机器人及其相关零件的发展

1绪论

? ? 美国机器人工业协会中对机器人的定义为:“机器人是一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置，通过可编程动作来执行各种任务，并具有编程能力的多功能操作机”
? ? 日本工业机器人协会对机器人的定义为：“机器人是一种带有记忆装置和末端执行器的、能够通过自动化的动作而代替人类劳动的通用机器”
国际标准化对机器人的定义为：“机器人是一种能够通过编程和自动控制来执行诸如作业或者移动等任务的机器”
? ? 中国对机器人的定义为：“机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相类似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协调能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器”

2 机器人发展史

? ? 早在我国西周时代（公元前1066年~前771年），就流传着有关巧匠偃师献给周穆王一个艺妓（歌舞机器人）的故事，有《列子·汤问》篇记载为证。还流传了这么一个典故：偃师造人、唯难于心。就是说技艺再好，人心难造。
? ? 春秋时代（公元前770年—前467年）后期，被称为木匠祖师爷的鲁班，利用竹子和木料制造出一个木鸟。它能在空中飞行，“三日不下”，这件事在古书《墨经》中有所记载，这可称得上世界第一个空中机器人。
? ? 三国时期的蜀汉（公元221年—263年），丞相诸葛亮既是一位军事家，又是一位发明家。他成功地创造出“木牛流马”，可以运送军用物资，可成为最早的陆地军用机器人。
? ? 1495年达·芬奇在手稿中绘制了西方文明世界的第一款人形机器人，它用齿轮作为驱动装置，由此通过两个机械杆的齿轮再与胸部的一个圆盘齿轮咬合，机器人的胳膊就可以挥舞，可以坐或者站立。更绝的是，再通过一个传动杆与头部相连，头部就可以转动甚至开合下颌。而一旦配备了自动鼓装置后，这个机器人甚至还可以发出声音。后来，一群意大利工程师根据达·芬奇留下的草图苦苦揣摩，耗时15年造出了被称作“机器武士”的机器人。
? ? 1737年：法国发明家雅克?沃康松（Jacques Vaucanson）制造了一只发条鸭子，它可以扇动翅膀、发出嘎嘎叫声，以及摄入和消化食物。

? ? 1958年，美国阿拉贡试验室李先推出世界第一个现代实用机器人——仆从机器人。这是一个装在四轮小车上的遥控机器人，其精彩的操作表演，曾在第二届和平利用原子能大会上引起与会科学家的极大兴趣。
? ? 1966年，斯坦福大学人工智能研究中心开始了谢克机器人的研发工作，这是第一台移动机器人，它被赋予了有限的观察和环境建模能力，控制它的计算机要填满整个房间。
? ? 1969年，日本早稻田大学加藤一郎实验室研发出世界上第一台以双脚走路的机器人。加藤一郎长期致力于研究仿人机器人，被誉为“仿人机器人之父”。日本专家一向以研发仿人机器人和娱乐机器人的技术见长，后来更进一步，催生出本田公司的ASIMO和索尼公司的QRIO。
? ? 1971年，日本机器人协会成立，这是世界上第一个国家机器人协会。
? ? 1973年，第一台机电驱动的6轴机器人面世。德国库卡公司（KUKA）将其使用的Unimate机器人研发改造成其第一台产业机器人，命名为Famulus，这是世界上第一台机电驱动的6轴机器人。
? ? 1978年 美国Unimation公司推出通用工业机器人PUMA，这标志着工业机器人技术已经完全成熟。PUMA至今仍然工作在工厂第一线。
? ? 1979年，斯坦福推车（StanfordCart）诞生，这是一辆四轮漫游者，它的眼睛是摄像头，通过分析以及对自己的路线进行编程，它能够在一个满是椅子的房间里绕开障碍物行进。
? ? 1979年，日本不二越株式会社研制出第一台电机驱动的机器人。
? ? 1987年，国际机器人联合会成立。
? ? 1993年，一台名为但丁（Dante）的八脚机器人试图探索南极洲的埃里伯斯火山，这一具有里程碑意义的行动由研究人员在美国远程操控，开辟了机器人探索危险环境的新纪元。
? ? 1996年瑞典家电巨头伊莱克斯(Electrolux)制造了世界上第一台量产型扫地机器人的原型——“三叶虫”。
? ? 1997年，小个头的“旅居者”探测器开始了自己的火星科研任务，它的最高行走时速为0.02英里，这台机器人探索了自己着陆点附近的区域，并在之后三个月中拍摄了550张照片。
? ? 1998年，一款毛茸茸的类蝙蝠机器人成为当时年末购物旺季最抢手的玩具，它的名字是菲比娃娃。这款30美元的玩具会随着时间的推移而“进化”，它一开始只能胡言乱语，但很快就能学会使用预编程的英语短句。在12个月之内，菲比娃娃售出了2700多万件。
? ? 1999年，索尼公司的机器狗“爱宝”（AIBO）让科技产品爱好者一见倾心，这款售价2000美元的机器狗能够自由地在房间里走动，并且能够对有限的一组命令做出反应。
? ? 2000年，本田汽车公司出品的人形机器人阿西莫（ASIMO）走上了舞台，它身高1.3米，能够以接近人类的姿态走路和奔跑。
? ? 2002年，iRobot公司发布了Roomba真空保洁机器人，这款造型类似飞盘的产品售出了600多万台。从商业角度来看，它是史上最成功的家用机器人。
? ? 2004年，美国宇航局的“勇气号”探测器登陆火星，开始了探索这颗星球的任务。这台探测器在原先预定的90天任务结束后继续运行了6年时间，总旅程超过7.7公里。
? ? 2005年，斯坦利自动驾驶汽车成功越野行驶212公里，它由斯坦福大学的一个小组研发而成。在无人驾驶机器人挑战赛中，斯坦利自动驾驶汽车第一个穿过终点，最终赢得200万美元大奖。
? ? 2012年，“发现号”航天飞机的最后一项太空任务是将首台人形机器人送入国际空间站。这位机器宇航员被命名为“R2”，它的活动范围接近于人类，并可以执行那些对人类宇航员来说太过危险的任务。美国宇航局表示，“随着我们超越低地球轨道，这些机器人对美国宇航局的未来至关重要。”
? ? 2012年，内华达州机动车辆管理局颁发了世界第一张无人驾驶汽车牌照，该牌照被授予一辆丰田普锐斯，这辆车使用谷歌公司开发的技术进行了改造。到目前为止，谷歌的无人驾驶汽车已经累计行驶30多万公里，且未造成任何事故。
? ? 2015年，大阪大学和京都大学等的研究团队开发出可使用人工智能流畅对话的美女机器人“ERICA”。
? ? 2016年，在 2016年3月15日举行的围棋比赛中，谷歌子公司、英国人工智能初创企业DeepMind研发的人工智能系统AlphaGo击败围棋世界冠军李世石。对于DeepMind研发团队来说，这是个重要里程碑。它意味着，不管在任何情况下，人类创造的人工智能可以学习如何解决问题。而“深蓝”只能预先编程，仅用于特定情况

3 机器人相关关键零件的发展

? ? 如果仅仅有感官和肌肉，人的四肢还是不能动作。一方面是因为来自感官的信号没有器官去接收和处理，另一方面也是因为没有器官发出神经信号，驱使肌肉发生收缩或舒张。同样，如果机器人只有传感器和驱动器，机械臂也不能正常工作。原因是传感器输出的信号没有起作用，驱动电动机也得不到驱动电压和电流，所以机器人需要有一个控制器，用硬件坨和软件组成一个的控制系统。
? ? 机器人控制系统的功能是接收来自传感器的检测信号，根据操作任务的要求，驱动机械臂中的各台电动机就像我们人的活动需要依赖自身的感官一样，机器人的运动控制离不开传感器。机器人需要用传感器来检测各种状态。机器人的内部传感器信号被用来反映机械臂关节的实际运动状态，机器人的外部传感器信号被用来检测工作环境的变化。
? ? 所以机器人的神经与大脑组合起来才能成一个完整的机器人控制系统。
? ? 机器人控制系统的组成：
? ? 1.执行机构：电机，如伺服电机或步进电机；
? ? 2.驱动机构：驱动器，如伺服或者步进驱动器；
? ? 3.控制机构：运动控制器，做路径和电机联动的运动运算控制，如以单片机或微机处理器为核心的运动控制器；
? ? 4.控制方式：有固定执行动作方式的，那就编好固定参数的程序给运动控制器；如果有加视觉系统或者其他传感器的，根据传感器信号，就编好不固定参数的程序给运动控制器。

3.1 执行机构：电机发展史

? ? 1820年7月21日，丹麦哥本哈根大学教授、物理学家奥斯特发现了“电流的磁效应”，建立了电磁的相互联系，诞生了电磁学。
? ? 1821年英国著名物理学家法拉第制成了第一个实验电机的模型，1822年法拉第证明电可以做功运动，人类进入电气时代。随着第一台实用发电机的成功发明，第二次工业革命拉开序幕。后续法拉第又在1831年发现了电磁感应现象，在电磁学的研究过程中，他创造了诸如抗磁性、顺磁性、电介质、力线、阴离子、阳离子等新词汇，提出了“场”的概念。
? ? 法拉第制造了第一台实验性电动机，发电机、第一台变压器，研究过气体的液化、光学、电化学，是名副其实的电学之父以及交流电之父。
? ? 1870年比利时人格拉姆发明直流发电机。在设计上，直流发电机和电动机十分相似。后来，格拉姆证明向直流发动机输入电流，其转子会像电机一样旋转。于是，这种格拉姆型电机被大量制造，效率得到明显提高。
? ? 1888年美国发明家特斯拉根据电磁感应原理发明了交流电动机。这种电动机结构简单，使用交流电，无需整流，无火花，被广泛应用于工业的家庭电器中，交流电动机通常用三相交流供电。
? ? 电机主要由转子、定子、电刷、端盖及轴承等部件构成。定子是由定子铁芯、机座、线包绕组、及固定这些部件的其他结构件组成。转子由转子磁极、转子铁芯、滑环、转轴及风扇等部件组成。发电机电流的产生是通过轴承、机座及端盖将发电机的定子，转子连接组装起来，使转子在定子中旋转，通过滑环通入一定励磁电流，使转子成为一个旋转磁场，定子线圈做切割磁力线的运动，从而产生感应电势。通过接线端子引出，接在回路中，这样就产生了电流。由于电刷与转子相连处有断路处，使转子按一定方向转动，产生交变电流，简称交流电。
? ? 在电机的发展中首先得到发展的是直流电机，直流电机的发展前半部分大致可以划分为以永磁体作为磁场的阶段，以电磁铁作为磁极的阶段以及改变励磁方式阶段。因为电机的使用必须要由直流发电机提供电流，所以在这三个发展阶段中励磁技术是直流电机得以发展的一个关键性技术，他为发电机提供技术理论支撑，电机的发展随着发电机的发展而进步，也就使得电机进入到新的应用阶段。
? ? 1854年丹麦的赫尔特.维尔纳兄弟申请了自激式发电机的专利。此后科学家们又发明了串激式自激发电机和自并励发电机，大大改变了直流发电机的性能，使得直流电机发展进入新阶段。
? ? 直流电机的完善阶段集中于19世纪六七十年代，在这个阶段齿状电枢、环状电枢以及鼓型转子被先后发明，新技术大大降低了电机生产成本，电机进入实际应用的时代。
? ? 随着直流发电技术的发展，直流发电机可以发出的最大电压为57.6千伏，输出最大功率为4650千瓦，输送的距离可以达到180公里。但是这很快就达到了技术上的极限，交流电动机开始受到重视。
? ? 1889年俄国工程师杜列夫-杜波洛沃尔斯基发明了鼠笼式三相电动机，这是第一台能够使用的三相交流电动机，至此电动机发展到了可以进入工业应用的阶段。
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，他就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为步距角，他的旋转是以固定的角度一步一步运行的，可以用过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的，同时可以通过控制脉冲频率来控制电机的速度和加速度，从而达到调速的目的。这种开环控制方式下，转子的实时位置对整个控制系统没有反馈作用，使得步进电机一度不适合在精度要求更加苛刻、高速运行和响应能力快的一些领域中的应用。
? ? 伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在磁场的作用下转动，伺服电机接收到一个脉冲，就会旋转一个脉冲对应的角度，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度，形成闭环，所以伺服电机精度略高于步进电机，响应能力快、高速性能好，但是伺服驱动器成本高，涉及到的参数多、使用手册长，且不同品牌的驱动器区别可能就很大。
? ? 步进电机是通过控制脉冲的个数控制转动角度的，一个脉冲对应一个步距角。
? ? 伺服电机是通过控制脉冲时间的长短控制转动角度的。
? ? 五十年代，无刷电机和直流电机实现了产业化，并在计算机外围设备和机械设备上获得了广泛的应用；七十年代则是直流伺服电机的应用最为广泛的时代。
1978年汉诺威贸易世博会上，正式推出MAC永磁交流伺服电机和驱动系统，这标志着此种新一代交流伺服技术已经进入实用化阶段。
? ? 从七十年代后期到八十年代初期，随着微处理器技术、大功率高性能半导体功率器件技术和电机永磁材料制造工艺的发展及其性能比的日益提高，交流伺服技术、交流伺服控制系统逐渐称为主导产品。
? ? 八十年代中后期，许多公司都已有完整的系列产品，整个伺服装置市场都转向了交流系统。
? ? 到目前为止，高性能的伺服系统大多采用永磁同步型交流伺服电机，控制驱动器多采用快速、准确定位的全数字位置伺服系统。

3.2 驱动系统：驱动器的发展

? ? 步进电动机和步进电动机驱动器构成步进电机驱动系统，步进电机不能直接接到直流或者交流电源上，必须使用专用的驱动电源（步进电机驱动器）。步进电动机驱动系统的性能，不但取决于步进电动机自身的性能，也取决于步进电动机驱动器的优劣。对步进电动机驱动器的研究几乎是与步进电动机的研究同步进行的。
? ? 步进电机驱动器是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速和定位的目的。
? ? 伺服驱动器又称伺服控制器，是用来控制伺服电机的一种控制器，当前交流伺服驱动器设计中普遍采用基于矢量控制的电流、速度、位置3闭环控制算法。该算法中速度闭环设计合理与否，对于整个伺服控制系统，特别是速度控制性能的发挥起到关键作用。

3.3 运动控制器的发展

? ? 目前运动控制器可分为三类：
? ? （1）以单片机或者微处理器作为核心
这类运动控制器速度较慢，精度不高，成本相对较低，在一些只需要低俗点位运动控制和轨迹要求不高的轮廓运动控制场合应用。
单片机把大部分功能都集成在一小块芯片中，因此可以完成一个计算机的大部分功能，他提供CPU、内存、内外部总线系统，在外部还提供集成通讯接口，定时器等外围设备，有的单片机甚至可以集成声音、图像、网络等，实现强大而全面的控制功能。
在机器人系统中，单片机使其能实现准确跟踪、定位、探测、语音、声控、液晶显示等功能，表现出较高的智能化。
? ? （2）以专用芯片作为核心处理器
以专用芯片作为核心处理器的运动控制器，这类运动控制器结构比较简单，但这类运动控制器只能输出脉冲信号，工作于开环控制方式。
? ? （3）基于PC总线的DSP和FPGA作为核心处理器
? ? FPGA（Field Programmable Gate Array）是在PAL （可编程阵列逻辑）、GAL（通用阵列逻辑）等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。FPGA多用于视频分割系统和通信行业，伴随5G网络的建设，初期会大量应用FPGA，机器人行业使用FPGA作为伺服驱动、运行实时操作系统作为控制器或者利用FPGA打造工业相机
? ? DSP（数字信号处理 Digital Signal Processing，简称DSP），DSP芯片即指能够实现数字信号处理技术的芯片。在基于视觉及模式识别的机器人控制系统中，需要对采集到的图像进行实时处理，这时经常使用高性能的数字信号处理器（如TMS320C6416 DSP芯片）作为机器人视觉系统中的专用图像处理芯片，实现在动态图像中获取静态图像从而对此采集的图像进行处理和识别。
? ? 基于PC总线的以DSP和FPGA作为核心处理器的开放式运动控制器，这类运动控制器以DSP芯片作为运动控制器的核心处理器，以PC机作为信息处理平台，运动控制器以插卡形式嵌入PC机，即“PC+运动控制器”的模式。这样将PC机的信息处理能力和开放式的特点与运动控制器的运动轨迹控制能力有机结合在一起，具有信息处理能力强、开放程度高、运动轨迹控制准确、通用性好的特点。这类控制器充分利用了DSP的高速数据处理能力和FPGA的超强逻辑处理能力，便于设计出功能完善、性能优越的运动控制器。这类运动控制器通常都能提供板上的多轴协调运动控制和复杂的运动轨迹规划、实时地插补运算、误差补偿、伺服滤波算法，能够实现闭环控制。

3.4 减速器的发展历史

? ? 工业机器人主要包括控制系统、动力系统及本体机械结构三大部分。减速机是动力系统子结构传动装置的核心零部件，其主要功能是达到减速增矩的作用。
? ? 从成本上来说，目前全球机器人产业的成本构成，35%左右是减速器，20%左右是伺服电机，15%左右是控制系统，机械加工本体可能只占15%左右，其他的部分主要就是应用。同时减速器是动力系统子结构传动装置的核心零部件。可以看出，减速器是制约机器人产业发展的关键因素。
? ? 减速器就是调节齿轮机械的传动，种类有三种：RV减速器、谐波减速器和行星减速器。
? ? RV减速机（旋转矢量（Rotary Vector）减速器的简称）是在传统摆线针轮、行星齿轮传动装置的基础上发展起来的传动机构。随着市场和技术的发展，成为了工业机器人（尤其是中大型工业机器人）上关节驱动的核心部件。它由日本纳博特斯克（Nabtesco）公司的前身——日本帝人制机公司于1985年完成研发，并获得日本专利，次年进行销售。
? ? RV减速器在国际上仅有极少数国家能生产，最近几年，虽然国内也有量产的RV减速器，产品性能指标短期内能达到要求，但由于质量控制和工艺的问题，很容易磨损报废，所以鲜有国产机器人企业选用。

? ? 谐波传动是一种靠波发生器使柔性齿轮产生可控的弹性变形波实现运动和动力传递的传动。谐波减速器诞生于上世纪美苏月球探测时期，主要是为了解决航天运动机构对结构紧凑、质量轻、体积小而减速比大、传动效率高、传动精度高的减速器的迫切需求。谐波机械传动原理是前苏联工程师A.摩察尤唯金于1947年首次提出，而美国的C.WaltonMusser根据空间应用需求于1953年发明了谐波减速机，并于1955年获得美国专利，1960年在纽约展出谐波减速器实物。1961年谐波减速引入中国，国内开始在谐波减速机的设计、制造和应用方面展开了研究。谐波减速器的组成如图所示，主要包括刚轮、柔轮和波发生器等三个部件组成。

? ? 目前应用于机器人领域的减速器主要有RV减速器和谐波减速器两种，在关节型机器人中，由于RV减速器具有更高的刚度和回转精度，一般将RV减速器放置在基座、大臂、肩部等重负载的位置，而将谐波减速器放置在小臂、腕部或者手部。对于高精度机器人减速器，日本具备绝对领先优势，目前机器人行业75%的精密减速器被日本的Nabtesco和HarmonicDrive两家垄断。
? ? 关键部件，特别是减速器，进口比例较高，就会导致国内制造机器人成本高。国内企业购买减速器的价格是国外企业的价格的将近数倍。这样国产机器人难以形成价格优势，只有年产量上500-1000台，才有一定的规模效应。因此，中国如果想要形成机器人产业化， 摆脱国外机器人企业的掣肘，在机器人领域赢得自主，必须要将减速器国产化加速提上日程。

3.5 机器人控制方式的发展

? ? 自20世纪60年代初研制出尤尼梅特和沃沙特兰这两种机器人以来，机器人按发展进程一般可分为三代：
? ? 第一代的机器人是示教再现机器，它完全按照事先装入到机器人存储器中的程序安排的步骤进行工作。程序的生成及装人有两种方式，一种是由人根据工作流程编制程序并将它输人到机器人的存储器中；另一种是“示教-再现”方式，所谓“示教”是指在机器人第一次执行任务之前，由人引导机器人去执行操作，即教机器人去做应做的工作，机器人将其所有动作一步步地记录下来，并将每一步表示为一条指令，示教结束后机器人通过执行这些指令以同样的方式和步骤完成同样的工作（即再现）。
? ? 无论外界环境怎么样改变，都不会改变动作；如果任务或环境发生了变化，则要重新进行程序设计。这一代机器人能成功地模拟人的运动功能，它们会拿取和安放、会拆卸和安装、会翻转和抖动，能尽心尽职地看管机床、熔炉、焊机、生产线等，能有效地从事安装、搬运、包装、机械加工等工作。目前国际上商品化、实用化的机器人大都属于这一类，目前在汽车工业和电子工业自动线上大量使用的就是这类机器人。这一代机器人的最大缺点是它只能刻板地完成程序规定的动作，不能适应变化了的情况，—旦环境情况略有变化（如装配线上的物品略有倾斜），就会出现问题。更糟糕的是它会对现场的人员造成危害，由于它没有感觉功能，有时会出现机器人伤人的情况。日本就曾经出现机器人把现场的一个工人抓起来塞到刀具下面的情况。
? ? 第二代的机器人是带传感器的机器人，第二代机器人的主要标志是自身配备有相应的感觉传感器，如视觉传感器、触觉传感器、听觉传感器等，并用计算机对其进行控制。这种机器人通过传感器获取作业环境、操作对象的简单信息，然后由计算机对获得的信息进行分析、处理、控制机器人的动作,可对外界环境的变化做出简单的判断并相应调整自己的动作，以减少工作出错、产品报废。。由于它能随着环境的变化而改变自己的行为，故称为自适应机器人。目前，这一代机器人也已进人商品化阶段，主要从事焊接、装配、搬运等工作。第二代机器人虽然具有一些初级的智能，但还没有达到完全“自治”的程度，有时也称这类机器人为人-眼协调型机器人。
? ? 第三代机器人是智能机器人，这是指具有类似于人的智能的机器人，即它具有感知环境的能力，配备有视觉、听觉、触觉、嗅觉等感觉器官，能从外部环境中获取有关信息，具有思维能力，能对感知到的信息进行处理，以控制自己的行为，具有作用于环境的行为能力，能通过传动机构使自己的“手”、“脚”等肢体行动起来，正确、灵巧地执行思维机构下达的命令。

4 结语

? ? 随着制造业对于精细化生产的要求，市场对产品稳定性及可靠性的保证，更多的制造业企业朝向自动化、数字化、智能化方向升级。物联网、大数据、人机交互等关键技术的加速突破，推进了服务机器人下游应用场景的扩展，已延伸至娱乐、教育、餐饮、医疗等各个领域，特定场景的服务机器人将迎来发展机遇。
? ? 中国机器人市场发展较快，市场规模约占全球市场三分之一，同时也是全球第一大工业机器人市场，相信在中国制造向“中国智造”升级中，机器人会扮演越来越重要的角色。

来源：anthony-36