機器人結構系統(tǒng)

1、機器人結構系統(tǒng)1 機器人的大腦 在給機器人造就肢體和感覺器官的同時， 也應該給機器人造就一個 “大腦”，使它具有辨別、 分析和規(guī)劃的功能，從而指揮自己的運動和工作。這個大腦就是機器人的計算機控制系統(tǒng)。2 機器人的視覺人的視覺功能：在人的感覺器官中，視覺是最重要的。 據(jù)不完全統(tǒng)計，人的視覺細胞數(shù)量 約在數(shù)量級 10 的 8 次方，比聽覺細胞多二三千倍，是皮膚觸覺細胞的一百多倍。因而可以 說，人類從外界獲取的信息有 80是依靠眼睛得到的。人的視覺主要有以下功能：1、立體感覺能力。 對于立體物體， 人眼能根據(jù)它的各立體面所反射光線的差別進行辨識， 再通過大腦神經將視網(wǎng)膜得到的各面圖像自動組合成立體形

2、象。2、測定物體大小及其所在位置遠近的能力。3、自動跟蹤和觀察運動目標對象的能力。4、人的視神經有快速接受和傳輸視覺信息的能力。例如當人剛睡醒睜開眼時， 就能一眼把滿視野環(huán)境中的一切物體盡收入眼底， 并傳輸給大腦， 其信息量之大，處理速度之快，是 難以比擬的。5、感覺色彩的能力。 因為視神經具有全色的功能， 因而正常人的眼睛不但能分辨出各種 顏色，而且能分辨出同類色彩中的細微的變化。機器人視覺系統(tǒng)主要應用于以下三方面：1、用視覺進行產品檢驗， 代替人的目檢。 包括： 形狀檢驗棗檢查和測量零件的幾何尺寸。 形狀和位置；缺陷檢驗檢查零件是否損壞，劃傷；齊全檢驗棗檢查部件上的零件是否齊全。2、在機器

3、人進行裝配、搬運等工作時，用視覺系統(tǒng)對一組需裝配的零、部件逐個進行識別，并確定它在空間的位置和方向， 引導機器人的手準確地抓取所需的零件， 并放到指定位 置，完成分類、搬運和裝配任務。3、為移動機器人進行導航。 利用視覺系統(tǒng)為移動機器人提供它所在環(huán)境的外部信息， 使 機器人能自主地規(guī)劃它的行進路線， 回避障礙物， 安全到達目的地， 并完成指令的工作任務。 3 機器人的聽覺聽覺傳感器是機器人的耳朵。若僅僅要求它對聲音產生反應，作為一個開關量輸出形式 的聽覺傳感器是比較簡單的， 只需用一個聲電轉換器就能辦到。 但若讓家用機器人能夠 聽懂主人的語言指令，根據(jù)指令去打掃房間，開關房門，倒垃圾那就很困難

4、了。而若進一步要求機器人能與主人對話， 區(qū)別主人和其他人的聲音， 從而只執(zhí)行主人的命令， 那就是 困難重重了。 現(xiàn)在的研究水平只是通過語音處理及辨識技術識別講話人，還可以正確理解 一些極簡單的語句。 由于人類的語言非常復雜、詞匯量相當豐富， 即使是同一個人，其發(fā)音 也會隨環(huán)境及身體狀況變化而變化， 因此， 要使機器人的聽覺系統(tǒng)具有接近人耳的功能， 除 了擴大計算機容量和提高其運算速度外， 還需人們在其他方面做大量、 艱苦的研究、 探索工 作。4 機器人的嗅覺人鼻是嗅覺器官 :給機器人裝上鼻子就要用到嗅覺傳感器，使它能感受各種氣味，從而用來識別其所在環(huán)境中有害氣體， 并測定有害氣體的含量。 目前

5、還做不到讓機器人像人一樣聞 出多種氣味的機器鼻子。 常用的嗅覺傳感器是半導體氣體傳感器， 它是利用半導體氣敏元件 同氣體接觸， 造成半導體的物理性質變化， 借以測定某種特定的氣體成分及其含量的。 大氣 中的氣味各種各樣，而目前研制出的氣體傳感器只能識別像 H2 、C2 、 CO、NO 等少數(shù)氣體。因此，除特殊需要安裝探測特定氣體的氣體傳感器外，一般 的機器人基本上沒有嗅覺。5 機器人的語言計算機控制機器人要用語言來實現(xiàn)人與機器人的聯(lián)系。由于機器人工作的特殊性，它不 但要面對工作對象， 而且要面對工作對象和自身的所在的環(huán)境。 因此， 機器人系統(tǒng)不但要對 來自各方動作順序和方式，而且須為以后的活動

6、來存儲環(huán)境的詳細情況及其他附加的功能。 這是一般的計算機所用的高級語言不能做到的。為此， 人們設計了機器人專用語言。 但是用機器人語言寫的程序， 計算機不能直接理解， 因而就無法用計算機去控制機器， 必須像處理 用高級語言寫的程序一樣， 先將機器人語言寫的程序轉換成計算機的機器人語言， 這就需要 語言處理軟件。 綜上所述，機器人語言包括語言本身、語言處理系統(tǒng)和環(huán)境模型三部分，實 際上是一個語言系統(tǒng)。6 機器人的觸覺觸覺是接觸、滑動、壓覺等機械刺激的總稱。多數(shù)動物的觸覺器是遍布全身的，像人的 皮膚位于人的體表， 依靠表皮的游離神經末梢能感受溫度。痛覺、 觸覺等多種感覺 ，因此， 對人來說， 除了

7、視覺以外， 觸覺接受外界的信息量最多。 但是昆蟲或甲殼類動物的觸覺器官 卻集中在頭部的觸角中。 像蟋蟀與蝦的觸須有身體長度的 253 倍。依靠長觸須可確認遠 處物體所在的位置 ，判別其大小 。要使機器人具有動物那樣敏感的觸覺是相當困難的， 機 器人裝上觸覺傳感器的目的是檢測機器人的某些部位 （如手或足） 與外界物體是否接觸， 識 別物體的形狀和在空間的位置， 保證機器人的手能牢固地抓住物體， 或保證其足能穩(wěn)穩(wěn)地踩 在地面上。 雖然這些事情大多數(shù)都可以用視覺傳感器來解決， 但視覺系統(tǒng)造價昂貴， 控制復 雜，特別是在暗處， 或者障礙物存在于視覺傳感器和對象物之間， 就無法獲得視覺信息。與 視覺系統(tǒng)

8、相比， 觸覺系統(tǒng)要簡單得多， 價錢也便宜得多， 這就是廣泛使用觸覺傳感器的原因 所在。 因此，給機器安裝上恰當?shù)挠|覺傳感器，使機器人具有一定的觸覺知能，就有更重要 的意義了。機器人的觸覺集中在手上， 因為它主要是用手指來接觸物體的。 要想獲得較多的觸覺信 息，最好在手指表面大范圍地分布相同的觸覺傳感器； 用像人的皮膚那樣柔軟而富有彈性的 材料制作機器人的手，藉以增大與物體的接觸面， 牢固地握住物體。此外， 還希望觸覺傳感 器形體小、重量輕、靈敏度高、集成度高、可靠性高。7 機器人的上肢機器人的手臂要使機器人的手臂具有人臂一樣的功能，最基本的條件就是要像人一樣具有腕、肘及肩關節(jié)等類似的動作。從前

9、邊的分析可知，人臂從肩部到脫部（不包括手掌及手指）共有 7 個自由度。 另外，處在自由狀態(tài)下的任何物體都具有 6 個自由度， 即沿著 3 個直角坐標軸的 移動和繞著 3 個坐標軸的轉動。 移動決定了物體在空間某一點的位置， 轉動則決定了該物體 在空間某位置上的方向， 或稱姿態(tài)。 機器人的上肢主要是為了拿物體， 或拿了工具去加工工 件。換句話說， 只要機器人的手臂能在空間某位置以及與物體方向相吻合的姿態(tài)去拿到物體 就達到了目的。根據(jù)這一原則，機器人的手臂只須有相對應的6 個自由度就可以了。目前工業(yè)機器人的人口數(shù)約占機器人總人口數(shù)的70 80，而工業(yè)機器人的手臂自由度數(shù)目前一般最多不超過 6 個。

10、有時為了降低制造成本， 在滿足生產要求動作的情況下， 反 而適當?shù)販p少 l 2 個自由度。從技術觀點出發(fā)，把機器人手臂的6 個自由度分成兩部分，即臂部確保3個自由度，腕部為I 3個自由度。這樣的分法，符合了前面提到的臂部3個自由度決定它在空間的位置，腕部 3 個自由度決定它的姿態(tài)的要求。機器人臂部 3個自由度可以由移動自由度和轉動自由度不同型式組合而成， 而這種組合 型式決定了機器人手臂的運動坐標型式， 同時也決定了機器人手臂在空間運動范圍的不同形 狀。各種不同坐標型式的臂部運動即運動范圍分為以下四種：（I ）直角坐標型棗由 3 個移動自由度組合而成，即機器人手臂的運動是沿著直角坐標的X、Y、

11、Z 3 個軸方向的直線運動組成。如圖11 所示，其臂部只作伸縮、平移和升降運動，在空間的運動范圍一般是一個長方體。（2）圓柱坐標型棗由兩個移動自由度和一個轉動自由度組成。即機器人手臂的運動是通過 沿著圓柱坐標系的中心軸 Z 的上下方向的升降移動和以 Z 軸為中心的左右旋轉內，以及沿 與 Z 軸垂直的 X 軸方向的伸縮合成的。如圖 12 所示。由于結構上的限制，它在空間的運動 范圍一般是一個不完全的中空圓柱形環(huán)體。（3）極坐標由一個移動自由度和兩個轉動自由度組成。即機器人手臂的運動是通過繞極坐標系的中心軸Z的左右旋轉 Z和繞著與Z軸垂直的水平軸 Y的上下擺動Y，以及沿著X 軸的伸縮合成的，見圖

12、13。它在空間的運動范圍一般是一個不完全的中空的扇形圓環(huán)體。（4） 關節(jié)型棗由三個旋轉自由度組成。機器人的手臂運動類似人的手臂， 臂部可分為大臂。 小臂。 大臂與機座的連接稱為肩關節(jié)，大、小臂之間的連接稱為時關節(jié)。手臂運動由大臂繞 肩關節(jié)的旋轉 Z和俯仰Y運動，以及小臂繞時關節(jié)的擺動 Y 合成，見圖14.它在空間 的運動范圍一般是一個中空的幾個不完全球體相貫所組成。機器人手腕一般為一至三個自由度， 大都是旋轉自由度， 這是因為它的運動主要是為了 決定手的姿態(tài)。 其配置情況可視實際需要來決定。 一個旋轉自由度時， 一般繞末端臂桿軸線 旋轉；兩個旋轉自由度時，則分別繞兩個相互垂直的軸轉動； 三個旋

13、轉自由度時， 除了各自 繞三個相互垂直的軸轉動外，也有以其它方式組合的。機器人的手人手由手掌和五個手指組成，其中包含了 14個關節(jié)。手指和手掌配合起來可以做各種靈 巧而復雜的動作。 機器人的手只是為了代替人手的部分勞動， 因而沒有必要， 也不可能做得 像人手那樣靈巧。尤其是工業(yè)機器人的手主要的功能動作是夾、抓、提、舉，一般都沒有手 掌，全靠手指抓取、 夾持物體， 因此， 工業(yè)機器人的手與其說是 “手”，還不如說是 “夾鉗”。 人手夾持物體一般利用拇指和食指或中指對向運動把物體牢牢夾住。 例如拿毛筆寫字就是拇 指和食指、中指對夾。相比之下，無名指和小指作用不大，僅起輔助作用。機器人的手設計 時要

14、求簡單、實用、易造，所以一般多用對置的兩個手指。為了能夠抓取不同形狀、 大小、 重量和材質的物體， 機器人的手指可以做成不同形狀和 大小。一般夾持圓棒形及方形物體可用外夾式兩指手， ；而夾持大尺寸的空心管狀或方形物 體，常用向外撐開取物的內撐式兩指手； 鉤形手指適用于類似圖 19 那種形狀或中空的物體， 可以又提又勾地運送。大型板材、顯像管等不宜夾持的物體，常采用氣體吸盤或電磁吸盤。 用氣體吸盤吸引的物體必須平整無凹槽， 否則會造成漏氣， 吸不住物體， 而電磁吸盤只適用 于提取磁性材料。如有特殊需要時，可以根據(jù)物體的實際情況。8 機器人的下肢人的下肢主要功能是承受體重和走路。對于靜止直立時支承

15、體重這一要求，機器人還容 易做到， 而在像人那樣用兩足交替行走時， 平衡體重就存在著相當復雜的技術問題了。 首先 讓我們分析一下人的步行情況。 走路時， 人的重心是在變動的， 人的重心在垂直方向上時而 升高，時而下降；在水平方向上亦隨著左。右腳交替著地而相對應地左、右搖動。人的重心 變動的大小是隨人腿邁步的大小、速度而變化的。當重心發(fā)生變化時，若不及時調整姿勢， 人就會因失去平衡而跌倒。 人在運動時， 內耳的平衡器官能感受到變化的情況， 繼而通知人 的大腦及時調動人體其他部分的肌肉運動,巧妙地保持人體的平衡 .而人能在不同路面條件下（包括登高、下坡、高低不平、軟硬不一的地面等）走路，是因為人能

16、通過眼睛來觀察地面 的情況，最后由大腦來決策走路的方法， 指揮有關肌肉的動作。從而可以看出，要使機器人 能像人一樣， 在重心不斷變化的情況下仍能穩(wěn)定的步行， 那是困難的。 同簡化人手功能制造 機器人的上肢的方法一樣， 其下肢沒有必要按照人的樣式全盤模仿。 只要能達到移動的目的， 我們可以采取多種形式： 用足走路是一種形式，還可以像汽車、坦克那樣用車輪或履帶 （以 滾動的方式）來移動。如何正確引導機器人的移動。移動機器人的導向從大的方面來分， 有軌道式和無軌道式兩種。 軌道式是檢測機器人與 軌道的相對位置進行導向的；無軌道式則是檢測機器人在移動環(huán)境中的位置進行導向的。用軌道來引導機器人移動的方法

17、有多種： 一是像鐵路鋪軌道一樣， 機器人的輪子在軌道 上滾動， 由軌道引導到各工作位置。 在車間地面下淺層 snun 10mm 處敷設電纜， 通人數(shù)千 HZ （赫芝）高頻交流電，使之產生磁場；在移動機器人身上安裝兩個測向線圈檢測磁場信 號，進行移動導向。 移動路線由所敷設的電纜決定。電纜敷好以后，要改變導向路線就很困難，但可靠性高， 大多數(shù)工廠車間內都采用這種方法。 也有的把金屬箔帶或白色帶子沿著機 器人必須行走的路線貼在地面上， 當光線照在地面上時， 用電視攝像機或光電管判別白帶反 射光譜來進行導向。 這種方法比起敷設電纜， 改變移動路線要容易一些。 更方便的方法是激 光導向， 即在機器需要

18、經過的道路上用激光照射， 依靠移動機器人身上安裝的激光測定器來 測定其移動方向，控制指揮機器人移動。無軌道式導向主要用于自動移動機器人，它要求機器人能自動識別自身所處位置，選擇 移動路線而自主運動。 因此， 機器人必須裝有視覺、 觸覺等裝置， 用來辨識環(huán)境和道路情況， 測出自己的位置和方向， 通過計算機控制自身的運動。 常用的最簡單的方法是超聲導向方法。 眾所周知， 振幅的眼睛在夜里是看不見東西的， 但它能從體內發(fā)出并接受超聲波， 依靠超聲 波在夜間飛行。 利用這一原理， 給機器人配備超聲波發(fā)射器及接受器， 移動前先發(fā)射超聲波， 接受器根據(jù)超聲波的反射波情況， 測出機器人與壁式障礙物間的相對距

19、離及道路情況， 從而 決定其運動方向， 控制機器人的移動。 如果再加上攝像機的視覺引導， 機器人的移動就更加 自如。采用無軌道式導向裝置，檢測時需用較復雜的裝置， 價格昂貴，可靠性還存在問題，但 其靈活性則遠比軌道式大。 進一步完善后， 完全有可能替代軌道式的導向控制， 在生產車間 內應用。（ 2）人類為了開發(fā)宇宙、開發(fā)海洋， 需要在沒有人工道路的自然環(huán)境中行走， 使用輪子 就會遇到很多困難， 有時甚至無法移動。 這就迫使人們去研究開發(fā)擬人和仿生物足的步行機 器人。 由于雙腿走路， 機器人首先必須解決隨時平衡身體重心的難題，所以一開始是從開發(fā)仿生物的多足步行機構著手的。 這類仿生腿大都采用連桿

20、機構， 一般有三四個自由度， 具有 夠關節(jié)、 膝關節(jié)和踝關節(jié)。 這類步行機器人有許多只腿， 其中一部分腿用來平衡支撐機器人 的重心，另一部分腿邁步移動；兩部分腿的交替工作過程，就是機器人邁步行走的過程。9 機器人接近覺接近覺傳感器是機器人用以探測自身與周圍物體之間相對位置和距離的傳感器。接近覺 原本不是人的專門感覺， 故沒有專司其職的接近覺器官。 人是依靠自己各種感覺器官的綜合 感覺能力來感覺自己和周圍物體之間的相對位置和距離的大致感覺的。 因此，在仿照人的功 能來使機器人具有接近覺， 其復雜程度可想而知， 而利用一些特定的物理現(xiàn)象來研制專門的 接近覺傳感器，相對而言就顯得簡單易行了。機器人安裝接近覺傳感器主要目的有以下三個： 其一， 在接觸對象物體之前， 獲得必要 的信息，為下一步運動做好準備工作；其二，探測機器人手和足的運動空間中有無障礙物。 如發(fā)現(xiàn)有障礙， 則及時采取一定措施，避免發(fā)生碰撞；其三， 為獲取對象物體表面形狀的大 致信息。目前使用的接近覺傳感器主要有光電式、超聲波式和渦流式三種。1、光電式接近覺傳感器是一種比較簡單有效的傳感器，把它裝在機器人手（或足）上，能夠檢測機器人手臂（或腿）運動路線上的各種物體。圖 54 表示了這種傳感器的原理。它 用紅外發(fā)光二極