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1、1 机器人技术机器人在人类生产作业中的重要应用学院：机械工程学院专业: 液压元件与控制班级： 08级 5 班学号： 080803110250 姓名：卢 红 兵名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 14 页 - - - - - - - - - 2 一、 研究意义与必要性国际标准化组织 (ISO) 曾于 1987 年对工业机器人进行定义: “工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能, 能完成各种作业的可编程操作机。 ” 该定义与美国机器人学会（ RIA）和日本工
2、业标准（ JIS）对工业机器人的定义相近。工业机器人主要用于制造业中， 随着机器人技术的发展， 它目前已广泛地用于汽车、机械制造、电子工业及塑料制品等生产领域，进而扩展到核能、采矿、冶金、石油、化学、航空、航天、船舶、建筑、纺织、制衣、医药、生化、食品等工业领域，机器人将成为人类社会生产活动的“主劳力”，人类将从繁重的、 重复单调的、有害健康和危险的生产劳动中解放出来, 从而有更多的时间去学习、研究和创造。工业机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程功能的多功能操作机，多以机械臂的形式出现， 这种操作机具有几个轴， 能够借助可编程操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置以执行各种任务。在日本，
3、单轴机器人同样被列入工业机器人的范畴。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
4、性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。工业机器人是机器人的一个重要分支，它的特点是可通过编程完成各种预期的作业任务， 在构造和性能上兼有人和机器人各自的优点，尤其是体现了人的智能和适应性， 机器作业的准确性和在各种环境中完成作业的能力。因而在国民经济各个领域中具有广阔的应用前景机器人技术是综合了机械学、计算机、控制论、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，机器人的应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。二、国内外研究现状及分析日本是当今的工业机器人王国，既是工业机器人的最大制造国也是最大消费国。但实际上工业机器人
5、的诞生地是美国。美国人英格伯格和德奥尔制造出了世界上第一台工业机器人，他们发现可以让机器人去代替工人一些简单重复的劳动，而且不需要报酬和休息， 任劳任怨。 接着他们两人合办了世界上第一家机器人制造工厂，生产 unimate工业机器人。如图 1所示。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 14 页 - - - - - - - - - 3 图1- 在美国诞生的 Unimate工业机器人与此同时，十九世纪七十年代的日本正面临着严重的劳动力短缺，这个问题已成为制约其经济发
6、展的一个主要问题。在美国诞生并已投入生产的工业机器人就给日本带来了福音。 1967年日本川崎重工业公司首先从美国引进机器人及技术，建立生产厂房，并于1968年试制出第一台日本产 unimate 机器人。经过短暂的摇篮阶段， 日本的工业机器人很快进入实用阶段，并由汽车业逐步扩大到其它制造业以及非制造业。 1980年被称为日本的“机器人普及元年”，日本开始在各个领域推广使用机器人， 这大大缓解了市场劳动力严重短缺的社会矛盾。再加上日本政府采取的多方面鼓励政策，这些机器人受到了广大企业的欢迎。美国是工业机器人的诞生地， 基础雄厚， 技术先进。 现今美国有着一批具有国际影响力的工业机器人供应商，像Ad
7、ept Technologe 、American Robot Emersom Industrial Automation 等。德国工业机器人的数量占世界第三，仅次于日本和美国， 其智能机器人的研究和应用在世界上处于领先地位。目前在普及第一代工业机器人的基础上，第二代工业机器人经推广应用成为主流安装机型，而第三代智能机器人已占有一定比重并成为发展的方向。世界上的机器人供应商分为日系和欧系。瑞典的ABB 公司是世界上最大机器人制造公司之一。 1974年研发了世界上第一台全电控式工业机器人IRB6，主要应用于工件的取放和物料搬运。1975年生产出第一台焊接机器人。到1980年兼并Trallfa喷漆机
8、器人公司后， 其机器人产品趋于完备。 ABB 公司制造的工业机器人广泛应用在焊接、 装配铸造、密封涂胶、材料处理、 包装、喷漆、水切割等领域。德国的 KUKA Roboter Gmbh 公司是世界上几家顶级工业机器人制造商之一。1973年研制开发了 KUKA 的第一台工业机器人。 年产量达到一万台左右。 所生产的名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 14 页 - - - - - - - - - 4 机器人广泛应用在仪器、汽车、航天、食品、制药、医学、铸造、塑料等
9、工业，主要用于材料处理、 机床装备、包装、堆垛、焊接、表面休整等领域。 图2 是KUKA KR 100，用于高速、高精度焊接、切割和测量的机器人。图2 意大利 COMAU公司从 1978年开始研制和生产工业机器人，至今已有30多年的历史。其机器人产品包括Smart系列多功能机器人和 MASK 系列龙门焊接机器人。广泛应用于汽车制造、 铸造、家具、食品、化工、航天、印刷等领域。意大利 COMAU公司研发的 Comau Smart NS1 如图3所示图3 Comau Smart NS1 总的来讲国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势： 1 工业机器人性能不断提高 （高速度、高精度、高可靠性、便于操
10、作和维修），而单机价格不断下降，平均单机价格从91 年的 103 万美元降至 97 年的 65万美元。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 14 页 - - - - - - - - - 5 2 机械结构向模块化、 可重构化发展。 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。3工业机器人控制系统向基于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
11、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。 4 机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而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；多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。5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。6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，
12、使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。7机器人化机械开始兴起。从94 年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。我国工业机器人起步于 70年代初，其发展过程大致可分为三个阶段：70年代的萌芽期； 80年代的开发期； 90年代的实用化期。 而今经过 20多年的发展已经初具规模。目前我国已生产出部分机器人关键元器件，开发出弧焊、点焊、码垛、装配、搬运、注塑、冲压、喷漆等工业机器人。一批国产工业机器人已服务于国内诸多企业的生产线上； 一批机器人技术的研究人才也涌现出来。一些相
13、关科研机构和企业已掌握了工业机器人操作机的优化设计制造技术；工业机器人控制、驱动系统的硬件设计技术； 机器人软件的设计和编程技术； 运动学和轨迹规划技术；弧焊、点焊及大型机器人自动生产线与周边配套设备的开发和制备技术等。某些关键技术已达到或接近世界水平。一个国家要引入高技术并将其转移为产业技术（产业化），必须具备5个要素即5M:Machine/Materials/Manpower/Management/Market。和有着“机器人王国”之称的日本相比，我国有着截然不同的基本国情，那就是人口多，劳动力过剩。刺激日本发展工业机器人的根本动力就在于要解决劳动力严重短缺的问题。所以，我国工业机器人起步
14、晚发展缓。但是正如前所述， 广泛使用机器人是实现工业自动化， 提高社会生产效率的一种十分重要的途径。我国正在努力发展工业机器人产业，引进国外技术和设备，培养人才，打开市场。日本工业机器人产业名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 14 页 - - - - - - - - - 6 的辉煌得益于本国政府的鼓励政策， 我国在十一五纲要中也体现出了对发展工业机器人的大力支持。经过20多年的发展，我国机器人技术和集成能力得到了很大提高，推进了工业机器人产品的系列化及工程应用
15、，成功将机器人技术应用于传统产业，增强了企业的市场竞争力； 实现了特种机器人， 特别是水下机器人和反恐排爆机器人的跨越式发展；仿人机器人等也取得了显著成绩。在工业机器人方面，经过“ 七五”攻关计划、“九五”攻关计划和863计划的支持，取得了较大进展。(1) 工业机器人系列产品和应用工程成为机器人产业化的龙头。在“九五”期间，我国研制出实用型装配机器人、弧焊机器人、点焊机器人及自动导引车 （AGV ）等一系列机器人产品， 完成了小批量生产及其应用工程，包括一汽集团汽车自动焊接线， 嘉陵、金城、三水摩托车焊接线， 以及自动码垛、小型电器自动装配线等 100多项机器人示范应用工程，为提高我国企业装备
16、水平和工业机器人产业化做出了重要贡献。(2) 机器人化机器推动我国工程机械的更新换代。经过多年的探索，我国在智能机器人的发展上确定了利用机器人技术去改造现有的机器，即研制机器人化机器、实现技术辐射的技术路线。同时，根据技术现状和市场情况， 我国开始集中精力在工程机器人方面取得突破，徐州工程机械集团公司、江簏机械厂等单位合作完成了无人驾驶的振动式压路机、具有自动推平功能的推土机、 可编程挖掘机、 自动凿岩机、 移动式隧道喷浆机等九种工程机械的机器人化，推动了国工程机械产品升级换代。此外，农业、建筑、冶金等行业的机械机器人化工作也在逐步展开。随着时间推移， 这条技术辐射之路越走越宽，为我国传统机械
17、设备的改造做出的贡献也越来越大。机器人的应用是一个国家工业自动化水平的重要标志。国外工业机器人技术日趋成熟，已经成为一种标准设备而得到工业界广泛应用。我国工业机器人的应用也已经 20多年，促进了我国制造业的发展，但大部分产品依赖进口。三、工业机器人各关键技术介绍（一） 、工业机器人机构及其设计1工业机器人及操作机工业机器人是一种能自动控制并可重新编程予以变动的多功能机器。它有多个自由度，可用来搬运物料、零件和握持工具，以完成各种不同的作业。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - -
18、第 6 页，共 14 页 - - - - - - - - - 7 （1）工业机器人的组成1） 工业机器人通常由执行机构、 驱动-传动系统、控制系统及智能系统部分组成。2）机器人各部分关系3）机器人各部分功能执行机构是机器人赖以完成各种作业的主体部分。通常为开式空间连杆机构。驱动 -传动机构由驱动器和传动机构组成。传动有机械式、电气式、液压式、气动式和复合式等。而驱动器有步进电机、伺服电机、液压马达和液压缸等。控制系统一般由示教操作盘或控制计算机和伺服控制装置组成。前者作用是发出指令协调各有关驱动器之间的运动，同时要完成编程、示教/再现以及和其它环境状况（传感器信号） 、工艺要求。外部相关设备之
19、间的信息传递和协调工作。而后者是控制各关节驱动器使各杆能按预定的运动规律运动。智能系统则由感知系统和分析决策系统组成，它分别由传感器及软件来实现。关节式机器人的几种典型类型名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 14 页 - - - - - - - - - 8 （2）机器人操作机工业机器人的机械结构部分称为操作机。它由机座、腰部、大臂、小臂、腕部及手部组成。即由手臂机构和手腕机构组成。（3）工业机器人的发展过程可分为以下三代：第一代为示教 /再现型机器人。它主要由
20、机械系统和控制系统组成。当前工业中应用最多。第二代为感觉型机器人。如有力觉、触觉和视觉等，它具有对某些外界信号进行反馈调整的能力。目前已进入应用阶段。第三代为智能型机器人。其尚处于实验研究阶段。2操作机的主要类型名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 14 页 - - - - - - - - - 9 （1）直角坐标型（ PPP型) （2）圆柱坐标型（ PPR型）（3）球坐标型（ RRP 型）（4）关节型 (RRR 型）3操作机的主要技术指标（1）自由度自由度是用来
21、确定手部相对机座的位置和姿态的独立参数的数目。它等于操作机独立驱动的关节数目。 自由度是反映操作机的通用性和适应性的一项重要指标。目前一般通用工业机器人大多为 5 自由度左右， 已能满足多种作业的要求。（2）工作空间即操作机的工作范围。（3）灵活度灵活度是指操作机末端执行器在工作（如抓取物件）时，所能采取的姿态的多少。若能从各个方位抓取物体， 则其灵活度最大； 若只能从一个方位抓取物体，则其灵活度最小。4. 机构的设计工业机器人操作机是由机座、 手臂、手腕及末端执行器等组成的机械装置。而从机器人完成作业的方式来看，操作机个是由手臂机构、 手腕机构及末端执行器等组成的机构。其结构方案及其运动设计
22、是整个机器人设计的关键。（1）操作机手臂机构的设计手臂机构一般为23 个自由度，要求可实现回转、仰俯、升降或伸缩三种运动形式。 手臂机构设计时， 先要确定其结构型式和尺寸，还需考虑各种构件的重量对其运动速度、精度及刚度的影响。（2）操作机手腕机构的设计手腕机构一般为13 个自由度，要求可实现回转、偏摆或摆转和仰俯三种运动形式。 手腕机构的设计时， 要确定其结构型式及机构尺寸，并要注意诱导运动。为使其机构紧凑， 要减少其重量和体积， 以利于驱动传动的布置和提高手腕动作的精确性。（3）末端执行器的设计根据不同作业任务的要求，先确定末端执行器的类型及其机构的型式，并尽可能使其结构简单、紧凑、重量轻，
23、以减轻手臂的负载。灵巧手示例图名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 14 页 - - - - - - - - - 10 （二）工业机器人的传感技术1.内部传感器(1) 概述在有关工业机器人功能的术语中， “内部”测量功能定义为测量机器人自身状态的功能， 所谓内部传感器就是实现该功能的元件，具体检测的对象有关节的线位移、角位移等几何量，速度、角速度、加速度等运动量，还有倾斜角、方位角、振动等物理量，对各种传感器要求精度高、响应速度快、测量范围宽。内部传感器中，位置
24、传感器和速度传感器， 是当今机器人反馈控制中不可缺少的元件。现已有多种传感器大量生产， 但倾斜角传感器、 方位角传感器及振动传感器等用作机器人内部传感器的时间不长，其性能尚需进一步改进。(2) 内部传感器按功能分类1）规定位置、规定角度的检测检测预先规定的位置或角度，可以用ON/OFF 两个状态值，这种方法用于检测机器人的起始原点、越限位置或确定位置。微型开关：规定的位移或力作用到微型开关的可动部分（称为执行器）时，开关的电气触点断开或接通。 限位开关通常装在盒里， 以防外力的作用和水、 油、尘埃的侵蚀。光电开关：光电开关是由LED 光源和光敏二极管或光敏晶体管等光敏元件组成，相隔一定距离而构
25、成的透光式开关。当光由基准位置的遮光片通过光源和光敏元件的缝隙时，光射不到光敏元件上，而起到开关的作用。2）位置、角度测量测量机器人关节线位移和角位移的传感器是机器人位置反馈控制中必不可少的元件。电位器：电位器可作为直线位移和角位移检测元件。所以，为了保证电位器的线性输出， 应保证等效负载电阻远远大于电位器总电阻。电位器式传感器结构简单，性能稳定，使用方便，但分辨率不高，且当电刷和电阻之间接触面磨损或有尘埃附着时会产生噪声。旋转变压器： 旋转变压器由铁心、 两个定子线圈和两个转子线圈组成，是测量旋转角度的传感器。 定子和转子由硅钢片和坡莫合金叠层制成，在各定子线圈加上交流电压， 转子线圈中由于
26、交链磁通的变化产生感应电压。感应电压和励磁电压之间相关联的耦合系数随转子的转角而改变。因此， 根据测得的输出电压，就可以知道转子转角的大小。3）编码器：编码器输出表示位移增量的编码器脉冲信号，并带有符号。根据检测原理，编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式。根据其刻度方法及信号输出形式， 分为增量式编码器和绝对式编码器。作为机器人位移传感器， 光电编码器应用最为广泛。绝对式编码器与增量式编码器不同之处在于圆盘上透光、不透光的线条图形，绝对编码器可有若干编码，根据读出码盘上的编码，检测绝对位置。编码的设计可采用二进制码、循环码、二进制补码等。磁编码器在强磁性材料表面上记录等间隔的磁化刻度标尺，
27、标尺旁边相对放置磁阻效应元件或霍尔元件， 即能检测出磁通的变化。 与光电编码器相比， 磁编码器的刻度间隔大， 但它具有耐油污、 抗冲击等特点。 人们期待着磁编码器和高名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 14 页 - - - - - - - - - 11 分辨率的光电编码器能尽早地用作机器人的内传感器。4）速度、角速度测量速度、角速度测量是驱动器反馈控制中必不可少的环节，有时也利用测位移传感器测量速度及检测单位采样时间位移量，然后用F/V 转换器变成模拟电压，
28、但这种方法有其局限性，在低速时，存在着不稳定的危险；而高速时，只能获得较低的测量精度。5）加速度测量随着机器人的高速比、 高精度化， 由机械运动部分刚性不足所引起的振动问题开始提到日程上来了。为了解决振动问题， 有时在机器人的运动手臂等位置安装加速度传感器，测量振动加速度，并把它反馈到驱动器上。加速度传感器分为：应变片加速度传感器： 应变片加速度传感器是由一个板簧支承重锤所构成的振动系统。 在板簧两面分别贴两个应变片，应变片受振动产生应变， 其电阻值的变化通过电桥电路的输出电压被检测出来。伺服加速度传感器： 伺服加速度传感器中振动系统重锤位移变换成成正比的电流，把电流反馈到恒定磁场中的线圈，使
29、重锤返回到原来的零位移状态。压电感应加速度传感器： 压电感应加速度传感器是利用具有压电效应的物质，将加速度转换为电压。其他内部传感器除以上介绍的常用内部传感器外，还有一些根据机器人不同要求而安装的不同功能的内部传感器，如用于倾斜角测量的液体式倾斜角传感器、电解液式倾斜角传感器、 垂直振子式倾斜角传感器、 用于方位角测量的陀螺仪和地磁传感器。这些传感器有待于进一步完善，更好地用于机器人上。2.外部传感器（1）概述为了检测作业对象及环境或机器人与它们的关系，在机器人上安装了触觉传感器、视觉传感器、力觉传感器、接近觉传感器、超声波传感器和听觉传感器，大大改善了机器人工作状况， 使其能够更充分地完成复
30、杂的工作。由于外部传感器为集多种学科于一身的产品， 有些方面还在探索之中， 随着外部传感器的进一步完善，机器人的功能越来越强大，将在许多领域为人类做出更大贡献。（2）外部传感器按功能分类1）触觉传感器触觉是接触、冲击、压迫等机械刺激感觉的综合，触觉可以用来进行机器人抓取，利用触觉可进一步感知物体的形状、软硬等物理性质。对机器人触觉的研究， 只能集中于扩展机器人能力所必需的触觉功能，一般把检测感知和外部直接接触而产生的接触觉、压力、触觉及接近觉的传感器称为机器人触觉传感器。接触觉：接触觉是通过与对象物体彼此接触而产生的，所以最好使用手指表面高密度分布触觉传感器阵列，它柔软易于变形， 可增大接触面
31、积， 并且有一定的强度， 便于抓握。 接触觉传感器可检测机器人是否接触目标或环境，用于寻找物体或感知碰撞。.机械式传感器：利用触点的接触断开获取信息，通常采用微动开关来识别（物体的二维轮廓，由于结构关系无法高密度列阵。.弹性式传感器：这类传感器都由弹性元件、导电触点和绝缘体构成。如采用导电性石墨化碳纤维、 氨基甲酸乙酯泡沫、 印制电路板和金属触点构成的传名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 14 页 - - - - - - - - - 12 感器，碳纤维被压后
32、与金属触点接触，开关导通。也可由弹性海绵、导电橡胶和金属触点构成，导电橡胶受压后，海绵变形，导电橡胶和金属触点接触，开关导通。也可由金属和铰青铜构成， 被绝缘体覆盖的青铜箔片被压后与金属接触，触点闭合。.光纤传感器：这种传感器包括由一束光纤构成的光缆和一个可变形的反射表面。光通过光纤束投射到可变形的反射材料上，反射光按相反方向通过光纤束返回。如果反射表面是平的， 则通过每条光纤所返回的光的强度是相同的。如果反射表面因与物体接触受力而变形，则反射的光强度不同。 用高速光扫描技术进行处理，即可得到反射表面的受力情况。接近觉：接近觉是一种粗略的距离感觉， 接近觉传感器的主要作用是在接触对象之前获得必
33、要的信息， 用来探测在一定距离范围内是否有物体接近、物体的接近距离和对象的表面形状及倾斜等状态，一般用“1”和“ 0”两种态表示。在机器人中，主要用于对物体的抓取和躲避。接近觉一般用非接触式测量元件，如霍尔效应传感器、电磁式接近开关和光学接近传感器。以光学接近传感器为例， 其结构如下图 1 所示。由发光二极管和光敏晶体管组成。发光二极管发出的光经过反射被光敏晶体管接收，接收到的光强和传感器与目标的距离有关，输出信号Uout 是距离 x 的函数：Uoutf（x） 。红外信号被调制成某一特定频率，可大大提高信噪比。滑觉：机器人在抓取不知属性的物体时，其自身应能确定最佳握紧力的给定值。当握紧力不够时
34、，要检测被握紧物体的滑动，利用该检测信号，在不损害物体的前提下，考虑最可靠的夹持方法，实现此功能的传感器称为滑觉传感器。滑觉传感器有滚动式和球式， 还有一种通过振动检测滑觉的传感器。物体在传感器表面上滑动时，和滚轮或环相接触，把滑动变成转动。磁力式滑觉传感器中， 滑动物体引起滚轮滚动， 用磁铁和静止的磁头， 或用光传感器进行检测， 这种传感器只能检测到一个方向的滑动。球式传感器用球代替滚轮，可以检测各个方向的滑动， 振动式滑觉传感器表面伸出的触针能和物体接触，物体滚动时， 触针与物体接触而产生振动，这个振动由压点传感器或磁场线圈结构的微小位移计检测。滚轮式滑觉传感器如图2 所示。2） 力觉传感
35、器力觉是指对机器人的指、 肢和关节等运动中所受力的感知，主要包括腕力觉、 关节力觉和支座力觉等， 根据被测对象的负载， 可以把力传感器分为测力传感器 （单轴力传感器）、 力矩表（单轴力矩传感器）、 手指传感器（检测机器人手指作用力的超小型单轴力传感器）和六轴力觉传感器。 力觉传感器根据力的检测方式不同， 可以分为： 检测应变或应力的应变片式；利用压电效应的压电元件式；用位移计测量负载产生的位移的差动变压器、电容位移计式，其中应变片被机器人广泛采用。在选用力传感器时，首先要特别注意额定值， 其次在机器人通常的力控制中，力的精度意义不大， 重要的是分辨率。 另外，在机器人上实际安装使用力觉传感器时
36、，一定要事先检查操作区域，清除障碍物。这对实验者的人身安全、对保证机器人及外围设备不受损害有重要意义。3）距离传感器距离传感器可用于机器人导航和回避障碍物，也可用于机器人空间内的物体进行定位及确定其一般形状特征。目前最常用的测距法有两种：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 12 页，共 14 页 - - - - - - - - - 13 超声波测距法：超声波是频率20kHz 以上的机械振动波，利用发射脉冲和接收脉冲的时间间隔推算出距离。超声波测距法的缺点是波束较宽，其分辨
37、力受到严重的限制，因此，主要用于导航和回避障碍物。 激光测距法：激光测距法也可以利用回波法，或者利用激光测距仪，其工作原理如下：氦氖激光器固定在基线上，在基线的一端由反射镜将激光点射向被测物体，反射镜固定在电动机轴上，电动机连续旋转，使激光点稳定地对被测目标扫描。由 CCD（电荷耦合器件）摄像机接受反射光，采用图像处理的方法检测出激光点图像，并根据位置坐标及摄像机光学特点计算出激光反射角。利用三角测距原理即可算出反射点的位置。4）其他外部传感器除以上介绍的机器人外部传感器外，还可根据机器人特殊用途安装听觉传感器， 味觉传感器及电磁波传感器， 而这些机器人主要用于科学研究、 海洋资源探测或食品分
38、析、 救火等特殊用途。 这些传感器多数属于开发阶段，有待于更进一步完善，以丰富机器人专用功能。5）传感器融合系统中使用的传感器种类和数量越来越多，每种传感器都有一定的使用条件和感知范围， 并且又能给出环境或对象的部分或整个侧面的信息， 为了有效地利用这些传感器信息， 需要采用某种形式对传感器信息进行综合、融合处理，不同类型信息的多种形式的处理系统就是传感器融合。传感器的融合技术涉及神经网络、知识工程、模糊理论等信息、检测、控制领域的新理论和新方法。机械臂的机器人视觉技术主要应用在下述两个方面：一是给装配机器人（机械手）配备视觉装置，要求视觉必须要做到：（1）识别传送带上所要装配的机械零件； （
39、2）确定该零件的空间位置。 据此信息控制机械手的动作，做到准确装配。还可用机器人视觉系统做机械零件的检查：（1）表面粗糙度的质量检查，检查是否有毛刺、破裂、空洞和生锈等缺陷；（2）检查弓箭的完好性；（3）量测工件的极限尺寸；（4）检查工件的磨损等。机械手可将不合格的工件拿走。 此外机械手还可以根据视觉的反馈信息，进行自动焊接、 喷漆和自动上下移等。二是给可行走机器人配备视觉装置， 要求视觉系统能够识别室内或室外的景物，进行道路跟踪和自主导航。 用它还可完成危险材料的搬运、野外敌后侦察和地区的扫雷等任务。（三） 、工业机器人的控制1. 机器人的大脑机器人的控制系统就是机器人的大脑，它可以有很多叫
40、法， 可以叫做： 可编程控制器、微控制器，微处理器，处理器或者计算器等，不过这都不要紧，通常微处理器是指一块芯片， 而其它的是一整套控制器， 包括微处理器和一些别的元件。任何一个机器人大脑就必须要有这块芯片，不然就称不上机器人了。 在选择微控制器的时候，主要要考虑：处理器的速度，要实现的功能，ROM 和 RAM 的大小，I/O 端口类型和数量，编程语言以及功耗等。其主要类型有：单片机、PLC 、工控机、 PC机等。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 13 页，共 14 页
41、 - - - - - - - - - 14 单有这些硬件是不够的，机器人的大脑还无法运行。只有在程序的控制下，它才能按我们的要求去工作。 可以说程序就是机器人的灵魂了。而程序是由编程语言所编写的。 编程语言是一个控制器能够接受的语言类型，一般有 C语言，汇编语言或者 basic 语言等，这些通常能被高级一点的控制器直接执行，因为在高级控制器里面内置了编译器能够直接把一些高级语言翻译成机器码。微处理器将执行这些机器码，并对机器人进行控制。2. 机器人的腿驱动器与驱动轮驱动器就是驱动机器人的动的部件。最常用的是电机了。 当然还有液压， 气动等别的驱动方式。 一个机器人最主要的控制量就是控制机器人的
42、移动，无论是自身的移动还是手臂等关节的移动， 所以机器人驱动器中最根本和本质的问题就是控制电机， 控制电机转的圈数， 就可以控制机器人移动的距离和方向，机械手臂的弯曲的程度或者移动的距离等。所以，第一个要解决的问题就是如何让电机能根据自己的意图转动。一般来说，有专门的控制卡和控制芯片来进行控制的。有了这些控制卡和芯片， 我们所要做的就是把微控制器和这些连接起来，然后就可以用程序来控制电机了。 第二个问题是控制电机的速度， 在机器人上的实际表现就是机器人或者手臂的实际运动速度了，机器人走的快慢全靠电机的转速，这样，我们就要求控制卡对电机有速度控制。电机目前常用的有两种， 步进电机和直流电机。下面
43、我将就这两种电机进行介绍：（1）直流电机：这是最最普通的电机了。直流电机最大的问题是你没法精确控制电机转的圈数， 也就前面所说的位置控制。 你必须加上一个编码盘， 来进行反馈，来获得实际转的圈数。 但是直流电机的速度控制相对就比较简单，用一种叫 PWM（脉宽调速）的调速方法可以很轻松的调节电机速度。现在也有很多控制芯片带调速功能的。 选购时要考虑的参数是电机的输出力矩，电机的功率， 电机的最高转速。（2）步进电机：看名字就知道了，它是一步一步前进的。也就是说，它可以一个角度一个角度旋转， 不象直流电机， 你可以很轻松的调节步进电机的转角位置，如果你发一个转 10 圈的指令， 步进电机就不会转1
44、1 圈，但是如果是直流电机，由于惯性作用，它可能转11 圈半。步进电机的调速是通过控制电机的频率来获得的。一般控制信号频率越高，电机转的越快，频率越低，转的越慢。选购时要考虑的参数是电机的输出力矩，电机的功率，每个脉冲电机的最小转角。还有就是关于输出的动力， 要说明一下： 一般情况下， 电机都没法直接带动轮子或者手臂， 因为速度过高力矩不够大， 所以我们需要加上一个减速箱来增加电机的输出力矩，但是代价是电机速度的减小，比如一个1：250 的齿轮箱，会让你电机的输出力矩增大250 倍，但是速度只有原来的1/250 了。首先计算出机器人所需要的速度与力矩大小，然后根据速度与力矩去选择电机与减速器。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 14 页，共 14 页 - - - - - - - - -