5.4 微操作机器人 微操作机器人分类 微细作业机器人 (10-3—10-6 m) 超微细作业机器人 (10-6—10-9m)

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1 5.4 微操作机器人 微操作机器人分类 微细作业机器人 (10-3—10-6 m) 超微细作业机器人 (10-6—10-9m) 5·4.2 微操作机器人介绍 (1)具有视觉反馈的微操作机器人 (2) 双动式微操作机器人 (3) STM的"原子移位" (4) 纳米移动机器人 关键技术与相关理论  1.操作手及作业平台 2.智能操作系统及控制系统 3. 微操作相关理论问题

2 5.5 微机器人应用 （1）生物工程 （2）超LS1制造 （3）MEMS制造 （4）纳米加工 （5）星球探险 （6） 空间飞行微机器人 （7）军用微小机器人

3 第 6章 空间机器人 空间机器人是指在大气层内、外从事各种作业的机器人，包括在内层空间飞行并进行观测、可完成多种作业的飞行机器人，到外层空间其他星球上进行探测作业的星球探测机器人和在各种航天器里使用的机器人。 6.1 飞行机器人 1. 体积小、重量极轻的大功率高能量密度的发动机和电源 2.要研究产生升力的新方法，要解决在低雷诺数空气动力 学环境下的飞行稳定与控制问题。 3.飞行控制。如何控制微型飞行机器人的飞行是另一个难点。 微型飞行机器人技术 主要包括三个方面: 一是微型飞行器平台; 二是相关的部件技术; 三是它的发射方式

4 5.2 星球探测机器人 星球探测机器人所涉及的关键技术如下。 (1)星球探测机器人在重量、尺寸和功耗等方面受到的严格限制。 （2）星球探测机器人如何适应空间温度、宇宙射线、真空、反冲原子等苛刻的末知环境。 （3）如何建立一个易于操作的星球探测机器人系统。

5 5.3 航天器应用的机器人 发射卫星，漫步月球，建立空间站等，宇宙将成为人类另一个生存的空间已不是幻想。 太空作业：修理人造卫星故障 太空中长期进行材料试验和生物化学试验 目前，国际上正在进行航天器应用机器人的研究开发。例如，日本计划进行三个与机器人项目相关的太空实验。 (1)日本实验舱用机械手 (JEMRMS) TEMRMS是由日本、欧洲和俄罗斯联合试验的，在美国宇宙轨道站的日本试验舱内进行搬运、更换试验机器和辅助实验等作业的机器人系统。该系统由全长约10m的主臂及安装在主臂臂端长约1.3m的子臂组成。主臂用于搬运实验舱或大型机器，子臂用于实施更换作业，由加压舱内的专用操纵台进行控制。

6 (2) 机械手飞行实验 (MFD) 该实验的目的是验证空间机械手的操作性能，其机构采用1.3m长的日本实验舱用机械手 (JEMEMS)的小型手臂。机器人手臂与作业对象机器一起装载在航天飞机的货舱内，通过监视屏幕，在航天飞机的加压舱内，由宇航员进行操纵。在航天飞机飞行时，以更换单元和开关门为试验对象，对机器人进行实验，以得出对机器人操作控制性能和作业性能的评价。 (3) 技术试验卫星VII型 (ETS-VTT) ETS-VII卫星主要以开发空间机器人技术、空间会合对接技术以及在空间轨道上进行试验为目的。在地面上通过远程遥控操作控制机器人的动作，进行更换单元、操纵桁架结构物、操纵滑动摇柄、捕捉浮游物和控制标靶卫星等各种作业试验。

7 在设计上需要特别考虑以下一些因素: 轻量化，受发射条件制约，需要尽可能减轻航天器应用机器人的重量，以降低发射成本; 耐环境性，航天器应用机器人要能够适应升空时的振动及太空中的极限环境; 抓取超量重物，航天器应用机器人通常要能操纵超过自身重量的作业对象; 浮游物的反作用，飞行中卫星对机器人的反作用; 固定物体，为了避免错误地释放物体，必须将物体进行固定。

8 航天器应用机器人设计的关键技术有以下几方面。
(1)机器人机构的润滑 宇宙空间为10--5Pa以下的超真空场合，在这样的环境下，通常地面上使用的润滑油会蒸发掉，导致润滑不良，并且被蒸发的润滑油会在周围的光学及其他仪器上再次凝结，引起光学特性恶化。 固体润滑剂： 金、银、铅等软金属 具有层状结晶结构的硫族物质 聚四氟乙烯等高分子材料组成 (2)电气设备 机器人的控制计算机通讯处理和图像处理部分都是由多个CPU构成的计算机系统。此外，控制计算机和电机驱动回路要采用耐放射性、耐真空、宽耐温性的部件构成。使用的部件重点确保可靠性及在严格设计标准的前提下，努力实现高集成化和轻量化。

9 (3)图像处理 在航天器应用机器人上可设置带有标准标记的标识体，将其作为检测对象，进行相对位置、姿态图像检测及反馈定位。为了实现完全自动化，还需要开发无需使用标识体即可采用图像处理方法识别对象物和进行位置检测的方法。 (4)控制系统 航天器应用机器人在使用时需要有对其进行控制的编程语言。可以将地面用机器人语言附加上太空用功能后进行改编，构成专用的机器人语言体系。航天器应用机器人还应采用自动和人工两种控制方式，并具备力控制功能。

10 21世纪机器人技术的发展趋势 回顾近10多年来国内外机器人技术的发展历程，可以归纳出下列一些特点和发展趋势。 1. 传感型智能机器人发展较快 作为传感型机器人基础的机器人传感技术有了新的发展，各种新型传感器不断出现。 例如，超声波触觉传感器 静电电容式距离传感器 基于光纤陀螺惯性测量的三维运动传感器 视觉系统等 多传感器集成与融合技术在智能机器人上获得应用。 采用多传感器集成和融合技术，利用各种传感信息，获得对环境的正确理解，使机器人系统具有容错性，保证系统信息处理的快速性和正确 。

11 在多传感集成和融合技术研究方面，人工神经网络的应用特别引人注目，成为一个研究热点。如：应用人工神经网络的非线性映射功能，能够补偿一般方法无法补偿的误差因素，有效地补偿了工业机器人的运动学误差。
2.开发新型智能技术 智能机器人有许多诱人的研究新课题，对新型智能技术的概念和应用研究正酝酿着新的突破。 虚拟现实(virtual reality,VR)技术是新近研究的智能技术，它是一种对事件的现实性从时间和空间上进行分解后重新组合的技术。这一技术包括三维计算机图形学技术、多功能传感器的交互接口技术以及高清晰度的显示技术。 虚拟现实技术可应用于遥控机器人和临场感通讯等。 形状记忆合金(SMA)被誉为"智能材料"。SMA的电阻随温度的变化而改变，导致合金变形，可用来执行驱动动作，完成传感和驱动功能。可逆形状记忆合金(RSMA)也在微型机器上得到应用。

12 多智能机器人系统(MARS)是近年来开始探索的又一项智能技术，多个机器人主体具有共同的目标，完成相互关联的动作或作业。MARS的作业目标一致，信息资源共享，各个局部运动的主体在全局前提下感知、行动、受控和协调，是群控机器人系统的发展。 在诸多新型智能技术中，基于人工神经网络的识别、检测、控制和规划方法的开发和应用占有重要的地位。基于专家系统的机器人规划获得新的发展，除了用于任务规划、装配规划、搬运规划和路径规划外，又被用于自动抓取规划。 3.采用模块化设计技术 智能机器人和高级工业机器人的结构要力求简单紧凑， 其高性能部件甚至全部机构的设计已向模块化方向发展; 其驱动采用交流伺服电机，向小型和高输出方向发展; 其控制装置向小型化和智能化发展，采用高速CPU和32位芯片、多处理器和多功能操作系统，提高机器人的实时和快速响应能力。

13 半导体真空加工用真空机器人，超净工作室自主搬运机器人
4.机器人工程系统呈上升趋势 在生产工程系统中应用机器人，使自动化发展为综合柔性自动化，实现生产过程的智能化和机器人化。近年来，机器人生产工程系统获得不断发展。汽车工业、工程机械、建筑、电子和电机工业以及家电行业在开发新产品时，引入高级机器人技术，采用柔性自动化和智能化设备，改造原有生产手段，使机器人及其生产系统的发展呈上升趋势。 ·汽车 ·电气和电子 ·通用机械 自动装配机器人，码垛堆积和分装机器人 半导体真空加工用真空机器人，超净工作室自主搬运机器人 自动磨削和抛光，自动喷水切割，用于料箱取料和移动物体识别的三维辨识机器人，自动仓库顺序取料机器人，多产品混合流水线柔性装配系统，智能制造系统

14 ·有色金属 铸铝自动去毛刺(倒角)和切口，熔炉自动浇铸
·钢铁 铸铁自动去毛刺(倒角)和切口，转炉钢水包自动修理 ·石油 石油容器的自动清洗、检查和喷涂 ·木材加工 木器的自动抛光和精整 ·造纸 高级纸张的自动预装检查 ·纺织 自动缝制系统 ·食品加工 肉类去骨和加工自动化

15 5. 微型机器人的研究有所突破 有人称微型机器和微型机器人为21世纪的尖端技术之一。已经开发出手指大小的微型移动机器人，可用于进人小型管道进行检查作业。预计将生产出毫米级大小的微型移动机器人和直径为几百微米甚至更小(纳米级)的医疗机器人，可让它们直接进人人体器官，进行各种疾病的诊断和治疗，而不伤害人的健康。 微型驱动器是开发微型机器人的基础和关键技术之一。它将对精密机械加工、现代光学仪器、超大规模集成电路、现代生物工程、遗传工程和医学工程产生重要影响。 在大中型机器人和微型机器人系列之间，还有小型机器人。小型化也是机器人发展的一个趋势。小型机器人移动灵活方便，速度快，精度高，适于进人大中型工件进行直接作业。 比微型机器人还要小的超微型机器人，应用纳米技术，将用于医疗和军事侦察目的。

16 6.应用领域向非制造业和服务业扩展 开发适应于非结构环境下工作的机器人将是机器人发展的一个长远方向。这些非制造业包括航天、海洋、军事、建筑、医疗护理、服务、农林、采矿、电力、煤气、供水、下水道工程、建筑物维护、社会福利、家庭自动化、办公·学动化和灾害救护等。 下面给出非制造业应用智能机器人技术的一些典型例子。 ·太空 空间站服务机器人(装配、检查和修理)，机器人卫星(空间会合、对接与轨道作业)，飞行机器人飞人员和材料运送及通讯)，空间探索(星球探测等)和资源收集，太空基地建筑，卫星回收以及地面试验平台等 。 ·海洋(水下) 海底普查和采矿机器人，海上建筑的建筑与维护，海难救援机器人，海况检测与预报系统。

17 ·建筑 钢结构自动加工系统，防火层喷涂机器人，混凝土地板研磨机器人，外墙装修机器人，天花板和灯具安装机器人，外墙清洗、喷涂、检验和瓷砖铺设机器人，钢筋混凝土结构检验机器人，桥梁自动喷涂，小管道和电缆地下铺设，混凝土预制板自动安装等 ·采矿 金属和煤炭自动采掘机器人，矿井安全监控机器人 ·电力 配电线带电作业机器人，绝缘子自动清洗，变电所自动巡视机器人，核电站反应堆检查与维护机器人，核反应堆拆卸机器人等 ·煤气及供水 管道安装、检查和修理机器人，容器检查、修理和喷涂机器人

18 ·农林渔业 剪羊毛机器人，挤牛奶机器人，水果自动采集，化肥和农药喷洒空中机器人，森林自动修剪和砍伐，鱼肉自动去骨、切片、分选和包装 ·医疗 神经外科感知机器人，胸部肿瘤自动诊断机器人，体内器官和脉管检查及手术微型机器人，用于外科手术的多指手等 ·社会福利 老年人和卧床不起病人护理机器人，残疾人员支援系统，人工肢等

19 7.行走机器人研究引起重视 目前运行的绝大多数机器人都是固定式的，它们只能固定在某一位置进行操作，因而其应用范围和功能受到限制。近年来，对移动机器人的研究受到重视，使机器人能够移动到固定式机器人无法到达的预定目标，完成设定的操作任务。 行走机器人是移动机器人的一种，包括步行机器人(二足、四足、六足和八足)和爬行机器人等。自主式移动机器人是研究最多的一种。自主机器人能够按照预先给出的任务指令，根据已知的地图信息作出全局路径规划，并在行进过程申，不断感知周围局部环境信息，自主地作出决策，引导自身绕开障碍物，安全行驶到达指定目标，并执行要求的动作与操作。

20 8.开发敏捷制造生产系统 工业机器人必须改变过去那种"部件发展方式"，而优先考虑"系统发展方式"。随着工业机器人应用范围的不断扩大，机器人早已从当初的柔性上下料装置，发展成为可编程的高度柔性加工单元。随着高刚性及微驱动问题的解决，机器人作为高精度、高柔性的敏捷性加工设备的时代，迟早将会到来。不论机器人在生产线申起什么样的作用，它总是作为系统中的一员而存在。我们应该从组成敏捷生产系统的观点出发，考虑工业机器人的发展。 从系统观点出发，首先要考虑如何能和其他设备方便地实现连接及通讯。机器人和本地数据库之间的通讯从发展方向看是场地总线，而分布式数据库之间刚采用以太网。从系统观点来看，设计和开发机器人必须考虑和其他设备互联和协调工作的能力。

21 机器人编程方式是一个大问题。目前仍在广泛应用的示教编程方式，在机器人发展的历史上起过不可磨灭的作用。如今，机器人作为一个群体在生产线上工作，例如汽车车身组装线，有的多达上百台机器人。当投产一个新产品时，仍采用示教方式编程，则占用时间过长，严重影响生产效率。生产进入敏捷制造后，因为产品变化非常频繁，这一问题就显得更加突出，应该说到了非解决不可的时候了。 要解决这个问题，可从三方面着手: 一是改进结构，改善加工精度; 二是在开发新一代控制器时，有必要重新研究误差补偿问题，研究实用化方法; 三是引人传感器来补偿机械精度。 这一问题的解决，可使机器人的编程与机床的数控设备一样，完全可以实现离线编程，再加上易于大规模安全修改的软件，就可实现"敏捷制造生产线"。

22 9. 军用机器人将装备部队 由于微小型机器人体积小，因而生存能力特别强，具有广泛的应用前景。例如，一种名叫“扁虱”的无人驾驶飞行机器人，它是一种只有昆虫大小的半自主机器人，它可以附着在敌人装备的某一部分上，深入敌人的防线，秘密地侦察敌人的目标。它也可以向敌人的通讯系统中注入一个功率脉冲进行干扰，或爬到敌人的机械装备中去破坏发动机等关键部件。 研究发现，陆军的机器人是相当先进的。未来无人地面车辆的大小可分为以下几类: 微型(由昆虫到老鼠那么大)， 超小型(像猫一样大)， 小到中型(大狗到自行车到轻便马车那样大)， 大型(吉普车及卡车那么大)。

23 已经提出一种称为"机器人附属部队"的概念，这种部队的核心是有人系统，它的周围是一些装有武器及传感器的各种无人系统。无人车辆是有威慑力的，当敌人对一支强大的一次性使用的部队进行攻击时，它们必然要三思而行。 也许将来需要一种新的组织形式“机器人兵团”。机器人大部队需要有知识水平更高的陆军人员，将来甚至可能出现独特的军事科学院，专门培养按按钮的新的陆军部队。 一些人认为，一般机器人学的最大的难题是需要把机器人的机动性和人工智能提高一个数量级。战场机器人需要对传感器数据进行处理及自动进行规划，机器人的机动性有时应当达到与人员驾驶时相同的水平。 自主并非自由意志。聪明的有自由意志的机器人是人们所不希望的。可能还没有什么技术基础能够阻止自主机器人杀手的出现，但是能够独立决定是否要杀人的机器人系统这种想法本身就非常令人不安。使机器人具有寻找目标并把目标杀死的权力，这本身就会产生伦理问题，并会增加战争的危险性。人类应当禁止制造和使用这种机器人。

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