工業(yè)機(jī)器人技術(shù)

1、機(jī)器人技術(shù)機(jī)器人在人類生產(chǎn)作業(yè)中的重要應(yīng)用學(xué)院：機(jī)械工程學(xué)院專業(yè)：液壓元件與控制班級：08級5班學(xué)號：080803110250姓名：盧紅兵研究意義與必要性國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）曾于1987年對工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行定義：“工業(yè)機(jī)器人是一種具有自動控制的操作和移動功能，能完成各種作業(yè)的可編程操作機(jī)。”該定義與美國機(jī)器人學(xué)會（RIA）和日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（JIS）對工業(yè)機(jī)器人的定義相近。工業(yè)機(jī)器人主要用于制造業(yè)中，隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，它目前已廣泛地用于汽車、機(jī)械制造、電子工業(yè)及塑料制品等生產(chǎn)領(lǐng)域，進(jìn)而擴(kuò)展到核能、采礦、冶金、石油、化學(xué)、航空、航天、船舶、建筑、紡織、制衣、醫(yī)藥、生化、食品等工業(yè)領(lǐng)域，機(jī)器人將

2、成為人類社會生產(chǎn)活動的“主勞力”，人類將從繁重的、重復(fù)單調(diào)的、有害健康和危險的生產(chǎn)勞動中解放出來，從而有更多的時間去學(xué)習(xí)、研究和創(chuàng)造。工業(yè)機(jī)器人是一種自動的、位置可控的、具有編程功能的多功能操作機(jī)，多以機(jī)械臂的形式出現(xiàn)，這種操作機(jī)具有幾個軸，能夠借助可編程操作來處理各種材料、零件、工具和專用裝置以執(zhí)行各種任務(wù)。在日本，單軸機(jī)器人同樣被列入工業(yè)機(jī)器人的范疇。工業(yè)機(jī)器人由操作機(jī)（機(jī)械本體）、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作、自動控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞

3、動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。機(jī)器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動，而是綜合了人的特長和機(jī)器特長的一種擬人的電子機(jī)械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機(jī)器可長時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機(jī)器的進(jìn)化過程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)備，也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動化設(shè)備。工業(yè)機(jī)器人是機(jī)器人的一個重要分支，它的特點是可通過編程完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器人各自的優(yōu)點，尤其是體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性，機(jī)器作業(yè)的準(zhǔn)確性和在各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力。因而在國民經(jīng)濟(jì)各個領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景機(jī)

4、器人技術(shù)是綜合了機(jī)械學(xué)、計算機(jī)、控制論、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，是當(dāng)代研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域，機(jī)器人的應(yīng)用情況，是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標(biāo)志。、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析日本是當(dāng)今的工業(yè)機(jī)器人王國，既是工業(yè)機(jī)器人的最大制造國也是最大消費國。但實際上工業(yè)機(jī)器人的誕生地是美國。美國人英格伯格和德奧爾制造出了世界上第一臺工業(yè)機(jī)器人，他們發(fā)現(xiàn)可以讓機(jī)器人去代替工人一些簡單重復(fù)的勞動，而且不需要報酬和休息，任勞任怨。接著他們兩人合辦了世界上第一家機(jī)器人制造工廠，生產(chǎn)unimate工業(yè)機(jī)器人。如圖1所示。圖1-在美國誕生的Unimate工業(yè)機(jī)器人與此同時，十九世

5、紀(jì)七十年代的日本正面臨著嚴(yán)重的勞動力短缺，這個問題已成為制約其經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個主要問題。在美國誕生并已投入生產(chǎn)的工業(yè)機(jī)器人就給日本帶來了福音。1967年日本川崎重工業(yè)公司首先從美國引進(jìn)機(jī)器人及技術(shù)，建立生產(chǎn)廠房，并于196孫試制出第一臺日本產(chǎn)unimate機(jī)器人。經(jīng)過短暫的搖籃階段，日本的工業(yè)機(jī)器人很快進(jìn)入實用階段，并由汽車業(yè)逐步擴(kuò)大到其它制造業(yè)以及非制造業(yè)。1980年被稱為日本的“機(jī)器人普及元年”，日本開始在各個領(lǐng)域推廣使用機(jī)器人，這大大緩解了市場勞動力嚴(yán)重短缺的社會矛盾。再加上日本政府采取的多方面鼓勵政策，這些機(jī)器人受到了廣大企業(yè)的歡迎。美國是工業(yè)機(jī)器人的誕生地，基礎(chǔ)雄厚，技術(shù)先進(jìn)。現(xiàn)今美國

6、有著一批具有國際影響力的工業(yè)機(jī)器人供應(yīng)商，像AdeptTechnologe、AmericanRobotEmersomIndustrialAutomation等。德國工業(yè)機(jī)器人的數(shù)量占世界第三，僅次于日本和美國，具智能機(jī)器人的研究和應(yīng)用在世界上處于領(lǐng)先地位。目前在普及第一代工業(yè)機(jī)器人的基礎(chǔ)上，第二代工業(yè)機(jī)器人經(jīng)推廣應(yīng)用成為主流安裝機(jī)型，而第三代智能機(jī)器人已占有一定比重并成為發(fā)展的方向。世界上的機(jī)器人供應(yīng)商分為日系和歐系。瑞典的ABB司是世界上最大機(jī)器人制造公司之一。1974#研發(fā)了世界上第一臺全電控式工業(yè)機(jī)器人IRB6,主要應(yīng)用于工件的取放和物料搬運。1975年生產(chǎn)出第一臺次I接機(jī)器人。到198

7、0年兼并Trallfa噴漆機(jī)器人公司后，其機(jī)器人產(chǎn)品趨于完備。ABEB司制造的工業(yè)機(jī)器人廣泛應(yīng)用在焊接、裝配鑄造、密封涂膠、材料處理、包裝、噴漆、水切割等領(lǐng)域。彳惠國的KUKARoboterGmblfr司是世界上幾家頂級工業(yè)機(jī)器人制造商之一。1973年研制開發(fā)了KUK的第一臺工業(yè)機(jī)器人。年產(chǎn)量達(dá)到一萬臺左右。所生產(chǎn)的機(jī)器人廣泛應(yīng)用在儀器、汽車、航天、食品、制藥、醫(yī)學(xué)、鑄造、塑料等工業(yè)，主要用于材料處理、機(jī)床裝備、包裝、堆垛、焊接、表面休整等領(lǐng)域。圖2是KUKAKR100,用于高速、高精度焊接、切割和測量的機(jī)器人。圖2意大利COMAU司從1978年開始研制和生產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人，至今已有30多年的歷史

8、。具機(jī)器人產(chǎn)品包括Smart系列多功能機(jī)器人和MASK列龍門焊接機(jī)器人。廣泛應(yīng)用于汽車制造、鑄造、家具、食品、化工、航天、印刷等領(lǐng)域。意大禾IJCOMAU公司研發(fā)的ComauSmartNS1如圖3所示圖3ComauSmartNS1總的來講國外機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢：1 .工業(yè)機(jī)器人性能不斷提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修），而單機(jī)價格不斷下降，平均單機(jī)價格從91年的10.3萬美元降至97年的6.52 .機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測系統(tǒng)三位一體化；由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī)；國外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問市。3

9、 .工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。4 .機(jī)器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機(jī)器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機(jī)器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進(jìn)行環(huán)境建模及決策控制；多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。5 .虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機(jī)器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機(jī)器人。6 .當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追

10、求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機(jī)器人的人機(jī)交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機(jī)器人走出實驗室進(jìn)入實用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機(jī)器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實例。7 .機(jī)器人化機(jī)械開始興起。從94年美國開發(fā)出“虛擬軸機(jī)床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應(yīng)用的領(lǐng)域。我國工業(yè)機(jī)器人起步于70年代初，其發(fā)展過程大致可分為三個階段：70年代的萌芽期；80年代的開發(fā)期；90年代的實用化期。而今經(jīng)過20多年的發(fā)展已經(jīng)初具規(guī)模。目前我國已生產(chǎn)出部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出弧焊、點焊、碼垛、裝配、搬運、注塑、沖壓、噴漆等工業(yè)機(jī)器人。

11、一批國產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人已服務(wù)于國內(nèi)諸多企業(yè)的生產(chǎn)線上；一批機(jī)器人技術(shù)的研究人才也涌現(xiàn)出來。一些相關(guān)科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)已掌握了工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)的優(yōu)化設(shè)計制造技術(shù)；工業(yè)機(jī)器人控制、驅(qū)動系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)；機(jī)器人軟件的設(shè)計和編程技術(shù)；運動學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)；弧焊、點焊及大型機(jī)器人自動生產(chǎn)線與周邊配套設(shè)備的開發(fā)和制備技術(shù)等。某些關(guān)鍵技術(shù)已達(dá)到或接近世界水平。一個國家要引入高技術(shù)并將其轉(zhuǎn)移為產(chǎn)業(yè)技術(shù)（產(chǎn)業(yè)化），必須具備5個要素即5M:Machine/Materials/Manpower/Management/Market。和有著“機(jī)器人王國”之稱的日本相比，我國有著截然不同的基本國情，那就是人口多，勞動力過剩。刺

12、激日本發(fā)展工業(yè)機(jī)器人的根本動力就在于要解決勞動力嚴(yán)重短缺的問題。所以，我國工業(yè)機(jī)器人起步晚發(fā)展緩。但是正如前所述，廣泛使用機(jī)器人是實現(xiàn)工業(yè)自動化，提高社會生產(chǎn)效率的一種十分重要的途徑。我國正在努力發(fā)展工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，引進(jìn)國外技術(shù)和設(shè)備，培養(yǎng)人才，打開市場。日本工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的輝煌得益于本國政府的鼓勵政策，我國在十一五綱要中也體現(xiàn)出了對發(fā)展工業(yè)機(jī)器人的大力支持。經(jīng)過20多年的發(fā)展，我國機(jī)器人技術(shù)和集成能力得到了很大提高，推進(jìn)了工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品的系列化及工程應(yīng)用，成功將機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，增強(qiáng)了企業(yè)的市場競爭力；實現(xiàn)了特種機(jī)器人，特別是水下機(jī)器人和反恐排爆機(jī)器人的跨越式發(fā)展；仿人機(jī)器人等也取得

13、了顯著成績。在工業(yè)機(jī)器人方面，經(jīng)過“七五”攻關(guān)計劃、“九五”攻關(guān)計劃和863計劃的支持，取得了較大進(jìn)展。(1)工業(yè)機(jī)器人系列產(chǎn)品和應(yīng)用工程成為機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化的龍頭。在“九五”期間，我國研制出實用型裝配機(jī)器人、弧焊機(jī)器人、點焊機(jī)器人及自動導(dǎo)引車(AGV等一系列機(jī)器人產(chǎn)品，完成了小批量生產(chǎn)及其應(yīng)用工程，包括一汽集團(tuán)汽車自動焊接線，嘉陵、金城、三水摩托車焊接線，以及自動碼垛、小型電器自動裝配線等100多項機(jī)器人示范應(yīng)用工程，為提高我國企業(yè)裝備水平和工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化做出了重要貢獻(xiàn)。(2)機(jī)器人化機(jī)器推動我國工程機(jī)械的更新?lián)Q代。經(jīng)過多年的探索，我國在智能機(jī)器人的發(fā)展上確定了利用機(jī)器人技術(shù)去改造現(xiàn)有的機(jī)器，

14、即研制機(jī)器人化機(jī)器、實現(xiàn)技術(shù)輻射的技術(shù)路線。同時，根據(jù)技術(shù)現(xiàn)狀和市場情況，我國開始集中精力在工程機(jī)器人方面取得突破，徐州工程機(jī)械集團(tuán)公司、江麓機(jī)械廠等單位合作完成了無人駕駛的振動式壓路機(jī)、具有自動推平功能的推土機(jī)、可編程挖掘機(jī)、自動鑿巖機(jī)、移動式隧道噴漿機(jī)等九種工程機(jī)械的機(jī)器人化，推動了國工程機(jī)械產(chǎn)品升級換代。止匕外，農(nóng)業(yè)、建筑、冶金等行業(yè)的機(jī)械機(jī)器人化工作也在逐步展開。隨著時間推移，這條技術(shù)輻射之路越走越寬，為我國傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)備的改造做出的貢獻(xiàn)也越來越大。機(jī)器人的應(yīng)用是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標(biāo)志。國外工業(yè)機(jī)器人技術(shù)日趨成熟，已經(jīng)成為一種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備而得到工業(yè)界廣泛應(yīng)用。我國工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用也

15、已經(jīng)20多年，促進(jìn)了我國制造業(yè)的發(fā)展，但大部分產(chǎn)品依賴進(jìn)口。三、工業(yè)機(jī)器人各關(guān)鍵技術(shù)介紹(一)、工業(yè)機(jī)器人機(jī)構(gòu)及其設(shè)計1 .工業(yè)機(jī)器人及操作機(jī)工業(yè)機(jī)器人是一種能自動控制并可重新編程予以變動的多功能機(jī)器。它有多個自由度，可用來搬運物料、零件和握持工具，以完成各種不同的作業(yè)。（1）工業(yè)機(jī)器人的組成傳動機(jī)構(gòu)齒輪傳動同步帶傳動機(jī)器人本體部分5自由度焊接機(jī)器人1）工業(yè)機(jī)器人通常由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動-傳動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及智能系統(tǒng)部分組成2）機(jī)器人各部分關(guān)系3）機(jī)器人各部分功能執(zhí)行機(jī)構(gòu)是機(jī)器人賴以完成各種作業(yè)的主體部分。通常為開式空間連桿機(jī)構(gòu)。驅(qū)動-傳動機(jī)構(gòu)由驅(qū)動器和傳動機(jī)構(gòu)組成。傳動有機(jī)械式、電氣式、液壓式、

16、氣動式和復(fù)合式等。而驅(qū)動器有步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)、液壓馬達(dá)和液壓缸等?？刂葡到y(tǒng)一般由示教操作盤或控制計算機(jī)和伺服控制裝置組成。前者作用是發(fā)出指令協(xié)調(diào)各有關(guān)驅(qū)動器之間的運動，同時要完成編程、示教/再現(xiàn)以及和其它環(huán)境狀況（傳感器信號）、工藝要求。外部相關(guān)設(shè)備之間的信息傳遞和協(xié)調(diào)工作。而后者是控制各關(guān)節(jié)驅(qū)動器使各桿能按預(yù)定的運動規(guī)律運動。智能系統(tǒng)則由感知系統(tǒng)和分析決策系統(tǒng)組成，它分別由傳感器及軟件來實現(xiàn)。關(guān)節(jié)式機(jī)器人的幾種典型類型圖例f皆采用申聯(lián)式開環(huán)機(jī)構(gòu)采用部分封耳(平行四邊形)機(jī)構(gòu).各關(guān)節(jié)駛動器配置在手臂的根部手臂端部能實現(xiàn)二堆平面運動，全刊在垂直方向剛度大，在水平方向柔性大,具有柔順性0廣泛用于

17、裝配作業(yè)中(2)機(jī)器人操作機(jī)工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分稱為操作機(jī)。它由機(jī)座、腰部、大臂、小臂、腕部及手部組成。即由手臂機(jī)構(gòu)和手腕機(jī)構(gòu)組成。(3)工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展過程可分為以下三代：第一代為示教/再現(xiàn)型機(jī)器人。它主要由機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。當(dāng)前工業(yè)中應(yīng)用最多。第二代為感覺型機(jī)器人。如有力覺、觸覺和視覺等，它具有對某些外界信號進(jìn)行反饋調(diào)整的能力。目前已進(jìn)入應(yīng)用階段。第三代為智能型機(jī)器人。具尚處于實驗研究階段。2 .操作機(jī)的主要類型(1)直角坐標(biāo)型(PP叫)(2)圓柱坐標(biāo)型(PPF®)(3)球坐標(biāo)型(RRPS)(4)關(guān)節(jié)型(RRR型)3 .操作機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)(1)自由度自由度是用來確定手

18、部相對機(jī)座的位置和姿態(tài)的獨立參數(shù)的數(shù)目。它等于操作機(jī)獨立驅(qū)動的關(guān)節(jié)數(shù)目。自由度是反映操作機(jī)的通用性和適應(yīng)性的一項重要指標(biāo)。目前一般通用工業(yè)機(jī)器人大多為5自由度左右，已能滿足多種作業(yè)的要求。(2)工作空間即操作機(jī)的工作范圍。(3)靈活度靈活度是指操作機(jī)末端執(zhí)行器在工作(如抓取物件)時，所能采取的姿態(tài)的多少。若能從各個方位抓取物體，則其靈活度最大；若只能從一個方位抓取物體，則其靈活度最小。4 .機(jī)構(gòu)的設(shè)計工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)是由機(jī)座、手臂、手腕及末端執(zhí)行器等組成的機(jī)械裝置。而從機(jī)器人完成作業(yè)的方式來看，操作機(jī)個是由手臂機(jī)構(gòu)、手腕機(jī)構(gòu)及末端執(zhí)行器等組成的機(jī)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)方案及其運動設(shè)計是整個機(jī)器人設(shè)計的關(guān)鍵

19、。(1)操作機(jī)手臂機(jī)構(gòu)的設(shè)計手臂機(jī)構(gòu)一般為23個自由度，要求可實現(xiàn)回轉(zhuǎn)、仰俯、升降或伸縮三種運動形式。手臂機(jī)構(gòu)設(shè)計時，先要確定其結(jié)構(gòu)型式和尺寸，還需考慮各種構(gòu)件的重量對其運動速度、精度及剛度的影響。(2)操作機(jī)手腕機(jī)構(gòu)的設(shè)計手腕機(jī)構(gòu)一般為13個自由度，要求可實現(xiàn)回轉(zhuǎn)、偏擺或擺轉(zhuǎn)和仰俯三種運動形式。手腕機(jī)構(gòu)的設(shè)計時，要確定其結(jié)構(gòu)型式及機(jī)構(gòu)尺寸，并要注意誘導(dǎo)運動。為使其機(jī)構(gòu)緊湊，要減少其重量和體積，以利于驅(qū)動傳動的布置和提高手腕動作的精確性。(3)末端執(zhí)行器的設(shè)計根據(jù)不同作業(yè)任務(wù)的要求，先確定末端執(zhí)行器的類型及其機(jī)構(gòu)的型式，并盡可能使其結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、重量輕，以減輕手臂的負(fù)載。（二）工業(yè)機(jī)器人的傳

20、感技術(shù)1.內(nèi)部傳感器（1）概述在有關(guān)工業(yè)機(jī)器人功能的術(shù)語中，“內(nèi)部”測量功能定義為測量機(jī)器人自身狀態(tài)的功能，所謂內(nèi)部傳感器就是實現(xiàn)該功能的元件，具體檢測的對象有關(guān)節(jié)的線位移、角位移等幾何量，速度、角速度、加速度等運動量，還有傾斜角、方位角、振動等物理量，對各種傳感器要求精度高、響應(yīng)速度快、測量范圍寬。內(nèi)部傳感器中，位置傳感器和速度傳感器，是當(dāng)今機(jī)器人反饋控制中不可缺少的元件?，F(xiàn)已有多種傳感器大量生產(chǎn)，但傾斜角傳感器、方位角傳感器及振動傳感器等用作機(jī)器人內(nèi)部傳感器的時間不長，其性能尚需進(jìn)一步改進(jìn)。（2）內(nèi)部傳感器按功能分類1）規(guī)定位置、規(guī)定角度的檢測檢測預(yù)先規(guī)定的位置或角度，可以用ON/OFF兩

21、個狀態(tài)值，這種方法用于檢測機(jī)器人的起始原點、越限位置或確定位置。微型開關(guān)：規(guī)定的位移或力作用到微型開關(guān)的可動部分（稱為執(zhí)行器）時,開關(guān)的電氣觸點斷開或接通。限位開關(guān)通常裝在盒里，以防外力的作用和水、油、塵埃的侵蝕。光電開關(guān)：光電開關(guān)是由LED光源和光敏二極管或光敏晶體管等光敏元件組成，相隔一定距離而構(gòu)成的透光式開關(guān)。當(dāng)光由基準(zhǔn)位置的遮光片通過光源和光敏元件的縫隙時，光射不到光敏元件上，而起到開關(guān)的作用。2）位置、角度測量測量機(jī)器人關(guān)節(jié)線位移和角位移的傳感器是機(jī)器人位置反饋控制中必不可少的元件。電位器：電位器可作為直線位移和角位移檢測元件。所以，為了保證電位器的線性輸出，應(yīng)保證等效負(fù)載電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大

22、于電位器總電阻。電位器式傳感器結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，使用方便，但分辨率不高，且當(dāng)電刷和電阻之間接觸面磨損或有塵埃附著時會產(chǎn)生噪聲。旋轉(zhuǎn)變壓器：旋轉(zhuǎn)變壓器由鐵心、兩個定子線圈和兩個轉(zhuǎn)子線圈組成，是測量旋轉(zhuǎn)角度的傳感器。定子和轉(zhuǎn)子由硅鋼片和坡莫合金疊層制成，在各定子線圈加上交流電壓，轉(zhuǎn)子線圈中由于交鏈磁通的變化產(chǎn)生感應(yīng)電壓。感應(yīng)電壓和勵磁電壓之間相關(guān)聯(lián)的耦合系數(shù)隨轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角而改變。因此，根據(jù)測得的輸出電壓，就可以知道轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角的大小。3）編碼器：編碼器輸出表示位移增量的編碼器脈沖信號，并帶有符號。根據(jù)檢測原理，編碼器可分為光學(xué)式、磁式、感應(yīng)式和電容式。根據(jù)其刻度方法及信號輸出形式，分為增量式編碼器和絕

23、對式編碼器。作為機(jī)器人位移傳感器，光電編碼器應(yīng)用最為廣泛。絕對式編碼器與增量式編碼器不同之處在于圓盤上透光、不透光的線條圖形，絕對編碼器可有若干編碼，根據(jù)讀出碼盤上的編碼，檢測絕對位置。編碼的設(shè)計可采用二進(jìn)制碼、循環(huán)碼、二進(jìn)制補(bǔ)碼等。磁編碼器在強(qiáng)磁性材料表面上記錄等間隔的磁化刻度標(biāo)尺，標(biāo)尺旁邊相對放置磁阻效應(yīng)元件或霍爾元件，即能檢測出磁通的變化。與光電編碼器相比，磁編碼器的刻度間隔大，但它具有耐油污、抗沖擊等特點。人們期待著磁編碼器和高分辨率的光電編碼器能盡早地用作機(jī)器人的內(nèi)傳感器。4)速度、角速度測量速度、角速度測量是驅(qū)動器反饋控制中必不可少的環(huán)節(jié)，有時也利用測位移傳感器測量速度及檢測單位采

24、樣時間位移量，然后用F/V轉(zhuǎn)換器變成模擬電壓，但這種方法有其局限性，在低速時，存在著不穩(wěn)定的危險；而高速時，只能獲得較低的測量精度。5)加速度測量隨著機(jī)器人的高速比、高精度化，由機(jī)械運動部分剛性不足所引起的振動問題開始提到日程上來了。為了解決振動問題，有時在機(jī)器人的運動手臂等位置安裝加速度傳感器，測量振動加速度，并把它反饋到驅(qū)動器上。加速度傳感器分為：應(yīng)變片加速度傳感器：應(yīng)變片加速度傳感器是由一個板簧支承重錘所構(gòu)成的振動系統(tǒng)。在板簧兩面分別貼兩個應(yīng)變片，應(yīng)變片受振動產(chǎn)生應(yīng)變，其電阻值的變化通過電橋電路的輸出電壓被檢測出來。伺服加速度傳感器：伺服加速度傳感器中振動系統(tǒng)重錘位移變換成成正比的電流，

25、把電流反饋到恒定磁場中的線圈，使重錘返回到原來的零位移狀態(tài)。壓電感應(yīng)加速度傳感器：壓電感應(yīng)加速度傳感器是利用具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)，將加速度轉(zhuǎn)換為電壓。其他內(nèi)部傳感器除以上介紹的常用內(nèi)部傳感器外，還有一些根據(jù)機(jī)器人不同要求而安裝的不同功能的內(nèi)部傳感器，如用于傾斜角測量的液體式傾斜角傳感器、電解液式傾斜角傳感器、垂直振子式傾斜角傳感器、用于方位角測量的陀螺儀和地磁傳感器。這些傳感器有待于進(jìn)一步完善，更好地用于機(jī)器人上。2.外部傳感器(1)概述為了檢測作業(yè)對象及環(huán)境或機(jī)器人與它們的關(guān)系，在機(jī)器人上安裝了觸覺傳感器、視覺傳感器、力覺傳感器、接近覺傳感器、超聲波傳感器和聽覺傳感器，大大改善了機(jī)器人工作狀況

26、，使其能夠更充分地完成復(fù)雜的工作。由于外部傳感器為集多種學(xué)科于一身的產(chǎn)品，有些方面還在探索之中，隨著外部傳感器的進(jìn)一步完善，機(jī)器人的功能越來越強(qiáng)大，將在許多領(lǐng)域為人類做出更大貢獻(xiàn)。(2)外部傳感器按功能分類1)觸覺傳感器觸覺是接觸、沖擊、壓迫等機(jī)械刺激感覺的綜合，觸覺可以用來進(jìn)行機(jī)器人抓取，利用觸覺可進(jìn)一步感知物體的形狀、軟硬等物理性質(zhì)。對機(jī)器人觸覺的研究，只能集中于擴(kuò)展機(jī)器人能力所必需的觸覺功能，一般把檢測感知和外部直接接觸而產(chǎn)生的接觸覺、壓力、觸覺及接近覺的傳感器稱為機(jī)器人觸覺傳感器。接觸覺：接觸覺是通過與對象物體彼此接觸而產(chǎn)生的，所以最好使用手指表面高密度分布觸覺傳感器陣列，它柔軟易于變

27、形，可增大接觸面積，并且有一定的強(qiáng)度，便于抓握。接觸覺傳感器可檢測機(jī)器人是否接觸目標(biāo)或環(huán)境，用于尋找物體或感知碰撞。I.機(jī)械式傳感器：利用觸點的接觸斷開獲取信息，通常采用微動開關(guān)來識別(物體的二維輪廓，由于結(jié)構(gòu)關(guān)系無法高密度列陣。限彈性式傳感器：這類傳感器都由彈性元件、導(dǎo)電觸點和絕緣體構(gòu)成。如采用導(dǎo)電性石墨化碳纖維、氨基甲酸乙酯泡沫、印制電路板和金屬觸點構(gòu)成的傳感器，碳纖維被壓后與金屬觸點接觸，開關(guān)導(dǎo)通。也可由彈性海綿、導(dǎo)電橡膠和金屬觸點構(gòu)成，導(dǎo)電橡膠受壓后，海綿變形，導(dǎo)電橡膠和金屬觸點接觸，開關(guān)導(dǎo)通。也可由金屬和錢青銅構(gòu)成，被絕緣體覆蓋的青銅箔片被壓后與金屬接觸，觸點閉合。田.光纖傳感器：這

28、種傳感器包括由一束光纖構(gòu)成的光纜和一個可變形的反射表面。光通過光纖束投射到可變形的反射材料上，反射光按相反方向通過光纖束返回。如果反射表面是平的，則通過每條光纖所返回的光的強(qiáng)度是相同的。如果反射表面因與物體接觸受力而變形，則反射的光強(qiáng)度不同。用高速光掃描技術(shù)進(jìn)行處理，即可得到反射表面的受力情況。接近覺：接近覺是一種粗略的距離感覺，接近覺傳感器的主要作用是在接觸對象之前獲得必要的信息，用來探測在一定距離范圍內(nèi)是否有物體接近、物體的接近距離和對象的表面形狀及傾斜等狀態(tài)，一般用“1”和“0”兩種態(tài)表示。在機(jī)器人中，主要用于對物體的抓取和躲避。接近覺一般用非接觸式測量元件，如霍爾效應(yīng)傳感器、電磁式接近

29、開關(guān)和光學(xué)接近傳感器。以光學(xué)接近傳感器為例，其結(jié)構(gòu)如下圖1所示。由發(fā)光二極管和光敏晶體管組成。發(fā)光二極管發(fā)出的光經(jīng)過反射被光敏晶體管接收，接收到的光強(qiáng)和傳感器與目標(biāo)的距離有關(guān)，輸出信號Uout是距離x的函數(shù)：Uout=f（x）0紅外信號被調(diào)制成某一特定頻率，可大大提高信噪比?；X：機(jī)器人在抓取不知屬性的物體時，其自身應(yīng)能確定最佳握緊力的給定值。當(dāng)握緊力不夠時，要檢測被握緊物體的滑動，利用該檢測信號，在不損害物體的前提下，考慮最可靠的夾持方法，實現(xiàn)此功能的傳感器稱為滑覺傳感器?；X傳感器有滾動式和球式，還有一種通過振動檢測滑覺的傳感器。物體在傳感器表面上滑動時，和滾輪或環(huán)相接觸，把滑動變成轉(zhuǎn)動。

30、磁力式滑覺傳感器中，滑動物體引起滾輪滾動，用磁鐵和靜止的磁頭，或用光傳感器進(jìn)行檢測，這種傳感器只能檢測到一個方向的滑動。球式傳感器用球代替滾輪，可以檢測各個方向的滑動，振動式滑覺傳感器表面伸出的觸針能和物體接觸，物體滾動時，觸針與物體接觸而產(chǎn)生振動，這個振動由壓點傳感器或磁場線圈結(jié)構(gòu)的微小位移計檢測。滾輪式滑覺傳感器如圖2所示。2）力覺傳感器力覺是指對機(jī)器人的指、肢和關(guān)節(jié)等運動中所受力的感知，主要包括腕力覺、關(guān)節(jié)力覺和支座力覺等，根據(jù)被測對象的負(fù)載，可以把力傳感器分為測力傳感器（單軸力傳感器）、力矩表（單軸力矩傳感器）、手指傳感器（檢測機(jī)器人手指作用力的超小型單軸力傳感器）和六軸力覺傳感器。力

31、覺傳感器根據(jù)力的檢測方式不同，可以分為：檢測應(yīng)變或應(yīng)力的應(yīng)變片式；利用壓電效應(yīng)的壓電元件式；用位移計測量負(fù)載產(chǎn)生的位移的差動變壓器、電容位移計式，其中應(yīng)變片被機(jī)器人廣泛采用。在選用力傳感器時，首先要特別注意額定值，其次在機(jī)器人通常的力控制中，力的精度意義不大，重要的是分辨率。另外，在機(jī)器人上實際安裝使用力覺傳感器時，一定要事先檢查操作區(qū)域，清除障礙物。這對實驗者的人身安全、對保證機(jī)器人及外圍設(shè)備不受損害有重要意義。3）距離傳感器距離傳感器可用于機(jī)器人導(dǎo)航和回避障礙物，也可用于機(jī)器人空間內(nèi)的物體進(jìn)行定位及確定其一般形狀特征。目前最常用的測距法有兩種：超聲波測距法：超聲波是頻率20kHz以上的機(jī)械

32、振動波，利用發(fā)射脈沖和接收脈沖的時間間隔推算出距離。超聲波測距法的缺點是波束較寬，其分辨力受到嚴(yán)重的限制，因此，主要用于導(dǎo)航和回避障礙物。激光測距法：激光測距法也可以利用回波法，或者利用激光測距儀，其工作原理如下：氮凝激光器固定在基線上，在基線的一端由反射鏡將激光點射向被測物體，反射鏡固定在電動機(jī)軸上，電動機(jī)連續(xù)旋轉(zhuǎn)，使激光點穩(wěn)定地對被測目標(biāo)掃描。由CCD（電荷耦合器件）攝像機(jī)接受反射光，采用圖像處理的方法檢測出激光點圖像，并根據(jù)位置坐標(biāo)及攝像機(jī)光學(xué)特點計算出激光反射角。利用三角測距原理即可算出反射點的位置。4）其他外部傳感器除以上介紹的機(jī)器人外部傳感器外，還可根據(jù)機(jī)器人特殊用途安裝聽覺傳感器

33、，味覺傳感器及電磁波傳感器，而這些機(jī)器人主要用于科學(xué)研究、海洋資源探測或食品分析、救火等特殊用途。這些傳感器多數(shù)屬于開發(fā)階段，有待于更進(jìn)一步完善，以豐富機(jī)器人專用功能。5）傳感器融合系統(tǒng)中使用的傳感器種類和數(shù)量越來越多，每種傳感器都有一定的使用條件和感知范圍，并且又能給出環(huán)境或?qū)ο蟮牟糠只蛘麄€側(cè)面的信息，為了有效地利用這些傳感器信息，需要采用某種形式對傳感器信息進(jìn)行綜合、融合處理，不同類型信息的多種形式的處理系統(tǒng)就是傳感器融合。傳感器的融合技術(shù)涉及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、知識工程、模糊理論等信息、檢測、控制領(lǐng)域的新理論和新方法。機(jī)械臂的機(jī)器人視覺技術(shù)主要應(yīng)用在下述兩個方面：一是給裝配機(jī)器人（機(jī)械手）配備視覺

34、裝置，要求視覺必須要做到：（1）識別傳送帶上所要裝配的機(jī)械零件；（2）確定該零件的空間位置。據(jù)此信息控制機(jī)械手的動作，做到準(zhǔn)確裝配。還可用機(jī)器人視覺系統(tǒng)做機(jī)械零件的檢查：（1）表面粗糙度的質(zhì)量檢查，檢查是否有毛刺、破裂、空洞和生銹等缺陷；（2）檢查弓箭的完好性；（3）量測工件的極限尺寸；（4）檢查工件的磨損等。機(jī)械手可將不合格的工件拿走。此外機(jī)械手還可以根據(jù)視覺的反饋信息，進(jìn)行自動焊接、噴漆和自動上下移等。二是給可行走機(jī)器人配備視覺裝置，要求視覺系統(tǒng)能夠識別室內(nèi)或室外的景物，進(jìn)行道路跟蹤和自主導(dǎo)航。用它還可完成危險材料的搬運、野外敵后偵察和地區(qū)的掃雷等任務(wù)。（三）、工業(yè)機(jī)器人的控制1 .機(jī)器人的大腦機(jī)器人的控制系統(tǒng)就是機(jī)器人的大腦，它可以有很多叫法，可以叫做：可編程控制器、微控制器，微處理器，處理器或者計算器等，不過這都不要緊，通常微處理器是指一塊芯片，而其它的是一整套控制器，包括微處理器和一些別的元件。任何一個機(jī)器人大腦就必須要有這塊芯片，不然就稱不上機(jī)器人了。在選擇微控制器的時候，主要要考慮：處理器的速度，要實現(xiàn)的功能，RO防口RAM勺大小，I/O端口類型和數(shù)量，編程語言以及功耗等。其主要類型有：單片