那些你必須知道的關于機器人的基礎知識

機器人的歷史并不算長，1959年美國英格伯格和德沃爾制造出世界上第一臺工業機器人，機器人的歷史才真正開始。英格伯格在大學攻讀伺服理論，這是一種研究運動機構如何才能更好地跟蹤控制信號的理論。德沃爾曾于1946年發明了一種系統，可以“重演”所記錄的機器的運動。1954年,德沃爾又獲得可編程機械手專利，這種機械手臂按程序進行工作，可以根據不同的工作需要編制不同的程序，因此具有通用性和靈活性，英格伯格和德沃爾都在研究機器人，認為汽車工業最適于用機器人干活，因為是用重型機器進行工作，生產過程較為固定。1959年，英格伯格和德沃爾聯手制造出第一臺工業機器人。

機器人的分類

關于機器人如何分類，國際上沒有制定統一的標準，有的按負載重量分，有的按控制方式分，有的按自由度分，有的按結構分，有的按應用領域分。一般的分類方式：

示教再現型機器人：通過引導或其它方式，先教會機器人動作，輸入工作程序，機器人則自動重復進行作業。

數控型機器人：不必使機器人動作，通過數值、語言等對機器人進行示教，機器人根據示教后的信息進行作業。

感覺控制型機器人：利用傳感器獲取的信息控制機器人的動作。

適應控制型機器人：機器人能適應環境的變化，控制其自身的行動。

學習控制型機器人：機器人能“體會”工作的經驗，具有一定的學習功能，并將所“學”的經驗用于工作中。

智能機器人：以人工智能決定其行動的機器人。

我國的機器人專家從應用環境出發，將機器人分為兩大類，即工業機器人和特種機器人。所謂工業機器人就是面向工業領域的多關節機械手或多自由度機器人。而特種機器人則是除工業機器人之外的、用于非制造業并服務于人類的各種先進機器人，包括：服務機器人、水下機器人、娛樂機器人、軍用機器人、農業機器人、機器人化機器等。在特種機器人中，有些分支發展很快，有獨立成體系的趨勢，如服務機器人、水下機器人、軍用機器人、微操作機器人等。目前，國際上的機器人學者，從應用環境出發將機器人也分為兩類：制造環境下的工業機器人和非制造環境下的服務與仿人型機器人，這和我國的分類是一致的。

機器人的優缺點

機器人使用的優點：

機器人和自動化技術在多數情況下可以提高生產率，安全性，效率，產品質量和產品的一性；

機器人可以在危險的環境下工作，而無需考慮生命保障或安全的需要；

機器人無需舒適的環境，例如考慮照明，空調，通風以及噪音隔離等。

機器人能不知疲倦，不知厭煩地持續工作，他們不會有心理問題，做事不拖沓，不需要醫療保險或假期；

機器人除了發生故障或磨損外，將始終如一地保持精確度；

機器人具有比人高得多的精確度。直線位移精度可達千分之幾英寸（1英寸= 2.54cm），新型的半導體晶片處理機器人具有微英寸級的精度；

機器人和其附屬設備及傳感器具有某些人類所不具備的能力；

機器人可以同時響應多個激勵或處理多項任務，而人類只能響應一個現行激勵。

機器人使用的負面：

機器人替代了工人，由此帶來經濟和社會問題；

機器人缺乏應急能能力，除非該緊急情況能夠預知并已在系統中設置了應對方案，否則不能很好地處理緊急情況。同時，還需要有安全措施來確保機器人不會傷害操作人員以及與他一起工作的機器（設備）。這些情況包括：不恰當或錯誤的反應、缺乏決策的能力、斷電、機器人或其它設備的損傷、人員傷害；

機器人盡管在一定情況下非常出眾，但其能力在以下方面仍具有局限性（與人相比），表現在：自由度、靈巧度、傳感器能力視覺系統、實時響應。

機器人的組成部件

機器人作為一個系統，它由如下部件構成：

機械手或移動車，這是機器人的主體部分，由連桿，活動關節以及其它結構部件構成，使機器人達到空間的某一位置。如果沒有其它部件，僅機械手本身并不是機器人。（相當于人的身體或手臂）；

末端執行器，連接在機械手最后一個關節上的部件，它一般用來抓取物體，與其他機構連接并執行需要的任務。機器人制造上一般不設計或出售末端執行器，多數情況下，他們只提供一個簡單的抓持器。（相當于人的手）

末端執行器安裝在機器人上以完成給定環境中的任務，如焊接，噴漆，涂膠以及零件裝卸等就是少數幾個可能需要機器人來完成的任務。通常，末端執行器的動作由機器人控制器直接控制，或將機器人控制器的信號傳至末端執行器自身的控制裝置（如PLC）；

驅動器，驅動器是機械手的“肌肉”。常見的驅動器有伺服電機，步進電機，氣缸及液壓缸等，也還有一些用于某些特殊場合的新型驅動器，它們將在第6章進行討論。驅動器受控制器的控制。

傳感器，傳感器用來收集機器人內部狀態的信息或用來與外部環境進行通信。機器人控制器需要知道每個連桿的位置才能知道機器人的總體構型。人即使在完全黑暗中也會知道胳膊和腿在哪里，這是因為肌腱內的中樞神經系統中的神經傳感器將信息反饋給了人的大腦。大腦利用這些信息來測定肌肉伸縮程度進而確定胳膊和腿的狀態。對于機器人，集成在機器人內的傳感器將每一個關節和連桿的信息發送給控制器，于是控制器就能決定機器人的構型。機器人常配有許多外部傳感器，例如視覺系統，觸覺傳感器，語言合成器等，以使機器人能與外界進行通信。

控制器，機器人控制器從計算機獲取數據，控制驅動器的動作，并與傳感器反饋信息一起協調機器人的運動。假如要機器人從箱柜里取出一個零件，它的第一個關節角度必須為35°，如果第一關節尚未達到這一角度，控制器就會發出一個信號到驅動器（輸送電流到電動機），使驅動器運動，然后通過關節上的反饋傳感器（電位器或編碼器等）測量關節角度的變化，當關節達到預定角度時，停止發送控制信號。對于更復雜的機器人，機器人的運動速度和力也由控制器控制。機器人控制器與人的小腦十分相似，雖然小腦的功能沒有人的大腦功能強大，但它卻控制著人的運動。

處理器，處理器是機器人的大腦，用來計算機器人關節的運動，確定每個關節應移動多少和多遠才能達到預定的速度和位置，并且監督控制器與傳感器協調動作。處理器通常就是一臺計算機（專用）。它也需要擁有操作系統，程序和像監視器那樣的外部設備等。

軟件，用于機器人的軟件大致有三塊。第一塊是操作系統，用來操作計算機。第二塊是機器人軟件，它根據機器人運動方程計算每一個關節的動作，然后將這些信息傳送到控制器，這種軟件有多種級別，從機器語言到現代機器人使用的高級語言不等。第三塊是例行程序集合和應用程序，它們是為了使用機器人外部設備而開發的（例如視覺通用程序），或者是為了執行特定任務而開發的。

在許多系統中，控制器和處理器放置在同一單元中。雖然這兩部分放在同一裝置盒內甚至集成在同一電路中，但他們有各自的功能。

機器人的性能指標

以下幾項用來定義機器人的性能指標：

負荷能力，負荷能力是機器人在滿足其它性能要求的情況下，能夠承擔的負荷重量。例如，一臺機器人的最大負荷能力可能遠大于它的額定負荷能力，但是達到最大負荷時，機器人的工作精度可能會降低，可能無法準確地沿著預定的軌跡運動，或者產生額外的偏差。機器人的負荷量與其自身的重量相比往往非常小。例如，Fanuc Robotics LR Mate機器人自身重86磅，而其負荷量僅為6.6磅；M16機器人自身重594磅，而其負荷量僅為35磅。

運動范圍，運動范圍是機器人在其工作區域內可以達到的最大距離。器人可按任意的姿態達到其工作區域內的許多點(這些點稱為靈巧點)。然而，對于其他一些接近于機器人運動范圍的極限線，則不能任意指定其姿態(這些點稱為非靈巧點)。說明：運動范圍是機器人關節長度和其構型的函數。

精度，定義：精度是指機器人到達指定點的精確程度 說明：它與驅動器的分辨率以及反饋裝置有關。大多數工業機器人具有0.001英寸或更高的精度。

重復精度，（變化性） 定義：重復精度是指如果動作重復多次，機器人到達同樣位置的精確程度。舉例：假設驅動機器人到達同一點100次，由于許多因素會影響機器人的位置精度，機器人不可能每次都能準確地到達同一點，但應在以該點為圓心的一個圓區范圍內。該圓的半徑是由一系列重復動作形成的，這個半徑即為重復精度。說明：重復精度比精度更為重要，如果一個機器人定位不夠精確，通常會顯示一固定的誤差，這個誤差是可以預測的，因此可以通過編程予以校正。舉例：假設一個機器人總是向右偏離0.01mm，那么可以規定所有的位置點都向左偏移0.01mm英寸，這樣就消除了偏差。說明：如果誤差是隨機的，那它就無法預測，因此也就無法消除。重負精度限定了這種隨機誤差的范圍，通常通過一定次數地重復運行機器人來測定。