机器人的控制与发展

人类一直幻想有一种拟人的机械，能像人一样有手脚灵活自由地运动，代替人从事复杂的劳动，这种机械就是今天所说的“机器人”。机器人是一种自动化设备，自动化设备及生产线是一项以机械、电子、仪表、电气、信息处理、计算机、自动控制技术等众多技术结合的复合运用。随着生产力、新技术的发展，1961年美国诞生了第一台实用工业机器人。工业机器人工作目的性强，通常称为机械手，机械手能很快地改变工作程序，适用性较强，因而得到广泛应用，如在汽车工业、电子工业、核工业等工业部门，在服务行业，在海底、航天类极限能力外的环境中从事焊接、喷涂、装卸、转向、分拣或维修等工作。机械手的应用极大地提高了劳动生产率，减轻了劳动强度，实现了安全生产，保证了产品质量，降低了相应成本。

一　机械手的结构

机械手通常由如下五部分构成：作为被自动化的对象，起连接固定或某些特定的功能的机械本体。用以获取信息的检测及传感器部分，还包括信息转换、显示、记录等。处理各种信息并做出相应的判断、决策和指令的控制部分。执行各种指令、完成预期的动作的执行机构部分，通常由传动机构和执行元件组成，实现设定的运动，传递足够的动力，并具有良好的传动性能。向自动化设备及生产线供应能量，以驱动它们进行各种运动和操作的动力源部分，常用的有电力源及其他液压源、气压源等。

具体而言机械手主要由控制系统、驱动系统、执行机构以及位置检测系统等组成。

二　机械手的分类

1、机械手按用途分可分专用和通用

专用机械手工作对象单一，结构简单，动作少；通用机械手通用性强，动作灵活，程序可变，定位精度高，有独立控制系统。

2、按驱动方式可分为液压型、气压型、电力型、机械型

液压传动型以油液的压力来驱动执行机构运动，结构紧凑，传动平稳，抓重大；气压传动型结构简单，动作迅速，成本低；电力传动型由特殊结构的电动机直接驱动机构运动，中间转换机构少，运动速度快，工作范围大；机械传动型由机械传动机构驱动，动作频率高，运动准确可靠。

3、按种类可分为串联和并联

串联机械手的大臂、小臂以串联方式相连接。这类机器人形式很多，如球坐标形式、直角坐标形式、圆柱坐标形式和全铰链多关节形式等。并联机械手用6根支杆将上下两平台相连接，6根支杆都可以独立自由伸缩，分别用球铰和虎克铰与平台连接，上平台与下平台可进行6个独立运动，既有6个自由度，在三维空间可以作任意方向的移动和绕任何方向、位置的轴线转动，如训练飞行员的模拟器，汽车总装线上安装车轮的机械手等。

现今机器人的应用领域不断扩大，并向智能机械手方向发展，如具有视觉、听觉、嗅觉、触觉、力觉等感觉机能，有逻辑思维学习、判断和决策的功能，可以根据作业要求和环境信息随机应变，有选择地采取行动，灵活地处理问题，自主地完成任务。

三　机械手的工作原理

若机械手的技术参数如下：最大抓重：1000g，手指夹持工件最大直径90mm，手臂上下摆动角度90度，手臂回转最大角度180度，则此机械手可设计为三自由度机械手，其结构可以由手指夹持机构、手臂上下摆动机构、机械手回转机构和各种固定支架等组成，机械手完成相应动作，由这三部分共同作用来实现。

手指夹持机构主要由主轴、万向节、电动机、减速器、丝杠、行走块、手指、限位开关和脉冲开关等组成；手臂上下摆动机构主要由电动机、减速器、齿轮、链条、蜗轮、蜗杆、主轴限位开关和脉冲开关等组成；机械手回转机构主要由电动机、减速器、蜗轮、蜗杆、限位开关和脉冲开关等组成。各种运动状态通过监测其对应的脉冲开关产生脉冲数来控制。脉冲开关和限位开关选用同一种微动开关，因在系统控制中起的作用不同分别叫作脉冲开关和限位开关。

目前，工业机械手大部分还属于第一代，主要依靠工人进行控制；改进的方向主要是降低成本和提高精度。适应窄小空间、快节奏、360度全工作空间范围的垂直关节型机器人大量应用于焊接和上、下料。大型、超大型机器人应用于汽车、建筑、桥梁等行业。

我国各行业的自动化水平有明显提高，先进的自动化技术得到了普遍的采用。这些技术的内容包含了先进的信息处理和控制技术，即以计算机为核心，有PLC、工控机、单片机、人机界面、现场总线等组成的控制系统。先进的驱动技术有变频调速、交流伺服、步进电机等。控制技术上采用32位、64位CPU，控制轴数多达27轴，CNC、离线编程技术被广泛应用，总线技术的利用使协调控制技术日趋成熟，实现了多手与变位的协调及同步控制。

作为高科技全自动一体化的新型产品，机器人是提升企业效能的产物，将机器人与包装线相结合，既能提高生产线正常运行的效能，又能增强运行可靠性，更能让用户迅速适应日新月异的生产需求，分享高科技成果产生的巨大效益。

机器人综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术产品，机器人的应用情况也是一个国家工业自动化水平的重要标志。

四　我国机器人工业的发展

上海汽车配件二厂研制的汽车灯壳冲压机械手、天津锻压机械厂研制的锻件上下料机械手，是我国最早的一批工业机器人。1985年，工业机器人被列入了国家“七五”科技攻关计划研究重点，目标锁定在工业机器人基础技术、基础器件开发、搬运、喷涂和焊接机器人的开发研究等五个方面。

通过“七五”、“八五”科技攻关，基本掌握了机器人的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人，1990年，工业喷漆机器人PJ－1如期完成。这是我国第一台喷漆机器人，现在有130多台套喷漆机器人在20余家企业的近30条自动喷漆生产线站上获得规模应用。弧焊机器人也已应用在汽车制造厂的焊装线上。

在国家“863”计划支持下，我国工业机器人又在实践中迈进一大步，具有自主知识产权的点焊、弧焊、装配、喷漆、切割、搬运、包装码垛等7种工业机器人产品相继问世，还实施了100多项机器人应用工程、建立了20余个机器人产业化基地。

我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人，6000m水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种：在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大。

从最初的机械手，到现在及将来的服务机器人，机器人在提高产品质量、发展绿色制造、服务人民生活等方面发挥着越来越重要的作用。相信在不久的将来，一切人“不能干，干不好，不想干”的事，都可以由机器人代劳。