人Helpmate,這種機器人能在醫(yī)院里為病人送飯、送藥、送郵件。同年,他還預(yù)言:“我要讓機器人擦地板,做飯,出去幫我洗車,檢查安全”。

  1990年 我國著名學(xué)者周海中教授在《論機器人》一文中預(yù)言:到二十一世紀中葉,納米機器人將徹底改變?nèi)祟惖膭趧雍蜕罘绞??!?/p>

  1998年 丹麥樂高公司推出機器人(Mind-storms)套件,讓機器人制造變得跟搭積木一樣,相對簡單又能任意拼裝,使機器人開始走入個人世界?!?/p>

  1999年 日本索尼公司推出犬型機器人愛寶(AIBO),當即銷售一空,從此娛樂機器人成為目前機器人邁進普通家庭的途徑之一。

  2002年 美國iRobot公司推出了吸塵器機器人Roomba,它能避開障礙,自動設(shè)計行進路線,還能在電量不足時,自動駛向充電座。Roomba是目前世界上銷量最大、最商業(yè)化的家用機器人。iRobot公司北京區(qū)授權(quán)代理商:北京微網(wǎng)智宏科技有限公司。

  2006年 6月,微軟公司推出Microsoft Robotics Studio,機器人模塊化、平臺統(tǒng)一化的趨勢越來越明顯,比爾·蓋茨預(yù)言,家用機器人很快將席卷全球。

分類

  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。

  家務(wù)型機器人:能幫助人們打理生活,做簡單的家務(wù)活。

  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: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: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。

  空中機器人又叫無人機器,近年來在軍用機器人家族中,無人機是科研活動最活躍、技術(shù)進步最大、研究及采購經(jīng)費投入最多、實戰(zhàn)經(jīng)驗最豐富的領(lǐng)域。80多年來,世界無人機的發(fā)展基本上是以美國為主線向前推進的,無論從技術(shù)水平還是無人機的種類和數(shù)量來看,美國均居世界之首位。


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