一、機器人的發展歷史

早在三千多年前的西周時代,我國就出現了能歌善舞的木偶,稱為“倡者”,這可能是世界上最早的“機器人”。

在近代,隨著第一次、第二次工業革命,各種機械裝置的發明與應用,世界各地出現了許多“機器人”玩具和工藝品。這些裝置大多由時鐘機構驅動,用凸輪和杠桿傳遞運動。

1920年,捷克作家K.凱比克在一科幻劇本中首次提出了ROBOT(漢語前譯為“勞伯”)這個名詞。現在已被人們作為機器人的專用名詞。

1950年美國作家I.阿西莫夫提出了機器人學(Robotics)這一概念,并提出了所謂的“機器人三原則”,即: 1.機器人不可傷人;2.機器人必須服從人給與,但不和(1)矛盾的指令;3.在與(1)、(2)原則不相矛盾的前提下,機器人可維護自身不受傷害。

本世紀50、60年代,隨著機構理論和伺服理論的發展,機器人進入了使用化階段。1954年美國的G.C.Devol發表了“通用機器人”專利;1960年美國AMF公司生產了柱坐標型Versatran機器人,可作點位和軌跡控制,這是世界上第一種用于工業生產上的機器人。

70年代,隨著計算機技術、現代控制技術、傳感技術、人工智能技術的發展,機器人得到了迅速發展。1974年Cincinnati Milacron公司開發成功多關節機器人;1979年,Unimation公司又推出了PUMA機器人,它是一種多關節、全電動驅動、多CPU二級控制;采用VAL專用語言;可配視覺、觸覺、力覺傳感器,在當時是一種技術先進的工業機器人。現在的工業機器人結構大體上是以此為基礎的。

這一時期的機器人屬于“示教再現”(Teach-in / Playback)型機器人。只具有記憶、存儲能力,按相應程序重復作業,但對周圍環境基本沒有感知與反饋控制能力。這種機器人被稱作第一代機器人。

進入80年代,隨著傳感技術,包括視覺傳感器、非視覺傳感器(力覺、觸覺、接近覺等)以及信息處理技術的發展,出現了第二代機器人—有感覺的機器人。它能夠獲得作業環境和作業對象的部分有關信息,進行一定的實時處理,引導機器人進行作業。第二代機器人已進入了使用化,在工業生產中得到廣泛應用。

第三代機器人是目前正在研究的“智能機器人”。它不僅具有比第二代機器人更加完善的環境感知能力,而且還具有邏輯思維、判斷和決策能力,可根據作業要求與環境信息自主地進行工作。

二、機器人的定義和基本組成

由于研究的側重點不同,對于機器人的定義,國際上目前尚未有明確的統一標準。綜合各種定義,可將機器人理解為:機器人是一種在計算機控制下的可編程的自動機器,根據所處的環境和作業需要,它具有至少一項或多項擬人功能,另外還可能程度不同地具有某些環境感知能力(如視覺、力覺、觸覺、接近覺等),以及語言功能乃至邏輯思維、判斷決策功能等,從而使它能在要求的環境中代替人進行作業。

機器人一般由以下部分組成:

1. 機械本體

機器人的機械本體機構基本上分為兩大類:一類是操作本體機構,它類似人的手臂和手腕,配上各種手爪與末端操作器后可進行各種抓取動作和操作作業,工業機器人主要采用這種結構。另一類為移動型本體結構,主要目的是實現移動功能,主要有輪式、履帶式、足腿式結構以及蛇行、蠕動、變形運動等機構。壁面爬行、水下推動等機構也可歸于這一類。

2.驅動伺服單元

機器人本體機械結構的動作是依靠關節機器人的關節驅動,而大多數機器人是基于閉環控制原理進行的。伺服控制器的作用是使驅動單元驅動關節并帶動負載超減少偏差的方向動作。已被廣泛應用的驅動方式有,液壓伺服驅動、電機伺服驅動,近年來氣動伺服驅動技術也有一定進展。

3.計算機控制系統

各關節伺服驅動的指令值由主計算機計算后,在各采樣周期給出。主計算機根據示教點參考坐標的空間位置、方位及速度,通過運動學逆運算把數據轉變為關節的指令值。

通常的機器人采用主計算機與關節驅動伺服計算機兩級計算機控制,有時為了實現智能控制,還需對包括視覺等各種傳感器信號進行采集、處理并進行模式識別、問題求解、任務規劃、判斷決策等,這時空間的示教點將由另一臺計算機上級計算機根據傳感信號產生,形成三級計算機系統。

4.傳感系統

為了是機器人正常工作,必須與周圍環境保持密切聯系,除了關節伺服驅動系統的位置傳感器(稱作內部傳感器)外,還要配備視覺、力覺、觸覺、接近覺等多種類型的傳感器(稱作外部傳感器)以及傳感信號的采集處理系統

5. 輸入/輸出系統接口

為了與周邊系統及相應操作進行聯系與應答,還應有各種通訊接口和人機通信裝置。工業機器人提供一內部PLC,它可以與外部設備相聯,完成與外部設備間的邏輯與時實控制。一般還有一個以上的串行通訊接口,以完成磁盤數據存儲、<
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