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        淺析機(jī)器人的發(fā)展進(jìn)程以及機(jī)器人控制

        2018-05-14 09:06:10孟冠彤
        絲路視野 2018年15期
        關(guān)鍵詞:工業(yè)機(jī)器人

        【摘要】人類始終渴望制造向人一樣的機(jī)器,從古至今一直在發(fā)展機(jī)器人。雖然當(dāng)今機(jī)器人的功能十分有限,但它正在迅速發(fā)展,并對(duì)人類生產(chǎn)生活的各方面產(chǎn)生影響。

        【關(guān)鍵詞】工業(yè)機(jī)器人;機(jī)器人控制;機(jī)器人發(fā)展

        從古至今,人類一只想要?jiǎng)?chuàng)造一種像人一樣的機(jī)器,以便幫助人完成繁重的、枯燥的、危險(xiǎn)的工作。西周時(shí)期,出現(xiàn)了能歌善舞的伶人,那是我國(guó)最早有記載的機(jī)器人。公元前2世紀(jì),亞歷山大時(shí)代的古希臘人發(fā)明了最原始的機(jī)器人——自動(dòng)機(jī),可以自己開門,還可以借助蒸汽唱歌。漢代大科學(xué)家張衡不僅發(fā)明了地動(dòng)儀,而且發(fā)明了計(jì)里鼓車。每行一里,車上木人擊鼓一下,每行十里擊鐘一下。1773年,自動(dòng)書寫玩偶、自動(dòng)演奏玩偶等被連續(xù)推出。現(xiàn)在保留下來(lái)的瑞士努薩蒂爾歷史博物館里的少女玩偶,還定期彈奏音樂供參觀者欣賞。19世紀(jì)中葉出現(xiàn)了科學(xué)幻想派和機(jī)械制作派。

        我國(guó)工業(yè)機(jī)器人自興起以來(lái),發(fā)展非常迅速。70年代的萌芽期,80年代的開發(fā)期和90年代的適用化期。1972年開始研制自己的工業(yè)機(jī)器人。“七五”期間,完成了示教再現(xiàn)式工業(yè)機(jī)器人成套技術(shù)的開發(fā),研制出了噴涂、電焊、弧焊和搬運(yùn)機(jī)器人。1986年國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)開始實(shí)施。上世紀(jì)90年代初期起,形成了一批機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化基地,進(jìn)入本世紀(jì),我國(guó)在工業(yè)機(jī)器人方面投入增加,取得了顯著成果。

        我國(guó)從事機(jī)器人研發(fā)和應(yīng)用工程的單位200多家,擁有量為3500臺(tái)左右,其中國(guó)產(chǎn)占20%,其余都是從日本、美國(guó)、瑞典等40多個(gè)國(guó)家引進(jìn)的。2000年已經(jīng)生產(chǎn)各種類型工業(yè)機(jī)器人和系統(tǒng)300臺(tái)套,機(jī)器人銷售額6.74億元,機(jī)器人產(chǎn)生對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的年收益額為47億元。弧焊、點(diǎn)焊、裝配、噴涂機(jī)器人應(yīng)用的最多;其次是搬運(yùn)、上下料(沖壓、壓鑄、鑄鍛、注塑等);再次是包裝、碼垛、拆垛機(jī)器人和密封涂膠機(jī)器人。就行業(yè)而言,汽車行業(yè)以焊接、噴涂、涂膠作業(yè)較多,沖壓搬運(yùn)、裝配次之;電子電器行業(yè)集中在裝配,工程機(jī)械行業(yè)集中用于弧焊,噴涂其次。

        機(jī)器人系統(tǒng)通常分為機(jī)構(gòu)本體和控制系統(tǒng)兩大部分。控制系統(tǒng)的作用是根據(jù)用戶的指令對(duì)機(jī)構(gòu)本體進(jìn)行操作和控制完成作業(yè)的各種動(dòng)作。機(jī)器人控制系統(tǒng)有如下特點(diǎn):一是機(jī)器人的控制與機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)密切相關(guān)。機(jī)器人的狀態(tài)可以在各種坐標(biāo)下描述,應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際要求選擇不同的基準(zhǔn)坐標(biāo)系,并做適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)變換,因此多會(huì)運(yùn)用運(yùn)動(dòng)學(xué)正問題和逆問題。二是一個(gè)簡(jiǎn)單的機(jī)器人有3至5個(gè)自由度,比較復(fù)雜的機(jī)器人有十幾個(gè),甚至幾十個(gè)自由度,一般每個(gè)自由度包含一個(gè)伺服機(jī)構(gòu)。為了完成一個(gè)共同的任務(wù),它們必須協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng),組成一個(gè)多變量控制系統(tǒng)。三是把多個(gè)獨(dú)立的伺服系統(tǒng)有機(jī)地協(xié)調(diào)起來(lái),使其按照人的意志行動(dòng),甚至賦予機(jī)器人一定的“智能”,這個(gè)任務(wù)只能由計(jì)算機(jī)完成。因此機(jī)器人控制系統(tǒng)必然是一個(gè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng),計(jì)算機(jī)軟件擔(dān)負(fù)著艱巨的任務(wù)。四是機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型是一個(gè)非線性模型,隨著狀態(tài)的不同和外力的變化,其參數(shù)也在變化,而且各變量之間還存在耦合。因此在控制時(shí)經(jīng)常使用重力補(bǔ)償、前饋、解耦或現(xiàn)代控制方法。五是機(jī)器人動(dòng)作往往可以通過不同的方式和路徑來(lái)完成,因此存在一個(gè)“最優(yōu)”的問題。較高級(jí)的機(jī)器人可以用人工智能的方法,用計(jì)算機(jī)建立起龐大的信息庫(kù),借助信息庫(kù)進(jìn)行控制、決策、管理和操作;還可以通過傳感器和模式識(shí)別的方法去獲得對(duì)象及環(huán)境的信息,按照給定的指標(biāo)要求,自動(dòng)地選擇最佳的控制規(guī)律。

        工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)一般分為兩個(gè)控制層次:上級(jí)為組織級(jí),其任務(wù)是將期望的任務(wù)轉(zhuǎn)化成運(yùn)動(dòng)軌跡或適當(dāng)?shù)牟僮?,并隨時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)器人各部分的運(yùn)動(dòng)及工作情況,處理意外事件;下級(jí)為實(shí)時(shí)控制級(jí),它根據(jù)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)特性及機(jī)器人當(dāng)前運(yùn)動(dòng)情況,綜合出適當(dāng)?shù)目刂浦噶睿?qū)動(dòng)機(jī)器人機(jī)構(gòu)完成指定的運(yùn)動(dòng)和操作。

        如今機(jī)器人發(fā)展的特點(diǎn)可概括為:橫向上,應(yīng)用面越來(lái)越寬。由95%的工業(yè)應(yīng)用擴(kuò)展到更多領(lǐng)域的非工業(yè)應(yīng)用。像做手術(shù)、采摘水果、剪枝、巷道掘進(jìn)、偵查、排雷,還有空間機(jī)器人、潛海機(jī)器人。機(jī)器人應(yīng)用無(wú)限制,只要能想到的,就可以去創(chuàng)造實(shí)現(xiàn);縱向上,機(jī)器人的種類會(huì)越來(lái)越多,像進(jìn)入人體的微型機(jī)器人,已成為一個(gè)新方向,可以小到像一個(gè)米粒般大?。粰C(jī)器人智能化得到加強(qiáng),機(jī)器人會(huì)更加聰明。

        索菲亞(Sophia)機(jī)器人是與人類極其相似的人類機(jī)器人,也是世界上首個(gè)獲得公民身份的機(jī)器人。她的大腦采用人工智能技術(shù)和谷歌語(yǔ)音識(shí)別技術(shù),能夠識(shí)別人類面部、理解語(yǔ)言、記住與人類的互動(dòng)。2017年10月26日,沙特阿拉伯機(jī)器人索菲亞公民身份。作為首個(gè)獲得公民身份的機(jī)器人,她表示希望能夠幫助人類生活得更美好,她也希望自己有朝一日能夠上學(xué),經(jīng)商,她甚至希望將來(lái)能夠組建自己的家庭??梢姍C(jī)器人與人工智能技術(shù)正在迅速發(fā)展,在未來(lái)也許真的會(huì)出現(xiàn)人與機(jī)器人和諧生活的一幕。

        參考文獻(xiàn)

        [1]孫樹棟.工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,2006.

        作者簡(jiǎn)介:孟冠彤(1997.01—),女,漢族,河北石家莊人,本科在讀,研究方向:機(jī)械電子工程。

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