机器人的定义与分类

一、 机器人的定义
国际上,关于机器人的定义主要有如下几种:
(1) 英国牛津字典的定义:“机器人是貌似人的自动机,具有智力的和顺从于人的但不具人格的机器”。
(2) 美国机器人协会(RIA)的定义:“机器人是一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置的,通过可编程序动作来执行种种任务的,并具有编程能力的多功能机械手(manipulator)”。
(3) 日本工业机器人协会(JIRA)的定义:“工业机器人是一种装备有记忆装置和末端执行器(end effector)的,能够转动并通过自动完成各种移动来代替人类劳动的通用机器”。
(4) 美国国家标准局(NSB)的定义:“机器人是一种能够进行编程并在自动控制下执行某些操作和移动作业任务的机械装置”。
(5) 国际标准化组织(ISO)的定义:“机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能机械手,这种机械手有几个轴,能够借助于可编程序操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置,以执行各种任务”。
(6) 我国中科院沈阳自动化研究所的蒋新松院士将机器人定义为:“机器人是一种拟人功能的机械电子装置(a mechantronic device to imitate some human funtions)”。
上述各种定义有共同之处,即认为机器人(1)像人或人的上肢,并能模仿人的动作(2)具有智力或感觉与识别能力(3)是人造的机器或机械电子装置。随着机器人的进化和机器人智能的发展,这些定义都有修改的必要,甚至需要对机器人重新定义。
二、 机器人的分类
机器人的分类方法很多。主要有以下几种分类方法,即按机器人的几何结构、机器人的控制方式以及机器人的信息输入方式来分、按机器人的智能程度分、按机器人的用途分等。
1. 按机器人的几何结构来分
机器人机械手的机械配置形式多种多样。最常见的结构形式是用其坐标特征来描述的。这些坐标结构包括笛卡尔坐标结构、柱面坐标结构、极坐标结构、球面坐标结构和关节式球面坐标结构等。
2. 按机器人的控制方式分
按照控制方式可把机器人分为非伺服机器人和伺服控制机器人两种。
(1) 非伺服机器人(non-servo robots)。
非伺服机器人工作能力比较有限,它们往往涉及那些叫做“终点”、“抓放”或“开关”式机器人,尤其是“有限顺序”机器人。这种机器人按照预先编制好的程序顺序进行工作,使用终端限位开关、制动器、插销板和定序器来控制机器人机械手的运动;其工作原理如图??所示。图中,插销板用来预先规定机器人的工作顺序,而且往往是可调的。定序器是一种定序开关或步进装置,它能够按照预定的正确顺序接通驱动装置的能源。驱动装置接通能源后,就带动机器人的手臂、腕部和抓手等装置运动。当它们运动到由终端限位开关所规定的位置时,限位开关切换工作状态,给定序器送去一个“工作任务业已完成”的信号,并使终端制动器动作,切断驱动能源,使机械手停止运动。
(2) 伺服控制机器人(servo-controlled robots)。
伺服控制机器人比非伺服控制机器人有更强的工作能力,因而价格较贵,而且在某些情况下不如简单的机器人可靠。其工作原理如图??所示。伺服系统的被控制量(即输出)可为机器人端部执行装置(或工具)的位置、速度、加速度和力等。通过反馈传感器取得的反馈信号与来自给定装置(如给定电位器)的综合信号,用比较器加以比较后,得到误差信号,经过放大后用于激发机器人的驱动装置,进而带动末端执行装置以一定规律运动,达到规定的位置或速度等。显然,这就是一个反馈控制系统。
伺服控制机器人又可分为点位伺服控制和连续路径(轨迹)伺服控制两种。
(1)点位伺服控制机器人
点位伺服控制机器人能够在其工作包迹内精确地编入程序的三维点之间的运动。一般只对其端点进行示教,而且机器人以最快的和最直接的路径从一个端点移到另一个端点。可把这些端点设置在已知移动轴的任何位置上。点与点之间的操作总是有点不平稳,即使同时控制两根轴,它们的运动轨迹也很难完全一样。因此,点位伺服控制机器人用于只有终端位置是重要的而对编程点之间的路径和速度不作主要考虑的场合。
点位伺服控制机器人的初始化程序比较容易设计,但不易在运行期间对编程点进行修正。由于没有行程控制,所以实际工作路径可能与示教路径不同。这种机器人很大的操作灵活性,因而其负载能力和工作范围均名列前茅。液压装置是这种机器人系统最常用的驱动装置。
(2)连续路径(轨迹)伺服控制机器人
连续路径(轨迹)伺服控制机器人能够平滑地跟随某个规定的路径,其轨迹往往是某条不在预编程端点停留的曲线路径。因此这种机器人特别适用于喷漆作业。
连续路径(轨迹)伺服控制机器人具有良好的控制和运行特性,其数据是依时间采样的,而不是依预先规定的空间点采样。这样,就能够把大量的空间信息存储在磁盘或光盘上。这种机器人的运行速度较快,功率较小,负载能力也较小。喷漆、弧焊、抛光和磨削等加工是这种机器人的典型应用场合。
3. 按机器人控制器的信息输入方式分
采用这种分类法进行分类时,对于不同国家,也略有不同,但它们能够有统一的标准。这里主要介绍日本工业机器人协会(JIRA)、美国机器人协会(RIA)和法国工业机器人协会(AFRI)所采用的分类法。
(1) JIRA分类法
日本工业机器人协会把机器人分为六类:
① 手动操作手,是一种由操作人员直接进行操作的具有几个自由度的加工装置。
② 定序机器人,是按照预定的顺序、条件和位置,逐步地重复执行给定的作业任务的机械手,其预定信息(如工作步骤等)难以修改。
③ 变序机器人,它与第2类一样,但其工作次序等信息易于修改。
④ 复演式机器人,这种机器人能够按照记忆装置存储的信息来复现原先由人示教的动作。这些动作能够被自动地重复执行。
⑤ 程序机器人,操作人员并不是对这种机器人进行手动示教,而是向机器人提供运动程序,使它执行给定的任务。其控制方式与数控机床一样。
⑥ 智能机器人,它能够采用传感信息来独立检测其工作环境或工作条件的变化,并借助其自我决策能力,成功地进行相应的工作,而不管其执行任务的环境条件发生了什么变化。
(2) RIA分类法
美国机器人协会把JIRA分类法中的后四种机器当作机器人。
(3) AFRI分类法
法国工业机器人协会把机器人分为四种型号:
① 第1类,手控或遥控加工设备
② 包括第2类和第3类,具有预工作周期的自动设备。
③ 包括第4类和第5类,程序可编和伺服机器人,具有点位或连续路径轨迹,称为第一代机器人
④ 第6类,能获取一定的环境数据,称为第二代机器人。
4. 按机器人的智能程度分
(1)一般机器人,不具有智能,只具有一般编程能力和操作功能。
(2)智能机器人,具有不同程度的智能,又可分为:
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、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。
5. 按机器人的用途分
(1) 工业机器人或产业机器人,应用在工农业生产中,主要应用在制造业部门,进行焊接、喷漆、装配、搬运、检验、农产品加工等作业。
(2) 探索机器人,用于进行太空和海洋探索,也可用于地面和地下探险和探索。
(3) 服务机器人,一种半自主或全自主工作的机器人其所从事的服务工作可使人类生存得更好,使制造业以外的设备工作得更好。
(4) 军事机器人,用于军事目的,或进攻性的,或防御性的。它又可分为空中军用机器人、海洋军用机器人和地面军用机器人,或简称为空军机器人、海军机器人和陆军机器人。
6. 按机器人移动性分
(1) 固定式机器人
固定在某个底座上,整台机器人(或机械手)不能移动,只能移动各个关节。
(2) 移动机器人
整个机器人可沿某个方向或任意方向移动。这种机器人又可分为轮式机器人、履带式机器人和步行机器人,其中后者又有单足、双足、四足、六足和八足行走机器人之分。