智能机器人论文

关于智能机器人的学习报告

姓名：XXX

学号：XXXXXXXXXXXX

专业：自动化

班级：2012-4

【摘要】人类社会发展至今，经历了蒸汽机，电气，信息3大工业革命，这

三次巨大的变革彻底改变了人类社会的发展与进程。而如今，机器人技术的发展

可以视为第四次工业革命。从世界上第一个机器人诞生到现在，机器人技术经历

了一个长期而缓慢的发展过程。随着计算机技术、微电子技术、网络技术等一系

列相关的飞速发展，机器人技术也得到了长足的发展。不仅工业机器人水平不断

提高，各种用于非制造业的先进机器人系统也有了很大的进展。机器人技术代表

了机电一体化技术的最高研究成果，涉及机械工程、电子技术、计算机技术、自

动控制理论及人工智能等多门学科，是当代科学技术发展最活跃的领域之一。机

器人的研究、制造和应用程度，在一定程度上代表了一个国家或公司科技水平和

经济实力。目前，国际上各大公司都在竞相研制各类先进机器人，以向世人展示

其强大的工业实力。

【关键字】分类结构硬件组成研究热点发展趋势

一、机器人分类

机器人按其智能程度可分为一般机器人和智能机器人。

一般机器人是指不具有智能，只具有一般编程能力和操作功能的机器人。到

目前为止，在世界范围内还没有一个统一的智能机器人定义。大多数专家认为智

能机器人至少要具备以下三个要素：一是感觉要素，用来认识周围环境状态；二

是运动要素，对外界做出反应性动作；三是思考要素，根据感觉要素所得到的

信息，思考采用什么样的动作。感觉要素包括能感知视觉、接近、距离的非接触

型传感器和能感知力、压觉、触觉的接触型传感器。这些要素实质上就相当于

人的眼、鼻、耳等五官，它们的功能可以利用诸如摄像机、图像传感器、超声波

传感器、激光器、导电橡胶、压电元件、气动元件、行程开关等机电元器件来

实现。对运动要素来说，智能机器人需要有一个无轨道型移动机构，以适应诸如

平地、台阶、墙壁、楼梯、坡道等不同的地理环境。它们的功能可以借助轮子、

履带、支脚、吸盘、气垫等移动机构来完成。在运动过程中要对移动机构进行实

时控制，这种控制不仅要包括位置控制，而且还要有力度控制、位置与力度混

合控制及伸缩率控制等。智能机器人的思考要素是三个要素中的关键，也是应赋

予机器人的必备要素。思考要素包括判断、逻辑分析、理解等方面的智力活动。

这些智力活动实质上是一个信息处理过程，而计算机则是完成这个处理过程的主

要手段。

智能机器人根据智能程度的不同又可分为三种：

(1)传感型机器人——具有利用传感信息(包括视觉、听觉、触觉、接近觉、

力觉和红外、超声及激光等)进行传感信息处理及实现控制与操作的能力。

(2)交互型机器人——机器人通过计算机系统与操作员或程序员进行人-机对

话，实现对机器人的控制与操作。

(3)自主型机器人——在设计制作之后，机器人无需人的干预，能够在各种环

境下自动完成各项拟人任务。智能机器人的研究从20世纪60年代初开始。经过

几十年的发展，目前，基于感觉控制的智能机器人(又称第二代机器人)已达到实

际应用阶段；基于知识控制的智能机器人(又称自主机器人或下一代机器人)也取

得较大进展，已研制出多种样机。

二、机器人的结构组成

机器人一般由执行机构、驱动装置、检测装置和控制系统和复杂机械五大部

分组成。具体如下：

执行机构——即机器人本体，其机械臂部分一般采用空间开链连杆机构，其

中的运动副（转动副或移动副）称为关节，关节个数通常等于机器人的自由度大

小。出于仿生学拟人化的考虑，常将机器人本体的有关部位分别称为基座、腰部、

臂部、腕部、手部（夹持器或末端执行器）和行走部（对于移动机器人）等。

驱动装置——驱使执行机构运动的机构，按照控制系统发出的指令信号，借

助于动力元件使机器人进行一系列动作。它的输入值是电信号，输出值是线位移

量和角位移量。机器人使用的驱动装置大部分是电力驱动装置，当然也有采用液

压、气动等进行驱动的机器人。

检测装置——其作用是在机器人运行实时检测机器人的运动及工作情况，根

据实际需要反馈给控制系统，与设定信息进行比较后，对执行机构发出调整指令，

以保证机器人的动作按照预定的要求进行。

控制系统——根据进行方式分类有两种。一种被称为集中式控制，即机器人

的全部控制交由一台计算机完成。另一种是分散（级）式控制，即采用多台计算

机来分担机器人不同部分的控制。而根据作业任务要求的不同，机器人的控制方

式又可分为点位控制、连续轨迹控制和力（力矩）控制等。

目前来讲，机器人在工业应用最为广泛（约占70％到80％），而工业机器人

中应用最广的是机械臂，目前一般机械臂的自由度数不超过6个，而有的时候工

厂为了降低制造成本，在满足一般生产要求动作的情况下，反而适当地减少l到

2个自由度以使效率最大化。从技术观点出发，把机器人手臂的6个自由度分成

两部分，即臂部确保3个自由度，腕部为l到3个自由度，这样的分配方法，符

合臂部3个自由度决定它在空间的位置，腕部3个自由度决定它的姿态的技术要

求。

机器人臂部的3个自由度可以由移动副和转动副以不同形式的组合而成，而

这种组合形式不仅决定了机器人手臂的运动坐标形式，同时也决定了机器人手臂

在空间运动范围内的不同的形状。各种坐标形式不同的臂部运动，即运动范围分

为以下四种：直角坐标型、圆柱坐标型、极坐标和关节型。

三、机器人的硬件组成

机器人系统具有3个基本部件：机械手、控制器及动力源。在某些机器人系

统中可以看到第4个部件，端部执行件，有关这些部件将在下面小节描述。这些

微信息处理器不是8位、16位就是32位的信息处理器。这种功能使控制器的运

行具有非常好的柔性。

控制器可通过通讯线路发出电子信号，发出能与机械手各轴线进行沟通的电

信号，机器人机械手与控制器之间这种双向交流可使系统的位置及运行维持在不

断修正及更新得状态下，控制器还可以控制安装在机器人手腕端部的任意工具。

控制器还有与工厂中不同计算机开展交流的任务，这个通讯网络可使机器人

成为计算机辅助制造（CAM）系统的一部分。

根据上述基本定义，机器人是一台可再编程序的多功能机械手。所以，控制

器必须包含某种形式的记忆存储器，以微信息处理器为基础的系统常与固态记忆

装置连同运行。这些记忆装置可以是磁泡、随机存取记忆装置、软塑料磁盘或磁

带。每种记忆存储装置均可存储编程信息以便以后回忆使用。

动力源是向控制器及机械手供给动力得装置，有两类动力供给机器人系统。

一类动力是供控制器运行的交流点动力，另一类被用于驱动机械手各轴。例如，

若机器人的机械手由液压或气压装置控制，则控制信号被发送到这些装置才能使

机器人运动。

每个机器人系统均需要动力来驱动机械手，这种动力既可由液压动力源、气

压动力源，也可以由电力动力源提供，这些动力源是机器人工作单元总的部件及

设备中的一部分。

当液压动力源与及机器人机械手底座相连接，液压源产生液压流体，这些流

体输送到机械手各控制元件，于是，使轴绕机器人底座旋转。

压力空气被输送到机械手，使轴沿轨道作直线运动，也可将这种气动源连接

到钻床，它可为钻头的旋转提供动力。一般情况下，可从工厂得供给站获取气动

源并做调整，然后将它输入机器人机械手的轴。

电动机可以是交流式的，也可以是直流式的。控制器发出的脉冲信号被发送

到机械手得电机。这些脉冲为电机提供必要的指令信息以使机械手在机器人底座

上旋转。

用于机械手轴的三种动力系统任一种均需要使用反馈监督系统，这种系统会

不断地将每个轴位置数据反馈给控制器。

每种机器人系统不仅需要动力来开动机械手的轴，还需要动力来驱动控制器，

这种动力可由制造环境的动力源提供。

在大部分机器人应用的场合见到的端部执行件均是机械手手腕法兰相连接

的一个装置，端部执行件可应用于生产领域中许多不同场合，例如，它可用于捡

起零件，用于焊接，或用于喷漆，端部执行件为机器人系统提供了机器人运行时

必须的柔性。

通常所设计得端部执行件可满足机器人用户的需要。这些部件可由机器人制

造商或机器人系统的物主制造。

端部执行件事机器人系统中唯一可将一种工作变成另一种工作的部件，例如，

即日起可与喷水割机相连，它在汽车生产线上被用于切割板边。也可要求机器人

将零件安放到磁盘中，在这简单的过程中，改变了机器人端部执行件，该机器人

就可以用于其它应用场合，端部执行件得变更以及机器人的再编程序可使该系统

具有很高的柔性。

机器人技术最经常使用的传感器分为接触式的与非接触式的。接触式传感器

可以进一步分为触觉传感器、力和扭矩传感器。触觉或接触传感器可以测出受动

器端与其他物体间的实际接触，微型开关就是一个简单的触觉传感器，当机器人

得受动气端与其他物体接触时，传感器是机器人停止工作，避免物体间的碰撞，

告诉机器人已到达目标；或者在检测时用来测量物体尺寸。力和扭矩传感器位于

机器人得抓手与手腕的最后一个关节之间，或者放在机械手得承载部件上，测量

反力与力矩。力和扭矩传感器有压电传感器和装在柔性部件上的应变仪等。

非接触传感器包括接近传感器、视觉传感器、声敏元件及范围探测器等。接

近传感器和标示传感器附近的物体。例如，可以用涡流传感器精确地保持与钢板

之间的固定的距离。最简单的机器人接近传感器包括一个发光二极管发射机和一

个光敏二极管接收器，接收反射面移近时的反射光线，这种传感器的主要缺点是

移近物对光线的反射率会影响接收信号。其他得接近传感器使用的是与电容和电

感相关的原理。

传感器有静态探测与闭环探测两种使用方法。当机器人系统的探测和操作动

作交替进行时，通常就要使用传感器，也就是说探测时机器人不操作，操作时与

传感器无关，这种方法被称为静态探测，使用这种方法，视觉传感器先寻找被捕

捉物体的位置与方向，然后机器人径直朝那个地点移动。

相反，闭式探测的机器人在操作运动中，始终受传感器的控制，多数视觉传

感器都采用闭环模式，它们随时监测机器人的实际位置与理想位置间的偏差，并

驱动机器人修正这一偏差。在闭环探测中，即使物体在运动，例如在传送带上，

机器人也能抓住它并把它送到预定位置。

为使机器人完成各种任务和动作所执行的各种控制手段。作为计算机系统中

的关键技术，计算机控制技术包括范围十分广泛，从机器人智能、任务描述到运

动控制和伺服控制等技术。既包括实现控制所需的各种硬件系统，又包括各种软

件系统。最早的机器人采用顺序控制方式，随着计算机的发展，机器人采用计算

机系统来综合实现机电装置的功能，并采用示教再现的控制方式。随着信息技术

和控制技术的发展，以及机器人应用范围的扩大，机器人控制技术正朝着智能化

的方向发展，出现了离线编程、任务级语言、多传感器信息融合、智能行为控制

等新技术。多种技术的发展将促进智能机器人的实现。

四、机器人的研究热点和发展趋势

机器人技术虽然已经取得了很大的发展，但是在很多方面还是有待完善。目

前机器人技术的研究方向有如下几类：

机器人机构技术——目前研究重点是机器人新的结构、功能及可实现性，其

目的是使机器功能更强、柔性更大、满足不同目的的需求，同时研究机器人一些

新的设计方法，探索新的高强度轻质材料，进一步提高负载自重比，并且机器人

机构向着模块化、可重构方向发展。

机器人控制技术——目前重点研究开放式、模块化控制系统，努力使人机界

面更加友好，使机器人操作系统具有良好的语言及图形编辑界面，同时机器人的

控制器的标准化和网络化以及基于PC机网络式控制器也成为研究热点。

数字伺服驱动技术——目前正研究利用计算机技术，探索高效的控制驱动算

法，提高系统的响应速度和控制精度。同时利用现场总线（FILDBUS）技术，实

现分布式控制。

多传感系统技术——目前研究热点集中在有效可行的（特别是在非线性及非

平稳非正态分布的情形下）多传感器融合算法，以及解决传感系统的实用化问

题。

机器人应用技术——机器人应用技术主要包括机器人工作环境的优化设计

和智能作业。优化设计主要利用各种先进的计算机手段，实现设计的动态分析和

仿真，提高设计效率和优化；智能作业则是利用传感器技术和控制方法，实现机

器人作业的高度柔性和对环境的适应性，同时降低操作人员参与的复杂性。目前

用于实践的机器人作业主要靠人的参与实现示教，缺乏自我学习和自我完善的能

力。这方面的研究工作刚刚开始。

机器人网络化技术——网络化使机器人由独立的系统向群体系统发展，使远

距离操作监控、维护及遥控脑型工厂成为可能，这是机器人技术发展的一个里程

碑。目前，机器人仅仅实现了简单的网络通讯和控制，网络化机器人是目前机器

人研究中的热点之一。

机器人灵巧化和智能化发展——机器人结构越来越灵巧，控制系统愈来愈小，

其智能也越来越高，并正朝着一体化方向发展。

参考文献：

[1]2009-2011中国工业机器人发展趋势与前景分析报告

[2]韩建海《工业机器人》

[3]郭绍义《机械工程概论》

[4]李允明《国外仿人机器人发展概况》