現(xiàn)代機(jī)器人保養(yǎng)
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現(xiàn)代機(jī)器人的功能
機(jī)器人發(fā)展到現(xiàn)在，已經(jīng)是第四代了。這種現(xiàn)代化的機(jī)器人在許多方面的功能都超過人類。 機(jī)器人比人更清潔。這可能會(huì)引起你的疑問：機(jī)器人不是滿身油污嗎？也許有些工業(yè)機(jī)器人確實(shí)可能滿身油污，但我們這里所說的清潔是指機(jī)器人帶的塵埃很少很少。一個(gè)人穿普通衣
服，在走路時(shí)一般身上帶有750萬個(gè)塵埃，只不過人類的肉眼看不見罷了。在通常情況下，這
些塵埃沒有什么關(guān)系，但在某些高科技的研究室、化驗(yàn)室或生產(chǎn)場(chǎng)所，塵埃一多就會(huì)出廢品。如我們制造電腦的重要器件時(shí)需要在 10級(jí)潔凈室中完成。按國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，在每立方英尺 （相當(dāng)于0.0283 立方米）空間內(nèi)直徑大于 0.5 微米的塵埃不能超過 10個(gè)，才能算作 10級(jí)潔凈室。而在每立方英尺空間空若同樣大小的塵埃在 100個(gè)以內(nèi)則叫 100級(jí)潔凈室。即使進(jìn)入 100級(jí)潔凈室，工作人員也必須換上特制的無塵衣服、無塵手套、無塵面罩等等，還應(yīng)該在進(jìn)入潔凈室前5 個(gè)小時(shí)內(nèi)不能吸煙和使用化妝品。至于10級(jí)潔凈室，由于條件實(shí)在太苛刻，基本上只能由機(jī)器人進(jìn)去操作。
機(jī)器人干活比人精細(xì)。用機(jī)器人加工零部件，誤差可控制在 1毫米之內(nèi)，廢品率幾乎為零。加工速度快，如機(jī)器人每班可完成25～30 個(gè)精密工件，質(zhì)量合格率為 100％，而工人每班只能完成同樣的工件6個(gè)，而且還有 10％的次品。
機(jī)器人的耐力比人好。它可以一連幾天不休息，而人卻不行，過度勞累就會(huì)病倒。機(jī)器人不怕環(huán)境惡劣、高溫、低溫、高壓、缺氧、有毒、放時(shí)性污染、深水潛水??許多特殊工種都是它們大顯身手的領(lǐng)域。
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現(xiàn)代機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀
新鄉(xiāng)學(xué)院 王輝
關(guān)鍵詞：焊接機(jī)器人、微機(jī)器人、家庭服務(wù)機(jī)器人、發(fā)展、現(xiàn)狀。
1焊接機(jī)器人的研究現(xiàn)狀
機(jī)器人技術(shù)是綜合了計(jì)算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，當(dāng)前對(duì)機(jī)器人技術(shù)的研究十分活躍。工業(yè)機(jī)器人先后經(jīng)歷從第一
代示教再現(xiàn)機(jī)器人、第二代離線編程機(jī)器人，到現(xiàn)在的第三代智能機(jī)器人三個(gè)過程。從目前國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀來看，焊接機(jī)器人技術(shù)研究主要集中在焊縫跟蹤技術(shù)、離線編程與路徑規(guī)
劃技術(shù)、多機(jī)器人協(xié)調(diào)控制技術(shù)、專用弧焊電源技術(shù)、焊接機(jī)器人系統(tǒng)仿
真技術(shù)、遙控焊接技術(shù)等七個(gè)方面
1.1焊縫跟蹤技術(shù)的研究
國(guó)內(nèi)外焊接機(jī)器人技術(shù)的研究現(xiàn)狀，并展望了焊接機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。焊接機(jī)器人；研究現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢(shì)感器一般分為三類：并列雙絲電弧傳感器、擺動(dòng)電弧傳感器、旋轉(zhuǎn)式掃描電弧傳感器，其中旋轉(zhuǎn)電弧傳感器比前兩者的偏差檢測(cè)靈敏度高，控制性能較好。光學(xué)傳感器的種類很多，主要包括紅外、光電、激光、視覺、光譜和光纖式，光學(xué)傳感器的研究又以視覺傳感器為主，視覺傳感器所獲得的信息量大，結(jié)合計(jì)算機(jī)視覺和圖像處理的最新技術(shù)，大大增強(qiáng)弧焊機(jī)器人的外部適應(yīng)能力。激光跟蹤傳感器具有優(yōu)越的性能，成為最有前途、發(fā)
展最快的焊接傳感器。
1.2離線編程與路徑規(guī)劃技術(shù)的研究
針對(duì)弧焊應(yīng)用，自動(dòng)編程技術(shù)可以表述為在編程各階段中，能夠輔助編程者完成獨(dú)立的、具有一定實(shí)施目的和結(jié)果的編程任務(wù)的技術(shù)，具有智能化程度高、編程質(zhì)量和效率高等特點(diǎn)。離線編程技術(shù)的理想目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)編程，即只需輸入工件的模型，離線編程系統(tǒng)中的專家系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)制定相應(yīng)的工藝過程，
并最終生成整個(gè)加工過程的機(jī)器人程序。目前，還不能實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)編程，自動(dòng)編程技術(shù)是當(dāng)前研究的重點(diǎn)。
1.3多機(jī)器人協(xié)調(diào)控制技術(shù)的研究
多機(jī)器人系統(tǒng)是指為完成某一任務(wù)由若干個(gè)機(jī)器人通過合作與協(xié)調(diào)組合成一體的系統(tǒng)。它包含兩方面的內(nèi)容，即多機(jī)器人合作與多機(jī)器人協(xié)調(diào)。當(dāng)給定多機(jī)器人系統(tǒng)某項(xiàng)任務(wù)時(shí)，首先面臨的問題是如何組織多個(gè)機(jī)器人去完成任務(wù)，如何將總體任務(wù)分配給各個(gè)成員機(jī)器人即機(jī)器人之間怎樣進(jìn)行有效的合作。當(dāng)以某種機(jī)制確定了各自任務(wù)與關(guān)系后，問題變?yōu)槿绾伪３謾C(jī)器人間的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)一致，即多機(jī)器人協(xié)調(diào)。對(duì)于由緊耦合子任務(wù)組成的復(fù)雜任務(wù)而言，協(xié)調(diào)問題尤其突出。智能體技術(shù)是解決這一問題最有力的工具，多智能體系統(tǒng)是研究在一
定的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，各個(gè)分散的、相對(duì)獨(dú)立的智能子系統(tǒng)之間通過合作，共同完成一個(gè)或多個(gè)控制作業(yè)任務(wù)的技術(shù)。多機(jī)器人焊接的協(xié)調(diào)控制是目前的一個(gè)研究熱點(diǎn)問題。
1.4專用弧焊電源的研究
一般采用熔化極氣體保護(hù)焊（MIG焊、MAG焊、CO焊）或非熔化極氣體保護(hù)焊（TIG、等離子弧焊）方法，熔化極氣體保護(hù)焊焊接電源主要使用晶閘管電源與逆變電源。近年來，弧焊逆變器的技術(shù)已趨于成熟，機(jī)器人用的專用弧焊逆變電源大多為單片微機(jī)控制的晶體管式弧焊逆變器，并配以精細(xì)的波形控制和模糊控制技術(shù)，工作頻率在20~50kHz，最高的可達(dá)200kHz，焊接系統(tǒng)具有十分優(yōu)良的動(dòng)特性，非常適合機(jī)器人自動(dòng)化和智能化焊接。還有一些特殊功能的電源，如適合鋁及其鋁合金TIG焊的方波交流電源、帶有專家系統(tǒng)的焊接電源等。目前，有一種采用模糊控制方法的焊接電源，可以更好保證焊縫熔寬和熔深的基本一致，不僅焊縫表面美觀，而且還能減少焊接缺陷?；『鸽娫床粩嘞驍?shù)字化方向發(fā)展，其特點(diǎn)是焊接參數(shù)穩(wěn)定,受網(wǎng)路電壓波動(dòng)、溫升、元器件老化等因素的影響很小，具有較高的重復(fù)性，焊接質(zhì)量穩(wěn)定、成形良好。另外,利用DSP的快響應(yīng)，可以通過主控制系統(tǒng)的指令精確控制逆變電源的輸出,使之具有輸出多種電流波形和弧壓高速穩(wěn)定調(diào)節(jié)的功能，適應(yīng)多種焊接方法對(duì)電源的要求。
1.5仿真技術(shù)的研究
機(jī)器人在研制、設(shè)計(jì)和試驗(yàn)過程中，經(jīng)常需要對(duì)其運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行分析以及進(jìn)行軌跡規(guī)劃設(shè)計(jì)，而機(jī)器人又是多自由度、多連桿空間機(jī)構(gòu)，其運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)問題十分復(fù)雜，計(jì)算難度和計(jì)算量都很大。若將機(jī)械手作為仿真對(duì)象，運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)與CAD技術(shù)和機(jī)器人學(xué)理論在計(jì)算機(jī)中形成幾何圖形，并用動(dòng)畫顯示，然后對(duì)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)學(xué)正反解分析、操作臂控制以及實(shí)際工作環(huán)境中的障礙避讓和碰撞干涉等諸多問題進(jìn)行模擬仿真，這樣就可以很好地解決研發(fā)機(jī)械手過程中出現(xiàn)的問題。
1.6遙控焊接技術(shù)的研究
遙控焊接是指人在離開現(xiàn)場(chǎng)的安全環(huán)境中對(duì)焊接設(shè)備和焊接過程進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制，從而完成完整的焊接工作。在核電站設(shè)備的維修、海洋工程建設(shè)以及未來的空間站建設(shè)中都要用到焊接，這些環(huán)境中的焊接工作不適合人類親臨現(xiàn)場(chǎng)，而目前的技術(shù)水平還不可能實(shí)現(xiàn)完全的自主焊接，因此需要采用遙控焊接技術(shù)。目前，美國(guó)、歐洲、日本等國(guó)對(duì)遙控焊接進(jìn)行了深入的研究，國(guó)內(nèi)哈爾濱工業(yè)大學(xué)也正在進(jìn)行這方面的研究。為了適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)向大型、復(fù)雜、動(dòng)態(tài)和開放方向發(fā)展的需要，國(guó)際機(jī)器人界都在加大科研力度，對(duì)機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行深入研究。
2微機(jī)器人的研究現(xiàn)狀
微機(jī)器人學(xué)包括微型機(jī)器人和微動(dòng)機(jī)器人[1]。兩者相比,微動(dòng)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展較快,因?yàn)槲?dòng)機(jī)器人的外形尺寸不必很小,它的大部分研究問題仍屬宏觀范疇。微動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)是指末端工具在一個(gè)較小的工作空間(如mm尺度)內(nèi)進(jìn)行系統(tǒng)精度達(dá)到1~5μm或100 nm~1. 0μm的操作,被操作的主要對(duì)象是生物細(xì)胞、微電子元件、光纖等微觀尺度的物體。該系統(tǒng)進(jìn)行的操作是微細(xì)的,而裝置本身并不是微型的,因此微動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)一般由以下幾個(gè)方面組成:高倍頻、高分辨率的顯微視覺系統(tǒng);對(duì)操作對(duì)象進(jìn)行固定的作業(yè)平臺(tái)及夾持設(shè)備;能夠改變操作對(duì)象位姿的多自由度操作機(jī)器人手[2]。從20世紀(jì)80年代末期開始,國(guó)內(nèi)外學(xué)者就已陸續(xù)研究出多種不同結(jié)構(gòu)的微動(dòng)機(jī)器人。在醫(yī)療應(yīng)用領(lǐng)域,微機(jī)器人能有效地減輕病人在治療時(shí)的痛苦,有極好的應(yīng)用前景。2001年9月5日,世界第1臺(tái)腦外科手術(shù)機(jī)器人在倫敦研制成功[3],如圖1所示。這臺(tái)名叫“探路者”的機(jī)器人通過計(jì)算機(jī)控制,操作準(zhǔn)確無誤,可減輕病人在手術(shù)時(shí)的痛苦。德國(guó)PI公司也研制出用于腦部手術(shù)的微動(dòng)機(jī)器人[4],如圖2所示。美國(guó)紐約的ComellUniversity醫(yī)學(xué)院已用微動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行了動(dòng)物的輸精管手術(shù)實(shí)驗(yàn)。法國(guó)于1995年研制了一種醫(yī)用管道微機(jī)器人,它的直徑為1 cm,長(zhǎng)度為3 cm,一端是可更換的頭部裝置。美國(guó)加州理工大學(xué)研制了一種主動(dòng)內(nèi)窺檢查的微機(jī)器人,它的尾部帶有電纜,其主體主要由支撐器和延展器組成,采用蚯蚓蠕動(dòng)方式運(yùn)動(dòng)。意大利研制了用于結(jié)腸檢查的攜帶主動(dòng)內(nèi)窺鏡的微機(jī)器人,由母體、微型手臂、人機(jī)接口組成,母體由3個(gè)模塊組成,其中2個(gè)模塊起定位和支撐作用, 1個(gè)模塊起伸縮作用。美國(guó)MIT生物儀器實(shí)驗(yàn)室研制了一臺(tái)稱作“納米步行者”的3條腿無線微型機(jī)器人[3],可在亞原子級(jí)的范圍內(nèi)進(jìn)行操作。它的每條腿由4個(gè)壓電陶瓷電子管驅(qū)動(dòng),在連續(xù)運(yùn)動(dòng)時(shí),還可以連續(xù)使用交替的三角形支撐,能夠適應(yīng)各種條件。圖1 腦外科手術(shù)機(jī)器人圖2 PI公司研制的腦部手術(shù)機(jī)器人美國(guó)MIT人工智能實(shí)驗(yàn)室研制出一種微型器螞蟻[4],如圖3所示。這個(gè)微小的螞蟻體積只有16. 386 2 cm3,但是卻集成了17個(gè)傳感器,包括4個(gè)光敏元件、4個(gè)紅外接收器、4個(gè)碰撞傳感器、4個(gè)食物傳感器和1個(gè)傾斜傳感器。美國(guó)加州大學(xué)伯克力分校研制了微型機(jī)器人蒼蠅[4],如圖4所示。這是迄今為止最小的可以拍打翅膀的機(jī)器人。這個(gè)微型機(jī)器人蒼蠅的翅翼只有3 cm,質(zhì)量約300 mg,與一只蜜蜂的質(zhì)量相當(dāng),該計(jì)劃是美國(guó)國(guó)防部投資的,希望用于戰(zhàn)場(chǎng)偵察,它還可用作氣象傳感器和通氣管道檢查員。圖3 微型器螞蟻圖4 微型機(jī)器人蒼蠅清華大學(xué)在周兆英教授的帶領(lǐng)下于2001年研制出目前世界最細(xì)的超聲馬達(dá)[3],質(zhì)量36 mg,長(zhǎng)5 mm,是一個(gè)直立的圓柱通過周邊牽動(dòng)的導(dǎo)線開始運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),它的“頭部”均勻地旋轉(zhuǎn),“腳底”則同時(shí)發(fā)出有韻律的振動(dòng)。如圖5所示。這種微馬達(dá)使微小機(jī)器人在人體血管內(nèi)的移動(dòng)成為可能。
3我國(guó)家庭服務(wù)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀
時(shí)至今日，機(jī)器人已從第一代示教再現(xiàn)型機(jī)器人、第二代帶感覺的機(jī)器人發(fā)展到第三代智能機(jī)器人，而服務(wù)機(jī)器人正是第三代機(jī)器人的典型代表。目前國(guó)外的科學(xué)家們?cè)谝苿?dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、傳感器融合與環(huán)境建模技術(shù)、路徑規(guī)劃技術(shù)、能源技術(shù)、智能控制技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)、成本控制等方面都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。美國(guó)iRobot公司推出室內(nèi)地毯和地板清潔機(jī)器人，具有污物探測(cè)功能，可根據(jù)房間地面的具體情況進(jìn)行有重點(diǎn)的清潔。本田公司的雙足機(jī)器人“ASIMO”，步行時(shí)速達(dá)3km幾乎與人類相同。索尼QRIO機(jī)器人可以漫步、跳舞，做很多高難度動(dòng)作而且能識(shí)別口語并做出回應(yīng)。三菱重工的家用機(jī)器人“Wakamaru”能識(shí)別家庭成員的臉部特征，并通過轉(zhuǎn)動(dòng)臉部和手腕來表現(xiàn)喜怒哀樂。韓國(guó)的“irobi”機(jī)器人不僅能念書、唱歌、講故事當(dāng)家里無人的時(shí)候，它還可以確認(rèn)大門是否上鎖以及煤氣是否關(guān)閉。假如有人闖進(jìn)家門，它還可以將其拍攝下來給主人發(fā)電子郵件。美國(guó)的“InTouch Health”遠(yuǎn)程醫(yī)療機(jī)器人具有時(shí)雙向的視頻和語音傳送系統(tǒng)以及行走系統(tǒng)，已成為醫(yī)與患者之間的連心橋。配備有各種檢測(cè)裝置的機(jī)器人保更成為美國(guó)軍方后勤部門以及各大公司的新寵。根據(jù)聯(lián)合國(guó)歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)(United NatioEconomic Commision for Europe,UNECE)統(tǒng)計(jì)，計(jì)2003年底，全球服務(wù)機(jī)器人總臺(tái)數(shù)約為132萬臺(tái)，其中教育娛樂機(jī)器人與家務(wù)機(jī)器人分占第一、二名，各為6臺(tái)與60萬臺(tái)，占52.39%、45.98%。國(guó)際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)在球機(jī)器人相關(guān)發(fā)展調(diào)查報(bào)告中指出，自2004至2007年服務(wù)機(jī)器人產(chǎn)量大幅成長(zhǎng)為670萬臺(tái)，而各種不同使用別的機(jī)器人中，家務(wù)機(jī)器人將躍升成為主流，占總產(chǎn)量61.83%，教育娛樂機(jī)器人則降低所占比例為37.25%，居第二位［1］。該項(xiàng)變化的主要原因在于，在機(jī)械控制技術(shù)趨成熟的情況下，從事有目的活動(dòng)的家務(wù)輔助機(jī)器人，可發(fā)展到使用者所需要的水平，因此在該類型機(jī)器人數(shù)大幅增加的情況下，預(yù)計(jì)將會(huì)擠壓娛樂機(jī)器人占有比例日本機(jī)器人協(xié)會(huì)的調(diào)查報(bào)告顯示，工業(yè)機(jī)器人未來成長(zhǎng)空間已經(jīng)十分有限；反觀服務(wù)機(jī)器人將有大幅成預(yù)估2010年約有171億美元，2025年將有517億美元的市規(guī)模。英國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)研究機(jī)構(gòu)(VLSI Research)調(diào)查估，至2010年全球智能機(jī)器人市場(chǎng)將達(dá)593億美元，而能機(jī)器人所需各種零組件相關(guān)市場(chǎng)商機(jī)也達(dá)數(shù)十億美元上。韓國(guó)信息通信部調(diào)查研究報(bào)告指出，2012年全球智機(jī)器人產(chǎn)值將高達(dá)2500億美元。雖然各種統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)機(jī)人的種類劃分不是很統(tǒng)一，導(dǎo)致預(yù)測(cè)結(jié)果有差異，但都明了服務(wù)機(jī)器人未來良好的發(fā)展態(tài)勢(shì)。
