现代机器人发展现状

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1、现代机器人发展现状现代机器人发展现状新乡学院 王辉 关键词：焊接机器人、微机器人、家庭服务机器人、发展、现状。关键词：焊接机器人、微机器人、家庭服务机器人、发展、现状。1 焊接机器人的研究现状焊接机器人的研究现状 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，当前对机器人技术的研究十分活跃。工业机器人先后经历从 第一 代示教再现机器人、第二代离线编程机器人，到现在的第三代智能机器人三个过程。从目 前国内外的研究现状来看，焊接机器人技术研究主要集中在焊缝跟踪技术、离线编程与路 径规 划技术、多机器人协调控制技术、专用弧焊电源技术、焊接机器人

2、系统仿 真技术、遥控焊接技术等七个方面 1.1 焊缝跟踪技术的研究 国内外焊接机器人技术的研究现状，并展望了焊接机器人技术的发展趋势。焊接机器 人；研究现状；发展趋势感器一般分为三类：并列双丝电弧传感器、摆动电弧传感器、旋 转式扫描电弧传感器，其中旋转电弧传感器比前两者的偏差检测灵敏度高，控制性能较好。 光学传感器的种类很多，主要包括红外、光电、激光、视觉、光谱和光纤式，光学传感器 的研究又以视觉传感器为主，视觉传感器所获得的信息量大，结合计算机视觉和图像处理 的最新技术，大大增强弧焊机器人的外部适应能力。激光跟踪传感器具有优越的性能，成 为最有前途、发 展最快的焊接传感器。 1.2 离线编程

3、与路径规划技术的研究 针对弧焊应用，自动编程技术可以表述为在编程各阶段中，能够辅助编程者完成独立 的、具有一定实施目的和结果的编程任务的技术，具有智能化程度高、编程质量和效率高 等特点。离线编程技术的理想目标是实现全自动编程，即只需输入工件的模型，离线编程 系统中的专家系统会自动制定相应的工艺过程， 并最终生成整个加工过程的机器人程序。目前，还不能实现全自动编程，自动编程技术是 当前研究的重点。 1.3 多机器人协调控制技术的研究 多机器人系统是指为完成某一任务由若干个机器人通过合作与协调组合成一体的系统。 它包含两方面的内容，即多机器人合作与多机器人协调。当给定多机器人系统某项任务时， 首先

4、面临的问题是如何组织多个机器人去完成任务，如何将总体任务分配给各个成员机器 人即机器人之间怎样进行有效的合作。当以某种机制确定了各自任务与关系后，问题变为 如何保持机器人间的运动协调一致，即多机器人协调。对于由紧耦合子任务组成的复杂任 务而言，协调问题尤其突出。智能体技术是解决这一问题最有力的工具，多智能体系统是 研究在一 定的网络环境中，各个分散的、相对独立的智能子系统之间通过合作，共同完成一个或多 个控制作业任务的技术。多机器人焊接的协调控制是目前的一个研究热点问题。 1.4 专用弧焊电源的研究 一般采用熔化极气体保护焊（MIG 焊、MAG 焊、CO 焊）或非熔化极气体保护焊 （TIG、等

5、离子弧焊）方法，熔化极气体保护焊焊接电源主要使用晶闸管电源与逆变电源。 近年来，弧焊逆变器的技术已趋于成熟，机器人用的专用弧焊逆变电源大多为单片微机控制的晶体管式弧焊逆变器，并配以精细的波形控制和模糊控制技术，工作频率在 2050kHz，最高的可达 200kHz，焊接系统具有十分优良的动特性，非常适合机器人自动 化和智能化焊接。还有一些特殊功能的电源，如适合铝及其铝合金 TIG 焊的方波交流电源、 带有专家系统的焊接电源等。目前，有一种采用模糊控制方法的焊接电源，可以更好保证 焊缝熔宽和熔深的基本一致，不仅焊缝表面美观，而且还能减少焊接缺陷。弧焊电源不断 向数字化方向发展，其特点是焊接参数稳定

6、,受网路电压波动、温升、元器件老化等因素的 影响很小，具有较高的重复性，焊接质量稳定、成形良好。另外,利用 DSP 的快响应，可 以通过主控制系统的指令精确控制逆变电源的输出,使之具有输出多种电流波形和弧压高速 稳定调节的功能，适应多种焊接方法对电源的要求。 1.5 仿真技术的研究 机器人在研制、设计和试验过程中，经常需要对其运动学、动力学性能进行分析以及 进行轨迹规划设计，而机器人又是多自由度、多连杆空间机构，其运动学和动力学问题十 分复杂，计算难度和计算量都很大。若将机械手作为仿真对象，运用计算机图形技术与 CAD 技术和机器人学理论在计算机中形成几何图形，并用动画显示，然后对机器人的机构

7、 设计、运动学正反解分析、操作臂控制以及实际工作环境中的障碍避让和碰撞干涉等诸多 问题进行模拟仿真，这样就可以很好地解决研发机械手过程中出现的问题。 1.6 遥控焊接技术的研究 遥控焊接是指人在离开现场的安全环境中对焊接设备和焊接过程进行远程监视和控制， 从而完成完整的焊接工作。在核电站设备的维修、海洋工程建设以及未来的空间站建设中 都要用到焊接，这些环境中的焊接工作不适合人类亲临现场，而目前的技术水平还不可能 实现完全的自主焊接，因此需要采用遥控焊接技术。目前，美国、欧洲、日本等国对遥控 焊接进行了深入的研究，国内哈尔滨工业大学也正在进行这方面的研究。为了适应工业生 产系统向大型、复杂、动态

8、和开放方向发展的需要，国际机器人界都在加大科研力度，对 机器人技术进行深入研究。2 微机器人的研究现状微机器人的研究现状 微机器人学包括微型机器人和微动机器人1。两者相比,微动机器人技术发展较快,因 为微动机器人的外形尺寸不必很小,它的大部分研究问题仍属宏观范畴。微动机器人系统是 指末端工具在一个较小的工作空间(如 mm 尺度)内进行系统精度达到 15m 或 100 nm1. 0m 的操作,被操作的主要对象是生物细胞、微电子元件、光纤等微观尺度的物体。该系 统进行的操作是微细的,而装置本身并不是微型的,因此微动机器人系统一般由以下几个方面 组成:高倍频、高分辨率的显微视觉系统;对操作对象进行固

9、定的作业平台及夹持设备;能够 改变操作对象位姿的多自由度操作机器人手2。从 20 世纪 80 年代末期开始,国内外学者就 已陆续研究出多种不同结构的微动机器人。在医疗应用领域,微机器人能有效地减轻病人在 治疗时的痛苦,有极好的应用前景。2001 年 9 月 5 日,世界第 1 台脑外科手术机器人在伦敦 研制成功3,如图 1 所示。这台名叫“探路者”的机器人通过计算机控制,操作准确无误,可 减轻病人在手术时的痛苦。德国 PI 公司也研制出用于脑部手术的微动机器人4,如图 2 所 示。美国纽约的 ComellUniversity 医学院已用微动机器人进行了动物的输精管手术实验。 法国于 1995

10、年研制了一种医用管道微机器人,它的直径为 1 cm,长度为 3 cm,一端是可更换 的头部装置。美国加州理工大学研制了一种主动内窥检查的微机器人,它的尾部带有电缆,其 主体主要由支撑器和延展器组成,采用蚯蚓蠕动方式运动。意大利研制了用于结肠检查的携 带主动内窥镜的微机器人,由母体、微型手臂、人机接口组成,母体由 3 个模块组成,其中 2 个模块起定位和支撑作用, 1 个模块起伸缩作用。美国 MIT 生物仪器实验室研制了一台称 作“纳米步行者”的 3 条腿无线微型机器人3,可在亚原子级的范围内进行操作。它的每条腿由 4 个压电陶瓷电子管驱动,在连续运动时,还可以连续使用交替的三角形支撑,能够适应

11、 各种条件。图 1 脑外科手术机器人图 2 PI 公司研制的脑部手术机器人美国 MIT 人工智 能实验室研制出一种微型器蚂蚁4,如图 3 所示。这个微小的蚂蚁体积只有 16. 386 2 cm3, 但是却集成了 17 个传感器,包括 4 个光敏元件、4 个红外接收器、4 个碰撞传感器、4 个食 物传感器和 1 个倾斜传感器。美国加州大学伯克力分校研制了微型机器人苍蝇4,如图 4 所 示。这是迄今为止最小的可以拍打翅膀的机器人。这个微型机器人苍蝇的翅翼只有 3 cm,质 量约 300 mg,与一只蜜蜂的质量相当,该计划是美国国防部投资的,希望用于战场侦察,它还可 用作气象传感器和通气管道检查员。

12、图 3 微型器蚂蚁图 4 微型机器人苍蝇清华大学在周 兆英教授的带领下于 2001 年研制出目前世界最细的超声马达3,质量 36 mg,长 5 mm,是一 个直立的圆柱通过周边牵动的导线开始运转时,它的“头部”均匀地旋转,“脚底”则同时发 出有韵律的振动。如图 5 所示。这种微马达使微小机器人在人体血管内的移动成为可能。3 我国家庭服务机器人产业发展现状我国家庭服务机器人产业发展现状 时至今日，机器人已从第一代示教再现型机器人、第二代带感觉的机器人发展到第三 代智能机器人，而服务机器人正是第三代机器人的典型代表。目前国外的科学家们在移动 机构设计、传感器融合与环境建模技术、路径规划技术、能源技

13、术、智能控制技术、人机 交互技术、成本控制等方面都取得了长足的进步。美国 iRobot 公司推出室内地毯和地板清 洁机器人，具有污物探测功能，可根据房间地面的具体情况进行有重点的清洁。本田公司 的双足机器人“ASIMO” ，步行时速达 3km 几乎与人类相同。索尼 QRIO 机器人可以漫步、 跳舞，做很多高难度动作而且能识别口语并做出回应。三菱重工的家用机器人“Wakamaru”能识别家庭成员的脸部特征，并通过转动脸部和手腕来表现喜怒哀乐。韩国 的“irobi”机器人不仅能念书、唱歌、讲故事当家里无人的时候，它还可以确认大门是否 上锁以及煤气是否关闭。假如有人闯进家门，它还可以将其拍摄下来给主

14、人发电子邮件。 美国的“InTouch Health”远程医疗机器人具有时双向的视频和语音传送系统以及行走系统， 已成为医与患者之间的连心桥。配备有各种检测装置的机器人保更成为美国军方后勤部门 以及各大公司的新宠。根据联合国欧洲经济委员会(United NatioEconomic Commision for Europe,UNECE)统计，计 2003 年底，全球服务机器人总台数约为 132 万台，其中教育娱乐 机器人与家务机器人分占第一、二名，各为 6 台与 60 万台，占 52.39%、45.98%。国际机 器人联合会在球机器人相关发展调查报告中指出，自 2004 至 2007 年服务机器

15、人产量大幅 成长为 670 万台，而各种不同使用别的机器人中，家务机器人将跃升成为主流，占总产量 61.83%，教育娱乐机器人则降低所占比例为 37.25%，居第二位1 。该项变化的主要原因 在于，在机械控制技术趋成熟的情况下，从事有目的活动的家务辅助机器人，可发展到使 用者所需要的水平，因此在该类型机器人数大幅增加的情况下，预计将会挤压娱乐机器人 占有比例日本机器人协会的调查报告显示，工业机器人未来成长空间已经十分有限；反观 服务机器人将有大幅成预估 2010 年约有 171 亿美元，2025 年将有 517 亿美元的市规模。 英国半导体行业研究机构(VLSI Research)调查估，至 2010 年全球智能机器人市场将达 593 亿美元，而能机器人所需各种零组件相关市场商机也达数十亿美元上。韩国信息通信部调 查研究报告指出，2012 年全球智机器人产值将高达 2500 亿美元。虽然各种统计数据对机 人的种类划分不是很统一，导致预测结果有差异，但都明了服务机器人未来良好的发展态 势。参考文献： 焊接机器人的研究现状与发展方向 宋金虎 山东交通职业学院 微机器人的研究现状与发展趋势 赵然,李艳文,赵铁石 燕山大学机械工程学院机器人技术与应用双月刊第 2 期07 机械设计制造及其自动化本科一班 王辉 2007141101030 2010 年 5 月 18 日