[科普中國]-機(jī)器人與機(jī)電一體化

簡介

現(xiàn)代機(jī)械的標(biāo)志是機(jī)電一體化，但多功能的機(jī)電一體化裝置，卻應(yīng)屬工業(yè)機(jī)器人與智能機(jī)器人。由于機(jī)器人具有多功能性或多用性，以及對環(huán)境的自適應(yīng)性，它是今后制造業(yè)中發(fā)展最快的一種機(jī)電一體化裝置。當(dāng)今，機(jī)器人技術(shù)的飛躍發(fā)展正在向人們的智能概念挑戰(zhàn)，它將影響工業(yè)生產(chǎn)的模式，并會改變?nèi)藗兊墓ぷ鞣绞胶蜕罘绞?。機(jī)器人技術(shù)必定是未來自動化的關(guān)鍵技術(shù)之一，它會有效地促進(jìn)科學(xué)技術(shù)和工業(yè)的發(fā)展。1

機(jī)電一體化就是“利用電子、信息(包括傳感器、控制、計(jì)算機(jī)等)技術(shù)使機(jī)械柔性化和智能化”的技術(shù)，“機(jī)電一體化”(mechatronics)一詞起源于日本，是由機(jī)械(mechanism)和電子(electronics)的兩個英語單詞合成的一個新的專用名詞，顧名思義，機(jī)電一體化技術(shù)的目標(biāo)就是將機(jī)械技術(shù)與電子技術(shù)相結(jié)合，充分發(fā)揮各自的長處，彌補(bǔ)各項(xiàng)技術(shù)的不足。機(jī)械的強(qiáng)度較高，輸出功率大，可以承受較大的載荷，但實(shí)現(xiàn)微小運(yùn)動比較困難。而在電子領(lǐng)域，利用傳感器和計(jì)算機(jī)可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的檢測和控制，但只利用電子技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)重載運(yùn)動。將機(jī)械技術(shù)與電子技術(shù)相結(jié)合，可以在重載條件下實(shí)現(xiàn)微小運(yùn)動和復(fù)雜運(yùn)動，使機(jī)械產(chǎn)品既能夠像動物那樣靈活動作———柔性化，也能夠像人類那樣會思考判斷———智能化。

機(jī)器人是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，是一種綜合性的機(jī)電一體化技術(shù)，包括傳動機(jī)構(gòu)、伺服控制、數(shù)據(jù)處理、人機(jī)對話以及與機(jī)器人工作性質(zhì)對應(yīng)的控制功能等，其系統(tǒng)的構(gòu)成與實(shí)現(xiàn)可按上述的五個要素分述如下：

a.機(jī)械裝置。機(jī)器人的手指、手臂、手臂的連接部分和機(jī)座等是使機(jī)器人能夠運(yùn)動的機(jī)械結(jié)構(gòu)。

b.執(zhí)行裝置。驅(qū)動機(jī)座上的機(jī)體、手臂、手指等運(yùn)動的電機(jī)和電磁鐵等。

c.能源。驅(qū)動電機(jī)的電源和驅(qū)動液壓系統(tǒng)、氣壓系統(tǒng)的液壓源和氣壓源。

d.傳感器。檢測旋轉(zhuǎn)角度和擺動角度的旋轉(zhuǎn)編碼器和旋轉(zhuǎn)變壓器等，用于監(jiān)視機(jī)器人的運(yùn)動。

e.計(jì)算機(jī)。根據(jù)來自旋轉(zhuǎn)編碼器或測速發(fā)電機(jī)的信號判斷機(jī)器人的當(dāng)前狀態(tài)，并計(jì)算和判斷要達(dá)到所希望的狀態(tài)或者移動到某一目標(biāo)應(yīng)該如何動作。

機(jī)電一體化發(fā)展階段第一階段20世紀(jì)60年代以前為第一階段，這一階段稱為初級階段。在這一時(shí)期，人們自覺不自覺地利用電子技術(shù)的初步成果來完善機(jī)械產(chǎn)品的性能。特別是在第二次世界大戰(zhàn)期間，戰(zhàn)爭刺激了機(jī)械產(chǎn)品與電子技術(shù)的結(jié)合，這些機(jī)電結(jié)合的軍用技術(shù)，戰(zhàn)后轉(zhuǎn)為民用，對戰(zhàn)后經(jīng)濟(jì)的恢復(fù)起了積極的作用。那時(shí)研制和開發(fā)從總體上看還處于自發(fā)狀態(tài)。由于當(dāng)時(shí)電子技術(shù)的發(fā)展尚未達(dá)到一定水平，機(jī)械技術(shù)與電子技術(shù)的結(jié)合還不可能廣泛和深入發(fā)展，已經(jīng)開發(fā)的產(chǎn)品也無法大量推廣。2

第二階段20世紀(jì)70~80年代為第二階段，可稱為蓬勃發(fā)展階段。這一時(shí)期，計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展，為機(jī)電一體化的發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路和微型計(jì)算機(jī)的迅猛發(fā)展，為機(jī)電一體化的發(fā)展提供了充分的物質(zhì)基礎(chǔ)。這個時(shí)期的特點(diǎn)是：①mechatronics一詞首先在日本被普遍接受，大約到20世紀(jì)80年代末期在世界范圍內(nèi)得到比較廣泛的承認(rèn)；②機(jī)電一體化技術(shù)和產(chǎn)品得到了極大發(fā)展；③各國均開始對機(jī)電一體化技術(shù)和產(chǎn)品給以很大的關(guān)注和支持。

第三階段20世紀(jì)90年代后期，開始了機(jī)電一體化技術(shù)向智能化方向邁進(jìn)的新階段，機(jī)電一體化進(jìn)入深入發(fā)展時(shí)期。一方面，光學(xué)、通信技術(shù)等進(jìn)入了機(jī)電一體化，微細(xì)加工技術(shù)也在機(jī)電一體化中嶄露頭腳，出現(xiàn)了光機(jī)電一體化和微機(jī)電一體化等新分支；另一方面對機(jī)電一體化系統(tǒng)的建模設(shè)計(jì)、分析和集成方法，機(jī)電一體化的學(xué)科體系和發(fā)展趨勢都進(jìn)行了深入研究。同時(shí)，由于人工智能技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及光纖技術(shù)等領(lǐng)域取得的巨大進(jìn)步，為機(jī)電一體化技術(shù)開辟了發(fā)展的廣闊天地。這些研究，將促使機(jī)電一體化進(jìn)一步建立完整的基礎(chǔ)和逐漸形成完整的科學(xué)體系。

中國是從20世紀(jì)80年代初才開始在這方面研究和應(yīng)用。國務(wù)院成立了機(jī)電一體化領(lǐng)導(dǎo)小組并將該技術(shù)列為“863計(jì)劃”中。在制定“九五”規(guī)劃和2010年發(fā)展綱要時(shí)充分考慮了國際上關(guān)于機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展動向和由此可能帶來的影響。許多大專院校、研究機(jī)構(gòu)及一些大中型企業(yè)對這一技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用做了大量的工作，已經(jīng)取得了一定成果，但與日本等先進(jìn)國家相比仍有相當(dāng)差距。

機(jī)電一體化的優(yōu)勢隨著機(jī)電一體化相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展，機(jī)電產(chǎn)品的外觀更加人性化、功能更加強(qiáng)大、體積和重量更加輕巧、可靠性更高等。與傳統(tǒng)的機(jī)電產(chǎn)品相比機(jī)電一體化產(chǎn)品具有以下優(yōu)勢：

（1） 功能增強(qiáng)并且應(yīng)用廣泛機(jī)電一體化產(chǎn)品最顯著的特點(diǎn)就是突破了原來傳統(tǒng)機(jī)電產(chǎn)品的單技術(shù)和單功能的局限性，將多種技術(shù)與功能集成于一體，使其功能更加強(qiáng)大。而且能適應(yīng)于不同的場合和不同的領(lǐng)域，滿足用戶需求的應(yīng)變能力較強(qiáng)。

（2） 精度大大提高機(jī)電一體化技術(shù)簡化了機(jī)構(gòu)，減少了傳動部件，從而使機(jī)械磨損、配合及受力變形等所引起的誤差大大減少，同時(shí)由于采用計(jì)算機(jī)檢測與控制技術(shù)補(bǔ)償和校正因各種干擾造成的動態(tài)誤差，從而達(dá)到單純用機(jī)械技術(shù)所無法實(shí)現(xiàn)的工作精度。

（3） 安全性和可靠性提高機(jī)電一體化產(chǎn)品一般具有自動監(jiān)控、報(bào)警、自動診斷、自動保護(hù)、安全聯(lián)鎖控制等功能。這些功能能夠避免人身傷害和設(shè)備事故的發(fā)生，提高了設(shè)備的安全性和可靠性。

（4） 改善操作機(jī)電一體化產(chǎn)品采用計(jì)算機(jī)程序控制和數(shù)字顯示，具有良好的人機(jī)界面，減少了操作按鈕及手柄，改善了設(shè)備的操作性能，減少了操作人員的培訓(xùn)時(shí)間，從而大大簡化操作。

（5） 提高柔性所謂柔性，即可以利用軟件來改變機(jī)器的工作程序，以滿足不同的需要。例如，工業(yè)機(jī)器人具有較多的運(yùn)動自由度，手爪部分可以換用不同的工具，通過改變控制程序改變運(yùn)動軌跡和運(yùn)動姿態(tài)，以適應(yīng)不同的作業(yè)要求。

機(jī)器人的組成機(jī)器人一般由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動裝置、檢測裝置和控制系統(tǒng)和復(fù)雜機(jī)械等組成。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)即機(jī)器人本體，其臂部一般采用空間開鏈連桿機(jī)構(gòu)，其中的運(yùn)動副（轉(zhuǎn)動副或移動副）常稱為關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)個數(shù)通常即為機(jī)器人的自由度數(shù)。根據(jù)關(guān)節(jié)配置型式和運(yùn)動坐標(biāo)形式的不同，機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)可分為直角坐標(biāo)式、圓柱坐標(biāo)式、極坐標(biāo)式和關(guān)節(jié)坐標(biāo)式等類型。出于擬人化的考慮，常將機(jī)器人本體的有關(guān)部位分別稱為基座、腰部、臂部、腕部、手部（夾持器或末端執(zhí)行器）和行走部（對于移動機(jī)器人）等。

驅(qū)動裝置是驅(qū)使執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動的機(jī)構(gòu)，按照控制系統(tǒng)發(fā)出的指令信號，借助于動力元件使機(jī)器人進(jìn)行動作。它輸入的是電信號，輸出的是線、角位移量。機(jī)器人使用的驅(qū)動裝置主要是電力驅(qū)動裝置，如步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)等，此外也有采用液壓、氣動等驅(qū)動裝置。

檢測裝置是實(shí)時(shí)檢測機(jī)器人的運(yùn)動及工作情況，根據(jù)需要反饋給控制系統(tǒng)，與設(shè)定信息進(jìn)行比較后，對執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，以保證機(jī)器人的動作符合預(yù)定的要求。作為檢測裝置的傳感器大致可以分為兩類：一類是內(nèi)部信息傳感器，用于檢測機(jī)器人各部分的內(nèi)部狀況，如各關(guān)節(jié)的位置、速度、加速度等，并將所測得的信息作為反饋信號送至控制器，形成閉環(huán)控制。一類是外部信息傳感器，用于獲取有關(guān)機(jī)器人的作業(yè)對象及外界環(huán)境等方面的信息，以使機(jī)器人的動作能適應(yīng)外界情況的變化，使之達(dá)到更高層次的自動化，甚至使機(jī)器人具有某種“感覺”，向智能化發(fā)展，例如視覺、聲覺等外部傳感器給出工作對象、工作環(huán)境的有關(guān)信息，利用這些信息構(gòu)成一個大的反饋回路，從而將大大提高機(jī)器人的工作精度。

控制系統(tǒng)一種是集中式控制，即機(jī)器人的全部控制由一臺微型計(jì)算機(jī)完成。另一種是分散（級）式控制，即采用多臺微機(jī)來分擔(dān)機(jī)器人的控制，如當(dāng)采用上、下兩級微機(jī)共同完成機(jī)器人的控制時(shí)，主機(jī)常用于負(fù)責(zé)系統(tǒng)的管理、通訊、運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)計(jì)算，并向下級微機(jī)發(fā)送指令信息；作為下級從機(jī)，各關(guān)節(jié)分別對應(yīng)一個CPU，進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算和伺服控制處理，實(shí)現(xiàn)給定的運(yùn)動，并向主機(jī)反饋信息。根據(jù)作業(yè)任務(wù)要求的不同，機(jī)器人的控制方式又可分為點(diǎn)位控制、連續(xù)軌跡控制和力（力矩）控制。

發(fā)展現(xiàn)狀在工業(yè)發(fā)達(dá)國家中，工業(yè)機(jī)器人及自動化生產(chǎn)線成套裝備己成為高端裝備的重要組成部分及未來發(fā)展趨勢，工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車及汽車零部件制造業(yè)、機(jī)械加工行業(yè)、電子電氣行業(yè)、橡膠及塑料工業(yè)、食品工業(yè)、物流、制造業(yè)等領(lǐng)域。3

歐洲、日本在工業(yè)機(jī)器人的研發(fā)與生產(chǎn)方面占有優(yōu)勢，其中知名的機(jī)器人公司包括ABB、KUKA、FANUC、

YASKAWA等，這四家機(jī)器人企業(yè)占據(jù)的工業(yè)機(jī)器人市場份額達(dá)到60%～80%。美國特種機(jī)器人技術(shù)創(chuàng)新活躍，軍用、醫(yī)療與家政服務(wù)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)占有絕對優(yōu)勢，占有智能服務(wù)機(jī)器人市場60%。我國工業(yè)機(jī)器人需求迫切，以每年25%～30%的速度增長，年需求量在2萬～3萬臺套，國產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化剛剛開始；在區(qū)域分布上，沿海地區(qū)企業(yè)需求高于內(nèi)地需求，民營企業(yè)對工業(yè)機(jī)器人的需求高于國有企業(yè)的需求，各地政府及企業(yè)提出了相關(guān)發(fā)展規(guī)劃將大力發(fā)展機(jī)器人產(chǎn)業(yè)。

在國外，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)備被工業(yè)界廣泛應(yīng)用，相繼形成了一批具有影響力的、著名的工業(yè)機(jī)器人公司。日本和歐盟的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)最為先進(jìn)，日本是全球范圍內(nèi)國內(nèi)工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)規(guī)模最大、應(yīng)用最廣的國家，而隸屬于歐盟組織的德國則名列全球第二；韓國在服務(wù)類機(jī)器人上的發(fā)展較為優(yōu)秀，而美國則側(cè)重于醫(yī)療和軍事機(jī)器人等方面。

根據(jù)IFR 預(yù)計(jì)，全球運(yùn)行的工業(yè)機(jī)器人將從2009 年的103.1萬臺提高到2011年的105.7萬臺，增長2.5%。到2012年，全球新安裝工業(yè)機(jī)器人將達(dá)到10.4萬臺/年。我國2011年工業(yè)機(jī)器人銷售2.26萬臺，比2010年增長了51%，成為繼日本、韓國之后的全球第三大工業(yè)機(jī)器人市場，全球工業(yè)機(jī)器人六大主要市。

我國的工業(yè)機(jī)器人我國工業(yè)機(jī)器人面臨著歷史上難得的發(fā)展機(jī)遇，包括政策紅利、經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級等剛性需求的釋放。制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級將推動我國高端制造裝備的發(fā)展，我國制造業(yè)需要實(shí)現(xiàn)從“大”到“強(qiáng)”，同時(shí)國內(nèi)外經(jīng)濟(jì)環(huán)境的變化將倒逼產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，我國制造業(yè)將從依靠廉價(jià)勞動力、破環(huán)資源與環(huán)境的粗放式發(fā)展模式向依靠提高生產(chǎn)效率、環(huán)境友好型的精細(xì)式發(fā)展模式進(jìn)行轉(zhuǎn)變。工業(yè)機(jī)器人作為我國高端裝備制造的基礎(chǔ)設(shè)備之一，是我國“十二五”發(fā)展規(guī)劃中高端制造裝備戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，也是其他戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)裝備。隨著我國產(chǎn)業(yè)的逐步轉(zhuǎn)型升級，以工業(yè)機(jī)器人為代表的智能裝備將實(shí)現(xiàn)爆發(fā)式增長。

我國工業(yè)機(jī)器人盡管在某些關(guān)鍵技術(shù)上有所突破，但還缺乏整體核心技術(shù)的突破，特別是在制造工藝與整套裝備方面，缺乏高精密、高速與高效的減速機(jī)、伺服電動機(jī)、控制器等關(guān)鍵部件。建議對關(guān)鍵技術(shù)開展攻關(guān)，掌握以下核心技術(shù)：模塊化、可重構(gòu)的工業(yè)機(jī)器人新型機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，基于實(shí)時(shí)系統(tǒng)和高速通信總線的高性能開放式控制系統(tǒng)，在高速、負(fù)載工作環(huán)境下的工業(yè)機(jī)器人優(yōu)化設(shè)計(jì)，高精度工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動規(guī)劃和伺服控制，基于三維虛擬仿真和工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)線集成技術(shù)，復(fù)雜環(huán)境下機(jī)器人動力學(xué)控制，工業(yè)機(jī)器人故障遠(yuǎn)程診斷與修復(fù)技術(shù)等。

機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)工業(yè)機(jī)器人靈巧操作技術(shù)工業(yè)機(jī)器人機(jī)械臂和機(jī)械手在制造業(yè)應(yīng)用中模仿人手的靈巧操作，在感知，高精度高可靠性感知，規(guī)劃和控制性方面開展關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，最終達(dá)到通過獨(dú)立關(guān)節(jié)以及創(chuàng)新機(jī)構(gòu)、傳感器，達(dá)到人手級別的觸覺感知陣列，動力學(xué)性能超過人手的高復(fù)雜度機(jī)械手能夠進(jìn)行整只手的握取，并能做加工廠工人在加工制造環(huán)境中的靈活性操作工作。4

工業(yè)機(jī)器人自主導(dǎo)航技術(shù)在由靜態(tài)障礙物、車輛、行人和動物組成的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中實(shí)現(xiàn)安全的自主導(dǎo)航，對裝配生產(chǎn)線上對原材料進(jìn)行裝卸處理的搬運(yùn)機(jī)器人、原材料到成品的高效運(yùn)輸?shù)腁GV工業(yè)機(jī)器人以及類似于入庫存儲和調(diào)配的后勤操作、采礦和建筑裝備的工業(yè)機(jī)器人均為關(guān)鍵技術(shù)，需要進(jìn)一步進(jìn)行深入研發(fā)技術(shù)攻關(guān)。

工業(yè)機(jī)器人環(huán)境感知與傳感技術(shù)來的工業(yè)機(jī)器人將大大提高工廠的感知系統(tǒng)，以檢測機(jī)器人及周圍設(shè)備的任務(wù)進(jìn)展情況，能夠及時(shí)檢測部件和產(chǎn)品組件的生產(chǎn)情況、估算出生產(chǎn)人員的情緒和身體狀態(tài)，需要攻克高精度的覺、力覺傳感器和圖像解析算法，重大的技術(shù)挑戰(zhàn)包括非侵入式的生物傳感器及表達(dá)人類行為和情緒的模型。通過高精度傳感器構(gòu)建用于裝配任務(wù)和跟蹤任務(wù)進(jìn)度的物理模型，以減少自動化生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的不確定性。

工業(yè)機(jī)器人的人機(jī)交互技術(shù)未來工業(yè)機(jī)器人的研發(fā)中越來越強(qiáng)調(diào)新型人機(jī)合作的重要性，研究全浸入式圖形化環(huán)境、三維全息環(huán)境建模、真實(shí)三維虛擬現(xiàn)實(shí)裝置以及力、溫度、振動等多物理作用效應(yīng)人機(jī)交互裝置。為了達(dá)到機(jī)器人與人類生活行為環(huán)境以及人類自身和諧共處的目標(biāo)，需要解決的關(guān)鍵問題包括：機(jī)器人本質(zhì)安全問題，保障機(jī)器人與人、環(huán)境間的絕對安全共處；任務(wù)環(huán)境的自主適應(yīng)問題，自主適應(yīng)個體差異、任務(wù)及生產(chǎn)環(huán)境；多樣化作業(yè)工具的操作問題，靈活使用各種執(zhí)行器完成復(fù)雜操作；人-機(jī)高效協(xié)同問題，準(zhǔn)確理解人的需求并主動協(xié)助。