机器人的应用

团队名称： 英才五队 参赛队员： 王阳阳、王兵、许永强、郭海报、胡梦迪 指导教师： 王甲琛、李辉、谢宏霖、孙娅彬 参赛单位：

山东英才学院

山东省大学生机器人大赛

项目研究报告

搜救机器人设计

目录

摘要 (1)

第一章搜救机器人设计概述 (2)

1.1 引言 (2)

1.2国内外机器人的发展和研究现状 (2)

第二章搜救机器人的主要研究内容 (9)

2.1救援机器人的机械设计 (9)

2.2机器人运动分析 (11)

2.3机器人的传动系统设计 (14)

第三章搜救机器人硬件设计 (17)

3.1电源电路 (17)

3.2寻线电路 (17)

3.3避障电路 (17)

3.4控制器电路 (21)

3.5声光报警电路 (22)

3.6电机驱动电路 (23)

3.7显示电路 (25)

第四章机器人设计总程序 (26)

4.1机器人设计流程 (26)

4.2 机器人设计代码 (29)

第五章搜救机器人的系统调试与总结 (43)

参考文献 (44)

摘要

摘要：本文从国内外的搜救机器人的发展和研究现状进行分析，总结出履带式搜救机器人的结构更加的具有搜救优势，从而展开了对履带式搜救机器人的了解、设计及其改进。首先我们对履带式搜救机器人进行了运动系统和传动系统的分析，制定了机械设计的方案。其次，在硬件方面，进行了电源电路、寻线电路、控制器、避障、声光报警器、电机驱动以及显示电路的设计，并针对避障电路进行了改进，我们采用传感器融合、将记忆算法运用到避障中、分级越障的方式达到更好的越障效果，减少搜救过程中因路障所造成的延时问题，从而提高效率，尽快的搜索到目标进行救援。本文最主要的创新点是改善了传统的搜救机器人的结构模式，设计了一种可以将底盘抬高越过障碍物的搜救机器人，它还可以单边提高机器人的重心从而适应不同的地形，该机器人在翻到后可继续行进，越障功能比较强大，更加的适应救援的要求。

关键词：搜救、机器人、履带式、越障

第一章搜救机器人设计概述

1.1 引言

在高速发展的高科技时代，随着计算机技术不断向智能化方向发展,机器人应用领域的不断扩展和深化,机器人已成为一种高新技术产业,在各个方面发挥着巨大的作用,将对未来生产和社会发展起越来越重要的作用。

中国是一个自然灾害和社会事故多发的国家,煤矿事故、泥石流、台风时有发生。这些灾难发生后现场环境具有复杂性、未知性及潜在的二次伤害等特点,给救援队员的生命安全带来了很大隐患。在21世纪的今天，随着自然灾害、恐怖活动和各种突然事故发生的越来越多，地震、火灾、矿难等灾难发生后，在废墟中搜寻幸存者．给予必要的医疗救助，并尽快救出被困者是救援人员面临的紧迫任务。实际经验表明，超过48小时后被困在废墟中的幸存者存活的概率变得越来越低”1。由于灾难现场情况复杂，在救援人员自身安全得不到保证的情况下是很难进人现场开展救援工作的，此外，废墟中形成的狭小空阀使控救人员甚至搜救犬也无法进入。在这种紧急而危险的情况下，救援机器人可以为救援人员提供有效的帮助。将具有自主智能的救援机器人用于危险而复杂的环境中搜索和营救幸存者是非常实用的。机器人可以在灾难发生后第一时间进人灾难现场寻找幸存者，进入救援人员无法进入的现场搜集有关信息并反馈给救援指挥中心等。因此研制并改进一种能在第一时间代替搜救队员深入到这种危险灾难环境并探测现场有用信息的移动机器人使很重要的,它可为下一步营救行动的计划、决策提供可靠依据。

1.2国内外机器人的发展和研究现状

1.2.1国外机器人的发展现状

机器人集中了机械工程、电子技术、计算机技术、自动控制原理以及人工智能等多学科的最新研究成果，代表了机电一体化的最高成就，是当代科学技术发展最活跃的领域之一。

在救援机器人的研究方面，美国走在世界的前列，他具有独立的实验性无人作业，近年来灾难事故的不断增多，小型智能履带机器人的研究工作越来越受到现在人的高度重视。日本大阪大学研制出蛇形机器人，能在高低不平的模拟废墟上前进，其顶端带有

1部小型监视器，身体部位安装传感器，可以在地震后的废墟里寻找幸存者。当今美国研究的智能机器人，能适应崎岖不平的地形环境、爬楼梯，它主要执行侦察、寻找幸存者、勘探化学品泄漏等任务。

（1）1995年日本神户-大阪地震及其后发生在美国俄克拉荷马州的阿尔弗德联邦大楼爆炸案，揭开了救援机器人技术研究的序幕。2001年美国的911事件，美国机器人辅助救援中心和其他一些单位的救援机器人参与了救援活动。例如Foster-Miller公司的系统（图1-2-1）、Tolon系统（图1-2-2）如下图所示：

图1-2-1 Foster-Miller公司的系统

图1-2-2 Tolon系统

（2）日本的Hirose教授首先提出蛇形机器人运动系统，并研制出了第一个蛇形机器人（图1-2-3），图1-2-4为蛛型机器人

图1-2-3 蛇形机器人

图1-2-4蛛型机器人

（3）履带式机器人是为了满足军事侦察、拆除危险物等作业的需要，在传统的轮式移动机器人的基础上发展起来的。下图给出了目前国际上几家著名机器人公司的典型产品，他们主要是为了满足军事需要而开发的，体积普遍偏大，不太适合在倒塌的建筑物废墟中狭小空间内搜寻幸存者。

（a）Foster-Miller公司（b）Inuktun公司的（c）SPAWAR的的SOLEM机器人 Minitrac机器人 urbot机器人

（4）形状可变履带机器人，是指该机器人所用履带的构形可以根据地形条件和作业要求进行适当变化。下图为一种形状可变履带机器人的外形示意图。该机器人的主体部分是两条形状可变的履带，分别由两个主电动机驱动。当两条履带的速度相同时，机

器人实现前进或后退移动；当两条履带的速度不同时，机器人实现转向运动。当主臂杆绕履带架上的轴旋转时，带动行星轮转动，从而实现履带的不同构形，以适应不同的运动和作业环境。

图1-2-5形状可变履带机器人外形示意图

图1-2-6履带变形情况和适用场合

(a)越障 (b)上下台阶

（5）为了能进入狭小空间展开搜救工作，要求机器人的体积要尽可能小，但体积小了搜索视野就会受到限制，为了解决这已矛盾，近年来在传统牵引式多态搜救机器人。图1-2-7为美国Irobot公司生产的Packbot系列机器人，packbot机器人有一对鳍形前肢，这对鳍形前肢可以帮助崎岖的地面上导航，也可以升高感知平台以便更好地观察。图1-2-8为加拿大inuktun公司MicroVGTV 多态搜救机器人，他可以根据搜索通道的大

小及搜寻范围的远近灵活地调整形状和尺寸。

（a）正常状态（b）直立状态

图1-2-7美国Irobot公司packbot多态搜救机器人

（a）平躺状态（b）半直立状态（c）直立状态

图1-2-8加拿大Inuktun公司Micro VGTV多态搜救机器人

（6）仿生搜救机器人：虽然履带式可变形多态机器人可根据搜索空间的大小改变其形状和尺寸，但受驱动方式的限制，其体积不可能做得很小。为了满足对更狭小空间搜索的需要，人们根据生态学原理研制了各种体积更小的仿生机器人，其中蛇形机器人就是其中很重要的一类。图(a)为cmu研制的安装的蛇形机器人。图（b）为日本大阪大学研制的蛇形机器人。图（c）为美国加州大学伯克利分校研制的身高不足2cm的苍蝇搜救机器人。随着技术的不断成熟，相信蛇形、蝇形等仿生机器人会在灾难搜救工作中发挥越来越大的不可替代的殊作用。

（a）CMU研制的基于移动 (b)日本大阪大学（c）加州大学伯克利

平台的蛇形机器人蛇形机器人分校研制的苍蝇机器人

图1-2-9仿生机器人

1.2.2国内机器人的发展现状

我国已在“七五”计划中把机器人列人国家重点科研规划内容，拨巨款在沈阳建立了全国第一个机器人研究示范工程，全面展开了机器人基础理论与基础元器件研究。十几年来，相继研制出示教再现型的搬运、点焊、弧焊、喷漆、装配等门类齐全的工业机器人及水下作业、军用和特种机器人。目前，示教再现型机器人技术已基本成熟，并在工厂中推广应用。我国自行生产的机器人喷漆流水线在长春第一汽车厂及东风汽车厂投入运行。1986年3月开始的国家863高科技发展规划已列入研究、开发智能机器人的内容。

国内现在针对救援机器人的研究相对分散，主要集中在警用、民用的便携式履带机器人。虽然我国救援机器人的研究才刚刚起步但进展很快。例如清华大学精密系及其自动化实验室的微小型机器人可以很好的实现目标、视觉信息的分析处理。

在5.12地震发生后，谢敬涛等5位重庆交大的5位同学经过商量后便有这个想法，发明一个越障能力强的机器人----蛇形机器人

图1-2-10蛇形机器人

由中科院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室研制的废墟洞穴搜救可变形

机器人、空中搜索探测机器人（如图1-2-11所示）,在位于北京西郊凤凰岭的国家地震紧急救援训练基地完成了综合调试演练，并达到了预期性能指标。

废墟洞穴搜救可变形机器人

图1-2-11 空中搜索探测机器人

第二章 搜救机器人的主要研究内容

现有的救灾机器人移动机构主要有:无肢运动(以蛇形机器人为主) 、轮式、腿式、和履带式等。 蛇形机器人具有运动稳定性好、适应地形能力强和高的牵引力等特点，但多自由度的控制困难，运动速度低;轮式机器人具有结构简单、重量轻、轮式滚动摩擦阻力小和机械效率高等特点，但越过壕沟、台阶的能力差;腿式机器人具有适应地形能力强的特点，能越过大的壕沟和台阶，其缺点是速度慢;轮腿式机器人融合腿式机构的地形适应能力和轮式机构的高速高效性能，其缺点是结构相对复杂;履带式机器人地形适应能力强，是当今设计的主流，我们对履带式搜救机器人进行了设计和改进。

2.1救援机器人的机械设计

移动载体的任务是执行机器人的移动功能，采用关节型履带移动车可以更好的实现在危险环境下的救援工作。履带移动车比轮式有以下优点：

1）撑地面积大、接地比压小、滚动阻尼小、通过性比较好。 2）越野机动性能好，爬坡越沟等性能均优于轮式结构。 3）履带支撑面上有履齿不打滑，牵引附着性能好。

4）结构较复杂重量大，运动惯性大，减震功能差，零件易损坏。

移动机构作为救灾机器人的移动载体，必须具备以下特点：一定的移动速度和低能消耗；良好的姿态稳定性和高性能;能够适应各种各样的地理环境，有一定的爬坡和越障能力。

本文设计的履带式移动机器人是为救援、侦查和监测设备提供移动平台，要求结构简单，体积小，具有较强的越障能力，而且控制简单。考虑到机构复杂程度和设计成本等因素，本文设计了一种新型的履带式移动结构，如图2-1-1所示

图2-1-1履带移动结构

右侧履带变形模块

四连杆示意图

该结构最大的优点在于利用简单的四杆机构作为其移动机构和变形机构，使其机器人的行进与履带的变形达到车体体积减小，结构紧凑。这样既使机器人具备了良好的机动性能和环境适应能力，又加强了机器人越障、爬坡性能和对机器人的使用要求。

该机器人的机械主体结构为常见的平行四边形结构。在此机构中机架平行四边形的工作原理如下图所示。

图2-1-2机架平行四边形

在此结构的机架中，AB 、CD 两构件与机架相连为连架杆，BC 为连杆。平行四边形机构有两个显著特性：一是两曲柄以相同速度同向转动；二是连杆作平动。当主动曲柄AB 以一定速度转动时，从动曲柄CD 也以同样的速度转动，而连杆BC 作平动，始终与机架AD 保持平行状态。可以明显看出:如果再此机构上搭建工作平台，其最大特点就是工作平台运动平稳可靠，而且运动范围很广，这就决定了机器人的越障性能。

下图2-1-3是基于平行四边形连杆机构的机器人结构简图。其中，BC 连杆长为/BC/=L1，连杆架AB 和CD 长为/AB/=/CD/=L2,四个履带轮半径均为R 。

图2-1-3机器人结构简图

为验证绕在轮子四周的履带在机构变形时的总长不变，

可假设在机构变形的任意时

刻，连杆架与机架之间夹角为θ，履带与四个履带轮A、B、C、D的包角分别为θ1 θ2 θ3 θ4，则履带总长可由下式计算:

从题意可得履带总长为：由上式说明，总长在机构变形过程中为定值，与变形角度θ无关，也就是说，履带在变形中不会发生时松时紧的现象。

2.2机器人运动分析

机器人在主动适应环境时具备多种运动功能和形体变化功能，根据机器人运动特点和形体变化特点总结出以下4种典型运动姿态(如图所示)。

图2-2-1典型的运动方式

机器人典型运动姿态

(l)并拢态

并拢态是机器人正常行进姿态(如图(a)所示)，正常行进分为直线运动和转弯两种情况。机器人两侧运动单元中的履带等速运动可实现直线行走功能，反向或不等速运动可实现机器人滑差转向。

(2)单翼搭接态

单翼搭接态是机器人越障、跨沟姿态(如图(b)所示)，作用是在机器人越障、跨沟过程中能展开翼板搭接到高处的障碍物或是深沟对面，给机器人通过提供支撑力帮助攀爬，或者在机器人运动中作为复位姿态出现。

(3)双翼展开态

双翼展开态也是机器人的一种行进姿态(如图(c)所示)，能增加机器人x方向的长度尺寸使机器人在跨沟时更具有优势;另外机器人在通过松软地形时以该种姿态行使可以减少对地面的区域集中压力提高路面通过性。

(4)弯身态

弯身态是机器人结构变形姿态(如图(d)所示)，可以实现三轮车辆的运动方式，此时两个履带轮作为机器人的前驱动轮，后轮作为支撑轮;该姿态也能抬升中间主体高度升起安装在主体上的监视器，从而拓宽机器人视线扩大侦查范围

机器人的越障原理一般分为两种类型一般突起型障碍和其他类型的障碍。一般突起型障碍是一种较为常见的路障，机器人翻越此类障碍物的原理如下图所示，过程分析如下：

图2-2-2翻越障碍示意图

图a：在正常的平坦地形下，组成履带变形机构的四根连杆处于水平位置，机器人保持八轮着地状态，直至前方出现障碍物。

图b：出现障碍物后，机器人停止前进，通过电机驱动主动曲柄AB绕前轴逆时针旋转，从而改变四连杆机构构形，最终使绕在连杆四周的履带构形发生变化。当主动曲柄AB旋转至适当角度即可停止旋转。

图c：机器人继续前进至障碍物附近，电机驱动主动曲柄AB顺时针旋转，使得AB 侧的履带压在障碍物边沿。

图d：AB侧的履带压在障碍物边沿后，主动曲柄AB延续顺时针旋转，迫使机架AD 绕后轴旋转，直至四根连杆再次处于同一直线。此时，机器人已经完全攀附在障碍物上，通过电机驱动机架后方的两个主驱动轮，机器人在驱动力和履带攀附力下可顺利通过障碍物。而利用四杆机构的变形，机器人除了可以翻越各种基本的障碍，还能通过一些阶梯型障碍如图2-2-3。

图2-2-3机器人翻越阶梯型障碍

对电控设备密封后甚至能通过一些不太深的沟渠，这样，本文设计的救援机器人已经具备了良好的翻越障碍性能，可以更好的实施救援。

机器人在野外未知环境下执勤，可能在翻越障碍、上下台阶、突遇沟壑的情况下发生车体倾覆，车体倾覆后的机器人极有可能失去运动能力不能完成作业任务，此时机器人需要具有车身自动复位功能。翻身、复位过程如图2-2-4所示，机器人先转动侧翼板使一端履带轮接触地面如图 (a)、(b)，由地面提供支撑反力将主体逆时针反转、复位如图（e)、(d),然后顺序收回侧翼如图 (e)、(f)、(g)，完成车体复位动作如图(h)。

图2-2-4机器人的翻身、复位过程图

机器人在松软或者地面起伏较大的地形条件下慢速行驶时，可以采用自适应路面方式行进，此时机器人主体后部中轮放下与地面接触，离合器松开，机器人左右两侧翼板绕主体自由转动，整个机器人实现了一轮、两履混合移动方式，优点在于能够使机器人三段自适应路面，一方面能减缓同步带接地比压，另一方面提高机器人运动性能（如图2-2-5所示）。

图2-2-5机器人自适地面示意图

机器人自适应路面时，主体内部控制元件的工作状态为翼板驱动电机停转、离合器松开,左右翼板绕主体自由转动。

2.3机器人的传动系统设计

机器人传动系统设计包括了主驱动轮传动系统设计、履带变形装置传动系统设计、云台结构设计等内容。

主驱动轮传动系统设计：

主驱动轮传动系统共两个，沿机架轴线对称分布，用以将驱动电机的旋转运动传递到机架后方的主驱动轮上，最终实现履带与主驱动轮啮合传动。机器人主驱动轮传动顺序为:驱动电机——减速器——联轴器——后轮转轴——主驱动轮——履带啮合传动。如果两条履带等速同向运动实现机器人的直线前进或后退，如果两条履带速度不同则实现机器人的转向。如图2-3-1所示，整个传动链包括了机架、电机、减速器、编码器、轴承、后轮转轴、主驱动轮等主要零部件，这些零部件的连接方式如下:(l)编码器、电机、减速器安装完成后通过减速器固定在机架上，减速器与机架联结处安装有垫片，在装配时可通过调节垫片的厚度来调整减速器输出轴与后轮转轴的同心度。

(2)蜗轮蜗杆减速器的输出轴与后轮转轴通过安全联轴器联接。

(3)机器人主驱动轮与后轮转轴通过花键联接。这样既可以满足模块化设计的基本需求，又能保证较高的传动效率。

图2-3-1主传动系统图

采用的联轴器是一种剪切销安全联轴器，当驱动电机的工作转矩超过机器人转轴所允许的极限转矩时，联轴器将发生折断，从而使联轴器自动停止工作，以保护机器人的重要零件(如主驱动轮、传动轴、曲柄等)不致损坏。履带变形装置传动系统用于将驱动电机的转动传递到主动曲柄，使主动曲柄绕前轮转轴旋转，从而使四杆机构构形发生变化，最终实现履带的变形。机器人履带变形装置传动顺序为:驱动电机一减速器——联轴器一前轮转轴——主动曲柄一连杆——从动曲柄一履带。

履带变形装置传动系统设计：

下图为整个传动链包括机架、电机、编码器、减速器、联轴器、前轮转轴、轴承、前轮、主动曲柄、从动曲柄、连杆、后轮转轴等，这些零部件的安装联接方式不再一一说明机器人履带变形装置传动系统的特点：

图2-3-2履带变形装置传动系统

(l)采用模块化设计的原则，将整个履带变形装置的传动系统与机器人机架相分离，而且履带张紧调节装置也进行了模块化设计，使履带变形装置的装配和拆卸变得简单。

(2)采用蜗轮蜗杆减速器，具有较大的减速比，并具有自锁功能。给主动曲柄提供足够的保持力矩，这样即使在主体内部电机掉电的情况下，主动曲柄仍能保持原姿态而不会出现反转现象。

云台结构设计：

安装在机器人机架上的云台结构比较简单，只有2个自由度。下图为云台结构示意图，传动系统主要由云台底座、回转台、支撑架组成。云台底座通过一个移动杆件固定在机架上，回转台可以绕其与回转台联接的轴线转动，其驱动电机及部分传动装置安装在回转台内;回转台上装有一个CCD摄像头和2个探照灯，可以用于夜间照明以及拍摄机器人的工作环境。

图2-3-3云台结构示意图

第三章搜救机器人硬件设计

3.1电源电路

智能救援机器人全部能量来源于位于机器人底部的电池，经过传统的78L05稳压电路给其单片机及外围传感器供电，其电路如下图所示。部分传感器采用5V低电压供电可以避免机器人过早检测障碍物而停止前进。

图3-1救援机器人电源电路示意图

3.2寻线电路

巡线模块我们采用红外对管。红外对管由LED和光电三极管组成，光电三极管根据从地面反射回来的LED的光的强度而改变积极基极电流。在光电三极管基极接一上拉电阻，则可根据基极电压的测量判断反射光的强弱，强光说明探测器下方是白色，弱光说明下方光较弱，大部分光被黑线吸收。对于输出的模拟信号，我们将其引入五个电压比较器LM339进行处理。电压比较器LM339的一输入端接红外对管，另一端接滑动变阻器，通过对滑动变阻器的调节可以实现对红外对管对黑线的灵敏度。比较器LM339的另一端接上拉电阻后进入单片机进行探测。

3.3避障电路

避障部分采用光电开关，将其安放在机器人需要测量的各个方向。为减少它的测量距离保证机器人的正常运行，我们采用的是低电压5V供电，供电电压虽略显不足，但

能保证它的正常短距离探测。光电开关的信号线的高低电平可反映前方障碍物的有无，障碍物检测电路如图3-3所示。

图3-3障碍物检测电路

3.3.1传感器融合

搜救机器人对外部环境特别敏感，这注定搜救机器人既不能靠单一的传感器也不能简单地混合使用传感器，它需要多种传感器多方面的有机融合使用才能正常运作，这凸显了传感器的融合技术的重要。

考虑到机器人将遇到的环境，选择必要合适的传感器，并且根据需要确定传感器数量。在设计程序时要考虑机器人将会遇到的突发情况，依此来安排调用传感器的优先次序。光敏电阻测量环境光亮值的优先权被放在了第一位，因为只要光亮值一旦达到要求即视为找到光源结束任务。

其红外线电路图如下：

图3-3-1 红外线电路

《机器人技术及应用》综合习题

《机器人技术及应用》综合 习题 -标准化文件发布号：（9456-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII

《机器人技术及应用》综合习题 一、判断 1.机器人是在科研或工业生产中用来代替人工作的机械装置。（对） 2. 19世纪60年代和20世纪70年代是机器人发展最快、最好的时期，这期间的各项研究发明有效地推动了机器人技术的发展和推广。（错） 3. 对于机器人如何分类，国际上没有制定统一的标准，有的按负载量分，有的按控制方式分，有的按自由度分，有的按结构分，有的按应用领域分。（对） 4. 所谓特种机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。（错） 5. 机器人机械本体结构的动作是依靠关节机器人的关节驱动，而大多数机器人是基于开环控制原理进行的。（错） 6. 机器人各关节伺服驱动的指令值由主计算机计算后，在各采样周期给出，由主计算机根据示教点参考坐标的空间位置、方位及速度，通过运动学逆运算把数据转变为关节的指令值。（对） 7. 为了与周边系统及相应操作进行联系与应答，机器人还应有各种通信接口和人机通信装置。（对） 8. 轮式机器人对于沟壑、台阶等障碍的通过能力较高。（错） 9. 为提高轮式移动机器人的移动能力，研究者设计出了可实现原地转的全向轮。（对） 10. 履带式机器人是在轮式机器人的基础上发展起来的，是一类具有良好越障能力的移动机构，对于野外环境中的复杂地形具有很强的适应能力。（对） 11. 腿式（也称步行或者足式）机构的研究最早可以追溯到中国春秋时期鲁班设计的木车马。（对） 12. 机器人定义的标准是统一的，不同国家、不同领域的学者给出的机器人定义都是相同的。（错） 13. 球形机器人是一种具有球形或近似球形的外壳，通过其内部的驱动装置实现整体滚动的特殊移动机器人。（对） 14. 可编程机器人可以根据操作员所编的程序，完成一些简单的重复性操作，目前在工业界已不再应用。（错） 15. 感知机器人，即自适应机器人，它是在第一代机器人的基础上发展起来的，具有不同程度的“感知”能力。（对） 16. 第三阶段机器人将具有识别、推理、规划和学习等智能机制，它可以把感知和行动智能化结合起来，称之为智能机器人。（对） 17. 工业机器人的最早研究可追溯到第一次大战后不久。（错） 18. 20世纪50年代中期，机械手中的液压装置被机械耦合所取代，如通用电气公司的“巧手人”机器人。（错）

机器人技术发展与应用

机器人技术的发展与应用调研名称：机器人技术的发展与应用 调研时间：2018年7月29日止 调研人：曹桐滔

目录

一、机器人的发展状况 1.1国外发展概况 日本具有国际上最先进的机器人技术，就全世界范围来看，全球工业机器人约有4成在日本。不论在技术方面，还是在市场规模方面，日本可以称得上是“机器人大国”。日本在2004年5月发布的“新产业发展战略”中所指出的7个产业领域，机器人产业也是其中之一，同时，在进一步实施“新产业发展战略”的“新经济成长战略”报告中也把机器人放在使日本成为“世界技术创新中心”的支柱地位上，并在近两年开始重新审视机器人产业政策。 美国是机器人的诞生地，早在1962年就研制出世界上第一台工业机器人，比起号称机器人王国的日本起步至少要早五、六年。经过40多年的发展，美国现已成为世界上的机器人强国之一，基础雄厚，技术先进。据统计，截止到2009年底，美国运行工业机器人大约有19．4万台。目前，美国工业机器人供应商有AdeptTechnology、AmericanＲobot、EmersonIndustrialAutomation等公司。 德国引进机器人的时间比英国和瑞典大约晚了五、六年，但战争所导致的劳动力短缺，国民的技术水平较高等社会环境，却为工业机器人的发展、应用提供了有利条件。此外，20世纪70年代中后期，德国政府采用的积极行政手段也为工业机器人的推广开辟了道路。如在“改善劳动条件计划”中规定，对于一些危险、有毒、有害的工作岗位，必须由机器人来代替。这个计划为机器人的应用开拓了广泛的市场，并推动了工业机器人技术的发展。据统计，截止到2009年底，德国运行的工业机器人为14．58万台。目前，德国工业机器人供应商有KUKA、CLOOS等。 国际上一些大的工业机器人制造厂家，品牌主要分成两大体系，以日本为代表的日韩系，以德国为代表的欧系，其中ABB、安川、发那科三大品牌占据了全球51%的市场，KUKA、OTC、川崎、松下等几大品牌占市场份额的40%以上。

智能机器人论文

智能机器人的发展与应用前景 摘要 本文介绍了智能机器人的发展概况、机器人的感官系统、机器人运动系统及人工智能技术在机器人中的应用,智能机器人是一个在感知-思维-效应方面全面模拟人的机器系统,外形不一定像人。它是人工智能技术的综合试验场,可以全面地考察人工智能各个领域的技术,研究它们相互之间的关系。还可以在有害环境中代替人从事危险工作、上天下海、战场作业等方面大显身手。 关键词: 智能机器人感官仿生人工智能 1.引言 人们通常把机器人划分为三代。第一代是可编程机器人。这种机器人一般可以根据操作人员所编的程序,完成一些简单的重复性操作。这一代机器人是从60年代后半叶开始投入实际使用的,目前在工业界已得到广泛应用。第二代是“感知机器人”,又叫做自适应机器人,它在第一代机器人的基础上发展起来的,能够具有不同程度的“感知”周围环境的能力。这类利用感知信息以改善机器人性能的研究开始于70年代初期,到1982年,美国通用汽车公司为其装配线上的机器人装配了视觉系统,宣告了感知机器人的诞生,在80年代得到了广泛应用。第三代机器人将具有识别、推理、规划和学习等智能机制,它可以把感知和行动智能化结合起来,因此能在非特定的环境下作业,称之为智能机器人。智能机器人与工业机器人的根本区别在于,智能机器人具有感知功能与识别、判断及规划功能。而感知本身,就是人类和动物所具有的低级智能。因此机器的智能分为两个层次:①具有感觉、识别、理解和判断功能; ②具有总结经验和学习的功能。所以,人们通常所说的第二代机器人可以看作是第一代智能机器人。 2.智能机器人的感官系统 2.1触觉传感器 英国近几年在阵列触觉传感方面开展了相当广泛的研究。例如:Sussex大学和Shack-leton系统驱动公司研制的基于运动的介电电容传感的阵列;由威尔士大学和软件科学公司研制的采用压强技术的装在机器人夹持器上的传感器。 2.2视觉传感 在机器人视觉方面,目前市场上销售的有以下6类传感器:①隔开物体的二维视觉:双态成像;②隔开物体的二维视觉:灰度标成像;③触觉或叠加物体的二维视觉;④二维观察;⑤二维线跟踪;⑥使用透视、立体、结构图示或范围找寻技术从隔开物体中提取三维信息。在这类系统方面,它们只能做一些很简单的操作。例如:为了使机器人具有某种程度的人眼功能,已进行大量的研究工作并向如下两类系统发展:①从一维物体中提取三维信息;②活动机器人导航、探路和躲避障碍物的现场三维分析。伦敦大学目前正在研究一种双目视觉机器人的实时图像处理机。还有正在研究机器人视觉系统的教育机构有:考文垂工业大学、爱丁堡大学、格拉斯哥大学、格温特大学;而伯明翰大学则专门研究惯性传感器。另外,还有许多从事传感系统开发的单位,都进行了传感反馈研究。如米德尔塞克斯工业大学致力于使机器人能组织和使用来自不同类型传感器的数据。这种机器人能“看”、“感”和“听”,它更接近于人。 2.3听觉传感

【配套K12】工业机器人技术及应用(教案)1

工业机器人技术及应用(教案)1 第一章绪论 什么是工业机器人为何发展工业机器人工业机器人发展概况工业机器人的诞生工业机器人的发展工业机器人的分类及应用工业机器人的分类工业机器人的应用学习目标 *掌握工业机器人的定义 *了解工业机器人的发展事和历程 *熟悉工业机器人的常见分类及其行业应用导入案例 富士康“百万机器人”上岗折射中国制造业升级 20XX 年，富士康 CEO 郭台铭表示,希望到 20XX 年底装配 30 万台机器人，到 20XX 年装配 100 万台，要在 5 到 10 年数年内通过自动化消除简单重复性的工序。机器人的投产使用，可将目前的人力资源转移到具备更高附加值的岗位上，这也符合将我国“人口红利”转为“人才红利”的大目标。 这一工业机器人的井喷潮涌，何时会蔓延到“中国制造”的每一个工厂、每一条生产线、每一个工序、每一个工位上，将为“中国制造”的转型提“智”做出何等贡献？我们对此充满期待。课堂认知 什么是工业机器人

机器人涉及到人的概念，成为一个难以回答的哲学问题。 美国:一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置的，通过程序动作来执行种种任务的，并具有编程能力的多功能操作机。 日本: 一种带有存储器件和末端操作器的通用机械，它能够通过自动化的动作替代人类劳动。 中国: 一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或者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。 ISO一种能自动控制，可重复编程，多功能、多自度的操作机，能搬运材料、工件或操持工具来完成各种作业。 广义地说：工业机器人是一种在计算机控制下的可编程的自动机器。它具有四个基本特征：①特定的机械机构 ②通用性 ③不同程度的智能④独立性 为何发展机器人 让机器人替人类干那些人不愿干、干不了、干不好的工作。 ABB 给出十大投资机器人的理：第一，降低运营成本；第二，提升产品质量与一致性；第三，改善员工的工作环境；第四，扩大产能；第五，增强生产的柔

机器人的发展及其应用

机器人的发展及其应用 摘要：本文介绍了机器人的定义、机器人产生的背景，具体阐述了机器人的应用领域，通过多个方面的考虑，结合我国国内的市场情况，预测了未来机器人的未来发展前景。 关键词：机器人定义产生背景应用领域发展前景 0、引言 机器人技术的发展，它应该说是一个科学技术发展共同的一个综合性的结果，也同时，为社会经济发展产生了一个重大影响的一门科学技术。另一方面它也是生产力发展的需求的必然结果，也是人类自身发展的必然结果，那么人类的发展随着人们这种社会发展的情况，人们越来越不断探讨自然过程中，在改造自然过程中，认识自然过程中，实现人们对不可达世界的认识和改造，这也是人们在科技发展过程中的一个客观需要。 一、机器人的定义 上世纪60年代，可实用机械的机器人被称为工业机器人；上世纪80年代到现在，正越来越向智能化方向发展；机器人学是一门不断发展的科学，对机器人的定义也随其发展而变化。国际上，关于机器人的定义主要有以下几种： （1）美国机器人协会(RIA)的定义：机器人是“一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置的，通过可编程序动作来执行种种任务的，并具有编程能力的多功能机械手(manipul ator)”。 （2）日本工业机器人协会(JIRA)的定义：工业机器人是“一种装备有记忆装置和末端执行器(end effector)的，能够转动并通过自动完成各种移动来代替人类劳动的通用机器”。（3）美国国家标准局(NBS)的定义：机器人是“一种能够进行编程并在自动控制下执行某些操作和移动作业任务的机械装置”。 （4）国际标准化组织(ISO)的定义：“机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能机械手，这种机械手具有几个轴，能够借助于可编程序操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行种种任务”。 （5）我国对机器人的定义。蒋新松院士曾建议把机器人定义为“一种拟人功能的机械电子装置”(a mechantronic device to imitate some human functions)。 结合各国关于机器人的定义，对机器人给出以下定义：机器人是一种计算机控制的可以编程的自动机械电子装置，能感知环境，识别对象，理解指示命令，有记忆和学习功能，具有情感和逻辑判断思维，能自身进化，能计划其操作程序来完成任务。 二、机器人产生的背景 机器人技术的发展，它应该说是一个科学技术发展共同的一个综合性的结果，也同时，为社会经济发展产生了一个重大影响的一门科学技术，它的发展归功于在第二次世界大战中，各国加强了经济的投入，就加强了本国的经济的发展。 另一方面它也是生产力发展的需求的必然结果，也是人类自身发展的必然结果，那么人类的发展随着人们这种社会发展的情况，人们越来越不断探讨自然过程中，在改造自然过程中，认识自然过程中，实现人们对不可达世界的认识和改造，这也是人们在科技发展过程中的一个客观需要。 1、古代机器人 西周时期，出现了能歌善舞的伶人，这是我国最早记载的机器人。春秋后期，鲁班曾制造

机器人技术及其应用结课论文

大学 机 器 人 技 术 及 应 用 结 课 论 文

智能引领未来 摘要： 智能引领未来，机器人能力将远胜人类，这不是梦想；未来的机器人也能自主的学习和思考，工作能力将远远超过人类，能承担大量人类所不能及的工作，进一步推动智能科学的发展，促进社会的进步，促进经济的高速增长，而实现智能化必须依靠强有力的硬件系统，就机器人而言，其身上集成了多种处理器、存储器与大量的传感器，设想，当这些器件不断地走向高端化、微型化、进一步集成化，那么机器人的处理速度将进一步提高，质量与体积将大大减小，机器人将越来越”聪明“。 关键词： 机器人、智能、硬件系统、高端化、集成化、微型化、聪明。 引言： 现在的机器人与人类比较起来，机器人不能自主学习与自主思考，缺乏情感，必须需要接收人的命令才能执行相关命令，或者事先就把各种命令存储到机器人的大脑中，有需要的时候就执行命令。随着集成电路的飞速发展，处理器、存储器、传感器等电子元件的高端化、微型化、集成化，机器人的处理速度将大大提高，质量与体积将大大减轻，机器人会变得越来越”聪明“。 集成电路前景优越 芯片即集成电路产业是国民经济和社会发展的战略性、基础性、先导性产业，在计算机、消费类电子、网络通信、汽车电子等几大领域起着关键作用，是全球主要国家或地区抢占的战略制高点，尤其是发达国家在这一领域投入了大量创新资源，竞争日趋激烈。 随着技术的不断进步，新的元件结构和材料上的变革都将对机器人的发展战略起到决定作用。在晶圆代工产业，14nm/16nm的FinFET器件已取得了一定的发展。拥有较低泄漏率和更高速度的低功率晶体管备受瞩目。3DNAND使平面NAND 降到20nm以下，创造出外形更小巧、位密度更高的产品。 为了改进3D设备的性能，未来的逻辑芯片和晶圆代工设备的解决方案需要采用选择性外延与高k金属栅电极材料加工工艺，以提高晶体管的速度，降低泄漏率。低功耗、高性能的晶体管则能丰富移动设备的功能，同时延长电池寿命, 3DNAND需要HAR蚀刻、阶梯绘图、多层堆叠沉积和高选择性硬模等技术的支持，从而在小巧的外形空间内实现高密度存储，这对智能化设备，如对机器人来说简直就是如虎添翼啊！ 随着LED产业发展越来越趋于健康和理性，LED领域设备需求也更多来自于新工艺、新技术的驱动，而非简单生产规模的扩张，比如倒装芯片与高压芯片被认为是目前最具有发展前景的LED芯片技术，而这两种技术也带动了深槽刻蚀设备和金属反射层镀膜设备等新设备、新工艺的需求。除此之外，还有AlN镀膜设备、高亮度红黄光芯片刻蚀设备等设备的需求。 集成电路引导未来生活 一张0.5毫米厚的世博会门票，其“真实面目”是个集成电路产品。门票里装了RFID芯片，当门票靠近读卡机时，门票上的线圈会感应出电流，电流便驱

人工智能机器人发展应用

随着“机器替人”在我国的进一步推进，不仅工业机器人的增速突飞猛进，服务机器人市场也开始出现大爆发，这种爆发一方面来自于国家陆续出台的产业扶植政策，另一方面也因为资本市场的逐渐活跃。因此，不管是上市公司还是初创型企业，都将眼光转向了服务机器人领域。在此背景下，传统的物业管理领域开始了“机器替人”的进程。 近年来，中国的经济飞速增长，劳动力成本也日渐水涨船高，物业管理人员工作繁重，重复性劳动过高，人员流失率大，从业人员素质不高等问题一直困扰着物业管理行业的发展。与此同时，人们对物业服务的要求也变得越来越高，智慧社区、智慧楼宇不仅逐渐成为高档小区的“标配”，也成为了未来社区发展的“终极目标”。机器人在这个过程中发挥了其不可替代的作用。 11月22日，国际房地产顾问“五大行”之一戴德梁行在和人工智能独角兽深兰科技举行签约仪式，戴德梁行亚太区董事局主席暨大中华区行政总裁张国正表示：未来，房产、物业要做到大多数的物业服务用机器人替代。随着人工智能技术的不断进步，像安全检查、访客管理、保洁巡逻、设备检查等多项物业服务都能用智能机器人完成，不仅提升了日常工作效率，也让物业公司大量节省了成本。 笔者观察发现，目前物业机器人主要应用在三大领域，分别是出入管理及接待、自动清洁以及自动巡逻。 生物智能系统：提升出入管理效率及服务体验 不管是小区物业还是写字楼场景，出入管理往往是最耗费时间的环节。陌生人如果要拜访小区或写字楼，往往需要登记身份证并进行核实，再由物业管理人员发放门禁卡。如果碰到前台服务人员过少，或一时之间有多人需要登记的情况，往往需要花费许多时间。若此时再遇上物业服务人员需要解决住户问题，或者还在接电话的情况，这个过程需耗费的时间就更长了。而生物智能管理系统则能很好的解决这个问题。 以深兰科技的手脉设备为例，这是一款用于解决写字楼楼宇、小区物业出入口、大堂单元楼、企业前台等门禁管理系统的手脉闸机。它采用了红外线照射手掌内部毛细血管分叉结构记录，用250位数字加密，识别速度快，并且精准度极高。用户只需通过扫描身份证便可完成验证，同时加载了大数据云端架构等技术，能够实现智能门禁、全景安全监控、智慧考勤等功能。据深兰科技市场品牌部丁先生介绍，深兰的手脉识别系统不仅可用于企业前台及公司门禁管理、自动化考勤及数据表单生成、写字楼、公寓、住宅门禁管理等场景，而且可以用于刷手购物，刷手坐地铁，刷手开车门等生活的方方面面。 类似手脉设备的物业机器人主要解决了三个问题：一是大大提升了人员进出的效率，二是节省了物业公司的人力成本，三则减少了业主与物业之间的矛盾。也正是因为这种人工智能技术能够真正解决行业痛点，不管是以绿地、永旺为代表的房产企业，还是类似雅乐居这样的物业服务公司，还是戴德梁行这样的全球领先地产服务商，都已将“机器替人”提上日程。 智能清洁机器人：提升清洁效率，降低运营成本 在物业清洁领域，重视劳动力的全人工时代早已过去，不少小区或者楼宇已经过渡到了人机协作的半自动化时代。而无人驾驶技术的出现，为劳动力的彻底解放带来“希望的曙光。” 成立于2013年的高仙机器人便是一个典型的例子，这是一家从事自主移动技术研发和应用探索的机器人企业，其生产了很多种类的无人驾驶洗地机。与传统清洁手段相比，这种能够自主移动的智能清洁机器人极大地提升清洁效率。

工业机器人常见五大应用领域及关键技术【最新整理】

工业机器人常见五大应用领域及关键技术 去年全球工业机器人销量达到24万台，同比增长8%。其中，我国工业机器人市场销量超过6.6万台，继续保持全球第一大工业机器人市场的地位。但是，按机器人密度来看，即每万名员工对应的机器人保有量，我国不足30台，远低于全球约为50多台的平均水平。 前瞻产业研究院《2016-2021年中国工业机器人行业产销需求预测与转型升级分析报告》数据显示：2015年我国工业机器人产量为32996台，同比增长21.7%。2016年机器人产业将继续保持快速增长，今年一季度我国工业机器人产量为11497台，同比增长19.9%。此外，数据显示，2015年我国自主品牌工业机器人生产销售达22257台，同比增长31.3%。国产自主品牌得到了一定程度的发展，但与发达国家相比，仍有一定差距。 2016年未来全球工业机器人市场趋势包括：大国政策主导，促使工业与服务机器人市场增长；汽车工业仍为工业机器人主要用户；双臂协力型机器人为工业机器人市场新亮点。 一、什么是工业机器人 工业机器人是一种通过重复编程和自动控制，能够完成制造过程中某些操作任务的多功能、多自由度的机电一体化自动机械装备和系统，它结合制造主机或生产线，可以组成单机或多机自动化系统，在无人参与下，实现搬运、焊接、装配和喷涂等多种生产作业。 当前，工业机器人技术和产业迅速发展，在生产中应用日益广泛，已成为现代制造生产中重要的高度自动化装备。

二、工业机器人的特点 自20世纪60年代初第一代机器人在美国问世以来，工业机器人的研制和应用有了飞速的发展，但工业机器人最显著的特点归纳有以下几个。 1.可编程。生产自动化的进一步发展是柔性自动化。工业机器人可随其工作环境变化的需要而再编程，因此它在小批量多品种具有均衡高效率的柔性制造过程中能发挥很好的功用，是柔性制造系统（ＦＭＳ）中的一个重要组成部分。 2.拟人化。工业机器人在机械结构上有类似人的行走、腰转、大臂、小臂、手腕、手爪等部分，在控制上有电脑。此外，智能化工业机器人还有许多类似人类的“生物传感器”，如皮肤型接触传感器、力传感器、负载传感器、视觉传感器、声觉传感器、语言功能等。传感器提高了工业机器人对周围环境的自适应能力。 3.通用性。除了专门设计的专用的工业机器人外，一般工业机器人在执行不同的作业任务时具有较好的通用性。比如，更换工业机器人手部末端操作器（手爪、工具等）便可执行不同的作业任务。 4.机电一体化。工业机器人技术涉及的学科相当广泛，但是归纳起来是机械学和微电子学的结合——机电一体化技术。第三代智能机器人不仅具有获取外部环境信息的各种传感器，而且还具有记忆能力、语言理解能力、图像识别能力、推理判断能力等人工智能，这些都和微电子技术的应用，特别是计算机技术的应用密切相关。因此，机器人技术的发展必将带动其他技术的发展，机器人技术的发展和应用水平也可以验证一个国家科学技术和工业技术的发展和水平。 三、工业机器人常见的五大应用领域 1.机械加工应用（2%） 机械加工行业机器人应用量并不高，只占了2%，原因大概也是因为市面上有许多

机器人应用方面论文

机器人应用论文 一、引言 机器人技术作为20世纪人类最伟大的发明之一，自问世以来，就一直备受瞩目。40余年来，有关它的研究取得了长足的进展。各种形态、功能的机器人相继面世，而未来的机器人将是一种能够代替人类在非结构化环境下从事危险、复杂劳动的自动化机器，是集机械学、力学、电子学、生物学、控制论、计算机、人工智能和系统工程等多学科知识于一身的高新技术综合体。正是由于机器人在多方面应用的可能性，才使得机器人在财会方面也是可以取得成就的。本文拟就机器人的现状与发展前景，探讨机器人发展的多方面可能性。 你初印象中的机器人是什么样子的呢？是不是说一个长的像机器人样子的玩意就是机器人呢？其实说起机器人，我们头脑里马上会联想到那些会唱歌跳舞干工作而且有头有手的小东西。其实那只是机器人的狭意理解。人们提出来机器人的定义是能够感知环境，能够有学习、情感和对外界一种逻辑判断思维的这种机器。人们提出来机器人的定义是能够感知环境，能够有学习、情感和对外界一种逻辑判断思维的这种机器。可以说与人类类比的话，机器人的完整意义应该是一种可以代替人进行某种工作的智能程序化及自动化设备 二、机器人的现状与发展 1．工业机器人技术概念 工业机器人由操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。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。 2.工业机器人技术发展现状 作为人类２０世纪最伟大的发明之一，机器人在短短的几十年内发生了日新月异的变化。近几年机器人已成为高技术领域内具有代表性的战略目标。机器人技术的出现和发展，不但使传统的工业生产面貌发生根本性变化，而且将对人类社会产生深远的影响。随着社会生产技术的飞速发展，机器人的应用领域不断扩展。从自动化生产线到海洋资源的探索，乃至太空作业等领域，机器人可谓是无处不在。目前机器已经走进人们的生活与工作，机器人已经在很多的领域代替着

机器人技术及应用

机器人技术及应用

机器人技术及应用 周贤涛 郑州大学机械学院 20150150444 一、机器人原理 机器人瓦力的原理是一种物理状态？具有一定的形态？机器人的外形究竟是什么样子？这取决于人们想让它做什么样的工作？其功能设定决定了机器人的大小、形状、材质和特征等等。 像大脑就是控制机器人的程序或指令组，当机器人接收到传感器的信息后，能够遵循人们编写的程序指令，自动执行并完成一系列的动作。控制程序主要取决于下面几种因素，使用传感器的类型和数量，传感器的安装位置，可能的外部激励以及需要达到的活动效果。动作就是机器人的活动，有时即使它根本不动，这也是它的一种动作表现，任何机器人在程序的指令下要执行某项工作必定是靠动作来完成的。 他是一个智能的机器人产，但是他的智能已经和我们人类没什么区别了。如果在现实生活中有这样的机器人的话，就完全可以代替人类来做

任何事情了。这是我的看法。下面是现在我们现实生活中智能机器人的五个组成部分，电子计算机是智能模拟的物质技术工具。它是一种自动、高速处理信息的电子机器。它采用五个与大脑功能相似的部件组成了电脑，来模拟人脑的相应功能。这五个部件是，(1) 输入设备模拟人的感受器(眼、耳、鼻等) 用以接受外来的信息。人通过输入设备将需要计算机完成的任务、课题、运算步骤和原始数据采用机器所能接受的形式告诉计算机，并经输入设备把这些存放到存贮器中。(2) 存贮器模拟人脑的记忆功能，将输入的信息存储起来，供随时提取使用，是电子计算机的记忆置。(3) 运算器模拟人脑的计算、判断和选择功能，能进行加减乘除等算术运算和逻辑运算。(4) 控制器人脑的分析综合活动以及通过思维活动对各个协调工作的控制功能，根据存贮器内的程序，控制计算机的各个部分协调工作。它是电脑的神经中枢。 (5)输出设备模拟人脑的思维结果和对外界刺激的反映，把计算的结果报告给操作人员或与外部设备联系，指挥别的机器动作。 人工智能的产生是人类科学技术进步的结

工业机器人的应用和发展趋势

-370-工业机器人的应用和发展趋势 无锡工艺职业技术学院 郁 晗 【摘要】随着科技进步，工业机器人的应用也不断增大，不同行业对于工业机器人的要求不同，因此很有必要对工业机器人进行深入的研究和分析，这将能够很大的提高其社会生产效率。 【关键词】工业机器人技术；发展现状；发展趋势 0.引言 工业机器人出现于20世纪60年代，并在不断升级发展着。由于工业机器人是结合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多门学科相互交互而形成的高新科技，在当代的研究非常的活跃。由于机器人不怕苦、不怕累，他们能够长期从事单调、重复的体力劳动,并能够在更复杂的领域替代人工作业。 据悉，世界工业机器人行业4大巨头瑞士ABB、日本FANUC发那科、日本YASKAWA安川电机、德国KUKA库卡都在中国设立了分公司，连同其他进口品牌，在中国市场的占有率达到8成以上。 作为世界上最大的制造业国家，中国市场对机器人产业意义重大。根据IFR(国际机器人联盟)的研究，到2014年，全球每年新安装工业机器人将达到16.67万台，届时我国工业机器人年装机量将超过日本，达到近3.2万台，将占到世界总量的20%。 1.工业机器人概念、组成、分类、技术前景 1.1 工业机器人的概念 工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器人。现代的工业机器人还可以根据人工智能技术制定的原则纲领行动。从工业机器人的用途而言，其主要完成的是通过计算机来控制机器人的自主自动化控制系统。 1.2 工业机器人的组成 工业机器人的主要是由三大部分组成：机器人主体、驱动管理、计算机控制系统。具体而言，机器人主体是机器人所需要的操作机械，例如机械手腕、机械臂部、行走设备等，这是构成机器人运行的主体。驱动管理部件主要功能是将计算机控制命令转化成为机械语言，进而实现。控制系统是按照输入流程，对驱动程序、执行机构发出指令信息，并对其进行信息控制。 图1、2为一个工业机器人机械手和其工作 原理图 图1 机械手系统 如图1所以，机械手系统由三套伺服器和 伺服电机组成，分别为X、Y和Z轴，控制板卡 上有三路脉冲+方向输出，可以单独对X、Y和Z 轴进行控制。其中Z轴处于垂直位置，为防止 掉电在重力作用下掉下来，需使用带抱闸的电 机。 图2 伺服驱动器工作原理图 伺服驱动器工作在位置模式，以X轴为 例，系统原理图如图2所示。通过脉冲控制卡 的脉冲输出来控制伺服电机，方向信号控制电 机的运转方向。 Y轴Z轴与X轴控制原理相同。 1.3 工业机器人的分类 (1)移动机器人(AGV) 移动机器人(AGV)是工业机器人的一种类 型，它由计算机控制，具有移动、自动导航、 多传感器控制、网络交互等功能，它可广泛应 用于机械、电子、纺织、卷烟、医疗、食品、 造纸等行业的柔性搬运、传输等功能，也用 于自动化立体仓库、柔性加工系统、柔性装配 系统(以AGV作为活动装配平台)；同时可在车 站、机场、邮局的物品分捡中作为运输工具。 (2)点焊机器人 点焊机器人主要用于汽车整车的焊接工 作，生产过程由各大汽车主机厂负责完成。国 际工业机器人企业凭借与各大汽车企业的长期 合作关系，向各大型汽车生产企业提供各类点 焊机器人单元产品并以焊接机器人与整车生产 线配套形式进入中国，在该领域占据市场主导 地位。 (3)激光加工机器人 激光加工机器人是将机器人技术应用于 激光加工中，通过高精度工业机器人实现更加 柔性的激光加工作业。本系统通过示教盒进行 在线操作，也可通过离线方式进行编程。该系 统通过对加工工件的自动检测，产生加工件的 模型，继而生成加工曲线，也可以利用CAD数 据直接加工。可用于工件的激光表面处理、打 孔、焊接和模具修复等。 1.4 工业机器人的经济效益 工业机器人是现代工业自动化发展到一定 阶段的必然产物，它主要基于计算机自动化控 制和电子物理相互结合。 采用工业机器人还有如下优点：第一， 改善劳动条件，逐步提高生产效率；第二，更 强与可控的生产能力，加快产品更新换代；第 三，提高零件的处理能力与产品质量；第四， 消除枯燥无味的工作，节约劳动力；第五，提 供更安全的工作环境，降低工人的劳动强度， 减少劳动风险；第六，提高机床；第七，减少 工艺过程中的工作量及降低停产时间和库存； 第八，提高企业竞争力。 2.我国机器人技术的发展 2.1 国内工业机器人的现状 我国工业机器人起步比较晚技术与国外的 相比还是有着一定的差距。虽然我国在某些关 键技术上有所突破,但还是缺乏整体核心技术 的突破，具有中国知识产权的工业机器人则很 少。目前我国工业机器人技术水平不是很高， 特别是在制造工艺与装备方面，不能生产高精 密、高速与高效的关键部件。我国目前取得较 大进展的机器人技术有：数控机床关键技术与 装备、隧道掘进机器人相关技术、工程机械智 能化机器人相关技术、装配自动化机器人相关 技术。现已开发出金属焊接、喷涂、浇铸装 配、搬运、包装、激光加工、检验、真空、自 动导引车等的工业机器人产品，主要应用于汽 车、摩托车、工程机械、家电等行业。 2.2 制约我国工业机器人的因素 制约我国机器人技术发展的瓶颈是市场， 换句话说，就是对机器人的应用需求。工业机 器人发展长期以来受限于成本较高与国内劳动 力价格低廉的状况，随着中国经济持续快速的 发展，近几年的国民生产总值年平均增长率更 是保持在9%左右，人民生活水平不断地提高， 劳动力供应格局已经逐步从“买方”市场转为 “卖方”市场、由供远大于求转向供求平衡。 作为制造业主力的农民工也从早期的仅解决温 饱问题到现在对薪资和工作条件提出了更高的 要求。这些情况使得许多劳动密集型企业为了 提高劳动生产率所采用的增加工人数量、延长 工人劳动时间的方法变得成本高昂，同时也受 到法律的限制和政策的阻碍。无论是企业还是 社会都认识到必须采取从改善机器设备入手， 提高技术和资金的密集度来减少用工量以应对 这种改变。总之，劳动力过剩程度降低、单个 工人成本上升、对产品质量更高的要求、国家 对装备制造业的重视等变化改善了机器人的使 用环境，工业机器人及技术在中国已逐步得到 了政府和企业的重视。随着机器人知识的广泛 普及，人们对于各种机器人的了解与认识逐步 深化，利用机器人技术提升我国工业发展水 平、从制造业大国向强国转变，提高人民生活 质量成为全社会的共识。 2.3 如何解决制约我国工业机器人的因素 一是随着我国经济的快速发展，中国机 器人界要能提供质量稳定可靠，价格适宜的各 类机器人商品,要做到这一点，产业化是提高 质量、降低成本的必由之路，是扩大市场销售 (包括出口)量的前提，而现时，中国机器人的 产业化还有一段路程要走。 二是有关各方(包括主管部门和企业界) 要加深工业机器人对稳定提高工业产品质量和 劳动生产率、快速满足商品更新换代要求的突 出作用的认识。才能有决心在工业机器人这一 高新技术领域采取“高投人高产出”的战略措 施。 三是要解决用好机器人的问题，主管部门 除继续鼓励机器人研制生产单位和用户紧密结

机器人程序应用

机器人程序应用 1.百米赛跑 项目内容：开始时，机器人站在跑道的起点处等待起跑。一旦听到发令枪响，就立刻沿着跑道向终点冲过去。在跑的过程中机器人不能越出跑道。 图1－1百米赛跑场地 相关模块：地面检测、声音检测、条件循环、直行。 2.打招呼 项目内容：用圆形障碍物当作人，机器人每当走到“人”跟前的时候，都会叫一声，打个招呼，然后侧身走开。 相关模块：红外测障、直行、转向。 创建环境――在机器人运行场地中，添加几个圆形障碍物（图1－2）。 图1－2打招呼场地 3.找房门 项目内容：把机器人放在一个房间里，机器人能自己找到房门，并从房门走出去。 相关模块：红外测障、转向、直行、地面检测。

创建环境――单房间场地。墙壁由障碍物构成，门口的标志是一道白色图带，门可以开在任意一边。如图1－3所示。 图1－3找房门场地 4.秒表 项目内容：让机器人在显示屏上显示时间，可以当作秒表来使用（图1－4）。 图1－4显示时间 相关模块：系统时间、显示、永远循环。 5.走圆形 项目内容：为机器人编程，使之能走一个圆形。走的时候显示轨迹。 相关模块：启动电机、延时等待、停止电机。 图1－5走圆形 项目解析：设置本项目是为了学习“启动电机”模块使用方法。 6.走五角星 项目内容：为机器人编程，使之能走出一个五角星的形状。走的时候显示轨迹。要求使

用“条件循环”模块（提示：五角星每个角36度）。 图1－6五角星 相关模块：直行、转向、条件循环、计算。 7.等比求和 项目内容：计算4＋4×3＋4×32＋……＋4×37，并显示计算结果（13120）。 相关模块：计算、多次循环、显示。 8.一笔画 项目内容：为机器人编程，使之在场地上画出一支铅笔的形状。 图1－7一笔画 相关模块：直行、转向、启动电机、延时等待、停止电机。 9.沿线走 项目内容：让机器人沿着彩色线条，从一端走到另一端。 相关模块：地面检测、直行、转向、条件判断、永远循环。 创建环境――彩色线条，如图所示：

机器人应用技术分析

2014年12月（下） 机器人应用技术分析 石红梅 （ 北京信息职业技术学院专业部，北京市１０００７０） ［摘要］机器人的应用领域十分广泛，包括工业生产、海空探索、康复和军事等。此外，机器人已逐渐在医院、家庭和一些服务行业获得 应用，并且已经进入高校的课堂。根据其功能可分为工业机器人、服务机器人、探索机器人和军事机器人。机器人核心技术的应用围绕基本结构优化与技术参数的提高。本文先将机器人的技术参数进行简单描述，对其主要知识基础与技术要求做了简单的论述，其应用的核心技术是目前国际各大企业关注的问题。［关键词］机器人；控制器；伺服系统；核心 机器人是“一种装备有记忆装置和末端执行装置的、能够完成各种移动来代替人类劳动的通用机器”。它又分为以下两种情况来定义： 工业机器人是“一种能够执行与人的上肢类似动作的多功能机器”；如图１所示。 智能机器人是“一种具有感觉和识别能力，并能够控制自身行为的机器”。如图２所示。 1工业机器人基本结构及技术参数1.1工业机器人基本结构 从机械结构上，可以分为串联和并列机器人，目前广泛应用的是串联通用机器人。串联通用机器人一般由手臂、手腕组成。机器人手臂具有３个自由度（运动坐标轴），机器人作业空间由手臂运动范围决定。手腕是机器人工具（如焊枪、喷嘴、机加工刀具、夹爪）与主构架的连接机构，它具有３个自由度。如图１所示。 图１串联通用机器人 图２智能机器人 从机器人系统整体来看，分为控制器（包括示教器）、伺服驱动系统、机构、测量及传感器。其中控制器，用于控制机器人各运动部件的位置、速度和加速度，使机器人手爪或机器人工具的中心点以给定的速度沿着给定轨迹到达目标点。控制器是机器人的大脑，其性能和功能直接决定了机器人的整体能力。驱动系统，为机器人各运动部件提供力、力矩、速度、加速度。驱动系统是机器人的肌肉，其质量、驱动能力、响应速度、稳定性，直接决定了机器人的运动能力。 目前国产工业机器人，绝大多数使用日本品牌的伺服驱动系统，如松下、安川、三菱、三洋、富士等。测量系统，用于机器人运动部件的位移、速度和加速度的测量以及工作对象的测量，如工件及其位置的识别，障碍物的识别，抓举工件的重量是否过载等。通常机器人自身运动部件及工件重量的测量，使用伺服驱动系统提供的位置及电流信息，工件位置、障碍物识别等使用机器视觉等外接的测量设备。 1.2工业机器人技术参数１．２．１自由度数和类型 自由度（ＤＯＦ）是指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目。自 由度越多就越灵活，但结构也越复杂。机器人的自由度要根据其用途设计，一般在３￣６个之间。如果小于３个，不能称为机器人。大于６个的自由度称为冗余自由度（空间位姿只有６个参数）。冗余自由度能使机器人避开障碍物和改善机器人的动力性能。设计人类的手臂共有７个自由度。类型指的是所设计的关节属于转动关节还是移动关节。 １．２．２结构形式 结构形式指机器人运动链的形式，包括并联、串联、混合形式，决定了机器人适应的行业。串联结构优点是工作范围大，缺点是最大速度和刚度较差。并联结构优点是速度和刚度很好，但是工作范围小。 １．２．３运动范围 运动范围指机器人关节的运动范围，决定了工作空间的大小。由于末端执行器的形状和尺寸是多种多样的，为真实反映机器人的特征参数，故工作空间是指不安装末端执行器时的工作区域。工作空间的大小不仅与机器人各连杆的尺寸有关，而且与机器人的总体结构形式有关。工作空间的形状和大小是十分重要的，机器人在执行某作业时可能会因存在手部不能到达的盲区而不能完成任务。 １．２．４最大速度 最大速度指机器人关节或末端操作器的最高运动速度，决定了机器人的最大效率。 有的厂家指工业机器人主要自由度上最大的稳定速度，有的厂家 指手臂末端最大的合成速度，对此通常都会在技术参数中加以说明。最大工作速度愈高，其工作效率愈高。 １．２．５负载能力 负载能力指机器人在一定精度和运动条件下所能承担的最大负载，是决定机器人成本的主要参数。承载能力是指机器人在作业范围内的任何位姿上所能承受的最大质量。承载能力不仅取决于负载的质量，而且与机器人运行的速度和加速度的大小和方向有关。为保证安全，通常将承载能力这一技术指标确定为高速运行时的承载能力。 １．２．６重复定位精度 重复定位精度指机器人经过多次循环运动后，到达空间同一位置和姿态的最大误差范围。重复定位精度是指在同一环境、同一条件、同一目标动作、同一命令之下，机器人连续重复运动若干次时，其位置的分散情况，是关于精度的统计数据。因重复定位精度不受工作载荷变化的影响，故通常用重复定位精度这一指标作为衡量示教－再现工业机器人水平的重要指标。 １．２．７控制方式 控制方式指机器人运动控制的方式，如示教再现、点位控制、或轨迹控制，是机器人控制器的基本指标。 １．２．８驱动方式 驱动方式指机器人是采用液压、气动、交流电机或步进电机控制等，目前先进的工业机器人通常采用交流电机驱动。 2机器人技术涉及的基本知识 机器人技术所涉及的基本知识范围广，归纳起来包括以下几个学科：１）工程力学（理论力学、材料力学）。２）高等代数（线性代数、矩阵分析）。 １４

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《机器人技术及应用》综合习题 一、判断 1.机器人是在科研或工业生产中用来代替人工作的机械装置。（对） 2. 19世纪60年代和20世纪70年代是机器人发展最快、最好的时期，这期间的各项研究发明有效地推动了机器人技术的 发展和推广。（错） 3. 对于机器人如何分类，国际上没有制定统一的标准，有的按负载量分，有的按控制方式分，有的按自由度分，有的按 结构分，有的按应用领域分。（对） 4. 所谓特种机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。（错） 5. 机器人机械本体结构的动作是依靠关节机器人的关节驱动，而大多数机器人是基于开环控制原理进行的。（错） 6. 机器人各关节伺服驱动的指令值由主计算机计算后，在各采样周期给出，由主计算机根据示教点参考坐标的空间位置、 方位及速度，通过运动学逆运算把数据转变为关节的指令值。（对） 7. 为了与周边系统及相应操作进行联系与应答，机器人还应有各种通信接口和人机通信装置。（对） 8. 轮式机器人对于沟壑、台阶等障碍的通过能力较高。（错） 9. 为提高轮式移动机器人的移动能力，研究者设计出了可实现原地转的全向轮。（对） 10. 履带式机器人是在轮式机器人的基础上发展起来的，是一类具有良好越障能力的移动机构，对于野外环境中的复杂地 形具有很强的适应能力。（对） 11. 腿式（也称步行或者足式）机构的研究最早可以追溯到中国春秋时期鲁班设计的木车马。（对） 12. 机器人定义的标准是统一的，不同国家、不同领域的学者给出的机器人定义都是相同的。（错） 13. 球形机器人是一种具有球形或近似球形的外壳，通过其内部的驱动装置实现整体滚动的特殊移动机器人。（对） 14. 可编程机器人可以根据操作员所编的程序，完成一些简单的重复性操作，目前在工业界已不再应用。（错） 15. 感知机器人，即自适应机器人，它是在第一代机器人的基础上发展起来的，具有不同程度的“感知”能力。（对） 16. 第三阶段机器人将具有识别、推理、规划和学习等智能机制，它可以把感知和行动智能化结合起来，称之为智能机器 人。（对） 17. 工业机器人的最早研究可追溯到第一次大战后不久。（错） 18. 20世纪50年代中期，机械手中的液压装置被机械耦合所取代，如通用电气公司的“巧手人”机器人。（错） 19. 一般认为Unimate和Versatran机器人是世界上最早的工业机器人。（对） 20. 1979年Unimation公司推出了PUMA系列工业机器人，它是全电动驱动、关节式结构、多中央处理器二级微机控制， 可配置视觉感受器、具有触觉的力感受器，是技术较为先进的机器人。（对） 1. 刚体的自由度是指刚体具有独立运动的数目。（对） 2. 机构自由度只取决于活动的构件数目。（错） 3. 活动构件的自由度总数减去运动副引入的约束总数就是该机构的自由度。（对） 4. 机器人运动方程的正运动学是给定机器人几何参数和关节变量，求末端执行器相对于参考坐标系的位置和姿态。（对） 5. 机器人运动方程的逆运动学是给定机器人连杆几何参数和末端执行器相对于参考坐标系的位姿，求机器人实现此位姿 的关节变量。（对） 6. 机械臂是由一系列通过关节连接起来的连杆构成。（对） 7. 对于机械臂的设计方法主要包括为2点，即机构部分的设计和内部传感器与外部传感器的设计。（错） 8. 球面坐标型机械臂主要由一个旋转关节和一个移动关节构成，旋转关节与基座相连，移动关节与末端执行器连接。（对） 9. 为提高轮式移动机器人的移动能力，研究者设计出了可实现原地转的全向轮。（对） 10. 履带式机器人是在轮式机器人的基础上发展起来的，是一类具有良好越障能力的移动机构，对于野外环境中的复杂地 形具有很强的适应能力。（对） 11. 腿式（也称步行或者足式）机构的研究最早可以追溯到中国春秋时期鲁班设计的木车马。（对） 12. 刚体在空间中只有4个独立运动。（错） 13. 球形机器人是一种具有球形或近似球形的外壳，通过其内部的驱动装置实现整体滚动的特殊移动机器人。（对） 14. 在机构中，每一构件都以一定的方式与其他构件相互连接，这种由两个构件直接接触的可动连接称为运动副。（错） 15. 运动副可以根据其引入约束的数目进行分类，引入一个约束的运动副称为二级副。（错） 16.通过面接触而构成的运动副，称为低副；通过点或线接触而构成的运动副称为高副。（对） 17. 两个构件之间只做相对转动的运动副称为移动副。（错） 18. 构成运动副的两个构件之间的相对运动若是平面运动则称为平面运动副，若为空间运动则称为空间运动副。（对） 19. 在平面机构中，每个构件只有3个自由度。每个平面低副（转动副和移动副）提供1个约束，每个平面高副提供2