全面了解工業(yè)機(jī)器人技術(shù)

機(jī)器人發(fā)展到現(xiàn)在越來越受到人們的歡迎和重視，現(xiàn)在很多傳統(tǒng)行業(yè)都在生產(chǎn)作業(yè)中引入了工業(yè)機(jī)器人，隨著機(jī)器人的改進(jìn)和優(yōu)化，工業(yè)機(jī)器人在傳統(tǒng)加工制造行業(yè)的重要性也越來越明顯。

那么，什么是工業(yè)機(jī)器人？內(nèi)部結(jié)構(gòu)是什么樣的？相信看完這篇文章，您就會(huì)對(duì)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)有一個(gè)系統(tǒng)而全面的了解！

工業(yè)機(jī)器人科普 ? ?

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工業(yè)機(jī)器人的分類 ? ?

移動(dòng)機(jī)器人

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移動(dòng)機(jī)器人(AGV)是工業(yè)機(jī)器人的一種類型，它可廣泛應(yīng)用于機(jī)械、電子、紡織、卷煙、醫(yī)療、食品、造紙等行業(yè)的柔性搬運(yùn)、傳輸?shù)裙δ?，也用于自?dòng)化立體倉庫、柔性加工系統(tǒng)、柔性裝配系統(tǒng)(以AGV作為活動(dòng)裝配平臺(tái))；同時(shí)可在車站、機(jī)場、郵局的物品分撿中作為運(yùn)輸工具。 點(diǎn)焊機(jī)器人

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焊接機(jī)器人具有性能穩(wěn)定、工作空間大、運(yùn)動(dòng)速度快和負(fù)荷能力強(qiáng)等特點(diǎn)，焊接質(zhì)量明顯優(yōu)于人工焊接，大大提高了點(diǎn)焊作業(yè)的生產(chǎn)率。

弧焊機(jī)器人

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弧焊機(jī)器人主要應(yīng)用于各類汽車零部件的焊接生產(chǎn)。在該領(lǐng)域，國際大型工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)企業(yè)主要以向成套裝備供應(yīng)商提供單元產(chǎn)品為主。

激光加工機(jī)器人

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激光加工機(jī)器人是將機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用于激光加工中，通過高精度工業(yè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)更加柔性的激光加工作業(yè)。系統(tǒng)可以進(jìn)行在線操作，也可通過離線方式進(jìn)行編程。

機(jī)器人通過對(duì)加工工件的自動(dòng)檢測，產(chǎn)生加工件的模型，繼而生成加工曲線，也可以利用CAD數(shù)據(jù)直接加工?？捎糜诠ぜ募す獗砻嫣幚?、打孔、焊接和模具修復(fù)等。

真空機(jī)器人

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真空機(jī)器人是一種在真空環(huán)境下工作的機(jī)器人，主要應(yīng)用于半導(dǎo)體工業(yè)中，實(shí)現(xiàn)晶圓在真空腔室內(nèi)的傳輸。真空機(jī)械手難進(jìn)口、受限制、用量大、通用性強(qiáng)，其成為制約了半導(dǎo)體裝備整機(jī)的研發(fā)進(jìn)度和整機(jī)產(chǎn)品競爭力的關(guān)鍵部件。

潔凈機(jī)器人

潔凈機(jī)器人是一種在潔凈環(huán)境中使用的工業(yè)機(jī)器人。隨著生產(chǎn)技術(shù)水平不斷提高，其對(duì)生產(chǎn)環(huán)境的要求也日益苛刻，很多現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)都要求在潔凈環(huán)境進(jìn)行，潔凈機(jī)器人是潔凈環(huán)境下生產(chǎn)需要的關(guān)鍵設(shè)備。

工業(yè)機(jī)器人的內(nèi)部結(jié)構(gòu) ? ? ?

一、機(jī)器人驅(qū)動(dòng)裝置 ? 概念：要使機(jī)器人運(yùn)行起來, 需給各個(gè)關(guān)節(jié)即每個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度安置傳動(dòng)裝置。作用：提供機(jī)器人各部位、各關(guān)節(jié)動(dòng)作的原動(dòng)力。 ? 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：可以是液壓傳動(dòng)、氣動(dòng)傳動(dòng)、電動(dòng)傳動(dòng), 或者把它們結(jié)合起來應(yīng)用的綜合系統(tǒng)；可以是直接驅(qū)動(dòng)或者是通過同步帶、鏈條、輪系、諧波齒輪等機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行間接驅(qū)動(dòng)。

1、電動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置

電動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的能源簡單，速度變化范圍大，效率高，速度和位置精度都很高。但它們多與減速裝置相聯(lián)，直接驅(qū)動(dòng)比較困難。

電動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置又可分為直流（DC）、交流（AC）伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。直流伺服電機(jī)電刷易磨損，且易形成火花。無刷直流電機(jī)也得到了越來越廣泛的應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)多為開環(huán)控制，控制簡單但功率不大，多用于低精度小功率機(jī)器人系統(tǒng)。

電動(dòng)上電運(yùn)行前要作如下檢查：

1）電源電壓是否合適（過壓很可能造成驅(qū)動(dòng)模塊的損壞）；對(duì)于直流輸入的+/-極性一定不能接錯(cuò)，驅(qū)動(dòng)控制器上的電機(jī)型號(hào)或電流設(shè)定值是否合適（開始時(shí)不要太大）；

2）控制信號(hào)線接牢靠，工業(yè)現(xiàn)場最好要考慮屏蔽問題（如采用雙絞線）；

3）不要開始時(shí)就把需要接的線全接上，只連成最基本的系統(tǒng)，運(yùn)行良好后，再逐步連接。

4）一定要搞清楚接地方法，還是采用浮空不接。

5）開始運(yùn)行的半小時(shí)內(nèi)要密切觀察電機(jī)的狀態(tài)，如運(yùn)動(dòng)是否正常，聲音和溫升情況，發(fā)現(xiàn)問題立即停機(jī)調(diào)整。

2、液壓驅(qū)動(dòng)

通過高精度的缸體和活塞來完成，通過缸體和活塞桿的相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)。

優(yōu)點(diǎn)：功率大，可省去減速裝置直接與被驅(qū)動(dòng)的桿件相連，結(jié)構(gòu)緊湊，剛度好，響應(yīng)快，伺服驅(qū)動(dòng)具有較高的精度。

缺點(diǎn)：需要增設(shè)液壓源，易產(chǎn)生液體泄漏，不適合高、低溫場合，故液壓驅(qū)動(dòng)目前多用于特大功率的機(jī)器人系統(tǒng)。

選擇適合的液壓油。防止固體雜質(zhì)混入液壓系統(tǒng)，防止空氣和水入侵液壓系統(tǒng) 。

機(jī)械作業(yè)要柔和平順機(jī)械作業(yè)應(yīng)避免粗暴，否則必然產(chǎn)生沖擊負(fù)荷，使機(jī)械故障頻發(fā)，大大縮短使用壽命。要注意氣蝕和溢流噪聲。作業(yè)中要時(shí)刻注意液壓泵和溢流閥的聲音，如果液壓泵出現(xiàn)“氣蝕”噪聲，經(jīng)排氣后不能消除，應(yīng)查明原因排除故障后才能使用。保持適宜的油溫。液壓系統(tǒng)的工作溫度一般控制在30～80℃之間為宜。

3、氣壓驅(qū)動(dòng)

氣壓驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)簡單，清潔，動(dòng)作靈敏，具有緩沖作用。.但與液壓驅(qū)動(dòng)裝置相比，功率較小，剛度差，噪音大，速度不易控制，所以多用于精度不高的點(diǎn)位控制機(jī)器人。

（1）具有速度快、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，維修方便、價(jià)格低等特點(diǎn)。適于在中、小負(fù)荷的機(jī)器人中采用。但因難于實(shí)現(xiàn)伺服控制，多用于程序控制的機(jī)械人中，如在上、下料和沖壓機(jī)器人中應(yīng)用較多。

（2）在多數(shù)情況下是用于實(shí)現(xiàn)兩位式的或有限點(diǎn)位控制的中、小機(jī)器人中的。

（3）控制裝置目前多數(shù)選用可編程控制器(PLC控制器)。在易燃、易爆場合下可采用氣動(dòng)邏輯元件組成控制裝置。

二、直線傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

傳動(dòng)裝置是連接動(dòng)力源和運(yùn)動(dòng)連桿的關(guān)鍵部分，根據(jù)關(guān)節(jié)形式，常用的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)形式有直線傳動(dòng)和旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。

直線傳動(dòng)方式可用于直角坐標(biāo)機(jī)器人的X、Y、Z?向驅(qū)動(dòng)，圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)的徑向驅(qū)動(dòng)和垂直升降驅(qū)動(dòng)，以及球坐標(biāo)結(jié)構(gòu)的徑向伸縮驅(qū)動(dòng)。

直線運(yùn)動(dòng)可以通過齒輪齒條、絲杠螺母等傳動(dòng)元件將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，也可以有直線驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，也可以直接由氣缸或液壓缸的活塞產(chǎn)生。

1、齒輪齒條裝置

通常齒條是固定的。齒輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成托板的直線運(yùn)動(dòng)。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單；缺點(diǎn)：回差較大。

2、滾珠絲杠 ?

在絲杠和螺母的螺旋槽內(nèi)嵌入滾珠，并通過螺母中的導(dǎo)向槽使?jié)L珠能連續(xù)循環(huán)。優(yōu)點(diǎn)：摩擦力小，傳動(dòng)效率高，無爬行，精度高；缺點(diǎn)：制造成本高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

自鎖問題：理論上滾珠絲杠副也可以自鎖，但是實(shí)際應(yīng)用上沒有使用這個(gè)自鎖的，原因主要是：可靠性很差，或加工成本很高；因?yàn)橹睆脚c導(dǎo)程比非常大，一般都是再加一套蝸輪蝸桿之類的自鎖裝置。

三、旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

采用旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的目的是將電機(jī)的驅(qū)動(dòng)源輸出的較高轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成較低轉(zhuǎn)速，并獲得較大的力矩。機(jī)器人中應(yīng)用較多的旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有齒輪鏈、同步皮帶和諧波齒輪。

1、齒輪鏈 ?

（1）轉(zhuǎn)速關(guān)系

（2）力矩關(guān)系

2、同步皮帶

同步帶是具有許多型齒的皮帶，它與同樣具有型齒的同步皮帶輪相嚙合。工作時(shí)相當(dāng)于柔軟的齒輪。

優(yōu)點(diǎn)：無滑動(dòng)，柔性好，價(jià)格便宜，重復(fù)定位精度高；缺點(diǎn)：具有一定的彈性變形。

3、諧波齒輪 ?

諧波齒輪由剛性齒輪、諧波發(fā)生器和柔性齒輪三個(gè)主要零件組成，一般剛性齒輪固定，諧波發(fā)生器驅(qū)動(dòng)柔性齒輪旋轉(zhuǎn)。

主要特點(diǎn)：

（1）傳動(dòng)比大，單級(jí)為50—300。

（2）傳動(dòng)平穩(wěn)，承載能力高。

（3）傳動(dòng)效率高,可達(dá)70%—90%。

（4）傳動(dòng)精度高,比普通齒輪傳動(dòng)高3—4倍。

（5）回差小，可小于3’。

（6）不能獲得中間輸出，柔輪剛度較低。

諧波傳動(dòng)裝置在機(jī)器人技術(shù)已得到了廣泛的應(yīng)用。

四、機(jī)器人傳感系統(tǒng)

1、感受系統(tǒng)由內(nèi)部傳感器模塊和外部傳感器模塊組成, 用以獲取內(nèi)部和外部環(huán)境狀態(tài)中有意義的信息。 ? 2、智能傳感器的使用提高了機(jī)器人的機(jī)動(dòng)性、適應(yīng)性和智能化的水準(zhǔn)。 ? 3、智能傳感器的使用提高了機(jī)器人的機(jī)動(dòng)性、適應(yīng)性和智能化的水準(zhǔn)。 ? 4、對(duì)于一些特殊的信息, 傳感器比人類的感受系統(tǒng)更有效。 ? 五、機(jī)器人位置檢測

旋轉(zhuǎn)光學(xué)編碼器是最常用的位置反饋裝置。光電探測器把光脈沖轉(zhuǎn)化成二進(jìn)制波形。軸的轉(zhuǎn)角通過計(jì)算脈沖數(shù)得到，轉(zhuǎn)動(dòng)方向由兩個(gè)方波信號(hào)的相對(duì)相位決定。

感應(yīng)同步器輸出兩個(gè)模擬信號(hào)——軸轉(zhuǎn)角的正弦信號(hào)和余弦信號(hào)。軸的轉(zhuǎn)角由這兩個(gè)信號(hào)的相對(duì)幅值計(jì)算得到。感應(yīng)同步器一般比編碼器可靠，但它的分辨率較低。

電位計(jì)是最直接的位置檢測形式。它連接在電橋中，能夠產(chǎn)生與軸轉(zhuǎn)角成正比的電壓信號(hào)。但是，由于分辨率低、線性不好以及對(duì)噪聲敏感。

轉(zhuǎn)速計(jì)能夠輸出與軸的轉(zhuǎn)速成正比的模擬信號(hào)。如果沒有這樣的速度傳感器，可以通過對(duì)檢測到的位置相對(duì)于時(shí)間的差分得到速度反饋信號(hào)。

六、機(jī)器人力檢測

力傳感器通常安裝在操作臂下述三個(gè)位置：

1、安裝在關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器上?？蓽y量驅(qū)動(dòng)器/減速器自身的力矩或者力的輸出。但不能很好地檢測末端執(zhí)行器與環(huán)境之間的接觸力。

2、安裝在末端執(zhí)行器與操作臂的終端關(guān)節(jié)之間，可稱腕力傳感器。通常，可以測量施加于末端執(zhí)行器上的三個(gè)到六個(gè)力/力矩分量。

3、安裝在末端執(zhí)行器的“指尖”上。通常，這些帶有力覺得手指內(nèi)置了應(yīng)變計(jì)，可以測量作用在指尖上的一個(gè)到四個(gè)分力。

七、機(jī)器人－環(huán)境交互系統(tǒng)

1、機(jī)器人-環(huán)境交互系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人與外部環(huán)境中的設(shè)備相互聯(lián)系和協(xié)調(diào)的系統(tǒng)。

2、工業(yè)機(jī)器人與外部設(shè)備集成為一個(gè)功能單元，如加工制造單元、焊接單元、裝配單元等。也可以是多臺(tái)機(jī)器人、多臺(tái)機(jī)床或設(shè)備、多個(gè)零件存儲(chǔ)裝置等集成 。

3、也可以是多臺(tái)機(jī)器人、多臺(tái)機(jī)床或設(shè)備、多個(gè)零件存儲(chǔ)裝置等集成為一個(gè)去執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)的功能單元。

八、人機(jī)交互系統(tǒng)

人機(jī)交互系統(tǒng)是使操作人員參與機(jī)器人控制并與機(jī)器人進(jìn)行聯(lián)系的裝置。該系統(tǒng)歸納起來分為兩大類: 指令給定裝置和信息顯示裝置。

機(jī)器人控制系統(tǒng)相關(guān)知識(shí) ? ?

什么是機(jī)器人控制系統(tǒng)

如果僅僅有感官和肌肉，人的四肢還是不能動(dòng)作。一方面是因?yàn)閬碜愿泄俚男盘?hào)沒有器官去接收和處理，另一方面也是因?yàn)闆]有器官發(fā)出神經(jīng)信號(hào)，驅(qū)使肌肉發(fā)生收縮或舒張。同樣，如果機(jī)器人只有傳感器和驅(qū)動(dòng)器，機(jī)械臂也不能正常工作。原因是傳感器輸出的信號(hào)沒有起作用，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)也得不到驅(qū)動(dòng)電壓和電流，所以機(jī)器人需要有一個(gè)控制器，用硬件坨和軟件組成一個(gè)的控制系統(tǒng)。

機(jī)器人控制系統(tǒng)的功能是接收來自傳感器的檢測信號(hào)，根據(jù)操作任務(wù)的要求，驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂中的各臺(tái)電動(dòng)機(jī)就像我們?nèi)说幕顒?dòng)需要依賴自身的感官一樣，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制離不開傳感器。機(jī)器人需要用傳感器來檢測各種狀態(tài)。機(jī)器人的內(nèi)部傳感器信號(hào)被用來反映機(jī)械臂關(guān)節(jié)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，機(jī)器人的外部傳感器信號(hào)被用來檢測工作環(huán)境的變化。

所以機(jī)器人的神經(jīng)與大腦組合起來才能成一個(gè)完整的機(jī)器人控制系統(tǒng)。

機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)包含哪些方面？

執(zhí)行機(jī)構(gòu)——伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)；

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)——伺服或者步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器；

控制機(jī)構(gòu)——運(yùn)動(dòng)控制器，做路徑和電機(jī)聯(lián)動(dòng)的算法運(yùn)算控制；

控制方式——有固定執(zhí)行動(dòng)作方式的，那就編好固定參數(shù)的程序給運(yùn)動(dòng)控制器；如果有加視覺系統(tǒng)或者其他傳感器的，根據(jù)傳感器信號(hào)，就編好不固定參數(shù)的程序給運(yùn)動(dòng)控制器。

機(jī)器人控制系統(tǒng)的基本功能

1、控制機(jī)械臂末端執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)位置（即控制末端執(zhí)行器經(jīng)過的點(diǎn)和移動(dòng)路徑）；

2、控制機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)（即控制相鄰兩個(gè)活動(dòng)構(gòu)件的相對(duì)位置）；

3、控制運(yùn)動(dòng)速度（即控制末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)位置隨時(shí)間變化的規(guī)律）；

4、控制運(yùn)動(dòng)加速度（即控制末端執(zhí)行器在運(yùn)動(dòng)過程中的速度變化）；

5、控制機(jī)械臂中各動(dòng)力關(guān)節(jié)的輸出轉(zhuǎn)矩：（即控制對(duì)操作對(duì)象施加的作用力）；

6、具備操作方便的人機(jī)交互功能，機(jī)器人通過記憶和再現(xiàn)來完成規(guī)定的任務(wù)；

7、使機(jī)器人對(duì)外部環(huán)境有檢測和感覺功能。工業(yè)機(jī)器人配備視覺、力覺、觸覺等傳感器進(jìn)行測量、識(shí)別，判斷作業(yè)條件的變化。

工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)

1、工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

控制器是機(jī)器人系統(tǒng)的核心，國外有關(guān)公司對(duì)我國實(shí)行嚴(yán)密封鎖。近年來隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，微處理器的性能越來越高，而價(jià)格則越來越便宜，目前市場上已經(jīng)出現(xiàn)了1~2美金的32位微處理器。高性價(jià)比的微處理器為機(jī)器人控制器帶來了新的發(fā)展機(jī)遇，使開發(fā)低成本、高性能的機(jī)器人控制器成為可能。為了保證系統(tǒng)具有足夠的計(jì)算與存儲(chǔ)能力，目前機(jī)器人控制器多采用計(jì)算能力較強(qiáng)的ARM系列、DSP系列、POWERPC系列、Intel系列等芯片組成?！　?? 此外，由于已有的通用芯片在功能和性能上不能完全滿足某些機(jī)器人系統(tǒng)在價(jià)格、性能、集成度和接口等方面的要求，這就產(chǎn)生了機(jī)器人系統(tǒng)對(duì)SoC（SystemonChip）技術(shù)的需求，將特定的處理器與所需要的接口集成在一起，可簡化系統(tǒng)外圍電路的設(shè)計(jì)，縮小系統(tǒng)尺寸，并降低成本。例如，Actel公司將NEOS或ARM7的處理器內(nèi)核集成在其FPGA產(chǎn)品上，形成了一個(gè)完整的SoC系統(tǒng)。在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制器方面，其研究主要集中在美國和日本，并有成熟的產(chǎn)品，如美國DELTATAU公司、日本朋立株式會(huì)社等。其運(yùn)動(dòng)控制器以DSP技術(shù)為核心，采用基于PC的開放式結(jié)構(gòu)。 ? 2、工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu) ?

在控制器體系結(jié)構(gòu)方面，其研究重點(diǎn)是功能劃分和功能之間信息交換的規(guī)范。在開放式控制器體系結(jié)構(gòu)研究方面，有兩種基本結(jié)構(gòu)，一種是基于硬件層次劃分的結(jié)構(gòu)，該類型結(jié)構(gòu)比較簡單，在日本，體系結(jié)構(gòu)以硬件為基礎(chǔ)來劃分，如三菱重工株式會(huì)社將其生產(chǎn)的PA210可攜帶式通用智能臂式機(jī)器人的結(jié)構(gòu)劃分為五層結(jié)構(gòu)；另一種是基于功能劃分的結(jié)構(gòu)，它將軟硬件一同考慮，其是機(jī)器人控制器體系結(jié)構(gòu)研究和發(fā)展的方向。

3、控制軟件開發(fā)環(huán)境 ?

在機(jī)器人軟件開發(fā)環(huán)境方面，一般工業(yè)機(jī)器人公司都有自己獨(dú)立的開發(fā)環(huán)境和獨(dú)立的機(jī)器人編程語言，如日本Motoman公司、德國KUKA公司、美國的Adept公司、瑞典的ABB公司等。很多大學(xué)在機(jī)器人開發(fā)環(huán)境方面已有大量研究工作，提供了很多開放源碼，可在部分機(jī)器人硬件結(jié)構(gòu)下進(jìn)行集成和控制操作，目前已在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行了許多相關(guān)實(shí)驗(yàn)。國內(nèi)外現(xiàn)有的機(jī)器人系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境有TeamBots，v.2.0e、ARIA，V.2.4.1、Player/Stage，v.1.6.5.1.6.2、Pyro.v.4.6.0、CARMEN.v.1.1.1、MissionLab.v.6.0、ADE.V.1.0beta、Miro.v.CVS-March17.2006、MARIE.V.0.4.0、FlowDesigner.v.0.9.0和RobotFlow.v.0.2.6等。從機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展來看，對(duì)機(jī)器人軟件開發(fā)環(huán)境有兩方面的需求。一方面是來自機(jī)器人最終用戶，他們不僅使用機(jī)器人，而且希望能夠通過編程的方式賦予機(jī)器人更多的功能，這種編程往往是采用可視化編程語言實(shí)現(xiàn)的，如樂高M(jìn)indStormsNXT的圖形化編程環(huán)境和微軟RoboticsStudio提供的可視化編程環(huán)境。

4、機(jī)器人專用操作系統(tǒng)

（1）VxWorks，VxWorks操作系統(tǒng)是美國WindRiver公司于1983年設(shè)計(jì)開發(fā)的一種嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS），是Tornado嵌入式開發(fā)環(huán)境的關(guān)鍵組成部分。VxWorks具有可裁剪微內(nèi)核結(jié)構(gòu)；高效的任務(wù)管理；靈活的任務(wù)間通信；微秒級(jí)的中斷處理；支持POSIX1003．1b實(shí)時(shí)擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)；支持多種物理介質(zhì)及標(biāo)準(zhǔn)的、完整的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等?！　?/p>

（2）WindowsCE，WindowsCE與Windows系列有較好的兼容性，無疑是WindowsCE推廣的一大優(yōu)勢。WindowsCE為建立針對(duì)掌上設(shè)備、無線設(shè)備的動(dòng)態(tài)應(yīng)用程序和服務(wù)提供了一種功能豐富的操作系統(tǒng)平臺(tái)，它能在多種處理器體系結(jié)構(gòu)上運(yùn)行，并且通常適用于那些對(duì)內(nèi)存占用空間具有一定限制的設(shè)備?！?/p>

（3）嵌入式Linux，由于其源代碼公開，人們可以任意修改，以滿足自己的應(yīng)用。其中大部分都遵從GPL，是開放源代碼和免費(fèi)的。可以稍加修改后應(yīng)用于用戶自己的系統(tǒng)。有龐大的開發(fā)人員群體，無需專門的人才，只要懂Unix/Linux和C語言即可。支持的硬件數(shù)量龐大。嵌入式Linux和普通Linux并無本質(zhì)區(qū)別，PC上用到的硬件嵌入式Linux幾乎都支持。而且各種硬件的驅(qū)動(dòng)程序源代碼都可以得到，為用戶編寫自己專有硬件的驅(qū)動(dòng)程序帶來很大方便。

（4）μC/OS-Ⅱ，μC/OS-Ⅱ是著名的源代碼公開的實(shí)時(shí)內(nèi)核，是專為嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)的，可用于8位，16位和32位單片機(jī)或數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）。它的主要特點(diǎn)是公開源代碼、可移植性好、可固化、可裁剪性、占先式內(nèi)核、可確定性等。

（5）DSP/BIOS，DSP/BIOS是TI公司特別為其TMS320C6000TM，TMS320C5000TM和TMS320C28xTM系列DSP平臺(tái)所設(shè)計(jì)開發(fā)的一個(gè)尺寸可裁剪的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)內(nèi)核，是TI公司的CodeComposerStudioTM開發(fā)工具的組成部分之一。DSP/BIOS主要由三部分組成：多線程實(shí)時(shí)內(nèi)核；實(shí)時(shí)分析工具；芯片支持庫。利用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)開發(fā)程序，可以方便快速的開發(fā)復(fù)雜的DSP程序。

5、機(jī)器人伺服通信總線技術(shù)

目前國際上還沒有專用于機(jī)器人系統(tǒng)中的伺服通信總線，在實(shí)際應(yīng)用過程中，通常根據(jù)系統(tǒng)需求，把常用的一些總線，如以太網(wǎng)、CAN、1394、SERCOS、USB、RS-485等用于機(jī)器人系統(tǒng)中。當(dāng)前大部分通信控制總線可以歸納為兩類，即基于RS-485和線驅(qū)動(dòng)技術(shù)的串行總線技術(shù)和基于實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)的高速串行總線技術(shù)。

智能機(jī)器人控制系統(tǒng)

（1）開放性模塊化的控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)：采用分布式CPU計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，分為機(jī)器人控制器（RC），運(yùn)動(dòng)控制器（MC），光電隔離I/O控制板、傳感器處理板和編程示教盒等。機(jī)器人控制器(RC)和編程示教盒通過串口/CAN總線進(jìn)行通訊。機(jī)器人控制器（RC）的主計(jì)算機(jī)完成機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、插補(bǔ)和位置伺服以及主控邏輯、數(shù)字I/O、傳感器處理等功能，而編程示教盒完成信息的顯示和按鍵的輸入。

（2）模塊化層次化的控制器軟件系統(tǒng)：軟件系統(tǒng)建立在基于開源的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)Linux上，采用分層和模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)軟件系統(tǒng)的開放性。整個(gè)控制器軟件系統(tǒng)分為三個(gè)層次：硬件驅(qū)動(dòng)層、核心層和應(yīng)用層。三個(gè)層次分別面對(duì)不同的功能需求，對(duì)應(yīng)不同層次的開發(fā)，系統(tǒng)中各個(gè)層次內(nèi)部由若干個(gè)功能相對(duì)對(duì)立的模塊組成，這些功能模塊相互協(xié)作共同實(shí)現(xiàn)該層次所提供的功能。

（3）機(jī)器人的故障診斷與安全維護(hù)技術(shù)：通過各種信息，對(duì)機(jī)器人故障進(jìn)行診斷，并進(jìn)行相應(yīng)維護(hù)，是保證機(jī)器人安全性的關(guān)鍵技術(shù)。

（4）網(wǎng)絡(luò)化機(jī)器人控制器技術(shù)：目前機(jī)器人的應(yīng)用工程由單臺(tái)機(jī)器人工作站向機(jī)器人生產(chǎn)線發(fā)展，機(jī)器人控制器的聯(lián)網(wǎng)技術(shù)變得越來越重要?？刂破魃暇哂写?、現(xiàn)場總線及以太網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)功能?？捎糜跈C(jī)器人控制器之間和機(jī)器人控制器同上位機(jī)的通訊，便于對(duì)機(jī)器人生產(chǎn)線進(jìn)行監(jiān)控、診斷和管理。 ? 機(jī)器人控制架構(gòu)

如果說驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)是機(jī)器人的肌肉，能源子系統(tǒng)是機(jī)器人的心臟，那么控制和決策子系統(tǒng)就是機(jī)器人的大腦。這是機(jī)器人最重要、最復(fù)雜的一個(gè)子系統(tǒng)。

機(jī)器人是一種高度復(fù)雜的自動(dòng)化裝置。其控制子系統(tǒng)也是直接來源于自動(dòng)化領(lǐng)域的其他應(yīng)用，例如工廠自動(dòng)化領(lǐng)域中所用到的處理器、電路以及標(biāo)準(zhǔn)。此處僅僅列舉并對(duì)比了幾種常見的、典型的控制系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，然后分析了幾個(gè)典型的機(jī)器人控制子系統(tǒng)的構(gòu)成，特別是詳細(xì)說明了“創(chuàng)意之星”機(jī)器人的控制架構(gòu)。

典型的幾種機(jī)器人控制架構(gòu)（ARCHITECHURE）

這里我們不討論傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人，主要關(guān)注的是自主移動(dòng)機(jī)器人、仿生機(jī)器人等新形態(tài)的機(jī)器人。通常，機(jī)器人的架構(gòu)是指如何把感知、建模、規(guī)劃、決策、行動(dòng)等多種模塊有機(jī)地結(jié)合起來，從而在動(dòng)態(tài)環(huán)境中，完成目標(biāo)任務(wù)的一個(gè)或多個(gè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)框架?？偟恼f來，當(dāng)前自主機(jī)器人的控制架構(gòu)可分為下述幾類：

1、程控架構(gòu)，又稱規(guī)劃式架構(gòu)，即根據(jù)給定初始狀態(tài)和目標(biāo)狀態(tài)規(guī)劃器給出一個(gè)行為動(dòng)作的序列，按部就班地執(zhí)行。較復(fù)雜的程控模型也會(huì)根據(jù)傳感器的反饋對(duì)控制策略進(jìn)行調(diào)整，例如在程序的序列中采用“條件判斷+跳轉(zhuǎn)”這樣的方法。

2、包容式架構(gòu)和基于行為的控制模型，又稱為反應(yīng)式模型，復(fù)雜任務(wù)被分解成為一系列相對(duì)簡單的具體特定行為，這些行為均基于傳感器信息并針對(duì)綜合目標(biāo)的一個(gè)方面進(jìn)行控制?；谛袨榈臋C(jī)器人系統(tǒng)對(duì)周圍環(huán)境的變化能作出快速的響應(yīng)，實(shí)時(shí)性好，但它沒有對(duì)任務(wù)做出全局規(guī)劃，因而不能保證目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)是最優(yōu)的。

3、混合式架構(gòu)，是規(guī)劃和基于行為的集成體系，不僅對(duì)環(huán)境的變化敏感，而且能確保目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)效率。通常混合式架構(gòu)有兩種模式：一種模式是，決策系統(tǒng)的大框架是基于規(guī)劃的，在遇到動(dòng)態(tài)情況時(shí)再由行為模型主導(dǎo)；另一種模式是，決策系統(tǒng)的大框架基于行為，在具體某些行為中采用規(guī)劃模型?？傊?，混合式架構(gòu)的設(shè)計(jì)目的是盡可能綜合程控架構(gòu)和包容式架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，避免其缺點(diǎn)。

編輯：黃飛

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