4微操作機器人1微操作機器人分類

1、5.4 微操作機器人5.4.1 微操作機器人分類,微細作業(yè)機器人 (10-3—10-6 m)超微細作業(yè)機器人 (10-6—10-9m),5·4.2 微操作機器人介紹 (1)具有視覺反饋的微操作機器人,(2) 雙動式微操作機器人,(3) STM的"原子移位",(4) 納米移動機器人,5.4.3 關(guān)鍵技術(shù)與相關(guān)理論,1.操作手及作業(yè)平臺,2.智能操作系統(tǒng)及控制系統(tǒng),3. 微操作相關(guān)理論問題

2、,5.5 微機器人應用（1）生物工程,（2）超LS1制造,（3）MEMS制造,（4）納米加工,（5）星球探險,（6） 空間飛行微機器人,（7）軍用微小機器人,第 6章 空間機器人 空間機器人是指在大氣層內(nèi)、外從事各種作業(yè)的機器人，包括在內(nèi)層空間飛行并進行觀測、可完成多種作業(yè)的飛行機器人，到外層空間其他星球上進行探測作業(yè)的星球探測機器人和在各種航天器里使用的機器人。 6.1 飛行機器人,微型飛行機器人技術(shù)主要包括三個

3、方面:一是微型飛行器平臺;二是相關(guān)的部件技術(shù);三是它的發(fā)射方式,1. 體積小、重量極輕的大功率高能量密度的發(fā)動機和電源2.要研究產(chǎn)生升力的新方法，要解決在低雷諾數(shù)空氣動力 學環(huán)境下的飛行穩(wěn)定與控制問題。 3.飛行控制。如何控制微型飛行機器人的飛行是另一個難點。,5.2 星球探測機器人,星球探測機器人所涉及的關(guān)鍵技術(shù)如下。 (1)星球探測機器人在重量、尺寸和功耗等方面受到的嚴格限制。,（2）星球探測機器人如何適應空間溫度、

4、宇宙射線、真空、反沖原子等苛刻的末知環(huán)境。,（3）如何建立一個易于操作的星球探測機器人系統(tǒng)。,5.3 航天器應用的機器人 發(fā)射衛(wèi)星，漫步月球，建立空間站等，宇宙將成為人類另一個生存的空間已不是幻想。 太空作業(yè)：修理人造衛(wèi)星故障 太空中長期進行材料試驗和生物化學試驗 目前，國際上正在進行航天器應用機器人的研究開發(fā)。例如，日本計劃進行

5、三個與機器人項目相關(guān)的太空實驗。 (1)日本實驗艙用機械手 (JEMRMS) TEMRMS是由日本、歐洲和俄羅斯聯(lián)合試驗的，在美國宇宙軌道站的日本試驗艙內(nèi)進行搬運、更換試驗機器和輔助實驗等作業(yè)的機器人系統(tǒng)。該系統(tǒng)由全長約10m的主臂及安裝在主臂臂端長約1.3m的子臂組成。主臂用于搬運實驗艙或大型機器，子臂用于實施更換作業(yè)，由加壓艙內(nèi)的專用操縱臺進行控制。,(2) 機械手飛行實驗 (MFD)

6、 該實驗的目的是驗證空間機械手的操作性能，其機構(gòu)采用1.3m長的日本實驗艙用機械手 (JEMEMS)的小型手臂。機器人手臂與作業(yè)對象機器一起裝載在航天飛機的貨艙內(nèi)，通過監(jiān)視屏幕，在航天飛機的加壓艙內(nèi)，由宇航員進行操縱。在航天飛機飛行時，以更換單元和開關(guān)門為試驗對象，對機器人進行實驗，以得出對機器人操作控制性能和作業(yè)性能的評價。(3) 技術(shù)試驗衛(wèi)星VII型 (ETS-VTT) ETS-VII衛(wèi)星主要以開發(fā)空間機器人技

7、術(shù)、空間會合對接技術(shù)以及在空間軌道上進行試驗為目的。在地面上通過遠程遙控操作控制機器人的動作，進行更換單元、操縱桁架結(jié)構(gòu)物、操縱滑動搖柄、捕捉浮游物和控制標靶衛(wèi)星等各種作業(yè)試驗。,在設計上需要特別考慮以下一些因素:輕量化，受發(fā)射條件制約，需要盡可能減輕航天器應用機器人的重量，以降低發(fā)射成本;耐環(huán)境性，航天器應用機器人要能夠適應升空時的振動及太空中的極限環(huán)境;抓取超量重物，航天器應用機器人通常要能操縱超過自身重量的作業(yè)對象;浮游物

8、的反作用，飛行中衛(wèi)星對機器人的反作用;固定物體，為了避免錯誤地釋放物體，必須將物體進行固定。,航天器應用機器人設計的關(guān)鍵技術(shù)有以下幾方面。 (1)機器人機構(gòu)的潤滑 宇宙空間為10--5Pa以下的超真空場合，在這樣的環(huán)境下，通常地面上使用的潤滑油會蒸發(fā)掉，導致潤滑不良，并且被蒸發(fā)的潤滑油會在周圍的光學及其他儀器上再次凝結(jié)，引起光學特性惡化。 固體潤滑劑： 金、銀、鉛等軟金

9、屬 具有層狀結(jié)晶結(jié)構(gòu)的硫族物質(zhì) 聚四氟乙烯等高分子材料組成 (2)電氣設備 機器人的控制計算機通訊處理和圖像處理部分都是由多個CPU構(gòu)成的計算機系統(tǒng)。此外，控制計算機和電機驅(qū)動回路要采用耐放射性、耐真空、寬耐溫性的部件構(gòu)成。使用的部件重點確?？煽啃约霸趪栏裨O計標準的前提下，努力實現(xiàn)高集成化和輕量化。,(3)圖像處理 在航天器應用機器人上可設置帶有標準標記的標識體，將

10、其作為檢測對象，進行相對位置、姿態(tài)圖像檢測及反饋定位。為了實現(xiàn)完全自動化，還需要開發(fā)無需使用標識體即可采用圖像處理方法識別對象物和進行位置檢測的方法。(4)控制系統(tǒng) 航天器應用機器人在使用時需要有對其進行控制的編程語言?？梢詫⒌孛嬗脵C器人語言附加上太空用功能后進行改編，構(gòu)成專用的機器人語言體系。航天器應用機器人還應采用自動和人工兩種控制方式，并具備力控制功能。,21世紀機器人技術(shù)的發(fā)展趨勢 回顧近10多年來國

11、內(nèi)外機器人技術(shù)的發(fā)展歷程，可以歸納出下列一些特點和發(fā)展趨勢。1. 傳感型智能機器人發(fā)展較快 作為傳感型機器人基礎(chǔ)的機器人傳感技術(shù)有了新的發(fā)展，各種新型傳感器不斷出現(xiàn)。 例如，超聲波觸覺傳感器 靜電電容式距離傳感器 基于光纖陀螺慣性測量的三維運動傳感器 視覺系統(tǒng)等

12、 多傳感器集成與融合技術(shù)在智能機器人上獲得應用。 采用多傳感器集成和融合技術(shù)，利用各種傳感信息，獲得對環(huán)境的正確理解，使機器人系統(tǒng)具有容錯性，保證系統(tǒng)信息處理的快速性和正確 。,在多傳感集成和融合技術(shù)研究方面，人工神經(jīng)網(wǎng)絡的應用特別引人注目，成為一個研究熱點。如：應用人工神經(jīng)網(wǎng)絡的非線性映射功能，能夠補償一般方法無法補償?shù)恼`差因素，有效地補償了工業(yè)機器人的運動學誤差。2.開發(fā)新型智能技術(shù) 智能機器人有許

13、多誘人的研究新課題，對新型智能技術(shù)的概念和應用研究正醞釀著新的突破。 虛擬現(xiàn)實(virtual reality,VR)技術(shù)是新近研究的智能技術(shù)，它是一種對事件的現(xiàn)實性從時間和空間上進行分解后重新組合的技術(shù)。這一技術(shù)包括三維計算機圖形學技術(shù)、多功能傳感器的交互接口技術(shù)以及高清晰度的顯示技術(shù)。 虛擬現(xiàn)實技術(shù)可應用于遙控機器人和臨場感通訊等。 形狀記憶合金(SMA)被譽為"智能材料&q

14、uot;。SMA的電阻隨溫度的變化而改變，導致合金變形，可用來執(zhí)行驅(qū)動動作，完成傳感和驅(qū)動功能。可逆形狀記憶合金(RSMA)也在微型機器上得到應用。,,多智能機器人系統(tǒng)(MARS)是近年來開始探索的又一項智能技術(shù)，多個機器人主體具有共同的目標，完成相互關(guān)聯(lián)的動作或作業(yè)。MARS的作業(yè)目標一致，信息資源共享，各個局部運動的主體在全局前提下感知、行動、受控和協(xié)調(diào)，是群控機器人系統(tǒng)的發(fā)展。 在諸多新型智能技術(shù)中，基于人工神經(jīng)網(wǎng)

15、絡的識別、檢測、控制和規(guī)劃方法的開發(fā)和應用占有重要的地位?；趯＜蚁到y(tǒng)的機器人規(guī)劃獲得新的發(fā)展，除了用于任務規(guī)劃、裝配規(guī)劃、搬運規(guī)劃和路徑規(guī)劃外，又被用于自動抓取規(guī)劃。 3.采用模塊化設計技術(shù) 智能機器人和高級工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)要力求簡單緊湊， 其高性能部件甚至全部機構(gòu)的設計已向模塊化方向發(fā)展; 其驅(qū)動采用交流伺服電機，向小型和高輸出方向發(fā)展; 其控制裝置向小型化和智能化發(fā)

16、展，采用高速CPU和32位芯片、多處理器和多功能操作系統(tǒng)，提高機器人的實時和快速響應能力。,4.機器人工程系統(tǒng)呈上升趨勢 在生產(chǎn)工程系統(tǒng)中應用機器人，使自動化發(fā)展為綜合柔性自動化，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的智能化和機器人化。近年來，機器人生產(chǎn)工程系統(tǒng)獲得不斷發(fā)展。汽車工業(yè)、工程機械、建筑、電子和電機工業(yè)以及家電行業(yè)在開發(fā)新產(chǎn)品時，引入高級機器人技術(shù)，采用柔性自動化和智能化設備，改造原有生產(chǎn)手段，使機器人及其生產(chǎn)系統(tǒng)的發(fā)展呈上升趨勢。

17、 ·汽車·電氣和電子·通用機械,自動裝配機器人，碼垛堆積和分裝機器人,半導體真空加工用真空機器人，超凈工作室自主搬運機器人,自動磨削和拋光，自動噴水切割，用于料箱取料和移動物體識別的三維辨識機器人，自動倉庫順序取料機器人，多產(chǎn)品混合流水線柔性裝配系統(tǒng)，智能制造系統(tǒng),·有色金屬 鑄鋁自動去毛刺(倒角)和切口，熔爐自動澆鑄·鋼鐵 鑄鐵自動去毛刺

18、(倒角)和切口，轉(zhuǎn)爐鋼水包自動修理·石油 石油容器的自動清洗、檢查和噴涂·木材加工 木器的自動拋光和精整·造紙 高級紙張的自動預裝檢查·紡織 自動縫制系統(tǒng)·食品加工 肉類去骨和加工自動化,5. 微型機器人的研究有所突破 有人稱微型機器和微型機器人為2

19、1世紀的尖端技術(shù)之一。已經(jīng)開發(fā)出手指大小的微型移動機器人，可用于進人小型管道進行檢查作業(yè)。預計將生產(chǎn)出毫米級大小的微型移動機器人和直徑為幾百微米甚至更小(納米級)的醫(yī)療機器人，可讓它們直接進人人體器官，進行各種疾病的診斷和治療，而不傷害人的健康。 微型驅(qū)動器是開發(fā)微型機器人的基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)之一。它將對精密機械加工、現(xiàn)代光學儀器、超大規(guī)模集成電路、現(xiàn)代生物工程、遺傳工程和醫(yī)學工程產(chǎn)生重要影響。 在大中型機器

20、人和微型機器人系列之間，還有小型機器人。小型化也是機器人發(fā)展的一個趨勢。小型機器人移動靈活方便，速度快，精度高，適于進人大中型工件進行直接作業(yè)。 比微型機器人還要小的超微型機器人，應用納米技術(shù)，將用于醫(yī)療和軍事偵察目的。,6.應用領(lǐng)域向非制造業(yè)和服務業(yè)擴展 開發(fā)適應于非結(jié)構(gòu)環(huán)境下工作的機器人將是機器人發(fā)展的一個長遠方向。這些非制造業(yè)包括航天、海洋、軍事、建筑、醫(yī)療護理、服務、農(nóng)林、采礦、電力、煤氣、供水、

21、下水道工程、建筑物維護、社會福利、家庭自動化、辦公·學動化和災害救護等。 下面給出非制造業(yè)應用智能機器人技術(shù)的一些典型例子。·太空 空間站服務機器人(裝配、檢查和修理)，機器人衛(wèi)星(空間會合、對接與軌道作業(yè))，飛行機器人飛人員和材料運送及通訊)，空間探索(星球探測等)和資源收集，太空基地建筑，衛(wèi)星回收以及地面試驗平臺等 。·海洋(水下) 海底普查和采礦

22、機器人，海上建筑的建筑與維護，海難救援機器人，海況檢測與預報系統(tǒng)。,·建筑 鋼結(jié)構(gòu)自動加工系統(tǒng)，防火層噴涂機器人，混凝土地板研磨機器人，外墻裝修機器人，天花板和燈具安裝機器人，外墻清洗、噴涂、檢驗和瓷磚鋪設機器人，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)檢驗機器人，橋梁自動噴涂，小管道和電纜地下鋪設，混凝土預制板自動安裝等 ·采礦 金屬和煤炭自動采掘機器人，礦井安全監(jiān)控機器人 ·電力 配

23、電線帶電作業(yè)機器人，絕緣子自動清洗，變電所自動巡視機器人，核電站反應堆檢查與維護機器人，核反應堆拆卸機器人等·煤氣及供水 管道安裝、檢查和修理機器人，容器檢查、修理和噴涂機器人,·農(nóng)林漁業(yè) 剪羊毛機器人，擠牛奶機器人，水果自動采集，化肥和農(nóng)藥噴灑空中機器人，森林自動修剪和砍伐，魚肉自動去骨、切片、分選和包裝 ·醫(yī)療 神經(jīng)外科感知機器人，胸部腫瘤自動診斷機

24、器人，體內(nèi)器官和脈管檢查及手術(shù)微型機器人，用于外科手術(shù)的多指手等 ·社會福利 老年人和臥床不起病人護理機器人，殘疾人員支援系統(tǒng)，人工肢等,7.行走機器人研究引起重視 目前運行的絕大多數(shù)機器人都是固定式的，它們只能固定在某一位置進行操作，因而其應用范圍和功能受到限制。近年來，對移動機器人的研究受到重視，使機器人能夠移動到固定式機器人無法到達的預定目標，完成設定的操作任務。 行走機器

25、人是移動機器人的一種，包括步行機器人(二足、四足、六足和八足)和爬行機器人等。自主式移動機器人是研究最多的一種。自主機器人能夠按照預先給出的任務指令，根據(jù)已知的地圖信息作出全局路徑規(guī)劃，并在行進過程申，不斷感知周圍局部環(huán)境信息，自主地作出決策，引導自身繞開障礙物，安全行駛到達指定目標，并執(zhí)行要求的動作與操作。,8.開發(fā)敏捷制造生產(chǎn)系統(tǒng) 工業(yè)機器人必須改變過去那種"部件發(fā)展方式"，而優(yōu)先考慮"系統(tǒng)發(fā)

26、展方式"。隨著工業(yè)機器人應用范圍的不斷擴大，機器人早已從當初的柔性上下料裝置，發(fā)展成為可編程的高度柔性加工單元。隨著高剛性及微驅(qū)動問題的解決，機器人作為高精度、高柔性的敏捷性加工設備的時代，遲早將會到來。不論機器人在生產(chǎn)線申起什么樣的作用，它總是作為系統(tǒng)中的一員而存在。我們應該從組成敏捷生產(chǎn)系統(tǒng)的觀點出發(fā)，考慮工業(yè)機器人的發(fā)展。 從系統(tǒng)觀點出發(fā)，首先要考慮如何能和其他設備方便地實現(xiàn)連接及通訊。機器人和本地數(shù)據(jù)庫

27、之間的通訊從發(fā)展方向看是場地總線，而分布式數(shù)據(jù)庫之間剛采用以太網(wǎng)。從系統(tǒng)觀點來看，設計和開發(fā)機器人必須考慮和其他設備互聯(lián)和協(xié)調(diào)工作的能力。,機器人編程方式是一個大問題。目前仍在廣泛應用的示教編程方式，在機器人發(fā)展的歷史上起過不可磨滅的作用。如今，機器人作為一個群體在生產(chǎn)線上工作，例如汽車車身組裝線，有的多達上百臺機器人。當投產(chǎn)一個新產(chǎn)品時，仍采用示教方式編程，則占用時間過長，嚴重影響生產(chǎn)效率。生產(chǎn)進入敏捷制造后，因為產(chǎn)品變化非常頻繁，這

28、一問題就顯得更加突出，應該說到了非解決不可的時候了。 要解決這個問題，可從三方面著手: 一是改進結(jié)構(gòu)，改善加工精度; 二是在開發(fā)新一代控制器時，有必要重新研究誤差補償問題，研究實用化方法; 三是引人傳感器來補償機械精度。 這一問題的解決，可使機器人的編程與機床的數(shù)控設備一樣，完全可以實現(xiàn)離線編程，再加上易于大規(guī)模安全修改的軟件，就可實現(xiàn)"敏捷制造生

29、產(chǎn)線"。,9. 軍用機器人將裝備部隊 由于微小型機器人體積小，因而生存能力特別強，具有廣泛的應用前景。例如，一種名叫“扁虱”的無人駕駛飛行機器人，它是一種只有昆蟲大小的半自主機器人，它可以附著在敵人裝備的某一部分上，深入敵人的防線，秘密地偵察敵人的目標。它也可以向敵人的通訊系統(tǒng)中注入一個功率脈沖進行干擾，或爬到敵人的機械裝備中去破壞發(fā)動機等關(guān)鍵部件。 研究發(fā)現(xiàn)，陸軍的機器人是相當先進的。未來無人

30、地面車輛的大小可分為以下幾類: 微型(由昆蟲到老鼠那么大)， 超小型(像貓一樣大)， 小到中型(大狗到自行車到輕便馬車那樣大)， 大型(吉普車及卡車那么大)。,已經(jīng)提出一種稱為"機器人附屬部隊"的概念，這種部隊的核心是有人系統(tǒng)，它的周圍是一些裝有武器及傳感器的各種無人系統(tǒng)。無人車輛是有威懾力的，當敵人對一支強大的一次性使用的部隊進行攻擊時，它們必然要三思

31、而行。 也許將來需要一種新的組織形式“機器人兵團”。機器人大部隊需要有知識水平更高的陸軍人員，將來甚至可能出現(xiàn)獨特的軍事科學院，專門培養(yǎng)按按鈕的新的陸軍部隊。 一些人認為，一般機器人學的最大的難題是需要把機器人的機動性和人工智能提高一個數(shù)量級。戰(zhàn)場機器人需要對傳感器數(shù)據(jù)進行處理及自動進行規(guī)劃，機器人的機動性有時應當達到與人員駕駛時相同的水平。 自主并非自由意志。聰明的有自由意志的機器人是人