「科普」機器人主要分支：工業(yè)機器人

時間：2022-02-16

宏觀上，機器人主要可分為工業(yè)機器人、服務機器人和特種機器人。工業(yè)機器人、無人機、無人車輛、無人潛水器、醫(yī)療機器人和仿人機器人是機器人領域的幾個重要分支。

機器人主要可分為工業(yè)機器人、服務機器人和特種機器人。

工業(yè)機器人，按ISO8373定義為工業(yè)領域的多關節(jié)機械手或多自由機器人。其主要應用場景包括焊接、油漆、裝配、采集、存儲、產品測試等，而不是人類進行危險和繁重的工作。在這些應用領域，對工業(yè)機器人的效率、速度和準確性提出了要求。具體來說，工業(yè)機器人的評價標準主要包括：

自由：一般為機器人關節(jié)數(shù)；

工作包絡面：機器人末端活動范圍；

載荷：機器人能承受多少物體重量；

速度：機器人能使其末端快速到達*位置；

加速：機器人關節(jié)加速；

精度：機器人實際位置與目標位置的誤差；

再現(xiàn)：機器人能否在多次操作中重現(xiàn)同一行為。

工業(yè)機器人起源于1958年，Uni ** tion發(fā)布Uni ** tion機器人。Uni ** tion機器人是一個用于壓鑄的五軸液壓驅動機器人，使用分離的固體數(shù)控元件，使用磁鼓存儲信息，總共可以存儲180步。整個手臂的控制是通過計算完成的。在早期的工業(yè)機器人中，日本AMF公司研制的Versatran機器人用于物料運輸工作。Versatran也采用液壓驅動，機器人手臂可以繞底座旋轉，沿半徑伸縮，沿垂直方向起降。它可以控制點和軌跡。它是世界上**個用于工業(yè)生產的機器人。1979年，Uni ** tion公司推出PUMA工業(yè)機器人。已在上面介紹，PUMA它是一種由電機驅動、串聯(lián)關節(jié)結構多的裝配機器人CPU二級控制。并使用**VAL語言編程控制還可以擴展外部傳感器，如視覺和觸覺。在此期間，機器人經常使用教學再現(xiàn)技術進行動作規(guī)劃，沒有能力感知和控制周圍環(huán)境。

目前，工業(yè)機器人涉及的主要技術包括體育校準、體育規(guī)劃、體育控制等。經過近50年的發(fā)展，上述技術已經有了相對成熟的解決方案。新的挑戰(zhàn)主要是非線性控制、多目標優(yōu)化、智能化、重負荷、高精度、高速等技術。為了解決上述問題，工業(yè)機器人的研究重點關注機器人控制方法、力混合控制、視覺伺服、主動、柔性控制、協(xié)作操作等方向。如今，工業(yè)機器人的應用場景逐漸從重復和簡單的動作轉變?yōu)閺碗s的任務，通常需要工業(yè)機器人具有一定的智能和群體協(xié)調能力。

工業(yè)機器人的組成部分可以劃分為機械部分、傳感部分和控制部分，由機械系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)、感知系統(tǒng)、交互系統(tǒng)和控制系統(tǒng)所支配。按照機械結構劃分，總體上可以將工業(yè)機器人劃分為串聯(lián)機器人和并聯(lián)機器人兩類，二者主要區(qū)別在于是否一個軸的原點會隨著其他軸的運動而變動。早期工業(yè)機器人往往采用串聯(lián)結構，其運動可以使用基于連桿機器人運動學計算得到，但是其逆運動往往因為奇異點等問題難以求解。隨著1978年Hunt提出可以使用6自由并聯(lián)結構作為機器人操作員，并聯(lián)機器人逐漸進入歷史舞臺，與串聯(lián)機器人相比，并聯(lián)機器人具有剛度大、微動態(tài)精度高、運動負荷小的優(yōu)點，適用于工業(yè)裝配線高精度材料操作和裝配，但由于其工作包裝面小，不適合終端需要復雜的運動場景，如焊接等。

串聯(lián)機器人通常由旋轉關節(jié)驅動，并伴有少量的平移關節(jié)。旋轉關節(jié)通常由電機通過減速器驅動，價格昂貴。市場上常用的減速器包括諧波齒輪減速器和RV與前者相比，后者通常具有較好的旋轉精度和精度保持。**機器人減速器的主要供應商包括Harmonic Drive和Nabtesco，國內主要供應商包括蘇州綠、山東、浙江恒豐、陜西、沈、哈爾濱工業(yè)大學機器人工業(yè)集團等。

工業(yè)機器人的驅動系統(tǒng)可分為液壓驅動、氣壓驅動和電機驅動。液壓驅動通常用于早期工業(yè)機器人，如Uni ** tie和Versatran。液壓系統(tǒng)可輸出較大的推力或扭矩，可實際低速大噸位運動。但由于液壓驅動的液體泄漏、噪聲大、低速狀態(tài)不穩(wěn)定，工業(yè)機器人很少使用，只有一些大型機器人、并聯(lián)機器人和一些特殊場景使用的機器人使用液壓驅動。與液壓驅動相比，氣壓驅動具有管道簡單、能耗小、反應快、使用壽命長、維護方便等特點。但由于空氣壓縮性大，氣動系統(tǒng)的動作穩(wěn)定性較差。氣動系統(tǒng)一般壓力較低，不適合擴大輸出強度和扭矩。因此，氣壓驅動裝置通常用于工業(yè)機器人末端執(zhí)行機構的驅動，如抓手、吸盤等。常見于中小型負荷工件的捕獲和組裝任務。電機驅動是目前工業(yè)機器人的主流驅動方式。以伺服電機或步進電機為動力源。其中，直流伺服電機和交流伺服電機通常用于高精度和高速度的工業(yè)機器人，通常采用開環(huán)控制方法。

工業(yè)機器人的感知系統(tǒng)一般分為內部感知系統(tǒng)和外部感知系統(tǒng)。內部感知系統(tǒng)使用壓力傳感器、接觸傳感器、旋轉編碼器等來獲取機器人關節(jié)的位置、速度、力和扭矩。外部傳感器通常通過感器通常通過攝像頭、聲納等來感知周圍的環(huán)境。由于近年來計算機視覺技術的快速發(fā)展，視覺伺服已成為共機器人感知的一個重要方面。

視覺伺服系統(tǒng)將相機捕獲的視覺信息作為調整機器人位置的反饋信號，廣泛應用于半島體和電子行業(yè)、質量檢測、工件識別、分揀等行業(yè)。

機器人視覺伺服控制分為三維視覺伺服和二維視覺伺服兩類，后來發(fā)展成2.5維視覺伺服。在三維視覺伺服中，通過三維視覺校準，建立攝像機的內外參數(shù)，并與機器人終端執(zhí)行器的運動學相匹配，即圖像雅克比矩陣法，形成終端執(zhí)行器的閉環(huán)反饋控制。二維視覺伺服通過提取拍攝到的圖像的特征，獲得當前終端執(zhí)行器與目標位置之間的偏差，然后通過控制器糾正誤差。相比之下，二維視覺伺服對攝像頭校準誤差較具魯棒性，但受視覺圖像雅克比矩陣奇怪和局部較佳問題的限制。因此，綜合考慮，Chaumetie提出2.5D視覺伺服方法。具體來說，改變相機平移和旋轉閉環(huán)控制解耦的方法，根據(jù)圖像特征點重建三維物體的方向和成像深度比，可以在一定程度上結合圖像信息和三維視覺位置信息，解決一些奇怪、局部較佳問題，但仍存在不一的問題。

工業(yè)機器人的運動規(guī)劃與生產效率和生產安全密切相關，已成為工業(yè)機器人研究的關鍵問題。工業(yè)機器人的運動規(guī)劃方法一般可分為路徑規(guī)劃和軌道規(guī)劃。路徑規(guī)劃的目標是使工業(yè)機器人的每個關節(jié)和連桿的運動路徑盡可能短，并與障礙物保持安全距離。軌道規(guī)劃的目的是規(guī)劃每個關節(jié)的運動過程，使機器人從初始位置到目標位置的總時間盡可能短，能耗盡可能小。軌道規(guī)劃在路徑規(guī)劃的基礎上增加了關節(jié)速度和加速度的限制，使軌道較加平滑、較快、較可控。

早期的工業(yè)機器人通常采用教學再現(xiàn)方法進行路徑規(guī)劃，即通過記錄人類操作的路徑點在工作中復制，從而順利完成相同的任務。這是一種在笛卡爾空間進行路徑規(guī)劃的方法。早期的教學再現(xiàn)方法要求操作員編程每個動作，這是一項非常繁瑣的工作。隨著柔性控制的發(fā)展，特別是阻抗/導納控制，今天的機械臂具有測量交互力的能力，在一定程度上簡化了教學再現(xiàn)的軌道規(guī)劃方法。這種方法也被稱為手工教學。手工教學可以通過直接推拉來控制機械手達到預期位置，而*計算和編程，并記錄坐標點。系統(tǒng)將通過插入值計算每一步的位置和速度，以實現(xiàn)軌道規(guī)劃。然而，教學再現(xiàn)方法仍然難以獲得較佳路徑。

與笛卡爾空間相比，軌跡規(guī)劃也可以在關節(jié)空間進行。常用的方法一般是樣條函數(shù)插值法，并根據(jù)平滑度、加速度、加速度等約束條件進行優(yōu)化。關節(jié)空間路徑規(guī)劃可以避免笛卡爾空間中的異常問題，避免大量的正反運動解決過程。

詞條
詞條說明
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