机 器 人 技 术 基 础 论文

工业机器人是应用于制造环境下以提高生产率的一种工具。它的历史并不算长，直到1959年美国英格伯格和德沃尔制造出世界上第一台工业机器人，机器人的历史才真正拉开了帷幕。

二十世纪50、60年代，随着机构理论和伺服理论的发展，机器人进入了使用化阶段。1954年美国的G.C.Devol发表了“通用机器人”专利；1960年美国AMF公司生产了柱坐标型Versatran机器人，可作点位和轨迹控制，这是世界上第一种用于工业生产上的机器人。

英格伯格在大学攻读一种研究运动机构如何才能更好地跟踪控制信号的伺服理论。德沃尔曾于1946年发明了一种系统，可以“重演”所记录的机器的运动。1954年,德沃尔又获得可编程机械手专利，这种机械手臂按程序进行工作，可以根据不同的工作需要编制不同的程序，因此具有通用性和灵活性，英格伯格和德沃尔都在研究机器人，认为汽车工业最适于用机器人干活，因为是用重型机器进行工作，生产过程较为固定。1959年，英格伯格和德沃尔联手制造出第一台工业机器人。

工业机器人可用于承担常规的、冗长乏味的装配线工作，或执行那些对工人也许有危害的工作。例如，在第一代工业机器人中，曾有一台被用于更换核电厂的核燃料棒。从事这项工作的工人可能会暴露在有害量的放射线下。工业机器人也能够在装配线上操作——安装小型元件，例如将电子元件安装在线路板上。为此，工人可以从这种冗长乏味任务的常规操作中解放出来。通过编程的机器人还能去掉炸弹的雷管、为残疾者服务以及在我们社会的众多应用中发挥作用。

机器人可被看作将臂端执行工具、传感器以及夹爪移动到某个预定位置的一台机器。当机器人到达该位置，它将执行某个任务。该任务可能是焊接、密封、机械装载、机械卸载，或许多装配工作。除了编程以及打开和关闭系统之外，一般情况下，均不需要人们的参与就能完成这类工作。

机器人是一台可再编程的多功能机械手，它可通过可编程运动移动零件、物料、工具或特殊装置以执行某种不同任务。由这项定义可导致下面段落中被阐述的其他定义，它们为机器人系统提供了完整的写照。

预编程位置是机器人为了完成工作必须遵循和通过的途径。在这些位置的某点，机器人会停下来并执行某种操作，例如装配零件，喷漆或焊接。这些预编程位置被存储在机器人的记忆装置中供以后继续操作时使用。此外，当工作的要求发生变化时，不仅其他编程数据而且这些预编程位置均可作修改。因此，正由于这种编程的特点，一台工业机器人与一台可存储数据、以及可回忆及编辑的计算机十分相似。

机械手是机器人的手臂，它允许机器人俯仰、伸缩和转动。这种动作是由机械手的轴所提供的，机械手的轴又称为机器人的自由度。一台机器人可以具有3至16根轴。在本人的后面部分，自由度这个术语总与一台机器人轴的数目相关联。

工具及夹爪并非属于机器人系统的本身，它们是装在机器人手臂端部的附件。有了与机器人手臂端部相连接的这些附件，机器人就可以提起零件、点焊、喷漆、弧焊、钻孔、去毛刺，还可以根据所提要求指向各种类型的任务。

机器人系统还可以控制操作机器人的工作单元。机器人工作单元是一种总体环境，在该环境下机器人必须执行赋予它的任务。该单元可包容控制器、机器人的机械手、工作台、安全装置，或输送机。机器人开展工作所需要的所有设备均被包括在这个工作单元中。此外，来自外界装置的信号能够与机器人进行交流，这样就可以告诉机器人什么时候它该装配零件、捡起零件或将零件卸到输送机。

基本部件

    机器人系统具有3个基本部件：机械手、控制器及动力源。在某些机器人系统中可以看到第4个部件，端部执行件，有关这些部件将在下面小节描述。

机械手

    机械手承担机器人系统的体力工作，它由两部分组成：机械部分及被连接的附属物。机械手还有一个与附属物相连的底座。

机械手的底座通常被固定在工作领域的地面。有时，底座也可以移动。在该情况下，底座被安装到导轨上，这样该机械手就可以从一处移动到另一处。例如，一台机器人可以为几台机床工作，为每台机床装载和卸载。

正如前面所述，附属物从机器人的底座伸出。该附属物是机器人的手臂。它既可以是一个直线型的可动臂，也可以是一个铰接臂。铰接臂也称关节臂。

机器人机械手的附属物可为机械手提供各种运动轴。这些轴与固定底座相连接，而该底座又被紧固到机架上。这个机架能确保该机械手被维持在某个位置上。

在手臂的端部连接着一个手腕。该手腕由附加轴及手腕法兰组成，有了该手腕法兰，机器人用户就可以根据不同的工作在手腕上安装不同的工具。

机械手的轴允许机械手在一定区域内执行工作。如前所述，该区域被称为机器人的工作单元，它的尺度与机械手的尺寸相对应。当机器人的物理尺寸增大时，工作单元的尺寸必然也随之增加。

机械手的运动由驱动器，或驱动系统所控制。驱动器或驱动系统允许各根轴在工作单元内运动，驱动系统可利用电力的、液压的或气压动力。驱动系统发出的能量由各种机械驱动装置转换成机械动力。这些驱动装置通过机械联动机构接合在一起。这些联动机构依次驱动机器人的不同轴。机械联动机构由链轮机构，齿轮机构及滚珠丝杠所组成。

机器人系统的控制器是运行的心脏。控制器存储着为以后回忆所用的预编程信息，控制着外围设备，它还与厂内计算机进行交流以使生产不断更新。

控制器用于控制机器人机械手运动以及工作单元中的外围部件。工作人员可以利用手递示教盒将机械手的动作编程进入控制器。这种信息可被存储在控制器的记忆装置中以便以后回忆使用。控制器存储着机器人系统的所有程序数据。它可以存储几种不同的程序，并且它们中任一程序均可被编辑。

也可要求控制器与工作单元中外围设备进行交流。例如，控制器具有一根输入线，该输入线可识别某项机械加工什么时候完成。当该机械循环完成时，输入线被接通，它会吩咐控制器让机械手到位以便机械手能夹起以加工完的零件。接着，该机械手再捡起一根新的零件并将它安放到机床上，然后，控制器向该机床发出信号让它开始运转。

控制器可由机械操纵的磁鼓构成，这些鼓按工作发生的先后次序操作。这类控制器用于非常简单的机器人系统。在大多数机器人系统中见到的控制器是很复杂的装置，它们体现了现代化的电子科学。换言之，它们由微信息处理器操纵。这些微信息处理器不是8位、16位就是32位的信息处理器。这种功能使控制器的运行具有非常好的柔性。

控制器可通过通讯线路发出电子信号，发出能与机械手各轴线进行沟通的电信号，机器人机械手与控制器之间这种双向交流可使系统的位置及运行维持在不断修正及更新得状态下，控制器还可以控制安装在机器人手腕端部的任意工具。

控制器还有与工厂中不同计算机开展交流的任务，这个通讯网络可使机器人成为计算机辅助制造（CAM）系统的一部分。

根据上述基本定义，机器人是一台可再编程序的多功能机械手。所以，控制器必须包含某种形式的记忆存储器，以微信息处理器为基础的系统常与固态记忆装置连同运行。这些记忆装置可以是磁泡、随机存取记忆装置、软塑料磁盘或磁带。每种记忆存储装置均可存储编程信息以便以后回忆使用。

动力源是向控制器及机械手供给动力得装置，有两类动力供给机器人系统。一类动力是供控制器运行的交流点动力，另一类被用于驱动机械手各轴。例如，若机器人的机械手由液压或气压装置控制，则控制信号被发送到这些装置才能使机器人运动。

每个机器人系统均需要动力来驱动机械手，这种动力既可由液压动力源、气压动力源，也可以由电力动力源提供，这些动力源是机器人工作单元总的部件及设备中的一部分。

当液压动力源与及机器人机械手底座相连接，液压源产生液压流体，这些流体输送到机械手各控制元件，于是，使轴绕机器人底座旋转。

压力空气被输送到机械手，使轴沿轨道作直线运动，也可将这种气动源连接到钻床，它可为钻头的旋转提供动力。一般情况下，可从工厂得供给站获取气动源并做调整，然后将它输入机器人机械手的轴。

电动机可以是交流式的，也可以是直流式的。控制器发出的脉冲信号被发送到机械手得电机。这些脉冲为电机提供必要的指令信息以使机械手在机器人底座上旋转。

用于机械手轴的三种动力系统任一种均需要使用反馈监督系统，这种系统会不断地将每个轴位置数据反馈给控制器。

每种机器人系统不仅需要动力来开动机械手的轴，还需要动力来驱动控制器，这种动力可由制造环境的动力源提供。

在大部分机器人应用的场合见到的端部执行件均是机械手手腕法兰相连接的一个装置，端部执行件可应用于生产领域中许多不同场合，例如，它可用于捡起零件，用于焊接，或用于喷漆，端部执行件为机器人系统提供了机器人运行时必须的柔性。

通常所设计得端部执行件可满足机器人用户的需要。这些部件可由机器人制造商或机器人系统的物主制造。

端部执行件事机器人系统中唯一可将一种工作变成另一种工作的部件，例如，即日起可与喷水割机相连，它在汽车生产线上被用于切割板边。也可要求机器人将零件安放到磁盘中，在这简单的过程中，改变了机器人端部执行件，该机器人就可以用于其它应用场合，端部执行件得变更以及机器人的再编程序可使该系统具有很高的柔性。

尽管机器人有巨大的能力，但很多时候却比不过没有经过一点训练的工人。例如，工人们能够发现零件掉在地上或发现进料机上没有零件，但没有了传感器，机器人就得不到这些信息，及时使用最尖端的传感器，机器人也比不上一个经验丰富的工人，因此，一个好的机器人系统的设计需要使用许多传感器与机器人控制器相接，使其尽可能接近操作工人得感知能力。

机器人技术最经常使用的传感器分为接触式的与非接触式的。接触式传感器可以进一步分为触觉传感器、力和扭矩传感器。触觉或接触传感器可以测出受动器端与其他物体间的实际接触，微型开关就是一个简单的触觉传感器，当机器人得受动气端与其他物体接触时，传感器是机器人停止工作，避免物体间的碰撞，告诉机器人已到达目标；或者在检测时用来测量物体尺寸。力和扭矩传感器位于机器人得抓手与手腕的最后一个关节之间，或者放在机械手得承载部件上，测量反力与力矩。力和扭矩传感器有压电传感器和装在柔性部件上的应变仪等。

非接触传感器包括接近传感器、视觉传感器、声敏元件及范围探测器等。接近传感器和标示传感器附近的物体。例如，可以用涡流传感器精确地保持与钢板之间的固定的距离。最简单的机器人接近传感器包括一个发光二极管发射机和一个光敏二极管接收器，接收反射面移近时的反射光线，这种传感器的主要缺点是移近物对光线的反射率会影响接收信号。其他得接近传感器使用的是与电容和电感相关的原理。

视觉传感系统十分复杂，基于电视摄像或激光扫描的工作原理。摄像信号经过硬件预处理，以30帧至60帧每秒的速度输入计算机。计算机分析数据并提取所需的信息，例如，物体是否存在以及物体的特征、位置、操作方向，或者检测元件的组装及产品是否完成。

声敏元件用来感应并解释声波，从基本的声波探测到人们连续讲话的逐字识别，各种声敏元件的复杂程序不等，除了人机语音交流外，机器人还可以使用声敏元件控制弧焊，听到碰撞或倒塌的声音时阻止机器人的运动，预测将要发生的机械破损及检测物体内部缺陷。

还有一种非接触系统使用投影仪和成像设备获取物体的表面形状信息或距离信息。

传感器有静态探测与闭环探测两种使用方法。当机器人系统的探测和操作动作交替进行时，通常就要使用传感器，也就是说探测时机器人不操作，操作时与传感器无关，这种方法被称为静态探测，使用这种方法，视觉传感器先寻找被捕捉物体的位置与方向，然后机器人径直朝那个地点移动。

相反，闭式探测的机器人在操作运动中，始终受传感器的控制，多数视觉传感器都采用闭环模式，它们随时监测机器人的实际位置与理想位置间的偏差，并驱动机器人修正这一偏差。在闭环探测中，即使物体在运动，例如在传送带上，机器人也能抓住它并把它送到预定位置。

 为使机器人完成各种任务和动作所执行的各种控制手段。作为计算机系统中的关键技术，计算机控制技术包括范围十分广泛，从机器人智能、任务描述到运动控制和伺服控制等技术。既包括实现控制所需的各种硬件系统，又包括各种软件系统。最早的机器人采用顺序控制方式，随着计算机的发展，机器人采用计算机系统来综合实现机电装置的功能，并采用示教再现的控制方式。随着信息技术和控制技术的发展，以及机器人应用范围的扩大，机器人控制技术正朝着智能化的方向发展，出现了离线编程、任务级语言、多传感器信息融合、智能行为控制等新技术。多种技术的发展将促进智能机器人的实现。

当今的自动控制技术都是基于反馈的概念。反馈理论的要素包括三个部分：测量、比较和执行。测量关心的变量，与期望值相比较，用这个误差纠正调节控制系统的响应。这个理论和应用自动控制的关键是，做出正确的测量和比较后，如何才能更好地纠正系统。

PID（比例-积分-微分）控制器作为最早实用化的控制器已有50多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。

它由于用途广泛、使用灵活，已有系列化产品，使用中只需设定三个参数（Kp， Ti和Td）即可。在很多情况下，并不一定需要全部三个单元，可以取其中的一到两个单元，但比例控制单元是必不可少的。

 机器人控制系统是机器人的大脑，是决定机器人功能和性能的主要因素。工业机器人控制技术的主要任务就是控制工业机器人在工作空间中的运动位置、姿态和轨迹、操作顺序及动作的时间等。具有编程简单、软件菜单操作、友好的人机交互界面、在线操作提示和使用方便等特点。

   PID控制器的研究现状虽然有些缺点，PID控制器是最简单的有时却是最好的控制器。

目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。同时，控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。智能控制的典型实例是模糊全自动洗衣机等。自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。一个控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接口。控制器的输出经过输出接口、执行机构，加到被控系统上；控制系统的被控量，经过传感器，变送器，通过输入接口送到控制器。不同的控制系统，其传感器、变送器、执行机构是不一样的。比如压力控制系统要采用压力传感器。电加热控制系统的传感器是温度传感器。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器（仪表）已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的PID控制器产品，各大公司均开发了具有PID参数自整定功能的智能调节器，其中PID控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。

在一些情况下针对特定的系统设计的PID控制器控制得很好，但它们仍存在一些问题需要解决：

如果自整定要以模型为基础，为了PID参数的重新整定在线寻找和保持好过程模型是较难的。闭环工作时，要求在过程中插入一个测试信号。这个方法会引起扰动，所以基于模型的PID参数自整定在工业应用不是太好。

如果自整定是基于控制律的，经常难以把由负载干扰引起的影响和过程动态特性变化引起的影响区分开来，因此受到干扰的影响控制器会产生超调，产生一个不必要的自适应转换。另外，由于基于控制律的系统没有成熟的稳定性分析方法，参数整定可靠与否存在很多问题。

因此，许多自身整定参数的PID控制器经常工作在自动整定模式而不是连续的自身整定模式。自动整定通常是指根据开环状态确定的简单过程模型自动计算PID参数。

PID在控制非线性、时变、耦合及参数和结构不确定的复杂过程时，工作地不是太好。最重要的是，如果PID控制器不能控制复杂过程，无论怎么调参数都没用。

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9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、休闲和娱乐场合。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。