機器人工程專業(yè)導論 課件 第4章 機器人工程與其相關主要學科

4.1數(shù)學與機器人工程

4.2力學與機器人工程

4.3材料與機器人工程

4.4機械與機器人工程

4.5自動化與機器人工程

4.6計算機與機器人工程4.1數(shù)學與機器人工程4.1.1概述數(shù)學源自古希臘語，是研究數(shù)量、結構、變化和空間模型等概念的一門學科。透過抽象化和邏輯推理的使用，數(shù)學由計數(shù)、計算、量度和對物體形狀及運動的觀察中產(chǎn)生。數(shù)學的基本要素是：邏輯和直觀、分析和推理、共性和個性。數(shù)學是基本語言。時空的語言是幾何，天文學的語言是微積分，量子力學要透過算子理論來描述，而波動理論則靠傅里葉分析來說明。數(shù)學家研究這些科目，最先都由其本身之美所感召，但最后卻發(fā)現(xiàn)這些科目背后，竟有些共通的特性。這個事實說明了看起來并不相關的科目，它們之間有甚多交纏互倚的地方。數(shù)學乃是秩序的科學，它的目的是發(fā)現(xiàn)、刻畫、了解外觀復雜情況的秩序。數(shù)學中的概念，恰好能夠描述這些秩序。數(shù)學家花了幾百年來尋找最有效的描述這些秩序的精微曲折處。數(shù)學可用于外在世界，畢竟現(xiàn)實世界是種種復雜情況的縮影，其中包含大量的秩序。因此，數(shù)學能應用于經(jīng)濟學是毫不奇怪的。好幾個諾貝爾經(jīng)濟學得獎者，其工作皆與數(shù)學有關。數(shù)學是強大的工具。大量重要的數(shù)學，原意是為解決工程上的問題。按照美國數(shù)學學科分類標準，數(shù)學可以分為普通數(shù)學、離散數(shù)學和代數(shù)、分析、幾何與拓撲、應用數(shù)學及其他。數(shù)學的分支可以按照“數(shù)”“形”“結構”“變化”等研究性質(zhì)來劃分。在這種體系下，代數(shù)(包括數(shù)論)、幾何(包括拓撲)、分析是三大基礎性分支，概率統(tǒng)計、計算數(shù)學、應用數(shù)學、離散數(shù)學是派生性分支。數(shù)學的本性決定了它會隨著科學研究的需求而拓寬自身的領域，并會隨著綜合分析而更為深入?，F(xiàn)在的數(shù)學分支已經(jīng)涉及我們的社會、生活和科技的各個領域。數(shù)學的研究改變了科學發(fā)展的航道。古往今來，人類社會都是在不斷了解和探究數(shù)學的過程中得到發(fā)展進步的。數(shù)學對推動人類文明起到了舉足輕重的作用。4.1.2數(shù)學建模1.數(shù)學模型與建模機器人工程中所遇到的很多實際問題都需要通過數(shù)學建模、仿真分析等手段來進行系統(tǒng)的研究與分析。學習數(shù)學建模的先修課程主要有：數(shù)學分析、高等代數(shù)、數(shù)值分析、概率論與數(shù)理統(tǒng)計等。圖4-1是數(shù)學建模流程圖。數(shù)學模型是一種模擬，是用數(shù)學符號、數(shù)學式、程序、圖形等對實際課題本質(zhì)屬性的抽象而又簡潔的刻畫。數(shù)學模型一般并非現(xiàn)實問題的直接翻版，它的建立常常既需要人們對現(xiàn)實問題深入細致的觀察和分析，又需要人們靈活巧妙地利用各種數(shù)學知識。這種應用知識從實際課題中抽象、提煉出數(shù)學模型的過程就稱為數(shù)學建模。數(shù)學模型是用數(shù)學符號對一類實際問題或?qū)嶋H發(fā)生的現(xiàn)象的描述。2.數(shù)學建模的作用不論是用數(shù)學方法在科技和生產(chǎn)領域解決實際問題，還是與其他學科相結合形成交叉學科，首要的和關鍵的一步是建立研究對象的數(shù)學模型，并加以計算求解。數(shù)學是研究現(xiàn)實世界數(shù)量關系和空間形式的科學，在它產(chǎn)生和發(fā)展的歷史長河中，一直是和各種各樣的應用問題緊密相關的。數(shù)學的特點不僅在于概念的抽象性、邏輯的嚴密性、結論的明確性和體系的完整性，而且在于應用的廣泛性。20世紀以來，隨著科學技術的迅速發(fā)展和計算機的日益普及，人們對各種問題的要求越來越精確，使得數(shù)學的應用越來越廣泛和深入。特別是在21世紀這個知識經(jīng)濟時代，數(shù)學科學的地位發(fā)生了巨大的變化，它正在從國家經(jīng)濟和科技的背后走到前沿。經(jīng)濟發(fā)展的全球化、計算機的迅猛發(fā)展、數(shù)學理論與方法的不斷擴充，使得數(shù)學已經(jīng)成為當代高科技的一個重要組成部分和思想庫，數(shù)學已經(jīng)成為一種能夠普遍實施的技術。當應用數(shù)學去解決各類實際問題時，建立數(shù)學模型是十分關鍵的一步，同時也是十分困難的一步。建立數(shù)學模型的過程，是把錯綜復雜的實際問題簡化、抽象為合理的數(shù)學結構的過程。要通過調(diào)查、收集數(shù)據(jù)資料，觀察和研究實際對象的固有特征和內(nèi)在規(guī)律，抓住問題的主要矛盾，建立起反映實際問題的數(shù)量關系，然后利用數(shù)學的理論和方法去分析和解決問題。這就需要深厚扎實的數(shù)學基礎、敏銳的洞察力和想象力、對實際問題的濃厚興趣和廣博的知識面。數(shù)學建模是聯(lián)系數(shù)學與實際問題的橋梁，是數(shù)學在各個領域廣泛應用的媒介，是數(shù)學科學技術轉化的主要途徑，數(shù)學建模在科學技術發(fā)展中的重要作用越來越受到數(shù)學界和工程界的普遍重視，它已成為現(xiàn)代科技工作者必備的重要能力之一。3.數(shù)學建模的方法傳統(tǒng)的數(shù)學建模方法基本上有兩大類，即機理分析建模與實驗統(tǒng)計建模。之后又出現(xiàn)了層次分析和定性推理建模方法，而且實驗統(tǒng)計建模也有新的發(fā)展，產(chǎn)生了具有現(xiàn)代活力的系統(tǒng)辨識建模方法。在上述四大類數(shù)學建模方法基礎上的具體建模方法，目前已超過數(shù)十種，其常見方法有：機理分析法、直接相似法、系統(tǒng)辨識法、回歸統(tǒng)計法、概率統(tǒng)計法、量綱分析法、網(wǎng)絡圖論法、圖解法、模糊集論法、蒙特卡洛法、層次分析法、“隔艙”系統(tǒng)法、定性推理法、“灰色”系統(tǒng)法、多分面法、分析/統(tǒng)計法及計算機輔助建模法等。機械系統(tǒng)建模一般采用機理分析、數(shù)據(jù)分析、仿真等方法。機理分析是從基本物理定律以及系統(tǒng)的結構數(shù)據(jù)來推導出模型，其中常用的方法有比例分析法、代數(shù)方法、邏輯方法、常微分方程、偏微分方程。數(shù)據(jù)分析是從大量的觀測數(shù)據(jù)中利用統(tǒng)計方法建立數(shù)學模型，其中常用的方法有時序分析法、回歸分析法。仿真一般指使用計算機仿真(模擬)，實質(zhì)上是統(tǒng)計估計方法，等效于抽樣試驗。常用的有離散系統(tǒng)仿真和連續(xù)系統(tǒng)仿真。數(shù)學建模的關鍵在于觀察、分析實際問題，做出合理的假設，明確變量和參數(shù)，形成明確的數(shù)學問題，而不僅是翻譯的問題。涉及的數(shù)學問題可能是復雜、困難的，求解也許涉及深刻的數(shù)學方法，因此如何做出正確的判斷，尋找合適、簡潔的(解析或近似)解法，對模型進行驗證，是數(shù)學建模的難點所在。4.1.3機器人工程中的數(shù)學一個機械臂通常是由幾個單自由度的關節(jié)和連桿相連接組合而成的。為了控制末端執(zhí)行器相對于基座的運動，我們需要知道附加在末端執(zhí)行器和基座上的坐標系之間的關系。其方法是在機器人的每個連桿上都固定一個坐標系，然后通過矩陣的依次變換推導出末端執(zhí)行器相對于基坐標系的位姿，從而建立機器人的運動學方程。為了推導出它們之間的關系，需應用剛體的位置和方向的描述，來進行求解連續(xù)坐標系的坐標變換，推導出一個通用的系統(tǒng)方法來定義兩個相連接的連桿的相對位置和方向，也就是定義附加在兩個連桿上的兩個坐標系，并且計算它們之間的關系。連桿坐標系變換示意圖如圖4-2所示。4.2力學與機器人工程4.2.1概述1.力學及其分類力學是物理學的一個分支，主要研究能量和力以及它們與固體、液體及氣體的平衡、變形或運動的關系。力學可粗分為靜力學、運動學和動力學三部分。靜力學研究力的平衡或物體的靜止問題，運動學只考慮物體怎樣運動，不討論其與所受力的關系，動力學討論物體運動和所受力的關系?，F(xiàn)代的力學實驗設備的建立和使用本身就是一個綜合性的科學技術項目，需要多工種、多學科的協(xié)作。力學是研究物質(zhì)機械運動規(guī)律的科學。自然界物質(zhì)有多種層次，包括宇觀的宇宙體系，宏觀的天體和常規(guī)物體，細觀的顆粒、纖維、晶體，微觀的分子、原子、基本粒子。通常理解的力學以研究天然的或人工的宏觀對象為主，但由于學科的互相滲透，有時也涉及宇觀或細觀甚至微觀各層次中的對象以及有關的規(guī)律。力學又稱經(jīng)典力學，是研究通常尺寸的物體在受力下的形變，以及速度遠低于光速的運動過程的一門自然科學。力學是物理學、天文學和許多工程學的基礎。機械、建筑、航天器和船艦等的合理設計都必須以經(jīng)典力學為基本依據(jù)。機械運動是物質(zhì)運動的最基本的形式。機械運動亦即力學運動，是物質(zhì)在時間、空間中的位置變化，包括移動、轉動、流動、變形、振動、波動、擴散等。而平衡或靜止，則是其中的特殊情況。物質(zhì)運動的其他形式還有熱運動、電磁運動以及原子及其內(nèi)部的運動和化學運動等。力是一種物質(zhì)間的相互作用，機械運動狀態(tài)的變化是由這種相互作用引起的。靜止和運動狀態(tài)不變，則意味著各作用力在某種意義上的平衡。因此，力學可以說是力和(機械)運動的科學。通常理解的力學，是指一切研究對象的受力和受力效應的規(guī)律及其應用的學科的總稱。人類早期的生產(chǎn)實踐活動是力學最初的起源。物理學的建立是從力學開始的，當物理學擺脫了機械(力學)的自然觀而獲得健康發(fā)展時，力學則在工程技術的推動下按自身邏輯進一步演化。最終，力學和物理學各自發(fā)展成為自然學科中兩個相互獨立的、自成體系的學科分類。力學與物理學之間不存在隸屬關系。按研究對象的物態(tài)進行區(qū)分，力學可以分為固體力學和流體力學。根據(jù)研究對象具體的形態(tài)、研究方法、研究目的的不同，固體力學可以分為理論力學、材料力學、結構力學、彈性力學、板殼力學、塑性力學、斷裂力學、機械振動、聲學、計算力學、有限元分析等。流體力學包含流體力學、流體動力學等。根據(jù)針對對象所建立的模型不同，力學也可以分為質(zhì)點力學、剛體力學和連續(xù)介質(zhì)力學。連續(xù)介質(zhì)通常分為固體和流體，固體包括彈性體和塑性體，而流體則包括液體和氣體。許多帶“力學”名稱的學科，如熱力學、統(tǒng)計力學、相對論力學、電動力學、量子力學等，被認為是物理學的其他分支，不屬于經(jīng)典力學的范圍。2.理論力學和材料力學理論力學和材料力學是機械工程專業(yè)最主要的兩門力學課程。理論力學是機械運動及物體間相互機械作用的一般規(guī)律的學科。其理論基礎是牛頓運動定律，故又稱牛頓力學。20世紀初建立起來的量子力學和相對論，表明牛頓力學所表述的是相對論力學在物體速度遠小于光速時的極限情況，也是量子力學在量子數(shù)為無限大時的極限情況。對于速度遠小于光速的宏觀物體的運動，包括超聲速噴氣飛機及宇宙飛行器的運動，都可以用經(jīng)典力學進行分析。工科理論力學是研究物體的機械運動及物體間相互機械作用的一般規(guī)律的學科。同時理論力學是一門理論性較強的技術基礎課。隨著科學技術的發(fā)展，工程專業(yè)中許多課程均以理論力學為基礎。工科理論力學遵循正確的認識規(guī)律進行研究和發(fā)展。人們通過觀察生活和生產(chǎn)實踐中的各種現(xiàn)象，進行多次的科學試驗，經(jīng)過分析、綜合和歸納，總結出力學的最基本的理論規(guī)律。理論力學所研究的對象為質(zhì)點或質(zhì)點系時，稱為質(zhì)點力學或質(zhì)點系力學；如為剛體時，稱為剛體力學。因所研究問題的不同，理論力學又可分為靜力學、運動學和動力學三部分。靜力學研究物體在力作用下處于平衡的規(guī)律，研究的問題包括物體的受力分析、力系的簡化、力系的平衡及其運用。運動學研究物體運動的幾何性質(zhì)，研究的問題包括建立物體運動的描述方法、確定物體運動的有關特征量。動力學研究物體在力作用下的運動規(guī)律，研究問題包括對物體的受力分析，建立物體機械運動的普遍規(guī)律。理論力學的重要分支有振動理論、運動穩(wěn)定性理論、陀螺儀理論、變質(zhì)量體力學、剛體系統(tǒng)動力學、自動控制理論等。材料力學是研究材料在各種外力作用下產(chǎn)生的應變、應力、強度、剛度、穩(wěn)定和導致各種材料破壞的極限。材料力學是大部分工科學生必修的學科，是設計工業(yè)設施必須掌握的知識。學習材料力學一般要求學生先修高等數(shù)學和理論力學。材料力學與理論力學、結構力學并稱三大力學。在人們運用材料進行建筑、工業(yè)生產(chǎn)的過程中，需要對材料的實際承受能力和內(nèi)部變化進行研究，這就催生了材料力學。運用材料力學知識可以分析材料的強度、剛度和穩(wěn)定性。材料力學還用于機械設計，在相同的強度下可以減少材料用量，優(yōu)化機構設計，以達到降低成本、減輕重量等目的。在材料力學中，將研究對象看作均勻、連續(xù)且具有各向同性的線性彈性物體，但在實際研究中不可能會有符合這些條件的材料，所以需要各種理論與實際方法對材料進行實驗比較。材料在機構中會受到拉伸或壓縮、彎曲、剪切、扭轉及其組合等變形。理論力學和材料力學的研究方法主要有簡化計算方法、平衡方法、變形協(xié)調(diào)分析方法、能量方法、疊加方法、類比法。4.2.2機器人工程中的力學力學是機器人工程的重要基礎，幾乎所有的機器人工程都離不開力學。在進行機器人結構設計時，需要進行靜力學分析、運動學分析和動力學分析，以確定零件的尺寸、結構和材料，從而保證所設計的產(chǎn)品或元件具有足夠的強度、剛度和穩(wěn)定性，保證產(chǎn)品達到所要求的運動性能和動力學性能?？茖W嚴密的力學分析還可以在保證性能的前提下，盡可能地節(jié)省材料、降低成本。在材料去除加工中有必要通過力學分析來分析材料去除的機理，以便確定合適的加工工藝，從而提高加工的效率與質(zhì)量，降低加工成本。在材料成型加工中，需要通過力學分析，以避免加工缺陷，保證加工質(zhì)量。而機器人工程的研究對象就是機器人，包括機器人設計、制造和控制，機器人系統(tǒng)是一套高度集成的機電一體化設備，因此機器人工程自然也離不開力學。操作機器人是一種主動機械裝置，原則上它的每個自由度都可具有單獨傳動。從控制觀點來看，機械手系統(tǒng)代表冗余的、多變量的和本質(zhì)非線性的自動控制系統(tǒng)，也是個復雜的動力學耦合系統(tǒng)。每個控制任務本身就是一個動力學任務。因此，研究機器人的動力學問題，就是為了進一步討論控制問題。分析機器人操作的動態(tài)數(shù)學模型，主要采用下列兩種理論：(1)動力學基本理論，包括牛頓-歐拉方程。(2)拉格朗日力學，特別是二階拉格朗日方程。此外，還有應用高斯原理和阿佩爾(Appel)方程式以及旋量對偶數(shù)法和凱恩(Kane)法等來分析動力學問題的。第一個理論方法即力的動態(tài)平衡法。當用此方法時，需從運動學出發(fā)求得加速度，并消去各內(nèi)作用力。對于較復雜的系統(tǒng)，此種分析方法十分復雜與麻煩。第二個理論方法即拉格朗日功能平衡法，它只需要速度而不必求內(nèi)作用力。因此，這是一種直截了當和簡便的方法，我們主要采用這種方法來分析和求解機械手的動力學問題。我們特別感興趣的是求得動力學問題的符號解答，因為它有助于我們對機器人控制問題的深入理解。研究動力學有兩個相反的問題。其一是已知機械手各關節(jié)的作用力或力矩，求各關節(jié)的位移、速度和加速度，求得運動軌跡。其二是已知機械手的運動軌跡，即各關節(jié)的位移、速度和加速度，求各關節(jié)所需要的驅(qū)動力或力矩。前者稱為動力學正問題，后者稱為動力學逆問題。一般的操作機器人的動態(tài)方程由六個非線性微分聯(lián)立方程表示。實際上，除了一些比較簡單的情況外，這些方程式是不可能求得一般解答的。我們將以矩陣形式求得動態(tài)方程，并簡化它們，以獲得控制所需要的信息。在實際控制時，往往要對動態(tài)方程做出某些假設，進行簡化處理。機器人的動態(tài)特性是我們要討論的另一個問題，包括精度、重復能力、穩(wěn)定性和空間分辨度等。這些特性是由功能機械手的幾何結構、單獨點伺服傳動的精度以及執(zhí)行運算的計算機程序的質(zhì)量決定的。4.2.3力學的研究方法力學的研究方法遵循認識論的基本法則：實踐—理論—實踐。力學中把這種過程稱為建立模型。在模型的基礎上可以運用已知的力學或物理學的規(guī)律以及合適的數(shù)學工具，進行理論上的演繹工作，導出新的結論。依據(jù)所得理論建立的模型是否合理，有待于新的觀測、工程實踐或者科學實驗等加以驗證。在理論演繹中，為了使理論具有更高的概括性和更廣泛的適用性，往往采用一些無量綱參數(shù)如雷諾數(shù)、馬赫數(shù)、泊松比等。這些參數(shù)既反映物理本質(zhì)，又是單純的數(shù)字，不受尺寸、單位、工程性質(zhì)、實驗裝置類型的牽制。因此，從局部看來，力學研究工作方式是多樣的：有些只是純數(shù)學的推理，甚至著眼于理論體系在邏輯上的完善化；有些著重數(shù)值方法和近似計算；有些著重實驗技術等。而更大量的則是著重在運用現(xiàn)有力學知識，解決工程技術中或探索自然界奧秘中提出的具體問題。現(xiàn)代的力學實驗設備，它們的建立和使用本身就是一個綜合性的科學技術項目，需要多工種、多學科的協(xié)作。應用研究更需要對應用對象的工藝過程材料性質(zhì)、技術關鍵等有清楚的了解。在力學研究中既有細致的、獨立的分工，又有綜合的、全面的協(xié)作。在力學研究工作中，數(shù)學有著十分重要的作用。力學與數(shù)學在發(fā)展中始終相互推動，相互促進。一種力學理論往往與相應的一個數(shù)學分支相伴產(chǎn)生，因此有人甚至認為力學應該也是一門應用數(shù)學。但是力學和其他物理學分支一樣，還需要實驗基礎，而數(shù)學尋求的是比力學更具普遍性的數(shù)學關系，兩者有各自不同的研究對象。4.3材料與機器人工程4.3.1材料的概述材料是人類用來制造機器、構件、器件和其他產(chǎn)品的物質(zhì)。材料可按多種方法進行分類。通常按材料的物理化學屬性可以分為金屬材料、無機非金屬材料、有機高分子材料和復合材料。金屬材料是機械工程中使用最為頻繁的一類材料。人類文明的發(fā)展和社會的進步同金屬材料關系也十分密切。繼石器時代之后出現(xiàn)的銅器時代、鐵器時代，均以金屬材料的應用為其時代的顯著標志。現(xiàn)代，種類繁多的金屬材料已成為人類社會發(fā)展的重要物質(zhì)基礎。金屬材料通常分為黑色金屬、有色金屬和特種金屬材料。圖4-5為金屬材料的應用。無機非金屬材料是以某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、鹵素化合物、硼化物以及硅酸鹽、鋁酸鹽、磷酸鹽、硼酸鹽等物質(zhì)組成的材料，是除有機高分子材料和金屬材料以外的所有材料的統(tǒng)稱。無機非金屬材料的提法是在20世紀40年代以后，隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展從傳統(tǒng)的硅酸鹽材料演變而來的。無機非金屬材料的品種和名目極其繁多，用途各異，因此，還沒有一個統(tǒng)一而完善的無機非金屬材料分類方法。通常把它們分為普通的和先進的無機非金屬材料兩大類。傳統(tǒng)的無機非金屬材料是工業(yè)和基本建設所必需的基礎材料，與人們的生產(chǎn)、生活息息相關，它們產(chǎn)量大、用途廣。其他產(chǎn)品，如搪瓷、磨料、鑄石、碳素材料、非金屬礦也都屬于傳統(tǒng)的無機非金屬材料。新型無機非金屬材料是20世紀中期以后發(fā)展起來的，是具有特殊性能和用途的材料，它們是現(xiàn)代國防和生物醫(yī)學所不可缺少的物質(zhì)基礎，主要有先進陶瓷、非晶態(tài)材料、人工晶體、無機涂層、無機纖維等。圖4-6為無機非金屬材料的應用。有機高分子材料簡稱高分子化合物或高分子，又稱高聚物，是衣、食、住、行和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)各方面都離不開的材料，其中棉、毛、絲、塑料、橡膠等都是十分常用的。物質(zhì)文明和精神文明都高度發(fā)展的今天，近代化學化工科學技術的迅速發(fā)展，創(chuàng)造了許多自然界從來沒有過的人工合成高分子化合物，對滿足各種需求作出了重要貢獻。圖4-7為有機高分子材料的應用。復合材料是由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料，通過物理或化學的方法，在宏觀上組成具有新性能的材料。各種材料在性能上互相取長補短，產(chǎn)生協(xié)同效應，使復合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料而滿足各種不同的要求。復合材料的基本材料分為金屬和非金屬兩大類。金屬基體常用的有鋁、鎂、銅、鈦及其合金。非金屬基體主要有合成樹脂、橡膠、石墨、碳等。增強材料主要有玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、碳化硅纖維、石棉纖維、晶須、金屬絲和硬質(zhì)細粒等。復合材料在實際應用中又常分為結構材料和功能材料。結構材料是以力學性質(zhì)為基礎，用來制造受力為主的構件。結構材料也有物理性質(zhì)或化學性質(zhì)的要求，如光澤、導熱率、抗輻照能力、抗氧化、抗腐蝕能力等，根據(jù)材料用途不同，對性能的要求也不一樣。功能材料主要是利用物質(zhì)的物理、化學性質(zhì)或生物現(xiàn)象等對外界變化產(chǎn)生的不同反應而制成的一類材料，如半導體材料、超導材料、光電子材料、磁性材料等。材料科學是研究材料組成、結構、工藝、性質(zhì)和使用性能之間相互關系的學科，涉及的理論包括固體物理學、材料化學，與電子工程結合則衍生出電子材料，與機械結合則衍生出結構材料，與生物學結合則衍生出生物材料等。材料學研究的主要目的是為材料設計、制造、工藝優(yōu)化和合理使用提供科學依據(jù)?，F(xiàn)代材料學科更注重研究各類材料及其之間相互滲透的交叉性和綜合性。材料是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎。20世紀70年代，人們把信息、材料和能源作為社會文明的支柱。20世紀80年代，隨著高技術群的興起，又把新材料與信息技術、生物技術并列作為新技術革命的重要標志。現(xiàn)代社會，材料已成為國民經(jīng)濟建設、國防建設和人民生活的重要組成部分。材料在科技發(fā)達的現(xiàn)代社會中所起的核心作用得到了許多杰出的教育學家和科學家的充分肯定。先進材料及先進材料工藝對國家的生活水平、安全及經(jīng)濟實力起著關鍵性的作用，先進材料是先進技術的奠基石。人們所享用的所有物質(zhì)都是由材料組成的，材料的影響不僅限于具體的產(chǎn)品，千千萬萬的就業(yè)機會也依賴著我們所擁有的高質(zhì)量特殊材料。先進材料是技術大廈的磚石。當材料按特定方式加工時，技術才得以發(fā)展，促成進步。先進的材料和工藝方法已成為改善生活質(zhì)量、安全、工業(yè)生產(chǎn)率和經(jīng)濟增長的基本要求。材料學也是處理如環(huán)境污染、自然資源的不斷減少及其價格的膨脹等一些緊迫問題的工具。目前新材料技術又在國際上被定義為六大通用高技術領域之一，這充分說明材料是國民經(jīng)濟建設、國防建設與人民生活不可缺少的重要組成部分，是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎。不斷開發(fā)和使用材料的能力是任何一個社會發(fā)展的基礎之一。自古以來，人類文明的進步都是以材料的發(fā)展為標志的，人類的歷史也是按制造生產(chǎn)工具所用材料的種類劃分的，由史前時期的石器時代，經(jīng)過青銅器時代、鐵器時代，而今跨入人工合成材料的新時代。材料是所有科技進步的核心。由于材料合成、開發(fā)及工藝技術的成熟，開辟了許多在短短的幾十年前都不曾夢想的新領域，這方面的例證在許多不同的行業(yè)比比皆是。在現(xiàn)代文明社會發(fā)展的歷史中，技術上的重大突破都是與新材料的發(fā)展及加工合成相聯(lián)系的。近來，精確地控制材料的成分和組織結構的加工合成工藝的發(fā)展，使晶體管的微型化成為可能，結果導致了電子技術革命，生產(chǎn)出了計算機、蜂巢式移動電話和光盤(CD)播放器等產(chǎn)品，并且這一技術革命將繼續(xù)影響現(xiàn)代生活的各個方面。4.3.2機器人工程與材料機器人采用輕量化材料有助于減少運行能耗、提高操作速度，進而提升工作效率。除此之外，更輕的自重對于機器人降低運動慣性、增加動作準確度也有明顯的裨益。鋁合金、鎂合金、碳纖維復合材料都是目前常用的機器人輕量化材料，雖然三者的輕量化效果都比較明顯，但是在具體的應用中，性能表現(xiàn)方面仍然存在一定的差異。(1)用于機器人材料的鎂合金。鎂合金是由鎂和其他元素組成的合金。這種合金密度小、強度大、彈性模量大、散熱性和消震性好，承受沖擊載荷能力比鋁合金大，耐有機物和堿的腐蝕性能強。但是，鎂合金的強韌性與鋼鐵、鋁合金相比還較低，距機器人材料性能的要求尚有差距，無法實現(xiàn)對鋼鐵、鋁合金等材料的完全替代。因為強度的限制，作為機器人材料的鎂合金也直接影響其鑄造、焊接等加工性能，也無法滿足較大載荷搬運的應用需求，一般被用于醫(yī)療、家政等輕型機器人部件。(2)用于機器人材料的鋁合金。鋁合金的密度較小，強度較大，比強度接近高合金鋼，比剛度超過鋼，鑄造性能和塑性加工性能良好，在導電、導熱、耐腐蝕和可焊性方面也比較理想，可以作為結構材料使用。而且，鋁合金的應用成本比較低，所以應用非常廣泛。但是其熱穩(wěn)定性不夠理想，在一些極端工作環(huán)境中，容易發(fā)生蠕變，當用于機器人重要操作部件時，會影響機器人的操作精準度。因此，鋁合金材質(zhì)更適用于模型、教育類機器人中，不適合用于鑄造、消防等行業(yè)。(3)用于機器人的碳纖維復合材料。碳纖維復合材料強度大、重量輕、蠕變小，比強度是鋼鐵的數(shù)十倍，加工性能好，適用于多種成型方法，常被用于機器人手臂、關節(jié)、連桿等部位。相比于鎂合金、鋁合金材料，碳纖維復合材料的性能特征更適用于中小型工業(yè)類機器人，能夠在較高載荷、高磨損、高使用頻率的環(huán)境下服役。雖然其應用成本較高，但是其獨特的性能優(yōu)勢在未來的智能化工業(yè)進程中不容忽視。總之，機器人輕量化發(fā)展是趨勢所在，機器人涉及的種類也很多，不同工作環(huán)境和不同位置的部件對材料有著不同的要求，建議機器人選材需要從質(zhì)量、剛度、運動慣量等多角度綜合考慮。例如，機械手臂是運動性部件，需要有良好的受控性，所以機械臂的材料必須避免笨重。與此同時，機械手臂的材質(zhì)需要有足夠的強度和剛度承受載荷，絕對不能出現(xiàn)應變和斷裂，在此情況下，碳纖維復合材料比鎂合金、鋁合金更加適合。而且，在根據(jù)機械手臂的工況要求以及綜合成本進行取舍選擇時，需要注意多種材料的一體化應用，這樣才能使機械手臂的輕量化價值得到有效體現(xiàn)。在對制作機器人的材料選擇問題上，設計人員通常主要考慮3個方面：使用要求、工藝要求和經(jīng)濟要求。根據(jù)材料的使用要求，選擇材料的一般原則有以下兩點：(1)零件尺寸取決于強度，且尺寸和重量又受到某些限制時，應選用強度較高的材料；在靜應力下工作，應力分布均勻，如拉伸、壓縮和剪切的情況下，宜選用組織均勻，屈服極限較高的材料；在變應力下工作的零件，應選用疲勞強度較高的材料。(2)利用滑動摩擦力工作的零件，應選用減摩性能好的材料；在高溫下工作的零件應選用耐熱材料；在腐蝕介質(zhì)中工作的零件應選擇耐腐蝕材料。材料的各種性能指標中，只取其中之一(如強度極限、疲勞極限等)作為選擇材料的依據(jù)是不合理的，由于減輕質(zhì)量常是設計機器人的主要要求之一，故可以采用質(zhì)量指標對零件進行評定，然后選擇合適的材料。選取何種材料構成其結構本體是詳細設計中必然要遇到的問題。一個結構件的設計需要從材質(zhì)、剖面結構、構建組合形式等方面加以考慮，以便妥善解決應力、變形、質(zhì)量、固有振動頻率等問題。在制作機器人時，厚度超過3cm的木材相對來說比較重，也比較難加工。當需要這種材料時，可以采用板畫中使用的椴木膠合板來取代。由于膠合板一般都比較薄，直接使用往往滿足不了零部件的強度要求。為此，需要先將它制作成箱體，或者通過添加金屬加固件來提高強度，這樣就可以用木材制作出既輕又結實的本體。在多層結構的機器人中，它們可以作為分離各安裝層的堅固的支撐架。用金屬制造的機器人似乎才給人感覺更像機器人。的確，機器人的外觀也很重要。但是，如果能實現(xiàn)同樣的功能，積極采用制作簡單的木材為材料，不失為一種很好的選擇。塑料也是一種制作機器人的有效材料。在制作機器人時，應該首先從身邊尋找制作材料。當需要選用板材時，如果強度要求不高，則可以采用很容易找到的瓦楞塑料板。此外，還可以利用廢棄車船模型的零部件，通過去掉多余部分，采取與其他零部件組合等方法，或許還能使這些廢棄物煥發(fā)出新的活力。機器人使用的材料多用于結構制作，一般選用金屬材料。機器人應具有足夠的強度。因此主要材料選用各種碳鋼和鋁合金。在使用金屬材料制作機器人時，若使用專業(yè)工具，則加工金屬材料要比想象的簡單。材料不同，加工的難易程度可能會有所不同。一般來說，在對厚度在1mm以上的金屬進行彎折或切削時，需要使用特殊的工具，加工起來比較困難。另外，當金屬材料比較短時，其強度很高。隨著尺寸增加，金屬材料會因自重發(fā)生彎曲，因而達不到預想的強度。在制作小型機器人時，可以采用將金屬薄板兩邊卷起的方法來增加其強度，應該盡量避免使用比較厚重的金屬材料。材料截面對構件質(zhì)量和剛度有重要影響，因此通過合理選擇構件截面可以較好地滿足機器人的使用要求，如空心圓截面、空心矩形截面和工字形截面等。在不影響機器人性能的情況下，應選擇截面尺寸盡量小的方型鋁合金管材來制作車身主體構件，而且在不影響構件的強度和剛度的前提下，可以在構件垂直方向上打通孔，以減輕材料的重(質(zhì))量。同時，在對有些零件有比較高的疲勞強度和韌性要求時，可以選用一些角鋼、鋼板、硬鋁板以及鋁合金型材等，以滿足不同的需要。復合材料主要有泡沫板、玻璃纖維、樹脂、復合碳纖維等。復合材料重量很輕，雖然強度不高，但是很適用于制作模型或者用于代替木材、塑料等材料，并且該類材料在加工時只需用刀和直尺就可以進行切割。強度較高的復合材料至少有兩個缺點：價格昂貴，而且不易買到。大多數(shù)復合材料只能夠從特定的零售商和工業(yè)產(chǎn)品供應商處得到。4.4機械與機器人工程4.4.1機器人機械設計機械設計是根據(jù)用戶的使用要求對專用機械的工作原理、結構、運動方式、力和能量的傳遞方式、各個零件的材料和形狀尺寸、潤滑方法等進行構思、分析和計算，并將其轉化為具體的描述以作為制造依據(jù)的工作過程。機械設計是機器人工程的重要組成部分，是機器人機械生產(chǎn)的第一步，是決定機器人機械性能的最主要的因素。機械設計的努力目標是：在各種限定的條件下設計出最好的機械，即做出優(yōu)化設計。優(yōu)化設計需要綜合地考慮許多要求，一般有最好工作性能、最低制造成本、最小尺寸和重(質(zhì))量、使用中最高可靠性、最低消耗和最少環(huán)境污染。這些要求常是互相矛盾的，而且它們之間的相對重要性因機械種類和用途的不同而異。設計者的任務是按具體情況權衡輕重，統(tǒng)籌兼顧，使設計的機械有最優(yōu)的綜合技術經(jīng)濟效果。機械設計可分為新型設計、繼承設計和變型設計三類。(1)新型設計。新型設計是指應用成熟的科學技術或經(jīng)過實驗證明是可行的新技術，設計過去沒有的新型機械。(2)繼承設計。繼承設計是指根據(jù)使用經(jīng)驗和技術發(fā)展對已有的機械進行設計更新，以提高其性能、降低其制造成本或減少其運用費用。(3)變型設計。變型設計是指為適應新的需要對已有的機械作部分修改或增刪而發(fā)展出不同于標準型的變型產(chǎn)品。在設計階段，首先要從市場調(diào)查、產(chǎn)品性能、生產(chǎn)數(shù)量等方面出發(fā)，制訂出產(chǎn)品的研制開發(fā)規(guī)劃。在設計時先進行總體設計，再進行部件設計，畫總裝配圖和零件圖。在技術文件編制階段，應根據(jù)機械零件的使用條件、場合、性能和環(huán)境保護要求等，選擇合理的材料及加工方法。不同的機械產(chǎn)品有不同的性能要求。在滿足了產(chǎn)品性能和成本要求的前提下，由工藝部門編寫工藝規(guī)程或制作工藝圖，并交付生產(chǎn)。4.4.2機器人的結構機器人實物如圖4-8和圖4-9所示，其結構通常包括四大部分，即執(zhí)行機構、驅(qū)動—傳動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和智能系統(tǒng)。1.機器人的執(zhí)行機構從圖4-8和圖4-9可知，機器人的執(zhí)行機構包括手部、腕部、臂部、腰部和基座，它與人身結構基本上相對應，其中基座相對于人的下肢。機器人的關節(jié)有滑動關節(jié)、回轉關節(jié)、圓柱關節(jié)和球關節(jié)等類型，在何部位采用何種關節(jié)，則由要求它做何種運動而決定。機器人的關節(jié)保證了機器人各部位的可動性。(1)機器人的手部，又稱末端執(zhí)行機構，它是工業(yè)機器人和多數(shù)服務型機器人直接從事工作的部分。根據(jù)工作性質(zhì)(機器人的類型)，其手部可以設計成夾持型的夾爪，用以夾持東西；也可以是某種工具，如焊槍、噴嘴等；也可以是非夾持類的，如真空吸盤、電磁吸盤等。在仿人形機器人中，手部可能是仿人形多指手。(2)機器人的腕部，相當于人的手腕，它上與臂部相連，下與手部相接，一般有3個自由度，以帶動手部實現(xiàn)必要的姿態(tài)。(3)機器人的臂部，相當于人的胳膊，下連手部，上接腰部(人的胳膊上接肩膀)，一般由小臂和大臂組成，通?？蓭油蟛孔銎矫孢\動。(4)機器人的腰部，相當于人的軀干，是連接臂部和基座的回轉部件，它的凹轉運動和臂部的平面運動，就可以使腕部做空間運動。(5)機器人的基座，是整個機器人的支撐部件，它相當于人的兩條腿，要具備足夠的穩(wěn)定性和剛度，有固定式和移動式兩種類型。在移動式的類型中，有輪式、履帶式和仿人形機器人的步行式等。2.機器人的驅(qū)動—傳動系統(tǒng)機器人的驅(qū)動—傳動系統(tǒng)是將能源傳送到執(zhí)行機構的裝置。機器人的能源按其工作介質(zhì)，可分為氣動、液動、電動和混合式四大類，在混合式中，有氣—電混合式和液—電混合式。液壓驅(qū)動就是利用液壓泵對液體加壓，使其具有高壓勢能，然后通過分流閥(伺服閥)推動執(zhí)行機構進行動作，從而達到將液體的壓力勢能轉換成做功的機械能。液壓驅(qū)動的最大特點是動力比較大，力和慣性力矩比較大，且反應快，比較容易實現(xiàn)直接驅(qū)動，特別適用于要求承載能力和慣性大的場合。其缺點是多了一套液壓系統(tǒng)，對液壓元件要求高，否則容易造成液體滲漏，且噪聲較大，對環(huán)境有一定的污染。氣壓驅(qū)動的基本原理與液壓驅(qū)動的相似。其優(yōu)點是工質(zhì)(空氣)來源方便、動作迅速、結構簡單、造價低廉、維修方便。其缺點是不易進行速度控制、氣壓不宜太高、負載能力較低等。電動驅(qū)動是當前機器人使用得最多的一種驅(qū)動方式，其優(yōu)點是電源方便，響應快，信息傳遞、檢測、處理都很方便，驅(qū)動能力較大。其缺點是因為電動機轉速較高，必須采用減速機構將其轉速降低，從而增加了結構的復雜性。目前，一種不需要減速機構可以直接用于驅(qū)動、具有大轉矩的低速電動機已經(jīng)出現(xiàn)，這種電動機可使機構簡化，同時可提高控制精度。機器人的驅(qū)動—傳動系統(tǒng)相當于人的消化系統(tǒng)和循環(huán)系統(tǒng)，可保證機器人運行的能量供應。3.機器人的控制系統(tǒng)機器人的控制系統(tǒng)是由控制計算機及相應的控制軟件和伺服控制器組成的，它相當于人的神經(jīng)系統(tǒng)，是機器人的指揮系統(tǒng)，用于對執(zhí)行機構發(fā)出動作的命令。不同發(fā)展階段的機器人和不同功能的機器人，所采取的控制方式和水平是不相同的，例如在工業(yè)機器人中，有點位控制和連續(xù)控制兩種方式。最新和最先進的控制技術是智能控制技術。4.機器人的智能系統(tǒng)所謂智能，簡而言之，是指人的智慧和能力，即人在各種復雜條件下，為了達到某一目的而能夠做出正確的決斷，并且成功實施。在機器人控制技術方面，科學家一直試圖將人的智能引入機器人控制系統(tǒng)，以形成其智能控制，實現(xiàn)在沒有人的干預下，機器人能自主控制的目的。4.4.3機器人的設計分析在進行運動設計、動力設計和強度結構設計時，需要進行大量的分析計算。隨有限元分析技術和CAE軟件的出現(xiàn)，為機械設計提供了高效、可靠的分析手段。1.有限元分析有限元分析的基本思想是將結構離散化，用有限個容易分析的單元來表示復雜的對象，單元之間通過有限個節(jié)點相互連接，然后根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件綜合求解。由于單元的數(shù)目是有限的，節(jié)點的數(shù)目也是有限的，所以稱為有限元法。這種方法靈活性很大，只要改變單元的數(shù)目，就可以使解的精確度改變，得到與真實情況無限接近的解。有限元分析利用數(shù)學近似的方法對真實物理系統(tǒng)(幾何和載荷工況)進行模擬，利用簡單而又相互作用的元素，即單元，就可以用有限數(shù)量的未知量去逼近無限未知量的真實系統(tǒng)。有限元分析是用較簡單的問題代替復雜問題后再求解，將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成的，對每一單元假定一個合適的(較簡單的)近似解，然后推導求解這個域的滿足條件(如結構的平衡條件)，從而得到問題的解。但這個解不是準確解而是近似解，因為實際問題被較簡單的問題所代替。由于大多數(shù)實際問題難以得到準確解，而有限元分析不僅計算精度高，而且能適應各種復雜情況，所以成為行之有效的工程分析手段。2.CAE計算機輔助工程(CAE)是用計算機輔助求解復雜工程和產(chǎn)品結構強度、剛度、屈曲穩(wěn)定性、動力響應、熱傳導、三維多體接觸、彈塑性等力學性能的分析計算以及結構性能的優(yōu)化設計等問題的一種近似數(shù)值分析方法。隨著計算機技術的普及和不斷提高，CAE系統(tǒng)的功能和計算精度都有很大提高，各種基于產(chǎn)品數(shù)字建模的CAE系統(tǒng)應運而生，并已成為結構分析和結構優(yōu)化的重要工具，同時也是計算機輔助4C系統(tǒng)(CAD/CAE/CAPP/CAM)的重要環(huán)節(jié)。CAE系統(tǒng)的核心思想是結構的離散化，即將實際結構離散為有限數(shù)目的規(guī)則單元組合體，實際結構的物理性能可以通過對離散體進行分析，得出滿足工程精度的近似結果來替代對實際結構的分析，這樣可以解決很多實際工程需要解決而理論分析又無法解決的復雜問題。其基本過程是將一個形狀復雜的連續(xù)體的求解區(qū)域分解為有限的形狀簡單的子區(qū)域，即將一個連續(xù)體簡化為由有限個單元組合的等效組合體；通過將連續(xù)體離散化，把求解連續(xù)體的場變量問題簡化為求解有限的單元節(jié)點上的場變量值。此時得到的基本方程是一個代數(shù)方程組，而不是原來描述真實連續(xù)體場變量的微分方程組。求解后得到近似的數(shù)值解，其近似程度取決于所采用的單元類型、數(shù)量以及對單元的插值函數(shù)。采用CAD技術來建立CAE的幾何模型和物理模型，完成分析數(shù)據(jù)的輸入，通常此過程稱為CAE的前處理。同樣，CAE的結果也需要用CAD技術生成形象的圖形輸出，如生成位移圖、應力、溫度、壓力分布的等值線圖，表示應力、溫度、壓力分布的彩色明暗圖，以及隨機械載荷和溫度載荷變化生成位移、應力、溫度、壓力等分布的動態(tài)顯示圖，這一過程稱為CAE的后處理。針對不同的應用，也可用CAE仿真模擬零件、部件、裝置(整機)乃至生產(chǎn)線、工廠的運動和運行狀態(tài)。4.5自動化與機器人工程4.5.1自動化的概述整個人類社會的發(fā)展歷史，也可以說是人類利用各種控制手段獲取能量進而改造外界環(huán)境的歷史。有學者認為，從控制論的觀點出發(fā)，人類社會發(fā)展至今已經(jīng)經(jīng)歷了兩個時代，即人力時代和機械化時代，現(xiàn)在開始步入第三個時代——自動化時代。這里時代劃分的依據(jù)是人類在開發(fā)、利用能量變換和信息變換的不同方式。人力時代又叫人工時代、手工時代。人類只能利用自身的體力獲取所需的能量，依靠自身的肌體和大腦來完成能量變換和信息變換，所以稱之為人力時代。歷時數(shù)萬年的人工時代直到1788年才宣告結束，這一年英國人瓦特改進的蒸汽機在工業(yè)中得到應用，自此人類社會進入了機械化時代。當蒸汽機、發(fā)電機出現(xiàn)之后，對幾十噸、上百噸重的貨物，人只需要用按一個電鈕的“力氣”，就可以把它移動到所要希望達到的地方，而且這些機器可以不間斷地保持著“精力充沛”的狀態(tài)工作著。自動化時代的到來得益于電磁波的發(fā)現(xiàn)和電子管、半導體、集成電路、無線電以及電子計算機等的先后問世，這些技術幾乎同步解決了信息變換的速度問題。伴隨著這些技術的先后問世，控制這門科學也開始正式被確立起來，并且取得了長足的發(fā)展，客觀上也為自動化時代的到來做好了理論準備。在自動化時代中，能量變換和信息變換都可由機器來完成。凡是需要能量變換的地方，都會有相應的信息變換與之相匹配，即在人類活動所見的空間，只要需要用“力”的地方，一般都會給它配上一個小的“腦袋”——單片機或微處理器之類的小芯片。于是，不僅工業(yè)生產(chǎn)自動化了，甚至是在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、家務勞動、交通運輸、人居環(huán)境等人類已知規(guī)律的領域，都可以利用自動化技術來完成一些特定任務。1.控制與自動控制所謂控制(Control)，是指為了改善系統(tǒng)的性能或達到特定的目的，通過信息的采集和加工而施加到系統(tǒng)的作用。也就是說，控制是主體為了達到某種目的(目標)而使用的基本手段。信息是控制的基礎，發(fā)揮控制作用的系統(tǒng)被稱為控制系統(tǒng)(ControlSystem)，控制系統(tǒng)一般不單獨存在，而是復雜大系統(tǒng)的一個分系統(tǒng)。與控制密切相關的另一個概念就是自動控制。自動控制(AutomaticControl)是指在無人直接干預的情況下，利用外加的設備或裝置(簡稱控制裝置或控制器)，使機器、設備或生產(chǎn)系統(tǒng)等(可在廣義上統(tǒng)稱為被控對象)的某一工作狀態(tài)、參數(shù)(稱為被控量，如溫度、pH值、產(chǎn)值等)或某過程自動、準確地按照預期的規(guī)律運行。與此相對應的系統(tǒng)稱為自動控制系統(tǒng)(AutomaticControlSystem)，它是為了實現(xiàn)上述控制目的，由相互制約的各部分按一定規(guī)律組成的具有特定功能的有機整體。自動控制系統(tǒng)的組成中包含了以下部分：(1)檢測比較裝置。檢測比較裝置主要用于獲得被控量的實際輸出，并且計算該量值與主體要達到的目標之間的差。(2)控制器?？刂破髦饕怯脕頉Q定應該怎樣做。(3)執(zhí)行機構。執(zhí)行機構主要完成控制器下達的決定(指令)。(4)被控量。被控量是被控對象的某些實際輸出量。自動控制是相對人工控制概念而言的。自動控制技術的研究有利于將人類從復雜、危險、煩瑣的勞動環(huán)境中解放出來，并大大提高控制效率。自動控制是工程科學的一個分支，也是20世紀中葉產(chǎn)生的控制論的一個分支，其基礎理論是由維納和卡爾曼等科學家提出的。它主要研究如何利用反饋原理對動態(tài)系統(tǒng)的行為產(chǎn)生影響，以使系統(tǒng)按人們期望的規(guī)律運行。從研究方法的角度看，它則以數(shù)學理論為基礎。2.反饋與前饋所謂反饋(Feedback)，就是把系統(tǒng)的輸出量(信號/信息)的部分或全部取出并回送到輸入端，與輸入信號相比較以產(chǎn)生偏差信號，再對系統(tǒng)以后的輸出產(chǎn)生影響的過程。此即反饋原理。前面講到的抽水馬桶、空調(diào)、取杯等都應用了反饋原理。根據(jù)反饋信號和參考輸入信號極性的不同，反饋可分為兩種類型。(1)負反饋(NegativeFeedback)。反饋信息的作用與控制信息的作用方向相反，對控制部分的活動起制約或糾正作用的，稱為負反饋。負反饋的優(yōu)點是可以維持系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)，缺點是會引起系統(tǒng)輸出的滯后、波動。(2)正反饋(PositiveFeedback)。反饋信息的作用與控制信息的作用方向相同，對控制部分的活動起增強作用的，稱為正反饋。正反饋的優(yōu)點是加速控制過程，使被控對象的活動發(fā)揮最大效應，缺點是容易造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，甚至會造成系統(tǒng)崩潰。與反饋相對應，前饋(Feedforward)是使控制對象根據(jù)可測的擾動而形成的命令動作的控制方式。因為沒有反饋控制中所必需的系統(tǒng)輸出量檢測器，即使出現(xiàn)誤差，也無法修正。自動控制系統(tǒng)主要是基于反饋原理建立起來并發(fā)揮作用的。3.自動控制與自動化“自動化(Automation)”一詞最早是由美國人哈德爾(D.S.Harder)于1946年提出的。他認為在一個生產(chǎn)過程中，機器之間的零件轉移不用人去搬運就是“自動化”。作為一個動態(tài)發(fā)展的概念，如今，自動化早已超越了哈德爾當初的定義。自動化的本質(zhì)是機器或設備在無人干預的情況下，按照規(guī)定的程序或指令進行操作和運行以達到預定的效果?；蛘哒f自動化是相對手工作業(yè)而言的一個名詞，是指采用能自動開/停、檢測、調(diào)節(jié)、控制和加工的機器/設備進行作業(yè)，以代替人的手工作業(yè)的措施。廣義地講，自動化包括了模擬或再現(xiàn)人的智能活動。自動化主要研究的是人造系統(tǒng)的控制及實現(xiàn)問題，人們一般提到自動控制，通常是指工程系統(tǒng)的控制，在這個意義上，自動化和自動控制是相近的。因此，在控制能發(fā)揮作用的社會、經(jīng)濟、生物、環(huán)境等非人造系統(tǒng)中，是很難實現(xiàn)自動控制及自動化的。自動化技術已被廣泛用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、科學研究、交通運輸、商業(yè)、醫(yī)療、服務和家居等領域。采用自動化技術不僅可以把人從繁重的體力勞動、腦力勞動以及惡劣危險的工作環(huán)境中解放出來，而且能擴展人的器官功能，極大地提高勞動生產(chǎn)率，增強人類認識世界和改造世界的能力。因此，自動化是實現(xiàn)工業(yè)、農(nóng)業(yè)國防和科學技術現(xiàn)代化的重要條件和顯著標志。自動化技術是一門涉及學科較多、應用非常廣泛的綜合性科學技術，或者說，是一個技術群，如電力電子技術、通信與網(wǎng)絡技術、計算機與信息處理技術、微電子技術等。因此，自動化是人類社會走向信息化的重要基礎。4.反饋與調(diào)節(jié)所謂調(diào)節(jié)(Regulation)，是指通過系統(tǒng)的反饋信息自動校正系統(tǒng)的誤差，使一些參數(shù)如溫度、速度、壓力和位置等，在一定的精度范圍內(nèi)按照要求的規(guī)律變化的過程。調(diào)節(jié)須以反饋為基礎，而控制則可以不包括反饋的控制。4.5.2自動化與機器人工程機器人是多學科技術合成的產(chǎn)物。而自動化仍然是機器人的核心技術，對機器人的研究和發(fā)展起著舉足輕重的作用。下面就機器人所涉及的自動化技術作簡單介紹。1.變結構控制與學習控制對于固定位置的機器人，無論是簡單的機械手，還是復雜的多機器人協(xié)調(diào)運動，其運動控制由于固有的非線性和結構的柔性而變得非常復雜。多關節(jié)機械手是一個典型的非線性對象，傳統(tǒng)的反饋控制很難保證其控制精度。變結構滑動?？刂埔恢笔菣C器人控制研究的重點，因其直觀上的合理性而得到特別的重視。但是，由于滑動模切換容易引起局部震顫，所以在高精度定位控制中很難奏效。近年來關于滑動?？刂朴钟行碌倪M展，自適應滑動?？刂频刃碌姆椒▽鹘y(tǒng)的方法做了重要的改進。其次，在許多場合中，特別是裝備機器人工作的場合，這種運動往往是重復的動作。軌跡規(guī)劃、學習控制等是適合這類對象的控制方法。有關柔性桿的控制則變得更加復雜。2.機器視覺與機器智能在機器聽覺、機器視覺和機器觸覺等研究中，對機器視覺的研究是最有挑戰(zhàn)性的。如何獲取場景和目標的圖像信息，并把其處理成機器能夠理解的特征或模式，是機器智能中非常困難的研究課題。現(xiàn)在，機器視覺的研究已經(jīng)取得了重大進展，關于圖像分割特征提取、模式分類等關鍵技術都取得了長足進展。關于人體特征識別、運動目標視覺跟蹤、三維視覺圖像重構等技術也有了新的發(fā)展。一個機器智能廣泛應用于生產(chǎn)過程和日常生活的時代即將到來。3.智能控制與信息融合移動機器人是機器人研究的熱點之一，分為室外智能移動機器人和室內(nèi)智能機器人兩大類。室外智能移動機器人所涉及的關鍵技術包括移動機器人的控制體系結構、機器人視覺信息的實時處理、車體的定位系統(tǒng)、多傳感器信息融合技術，以及路徑規(guī)劃技術與車體控制技術等。由于室外移動機器人不但在軍事上存在特殊的應用價值，而且在公路交通運輸中有著廣泛的應用前景，因此引起世界各國的普遍重視。在這方面，美、德、法、日等國走在世界的前列。所謂路徑規(guī)劃導航與控制，就是根據(jù)運動目標以及傳感器對周圍環(huán)境進行信息檢測，對移動機器人的運動路徑進行規(guī)劃，并按規(guī)劃的路徑進行導航與控制。所謂多傳感器信息融合，就是對于各種(同類或異類)傳感器獲取的不同信息進行聯(lián)合處理，以獲得準確性更高、更具有利用價值的綜合信息。機器人涉及自動化技術的方方面面。工業(yè)機器人控制系統(tǒng)一般是以機器人的單軸或多軸協(xié)調(diào)運動為控制目的的系統(tǒng)，與一般的伺服系統(tǒng)或過程控制系統(tǒng)相比，工業(yè)機器人控制系統(tǒng)有如下特點。(1)機器人的控制與機構運動學、動力學密切相關。根據(jù)給定的任務，應當選擇不同的基準坐標系，并作適當?shù)淖鴺俗儞Q，經(jīng)常要求解運動學正問題和逆問題。除此之外還要考慮各關節(jié)之間慣性力、哥氏力等的耦合作用以及重力負載的影響。(2)描述機器人狀態(tài)和運動的數(shù)學模型是一個非線性模型，隨著狀態(tài)的變化，其參數(shù)也在變化，各變量之間還存在耦合。因此，僅僅利用位置閉環(huán)是不夠的，還要利用速度閉環(huán)，甚至加速度閉環(huán)。系統(tǒng)中還經(jīng)常采用一些控制策略，比如重力補償、前饋、解耦或自適應控制等。(3)機器人控制系統(tǒng)是一個多變量控制系統(tǒng)。即使一個簡單的工業(yè)機器人也有3~5個自由度。每個自由度一般包含一個伺服機構，多個獨立的伺服系統(tǒng)必須有機地協(xié)調(diào)起來。(4)具有較高的重復定位精度。除直角坐標機器人以外，機器人關節(jié)上的位置檢測元件不能安放在機器人末端執(zhí)行器上，而是放在各自的驅(qū)動軸上，因此是位置半閉環(huán)系統(tǒng)。但機器人的重復定位精度較高，一般為0.1mm。(5)系統(tǒng)的剛性要好。由于機器人工作時要求運動平穩(wěn)，不受外力干擾，為此系統(tǒng)應具有較好的剛性，否則將造成位置誤差。(6)位置無超調(diào)，動態(tài)響應盡量快。機器人不允許有位置超調(diào)，否則將可能與工件發(fā)生碰撞。加大阻尼可以減少超調(diào)，但卻降低了系統(tǒng)的快速性，所以進行設計時要根據(jù)系統(tǒng)要求權衡。(7)需采用加(減)速控制。過大的加(減)速度都會影響機器人運動的平穩(wěn)，甚至會發(fā)生抖動，因此在機器人啟動或停止時需采取加(減)速控制策略。通常采用勻加(減)速運動指令來實現(xiàn)。(8)從操作的角度來看，要求控制系統(tǒng)具有良好的人機界面，盡量降低對操作者的要求。因此，在多數(shù)情況下，要求控制器的設計人員不僅要完成底層伺服控制器的設計，而且還要完成規(guī)劃算法的編程。(9)工業(yè)機器人還有一種特有的控制方式，即示教再現(xiàn)控制方式。當需要工業(yè)機器人完成某作業(yè)時，可預先移動工業(yè)機器人的手臂，來示教該作業(yè)順序、位置以及其他信息，在執(zhí)行任務時，依靠工業(yè)機器人的動作再現(xiàn)功能，可重復進行該作業(yè)?？偠灾I(yè)機器人控制系統(tǒng)是一個與運動學和動力學原理密切相關的、有耦合的、非線性的多變量控制系統(tǒng)。隨著實際工作情況的不同，可以采用各種不同的控制方式。根據(jù)不同的分類方法，機器人控制方式可以有不同的類型。從總體上來看，機器人的控制方式可以分為動作控制方式和示教控制方式；按照被控對象的不同，可以分為位置控制、速度控制、力控制、力矩控制、力位混合控制等。4.6計算機與機器人工程4.6.1人工智能與機器人工程1955年，人工智能的先驅(qū)之一約翰·麥卡錫，首次將人工智能一詞定義為：人工智能是開發(fā)出行為像人一樣的智能機器。1983年，在《大英百科全書》中可以找到這樣的定義：人工智能是數(shù)字計算機或計算機控制的機器人，擁有解決通常與人類更高智能處理能力相關的問題的能力。1991年，伊萊恩·里奇在《人工智能》一書中給出的人工智能的定義為：人工智能是研究如何讓計算機去做人們?nèi)粘Ｉ瞄L的事情。從里奇的定義可以看出，人工智能只關心智能過程，這樣做實際上是很危險的。也可以看出，智能體系的構建離不開對人類推理和一般智能行為的深刻理解，因此神經(jīng)科學對人工智能非常重要。人工智能的知識領域廣泛而多樣，各個領域的方法和思想又彼此借鑒。隨著科學技術和配套體系的發(fā)展成熟，人工智能的知名度也在不斷地增加。從技術應用的角度出發(fā)，人工智能的研究領域包括機器學習、自然語言理解、專家系統(tǒng)、智能規(guī)劃、模式識別、機器人、自動定理證明、自動編程、分布式人工智能、游戲、計算機視覺、軟計算、智能控制等。最早的機器智能可分為“人工智能”(AI)和“增強型智能”(EI)后來，這兩個概念被統(tǒng)一起來，稱為人工智能。如今，人工智能分為三類，即弱人工智能、強人工智能和超人工智能。弱人工智能是指僅擅長某個應用領域的人工智能，超出特定領域則無有效解決的能力；強人工智能是指達到人類水平的人工智能，在各方面可與人類相提并論，且無法簡單地對人類與機器進行區(qū)分；超人工智能是指人工智能在創(chuàng)新、創(chuàng)意、創(chuàng)作領域超越人類，并能解決人類解決不了的問題。從人工智能的應用場景來看，目前的人工智能仍是以具體應用領域為主的弱人工智能，其內(nèi)容和相關領域包括機器視覺、專家系統(tǒng)、智能工廠、智能控制、智能搜索、機器人、自動規(guī)劃、無人駕駛、定理證明、棋類博弈、遺傳編程、語言識別、自然語言處理等。1997年，擊敗了國際象棋世界冠軍的超級計算機“深藍”也是弱人工智能，盡管這一事件被一些人稱為“人工智能歷史上的里程碑事件”。強人工智能的觀點認為，有可能制造出真正能推理和解決問題的智能機器，并且，這樣的機器將是有知覺的、有自我意識的。強人工智能可以分為兩類：一類是類人的人工智能，就是機器的思想和推理就像人的思維一樣；另一類是非類人的人工智能，也就是機器產(chǎn)生完全不同的感覺和意識，使用與人完全不同的推理方法。弱人工智能的觀點則認為不可能創(chuàng)造出這樣的智能機器。這些機器只是看起來智能，但沒有智慧，不會有自主意識。至于未來是否可以創(chuàng)造一個真正的強人工智能，只要在“意識”和“精神”上沒有突破，無論是類人還是非類人的“智慧”，“人工智能”都可能只是一個美麗的、擬人化的比喻。不同于工業(yè)機器臂，人工智能機器人會對本地環(huán)境進行導航和探索，具有明顯的智能，很多時候是為了完成特定任務或作為特定角色的。人工智能機器人是機器人技術與AI之間的橋梁。這些是由AI程序控制的機器人。若想讓機器人執(zhí)行更復雜的任務，則必須使用AI算法。4.6.2深度學習與機器人工程深度學習的概念源于對人工神經(jīng)網(wǎng)絡的研究，是一種實現(xiàn)機器學習的技術。神經(jīng)網(wǎng)絡的原理源于我們大腦的生理結構，也就是互相交叉相連的神經(jīng)元。但與大腦中一個神經(jīng)元可以連接一定距離內(nèi)的任意神經(jīng)元不同，人工神經(jīng)網(wǎng)絡具有離散的層、連接和數(shù)據(jù)傳播的方向。深度學習本質(zhì)上是構建含有多層的機器學習架構模型，通過大規(guī)模數(shù)據(jù)進行訓練，得到大量更具代表性的特征信息，從而對樣本進行分類和預測，提高分類和預測的精度。這個過程是通過深度學習模型來達到特征學習的目的的。簡單來說，深度學習就是采用層次更深、更加復雜的神經(jīng)網(wǎng)絡結構。智能機器人是伴隨著“人工智能”的提出而發(fā)展的，它的根本目的是讓計算機模擬人的思維。人工智能(AI)是研究使計算機具有人類的某些行為特征的科學，包括知識、推理、常識、學習和決策制定等，涉及很多算法和模型。機器學習也是人工智能領域的一個分支，深度學習(DL)是一個復雜的機器學習算法，在被引入機器學習后也更接近人工智能了。深度學習也是一種快速訓練深度神經(jīng)網(wǎng)絡的算法，具有很強的特征學習能力，它采用逐層訓練的方法緩解了傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡算法在訓練多層神經(jīng)網(wǎng)絡時出現(xiàn)的局部最優(yōu)問題?；谶@些特征，深度學習在圖像識別、語音識別、自然語言處理、工業(yè)過程控制等方面具有獨特的優(yōu)勢。將深度學習與智能機器人相結合，不僅使機器人在自然信號處理方面的潛力得到了提高，而且使它擁有了自主學習的能力，每個機器人都在工作中學習，且數(shù)量龐大的機器人可并行工作，然后分享它們學到的信息，相互促進學習，如此必將帶來極高的學習效率，極快地提升機器人工作準確度，并且還省略了煩瑣的編程。深度學習是學習樣本數(shù)據(jù)的內(nèi)在規(guī)律和表示層次，這些學習過程中獲得的信息對諸如文字、圖像和聲音等數(shù)據(jù)的解釋有很大的幫助。它的最終目標是讓機器能夠像人一樣具有分析學習能力，能夠識別文字、圖像和聲音等數(shù)據(jù)。由于深度學習算法能夠讓機器具有很好的分析學習能力，將它應用在機器人領域，使機器人擁有像人一樣的分析能力將是可以實現(xiàn)的方向。基于深度學習算法的機器人具有高復雜度和高性能，在應用方面也更廣泛，國內(nèi)外對相關技術的研究熱情也居高不下。深度學習的原型出現(xiàn)在20世紀80年代末，彼時利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡的反向傳播算法(BP算法)可以讓一個人工神經(jīng)網(wǎng)絡模型從大量訓練樣本中學習出統(tǒng)計規(guī)律，從而對未知事件做