機器人的定義和結(jié)構(gòu)研究以及機器人機械手的介紹

　　盡管機器人技術(shù)發(fā)展很快，但至今“機器人”這一術(shù)語仍無統(tǒng)一的、固定的概念。目前，這個術(shù)語的含義很廣，而且很直觀。有些人甚至把各種類型的控制論游戲裝置主從機械手、機械翻譯系統(tǒng)、會下棋和能講譜曲的電子計算機等等也都看成機器人。

　　一般來說，機器人可定義為完成機械動作的通用自動機。到目前為止，原則上仍是把完成體力勞動的人作為構(gòu)造機器人的模型。機器人的特點是借助于感受裝置和執(zhí)行機構(gòu)能主動，而且有目的地和外界進行信息的和物理的相互作用。機器人對外界物體產(chǎn)生作用，并能在外界環(huán)境中行走。機器人的各個部分（分系統(tǒng)）由信息處理裝置（如電子計算機）聯(lián)結(jié)成統(tǒng)一的系統(tǒng)。在結(jié)構(gòu)上，機器人的各個分系統(tǒng)組合成不同的機器人。

　　機械手是機器人主要的（目前還是**的）執(zhí)行機構(gòu)。但是，可以設(shè)想用強電磁場來操縱物體，也就是把強電磁場作為機器人的執(zhí)行機構(gòu)；可以設(shè)想讓強大激光裝置按所需要的方式對周圍物體進行作用，也就是把強大激光裝置作為機器人執(zhí)行機構(gòu)；可以設(shè)想其它類型的機器人執(zhí)行機構(gòu)。當(dāng)然，在任何情況下，對外界物體產(chǎn)生靈活作用的執(zhí)行機構(gòu)是機器人必不可少的組成部分。本書下面講到執(zhí)行機構(gòu)時就是指機器人機械手。機器人的另一個必備的特征是通用性。不具備通用性就不能算做機器人。舉例說，只有一種程序的加料器，雖然是自動機機械手，但是由于功能不能夠調(diào)整，不應(yīng)稱作機器人。不需要人參與操作，有自治能力也是機器人必備的特征。不具備這一特征也不應(yīng)該認(rèn)為是機器人。舉例說，由人遠程距離控制的充當(dāng)電視攝像機的機械手以及其他各種類型的主從機械手，都不能列入機器人之列。

　　把機器人定義為完成機械動作的通用自動機，這是對所研究的新型機器下的廣義定義。當(dāng)然，由于自治程序及操作人員參與特點的不同，各類機器人之間存在著本質(zhì)上的差別。甚至機器人本身還有分工，這種分工是根據(jù)它們具體應(yīng)用的特點而決定的。因此，各類機器人的通用程度有很大差別。

　　現(xiàn)在來研究機器人的一般結(jié)構(gòu)（圖1）。機器人的推進作用是由執(zhí)行機構(gòu)來完成的，通常，機器人的執(zhí)行機構(gòu)包括機械手和行走裝置。

　　機械手是多環(huán)節(jié)開環(huán)機械裝置。它有完成旋轉(zhuǎn)和往復(fù)運動的關(guān)節(jié)，其自由度數(shù)目為3～10。這個機械裝置的最后一個環(huán)節(jié)（即工作機構(gòu)）是手爪或其它任何專門的生產(chǎn)機械，如真空吸附盤、噴霧器、自動扳手等等。為了能夠在各環(huán)節(jié)位移最小的情況下保證執(zhí)行機構(gòu)有平滑的移動軌跡，必須正確地分配機械手傳動鏈的運動自由度。為此，機械手必須滿足如下基本要求：

　?。?）可隨意改變手爪位置和方向；

　?。?）在保持手爪位置和方向的條件下，可隨意改變機械手運動鏈在空間的形狀；

　?。?）用于改變手爪方向的運動自由度不能對手爪終端位置有明顯的影響。

　　要按照機械手在工作范圍內(nèi)的工作要求，即服務(wù)質(zhì)量，來選擇各環(huán)節(jié)的長度。工作系數(shù)可作為一個質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)所要求的工作系數(shù)的大小確定各環(huán)節(jié)的長度，和確定各環(huán)節(jié)在機械手傳動鏈中的配置。

　　在確定手爪的結(jié)構(gòu)使，通常要考慮某些定型工作。有的手爪做成勺罐形，有的有兩個或三個手指，有的有擾性手指等等。工作機構(gòu)可同時帶有信息傳感器。這種信息傳感器能確定出操縱對象的各種參數(shù)，并能發(fā)出故障警報等。

　　機械手和行走裝置的執(zhí)行機構(gòu)是每個運動自由度的傳動裝置（參看圖1）。傳動裝置主要有三類；電動的、液壓的和氣動的。由于空氣壓縮性大和制造良好的氣動隨動系統(tǒng)相當(dāng)復(fù)雜，所以氣動傳動的靈敏性很差。液壓傳動除需要專門的維護外，還由于漏油會引起環(huán)境污染。電傳動可以采用各種伺服電機和離合器。傳動裝置可直接安裝在機械手上面，即安裝在靠近實現(xiàn)相應(yīng)的運動自由度的關(guān)節(jié)地方，或者安裝在固定機械手的基座上。分散配置傳動系統(tǒng)的優(yōu)點是，由電動機到關(guān)節(jié)之間力的傳遞簡單，因而機械手的結(jié)構(gòu)緊湊。集中配置傳動裝置可以簡化機械手的結(jié)構(gòu)，并且可以比較自由地選擇傳動的形式和結(jié)構(gòu)，但是，由傳動裝置向關(guān)節(jié)傳遞力需要齒輪、鏈條及鋼索等等。

　　機器人的行走裝置可采取已被廣泛應(yīng)用的任何一種移動裝置。在地面上行走時，可利用履帶式、轉(zhuǎn)輪式、步行式及其它類型的推進器。

　　圖1所示的感受裝置可分為兩種主要類型，收集機器人內(nèi)部狀態(tài)信息的裝置和收集外界環(huán)境信息的裝置。**類裝置用于機器人內(nèi)部形成反饋。屬于**類裝置的有；測量機械手各環(huán)節(jié)的角位移和線位移的傳感器，測量機械手各環(huán)節(jié)的速度和加速度的傳感器。第二類裝置能夠根據(jù)外界環(huán)境的狀態(tài)對機器人實現(xiàn)適應(yīng)性控制。屬于第二類裝置的有；觸覺傳感器和定位傳感器（它們可以獲得接觸或接近對象的信息，判斷簡單的對象的形狀）、力傳感器（如在裝配產(chǎn)品時，用來調(diào)節(jié)施加給操縱對象的力）和滑動傳感器（被操縱的對象從手爪中滑出時滑動傳感器有反應(yīng)并產(chǎn)生信息）。視覺信息是反應(yīng)外界環(huán)境最安全的信息。但是，由于識別圖像還有某些困難，所以視覺裝置至今未能廣泛地應(yīng)用。在情況發(fā)生變化時，必須利用外部環(huán)境的信息來控制機器人。

　　與操作人員聯(lián)系的裝置（見圖1）是一套保證操作人員與機器人互相聯(lián)系的設(shè)備。由這些設(shè)備可以得到有關(guān)機器人操作情況的信息。視覺控制合就屬于這種裝置。操作人員由控制合能得到關(guān)于機器人操作的視覺信息。然后，操作人員在電視接收機的屏幕上用光標(biāo)標(biāo)出他所感興趣的目標(biāo)的坐標(biāo)，或者標(biāo)出機器人應(yīng)該移動到的目的地。通過控制合能夠?qū)C器人各分系統(tǒng)的工作情況傳給打字機或者直觀顯示器。由控制臺也可以把來自機器人的詢問送給需要此信息的輸入端。在沒有視覺反饋時，繪圖機可向操作人員提供有關(guān)機器人在地面行走的信息，由繪圖機可以提供預(yù)計的運動軌跡。

　　用聲音可給機器人分配任務(wù)并可把機器人改裝成各種結(jié)構(gòu)形式?，F(xiàn)在已經(jīng)有能分辨200個字詞的機器程序和專用裝置。用語言綜合器，或者，在最簡單的情況下，用記錄在錄音機磁帶上的信息，機器人也能夠用語音對操作人員作出回答?？刂蒲b置（見圖1）能將感受裝置給出的全部信息加以變換，并產(chǎn)生出對傳動裝置的控制作用。

　　有時采用由一臺或數(shù)臺電子計算機組成的分級控制系統(tǒng)去控制機器人（如控制可移動的機器人）。機器人可裝上小型機載電子計算機。小型機載電子計算機控制傳動裝置，并將機器人上的傳感器的信息做預(yù)處理。信息的交換和控制作用的計算主要由固定式大型電子計算機來完成。大型電子計算機通過電纜或無線電與小型機載電子計算機聯(lián)系。當(dāng)聯(lián)合控制幾個機器人時，可采用中心電子計算機和分散的小型電子計算機相結(jié)合的控制系統(tǒng)。分散的小型電子計算機附屬于中心電子計算機并控制單個機器人。