机器人概论 论文

机器人技术综述论文王占一前言通过一学期以来对机器人概论这门课程的学习，增强了我 对机器人技术的认识，了解了机器人的概念、发展、基本结构、机 器人的控制技术、机器仿生技术、还有机器人的应用等等方面的知 识。为此我阅读了有关于机器人技术的部分文献后，经过理解、整 理、综合分析和评价机器人技术，写下此篇有关于机器人技术的综 述性论文。主要从机器人的概念、结构、控制，以及机器人的发展 趋势等方面总结一些有关于机器人的技术。主题机器人的概念日本科学家森政弘和合田周平对机器人的定义是“机器人是一 种具有移动性、个体性、智能性、通用性、半机器半人性、自动 性、奴隶性七个特征的柔性机器”。国际标准化组织对机器人的定 义是“机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能的，能完成各 种作业的可编程操作机”我国科学家对机器人的定义则是“机器人 是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相 似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是 一种具有高度灵活性的自动化机器”。无论是那一种对于机器人的 定义，实际上机器人是利用机械传动、现代微电子技术组合而成的 一种能模仿人某种技能的机械电子设备，他是在电子、机械及信息 技术的基础上发展而来的。然而，机器人的样子不一定必须像人， 只要能独立完成一些人类的技能或有一定危险性的工作，就属于机 器人大家族的成员。机器人技术是综合了计算机、控制论、机构 学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技 术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人应用情 况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。机器人并不是在简单 意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟 人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能 力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力， 从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业 界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自 动化设备。机器人的结构 一般来说机器人由机械部分、传感部分、控制部分三大部分组 成这三大部分可分成驱动系统、机械结构系统、感受系统、机器 人一环境交互系统、人机交互系统、控制系统六个子系统。 驱动系统 要使机器人运行起来，需给各个关节即每个运动自由 度安置传动装置，这就是驱动系统感受系统 它由内部传感器模块和外部传感器模块组成,获取内部 和外部环境状态中有意义的信息智能传感器的使用提高了机器人 的机动性、适应性和智能化的水准人类的感受系统对感知外部世 界信息是极其灵巧的，然而，对于一些特殊的信息，传感器比人类 的感受系统更有效机器人一环境交互系统 机器人一环境交互系统是实现机器人与 外部环境中的设备相互联系和协调的系统机器人与外部设备集成 为一个功能单元，如加工制造单元、焊接单元、装配单元等。 人一机交互系统 人一机交互系统是人与机器人进行联系和参与机 器人控制的装置 ：指令给定装置和信息显示装置控制系统 控制系统的任务是根据机器人的作业指令程序以及从 传感器反馈回来的信号，支配机器人的执行机构去完成规定的运动 和功能如果机器人不具备信息反馈特征，则为开环控制系统；具 备信息反馈特征，则为闭环控制系统根据控制原理可分为程序控 制系统，适应性控制系统和人工智能控制系统根据控制运动的形 式可分为点位控制和连续轨迹控制。机器人的控制机器人的结构一般采用空间开链结构，其各个关节的运动是独立 的，为了实现末端点的运动轨迹，需要多关节的运动协调。因此， 其控制系统与普通的控制系统相比要复杂的多。机器人控制系统是 一个与运动学和动力学原理密切相关的、有耦合的、非线性的多变 量控制系统。机器人的控制方式包括力控制方式，智能控制方式等机器人的力控制 机器人运动学和动力学并没有讨论机器人与环境接触时的关系，但由于力只有在两个物体接触时才产生，因此机器 人的力控制是将环境考虑在内的控制问题，也是在环境约束条件下 的控制问题。机器人在执行任务时一般受到两种约束：一种是自然 约束，它是指机器人手爪（或工具）与环境接触时，环境的几何特性 构成对作业的约束。另一种是人为约束，它是人为给定的约束，用 来描述机器人预期的运动或施加的力。在比较复杂的情况下，如机 器人执行装配作业时，需要把一个复杂的任务分成若干个子任务， 对每个子任务规定约束坐标系和相应的人为约束，各子任务的人为 约束组成一个约束序列，按照这个序列实现预期的任务。在执行作 业过程中，必须能够检测出机器人与环境接触状态的变化，以便为 机器人跟踪环境（用自然约束描述）提供信息。根据自然约束的变 化，调用人为约束条件，实施与自然约束和人为约束相适应的控 制。机器人的智能控制 根据智能机器人的任务分解，在面向设备的基 础级可以采用常规的自动控制技术，如PID控制、前馈控制等。在 协调级和组织级，存在不确定性，控制模型往往无法建立或建立的 模型不够精确，无法取得良好的控制效果。出此，需要采用智能控 制方法，如神经网络控制、模糊控制、专家控制以及集成智能控 制。机器人技术的发展趋势 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。从机器人技术发展趋势看，机器人的发展主要有以下八大趋 势。1、机器人操作机构 机构向着模块化、可重构方向发展。例 如，关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化;由关节 模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机;国外已有模块化装配机 器人产品问市。机器人的结构更加灵巧，控制系统愈来愈小，二者 正朝着一体化方向发展。采用并联机构，利用机器人技术，实现高 精度测量及加工，这是机器人技术向数控技术的拓展，为将来实现 机器人和数控技术一体化奠定了基础。2、机器人控制系统 重点研究开放式，模块化控制系统。向基 于 PC 机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化;器件集成 度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构;大大提高了系统的可 靠性、易操作性和可维修性。3、机器人传感技术 机器人技术中的传感器作用日益重要，如焊 接机器人应用了激光传感器、视觉传感器和力传感器，实现了焊缝 自动跟踪和自动化生产线上物体的自动定位以及精密装配作业等， 大大提高了机器人的作业性能和对环境的适应性。遥控机器人则采 用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模 及决策控制等等。4、网络通信功能 机器人与 Canbus、Profibus 总线及一些网络 的联接，使机器人由过去的独立应用向网络化应用迈进了一大步， 也使机器人由过去的专用设备向标准化设备发展。5、机器人遥控和监控技术 在一些诸如核辐射、深水、有毒等高 危险环境中进行作业时，需要有遥控的机器人代替人去工作。当代 遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作 者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监 控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。6、虚拟现实技术 虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预 演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作 业环境中的感觉来操纵机器人。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、机器人性能价格比 机器人的性能不断提高，而单机价格不断 下降。由于微电子技术的快速发展和大规模集成电路的应用，使机 器人系统的可靠性有了很大提高。8、多智能体调控技术 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。小结机器人技术作为一种科技前沿技术涉及诸如驱动器控制、传感器 数据融合、图像处理、模式识别、神经网络等许多方面的研究，所 以能够综合反映一个国家在制造业和人工智能等方面的水平。因 此，许多国家都非常重视机器人技术的的研究。因此在大学开设诸 如机器人概论这类基础课程，引导本科生对机器人及自动化技 术的学习和探索精神是非常必要的。我希望老师能够在课堂上多介 绍一些生动的有趣的机器人研究成果，多播放一些有关的视频影像 资料，让学生们对机器人多一些了解。还有，机器人概论作为一 种选修课，想在有限的课堂上学到大量机器人专业的知识本就不现 实，老师应当多引导学生在课后查阅有关机器人技术的文献，了解 前沿技术，这样这门课程才不会让学生只停留在皮毛表面，实则毫 无收获。