| 单词 | 仿生机械与机器人机械学 |
| 释义 | 【仿生机械与机器人机械学】 是仿生机械与机器人学中的一个主要学科。仿生机械是模仿生物的形态、结构控制和动作原理设计制造出的功能集中并具有生物特征的机械。15世纪意大利列奥纳多·达芬奇曾模仿鸟类飞行，并绘制出扑翼机图；人类根据水生动物尾鳍摆动式推进系统的生物力学原理，设计出一种摆动板推进系统。机器人是当代仿生机械中发展最迅速的一部分，机器人学几乎概括了仿生机械学的绝大部分研究内容。 机器人是一种可编程的能执行某些操作作业或动作的自控制机器。自从1962年美国Umimation公司生产第1台Unimate机器人以来，工业机器人开始在工业中得到广泛应用。现代工业生产已从大量生产自动化时代进入多品种小批量生产自动化时代，工业机器人在这个时代中起着极重要的作用。此外，机器人在核能、海洋开发、康复、防火、军事及其他极限环境作业中，越来越显示出广阔的应用前景。机器人学是一门综合机械电子学、计算机科学和信息科学等多个学科的新兴边缘学科，它主要研究如何使机器人具有部分人体或动物体动作功能、感知和思维能力。一个完整的机器人系统由机器人机构、传感器、控制和信息处理四部分组成。机器人机构部分由操作机和移动机构两大部分组成。当这两部分单独存在时，前者简称为机器人，后者简称为移动机器人，用于测量机器人本身位姿、速度和加速度的传感器称内部传感器，用于测量外部环境和作业对象工况的传感器称外部传感器。控制部分直接用来控制机器人的运动。它主要包括驱动系统、存储PTP运动目标点和CP运动轨迹数据装置，以及位置控制电路等。信息处理部分主要用于软件伺服或在智能机器人中，将传感器感知的外界状态处理变换成相应的动作信息。机器人按技术发展进程可分为：第1代机器人，包括可编程机器人及遥控操作机等，可编程机器人可根据操作人员所编程序完成一些简单重复性作业，遥控操作机的每一步动作都要靠操作人员发出。第2代机器人即感知机器人，带有外部传感器，可进行离线编程，能在传感系统支持下，具有不同程度感知环境并自行修正程序的功能。第3代机器人是自治式机器人，不仅具有感知功能，还具有一定决策和规划的能力。它根据人的命令或按照所处环境，自行作出决策、规划动作，即按任务编程。机器人机械学是分析、设计、研究和发展机器人机械系统的学科。机器人机械系统与机器人控制系统，感受系统和信息系统等构成一个紧密联系的整体。机械系统性能的优劣直接影响其他系统及其相关软、硬件的复杂程度。机器人机械学的主要研究领域、概况及其发展趋势如下：1．机器人运动学及动力学。既含有一般运动学和动力学的内容，又反映针对机器人的独特性。由于一般机器人是在关节空间中进行伺服控制和在非线性方程求解中涉及多值性和奇异现象，因此按给定手部位姿求解关节变量的逆向问题就成为机器人运动学中的一个主要内容；在运动学逆解中，雅可比矩阵的速算法占有特殊的地位，由于机器人为一多自由度可编程工作系统，因此有手部运动轨迹规划、工作空间、位姿精度分析补偿等研究内容。由于机器人动力学方程的非线性和强耦合，因此研究显得十分复杂和困难；为满足控制的实时性，动力学递推算法、并行算法和数符法等高效算法一直被人们所重视。一般机器人运动学逆问题均已解决，但对有任意结构和有冗余度机器人运动学逆问题还研究得不充分；其他如雅可比矩阵的高效算法、灵活工作空间的解析评定、避越障碍物的轨迹规划，机器人位姿误差特别是动态误差的研究，检测和软硬件补偿等研究仍有待于深入。在动力学方面，很多学者对拉格朗日方程算法和牛顿－欧拉方程算法作了不少有利于实时计算的工作。此外还有用凯恩方程、阿沛尔方程、广义达伦贝尔原理等建模途径进行研究探索。考虑到构件弹性变形，将有限元法、结构动力学等理论引入机器人动力学中已取得一些研究成果，但如何简单化并用于实际，还有待深入。至于以改进机器人动力学性能和简化动力学方程出发，以及考虑运动副间隙和关节柔性的机器人动力学还远未得到解决。2．机器人CAD技术。该技术于70年代末开始发展起来。早在1978年德国Warneoke等就开发出了机器人图形仿真程序包IPA，继后美国、英国、日本、加拿大和南斯拉夫等开发了不少机器人CAD软件包，由于CAD技术的引入，丰富了机器人机械学的研究内容，提高了研究水平，它一直受到各国的重视。人们利用计算机的快速性，可研究含更多影响因素的动力学及弹性动力学模型，研究振动、精度及运动态仿真等；利用计算机大存贮能力，建立机器人各种应用程序库，开展机器人优化设计方法，综合性能快速评价，结构与尺寸的分析和综合研究；利用图形装置和CAD交互显示技术，开展机器人轨迹规划，奇异位姿、逆运动学有效解、回避障碍各种算法、多臂多机器人协调作业、机器人与物流协调作业等研究；利用计算机的逻辑功能、开展机器人人工智能及专家系统的研究。CAD技术在机器人中应用概括起来有3个方面的内容：其一是针对操作机本身特性的，如运动学、动力学、运动轨迹、碰撞等的研究；其二是离线编程的研究，着重于利用CAD生成满意的运动方案后，如何自动转换成机器人控制程序去驱动控制器动作；其三是对柔性制造系统，柔性装配系统或计算机集成制造系统中应用机器人诸多问题进行研究。3．机器人新结构、新机型。生产中广泛应用的工业机器人操作机其机械模式仍沿袭着一种具有人臂部分动作功能的关节式开环机构，它由手臂、手腕和末端执行机器组成。这种模式往往结构复杂、动静态刚度低、造价昂贵。为适应机器人高速、高精度、大承载和轻量化的发展需要，除对原有结构模式进行深入研究外，还出现不少新结构和新机型，这对机器人控制系统的创新，扩大用户市场和降低制造成本都有着十分重大的影响。如瑞曲ASEA公司对原机型进行了研究改进使手臂尺寸及关节转角明显的增大，从而扩大了动作范围；美国Graco公司在喷漆机器人上已采用新型结构的复合材料。1981年SCARA型机器人问世后，机器人结构模式出现了一个较大的创新，使机器人结构简化，造价降低，出现了更多的用户市场。对这类机型日本、美国有关研究单位仍在进行深入的研究工作。并联多杆机器人操作机具有高定位精度和高承载能力，它日益被人们所重视。机器人机构模块化设计正在这些国家中得到发展。为适应机器人高速、高精度的需要，出现弹性手臂的研究，新型结构材料机器人手臂的研究。仿人肌腱式手腕，直接驱动式球形手腕等一批新手腕正在趋近实用化阶段。为了有效地实现柔顺插装作业，各类主动、被动、主被动复合柔顺手腕的研究，已成为手腕开发中的一个主要内容。为了充分扩大机器人的使用功能和应用，各类新型末端执行器，手爪自动更换装置及多手爪等正在不断开发和研究出来。工业机器人的驱动方式主要采用电伺服式，但是在负载小的机器人中也有发展气伺服式。随着直接驱动机器人的出现，机器人技术又有了新的进展。用于非制造业的其他机器人，正以独特的型式得到迅速地发展，它们如水下机器人、管道机器人、爬壁机器人、柔性手臂、各种军用防化机器人等，显著地提高了各产业的自化程度。4．机器人应用工程。现代生产中机器人都是与周边设备组成机器人系统一起应用的。机器人周边设备主要是指在机器人系统中，实现工作对象的整列、传送、定位、物料处理和检测等通用和专用装置。有效的周边设备是机器人系统发挥作用的重要因素。机器人应用工程是鉴别、考核机器人性能的实际场所，又是推动机器人技术发展的主要动力。因此国际上有多个国家，多个研究生产单位联合专门从事机器人应用工程的研究、设计和工程承包。如西欧四国共同开发的尤里卡计划中设有“柔性自装配系统”的开发计划、美国AAA公司专门从事机器人应用工程的研究。据美国1986年对工业机器人特尔斐(Delphi)法预测表明，到2000年应用机器人的比例将有较大的变化，与1985年情况相比，焊接和喷漆机器人在所有的应用中将从46%下降到25%，装配和检验机器人的应用将从16%增至35%。5．移动(或步行)机器人。移动方式可以是与地面连续接触的轮式和履带式，这类方式技术成熟，应用较广。由仿生学发展出来的多足式，移动时与地面作离散式接触，因此能自由行走于崎岖不平地带或松软地面，并能上下阶梯和跨越大障碍，这类步行机集中反映了多方面高技术的集成，有重要的科学价值和实用价值。随着对步行机构、步态和计算机控制研究的深入，对两足、四足、六足步行机构开展了实验样机的研究工作，一般这类样机由于步行速度低、耗能大，对地面适应能力差，离实用化尚一定距离。两足步行机的地面适应能力最强，但实用两足步行机的研制难度最大。四足步行机具有较大的承载能力，造价较低易于实用化。仿昆虫行走的六足步行机，地面适应能力差，但行走稳定性容易解决，因而也发展很快。6．微型机器人。80年代末，国际上在微型机械电子学方面出现了一个新的势头，人们正研究利用集成电路微细加工技术将机构及其驱动器、传感器、控制器、电源集成于几立方毫米的多晶硅片上，因而获得完备的机电一体的微机械电子系统。微型机器人广泛用于农业、工业、航天、医学、军事、航海及家庭服务各领域中，对国民经济将带来巨大的影响。为此美国科学财团(NST)支持8所大学制造出直径20μm、长150μm的铰链连杆，210μm×100μm的滑块机构和其他微型齿轮、曲柄、弹簧等微型元件；制造转子为60μm，转速150r／min的实用静电电动机；每分钟20ml的液压泵等。日本政府也开始投资从事微型机械电子学研究。美国麻省理工学院智能机械研究室有关科学家根据当前研究工作基础与发展趋势，对未来微型机器人的用途作了科学预言：微型机器人的应用特征是大规模使用用来完成一件事情，以代替一般机器人无法完成的作业或收集信息。例如：扔下千万个微型机器人去咀嚼在航行中轮船底部的贝类和苔藓，节约航行能源；外科医生遥控微型机器人作微米级眼网膜开刀手术；医生利用微型机器人清通脑血栓患者的阻塞动脉；接通切断神经；载有传感器的飞行微型机器人侦察农田干旱现象，并及时降落在接受干旱信息的装置上，打开阀门、定量、定点地灌溉农田等等。【参考文献】：1 SME Robotics Deplphi Report，The Industrial Robot，1985，82 刘尊棋，吉布尼，钱伟长，等，简明不列颠百科全书(4)1985，141～1433 沈鸿，等，中国大百科全书(机械工程I)，1987，173～2314 蒋新松，机器人，1987，1∶3～105 Porter A L．Robotics Today，19876 季解委，机器人情报，1988，47 怡然，自x动化技术快报，1988，48 郭宇先，机器人发展的历史、现状、趋势，哈尔滨：哈尔滨工业出版社，19899 彭商贤，张启先，等，机器人，1991，3∶48～53(天津大学智能机械研究所彭商贤撰) |
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