有關(guān)機(jī)器人的基礎(chǔ)知識(shí)

1、有關(guān)機(jī)器人的基礎(chǔ)知識(shí)綜合知識(shí)2009-10-1123:17:59閱讀703評(píng)論0字號(hào)：大中小訂閱第1章基礎(chǔ)知識(shí)1.1 引言人們從一開始制作物品時(shí)，就有用各種方式制作機(jī)器人的想法，也許大家見到過有能工巧匠制作的能夠模仿人類動(dòng)作行為的機(jī)器，典型的例子是：在威尼斯的能準(zhǔn)時(shí)敲響大鐘的雕像和能重復(fù)運(yùn)動(dòng)的玩具。好萊塢的電影將這一愿望提升到了一個(gè)新的高度，他們制作的機(jī)器人其表演效果甚至超過真人。盡管從原理上類人機(jī)器人是機(jī)器人，并具有與機(jī)器人相同的設(shè)計(jì)與控制原理，但本書主要研究工業(yè)用機(jī)械手型機(jī)器人。本書包含了一些研究機(jī)器人所必須的基礎(chǔ)知識(shí)，提出了機(jī)器人力學(xué)（包括運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)）的分析方法，討論了驅(qū)動(dòng)器、傳感器

2、、視覺系統(tǒng)等用于機(jī)器人的基礎(chǔ)部件。機(jī)器人是當(dāng)今工業(yè)的重要組成部分，他們能夠精確地執(zhí)行各種各樣的人物和操作，并且無需人們工作時(shí)所需的安全措施和舒適的工作條件。然而，要使機(jī)器人很好的工作需要付出很大的努力和代價(jià)。在20世紀(jì)80年代中期從事機(jī)器人制造的公司現(xiàn)在大都已不復(fù)存在，只有一些生產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人的公司（如Adept機(jī)器人公司，Staubli機(jī)器人公司，F(xiàn)anuc機(jī)器人公司，北美公司等）尚在市場上保留一席之地。由于目前的機(jī)器人尚無法滿足人們的較高期望，因此早期對(duì)機(jī)器人在工業(yè)中的使用預(yù)測一直未能實(shí)現(xiàn)。結(jié)果是，盡管有成千上萬的機(jī)器人用于工業(yè)生產(chǎn)，但他們并沒有在總體上替代操作工人，機(jī)器人只能用在適合使用他

3、們的一些地方。相對(duì)于人類，機(jī)器人并非萬能，他們某些工作能做，另外有些工作卻不能做。如果按照期望的用途合理設(shè)計(jì)機(jī)器人，他們就會(huì)具有多種用途并經(jīng)久不衰。機(jī)器人學(xué)科覆蓋許多不同領(lǐng)域。單獨(dú)的機(jī)器人只有與其它裝置，周邊設(shè)備以及其他生產(chǎn)機(jī)械配合使用才能有效地發(fā)揮作用。他們通常集成為一個(gè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)作為一個(gè)整體來完成任務(wù)或執(zhí)行操作。本課也將討論這些與機(jī)器人配合使用的外圍設(shè)備及系統(tǒng)。1.2 什么是機(jī)器人圖1.1機(jī)器人與起重機(jī)的操作方法和設(shè)計(jì)方法非常類似。然而，起重機(jī)由操作人員來控制，而機(jī)器人由計(jì)算機(jī)控制。因此，通過簡單修改計(jì)算機(jī)程序就可以使機(jī)器人實(shí)現(xiàn)不同的功能。（a）Kuhnezug車載起重機(jī)；（b）Fanu

4、cS-500機(jī)器人在卡車上執(zhí)行焊縫任務(wù)如果將常規(guī)的機(jī)器人操作手與掛在多用車或牽引車上的起重機(jī)進(jìn)行比較，可發(fā)現(xiàn)兩者非常相似：它們都具有許多連桿，這些連桿通過關(guān)節(jié)依次連接，這些連桿由驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)（電機(jī)）。在上述兩個(gè)系統(tǒng)中，操作機(jī)的手”都能在空中運(yùn)動(dòng)，達(dá)到工作空間的任何位置，他們都能承載一定的負(fù)荷，并都用一個(gè)中央控制器控制驅(qū)動(dòng)器。然而，它們一個(gè)稱為機(jī)器人，另一個(gè)稱為操作機(jī)（也就是起重機(jī)），兩者最根本的不同是起重機(jī)是由人來控制驅(qū)動(dòng)器，機(jī)器人操作手是由計(jì)算機(jī)編程控制。正是通過這一點(diǎn)可以區(qū)別一臺(tái)設(shè)備到底是簡單的操作機(jī)還是機(jī)器人。通常機(jī)器人設(shè)計(jì)成由計(jì)算機(jī)來控制，機(jī)器人的動(dòng)作受計(jì)算機(jī)監(jiān)控的控制器所控制，該控制器

5、本身也運(yùn)行某種類型的程序。程序改變，機(jī)器人的動(dòng)作就會(huì)相應(yīng)改變。我們希望一臺(tái)設(shè)備能靈活地完成各種不同的工作而無需重新設(shè)計(jì)硬件裝置。為此，機(jī)器人須設(shè)計(jì)成可以重復(fù)編程，通過改變程序來執(zhí)行不同的任務(wù)（當(dāng)然在能力限制范圍以內(nèi)）。簡單的操作機(jī)（或者說起重機(jī)）除非一直由操作人員操作，否則無法做到這一點(diǎn)。目前各國關(guān)于機(jī)器人的定義都各不相同。在美國標(biāo)準(zhǔn)中，只有易于再編程的裝置才認(rèn)為是機(jī)器人。因此，手動(dòng)裝置（比如一個(gè)多自由度的需要操作員來驅(qū)動(dòng)的裝置）或固定順序機(jī)器人（例如有些裝置由強(qiáng)制起停控制驅(qū)動(dòng)器控制，其順序是固定的并且很難更改）都不認(rèn)為是機(jī)器人。1.3 機(jī)器人的分類按照日本工業(yè)機(jī)器人學(xué)會(huì)（JIRA兩標(biāo)準(zhǔn)，可將

6、機(jī)器人進(jìn)行如下分類：l第1類:人工操作裝置一一由操作員操作的多自由度裝置。l第2類:固定順序機(jī)器人一一按預(yù)定的不變方法有步驟地依次執(zhí)行任務(wù)的設(shè)備，其執(zhí)行順序難以修改。l第3類:可變順序機(jī)器人一一同第2類，但其順序易于修改。l第4類:示教再現(xiàn)（playback）機(jī)器人一一操作員引導(dǎo)機(jī)器人手動(dòng)執(zhí)行任務(wù)，記錄下這些動(dòng)作并由機(jī)器人以后再現(xiàn)執(zhí)行，即機(jī)器人按照記錄下的信息重復(fù)執(zhí)行同樣的動(dòng)作。l第5類:數(shù)控機(jī)器人一一操作員為機(jī)器人提供運(yùn)動(dòng)程序，而不是手動(dòng)示教執(zhí)行程序。l第6類:智能機(jī)器人一一機(jī)器人具有感知和理解外部環(huán)境的能力，即使其工作環(huán)境發(fā)生變化，也能夠成功地完成任務(wù)。美國機(jī)器人學(xué)會(huì)（RIA）只將以上第3

7、類第6類視作機(jī)器人。法國機(jī)器人學(xué)會(huì)（AFR）將機(jī)器人進(jìn)行如下分類：l類型A:手動(dòng)控制遠(yuǎn)程機(jī)器人的操作裝置。l類型B具有預(yù)定周期的自動(dòng)操作裝置。l類型C具有連續(xù)軌跡或顛倒點(diǎn)軌跡的可編程伺服控制機(jī)器人。l類型D:同類型C但能夠獲取環(huán)境信息。1.4 什么是機(jī)器人學(xué)機(jī)器人學(xué)是人們設(shè)計(jì)和應(yīng)用機(jī)器人的技術(shù)和知識(shí)。機(jī)器人系統(tǒng)不僅由機(jī)器人組成，還需要其他裝置和系統(tǒng)連同機(jī)器人一起來共同來完成必需的任務(wù)。機(jī)器人可以用于生產(chǎn)制造，水下作業(yè)，空間探測，幫助殘疾人甚至娛樂等方面。通過編程和控制，許多場合均可應(yīng)用機(jī)器人。機(jī)器人學(xué)是一門交叉學(xué)科，它得益于機(jī)械工程，電氣與電子工程，計(jì)算機(jī)科學(xué)，生物學(xué)以及許多其他學(xué)科。1.5

8、機(jī)器人學(xué)的發(fā)展歷史不考慮早期的模擬人類及其動(dòng)作的機(jī)械，單就近代歷史來看，不難發(fā)現(xiàn)工業(yè)化進(jìn)程，機(jī)械的數(shù)字和計(jì)算機(jī)控制革命以及太空探索的出現(xiàn)都與人們富有創(chuàng)造性的科學(xué)想象之間有著密切的聯(lián)系?！癛obots在KarelCapek的小說“RossamsUniversalRobots。接著出現(xiàn)了電影"FlashGordon”,aMetropolis“'LostnSpace":'TheDayTheEarthStoodStill以及“TheorbiddenPlanet”我們發(fā)現(xiàn)制造能夠代替人類工作的機(jī)器的時(shí)代已經(jīng)來臨（R2D2,C3P0以及Robocop繼續(xù)著這一趨勢）。C

9、apek夢想著有這樣的情況，即生物過程可以創(chuàng)造出類人的機(jī)器，他們雖然缺乏感情和靈魂，但他們身體強(qiáng)壯并服從主人的命令，而且這些機(jī)器能夠快速而廉價(jià)地生產(chǎn)出來。機(jī)器人市場很快發(fā)展起來，很多國家都想用成百上千的奴隸機(jī)器人士兵裝備軍隊(duì)，為他們賣命，即使傷亡也不足惜。最終機(jī)器人認(rèn)定自己已經(jīng)比人類優(yōu)越，并試圖從人類手中接管這個(gè)世界。在這個(gè)故事中出現(xiàn)的名字Rabota,即勞動(dòng)者，一直沿用到今天。第二次世界大戰(zhàn)后，人們設(shè)計(jì)出自動(dòng)化機(jī)械，這提高了生產(chǎn)率。機(jī)床生產(chǎn)商制造出數(shù)控（NC）機(jī)床，它能夠生產(chǎn)出更好的產(chǎn)品。與此同時(shí)，人們開發(fā)出了多自由度的機(jī)械手，從事與核材料有關(guān)的工作。隨后，機(jī)床的數(shù)控功能與機(jī)械手的操作功能相

10、結(jié)合便產(chǎn)生了簡單的機(jī)器人。最早的機(jī)器人是用打孔紙帶控制的，即電子眼識(shí)別紙帶上的孔，并由此控制機(jī)器人的動(dòng)作。隨著工業(yè)的發(fā)展，打孔紙帶逐漸被磁帶，存儲(chǔ)設(shè)備以及各計(jì)算機(jī)所代替。以下列舉了機(jī)器人工業(yè)史上的幾個(gè)標(biāo)志性事件：1922捷克彳家KarelCapek寫了一本名為"Rossum'UniversalRobots的小說，引入名詞Rabota。1946GeorgeDevol開發(fā)出磁控制器，它是一種示教再現(xiàn)裝置。Eckert和Mauchley在賓西法尼亞大學(xué)建造了ENIAC計(jì)算機(jī)。1952第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床在麻省理工學(xué)院誕生。1954GeorgeDevol開發(fā)出第一臺(tái)可編程機(jī)器人。1955D

11、enavit與Hartenberg提出齊次變換矩陣。1961GeorgeDevol的可編程的貨物運(yùn)送”獲得美國專利，專利號(hào)為2988237,該專利技術(shù)是Unimate機(jī)器人的基礎(chǔ)。1962Unimate公司成立，出現(xiàn)了最早的工業(yè)機(jī)器人，GM公司安裝了第一臺(tái)Unimation公司的機(jī)器人。1967Unimate公司推出MarkII機(jī)器人，第一臺(tái)噴涂用機(jī)器人出口到日本。1968第一臺(tái)智能機(jī)器人Shakey在斯坦福研究所（SRI誕生。1972舊M公司開發(fā)出內(nèi)部使用的直角坐標(biāo)機(jī)器人，并最終開發(fā)出舊M7565型商用機(jī)器人。1973CincinnatiMilacron公司推出T3型機(jī)器人，它在工業(yè)應(yīng)用中廣

12、受歡迎。1978第一臺(tái)PUMA機(jī)器人由Unimation裝運(yùn)到GM公司。1982GM和日本Fanuc公司簽訂制造GMFanuc機(jī)器人的協(xié)議。Westinghouse兼并Unimation,隨后又將它賣給了瑞士的Staubli公司。1983機(jī)器人學(xué)無論是在工業(yè)生產(chǎn)還是在學(xué)術(shù)上，都是一門廣受歡迎的學(xué)科，機(jī)器人學(xué)開始列入教學(xué)計(jì)劃。1990CincinnatiMilacron公司被瑞士ABB公司兼并。許多小型的機(jī)器人制造公司也從市場上銷聲匿跡，只有少數(shù)主要生產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人的大公司尚存。1.6 機(jī)器人的優(yōu)缺點(diǎn)機(jī)器人使用的優(yōu)點(diǎn)：l機(jī)器人和自動(dòng)化技術(shù)在多數(shù)情況下可以提高生產(chǎn)率，安全性，效率，產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)品的一

13、性。l機(jī)器人可以在危險(xiǎn)的環(huán)境下工作，而無需考慮生命保障或安全的需要。l機(jī)器人無需舒適的環(huán)境，例如考慮照明，空調(diào)，通風(fēng)以及噪音隔離等。l機(jī)器人能不知疲倦，不知厭煩地持續(xù)工作，他們不會(huì)有心理問題，做事不拖沓，不需要醫(yī)療保險(xiǎn)或假期。l機(jī)器人除了發(fā)生故障或磨損外，將始終如一地保持精確度。l機(jī)器人具有比人高得多的精確度。直線位移精度可達(dá)千分之幾英寸（1英寸=2.54cm）,新型的半導(dǎo)體晶片處理機(jī)器人具有微英寸級(jí)的精度。l機(jī)器人和其附屬設(shè)備及傳感器具有某些人類所不具備的能力。l機(jī)器人可以同時(shí)響應(yīng)多個(gè)激勵(lì)或處理多項(xiàng)任務(wù)，而人類只能響應(yīng)一個(gè)現(xiàn)行激勵(lì)。機(jī)器人使用的負(fù)面：l機(jī)器人替代了工人，由此帶來經(jīng)濟(jì)和社會(huì)問題

14、：l機(jī)器人缺乏應(yīng)急能能力，除非該緊急情況能夠預(yù)知并已在系統(tǒng)中設(shè)置了應(yīng)對(duì)方案，否則不能很好地處理緊急情況。同時(shí)，還需要有安全措施來確保機(jī)器人不會(huì)傷害操作人員以及與他一起工作的機(jī)器（設(shè)備）。這些情況包括：n不恰當(dāng)或錯(cuò)誤的反應(yīng)n缺乏決策的能力n斷電n機(jī)器人或其它設(shè)備的損傷n人員傷害l機(jī)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(xiàn)在：n自由度n靈巧度n傳感器能力n視覺系統(tǒng)n實(shí)時(shí)響應(yīng)l機(jī)器人費(fèi)用開銷大，主要原因是：n原始的設(shè)備費(fèi)n安裝費(fèi)n需要周邊設(shè)備n需要培訓(xùn)n需要編程1.7 機(jī)器人的組成部件機(jī)器人作為一個(gè)系統(tǒng)，它由如下部件構(gòu)成：機(jī)械手或移動(dòng)車這是機(jī)器人的主體部分，由連

15、桿，活動(dòng)關(guān)節(jié)以及其它結(jié)構(gòu)部件構(gòu)成，使機(jī)器人達(dá)到空間的某一位置。如果沒有其它部件，僅機(jī)械手本身并不是機(jī)器人。（相當(dāng)于人的身體或手臂）末端執(zhí)行器連接在機(jī)械手最后一個(gè)關(guān)節(jié)上的部件，它一般用來抓取物體，與其他機(jī)構(gòu)連接并執(zhí)行需要的任務(wù)（參見圖1.2）。機(jī)器人制造上一般不設(shè)計(jì)或出售末端執(zhí)行器，多數(shù)情況下，他們只提供一個(gè)簡單的抓持器。（相當(dāng)于人的手）末端執(zhí)行器安裝在機(jī)器人上以完成給定環(huán)境中的任務(wù)，如焊接，噴漆，涂膠以及零件裝卸等就是少數(shù)幾個(gè)可能需要機(jī)器人來完成的任務(wù)。通常，末端執(zhí)行器的動(dòng)作由機(jī)器人控制器直接控制，或?qū)C(jī)器人控制器的信號(hào)傳至末端執(zhí)行器自身的控制裝置（如PL。圖1.2FanucM-410iWW碼

16、垛機(jī)器人機(jī)械手及它的末端執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)器是機(jī)械手的肌肉常見的驅(qū)動(dòng)器有伺服電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)，氣缸及液壓缸等，也還有一些用于某些特殊場合的新型驅(qū)動(dòng)器，它們將在第6章進(jìn)行討論。驅(qū)動(dòng)器受控制器的控制。傳感器傳感器用來收集機(jī)器人內(nèi)部狀態(tài)的信息或用來與外部環(huán)境進(jìn)行通信。機(jī)器人控制器需要知道每個(gè)連桿的位置才能知道機(jī)器人的總體構(gòu)型。人即使在完全黑暗中也會(huì)知道胳膊和腿在哪里，這是因?yàn)榧‰靸?nèi)的中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的神經(jīng)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(jìn)而確定胳膊和腿的狀態(tài)。對(duì)于機(jī)器人，集成在機(jī)器人內(nèi)的傳感器將每一個(gè)關(guān)節(jié)和連桿的信息發(fā)送給控制器，于是控制器就能決定機(jī)器人的構(gòu)型。機(jī)器人常配有

17、許多外部傳感器，例如視覺系統(tǒng)，觸覺傳感器，語言合成器等，以使機(jī)器人能與外界進(jìn)行通信?？刂破鳈C(jī)器人控制器從計(jì)算機(jī)獲取數(shù)據(jù)，控制驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)作，并與傳感器反饋信息一起協(xié)調(diào)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。假如要機(jī)器人從箱柜里取出一個(gè)零件，它的第一個(gè)關(guān)節(jié)角度必須為35。,如果第一關(guān)節(jié)尚未達(dá)到這一角度，控制器就會(huì)發(fā)出一個(gè)信號(hào)到驅(qū)動(dòng)器（輸送電流到電動(dòng)機(jī)），使驅(qū)動(dòng)器運(yùn)動(dòng)，然后通過關(guān)節(jié)上的反饋傳感器（電位器或編碼器等）測量關(guān)節(jié)角度的變化，當(dāng)關(guān)節(jié)達(dá)到預(yù)定角度時(shí)，停止發(fā)送控制信號(hào)。對(duì)于更復(fù)雜的機(jī)器人，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度和力也由控制器控制。機(jī)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(qiáng)大，但它卻控制著人的運(yùn)動(dòng)。處理器處

18、理器是機(jī)器人的大腦，用來計(jì)算機(jī)器人關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，確定每個(gè)關(guān)節(jié)應(yīng)移動(dòng)多少和多遠(yuǎn)才能達(dá)到預(yù)定的速度和位置，并且監(jiān)督控制器與傳感器協(xié)調(diào)動(dòng)作。處理器通常就是一臺(tái)計(jì)算機(jī)（專用）。它也需要擁有操作系統(tǒng)，程序和像監(jiān)視器那樣的外部設(shè)備等。軟件用于機(jī)器人的軟件大致有三塊。第一塊是操作系統(tǒng)，用來操作計(jì)算機(jī)。第二塊是機(jī)器人軟件，它根據(jù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方程計(jì)算每一個(gè)關(guān)節(jié)的動(dòng)作，然后將這些信息傳送到控制器，這種軟件有多種級(jí)別，從機(jī)器語言到現(xiàn)代機(jī)器人使用的高級(jí)語言不等。第三塊是例行程序集合和應(yīng)用程序，它們是為了使用機(jī)器人外部設(shè)備而開發(fā)的（例如視覺通用程序），或者是為了執(zhí)行特定任務(wù)而開發(fā)的。在許多系統(tǒng)中，控制器和處理器放置在同一單

19、元中。雖然這兩部分放在同一裝置盒內(nèi)甚至集成在同一電路中，但他們有各自的功能。1.8機(jī)器人的自由度為了確定點(diǎn)在空間的位置，需要指定三個(gè)坐標(biāo)，就像沿直角坐標(biāo)軸的x,y和z三個(gè)坐標(biāo)。要確定該點(diǎn)的位置必須要有三個(gè)坐標(biāo)，也就是說只要有三個(gè)坐標(biāo)便可以確定該點(diǎn)的位置。雖然這三個(gè)坐標(biāo)可以用不同的坐標(biāo)系來表示，但沒有坐標(biāo)系是不行的。然而，不能用兩個(gè)或四個(gè)坐標(biāo)，因?yàn)閮蓚€(gè)坐標(biāo)不能確定點(diǎn)在空間的位置，而三維空間不可能與所期望的位置。臺(tái)架（x,y,z）起重機(jī)可以將一個(gè)球放到它工作區(qū)內(nèi)操作員所指定的任一位置。同樣，要確定一個(gè)剛體（一個(gè)三維物體，而不是一個(gè)點(diǎn)）在空間的位置，首先需要在該剛體上選擇一個(gè)點(diǎn)并指定該點(diǎn)的位置，因此

20、需要三個(gè)數(shù)據(jù)來確定該點(diǎn)的位置。然而，即使物體的位置已確定，仍有無數(shù)種方法來確定物體關(guān)于所選點(diǎn)的姿勢。這就意味著需要六個(gè)數(shù)據(jù)才能完全確定剛體物體的位置和姿勢（以后將位置和姿態(tài)簡稱為位姿）?；谕瑯拥睦碛?，需要有六個(gè)自由度才能夠?qū)⑽矬w放置到空間的期望位姿。如果少于六個(gè)自由度，機(jī)器人的能力將受到很大限制。設(shè)有一個(gè)機(jī)器人，若為三自由度機(jī)器人，它只能沿x,y和z軸運(yùn)動(dòng)。在這種情況下，不能指定機(jī)械手的姿態(tài)。此時(shí)，機(jī)器人只能夾持物件作平行于坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)，姿態(tài)保持不變。若有五個(gè)自由度，可以繞三個(gè)坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)，但只能沿x和y軸移動(dòng)。這時(shí)雖然可以任意地指定姿態(tài)，但只可能沿x和y軸而不可能沿z軸給部件定位。若有七個(gè)自

21、由度的系統(tǒng)沒有唯一解。這就意味著，如果一個(gè)機(jī)器人有七個(gè)自由度，那么機(jī)器人可以有無窮多種方法在期望位置為部件定位和定姿。這就要求控制器從無數(shù)種方法中只選擇最快或最短路徑到達(dá)目的地。會(huì)耗費(fèi)許多計(jì)算時(shí)間，因此這種七個(gè)自由度的機(jī)器人在工業(yè)中是不采用的。多余的自由度稱為冗余的自由度。圖1.3FanucP-15機(jī)器人若不包括手掌和手指，但包括手腕，人的手臂到底有多少個(gè)自由度？人的手臂有三組關(guān)節(jié)一一肩，肘和腕。肩關(guān)節(jié)有三個(gè)自由度，這是因?yàn)樯媳郏殴牵┛梢栽趶较蚱矫鎯?nèi)旋轉(zhuǎn)（平行于身體的中心面），在冠平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)（一肩到另一肩的平面），并可繞肱骨旋轉(zhuǎn)（可以嘗試著使肩繞著這三個(gè)不同的軸旋轉(zhuǎn)）。肘關(guān)節(jié)只有一個(gè)自由度，

22、它只能繞著肘關(guān)節(jié)屈伸。腕關(guān)節(jié)也有三個(gè)自由度，它可以外展也可以內(nèi)收，可以屈也可以伸，而且由于模骨可以在尺骨上滾動(dòng)，所以可以做縱向旋轉(zhuǎn)（向上和向下）。因此，人的手臂共有七個(gè)自由度（盡管這些動(dòng)作的范圍很小）既然具有七個(gè)自由度的系統(tǒng)沒有唯一解，那么人到底是如何用手臂來完成任務(wù)的？對(duì)于機(jī)器人系統(tǒng)，從來不將末端執(zhí)行器考慮為一個(gè)自由度。所有的機(jī)器人都有該附加功能，它看起來類似于一個(gè)自由度，但末端執(zhí)行器的動(dòng)作并不計(jì)入機(jī)器人的自由度。有時(shí)會(huì)有這樣的情況，雖然關(guān)節(jié)是能夠活動(dòng)的，但它的運(yùn)動(dòng)并不完全受控制器控制。例如，假設(shè)一個(gè)線性關(guān)節(jié)由一個(gè)氣缸驅(qū)動(dòng)，其上的手臂可以全程伸開，也可全程收縮，但不能控制它在兩個(gè)極限之間的位

23、置。在這種情況下，通常把這個(gè)關(guān)節(jié)的自由度確定為1/2,它表示這個(gè)關(guān)節(jié)只能在它的運(yùn)動(dòng)極限內(nèi)定位。自由度為1/2的另一個(gè)含義是僅僅只能對(duì)該關(guān)節(jié)賦予一些特定值，例如，假設(shè)一個(gè)關(guān)節(jié)的角度只能為0。，30。，60。和90。，那么如前所述，該關(guān)節(jié)被限定為只有幾個(gè)可能的取值，從而是一個(gè)受限的自由度。許多工業(yè)機(jī)器人的自由度都少于6個(gè)。實(shí)際上，自由度為3.5個(gè)，4個(gè)和5個(gè)的機(jī)器人非常普遍。只要沒有對(duì)附加自由度的需要，這些機(jī)器人都能夠很好地工作。例如，假設(shè)將電子元件插入電路板，電路板放在一個(gè)給定的工作臺(tái)面上，此時(shí)，電路板相對(duì)于機(jī)器人基座的高度億坐標(biāo)）是已知的。因而，只需要沿x軸和y軸方向上的兩個(gè)自由度就可以確定元

24、件插入電路板的位置。另外，假設(shè)元件要按某個(gè)方位插入電路板，而且電路板是平的，此時(shí)，則需要一個(gè)繞垂直軸（z）旋轉(zhuǎn)的自由度，才能在電路板上給元件定向。由于這里還需要一個(gè)1/2自由度，以便能完全伸展末端執(zhí)行器來插入元件，或者在運(yùn)動(dòng)前能完全收縮將機(jī)器人抬起，因而總共需要3.5個(gè)自由度，其中兩個(gè)自由度用來在電路板的上方運(yùn)動(dòng)，一個(gè)用來旋轉(zhuǎn)元件，還有1/2用來插入和縮回。插裝機(jī)器人廣泛應(yīng)用于電子工業(yè)，他們的優(yōu)點(diǎn)是編程簡單，價(jià)格適中，體積小，速度快。他們的缺點(diǎn)是雖然他們可以用編程實(shí)現(xiàn)在任意型號(hào)的電路板上以任意的方位插入元件，以完成在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)的一系列工作，但是他們不能從事除此以外的其他工作。機(jī)器人關(guān)節(jié)機(jī)器人有

25、許多不同類型的關(guān)節(jié)，有線性的，旋轉(zhuǎn)的，滑動(dòng)的或球形的。雖然球關(guān)節(jié)在許多系統(tǒng)中使用很普遍，但是由于擁有多個(gè)自由度且難以控制，所以在機(jī)器人中除了用于研究外并不常用。大多數(shù)機(jī)器人關(guān)節(jié)是線性或旋轉(zhuǎn)型關(guān)節(jié)。滑動(dòng)（prismatic）關(guān)節(jié)是線性的，它不包含旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并由氣缸，液壓缸或者線性電驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，主要用于臺(tái)架構(gòu)型，圓柱構(gòu)型或類似的關(guān)節(jié)構(gòu)型?；剞D(zhuǎn)關(guān)節(jié)是旋轉(zhuǎn)型的，雖然液壓和氣動(dòng)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)使用十分普遍，但大部分旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)是電動(dòng)的，它們由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，或者更普遍地采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。機(jī)器人的坐標(biāo)機(jī)器人的構(gòu)型通常是根據(jù)它們的坐標(biāo)系來確定，如圖1.4所示?；瑒?dòng)關(guān)節(jié)用P表示，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)用R表示，球型關(guān)節(jié)用S表示。機(jī)器人構(gòu)

26、型通?？捎靡幌盗械腜,R,S來描述例如三滑動(dòng)關(guān)節(jié)，三旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)則由3P3R來表示。以下是用于給機(jī)器人手定位的常用構(gòu)型。笛卡爾坐標(biāo)/直角坐標(biāo)/臺(tái)架型（3P）這種機(jī)器人由三個(gè)線形關(guān)節(jié)，用來確定末端執(zhí)行器的位置，通常帶有附加的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)來確定末端執(zhí)行器的姿態(tài)。圓柱坐標(biāo)性（R2P）圓柱坐標(biāo)機(jī)器人有兩個(gè)滑動(dòng)關(guān)節(jié)和一個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)來確定不見的位置，再附加一個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)來確定部件的姿態(tài)。球坐標(biāo)型（2RP）球坐標(biāo)機(jī)器人采用球坐標(biāo)系，它用一個(gè)滑動(dòng)關(guān)節(jié)和兩個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)來確定部件的位置，再用一個(gè)附加的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)確定部件的姿態(tài)。鏈?zhǔn)?擬人型（3R）（關(guān)節(jié)）鏈?zhǔn)綑C(jī)器人的關(guān)節(jié)全都是旋轉(zhuǎn)的，類似于人的手臂。它們是工業(yè)機(jī)器人中最常見的構(gòu)型

27、。選擇性柔性裝配機(jī)器人臂（SCARA）SCARAL器人有兩個(gè)并聯(lián)的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，可以使機(jī)器人在水平面上運(yùn)動(dòng)，此外，再用一個(gè)附加的滑動(dòng)關(guān)節(jié)作垂直運(yùn)動(dòng)（如圖1.5所示）。SCARA機(jī)器人常用于裝配作業(yè)，最顯著的特點(diǎn)是它們在X-Y平面上的運(yùn)動(dòng)具有較大的柔性，而沿Z軸具有很強(qiáng)的剛性，所以它具有選擇性的柔性。這在裝配作業(yè)中是很重要的問題，后面還將對(duì)此進(jìn)行討論。圖1.4一些可能的機(jī)器人坐標(biāo)構(gòu)架形式圖1.5AdeptSCARA機(jī)器人機(jī)器人的參考坐標(biāo)系常用坐標(biāo)系見下機(jī)器人可以相對(duì)于不同的坐標(biāo)系運(yùn)動(dòng)，在每一種坐標(biāo)系中的運(yùn)動(dòng)都不相同。圖1.6所示。圖1.6機(jī)器人的全局坐標(biāo)系、關(guān)節(jié)參考坐標(biāo)系和工具參考坐標(biāo)系。大多數(shù)機(jī)器

28、人編程都是相對(duì)其中一個(gè)坐標(biāo)系全局參考坐標(biāo)系通用坐標(biāo)系，由X,YZ軸所定義。在此情況下，通過機(jī)器人關(guān)節(jié)的同時(shí)運(yùn)動(dòng)來產(chǎn)生沿三個(gè)主軸方向的運(yùn)動(dòng)。在這坐標(biāo)系中，無論手臂在那里，X軸的正向運(yùn)動(dòng)就總是在X軸的正方向。這一坐標(biāo)通常用來定義機(jī)器人相對(duì)于其他物體的運(yùn)動(dòng)，與機(jī)器人通信的其它部件以及運(yùn)動(dòng)路徑關(guān)節(jié)參考坐標(biāo)系關(guān)節(jié)參考坐標(biāo)系用來描述機(jī)器人每一個(gè)獨(dú)立關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。假設(shè)希望將機(jī)器人的手運(yùn)動(dòng)到一個(gè)特定的位置，可以每次只運(yùn)動(dòng)一個(gè)關(guān)節(jié)，從而把手引導(dǎo)到期望的位置上。在這種情況下，每一個(gè)關(guān)節(jié)單獨(dú)控制，從而每次只由一個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。由于所用關(guān)節(jié)的類型（滑動(dòng)型，旋轉(zhuǎn)型，球型）不同，機(jī)器人手的動(dòng)作也各不相同。例如，如果旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)

29、，機(jī)器人手將繞著關(guān)節(jié)的軸旋轉(zhuǎn)。工具參考坐標(biāo)系工具參考坐標(biāo)系描述機(jī)器人手相對(duì)于固連在手上的坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)。固連在手上的X'Y'和Z'軸定義了手相對(duì)于本地坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)。與通用的全局坐標(biāo)系不同，本地的工具坐標(biāo)系隨機(jī)器人一起運(yùn)動(dòng)。工具坐標(biāo)系是一個(gè)活動(dòng)的坐標(biāo)系，當(dāng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)是它也隨之不斷改變。機(jī)器人所有的關(guān)節(jié)必須同時(shí)運(yùn)動(dòng)才能產(chǎn)生關(guān)于工具坐標(biāo)系的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。在機(jī)器人編程中，工具坐標(biāo)系是一個(gè)極其有用的坐標(biāo)系，用它便于對(duì)機(jī)器人靠近，離開物體或安裝零件進(jìn)行編程。機(jī)器人的編程模式根據(jù)機(jī)器人機(jī)器復(fù)雜程度的不同，可用多種模式為機(jī)器人編程。以下是一些常用的編程模式：硬件邏輯結(jié)構(gòu)模式在這個(gè)模式中，操作

30、員操縱開關(guān)和起停按鈕控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。這種模式常與其他裝置配合使用，例如可編程序邏輯控制器（PLC）.引導(dǎo)或示教模式在這種模式中，機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)隨示教桿運(yùn)動(dòng)，當(dāng)達(dá)到期望的位姿時(shí)，位姿信息送入控制器。在再現(xiàn)過程中，控制器控制各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)到相同的位子。這種方式常用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)控制，而并不指定或控制兩點(diǎn)之間的運(yùn)動(dòng)，它只保證示教的各點(diǎn)到位。（點(diǎn)位控制）連續(xù)軌跡示教模式在種模式中，機(jī)器人所有的關(guān)節(jié)同時(shí)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)是連續(xù)采樣的，并由控制器記錄運(yùn)動(dòng)信息。在再現(xiàn)過程中，按照記錄的信息準(zhǔn)確地執(zhí)行動(dòng)作。操作員給機(jī)器人示教通常有兩種方法：一種是通過模型實(shí)際運(yùn)動(dòng)末端執(zhí)行器，另一種是直接引導(dǎo)機(jī)器人手臂在他的工作空

31、間中運(yùn)動(dòng)。例如，熟練的噴漆工人就是通過這種方式為噴漆機(jī)器人編程。軟件模式在這種機(jī)器人編程模式中，可以采用離線或在線的方式進(jìn)行編程，然后由控制器執(zhí)行這些程序，并控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。這種編程模式最為先進(jìn)和通用它可包含傳感器信息，條件語句（諸如iftheM句）和分支語句等。然而，在編寫程序之前必須掌握機(jī)器人操作系統(tǒng)的知識(shí)。大部分工業(yè)機(jī)器人都具有一種以上的編程模式。軟件簡介KLA400型四自由度SCARA機(jī)器人的控制系統(tǒng)是基于VC+6.0開發(fā)的，如下圖所示，具有較好的操作界面，方便用戶操作。軟件內(nèi)部編制了空間直線插補(bǔ)算法，機(jī)器人的正運(yùn)動(dòng)學(xué)算法，機(jī)器人的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)算法，用關(guān)節(jié)空間法對(duì)機(jī)器人示教的路徑進(jìn)行了詳

32、細(xì)的規(guī)劃，對(duì)機(jī)器人的實(shí)驗(yàn)流程做了詳細(xì)的路徑規(guī)劃。該軟件系統(tǒng)具有很多功能，包括機(jī)器人的軸運(yùn)動(dòng)卡的測試、機(jī)器人的正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、機(jī)器人的軟件示教、完成具體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目（機(jī)器人裝配、機(jī)器人搬運(yùn)、機(jī)器人搭積木），通過軟件和限位開關(guān)對(duì)各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍進(jìn)行了限定。軟件還提供給用戶動(dòng)態(tài)連接庫KLD.DLL方便用戶利用V®VC調(diào)用動(dòng)態(tài)連接庫對(duì)KLA400型機(jī)器人進(jìn)行二次開發(fā)，以滿足不同用戶的不同需求，有利于用戶學(xué)習(xí)和理解機(jī)器人這門技術(shù)。KLD-400型機(jī)器人能用于培養(yǎng)動(dòng)手能力、創(chuàng)造力、綜合能力、合作能力和進(jìn)取精神。借助于可視化語言和開放式接口，KLD-400型機(jī)器人還可以作為通用的綜

33、合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。機(jī)器人的性能指標(biāo)以下幾項(xiàng)用來定義機(jī)器人的性能指標(biāo)：負(fù)荷能力負(fù)荷能力是機(jī)器人在滿足其它性能要求的情況下，能夠承擔(dān)的負(fù)荷重量。例如，一臺(tái)機(jī)器人的最大負(fù)荷能力可能遠(yuǎn)大于它的額定負(fù)荷能力，但是達(dá)到最大負(fù)荷時(shí)，機(jī)器人的工作精度可能會(huì)降低，可能無法準(zhǔn)確地沿著預(yù)定的軌跡運(yùn)動(dòng)，或者產(chǎn)生額外的偏差。機(jī)器人的負(fù)荷量與其自身的重量相比往往非常小。例如，F(xiàn)anucRoboticsLRMate機(jī)器人自身重86磅，而其負(fù)荷量僅為6.6磅；M16機(jī)器人自身重594磅，而其負(fù)荷量僅為35磅。運(yùn)動(dòng)范圍運(yùn)動(dòng)范圍是機(jī)器人在其工作區(qū)域內(nèi)可以達(dá)到的最大距離。器人可按任意的姿態(tài)達(dá)到其工作區(qū)域內(nèi)的許多點(diǎn)（這些點(diǎn)稱為靈巧點(diǎn)）。然

34、而，對(duì)于其他一些接近于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)范圍的極限線，則不能任意指定其姿態(tài)（這些點(diǎn)稱為非靈巧點(diǎn)）。說明：運(yùn)動(dòng)范圍是機(jī)器人關(guān)節(jié)長度和其構(gòu)型的函數(shù)。精度定義：精度是指機(jī)器人到達(dá)指定點(diǎn)的精確程度說明：它與驅(qū)動(dòng)器的分辨率以及反饋裝置有關(guān)。大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人具有0.001英寸或更高的精度重復(fù)精度（變化性）定義：重復(fù)精度是指如果動(dòng)作重復(fù)多次，機(jī)器人到達(dá)同樣位置的精確程度。舉例：假設(shè)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人到達(dá)同一點(diǎn)100次，由于許多因素會(huì)影響機(jī)器人的位置精度，機(jī)器人不可能每次都能準(zhǔn)確地到達(dá)同一點(diǎn)，但應(yīng)在以該點(diǎn)為圓心的一個(gè)圓區(qū)范圍內(nèi)。該圓的半徑是由一系列重復(fù)動(dòng)作形成的，這個(gè)半徑即為重復(fù)精度。說明：重復(fù)精度比精度更為重要，如果一個(gè)機(jī)

35、器人定位不夠精確，通常會(huì)顯示一固定的誤差，這個(gè)誤差是可以預(yù)測的，因此可以通過編程予以校正。舉例：假設(shè)一個(gè)機(jī)器人總是向右偏離0.01mm,那么可以規(guī)定所有的位置點(diǎn)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(jī)的，那它就無法預(yù)測，因此也就無法消除。重負(fù)精度限定了這種隨機(jī)誤差的范圍，通常通過一定次數(shù)地重復(fù)運(yùn)行機(jī)器人來測定。機(jī)器人的工作空間定義：根據(jù)機(jī)器人的構(gòu)型，連桿及腕關(guān)節(jié)的大小，機(jī)器人能到達(dá)的點(diǎn)的集合稱為工作空間。每個(gè)機(jī)器人的工作空間形狀都與機(jī)器人的特性指標(biāo)密切相關(guān)。工作空間可以用數(shù)學(xué)方法通過列寫方程來確定，這些方程規(guī)定了機(jī)器人連桿與關(guān)節(jié)的約束條件，這些約束條件可能是每個(gè)關(guān)節(jié)的

36、動(dòng)作范圍。除此之外，工作空間海爾可以憑經(jīng)驗(yàn)確定，可以使每個(gè)在其運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)，然后將其可以到達(dá)的所有區(qū)域連接起來，再除去機(jī)器人無法到達(dá)的區(qū)域。下圖1.7顯示了一些常見構(gòu)型的大致工作區(qū)間。當(dāng)機(jī)器人用作特殊用途是，必須研究其工作空間，以確保機(jī)器人能到達(dá)要求的點(diǎn)。要準(zhǔn)確地確定工作空間，可以參考生產(chǎn)商提供的數(shù)據(jù)。圖1.7常見機(jī)器人構(gòu)型的典型工作空間1.15機(jī)器人語言機(jī)器人語言的種類可能與機(jī)器人的種類一樣多。每一個(gè)生產(chǎn)商都會(huì)設(shè)計(jì)他們自己的機(jī)器人語言。因此，為了使用某一個(gè)特定機(jī)器人，必須學(xué)習(xí)相關(guān)的語言。許多機(jī)器人語言是以常用語言如Cobol,Basic,C和Fortran為基礎(chǔ)派生出來的，也有一些機(jī)器人語

37、言是獨(dú)特設(shè)計(jì)的，并于其它常用語言無直接聯(lián)系。機(jī)器人語言根據(jù)其設(shè)計(jì)和應(yīng)用的不同有著不同的復(fù)雜性級(jí)別，其級(jí)別范圍從機(jī)器級(jí)到已提出的人類智能級(jí)不等。高級(jí)語言的執(zhí)行方式有兩種：一種是解釋方式，另一種是編譯方式。解釋程序一次執(zhí)行一條語句，并且每條語句有一個(gè)標(biāo)號(hào)。每當(dāng)碰到一條程序語句時(shí)，解釋器對(duì)它進(jìn)行翻譯（將這條語句轉(zhuǎn)化為處理器能夠理解并執(zhí)行的機(jī)器語言），并依次執(zhí)行每一條語句，一直執(zhí)行到最后一條語句或到發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤為止。優(yōu)點(diǎn)：能夠連續(xù)執(zhí)行直到發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，這樣用戶就可以一部分一部分地執(zhí)行并進(jìn)行程序調(diào)試。這樣，調(diào)試程序可以更快，更簡便地執(zhí)行。缺點(diǎn)是由于要翻譯每條程序，因此執(zhí)行速度較慢且效率不高。例如許多機(jī)器人語言，

38、比如Unimation的VAL和IBM的AML（AManufacturingLanguage）#B是解釋程序。編譯程序在程序執(zhí)行前，通過編譯起將整個(gè)程序翻譯成機(jī)器語言（生成目標(biāo)代碼）。優(yōu)點(diǎn)是由于處理器在程序執(zhí)行時(shí)執(zhí)行的是目標(biāo)代碼，這些程序可執(zhí)行的更快并且效率更高。缺點(diǎn)是由于必須編譯整個(gè)程序，所以如果程序中某個(gè)地方存在錯(cuò)誤，則任何一部分程序都不會(huì)執(zhí)行，于是，調(diào)試編譯程序就比較困難。舉例：有些語言（如AL僦比較靈活，它們允許用戶用解釋模式進(jìn)行調(diào)試，而用編譯模式執(zhí)行。不同級(jí)別機(jī)器人語言的一般描述：微型計(jì)算機(jī)機(jī)器級(jí)語言在這一級(jí)，程序使用機(jī)器語言編寫的。這一級(jí)的編程是最基本的，也是非常有效的，但是難以理

39、解和學(xué)習(xí)。所有的語言最終都翻譯或編譯成機(jī)器語言。點(diǎn)到點(diǎn)級(jí)語言特點(diǎn)：在這一級(jí)語言中（諸如FunkyCincinnatiMilacron的T3）,依次輸入每一點(diǎn)的坐標(biāo)，機(jī)器人就按照給出的點(diǎn)運(yùn)動(dòng)。這是非常原始和簡單的程序類型。優(yōu)點(diǎn)是易于使用。缺點(diǎn)是功能不夠強(qiáng)大?；緞?dòng)作級(jí)語言用該語言可以開發(fā)較復(fù)雜的程序，包含傳感器信息，程序分支以及條件語句（例如Unimation的VAL大多數(shù)這一級(jí)別的語言是基于解釋執(zhí)行的。結(jié)構(gòu)化程序級(jí)語言大多數(shù)這一級(jí)別的語言是編譯執(zhí)行的。功能強(qiáng)大，允許復(fù)雜編程，但是難以學(xué)習(xí)。面向任務(wù)級(jí)語言目前尚不存在這一級(jí)別的編程語言。舊M與20世紀(jì)80年代提出Autopass,但一直沒有實(shí)現(xiàn)。

40、Autopass設(shè)想成為面向任務(wù)的編程語言，也就是說不必為機(jī)器人完成功能任務(wù)的每一個(gè)必要步驟都編好程序，用戶只需指出所要完成的任務(wù)，而控制器就會(huì)生成必要的程序流程。例如假設(shè)機(jī)器人要將一批盒子按大小分為三類，在現(xiàn)有的語言中，程序員必須準(zhǔn)確告訴機(jī)器人要做什么，也就是每一個(gè)步驟都必須編程。如必須首先告訴機(jī)器人如何運(yùn)動(dòng)到最大的盒子處，如何撿起盒子，并將它放在哪里，然后再運(yùn)動(dòng)到下一個(gè)盒子的地方，等等。在Autopass語言中，用戶只需給出分類”的指令，機(jī)器人控制器便會(huì)自動(dòng)建立這些動(dòng)作序列。機(jī)器人的應(yīng)用機(jī)器人最適合在那些人類無法工作的環(huán)境中工作，它們已在許多工業(yè)部門獲得廣泛應(yīng)用它們可以比人類工作得更好并且

41、成本低廉。例如，因?yàn)楹附訖C(jī)器人能夠更均勻一致地運(yùn)動(dòng)，他可以比焊接工人焊得更好。此外，機(jī)器人無需焊接工人工作時(shí)使用的護(hù)目鏡，防護(hù)服，通風(fēng)設(shè)備及其他必要的防護(hù)措施。因此，只有焊接工作設(shè)置由機(jī)器人自動(dòng)操作并不再改變，而且該焊接工作也不太復(fù)雜，那么機(jī)器人就比較適合做這樣的工作并能提高生產(chǎn)效率。同樣，海底勘探機(jī)器人遠(yuǎn)不像人類潛水員工作時(shí)需要太多的關(guān)注，機(jī)器人可以在水下停留更長的時(shí)間，并潛入更深的水底而仍能承受得住巨大的壓力，而且它也不需要氧氣。以下列舉了機(jī)器人的一些應(yīng)用，機(jī)器人還有其他應(yīng)用。所有這些用途正逐步深入工業(yè)和社會(huì)的各個(gè)層面。機(jī)器加載指機(jī)器人為其他機(jī)器裝卸工件（如圖1.8所示）。在這項(xiàng)工作中，機(jī)

42、器人甚至不對(duì)工件做任何操作，而只是完成一系列操作中的工件處理任務(wù)。圖1.8Staubli機(jī)器人從加工中心裝卸工件取放操作指機(jī)器人抓取零件并將它們放置到其他位置（如圖1.9所示），這還包括碼垛、填裝彈藥、將兩物件裝到一起的簡單裝配、將工件放入烤爐或從烤爐里取出處理過的工件或其他類似的操作。圖1.9Staubli機(jī)器人將洗碗機(jī)的桶放入焊接臺(tái)焊接這時(shí)機(jī)器人與焊槍及相應(yīng)配套裝置一起將部件焊接在一起，這時(shí)機(jī)器人在自動(dòng)化工業(yè)中最常見的一種應(yīng)用。由于機(jī)器人連續(xù)運(yùn)動(dòng)，可以焊接得非常均勻和準(zhǔn)確。通常焊接機(jī)器人的體積和功率均比較大（如圖1.10所示）。圖1.10AM120Fanuc機(jī)器人噴漆這是另一種常見的機(jī)器人

43、應(yīng)用，尤其在汽車工業(yè)上。由于人工噴漆時(shí)通風(fēng)和情節(jié)，因此創(chuàng)造適合人們工作的環(huán)境是十分困難的，而且與人工操作相比，機(jī)器人更能持續(xù)不斷地工作，因此噴漆機(jī)器人非常適合噴漆工作（如圖1.11所示）。圖1.11P200Fanuc噴漆機(jī)器人對(duì)汽車車身噴漆檢測對(duì)零部件、線路板及其他類似產(chǎn)品的檢測也是機(jī)器人比較常見的應(yīng)用。一般說來，檢測系統(tǒng)中還集成有其他一些設(shè)備，它們是視覺系統(tǒng)、X射線裝置、超聲波探測儀或其他類似儀器（如圖1.12所示）。機(jī)器人還廣泛應(yīng)用于電路板和芯片的檢測，在大多數(shù)這樣的應(yīng)用中，元件的識(shí)別、元件的特性（例如電路板的電路圖、元件銘牌等）等信息檢測都存儲(chǔ)在系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫內(nèi)，該系統(tǒng)利用檢測到的信息與數(shù)

44、據(jù)庫中存儲(chǔ)的元件信息比較，并根據(jù)檢測結(jié)果來決定是接受還是拒絕元件。圖1.12BMW制造設(shè)備中的StaubliRXFRAMS（FlexibleRoboticsAbsoluteMeasuringSystem）機(jī)器人抽樣：在許多工業(yè)過程中，都采用機(jī)器人做抽樣實(shí)驗(yàn)。抽樣只在一定量的產(chǎn)品中進(jìn)行，出吃之外它與取放和檢測操作相類似。裝配操作：裝配是機(jī)器人的所有任務(wù)中最難的一種操作。通常，將元件裝配成產(chǎn)品需要很多操作。例如，必須首先定位和識(shí)別元件，再以特定的順序移動(dòng)元件到規(guī)定的位置，然后將元件固定在一起進(jìn)行裝配。許多固定和裝配任務(wù)也非常復(fù)雜，需要推壓、旋擰、彎折、扭動(dòng)、擠壓以及摘標(biāo)牌等許多操作才能將元件連接在

45、一起。元件的微小變化以及由于較大的容許誤差所導(dǎo)致的元件直徑的變化均可使得裝配過程復(fù)雜化，所以機(jī)器人必須知道合格元件與錯(cuò)誤元件之間的區(qū)別。機(jī)械制造：用機(jī)器人制造包含許多不同的操作（如圖1.13所示），例如去除材料、鉆孔、除毛刺、涂膠、切削等。同時(shí)也包括插入零部件，如將電子元件插入電路板、將電路板安裝到VCR的電子設(shè)備上以及其他的操作。插入機(jī)器人在電子工業(yè)中的應(yīng)用也非常普遍。圖1.13FanucLRMate200i機(jī)器人正在一塊寶石上執(zhí)行材料去除操作見識(shí)：曾企圖利用機(jī)器人執(zhí)行監(jiān)視任務(wù)，單不是很成功。然而，不論實(shí)在安全恒產(chǎn)還是交通控制方面，已廣泛使用視覺系統(tǒng)來進(jìn)行監(jiān)視。醫(yī)療應(yīng)用：機(jī)器人在醫(yī)療方面的應(yīng)

46、用現(xiàn)在也越來越常見。例如，Robodoc就是為協(xié)助外科醫(yī)生完成全關(guān)節(jié)移植手術(shù)而設(shè)計(jì)的機(jī)器人。由于要求機(jī)器人完成的許多操作比人工操作更為準(zhǔn)確，因此手術(shù)中許多機(jī)械部分由機(jī)器人來完成。此外，骨頭的形狀和位置可由CAT掃描儀確定并下載給機(jī)器人控制器，將它們用于知道機(jī)器人的動(dòng)作，以使植入物得以放到最合適的位置。同樣，還有許多企圖機(jī)器人用于幫助外科醫(yī)生完成微型手術(shù)，包括在巴黎和Liepzig進(jìn)行的心臟瓣膜手術(shù)。另一臺(tái)叫做daVinci的外科手術(shù)機(jī)器人已被美國食品與藥物管理局批準(zhǔn)，用于執(zhí)行腹部外科手術(shù)。幫助殘疾人：試驗(yàn)用機(jī)器人幫助機(jī)器人已取得不錯(cuò)的成果。在日常生活中，機(jī)器人可以做很多事情來幫助殘疾人，在其中

47、一項(xiàng)研究中，一臺(tái)小型的如桌子高矮的機(jī)器人可以與殘疾人交流，并執(zhí)行一些簡單的任務(wù)，諸如將盛著食品的盤子放入微波爐，從微波爐中取出盤子，并且將盤子放到殘疾人面前給他們用餐等。其他許多任務(wù)也可以通過編程讓機(jī)器人來執(zhí)行。危險(xiǎn)環(huán)境：機(jī)器人非常適合在危險(xiǎn)的環(huán)境中使用。在這些險(xiǎn)惡的環(huán)境下工作，人類必須采用嚴(yán)密的保護(hù)措施。而機(jī)器人可以進(jìn)入或穿過這些危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行維護(hù)和探測等工作，且不需要得到像對(duì)人一樣的保護(hù)。水下、太空及遠(yuǎn)程：機(jī)器人可以用于水下、太空及遠(yuǎn)程的服務(wù)或探測。雖然尚沒有人被送往火星，但已有許多太空漫游車在火星登陸并對(duì)火星進(jìn)行探測。在其他太空和水下也有同樣的應(yīng)用。例如，由于沒人能進(jìn)入到很深的海底，因此直

48、到最近在深海也只有探測到很少的沉船。現(xiàn)在已有許多墜機(jī)、沉船和潛艇很快地被水下機(jī)器人所發(fā)現(xiàn)。如圖1.14所示是一臺(tái)六自由度雙向力反饋機(jī)械手Arm,它主要用于載人潛艇和遠(yuǎn)程操作車。Arm由一個(gè)遠(yuǎn)程主臂控制，主臂可以感受到”從臂所感受到的環(huán)境信息。這個(gè)系統(tǒng)也可以通過一個(gè)示教再現(xiàn)系統(tǒng)來執(zhí)行編程動(dòng)作。其他機(jī)器人及應(yīng)用科學(xué)家和工程師們除了對(duì)設(shè)計(jì)類人機(jī)器人感興趣，他們也設(shè)計(jì)了模仿昆蟲和其他動(dòng)物的機(jī)器人。例如六腳和八腳機(jī)器人、蠕蟲機(jī)器人、蛇形機(jī)器人、像魚一樣游動(dòng)的機(jī)器人行為像狗一樣的機(jī)器人、蝦行機(jī)器人以及其他未標(biāo)定生命形式的機(jī)器人。這些機(jī)器人中，有的十分龐大而且功能強(qiáng)大，例如Odetics公司的Odex機(jī)器人

49、，有的則小巧玲瓏。這些機(jī)器人多數(shù)是為科研目的而開發(fā)的，也有的為軍事、醫(yī)療或娛樂而設(shè)計(jì)開發(fā)的。例如，一種小型礦藏掃描機(jī)器人就是為了搜索和開采礦藏而開發(fā)的。開發(fā)理由是，在勘探過程中損失一臺(tái)廉價(jià)機(jī)器人遠(yuǎn)比有人員傷亡要好得多。生命電子學(xué)是指設(shè)計(jì)冰咖啡生動(dòng)形象的機(jī)器人和機(jī)器的系統(tǒng)技術(shù)，這些機(jī)器人和機(jī)器具有類似人或其他動(dòng)物的外觀與行為。例如生命電子嘴唇、生命電子眼睛及生命電子手。隨著更為復(fù)雜的生命電子部件的出現(xiàn)，他們所代替的行動(dòng)將越來越真實(shí)。另一個(gè)與機(jī)器人學(xué)及其應(yīng)用有關(guān)的領(lǐng)域是微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)。設(shè)計(jì)微型級(jí)設(shè)備用來執(zhí)行系統(tǒng)內(nèi)的的操作功能，這些功能包括醫(yī)療、機(jī)械、電子方面的任務(wù)。例如，機(jī)器人微型設(shè)備可以送入主靜脈，并通過主靜脈進(jìn)入心臟執(zhí)行探測或外科手術(shù)任務(wù)，MEMS傳感器可用來測量血液中各元素的含量水平，或者當(dāng)汽車發(fā)生撞車時(shí)MEMS驅(qū)動(dòng)器可用來展開安全氣囊。1.18機(jī)器人的社會(huì)問題人們必須經(jīng)?？紤]因使用機(jī)器人所帶來的社會(huì)后果。有很多使用機(jī)器人的場合，在這些場合人們不適應(yīng)去做同樣的工作，所以機(jī)器人代替了工人的工作，這些被機(jī)器人取代了工作的工人就會(huì)面臨失業(yè)并失去收入。如果任由這一趨勢繼續(xù)發(fā)展下去