自動(dòng)化概論第5章自動(dòng)化學(xué)科的前沿技術(shù)

1、自動(dòng)化教研室自動(dòng)化教研室第第5 5章章 自動(dòng)化學(xué)科的前沿技術(shù)自動(dòng)化學(xué)科的前沿技術(shù)主講：顧德英主講：顧德英 5.1 5.1 機(jī)器人及其應(yīng)用機(jī)器人及其應(yīng)用 5 5.2 .2 管控一體化系統(tǒng)管控一體化系統(tǒng) 5.3 5.3 柔性制造系統(tǒng)柔性制造系統(tǒng) 5.4 5.4 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) 5.1 5.1 機(jī)器人及其應(yīng)用機(jī)器人及其應(yīng)用 機(jī)器人的定義 機(jī)器人（robot)的概念最早出現(xiàn)在捷克作家恰配克的科幻作品羅索姆的萬(wàn)能機(jī)器人中。 機(jī)器人定義：是一種可編程和多功能的，用來(lái)搬運(yùn)材料、零件、工具的操作機(jī)；或是為了執(zhí)行不同的任務(wù)而具有可改變和可編程動(dòng)作的專門系統(tǒng)。 是整合控制論、機(jī)械電子、計(jì)算機(jī)、材料和仿生

2、學(xué)的產(chǎn)物。目前在工業(yè)、醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、建筑業(yè)甚至軍事等領(lǐng)域中均有重要用途。 v 機(jī)器人能力的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)v 智能：指感覺和感知，包括記憶、運(yùn)算、比較、鑒別、判斷、決策、學(xué)習(xí)和邏輯推理等。v 機(jī)能：指變通性、通用性或空間占有性等；v 物理能：指力、速度、連續(xù)運(yùn)行能力、可靠性、聯(lián)用性、壽命等。v 機(jī)器人是具有生物功能的三維空間坐標(biāo)機(jī)器。 v 機(jī)器人的組成 v 機(jī)器人一般由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)裝置、檢測(cè)裝置和控制系統(tǒng)等組成。v 執(zhí)行機(jī)構(gòu)即機(jī)器人本體，其臂部一般采用空間開鏈連桿機(jī)構(gòu)，其中的運(yùn)動(dòng)副（轉(zhuǎn)動(dòng)副或移動(dòng)副）常稱為關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)個(gè)數(shù)通常即為機(jī)器人的自由度數(shù)。v 根據(jù)關(guān)節(jié)配置型式和運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)形式的不同，機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)可

3、分為直角坐標(biāo)式、圓柱坐標(biāo)式、極坐標(biāo)式和關(guān)節(jié)坐標(biāo)式等類型。v 出于擬人化的考慮，常將機(jī)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(duì)于移動(dòng)機(jī)器人）等。v 機(jī)器人一般由程序控制，具有人或生物的某些功能。v 智能機(jī)器人可以通過(guò)傳感器了解外部環(huán)境或自身狀態(tài)的變化，可以做出自己的邏輯推理、判斷與決策。v 計(jì)算機(jī)是機(jī)器人的大腦，傳感器是機(jī)器人的感覺器官，輸入/輸出設(shè)備是人與機(jī)器人的交互工具，常用的有顯示器、鍵盤、示教盒、打印機(jī)、網(wǎng)絡(luò)接口等。 人人i/o設(shè)備設(shè)備計(jì)算機(jī)硬件及軟件計(jì)算機(jī)硬件及軟件驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)器機(jī)器人本體機(jī)器人本體傳感器傳感器機(jī)器人控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成機(jī)器人

4、控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成v 機(jī)器人的分類v 工業(yè)機(jī)器人v 面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度機(jī)器人。v 特種機(jī)器人v 除工業(yè)機(jī)器人之外的、用于非制造業(yè)并服務(wù)于人類的各種先進(jìn)機(jī)器人，包括：服務(wù)機(jī)器人、水下機(jī)器人、娛樂機(jī)器人、軍用機(jī)器人、農(nóng)業(yè)機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)器等。v 空中機(jī)器人又叫無(wú)人機(jī)器，近年來(lái)在軍用機(jī)器人家族中，無(wú)人機(jī)是科研活動(dòng)最活躍、技術(shù)進(jìn)步最大、研究及采購(gòu)經(jīng)費(fèi)投入最多、實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)最豐富的領(lǐng)域5.1.1 工業(yè)機(jī)器人工業(yè)機(jī)器人 工業(yè)機(jī)器人（industrial robot。簡(jiǎn)稱ir）是廣泛適用的能夠自主動(dòng)作，且多軸聯(lián)動(dòng)的機(jī)械設(shè)備。 在必要情況下配備有傳感器，其動(dòng)作步驟包括靈活的，轉(zhuǎn)動(dòng)都是可編程控制

5、的（即在工作過(guò)程中，無(wú)需任何外力的干預(yù)）。 它們通常配備有機(jī)械手、刀具或其他可裝配的的加工工具，以及能夠執(zhí)行搬運(yùn)操作與加工制造的任務(wù)。 工業(yè)機(jī)器人的構(gòu)造 由主體、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三個(gè)基本部分組成。主體：即機(jī)座和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包括臂部、腕部和手部，有的機(jī)器人還有行走機(jī)構(gòu)。大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人有36個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度，其中腕部通常有13個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：包括動(dòng)力裝置和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，用以使執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作；控制系統(tǒng)是按照輸入的程序?qū)︱?qū)動(dòng)系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令信號(hào)，并進(jìn)行控制。六自由度串聯(lián)機(jī)械人六自由度串聯(lián)機(jī)械人v 工業(yè)機(jī)器人的分類v 按臂部的運(yùn)動(dòng)形式分為四種。v 直角坐標(biāo)型直角坐標(biāo)型的臂部可沿三個(gè)直角坐

6、標(biāo)移動(dòng)；v 圓柱坐標(biāo)型圓柱坐標(biāo)型的臂部可作升降、回轉(zhuǎn)和伸縮動(dòng)作；v 球坐標(biāo)型球坐標(biāo)型的臂部能回轉(zhuǎn)、俯仰和伸縮；v 關(guān)節(jié)型關(guān)節(jié)型的臂部有多個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)。v 按執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的控制機(jī)能，又可分點(diǎn)位型和連續(xù)軌跡型。v 點(diǎn)位型只控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)由一點(diǎn)到另一點(diǎn)的準(zhǔn)確定位，適用于機(jī)床上下料、點(diǎn)焊和一般搬運(yùn)、裝卸等作業(yè)；v 連續(xù)軌跡型可控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)按給定軌跡運(yùn)動(dòng)，適用于連續(xù)焊接和涂裝等作業(yè)。 按程序輸入方式區(qū)分有編程輸入型和示教輸入型兩類。 編程輸入型是將計(jì)算機(jī)上已編好的作業(yè)程序文件，通過(guò)rs232串口或者以太網(wǎng)等通信方式傳送到機(jī)器人控制柜。示教輸入型的示教方法有兩種： 一種是由操作者用手動(dòng)控制器(示教操縱盒)，將

7、指令信號(hào)傳給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)按要求的動(dòng)作順序和運(yùn)動(dòng)軌跡操演一遍；另一種是由操作者直接領(lǐng)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，按要求的動(dòng)作順序和運(yùn)動(dòng)軌跡操演一遍。 在示教過(guò)程的同時(shí)，工作程序的信息即自動(dòng)存入程序存儲(chǔ)器中在機(jī)器人自動(dòng)工作時(shí)，控制系統(tǒng)從程序存儲(chǔ)器中檢出相應(yīng)信息，將指令信號(hào)傳給驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)再現(xiàn)示教的各種動(dòng)作。六自由度并聯(lián)機(jī)器人六自由度并聯(lián)機(jī)器人汽車生產(chǎn)線上的機(jī)器人汽車生產(chǎn)線上的機(jī)器人v弧焊機(jī)器人弧焊機(jī)器人5.1.2 特種機(jī)器人特種機(jī)器人v 特種機(jī)器人則是除工業(yè)機(jī)器人之外的、用于非制造業(yè)并服務(wù)于人類的各種先進(jìn)機(jī)器人，包括：服務(wù)機(jī)器人、水下機(jī)器人、娛樂機(jī)器人、軍用機(jī)器人、農(nóng)業(yè)機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)器等。v水

8、下機(jī)器人水下機(jī)器人v 海底壓力非常大，而且環(huán)境惡劣，水下機(jī)器人必須具有足夠的抗壓能力和密封性能，它可以用于沉船打撈、海上救生、光纜鋪設(shè)，資源勘探和開采等。v 水下機(jī)器人可以分為兩大類：一類是有纜水下機(jī)器人，母船通過(guò)電纜向機(jī)器人提供動(dòng)力，人可以在母船上遙控機(jī)器人；另一類是無(wú)纜水下機(jī)器人，自帶能源，能自主潛航和操作，依靠自身的自治能力來(lái)完成人賦予的使命。v美國(guó)美國(guó)curv3curv3型有纜遙控水下機(jī)器人型有纜遙控水下機(jī)器人v美國(guó)海軍研制的無(wú)纜水下機(jī)器人美國(guó)海軍研制的無(wú)纜水下機(jī)器人aussauss洛克西德公司的無(wú)人水下航行器洛克西德公司的無(wú)人水下航行器無(wú)纜水下勘探機(jī)器人無(wú)纜水下勘探機(jī)器人v 空間機(jī)器

9、人空間機(jī)器人v 空間機(jī)器人是指在大氣層內(nèi)外從事各種作業(yè)的機(jī)器人，包括在內(nèi)層空間進(jìn)行觀測(cè)和作業(yè)的飛行機(jī)器人、各種航天器或空間站使用的機(jī)器人、到其他星球上進(jìn)行探測(cè)作業(yè)的星球探測(cè)機(jī)器人等。v 空間機(jī)器人工作在微重力、高真空、超低溫、強(qiáng)輻射的環(huán)境中，一般要求重量輕、能耗低、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、功能全、智能程度高。v 在未來(lái)的空間活動(dòng)中，將有大量的空間加工、生產(chǎn)，裝配、實(shí)驗(yàn)、維修等工作要依靠空間機(jī)器人來(lái)完成。國(guó)際空間站及組裝、維修機(jī)器人國(guó)際空間站及組裝、維修機(jī)器人 美國(guó)研制的美國(guó)研制的“nomad”月球探測(cè)機(jī)器人月球探測(cè)機(jī)器人美國(guó)的火星探測(cè)機(jī)器人美國(guó)的火星探測(cè)機(jī)器人 中國(guó)的月球探測(cè)車在進(jìn)行沙漠實(shí)驗(yàn)中

10、國(guó)的月球探測(cè)車在進(jìn)行沙漠實(shí)驗(yàn) v服務(wù)機(jī)器人v 主要有清潔機(jī)器人、家用機(jī)器人、娛樂機(jī)器人、醫(yī)療及康復(fù)機(jī)器人、老年及殘疾人護(hù)理機(jī)器人、辦公及后勤服務(wù)機(jī)器人、建筑機(jī)器人、救災(zāi)機(jī)器人、酒店售貨及餐廳服務(wù)機(jī)器人等。v 智能化是服務(wù)機(jī)器人發(fā)展的主要方向，最先進(jìn)的智能化技術(shù)已經(jīng)可以讓機(jī)器人在綜合智能方面達(dá)到人類3歲嬰兒左右的智力水平，某些單項(xiàng)智能則可以接近甚至超過(guò)人類，但是要進(jìn)一步提高綜合智能水平卻仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。康復(fù)機(jī)器人康復(fù)機(jī)器人 一種新型假手一種新型假手 “ “導(dǎo)盲犬導(dǎo)盲犬”機(jī)器人機(jī)器人爬墻機(jī)器人爬墻機(jī)器人管道清洗機(jī)器人管道清洗機(jī)器人機(jī)器人靈巧手機(jī)器人靈巧手robocup足球機(jī)器人（類人組）足球

11、機(jī)器人（類人組）robocup足球機(jī)器人足球機(jī)器人微型機(jī)器人微型機(jī)器人清洗玻璃幕墻的機(jī)器人清洗玻璃幕墻的機(jī)器人機(jī)器人外科手術(shù)系統(tǒng)機(jī)器人外科手術(shù)系統(tǒng) 日本東京大學(xué)研制的日本東京大學(xué)研制的“hrp-2”服務(wù)機(jī)器人服務(wù)機(jī)器人5.2 5.2 管控一體化系統(tǒng)管控一體化系統(tǒng)v管控一體化系統(tǒng)（management-control integration system ，簡(jiǎn)稱mci）。vmci是處于erp與現(xiàn)場(chǎng)控制層的中間層。mci采用計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫(kù)、自動(dòng)控制和接口通信等諸多先進(jìn)技術(shù)，以生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)企業(yè)生產(chǎn)管理、過(guò)程控制等信息的處理、分析、優(yōu)化、整合、存儲(chǔ)、發(fā)布，運(yùn)用現(xiàn)代化企業(yè)生產(chǎn)管理

12、模式建立覆蓋企業(yè)生產(chǎn)管理與基礎(chǔ)自動(dòng)化的綜合系統(tǒng)。將企業(yè)生產(chǎn)全過(guò)程的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和生產(chǎn)管理信息有機(jī)集成并優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)企業(yè)信息共享和有效利用，實(shí)現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)過(guò)程的整體優(yōu)化。v 管控一體化系統(tǒng)mci是一個(gè)數(shù)字化“大”系統(tǒng)。v 它不僅包含了企業(yè)底層生產(chǎn)過(guò)程控制、產(chǎn)品質(zhì)量控制、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、能源檢測(cè)與監(jiān)控等大量工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)信息，而且覆蓋了企業(yè)內(nèi)部生產(chǎn)管理全過(guò)程，通過(guò)流程整體優(yōu)化、信息集成和功能集成，實(shí)現(xiàn)對(duì)企業(yè)生產(chǎn)資源的計(jì)劃、調(diào)度和控制，增加產(chǎn)品產(chǎn)量，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)消耗和生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)成本，提高整個(gè)企業(yè)的運(yùn)營(yíng)效率和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。 城市集中供熱管控一體化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖彩電裝配生產(chǎn)線中國(guó)首條全自動(dòng)化重卡大沖生產(chǎn)線

13、5.3 柔性制造系統(tǒng)柔性制造系統(tǒng) 簡(jiǎn)稱，是一組數(shù)控機(jī)床和其他自動(dòng)化的工藝設(shè)備，由計(jì)算機(jī)信息控制系統(tǒng)和物料自動(dòng)儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合的整體。柔性制造系統(tǒng)由加工、物流、信息流三個(gè)子系統(tǒng)組成。 柔性制造系統(tǒng)是由統(tǒng)一的信息控制系統(tǒng)、物料儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)和一組數(shù)字控制加工設(shè)備組成，能適應(yīng)加工對(duì)象變換的自動(dòng)化機(jī)械制造系統(tǒng)(flexible manufacturing system) 。v fms的工藝基礎(chǔ)是成組技術(shù)，它按照成組的加工對(duì)象確定工藝過(guò)程，選擇相適應(yīng)的數(shù)控加工設(shè)備和工件、工具等物料的儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)，并由計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，故能自動(dòng)調(diào)整并實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)多種工件的成批高效生產(chǎn)(即具有“柔性”)，并能及時(shí)地改變產(chǎn)品以滿足市場(chǎng)需求。v 柔性制造系統(tǒng)的組成柔性制造系統(tǒng)的組成v (1)中央管理和控制計(jì)算機(jī) v (2)物流控制裝置 v (3)自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù) v (4)無(wú)人輸送臺(tái) v (5)制造單元 v (6)中央刀具庫(kù)v (7)夾具站 v (8)信息傳輸網(wǎng)絡(luò) v