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1、Click to edit Master text styles,,Second level,,Third level,,Fourth level,,Fifth level,,,,*,Click to edit Master title style,,蓬勃開展的工業(yè)機器人技術,山東科技大學機電學院,,王吉岱,,Contents,,機器人的由來與分類,1,工業(yè)機器人的發(fā)展歷程,2,工業(yè)機器人的組成與功能,3,工業(yè)機器人技術研究,4,工業(yè)機器人的應用,5,,1.,機器人的由來與分類,1.1 機器人的定義 在科技界，科學家會給每一個科技術語一個明確的定義，機器人問世已有幾十年，但對機器人的
2、定義仍然仁者見仁，智者見智，沒有一個統(tǒng)一的意見。原因之一是機器人還在開展，新的機型，新的功能不斷涌現(xiàn)。根本原因主要是因為機器人涉及到了人的概念，成為一個難以答復的哲學問題。就像機器人一詞最早誕生于科幻小說之中一樣，人們對機器人充滿了夢想。也許正是由于機器人定義的模糊，才給了人們充分的想像和創(chuàng)造空間。 “Ｒobot〞一詞源出自捷克語“robota〞，意謂“強迫勞動〞。1920年捷克斯洛伐克作家薩佩克寫了一個名為?洛桑萬能機器人公司?的劇本。,,,,,1.,機器人的由來與分類,---,機器人的定義,1987年國際標準化組織對工業(yè)機器人進行了定義：,,工業(yè)機器人是一種具有自動控制的操作和移動功能
3、，能完成各種作業(yè)的可編程操作機。,,國際標準化組織〔ISO〕定義的機器人特征如下,,仿生特征：動作機構具有類似于人或其他生物體某些,,器官〔肢體、感官等〕的功能；,,柔性特征：機器人作業(yè)具有廣泛的適應性，適于多種,,工作，作業(yè)程序靈活易變；,,智能特征：機器人具有一定程度的人類智能，如記,,憶、感知、推理、決策、學習等；,,自動特征：完整的機器人系統(tǒng)，能夠獨立、自動完成,,作業(yè)任務，不依賴于人的干預;,,1.,機器人的由來與分類,---,機器人的定義,我國科學家對機器人的定義,,機器人是一種自動化的機器，所不同的是這種機器具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規(guī)劃能力、動作能力和協(xié)同能
4、力，是一種具有高度靈活性的自動化機器。,,經過幾十年的開展，機器人技術已經形成了綜合性的學科——機器人學〔Robotics〕。 機器人學有著及其廣泛的研究和應用領域，主要包括機器人本體結構系統(tǒng)、機械手設計，軌跡設計和規(guī)劃，運動學和動力學分析，機器視覺、機器人傳感器，機器人控制系統(tǒng)以及機器智能等。,,1.,機器人的由來與分類,---,機器人的分類,1.2,機器人的分類,1.2.1 按照機器人的技術開展水平分：,,1〕第一代機器人：,,操作型機器人：能自動控制，可重復編程，多功能，有幾個自由度，可固,,定或運動，用于相關自動化系統(tǒng)中。 程控型機器人：按預先要求的順序及條件，依次控制
5、機器人的機械動作。 示教再現(xiàn)型機器人：通過引導或其它方式，先教會機器人動作，輸入工作,,程序，機器人那么自動重復進行作業(yè)。,,1.,機器人的由來與分類,---,機器人的分類,1.2.1 按照機器人的技術開展水平分：,,2〕第二代機器人：,,數控型機器人：不必使機器人動作，通過數值、語言等對機器人進行示教,,機器人根據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。 適應控制型機器人：機器人能適應環(huán)境的變化，控制其自身的行動。 學習控制型機器人：機器人能“體會〞工作的經驗，具有一定的學習功能，,,并將所“學〞的經驗用于工作中。,,1
6、.,機器人的由來與分類,---,機器人的分類,1.2.1 按照機器人的技術開展水平分：,,2〕第三代機器人：,,智能機器人：以人工智能決定其行動的機器人。能夠根據獲得的信息，進行邏輯推理、判斷決策，在變化的內部狀態(tài)與變化的外部環(huán)境中，自主決定自身的行為。這類機器人具有高度的適應性和自治能力。,,,,,1.,機器人的由來與分類,---,機器人的分類,機器人,B,E,C,D,A,直角坐標機器人,柱面坐標機器人,球面坐標機器人,,移動機器人,多關節(jié)機器人,1.2.2,按照機器人的機構特征分類,,1.,機器人的由來與分類,---,機器人的分類,1.2.3,按照機器人的用途分類,1〕工業(yè)機器人,,工業(yè)機
7、器依據具體應用的不同，通常又可以分成焊接機器人、裝配機器人、噴漆機器人、碼垛機器人、搬運機器人等多種類型。,,1.,機器人的由來與分類,---,機器人的分類,1.2.3,按照機器人的用途分類,2〕農業(yè)機器人,,農業(yè)機器人的研究開發(fā)目前主要集中耕種、施肥、噴藥、蔬菜嫁接、苗木株苗移栽、收獲、灌溉、養(yǎng)殖和各種輔助操作等方面。,,1.,機器人的由來與分類,---,機器人的分類,1.2.3,按照機器人的用途分類,3〕探索機器人,,機器人除了在工農業(yè)上廣泛應用之外，還越來越多地用于極限探索，即在惡劣或不適于人類工作的環(huán)境中執(zhí)行任務。,,1.,機器人的由來與分類,---,機器人的分類,1.2.3,按照機器
8、人的用途分類,4〕效勞機器人,,目前主要應用在清潔、護理、執(zhí)勤、救援、娛樂、和代替人對設備維護保養(yǎng)等場合。,,我國的機器人專家從應用環(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)領域的多關節(jié)機械手或多自由度機器人。而特種機器人那么是除工業(yè)機器人之外的、用于非制造業(yè)并效勞于人類的各種先進機器人，包括：效勞機器人、水下機器人、娛樂機器人、軍用機器人、農業(yè)機器人、機器人化機器等。目前，國際上的機器人學者，從應用環(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)境下的效勞與仿人型機器人，這和我國的分類是一致的。,1.,機器人的由來與分類,---,機器人的分
9、類,,2. 工業(yè)機器人的國內外開展現(xiàn)狀及趨勢,,工業(yè)機器人是一種高自動化的機電一體化設備，具有很高的技術附加值。在大規(guī)模工業(yè)制造過程中，工業(yè)機器人是不可缺少的自動化裝備。目前國內大型加工制造企業(yè)對工業(yè)機器人的需求在日益增加。,,,機器人的歷史并不算長，,1959,年美國英格伯格和德沃爾制造出世界上第一臺工業(yè)機器人，工業(yè)機器人的歷史才真正開始。,,1954,年美國戴沃爾最早提出了工業(yè)機器人的概念，并申請了專利。該專利的要點是借助伺服技術控制機器人的關節(jié)，利用人手對機器人進行動作示教，機器人能實現(xiàn)動作的記錄和再現(xiàn)。這就是所謂的示教再現(xiàn)機器人?，F(xiàn)有的機器人差不多都采用這種控制方式,。,作為機器人產品
10、最早的實用機型〔示教再現(xiàn)〕是1962年美國AMF公司推出的“VERSTRAN〞和UNIMATION公司推出的“UNIMATE〞。這些工業(yè)機器人的控制方式與數控機床大致相似，但外形特征迥異，主要由類似人的手和臂組成。,2.1 世界工業(yè)機器人的開展歷程,,1965年，MIT的Roborts演示了第一個具有視覺傳感器的、能識別與定位簡單積木的機器人系統(tǒng)。 1967年日本成立了人工手研究會〔現(xiàn)改名為仿生機構研究會〕，同年召開了日本首屆機器人學術會。 1970年在美國召開了第一屆國際工業(yè)機器人學術會議。1970年以后，機器人的研究得到迅速廣泛的普及。
11、 1973年，辛辛那提·米拉克隆公司的理查德·豪恩制造了第一臺由小型計算機控制的工業(yè)機器人，它是液壓驅動的，能提升的有效負載達45公斤。 1980年，工業(yè)機器人才真正在日本普及，故稱該年為“機器人元年〞。,2. 工業(yè)機器人的國內外開展現(xiàn)狀及趨勢,2.1 世界工業(yè)機器人的開展歷程,80年代，將具有感覺、思考、決策和動作能力的系統(tǒng)稱為智能機器人，這是一個概括的、含義廣泛的概念。這一概念不但指導了機器人技術的研究和應用，而且又賦予了機器人技術向深廣開展的巨大空間，水下機器人、空間機器人、空中機器人、地面機器人、微小型機器人等各種用途的機器人相繼問世，許多夢想成為了現(xiàn)實。,,2. 工業(yè)
12、機器人的國內外開展現(xiàn)狀及趨勢,2.1 世界工業(yè)機器人的開展歷程,20世紀90年代以來，隨著計算機技術、微電子技術、網絡技術等快速開展，工業(yè)機器人技術也得到了飛速開展?，F(xiàn)在工業(yè)機器人已開展成為一個龐大的家族，并與數控〔NC〕、可編程、控制器〔PLC〕一起成為工業(yè)自動化的三大技術支柱和根本手段，廣泛應用于制造業(yè)的各個領域之中。,,2. 工業(yè)機器人的國內外開展現(xiàn)狀及趨勢,2. 2 中國工業(yè)機器人的開展歷程,我國工業(yè)機器人起步于70年代初期，經過20多年的開展，大致經歷了3個階段：70年代的萌芽期，80年代的開發(fā)期和90年代的適用化期。,,70,年代萌芽期,，,我國于,1972,年開始研制自己的工業(yè)機
13、器人。于,1980,年研制出第一臺工業(yè)機器人樣機,80年代開發(fā)期 進入80年代后，在高技術浪潮的沖擊下，隨著改革開放的不斷深入，我國機器人技術的開發(fā)與研究得到了政府的重視與支持?！捌呶濞暺陂g，國家投入資金，對工業(yè)機器人及其零部件進行攻關，完成了示教再現(xiàn)式工業(yè)機器人成套技術的開發(fā)，研制出了噴涂、點焊、弧焊和搬運機器人。1986年國家高技術研究開展方案〔863方案〕開始實施，,90年代適用期 從90年代初期起，我國的國民經濟進入實現(xiàn)兩個根本轉變時期，我國的工業(yè)機器人又在實踐中邁進一大步，先后研制出了點焊、弧焊、裝配、噴漆、切割、搬運、包裝碼垛等各種用途的工業(yè)機器人，并實施了一批機器人應用工程，
14、形成了一批機器人產業(yè)化基地，為我國機器人產業(yè)的騰飛奠定了根底。,,1980年—研制成功中國第一臺工業(yè)機器人樣機。 1985年—中國第一臺水下機器人〔“海人一號〞〕首航成功。 1986年—中國第一臺水下機器人深海試驗成功。 1988年—中國第一臺中型水下機器人〔“瑞康４號〞〕投入使用。 1989年—水下機器人首次出口美國。 1990年—中國第一臺工業(yè)機器人通用控制器研制成功。 1992年—國產ＡＧＶ第一次應用于柔性生產線。 1993年—中國唯一的機器人技術國家工程研究中心成立。 1994年—中國第一臺五自由度高壓水切割機器人投入使用。 1994年—中國第一臺1000米水下機器人〔“探索者〞〕海試
15、成功。 1995年—中國第一臺6000米水下機器人〔“ＣＲ- ０１〞〕海試成功。 1995年—中國首臺四自由度點焊機器人開發(fā)成功，第一條點焊機器人生產線投入使用。 1995年—自主開發(fā)的機器人技術－ＡＧＶ技術出口韓國。 1997年—具有自主版權的高性能機器人控制器小批量生產。 1997年—自主開發(fā)的國內第一條機器人沖壓自動化線用于一汽群眾生產線。 1998年—國內首臺激光加工機器人開發(fā)成功。 1998年—國內首臺澆注機器人用于生產。 1998年—中國機器人領域唯一一家通過了ＩＳＯ９００１國際質量體系認證。,2. 工業(yè)機器人的國內外開展現(xiàn)狀及趨勢,,2. 工業(yè)機器人的國內外開展現(xiàn)狀及趨勢,2
16、. 3 工業(yè)機器人的開展趨勢,工業(yè)機器人從70年代初的第一臺誕生開始，至今已經走過了30多年的歷程?，F(xiàn)在使用最廣的工業(yè)機器人，是6自由度垂直多關節(jié)機器人。世界上的不同機器人廠家都各自有自己的設計標準和結構特點，?主流的新機型，其主要性能的改進，表達在機構的進一步緊湊，速度和范圍等指標也有所提高，通信功能更加強大，應用工藝能力更加豐富和便利，控制的軸數也越來越多。作為世界上最先進的機器人之一的MOTOMAN機器人，升級換代周期大致為5年左右。,,最新一代MOTOMAN機器人可以實現(xiàn)對38個軸的控制，能進行雙機加外部軸的協(xié)調控制、三機以至四機的協(xié)調聯(lián)動控制。,,當前工業(yè)機器人技術的開展方向，主要表
17、達在新型機器人的推出以及機器人應用技術的豐富和開展。在國內來說，還有機器人實際應用工作單元的設計技術標準化和技術成熟度。,,新型機器人應用量高速增長的主要有潔凈機器人以及雙臂機器人等；應用技術的重點那么主要有具有更加自適應性和復雜工藝能力的各種機器人控制技術、視覺圖象處理機器人動作規(guī)劃和軌跡補償技術、遠程監(jiān)控和具有工藝水平的離線編程技術等。,,機器人的構成,機器人,,機器人本體,機器人控制系統(tǒng),機械本體,運動、動力,,系統(tǒng),,主控系統(tǒng),感知系統(tǒng),,傳感系統(tǒng),主控系統(tǒng),運動動力系統(tǒng),外界信息,機器人的靈魂,—,控制系統(tǒng),輸入：該信息來自機器人的傳感器；,,程序：你想讓機器人遵循的一種規(guī)那么或指令
18、；,,輸出：機器人的運動，通常包括馬達〔運轉〕、燈和聲音,信息轉化,下達命令,,機器人工作過程圖,,機器人的大腦,—,主控系統(tǒng),,可調電阻 傳感器板接口 通用接口,9V,電池接口,4.5V,電池接口,單片機,開關接口,下載接口,電機接口,,機器人的感官,—,傳感系統(tǒng),避障傳感器功能及原理,,軌跡識別傳感器功能及原理,,軌跡識別傳感器,,,光敏傳感器功能及原理,,光敏傳感器,跳線,,機器人的身體,——,機器人本體,,,機器人智慧的來源,—,計算機程序,,計算機程序的核心,—,算法,,什么是算法,,算法包含兩方面內容：,,1,、數據。,,2,、操作步驟，也就是算法。,算法有哪些特征,,1、有
19、限性,,2、確定性,,3、輸出〔結果〕性,,4、有效性,,,步驟的安排有不同的方式，主要是以下三種：,,1、順序模式,,順序模式就是一步一步來，做完一步再做下一步。編寫程序的時候，就是表示為執(zhí)行完一個步驟，再按順序執(zhí)行下一個步驟。其程序結構為順序結構。,,2、選擇模式,,選擇，就是在不同的結果里確定一個，然后執(zhí)行下一步的操作。編寫程序的時候，其程序結構為選擇結構。,,3、循環(huán)模式,,循環(huán)模式，就是不斷地重復一個動作，直到完成最初方案好的重復次數為止。編寫程序的時候，其程序結構為循環(huán)結構。,,路徑規(guī)劃,,如何在復雜、不可預測的環(huán)境中自主移動到目標點，并且能夠躲避障礙物是移動機器人最根本、最重要的
20、能力之一，也是其它應用的根底。機器人路徑規(guī)劃最早研究的是從起始點運動到目標點的類型，在效勞機器人中許多場合需要該類型，如醫(yī)療效勞機器人、健康福利效勞機器人、搬運機器人等都經常需要該類型路徑規(guī)劃。,,常用的路徑規(guī)劃方法主要有四種：路線圖方法〔Roadmap Approach〕、單元分解方法〔Cell Decomposition〕、勢場法〔Potential Field〕和爬行蟲方法。,,算法的表示方法,1,、用自然語言表示算法。,,2,、用偽代碼表示算法,,3,、用流程圖表示算法。,,流程線,起止框,處理框,判斷框,輸入輸出框,,,,,各種用途的機器人：,,水下機器人、空間機器人、空中機器人、地
21、面機器人、微小型機器人等,新的機器人名稱：,,“軟件機器人〞、“網絡機器人〞 、機器人化機器,德國排爆機器人,相撲機器人,無人駕駛振動式壓路機,5.,機器人的工程應用,,機器魚“自由泳”,“過龍門”,在水中“戲球 ”,自主地避開障礙物,機器魚,我國研制的排爆機器人,,理由之三：機器人做人做不了的事情。比方人們對太空的認識，對原子分子進行搬遷的機器人,為什么要開展機器人?,理由之二：機器人做人不愿意做或做不好的事。比方有毒的、高溫的或危險的環(huán)境，汽車生產線上的焊接工作,機器人汽車焊接生產線,理由之一：提高生產效率降低人的勞動強度。比方焊機器人提高生產效率，提高汽車焊接的質量，降低工人的勞動強度,
22、汽車裝配機器人,,醫(yī)療效勞機器人,醫(yī)療效勞機器人主要指能夠直接為醫(yī)生提供效勞，幫助醫(yī)生對病人進行手術治療的效勞機器人。,,醫(yī)療外科機器人是醫(yī)療效勞機器人的典型代表，它可以由醫(yī)生對機器人進行遙控操作，在醫(yī)生難以直接進行手術的部位由機器人準確地完成各種手術,如下圖為口腔修復機器人。而外科手術導航系統(tǒng)和可以進入人體的微機器人診療系統(tǒng)也都可以為醫(yī)生進行手術提供必要的手術信息和輔助手段。因此，采用醫(yī)療效勞機器人進行手術可以減小創(chuàng)面、縮短手術時間，從而到達減少病人痛苦，并使病人早日痊愈的目的。,,健康福利效勞機器人,健康福利效勞機器人是指在醫(yī)院里為醫(yī)生或病人提供效勞的效勞機器人。圖中是直接為病人提供康復治
23、療的效勞機器人。他可以提供指定負載力和行走速度的步行訓練和為腿部受傷的病人提供術后康復訓練治療。許多研究單位和公司正在積極開發(fā)的各種類型的智能輪椅和智能病床也都屬于健康福利效勞機器人。,,公共效勞機器人,公共效勞機器人的范圍最為廣泛，只要能夠為公眾或公用設備提供效勞的機器人都屬于該類型效勞機器人。例如，在展覽會會場、辦公大樓、旅游景點為客人提供信息咨詢效勞的迎賓導游機器人，在建筑物內或居民區(qū)內進行自動巡視的保安巡邏機器人如下圖，加油站里的自動加油機器人，高樓擦窗和壁面清洗機器人，飛機清洗機器人，下水道清洗機器人等。此外還有機器郵遞員以及用于多種用途的自主移動機器人平臺，它們可在辦公室內部傳遞信
24、件或其他物品。目前這些機器人在技術上都已經相當成熟，在價格上也根本上被用戶接受，并已在許多國家得到了實際應用。隨著機器人技術的進一步開展，在不久的將來，會有越來越多的公共效勞機器人進入我們的日常生活。,,家庭效勞機器人,自動割草機和全自動吸塵器是家庭效勞機器人的典型代表。凱馳RC3000是世界上第一臺能夠自行完成所有家庭地面清潔工作的清潔機器人，如下圖，它有光電傳感器和芯片控制，當遇到障礙時，會隨機改變一個角度，然后繼續(xù)直走，直到遇到新的障礙物。,,該機器人內置四種清潔程序，保證在遇到不同污漬的地面時，可以調整其清潔程序；通過傳感器對于地板污漬的判斷，選擇適宜的應用程序。內置光敏傳感器，確保在
25、遇到樓梯與臺階時，能夠自動避讓。扁平的設計使其能夠清潔床、沙發(fā)、茶幾等家具的下面。其相應的基站一直發(fā)射紅外定位和導航信號來指引機器人回到充電站完成充電和垃圾處理的任務；同時能夠根據用戶設定的信息來控制機器人完成相應的操作。,,娛樂機器人,,娛樂機器人的種類很多，其中主要是以機器狗AIBO為代表的機器寵物，如下圖。AIBO的出現(xiàn)不但給索尼公司帶來了新的商機，也為機器人如何進入尋常家庭提供了一個新的開展思路。。,,教育機器人,,教育機器人的開展那么是通過以“機器人足球〞比賽為代表的各種類型的機器人競賽進行的。機器人競賽的參賽隊伍主要由大、中、小學生組成。由于機器人競賽不但具有很好的欣賞性，而且可以使參賽的學生在創(chuàng)新能力、動手能力等方面都可以得到很好的鍛煉，所以深受學校和學生家長的歡送，并越來越多地受到各國政府的重視。目前一些國家正在積極組織機器人國際比賽，并提出了舉行機器人奧林匹克競賽的想法，如下圖為類人足球機器人。,,Thank You!,,
蓬勃發(fā)展的工業(yè)機器人技術
