0010-智能機(jī)器人傳菜員行走機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、控制及制作【全套21張CAD圖+PROE模型+文獻(xiàn)翻譯+說(shuō)明書】
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智能機(jī)器人傳菜員行走機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、控制及制作
1. 論文題目
智能機(jī)器人傳菜員行走機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、控制及制作
2. 論文結(jié)構(gòu)
2.1 總體結(jié)構(gòu)的設(shè)想
論文的總體結(jié)構(gòu)將做如下安排：
1.綜述目前餐飲行業(yè)的現(xiàn)狀，餐飲行業(yè)所反映出來(lái)的各方面問題以及現(xiàn)代機(jī)械化工業(yè)的應(yīng)用與發(fā)展。
2.對(duì)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及工作原理進(jìn)行研究及闡述。
3.對(duì)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)、加工、裝配。為機(jī)器人進(jìn)行程序的編寫及調(diào)試，使其按預(yù)定的狀態(tài)運(yùn)行。
4.將機(jī)械化產(chǎn)品和餐飲行業(yè)的服務(wù)職能相結(jié)合，巧妙的進(jìn)行優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，開發(fā)一種能夠進(jìn)行送餐的服務(wù)機(jī)器人，總結(jié)市場(chǎng)上現(xiàn)有送餐機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特征和特點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)與優(yōu)化。
2.2 選題研究的目的、意義
隨著現(xiàn)代工業(yè)化進(jìn)程的加快，機(jī)械自動(dòng)化成為了社會(huì)的一種趨勢(shì)。在工業(yè)生產(chǎn)中已經(jīng)大量運(yùn)用機(jī)器人完成生產(chǎn)線的加工與制造。隨著人們對(duì)生活中物質(zhì)文化需求的增多，機(jī)器人也漸漸走入了人們的生活之中。尤其是在餐飲行業(yè)，一款良好的送餐機(jī)器人可以良好的減緩企業(yè)用工的壓力。但現(xiàn)在的餐飲行業(yè)多是以人力進(jìn)行工作及送餐，人流量大，工作強(qiáng)度高，對(duì)勞動(dòng)人員的精神及體力無(wú)疑是一種嚴(yán)峻的考驗(yàn)；對(duì)企業(yè)來(lái)說(shuō)，即使花很高的價(jià)錢也很難留住勞動(dòng)人員。但此類服務(wù)的技術(shù)含量相對(duì)較低，大量的雇傭勞動(dòng)人員又會(huì)造成人才的不合理利用，人力資源造成不必要的浪費(fèi)，而且雇傭人力還會(huì)存在著衛(wèi)生等隱患。如能開發(fā)一款以機(jī)器人代替人力進(jìn)行送餐的機(jī)械設(shè)備，無(wú)疑可以減少企業(yè)的用工難，工作壓力大等問題，對(duì)于食品衛(wèi)生安全方面也會(huì)有進(jìn)一步的保證。企業(yè)也可以避免長(zhǎng)期花費(fèi)高價(jià)雇傭服務(wù)員等費(fèi)用，對(duì)企業(yè)來(lái)說(shuō)又是一筆額外的收益。而且以機(jī)器人代替人力還會(huì)使餐廳成為亮點(diǎn)，吸引顧客，對(duì)企業(yè)的發(fā)展有著良好的市場(chǎng)前景。因此，送餐機(jī)器人將會(huì)成為未來(lái)餐飲行業(yè)的必然趨勢(shì)。
2.3 主要解決的問題
1．市場(chǎng)上機(jī)器人體積比較龐大，工作占用空間也相應(yīng)增大，不適用于中小型餐廳。
2．市場(chǎng)上現(xiàn)有送餐機(jī)器人不能完成一桌多菜或多桌送餐的過程，技術(shù)不成熟。且送餐多為到達(dá)指定位置，對(duì)于將餐盤端到餐桌功能并未實(shí)現(xiàn)。
3. 市場(chǎng)上現(xiàn)有機(jī)器人多為多主動(dòng)輪結(jié)構(gòu)，因此在轉(zhuǎn)彎時(shí)會(huì)增大轉(zhuǎn)彎半徑，靈活度不夠。
4.市場(chǎng)上現(xiàn)有機(jī)器人多為鉛酸電池供電，是的機(jī)器人質(zhì)量較大，儲(chǔ)電能力不夠強(qiáng)，收效甚微。
2.4 主要工作
對(duì)該機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行總體方案的設(shè)計(jì)、并著重設(shè)計(jì)機(jī)器人行走機(jī)械結(jié)構(gòu)以及端盤機(jī)械手的液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對(duì)其控制結(jié)構(gòu)的總體控制方式進(jìn)行框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。具體如下：
1. 根據(jù)總體方案圖，完成繪制系統(tǒng)裝配圖，并依裝配圖繪制全套零件圖。
2. 輔助完成依據(jù)液壓系統(tǒng)圖，對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行制作的過程。
3. 輔助完成三組傳感器安排和設(shè)計(jì)。
4. 主要完成該機(jī)器人控制程序設(shè)計(jì)框圖。并輔助編制控制程序。
5. 輔助完成根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙監(jiān)控該機(jī)器人制造全過程，并實(shí)施裝配。
6. 輔助完成對(duì)機(jī)器人/傳感器和控制程序的運(yùn)動(dòng)調(diào)試。
2.5 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)
1.該機(jī)器人借鑒獨(dú)輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，運(yùn)動(dòng)靈活，可以實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)彎或調(diào)頭。
2.該機(jī)器人中心驅(qū)動(dòng)輪的高度位置可調(diào)。
3.該機(jī)器人采用了可充電的鋰電池供電方便靈活，減輕了機(jī)器人的自身重量，而且令電池充電一次可供機(jī)器人持續(xù)工作一天，可靠性高。
4.該送餐機(jī)器人的端菜過程采用液壓系統(tǒng)完成動(dòng)作，液壓系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，易于控制，承載能力強(qiáng)。
5.機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)通過底部固定大輪子的大齒輪上的支撐架中心軸和與法蘭相連的豎直液壓缸連接固定。實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)電機(jī)控制整個(gè)機(jī)器人的所有旋轉(zhuǎn)，其結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，控制更加方便，減少了機(jī)器人的生產(chǎn)成本。
6.本機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)對(duì)餐盤的自動(dòng)尋找和自動(dòng)定位、抓取，并將餐盤自動(dòng)送至指定餐桌。從開始送餐到送餐結(jié)束，全程自主控制,自動(dòng)化程度較高，超越了現(xiàn)階段的其他送餐機(jī)器人。
7.本機(jī)器人機(jī)械手部分采用國(guó)際先進(jìn)的3D打印技術(shù)，加工簡(jiǎn)單方便、材質(zhì)輕、成本低。
8.本機(jī)器人外形美觀，可以吸引顧客，成為餐廳的一大亮點(diǎn)。
3. 文獻(xiàn)綜述
3.1 現(xiàn)有送餐機(jī)器人傳菜員的定位原理
目前，服務(wù)機(jī)器人已非常受歡迎。這項(xiàng)工作的目的是開發(fā)一個(gè)餐廳服務(wù)機(jī)器人。此服務(wù)可以使移動(dòng)機(jī)器人為餐廳傳菜。它也可以顯示顧客的桌號(hào)。這個(gè)機(jī)器人可以使這家餐廳的服務(wù)效率急劇增加。該移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人配備了一個(gè)“激光定位系統(tǒng)?！凹す舛ㄎ幌到y(tǒng)可以使移動(dòng)機(jī)器人快速和精確的定位和指導(dǎo)。此功能可防止機(jī)器人偏離正常運(yùn)行的軌道，當(dāng)前方有障礙物時(shí)，還可以有效地避開障礙物。一個(gè)餐廳的服務(wù)機(jī)器人，它可以適用于提供基本服務(wù)，如排序，取送食品，結(jié)算等，為客戶在機(jī)器人餐廳提供便利。在這項(xiàng)研究中，三維坐標(biāo)定位和基于路標(biāo)定位算法，使機(jī)器人在餐廳有良好的定位精度。光學(xué)字符識(shí)別（OCR）技術(shù)是用來(lái)區(qū)分不同的地標(biāo)，獨(dú)特的表號(hào)。高定位精度必須被授予在廚房的桌子，提出了移動(dòng)機(jī)器人定位的基于RFID技術(shù)的定位算法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該算法可以估計(jì)機(jī)器人的姿勢(shì)不出錯(cuò)，能夠準(zhǔn)確無(wú)誤的執(zhí)行任務(wù)。最后，提出了服務(wù)機(jī)器人可以在餐廳實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)自定位。
超聲波傳感器運(yùn)行可靠、實(shí)時(shí)性好多個(gè)傳感器進(jìn)行組合或與其他傳感器配合，通過信息融合可以準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)測(cè)距避障、獲取環(huán)境信息的功能，因此在移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用本系統(tǒng)采用高性能低功耗單片機(jī)mega128進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)了多路超聲波測(cè)距避障的功能，達(dá)到了系統(tǒng)所要求的范圍和精度系統(tǒng)上通信接口豐富。可移植性強(qiáng)。有很大的升級(jí)空間和組合柔性?？梢院蜕衔粰C(jī)進(jìn)行多層次通信，實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的控制功能。
3.2 餐廳機(jī)器人相關(guān)控制部分的設(shè)計(jì)
餐廳服務(wù)的自主移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)已經(jīng)完成，并且系統(tǒng)采用分布式控制，主機(jī)的控制系統(tǒng)（如計(jì)算機(jī)模塊）通過對(duì)各模塊的協(xié)調(diào)和統(tǒng)一的總線協(xié)議?？刂葡到y(tǒng)分布在三個(gè)模塊的功率驅(qū)動(dòng)模塊（包括電源管理單元，運(yùn)動(dòng)控制單元，驅(qū)動(dòng)單元），傳感器模塊（各種傳感器，等），和計(jì)算機(jī)控制模塊。然后，使用VC++ 6開發(fā)的控制系統(tǒng)軟件，將軟件劃分為用戶級(jí)，決策控制層，傳感/相關(guān)決策的執(zhí)行層，和運(yùn)動(dòng)。層與層之間的通信標(biāo)準(zhǔn)的物理層和協(xié)議層，每層具有高度的可擴(kuò)展性，用戶可以自由地增加用戶自己的設(shè)備和控制只是按照程序與標(biāo)準(zhǔn)的物理層和協(xié)議規(guī)范。
3.3 智能機(jī)器人運(yùn)行基本原理
自助餐廳服務(wù)機(jī)器人通過安裝于前端的攝像頭獲取道路前段景象，識(shí)別出循跡線和停止線的位置，通過控制舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)使循跡線位于攝像頭所拍攝圖像的中間位置，即機(jī)器人的左右軸線正對(duì)著循跡線，以確保機(jī)器人能夠沿著循跡線行駛。為了確保在轉(zhuǎn)彎處機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的循跡效果，舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度采用閉環(huán)控制。單片機(jī)根據(jù)識(shí)別出的循跡線的位置與圖像中間位置的偏差，計(jì)算出舵機(jī)的角度誤差，采用PID控制算法計(jì)算控制率，通過驅(qū)動(dòng)芯片控制舵機(jī)旋轉(zhuǎn)。
在就餐人員的就餐區(qū)鋪置與循跡線相垂直的停止線，當(dāng)在攝像頭所獲取的圖像中識(shí)別出停止線時(shí)，機(jī)器人則停止行駛10秒鐘，并在LCD顯示器上進(jìn)行倒計(jì)時(shí)顯示，以等待就餐人員從機(jī)器人的平板托盤中拿下食物，或者將用過的餐具放在機(jī)器人的平板托盤上。停止10秒鐘后，機(jī)器人繼續(xù)沿著循跡線勻速行駛。
機(jī)器人的行駛功能由后輪的驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制。為確保機(jī)器人勻速、穩(wěn)定的行駛在循跡線上，驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用速度閉環(huán)控制。采用光電碼盤測(cè)量驅(qū)動(dòng)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，與給定速度相比較，得到誤差信號(hào)，采用PID控制算法計(jì)算控制率，通過驅(qū)動(dòng)芯片控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，使得機(jī)器人無(wú)論在空載、滿載、爬坡、下坡等狀態(tài)行進(jìn)時(shí)都能夠平穩(wěn)勻速地行駛。
由于餐廳的具體布局結(jié)構(gòu)不同，機(jī)器人可能運(yùn)行在斜坡上，為了確保機(jī)器人在斜坡上運(yùn)行時(shí)，機(jī)器人平板托盤中的食物不會(huì)因傾斜而滑落或?yàn)⑹?，與平板托盤相連接的直流電機(jī)通過傾角傳感器實(shí)現(xiàn)位置閉環(huán)控制。傾角傳感器采用SCA610傾角傳感器，傾角傳感器貼裝在平板托盤上，以檢測(cè)平板托盤與水平方向的夾角誤差，通過PID控制算法計(jì)算控制率，通過驅(qū)動(dòng)元件控制與平板托盤相連接的直流電機(jī)旋轉(zhuǎn)，以減小平板托盤與水平方向的夾角誤差，以確保機(jī)器人能夠平穩(wěn)地為就餐人員送取食物和餐具。
3.4 輪式機(jī)器人國(guó)內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀
國(guó)內(nèi)對(duì)于輪式移動(dòng)機(jī)器人的研究起步較晚，大多數(shù)研究尚處于某個(gè)單項(xiàng)研究階段，主要以自動(dòng)引導(dǎo)車輛為主，對(duì)于高越障性能機(jī)器人系統(tǒng)研究得較少。主要的研究工作有:
清華大學(xué)智能移動(dòng)機(jī)器人于1994年通過鑒定。涉及到五個(gè)方面的關(guān)鍵技術(shù):基于地圖的全局路徑規(guī)劃技術(shù)研究;基于傳感器信息的局部路徑規(guī)劃技術(shù)研究;路徑規(guī)劃的仿真技術(shù)研究;傳感技術(shù)、信息融合技術(shù)研究;智能移動(dòng)機(jī)器人的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。該機(jī)器人是以汽車底招‘為基礎(chǔ)，具有避障能力，但缺乏越障能力。
另外，還有香港城市大學(xué)智能設(shè)計(jì)、自動(dòng)化及制造研究中心研制的自動(dòng)導(dǎo)航車和服務(wù)機(jī)器人。中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所的AGV和防爆機(jī)器人。中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化所自行設(shè)計(jì)、制造的全方位移動(dòng)式機(jī)器人視覺導(dǎo)航系統(tǒng)等其中由中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所研制并通過“863”驗(yàn)收的是基十復(fù)合結(jié)構(gòu)的非結(jié)構(gòu)環(huán)境移動(dòng)機(jī)器人。
盡管目前我國(guó)輪式移動(dòng)機(jī)器人的研究和生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展水平與西方發(fā)達(dá)國(guó)家存在著很大的差距，但從總體看來(lái)，我國(guó)的機(jī)器人技術(shù)正從低水平、低質(zhì)量、滿足功能型向高水平、高質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)實(shí)用型過渡;從仿制仿造向自主開發(fā)過渡。各廠家和研究所甚至部分高校都在不斷地進(jìn)行技術(shù)投入，采用不同的技術(shù)路線，從關(guān)鍵部件和系統(tǒng)上技術(shù)創(chuàng)新，基本形成了激烈良性的技術(shù)競(jìng)技環(huán)境。
3.5 液壓控制技術(shù)的相關(guān)應(yīng)用與發(fā)展
隨著機(jī)械工作精度、響應(yīng)速度和自動(dòng)化程度的提高。對(duì)液壓控制技術(shù)提出了更高的要求目前。液控技術(shù)不僅用于傳統(tǒng)的機(jī)械操縱、助力裝置。也用于工程機(jī)械的模擬加載、轉(zhuǎn)速控制、發(fā)動(dòng)機(jī)燃料進(jìn)給控制。以及車輛主動(dòng)懸掛裝置和制動(dòng)系統(tǒng)。同時(shí)擴(kuò)展到航空航天和海底作業(yè)方面面對(duì)如此廣泛的應(yīng)用場(chǎng)合。僅采用液控技術(shù)已不能完全滿足要求。于是發(fā)展機(jī)電一體化技術(shù)已成為一種必然的趨勢(shì)進(jìn)入80年代以來(lái)。逐步完善和普及的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和集成傳感技術(shù)為電子技術(shù)和液壓技術(shù)的結(jié)合創(chuàng)造了條件計(jì)算機(jī)控制在液壓控制系統(tǒng)中的應(yīng)用大大提高了控制精度和工作的可靠。使得以往難以解決的控制難題有了突破的希望近年來(lái)電技術(shù)的進(jìn)步(如無(wú)槽電機(jī)等的產(chǎn)生)出現(xiàn)了一些很緊湊的高響應(yīng)電控系統(tǒng)。在某些場(chǎng)合(如數(shù)控機(jī)床及一些機(jī)器人)已取代傳統(tǒng)的電液伺服閥然而。在功率重量比方面。液壓執(zhí)行器比電磁執(zhí)行器要高幾乎一個(gè)數(shù)量級(jí);在負(fù)載剛性方面。液壓馬達(dá)的開環(huán)速度剛性大約為電動(dòng)機(jī)的5倍這些使目前液控系統(tǒng)仍具有一些電控系統(tǒng)本身無(wú)法比擬和取代的優(yōu)勢(shì)此外。液控系統(tǒng)本身近年來(lái)亦有長(zhǎng)足的進(jìn)步。70年代以來(lái)各種比例控制系統(tǒng)的發(fā)展、高速開關(guān)電磁閥和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的數(shù)字閥及脈寬調(diào)制控制技術(shù)、數(shù)字增量控制(IDC)型電液伺服系統(tǒng)等。便是液控技術(shù)向前發(fā)展的標(biāo)志。
電液伺服系統(tǒng)是以電氣信號(hào)為輸入，以液壓信號(hào)為輸出，在系統(tǒng)的輸入和輸出之間有反饋連接的閉環(huán)控制系統(tǒng)。圖1為電液伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，輸入信號(hào)通過比較元件與反饋信號(hào)進(jìn)行比較后，得出偏差電信號(hào)，由電控器轉(zhuǎn)換為力信號(hào)，電一機(jī)械轉(zhuǎn)換元件，再把力信號(hào)變?yōu)槲灰菩盘?hào)，經(jīng)液壓放大元件放大后，輸出具有一定壓力和流量的液體，控制液壓執(zhí)行元件運(yùn)動(dòng)。檢測(cè)反饋元件檢測(cè)被控量或中間量，并反饋回輸入端。系統(tǒng)輸入信號(hào)的功率很小，但系統(tǒng)的輸出可以達(dá)到很大。
3.6 傳感器的相關(guān)應(yīng)用與發(fā)展
在保證自動(dòng)導(dǎo)向車導(dǎo)引精度的前提下，如何構(gòu)筑一種性能優(yōu)異、成本低廉的傳感器測(cè)控系統(tǒng)是自動(dòng)導(dǎo)向車技術(shù)的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)?，F(xiàn)以普通紅外線傳感器作為自動(dòng)導(dǎo)向車信號(hào)采集的核心器件，并采用優(yōu)化陣列式分布，構(gòu)成了一種功能突出、性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、導(dǎo)引準(zhǔn)確、價(jià)格低廉的光電眼。進(jìn)而通過系統(tǒng)微處理器的分析和處理，排除了環(huán)境干擾，強(qiáng)化了測(cè)控功能。使自動(dòng)導(dǎo)向車獲得良好的導(dǎo)引效果.可確保基于此技術(shù)的自動(dòng)導(dǎo)向車具有優(yōu)越的性價(jià)比和實(shí)用性。
3.7 步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速方法
步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度(稱為/步距角0)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的，同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來(lái)控制機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)可以作為一種控制用的特種電機(jī)，利用其沒有積累誤差(精度為100%)的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)川于各種開環(huán)控制?，F(xiàn)在比較常川的步進(jìn)電機(jī)包括反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)(VR)、水磁式步進(jìn)電機(jī)(PM) ,混合式步進(jìn)電機(jī)(HB)和單相式步進(jìn)電機(jī)等。
對(duì)步進(jìn)電機(jī)控制的一個(gè)中心問題就是速度調(diào)節(jié)。即產(chǎn)生一系列頻率可調(diào)的步進(jìn)脈沖序列，送到驅(qū)動(dòng)電源，控制電機(jī)繞組的輪流通電，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。脈沖序列的產(chǎn)生用微處理器實(shí)現(xiàn)，有軟件延時(shí)和硬件定時(shí)兩種方法。
（1）軟件延時(shí):通過調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)的延時(shí)子程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。
（2）硬件定時(shí):假定控制器仍為AT 895 52單片機(jī)，晶振頻率為12 MH、將AT89552的TO作為定時(shí)器使用，設(shè)定TO工作在模式1(16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器)。
3.8 機(jī)械手爪的相關(guān)研究
機(jī)器人手爪是可以實(shí)現(xiàn)類似人手功能的機(jī)器人部件，是用來(lái)握持工件或工具的重要執(zhí)行機(jī)構(gòu)之一，既是一個(gè)主動(dòng)感知工作環(huán)境信息的感知器和最后執(zhí)行器，又是一個(gè)高度集成的具有感知功能和智能化的機(jī)電系統(tǒng)，涉及機(jī)構(gòu)學(xué)、仿生學(xué)、自動(dòng)控制、傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、材料學(xué)等多個(gè)研究領(lǐng)。
國(guó)內(nèi)方面，陜西利一技大學(xué)文懷興等人為某設(shè)備設(shè)計(jì)了夾持機(jī)械手,驅(qū)動(dòng)電機(jī)經(jīng)過聯(lián)軸器帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)螺母上下移動(dòng)，帶動(dòng)手爪張合，實(shí)現(xiàn)夾持物體。其手爪運(yùn)動(dòng)軌跡為曲線。
中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)趙延軍在蘋果果袋摘除機(jī)械手爪的研究中采用了絲杠的傳動(dòng)方式，帶動(dòng)分離機(jī)構(gòu)的二指張合來(lái)摘除果袋。絲杠和滑塊為主要運(yùn)動(dòng)部件，為了使分離機(jī)構(gòu)在完成相對(duì)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)也具有一定的緊湊結(jié)構(gòu)，故將絲杠設(shè)計(jì)為左右兩側(cè)分別為左旋和右旋的一個(gè)軸。對(duì)文中所介紹的機(jī)械手爪具有借鑒意義。
手爪的設(shè)計(jì)要求是:1.應(yīng)有足夠的夾緊力:除物體的重力外，傳送和操作的過程中還會(huì)產(chǎn)生慣性力和振動(dòng)，只有保證足夠的夾緊力，被抓物體才不會(huì)產(chǎn)生松動(dòng)或掉落；2.要保證工件的準(zhǔn)確定位；3.手指間需保證一定的開閉角，使手爪有足夠的開閉范圍；4.能適應(yīng)被抓對(duì)象的不同形狀、不同被抓部位和被抓數(shù)量；5.足夠的剛度和強(qiáng)度。
3. 參考文獻(xiàn)
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10
內(nèi)容摘要：
智能機(jī)器人傳菜員為機(jī)電液相結(jié)合的一體化產(chǎn)品。本產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，制造成本低，可以為餐飲行業(yè)節(jié)省勞動(dòng)力，解決人力資源短缺的問題。本產(chǎn)品由三大系統(tǒng)組成：機(jī)械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)。機(jī)器人通過機(jī)械系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)行走轉(zhuǎn)彎等功能；通過液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)找盤子、抓盤子，并將盤子送到客人餐桌的功能；通過控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人行走過程中對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡的分析與檢測(cè)，以及端菜過程中對(duì)盤子的定位，具有反饋精度高，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。機(jī)器人送餐的全過程無(wú)需人為操作，可以自動(dòng)送餐及返回，實(shí)現(xiàn)了送餐過程的全智能化。本產(chǎn)品將會(huì)在未來(lái)餐飲行業(yè)中占據(jù)有利市場(chǎng)，具用良好的發(fā)展前景。
關(guān)鍵詞：機(jī)器人 液壓缸 步進(jìn)電機(jī) 送餐 傳感器 單片機(jī)
Abstract:
Intelligent robot of runners for the integration of mechanical and electrical product liquid combination. This product has the advantages of simple structure, stable operation, low manufacturing cost, can save labor for the food and beverage industry, to solve the problem of shortage of human resources. This product consists of three systems: mechanical system, hydraulic system, control system. Robot mechanical system by walking functions turn; find the plate, through the hydraulic system to realize the efforts of the plate, and the plate back to the guest table function; analysis and detection of the trajectory of the robot control system through process, positioning of the plates and dishes in the process, has the advantages of high precision of feedback, the system is stable.The whole process of the robot delivery without manual operation, automatic delivery and return, to achieve full of intelligent delivery process. This product will occupy a favorable market in the future of food and beverage industry, with good prospects for development.
Key Words: Robot Hydraulic cylinder Stepper motor Dish Sensor
Single chip microcomputer
II
,,智能機(jī)器人傳菜員行走機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、控制及制作,1 、基于循跡技術(shù)機(jī)器人采用循跡行走。 2 、遙控器輸入桌號(hào)，機(jī)器人可自動(dòng)行走至指定餐桌 3 、機(jī)械手通過傳感器對(duì)菜盤定位，將其送至桌面 4、 待所有菜都送完時(shí)，可掉頭沿原路返回 5 、機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)自主避障。,送餐機(jī)器人功能,3,,三 大 部分,,,,行走及轉(zhuǎn)向部分,控制部分,機(jī)械手部分,4,行走及轉(zhuǎn)向裝置,行走部分主要采用自行設(shè)計(jì)的獨(dú)輪機(jī)構(gòu)，通過直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)前進(jìn)，通過調(diào)壓調(diào)速控制其速度。,行走及轉(zhuǎn)向裝置,行走及轉(zhuǎn)向部分,5,轉(zhuǎn)向部分通過與步進(jìn)電機(jī)直接相連的轉(zhuǎn)向齒輪控制，從動(dòng)大齒輪與三個(gè)小齒輪相嚙合，實(shí)現(xiàn)精確地轉(zhuǎn)向控制。,行走及轉(zhuǎn)向裝置,行走及轉(zhuǎn)向裝置,行走及轉(zhuǎn)向部分,6,通過降緊螺母可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人中心驅(qū)動(dòng)輪的高度位置可調(diào)，機(jī)械手旋轉(zhuǎn)通過獨(dú)輪控制，簡(jiǎn)單方便。,通過降緊螺母可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人中心驅(qū)動(dòng)輪的高度位置可調(diào)，機(jī)械手旋轉(zhuǎn)通過獨(dú)輪控制，簡(jiǎn)單方便。,行走及轉(zhuǎn)向部分,7,控制部分主要依靠51單片機(jī)和傳感器、繼電器結(jié)合相互控制。在行走時(shí)，實(shí)現(xiàn)糾偏、計(jì)數(shù)、轉(zhuǎn)彎及餐桌定位，屏幕顯示等功能。,單片機(jī)控制系統(tǒng),單片機(jī)控制部分,謝謝!,目 錄
內(nèi)容摘要．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
I
Abstract．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
II
1 導(dǎo)言．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
1
1.1 主題來(lái)源．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
1
1.2 智能機(jī)器人傳菜員研究目的．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
1
1.3 智能機(jī)器人傳菜員課題規(guī)劃．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
1
1.4 智能機(jī)器人傳菜員設(shè)計(jì)的意義及市場(chǎng)前景．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
1
2 課題設(shè)計(jì)任務(wù)書．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
2
2.1 課題名稱．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
2
2.2 設(shè)計(jì)任務(wù)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
2
2.3 設(shè)計(jì)要求．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
2
3 工作原理與制作過程．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
3
3.1 概述．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
3
3.2 工作原理．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
4
3.3 行走部分機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及控制．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
6
3.4 液壓控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
7
3.5 三組傳感器的布局及功能．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
8
3.6 機(jī)器人整體程序的設(shè)計(jì)框圖及編寫．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
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4 智能機(jī)器人傳菜員的調(diào)試及外觀優(yōu)化設(shè)計(jì)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
35
4.1 機(jī)器人的整體裝配．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
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4.2 機(jī)器人的調(diào)試．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
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4.3 機(jī)器人的外觀優(yōu)化．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
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5 總結(jié)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
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參考文獻(xiàn)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
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附錄：開題報(bào)告(數(shù)據(jù)報(bào)告) ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
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致謝．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
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英文翻譯
機(jī)器人技術(shù)進(jìn)展
譚民 王碩
摘要 機(jī)器人技術(shù)的研究己從傳統(tǒng)的工業(yè)領(lǐng)域擴(kuò)展到醫(yī)療服務(wù)、教育娛樂、勘探勘測(cè)、生物工程、救災(zāi)救援等新領(lǐng)域，并快速發(fā)展。本文簡(jiǎn)要介紹了工業(yè)機(jī)器人、移動(dòng)機(jī)器人、醫(yī)療與康復(fù)機(jī)器人和仿生機(jī)器人研究中的部分主要進(jìn)展，并通過分析和梳理，歸納了機(jī)器人技術(shù)發(fā)展中的些重要問題，探討機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。
關(guān)鍵詞 工業(yè)機(jī)器人，移動(dòng)機(jī)器人，醫(yī)療機(jī)器人，康復(fù)機(jī)器人，仿生機(jī)器人
21世紀(jì)以來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展越來(lái)越重視。機(jī)器人技術(shù)被認(rèn)為是對(duì)未來(lái)新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義的高技術(shù)之一。l歐盟在第七框架計(jì)劃(FP7)中規(guī)劃了“認(rèn)知系統(tǒng)與機(jī)器人技術(shù)”研究、美國(guó)啟動(dòng)了“美國(guó)國(guó)家機(jī)器人計(jì)劃”、日本、韓國(guó)在服務(wù)型機(jī)器人方面也制定了相應(yīng)的研究計(jì)劃，我國(guó)在國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)、國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家科技重大專項(xiàng)等規(guī)劃中對(duì)機(jī)器人技術(shù)研究給予極大的重視。國(guó)內(nèi)外產(chǎn)業(yè)界對(duì)機(jī)器人技術(shù)引領(lǐng)未來(lái)產(chǎn)業(yè)發(fā)展也寄予厚望。由此可見，機(jī)器人技術(shù)是未來(lái)高技術(shù)、新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)之一，對(duì)于國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)具有重要意義。
近些年來(lái)，機(jī)器人技術(shù)研究和應(yīng)用取得了突出的進(jìn)展，但仍面臨著巨大挑戰(zhàn)。本文章對(duì)近年來(lái)國(guó)內(nèi)外機(jī)器人領(lǐng)域的一些主要研究展進(jìn)行介紹，并以此為基礎(chǔ)，通過分析和梳理，探討機(jī)器人技術(shù)研究中的難點(diǎn)和熱點(diǎn)，以及可能的發(fā)展趨勢(shì)。
1 機(jī)器人技術(shù)研究主要進(jìn)展
在計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、MEMS技術(shù)等新技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)下，機(jī)器人技術(shù)正從傳統(tǒng)的工業(yè)制造領(lǐng)域向醫(yī)療服務(wù)、教育娛樂、勘探勘測(cè)、生物工程、救災(zāi)救援等領(lǐng)域迅速擴(kuò)展，適應(yīng)不同領(lǐng)域需求的機(jī)器人系統(tǒng)被深入研究和開發(fā)。機(jī)器人技術(shù)所涉及的應(yīng)用領(lǐng)域眾多，本文僅選取工業(yè)機(jī)器人、移動(dòng)機(jī)器人、醫(yī)療與康復(fù)機(jī)器人和仿生機(jī)器人領(lǐng)域中的部分典型研究工作進(jìn)行介紹和分析。
1.1 工業(yè)機(jī)器人
工業(yè)機(jī)器人己廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)的點(diǎn)焊、弧焊、噴漆、熱處理、搬運(yùn)、裝配、上下料、檢測(cè)等作業(yè)。在物流、碼垛、食品和藥品等領(lǐng)域，工業(yè)機(jī)器人正逐步代替人工從事繁重枯燥的包裝、碼垛、搬運(yùn)作業(yè)。工業(yè)機(jī)器人研究的運(yùn)動(dòng)學(xué)標(biāo)定、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、控制等己有成熟的控制方案。但由于工業(yè)機(jī)器人是一個(gè)非線性、多變量的控制對(duì)象，而制造業(yè)也對(duì)機(jī)器人性能提出新需求，機(jī)器人的控制方法仍是研究重點(diǎn)，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)也朝著智能化、重載、高精度、高速、網(wǎng)絡(luò)化等方向發(fā)展。結(jié)合位置、力矩、力、視覺等信息反饋，柔順控制、力位混合控制、視覺伺服控制等方法得到大量研究，以適應(yīng)高速、高精度、智能化作業(yè)的需求。利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，工業(yè)機(jī)器人不僅簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了協(xié)同作業(yè)。例如，F(xiàn)ANUC公司的并聯(lián)六軸結(jié)構(gòu)的機(jī)器人3iA具有很高的柔性，集成iRVision視覺系統(tǒng)、Force Sensing力覺系統(tǒng)、Robot Link通信系統(tǒng)和Collision Guard碰撞保打‘系統(tǒng)等多個(gè)智能功能，可對(duì)工件進(jìn)行快速識(shí)別，利用視覺跟蹤系統(tǒng)引導(dǎo)完成作業(yè)。在工業(yè)機(jī)器人研究中，國(guó)內(nèi)很多大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)，如哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所、中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所、清華大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、上海交通大學(xué)、天津大學(xué)、南開大學(xué)、華南理工大學(xué)、湖南大學(xué)、上海大學(xué)等，開展了大量工作，在機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)和控制等方面取得了豐富成果，為國(guó)內(nèi)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。而隨著國(guó)內(nèi)工業(yè)機(jī)器人的需求越來(lái)越迫切，沈陽(yáng)新松機(jī)器人自動(dòng)化公司、哈爾濱工業(yè)大學(xué)博實(shí)公司、廣州數(shù)控設(shè)備有限公司、上海沃迪公司、奇瑞公司等企業(yè)在工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)方面也不斷發(fā)展壯大。
1.2 移動(dòng)機(jī)器人
移動(dòng)機(jī)器人的應(yīng)用廣泛，覆蓋了地面、空中和水下，乃至外太空。下面簡(jiǎn)要介紹地面移動(dòng)機(jī)器人中的輪式/履帶式、腿足式和仿人形機(jī)器人，以及水下機(jī)器人和爬行機(jī)器人的一些研究進(jìn)展。由于外星探索機(jī)器人工作環(huán)境特殊，因此也對(duì)其研究現(xiàn)狀進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。
1.3 醫(yī)療與康復(fù)機(jī)器人
外科乎術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)可分為3類:監(jiān)控型、遙操作型和協(xié)作型。監(jiān)控型是由外科醫(yī)生針對(duì)病人制定治療程序，在醫(yī)生監(jiān)控下由機(jī)器人完成乎術(shù)。遙操作型是由外科醫(yī)生操縱控制乎柄來(lái)遙控機(jī)器人完成乎術(shù)。協(xié)作型主要用于穩(wěn)定外科醫(yī)生使用的器械以便于完成高穩(wěn)定性、高級(jí)度的外科乎術(shù)。第一例機(jī)器人輔助外科乎術(shù)是由Kwoh等在1985年完成，利用工業(yè)機(jī)器人將固定裝置穩(wěn)定保持在患者頭部附近以便于神經(jīng)外科乎術(shù)的鉆孔和將組織取樣針插入指定位置。此后，用于輔助外科乎術(shù)的機(jī)器人系統(tǒng)Probot、ROBODOC、AESOP、da Vinci, Zeus相繼開發(fā)并獲得應(yīng)用?；谔摂M現(xiàn)實(shí)和機(jī)器人結(jié)合的遠(yuǎn)程外科乎術(shù)技術(shù)也得到重視和研究。日前，daVinci外科乎術(shù)輔助機(jī)器人是其中比較成功的商用系統(tǒng)，獲得美國(guó)FDA認(rèn)證，可用于多種外科乎術(shù)。da Vinci系統(tǒng)是一個(gè)主從結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，醫(yī)生通過攝像頭傳回的圖像獲取乎術(shù)部位信息，依靠踏板控制攝像頭和乎術(shù)器械、依靠主控乎柄遙控機(jī)器臂動(dòng)作來(lái)完成外科乎術(shù)。此外，Hansen Medical公司的血管介入手術(shù)機(jī)器人使用了觸覺主控制器、臂式從動(dòng)系統(tǒng)和送竹機(jī)構(gòu)。Mazor公司開發(fā)的脊柱外科乎術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)己完成多例骨科乎術(shù)。Acrobot公司研制的高精度外科乎術(shù)機(jī)器人完成了膝關(guān)節(jié)外科乎術(shù)。約翰霍普金斯大學(xué)研制了眼科外科乎術(shù)輔助機(jī)器人系統(tǒng)。
國(guó)內(nèi)在外科乎術(shù)機(jī)器人領(lǐng)域的研究工作也發(fā)展迅速。北京航空航天大學(xué)與海軍總醫(yī)院合作研制開發(fā)了腦外科機(jī)器人系統(tǒng)，并完成了多例腦外科立體定向遠(yuǎn)程遙操作乎術(shù) 。與北京積水潭醫(yī)院聯(lián)合研制了骨科乎術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)，并完成了長(zhǎng)骨骨折髓內(nèi)釗一內(nèi)固定遠(yuǎn)程遙操作乎術(shù):與海軍總醫(yī)院、北京醫(yī)院合作研制了心血竹介入乎術(shù)機(jī)器人。天津大學(xué)研制了主從式遙操作結(jié)構(gòu)、具有二維力傳感器的顯微外科乎術(shù)機(jī)器人，并成功地完成了動(dòng)物實(shí)驗(yàn)。中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所與上海胸科醫(yī)院等單位合作研制了血管介入乎術(shù)機(jī)器人，并完成多例動(dòng)物實(shí)驗(yàn)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京理工大學(xué)、上海交通大學(xué)等也開展了不同類型醫(yī)療乎術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的研究并開發(fā)了機(jī)器人系統(tǒng)。
1.4 生物啟發(fā)的機(jī)器人系統(tǒng)一仿生機(jī)器人
隨著機(jī)器人應(yīng)用從工業(yè)領(lǐng)域向社會(huì)服務(wù)、環(huán)境勘測(cè)等領(lǐng)域的擴(kuò)展，機(jī)器人的作業(yè)環(huán)境從簡(jiǎn)單、固定、可預(yù)知的結(jié)構(gòu)化環(huán)境變?yōu)閺?fù)雜、動(dòng)態(tài)、不確定的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境，這就要求機(jī)器人研究在結(jié)構(gòu)、感知、控制、智能等方面給出新方法以適應(yīng)新環(huán)境、新任務(wù)、新需求。因此，很多學(xué)者從自然界尋找靈感，從而提出解決新問題的新方法。通過對(duì)生物結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行仿生是研究適應(yīng)某種特定環(huán)境的機(jī)器人系統(tǒng)的基本方法之一，如皮膚仿生、攀爬運(yùn)動(dòng)仿生等。
由于魚類運(yùn)動(dòng)的高效率、高機(jī)動(dòng)、低噪聲特點(diǎn)，仿生魚類運(yùn)動(dòng)方式的仿生機(jī)器魚研究得到廣泛的重視。針對(duì)不同類型仿生魚鰭的設(shè)計(jì)、建模和控制己開展了很多研究工作，如MIT大學(xué)研制了機(jī)器魚RoboTuna和RoboPike，大阪大學(xué)研制了胸鰭推進(jìn)的機(jī)器魚B1ackBass，英國(guó)Heriot-Wat七大學(xué)研究了波動(dòng)鰭。華盛頓大學(xué)、英國(guó)Essex大學(xué)在控制方面，佛羅單達(dá)中心大學(xué)、日本名占屋大學(xué)、美國(guó)新墨西哥大學(xué)在微小型機(jī)器魚方面，美國(guó)西北大大學(xué)、南洋理工大學(xué)、大阪大學(xué)在波動(dòng)鰭推進(jìn)方面都取得了很好的研究成果。國(guó)內(nèi)在仿魚水下機(jī)器人研究方面也開展了大量工作。北京航空航天大學(xué)研制了SPC系列仿生機(jī)器魚系統(tǒng)，進(jìn)行了湖試和海試，完成了水下考占、環(huán)境監(jiān)控等示范應(yīng)用，其中SPC-3UUV體長(zhǎng)1.6 m，巡航速度1.12m/s，航程70.7 km。中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所研制了尾鰭推進(jìn)和波動(dòng)鰭推進(jìn)的仿生機(jī)器魚，實(shí)現(xiàn)了浮潛、倒游、定深、自主避障、快速啟動(dòng)、水平面和垂直面快速轉(zhuǎn)向、多魚協(xié)調(diào)等運(yùn)動(dòng)控制的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并實(shí)現(xiàn)了仿生機(jī)器海豚的躍水運(yùn)動(dòng)。國(guó)防科技大學(xué)在波動(dòng)鰭仿生機(jī)器魚方面開展大量研究，研制了多種波動(dòng)鰭推進(jìn)的機(jī)器魚系統(tǒng)。哈爾濱工程大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、北京大學(xué)等單位也研制開發(fā)了仿生機(jī)器魚系統(tǒng)并開展了很多研究工作。
2 機(jī)器人技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)
通過分析己有的機(jī)器人技術(shù)研究工作，機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用和研究顯現(xiàn)出從工業(yè)領(lǐng)域快速向其他領(lǐng)域延仲擴(kuò)展。而傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域?qū)ψ鳂I(yè)性能提升的需求、其他領(lǐng)域的新需求，極大促進(jìn)了機(jī)器人理論與技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。
在工業(yè)領(lǐng)域，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用己不再僅限于簡(jiǎn)單的動(dòng)作重復(fù)。對(duì)于復(fù)雜作業(yè)需求，工業(yè)機(jī)器人的智能化、群體防調(diào)作業(yè)成為解決問題的關(guān)鍵:對(duì)于高速度、高精度、重載荷的作業(yè)，工業(yè)機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)標(biāo)定、力控制還有待深入研究:而機(jī)器人和操作員在重疊的工作空間合作作業(yè)問題，則對(duì)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、感知、控制等研究提出了確保人機(jī)共同作業(yè)安全的新要求。
在工業(yè)領(lǐng)域以外，機(jī)器人在醫(yī)療服務(wù)、野外勘測(cè)、深空深海探測(cè)、家庭服務(wù)和智能交通等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景。在這些領(lǐng)域，機(jī)器人需要在動(dòng)態(tài)、未知、非結(jié)構(gòu)化的復(fù)雜環(huán)境完成不同類型的作業(yè)任務(wù)，這就對(duì)機(jī)器人的環(huán)境適應(yīng)性、環(huán)境感知、自主控制、人機(jī)交互提出了更高的要求。
1)環(huán)境適應(yīng)性。機(jī)器人的工作環(huán)境可以是室內(nèi)、室外、火山、深海、太空，乃至地外星球，其復(fù)雜的地面或地形、不同的氣壓變化、巨大的溫度變化、不同的輻照、不同的重力條件導(dǎo)致機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制方法必須進(jìn)行針對(duì)性、適應(yīng)性的設(shè)計(jì)。通過仿生乎段研究具有時(shí)示、奔跑、跳躍、爬行、游動(dòng)等不同運(yùn)動(dòng)能力的、適應(yīng)不同環(huán)境條件的機(jī)器人機(jī)構(gòu)和控制方法對(duì)于提高機(jī)器人的環(huán)境適應(yīng)性具有重要的理論價(jià)值。
2)環(huán)境感知。面對(duì)動(dòng)態(tài)變化、未知、復(fù)雜的外部環(huán)境，機(jī)器人對(duì)環(huán)境的準(zhǔn)確感知是進(jìn)行決策和控制的基礎(chǔ)。感知信息的融合、環(huán)境建模、環(huán)境理解、學(xué)習(xí)機(jī)制是環(huán)境感知研究的重要內(nèi)容。
3)自主控制。面對(duì)動(dòng)態(tài)變化的外部環(huán)境，機(jī)器人必須依據(jù)既定作業(yè)任務(wù)和環(huán)境感知結(jié)果利用內(nèi)建算法進(jìn)行規(guī)劃、決策和控制，以達(dá)到最終日標(biāo)。在無(wú)人十預(yù)或大延時(shí)無(wú)法人為十預(yù)的情況下，自主控制可以確保機(jī)器人規(guī)避危險(xiǎn)、完成既定任務(wù)。
4)人機(jī)交互。對(duì)于提升機(jī)器人作業(yè)能力、滿足復(fù)雜的作業(yè)任務(wù)需求具有重要作用。實(shí)時(shí)作業(yè)環(huán)境的二維建模，聲覺、視覺、力覺、觸覺等多種人機(jī)交互的實(shí)現(xiàn)方式、人機(jī)交互中的安全控制等都是人機(jī)交互中的重要研究?jī)?nèi)容。
針對(duì)上述問題的研究，通過與仿生學(xué)、神經(jīng)科學(xué)、腦科學(xué)，以及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的結(jié)合，可能將加速機(jī)器人理論、方法和技術(shù)研究工作的進(jìn)展。
機(jī)器人技術(shù)與仿生學(xué)的結(jié)合，不僅可以促進(jìn)高適應(yīng)性的機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的研究，對(duì)于機(jī)器人的感知、控制與決策方法的研究也能夠提供有力的支持。
機(jī)器人學(xué)與神經(jīng)科學(xué)、腦科學(xué)的結(jié)合，將使得人一機(jī)器人間的應(yīng)用接日更加方便，通過神經(jīng)信號(hào)控制智能假肢、外骨骼機(jī)器人或遠(yuǎn)程遙操控機(jī)器人系統(tǒng)，利用生物細(xì)胞來(lái)提升機(jī)器人的智能，為機(jī)器人研究提供了新的思路。
機(jī)器人學(xué)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的結(jié)合，使機(jī)器人可以通過互聯(lián)網(wǎng)獲取海量的知識(shí)，基于云計(jì)算、智能空間等技術(shù)輔助機(jī)器人的感知和決策，將極大提升機(jī)器人的系統(tǒng)性能。
3 結(jié)論
機(jī)器人技術(shù)的研究和應(yīng)用己從傳統(tǒng)的工業(yè)領(lǐng)域快速擴(kuò)展到其他領(lǐng)域，如醫(yī)療康復(fù)、家政服務(wù)、外星探索、勘測(cè)勘探等。而無(wú)論是傳統(tǒng)的工業(yè)領(lǐng)域還是其他領(lǐng)域，對(duì)機(jī)器人性能要求的不斷提高，使機(jī)器人必須面對(duì)更極端的環(huán)境、完成更復(fù)雜的任務(wù)，因而，也為機(jī)器人研究提供了新的動(dòng)力。在概述工業(yè)機(jī)器人、移動(dòng)機(jī)器人、醫(yī)療康復(fù)機(jī)器人和仿生機(jī)器人的主要研究進(jìn)展基礎(chǔ)上，分析歸納了環(huán)境適應(yīng)性、感知、自主控制、人機(jī)交互等機(jī)器人研究的主要問題，并探討了仿生學(xué)、神經(jīng)科學(xué)、互聯(lián)網(wǎng)等研究與機(jī)器人研究相結(jié)合的趨勢(shì)。
Research Progress on Robotics
TAN Minl WANG Shuo
Abstract The researches of robot technology are moving from the traditional industry to medical service, education and entertainment,exploration and exploitation,
bio-engineering, rescue,etc., and the related technology develops rapidly. In this paper, some important progresses in industrial robots, mobile robots,medicaland rehabilitation robots and biomimetic robots are introduced in brief, and some important issues of robot technology are summarized by means of analysis and classification. Finally, the trends in robot technology are discussed.
Key words Industrial robot, mobile robot, medical robot, rehabilitation robot, biomimetic robot
Since twenty-first Century,?the development?of?robot technology?at home and abroad?more and?more attention.?Robot?technology is considered as one of the?high?technology is of great significance to?the future?development of emerging industries.?L European Union?within the seventh Framework Programme?(FP7)?in?planning a?"cognitive systems and roboticstechnology"?research,?America?launched the?"America?national robot program",?Japan,?South Korea in the?service robot?also?made corresponding?research plan,?our country in the?national high technology research and development program?(863 Program),?give great?attach importance to the study of?robot technology?of National Natural Science Foundation,?the national science and technology major projects?such as?planning.Domestic and foreign industry?robot technology?leading the future?industrial development?ofhigh hopes.?Thus,?the robot?technology is one of the?basis for the future development?of hightechnology,?new industries,?it has important significance to the?national economy and?national defense construction.
In recent years,?the research and application of robot?technology?has made outstandingprogress,?but still?faces huge challenges.?This article?in recent years some of?the main research?field of robot?exhibition?at home and abroad?are introduced,?and on this basis,through the analysis and?carding,?discussion of?the difficult and hot research?in robotics,?and the possible?development trend.
1 major advances in?robotics research
In?promoting the development of new?technology,?computer technology,?network technology,MEMS technology?and so on,?the robot technology is?service,?from the traditional?industrial manufacturing field?to medical?education and entertainment,?exploration and?survey,?biological engineering,?disaster?relief and other fields?expanded rapidly,?to adapt to the?robot systemneeds of different areas?to be?further research and development.?Application of roboticstechnology involved?many,?this article only selects?some typical?research work of industrialrobot,?mobile robot,?medical?and rehabilitation?robot?and bionic?robot?in the field?were introduced and analyzed.
1.1 industrial robot
Industrial robots?have been widely used?in the automotive industry?for spot,?welding,?painting,heat treatment,?handling,?assembly,?loading and unloading,?detection?and other operations.?In logistics,?palletizing,?food?and?medicine and other fields,?industrial robots are?graduallyreplacing manual?engaged in heavy?boring?packing,?palletizing,?handling.?Industrial robot kinematics?research?of calibration,?motion planning?and?control?has been?mature?controlscheme.?But because of?the industrial robot?control is?a?nonlinear,?multi variable,?while the manufacturing industry also?put new demands?on the?performance of the robot,?robot control method?is still the?focus of study,?the industrial robot technology?is?toward intelligent,?heavy load,?high precision,?high speed,?network?development direction.?Combining position,?torque,power,?visual?feedback,?flexible control,?force?control,?hybrid?visual servoing control?method?to obtain a great deal of?research,?in order to adapt to the?high speed,?high precision,?intelligentoperation needs.?The use of network technology,?the industrial robot?not only simplifies thestructure of the system,?but also to achieve a?coordinated operation.?For example,?FANUC company?six parallel?shaft?structure of the?3iA robot?has high flexibility,?integrated?vision system of iRVision,?Force?Sensing?Robot?Link?force?system,?communication?system and Collision?Guard collision?insurance?play?'system?more intelligent?functions,?can be?fast recognition of?workpiece,?using a visual?tracking system?to guide the?homework.?In the industrial?robot research,?many domestic?university?and research institutes,?such as Harbin Institute of Technology,?China?Academy of Sciences,?Shenyang Institute of automationChinese?Automation Science Research?Institute,?Tsinghua University,?Beihang University,Shanghai Jiao Tong University,?Tianjin University,?Nankai University,?South China University of Technology,?Hunan University,?Shanghai Univer,?carried out a lot of work,?in the?mechanism,driving?and?control?and achieved rich?results,?establishes the technical foundation for?the development of the domestic?robot industry.?But along with the?domestic demand for industrialrobot?is more and more urgent,?Shenyang SIASUN Robot & automation?company,?Harbin Institute of Technology?Boshi?company,?Guangzhou CNC Equipment?Co. Ltd.,?Shanghai Triowin?Corporation,?Chery?companies and other enterprises?in the?industry of industrial robots?also?continue to grow and develop.
1.2 mobile robot
Application of mobile?robots?are widely,?covering the ground,?air and water,?and even?outer space.?Below is a brief description?of wheel?/?ground?mobile robot?crawler,?leg and foot?typeand humanoid robots,?and?some research progress of?underwater robot and?dagger?for?robot.Due to?the special working environment?of extraterrestrial?exploration?robot,?therefore?carries on the brief introduction to?the?research status.
1.3 medical?and rehabilitation?robot
Surgical?operation?robot?on?system?can be divided into 3 categories:?control,?teleoperationand collaboration.?Monitoring?by?surgeons?for patient?to formulate treatment?program,?indoctor?under the supervision?on?operation?performed by the robot.?Teleoperation?type?ismanipulated by the surgeon?on the?handle?to control the?robot to finish the?control?onoperation.?Collaboration?is mainly used for?stable?surgeons use the?equipment?complete surgical?operation?between?senior?high degree of?stability,?to facilitate the.?The first case ofrobot assisted?surgery?on?operation?is completed by the Kwoh?in?1985,?the use of?industrial robots will?maintain the stability of?borehole?in patients with?fixing device?near the head?to facilitate?Department of Neurosurgery?surgery?and?tissue sampling?on?the?needle into?the specified location.?Since then,?the?robot?assisted surgery?on?surgery?for?system Probot,ROBODOC,?AESOP,?Da,?Vinci,?Zeus?have been?developed and applied.?Also?get attentionand Research?on?remote?surgery?operation?technology of virtual reality and?robot?based on.Recently,?daVinci?surgery?robot assisted?surgery?is?almost?commercial?system in which arelatively successful,?American FDA certification,?can be used for a variety of?surgicaloperation?on.?Da?Vinci?system is?a master-slave?structure,?image doctor?through the camerareturns?to obtain information?on?operation?site,?rely on the?pedal to control the?camera and?on the?operation of?equipment,?rely on?the main control?on the?handle?remote?machine?armmoves to complete the?surgery?on?postoperative.?In addition,?the use of?haptic mastercontroller,?arm?driven?system and a?bamboo?mechanism of surgery?robot Hansen?Medical,vascular intervention.?Mazor?company developed?spinal surgery?robot?system has been completed?on?operation of?multiple cases of?Department of orthopedics?on?operation.?High precision?surgical?operation?robot?on?Acrobot?company developed a?complete?knee surgeryon?patients.?Johns Hopkins University has developed a?department of Ophthalmology surgeryon?postoperative?assisted robot system.
Domestic research?work in?surgical?operation?robot field?on?the rapid development.?Beihang University and the?Navy General Hospital?Department of cerebral surgery?robot system?was developed in cooperation,?and completed the?multi?example?Department of cerebral surgeryremote?teleoperation?on?stereotactic?operation.?And?the joint development of?the Department of orthopedics?Beijing Ji Shui Tan Hospital?between?surgery?robot system,?and completed thelong bone fracture?fixation?intramedullary?Zhao?a?remote?teleoperation:?Navy General Hospital,Beijing Hospital?between?operation?and?cooperation in the development?effort?of interventionalsurgery?robot?on?bamboo.?Tianjin University has developed a?microsurgical?operation ofmaster-slave?teleoperation?robot?on?structure,?with two dimensional?force sensor,?and?the successful completion of the?animal?experiment.?China?Automation Science Research?Institute and?Shanghai Thorax Hospital?and other units?jointly developed by?vascular interventionalsurgery?robot?on,?and complete the?multiple cases of?animal?experiment.?Harbin Institute of Technology,?Beijing Institute of Technology,?Shanghai Jiao Tong University?have conductedresearch?on?different types of?medical?surgery?robot system?and the development of?robot system.
1.4 Robot system for?bio inspired?a?bionic robot
With the expansion?of robot application?services,?from the industrial?field to social?environmentand other areas of investigation,?the robot?working environment?from the structured environment?simple,?fixed,?predictable?into?unstructured?environment is complex,?dynamic,uncertain,?it requires the robot?research in?structure,?sensing,?control,?intelligent?and other aspects?to give a new?method to adapt to?new environment,?new task,?new?demand.Therefore,?many scholars?seek inspiration?from nature,?so as to put forward a new?method to solve?new problems.?By mimicking?of biological?structure and the motion mode of?the robot system?is one of the basic?methods of?a particular environment?to study,?such as skin?bionic,bionic?climbing?movement.
Due to the characteristics?of high efficiency,?high maneuverability?fish?movement,?low noise,bionic robot fish?of biomimetic?fish?movement patterns?are widely?attention.?Modeling andcontrol design,?according to the different types?of biomimetic fish fin?has?done a lot of research work,?such as MIT?University?developed a?robotic fish?RoboTuna?and RoboPike,Osaka University has developed?the pectoral fin?robotic fish?B1ackBass,?British Heriot-Wat seven?of the University of?fin.?University of Washington,?Essex?University?in the control aspect,as?single?Florida?Center?University,?Japan,?University of New Mexico?university?name?squattersAmerica?in?micro?robot fish,?Northwest?University,?Nanyang Technology University,?AmericaOsaka University?has made?great research results?on the?undulatory fin?propulsion.?Domesticin?biomimetic underwater?robot research?has also?carried out a lot of work.?Beihang University has developed?SPC?series of?bionic robot fish?system,?carried out the?lake trial and sea trial,completed the?underwater?examination accounting,?environment monitoring?demonstration application,?in which the SPC-3UUV?body length of?1.6 m,?a cruise speed of 1.12m/s,?a range of 70.7?km.?Chinese?Automation Science Research?Institute has developed?the caudal fin propulsion?and fluctuation?of biomimetic robotic fish?fin propulsion,?experimental verification?is realized,?swim,?deep?down?snorkel,?obstacle avoidance,?fast start,?horizontal and vertical?fast steering,?many fish?coordination?of motion control,?and the realization of the?biomimetic?robotic dolphin?jump?water?movement.?To carry out a large number of?studies at the National University of Defense Technology?in?fin?bionic robot fish,?developed a?robotic fish?finpropulsion system of?many kinds of fluctuation.?Harbin Engineering University,?Harbin Institute of Technology,?University of Science & Technology China,?Peking University and other unitshave also?developed a?system?of bionic robot fish?and conducted?a lot of research work.
2 robotic technology development?trend
Through the analysis of?the existing?robot technology research?work,?research and applicationof robot technology?shows?from industry?rapidly to other areas of?the extension andexpansion.?The new?demand to the operating?performance?demand,?other areas of thetraditional?industrial areas,?greatly promoting the?further?development of robot?theory andtechnology.
In the industrial field?application of?industrial robots,?has?no longer limited to?simple movement repetition.?For the complex?operation requirements,?intelligent,?groups?of industrial robot?antitune?operations have become?the key to solve the problem: for the?operation?of high speed,high precision,?heavy load,?industrial?robot?dynamics and kinematics?calibration,?force controland need further research:?the robot and the?operator?in the overlapping?work?space cooperation?homework problems,?then?on the structure?design,?Robot Perception?and?control research?and puts forward new requirements?to ensure the safety of?man-machine jointoperation.
In the industrial?field beyond,?robot has?wide application prospect in?medical services,?field survey,?deep space?exploration in the deep sea,?family service?and intelligent transportationand other fields.?In these areas,?the robot needs to be?in a dynamic,?unknown,?non?complex environment?structured?complete different types of?tasks,?which on the?robot's?adaptability to environment,?environmental perception,?autonomous control,?human-computer interaction?has put forward higher requirements.
1） Environmental adaptability.?The robot's?working environment?is?indoor,?outdoor,?volcano,?deep sea,?space,?and even the?extraterrestrial,?the?complex?terrain,?ground or?changes in?air pressure,?different temperature,?great?different irradiation,?the different gravity?conditions result in?mechanism design?and control?method of robot?design must be?targeted,?adaptability.Adaptation?has?shown,?when?run,?jump,?crawl,?walk?in different athletic ability?by biomimeticsegments?research,?robot mechanism?and control methods?for?different?environmental conditions?has important theoretical value?to improve?the?environmental adaptability of?the robot.
2） Environmental perceptions.?In the face of?the unknown,?complex,?dynamic?changes of?external environment,?robot?accurate?perception of the environment?is the basis for?decision making and?control.?The perception of?information?fusion,?environment modeling,?environmentalunderstanding,?learning mechanism is the?important research contents in environmentalperception.
3） Autonomous control.?In the face of?the dynamic changes in the?external environment,?the robot?must be?planning,?decision-making and control?based on the established?task andenvironment perception?results?using the?built-in?algorithm,?in order to achieve the?ultimate goal.?No?pre?or large?delay?in?ten?without?legal person?of ten?pre?conditions,?autonomous control?can ensure the?robot?to avoid danger,?complete the task.
4） Human computer interaction.?To enhance the?robot working?ability,?meet the?demand?of complex?tasks?is important.?Two dimensional?m
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