機器人的控制與發展

人類一直幻想有一種擬人的機械，能像人一樣有手腳靈活自由地運動，代替人從事復雜的勞動，這種機械就是今天所說的“機器人”。機器人是一種自動化設備，自動化設備及生產線是一項以機械、電子、儀表、電氣、信息處理、計算機、自動控制技術等眾多技術結合的復合運用。隨著生產力、新技術的發展，1961年美國誕生了第一臺實用工業機器人。工業機器人工作目的性強，通常稱為機械手，機械手能很快地改變工作程序，適用性較強，因而得到廣泛應用，如在汽車工業、電子工業、核工業等工業部門，在服務行業，在海底、航天類極限能力外的環境中從事焊接、噴涂、裝卸、轉向、分揀或維修等工作。機械手的應用極大地提高了勞動生產率，減輕了勞動強度，實現了安全生產，保證了產品質量，降低了相應成本。

一 機械手的結構

機械手通常由如下五部分構成：作為被自動化的對象，起連接固定或某些特定的功能的機械本體。用以獲取信息的檢測及傳感器部分，還包括信息轉換、顯示、記錄等。處理各種信息并做出相應的判斷、決策和指令的控制部分。執行各種指令、完成預期的動作的執行機構部分，通常由傳動機構和執行元件組成，實現設定的運動，傳遞足夠的動力，并具有良好的傳動性能。向自動化設備及生產線供應能量，以驅動它們進行各種運動和操作的動力源部分，常用的有電力源及其他液壓源、氣壓源等。

具體而言機械手主要由控制系統、驅動系統、執行機構以及位置檢測系統等組成。

二 機械手的分類

1、機械手按用途分可分專用和通用

專用機械手工作對象單一，結構簡單，動作少；通用機械手通用性強，動作靈活，程序可變，定位精度高，有獨立控制系統。

2、按驅動方式可分為液壓型、氣壓型、電力型、機械型

液壓傳動型以油液的壓力來驅動執行機構運動，結構緊湊，傳動平穩，抓重大；氣壓傳動型結構簡單，動作迅速，成本低；電力傳動型由特殊結構的電動機直接驅動機構運動，中間轉換機構少，運動速度快，工作范圍大；機械傳動型由機械傳動機構驅動，動作頻率高，運動準確可靠。

3、按種類可分為串聯和并聯

串聯機械手的大臂、小臂以串聯方式相連接。這類機器人形式很多，如球坐標形式、直角坐標形式、圓柱坐標形式和全鉸鏈多關節形式等。并聯機械手用6根支桿將上下兩平臺相連接，6根支桿都可以獨立自由伸縮，分別用球鉸和虎克鉸與平臺連接，上平臺與下平臺可進行6個獨立運動，既有6個自由度，在三維空間可以作任意方向的移動和繞任何方向、位置的軸線轉動，如訓練飛行員的模擬器，汽車總裝線上安裝車輪的機械手等。

現今機器人的應用領域不斷擴大，并向智能機械手方向發展，如具有視覺、聽覺、嗅覺、觸覺、力覺等感覺機能，有邏輯思維學習、判斷和決策的功能，可以根據作業要求和環境信息隨機應變，有選擇地采取行動，靈活地處理問題，自主地完成任務。

三 機械手的工作原理

若機械手的技術參數如下：最大抓重：1000g，手指夾持工件最大直徑90mm，手臂上下擺動角度90度，手臂回轉最大角度180度，則此機械手可設計為三自由度機械手，其結構可以由手指夾持機構、手臂上下擺動機構、機械手回轉機構和各種固定支架等組成，機械手完成相應動作，由這三部分共同作用來實現。

手指夾持機構主要由主軸、萬向節、電動機、減速器、絲杠、行走塊、手指、限位開關和脈沖開關等組成；手臂上下擺動機構主要由電動機、減速器、齒輪、鏈條、蝸輪、蝸桿、主軸限位開關和脈沖開關等組成；機械手回轉機構主要由電動機、減速器、蝸輪、蝸桿、限位開關和脈沖開關等組成。各種運動狀態通過監測其對應的脈沖開關產生脈沖數來控制。脈沖開關和限位開關選用同一種微動開關，因在系統控制中起的作用不同分別叫作脈沖開關和限位開關。

目前，工業機械手大部分還屬于第一代，主要依靠工人進行控制；改進的方向主要是降低成本和提高精度。適應窄小空間、快節奏、360度全工作空間范圍的垂直關節型機器人大量應用于焊接和上、下料。大型、超大型機器人應用于汽車、建筑、橋梁等行業。

我國各行業的自動化水平有明顯提高，先進的自動化技術得到了普遍的采用。這些技術的內容包含了先進的信息處理和控制技術，即以計算機為核心，有PLC、工控機、單片機、人機界面、現場總線等組成的控制系統。先進的驅動技術有變頻調速、交流伺服、步進電機等。控制技術上采用32位、64位CPU，控制軸數多達27軸，CNC、離線編程技術被廣泛應用，總線技術的利用使協調控制技術日趨成熟，實現了多手與變位的協調及同步控制。

作為高科技全自動一體化的新型產品，機器人是提升企業效能的產物，將機器人與包裝線相結合，既能提高生產線正常運行的效能，又能增強運行可靠性，更能讓用戶迅速適應日新月異的生產需求，分享高科技成果產生的巨大效益。

機器人綜合了計算機、控制論、機構學、信息和傳感、人工智能、仿生學等多學科而形成的高新技術產品，機器人的應用情況也是一個國家工業自動化水平的重要標志。

四 我國機器人工業的發展

上海汽車配件二廠研制的汽車燈殼沖壓機械手、天津鍛壓機械廠研制的鍛件上下料機械手，是我國最早的一批工業機器人。1985年，工業機器人被列入了國家“七五”科技攻關計劃研究重點，目標鎖定在工業機器人基礎技術、基礎器件開發、搬運、噴涂和焊接機器人的開發研究等五個方面。

通過“七五”、“八五”科技攻關，基本掌握了機器人的設計制造技術、控制系統硬件和軟件設計技術、運動學和軌跡規劃技術，生產了部分機器人關鍵元器件，開發出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人，1990年，工業噴漆機器人PJ－1如期完成。這是我國第一臺噴漆機器人，現在有130多臺套噴漆機器人在20余家企業的近30條自動噴漆生產線站上獲得規模應用。弧焊機器人也已應用在汽車制造廠的焊裝線上。

在國家“863”計劃支持下，我國工業機器人又在實踐中邁進一大步，具有自主知識產權的點焊、弧焊、裝配、噴漆、切割、搬運、包裝碼垛等7種工業機器人產品相繼問世，還實施了100多項機器人應用工程、建立了20余個機器人產業化基地。

我國的智能機器人和特種機器人在“863”計劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機器人，6000m水下無纜機器人的成果居世界領先水平，還開發出直接遙控機器人、雙臂協調控制機器人、爬壁機器人、管道機器人等機種：在機器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎技術的開發應用上開展了不少工作，有了一定的發展基礎。但是在多傳感器信息融合控制技術、遙控加局部自主系統遙控機器人、智能裝配機器人、機器人化機械等的開發用方面則剛剛起步，與國外先進水平差距較大。

從最初的機械手，到現在及將來的服務機器人，機器人在提高產品質量、發展綠色制造、服務人民生活等方面發揮著越來越重要的作用。相信在不久的將來，一切人“不能干，干不好，不想干”的事，都可以由機器人代勞。