机器人原理及应用

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1、機器人的原理及應用 1/9 篇名 機器人的原理及應用機器人的原理及應用 作者 王若云。國立台南高商。資一乙班。王若云。國立台南高商。資一乙班。 蔡姵珊蔡姵珊。國立台南高商。資一乙班國立台南高商。資一乙班。 PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http:/機器人的原理及應用 2/9 壹前言壹前言 在現今，機器人對我們的生活上已經有很大的影響，例如：在工業上， 有一些較危險的事，為了避免人會受傷，因此利用機器人來完成；在宇宙 的探險上，機器人因不受地形的影響，可在任何時間走任何地方 等。可見得，機器人對我們是有很大的幫助，

2、但是，在我們利用它們的同 時，有沒有曾想過它們是為什麼而被創造出來？怎麼做出來的？其實機器 人的應用還不是很普遍，除了要確保安全和自主性上的要求外，其在未知 環境中導航能力仍然需要克服的問題。機器人實際上要摸仿人類的活動思 考方式，實在仍有一段現實的距離，這也正是學術界中要進研究與克服的 地方。 貳正文貳正文 一一. 機器人的定義：機器人的定義： ISO/TC184/SC2/WG1(1984 年)曾對機器人定義： 機器人是可程式的機械，在自動控制下實行包括操作或移動動作之課題 。機器人 （Robot） 一詞源自於捷克語“Robota“，意為 奴隸 、 工人 。故機器人之本質應以取代工人為目的，

3、然後應用於生產作業。但在工廠中的機器人，大多數是屬動作自由度在特定範圍內的機械手臂而已，由於工廠中有些危險性高或負擔繁重的工作，可由機器手臂來取代。在一個全自動化的無人工廠中，機器人則可能取代全部生產線上的工作，因此原料進入，產品直接包裝妥善後運出工廠外，完全自動化。這類工業級的機器人在力量、速度、重複性、和長時間工作的能力上都遠優於人類，因此對於工業製造上有很大的幫助。然而，機器人的應用當不只於此。在國際上， 對於服務性機器人的工作已逐漸受重視。有些智慧型機器人除工廠內使用者外，尚可協助人類和一般器具執行特定的工作， 為人類服務。 二二. 機器人的原理：機器人的原理： 機器人系統則應包括有：

4、 1.機器人。 2.末端效應器(End Effector)。 3.相關機器人所需之裝備與感應器 、 以及用來操作或監控用之相關 通訊界面。 PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http:/機器人的原理及應用 3/9 機器人可依據位置座標、速度、末端效應器之抓取姿勢等命 令，透過記憶裝置，執行固定或非固定之程序控制。機器人機構 中 ， 最基本者為各致動器 ， 透過連桿與齒輪組可執行控制次系統(控 制器)所下達之各種命令。致動器可為油、氣壓，或是電動馬達等。 目前產業界機器人仍以 DC 或 AC 電動馬達為主要之致動器。電

5、動 馬達可為步進或伺服馬達，操作者可透過教導盒或是主電腦下達 機器人相對於世界座標(World Coordinate)之控制指令，以完成所需 之各種基本控制，或智慧型規劃動作等。機器人亦可具觸覺或視 覺感應器，透過感應器界面以執行精確之控制程序或所需之安全 防護機能。 三三. 機器人的種類：機器人的種類： 1. 移動式機器人移動式機器人 機器人可以移動後，行走變成重要的功能，其運動及應用範圍將再次擴大，各項辦識及定位功能均需另外加入。這方面的研究也就顯得格外重要，特別是具自動導航能力之機器人，必須增加機器人的智慧及判斷能力。茲就其移動方式稍作說明。 a. 輪式機器人（輪式機器人（W h e e

6、 l e d R o b o t） 輪行式機器人操縱容易，其穩定性較好，移動距離所需的能量也較小，但此型機器人像汽車一樣，僅適用於平面行走，受地形和地質限制較大。要它在鬆軟的砂地或在崎嶇不平的地表上運動，就非常困雞。 b. 有腳的機器人有腳的機器人( L e g g e d R o b o t ) 機器人有腳時較容易跨越障礙物，安穩地上下樓梯，以及在極度崎嶇的地面上平順的運動。改良式的輪式機器人固然也能克服一些地面不佳的問題，不過其能力仍比不上有腳機器人。穩定 性是研究有腳機器人的重要課題。三腳以上的機器人，基本上是 可形成穩態系統，但行進間如何保持穩態則更重要。有腳的機構 應較輕巧、富撓性，

7、與多自由度（可能需多餘的自由度）。由於 機構複雜、移動面又時有變化，故設計時也變得更為複雜。為達到動態穩定的要求，在控制上也變得更為精細。所以此型機器人 的移動速度不會很快，看起來很難像跑馬拉松那樣。 c. 水底機器人（水底機器人（U n d e r w a t e r R o b o t） 海洋佔地表面積的70%，然而由於深海的壓力及複雜的障礙 環境，即使擁有太空科技的人類仍難以任意在海底旅行，利用水 底機器人也許可以為人走一回。近幾年來為了在深海和危險的區 域作業，遙控水底機器人（艇）的發展快速增加，不過因為操作PDF created with FinePrint pdfFactory P

8、ro trial version http:/機器人的原理及應用 4/9 成本因素，這種方式始終限制在少數的應用上。操作成本主要來 自於連繫繩纜的使用，不僅需要母船，拖曳繩纜也增加能源消 耗。若能有自主式水底機器人，將可解決一些問題，只怕過份自 主之後，它也不想回來了。自主式水底機器人和一般機器人在需 求上有些不同。以定位技術而言，在陸地利用影像或全球定位系 統 （GPS） 即可應付自如在水中則沒那麼方便，因為影像模糊， 視野也有限而GPS 在水中的效果也被大打折扣，更何況海水 中的暗流及非結構化的環境增加許多變數。 一般而言，感測器的成效是水底機器人成敗的關鍵。在導航 方面，常用的感測器有聲

9、波應答機（Acoustic Transponder）、都 卜勒聲納、慣性導航系統、無線電和衛星定位等；在障礙物偵測 方面有聲納和雷射；在自我診斷方面有測漏計，溫度、壓力、電壓、電流監視系統，以及制動器和感測器監視系統；在通訊方面有電纜、聲波、無線電，和雷射等方式；在取得影像方面可採用聲納、光電感測器、和磁感測器。 最近發展出來的自主式水底機器人有下列各項： (1)英國New Hampshire 大學的EAVE。 (2)英國Woods Hole 海洋研究所的ABE。 (3)美國麻州理工學院的Odyssey。 (4)美國佛州大西洋大學的Ocean Voyager。 (5)俄羅斯海洋技術問題研究所的

10、MT-88。 (6)日本KDD 的AEl000。 (7)美國夏威夷大學的ODlN。 d. 飛行機器人（飛行機器人（A i r b o r n e R o b o t ） EVAR（Extra-Vehicular Autonomous Robot）是美國太空總署在詹森太空中心發展出來的聲控智慧型自由飛行機器人。他可 協助自由號太空站的太空人取得工具或其它物體以便進行維修工作。EVAR 有兩條六個自由度的機械臂，其中一臂還裝有靈 巧的Jameson 機械手。感測器方面包括加速計、陀螺儀、兩個獨 立的影像系統、力感測器以及近接感測器。電腦處理器則包括兩個l5MHZ 的T4l4 transputer，

11、十二個20Mhz T800 的transputer， 一個l6MHZ 的80386，以及六個68020 控制器。飛機的自動導航 可算是飛行機器人的基本動作，但如何增加其它的工作能仍有 待研究。另外就軍事方面而言，飛行機器人也具備成為一智慧 型飛彈的潛能，因為它能正確地辨識目標物並朝其移動。這種機械人必須被訓練成為有自殺個性的軍人意志才行。 e. 微型機器人與細胞機器人微型機器人與細胞機器人 微型機器人學與細胞機器人學也是機器人學研究的一大PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http:/機器人的原理及應用 5/9 分支，

12、事實上它也是小東西中之大學問。在國際電機電子工程 師學會的機器人學與自動化協會中也有這樣一個技術委員會。 細胞機器人學的觀念於l987年由名古屋大學的Toshio Fukuda教授 提出。鑑於有些工作環境受到客觀條件的限制，如很小的出口， 很大的工作空間，或很重的物體時，在工作期間會產生問題， 因此針對特殊目的而建立適當大小的機器人共同合作是很需要 的。微型機器人學之研究，起源在於狹小環境的工作需求。事 實上這兩個研究的動機固然不同，然而它們卻也具有一些共通 性與相輔相成的可能。其共通性在於分散化、模組化、與單體 的有限功能，這三點對於細胞機器人學而言是很清楚的對於 微型機器人而言，形體要小除

13、了製造技術的改進外，內部元件、 功能也必須減少，因此前述的三項特點也就顯現出來了。 2. 微型機器人學微型機器人學 對於何種大小的機器人才可稱為微型機器人目前尚無嚴格的定義，通常是指在毫米以下的大小。近年來微型機器人學的發展受到很大的重視，一般認為它將是二十一世紀的一項基本技術，其應用場合很廣，包括工業上微小部位或空間的維護與檢驗，生物學上的細微操作（如基因處理或細胞融合），以及醫藥上的顯微手術、人體內部的檢驗甚至醫療等。到目前為止，真正的微型機器人尚未出現，主要原因在於欲實現此目標所需的技術種類很多，要求也高。但日本松下去年曾經發表一個僅有二、三公分大小的引擎，麻雀雖小五臟俱全，而且還可以運

14、轉。以下說明一些微型技術之研究主題： a. 微製造術微製造術 國人的芒刻，在一個米粒上彫刻禮運大同篇，是微製的開端然積體IC 的製造亦是微製造術的極緻 ， 此項技術亦可應用 在此方面。現有的研究中也有一種名為LIGA（德文的Lithographie Galvanoformung Abformung ）的程序是引人注目 的，不過在微製造術方面仍有以下幾個主題需要努力：3-D 製 造法、材料與固態分析、系統設計方法。 b. 比例的問題比例的問題 由於機器人本體極為輕小，摩擦力的影響程度相對的就變大，在流體力面，其黏滯效用等也必須有不同的考慮，因此在 機械方面有兩個題目變得更為重要：其一是微小機構的

15、潤滑， 其二是微小世界的流體力學。 c. 量測方法量測方法 耍控制微型機器人首先要能對其自身及工作環境、對象做PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http:/機器人的原理及應用 6/9 量測。雖然光學顯微鏡和電子顯微鏡可量測到極細微的物體， 但是針對微型機器人系統的感測器發展卻是非常不足的。 d. 控制方法控制方法 因為摩擦力和黏滯力的效用增大，微型機器人的非線性特 質必須要考慮，控制方式也因此較為不同。 e. 通訊通訊 這個主題和控制也有些關係。在微型機器人真正付諸實用 時，單一微型機器人因大小和技術的限制，功能可能

16、有限而不 足以單獨完成一項應用 ， 此時多個機器人的合作是必須的(這裡 牽涉了細胞機器人學的觀念），彼此間的資訊互通也因此成為 一個研究的主題，而資訊的系統架構及通訊方法為其下之重要 子題。 f. 能源供給問題能源供給問題 考慮微型機器人的應用，電源供給不能靠電線，而內建式的電源因極小化的關係則有待研究，電磁波，高頻波、及紫外線是幾個可能的考慮。 g. 人機界面人機界面 微型機器人因機體小，其智慧可能有限，而就其應用場合而言，人類的知識可能還是極有價值的，因此人機界面是有助於工作的完成其中，虛擬實境的技術也是一項考量。 3. 細胞機器人學細胞機器人學 傳統機器人的發展是朝向增加單體的複雜度以及智慧的程度，在某些應用需整合多個機器人時，也是使這些機器人各具某種特殊的智慧以進行合作有別於此的是Fukuda