自动化概论第5章自动化学科的前沿技术

1、自动化教研室自动化教研室第第5 5章章 自动化学科的前沿技术自动化学科的前沿技术主讲：顾德英主讲：顾德英 5.1 5.1 机器人及其应用机器人及其应用 5 5.2 .2 管控一体化系统管控一体化系统 5.3 5.3 柔性制造系统柔性制造系统 5.4 5.4 虚拟现实技术虚拟现实技术 5.1 5.1 机器人及其应用机器人及其应用 机器人的定义 机器人（robot)的概念最早出现在捷克作家恰配克的科幻作品罗索姆的万能机器人中。 机器人定义：是一种可编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可改变和可编程动作的专门系统。 是整合控制论、机械电子、计算机、材料和仿生

2、学的产物。目前在工业、医学、农业、建筑业甚至军事等领域中均有重要用途。 v 机器人能力的评价标准v 智能：指感觉和感知，包括记忆、运算、比较、鉴别、判断、决策、学习和逻辑推理等。v 机能：指变通性、通用性或空间占有性等；v 物理能：指力、速度、连续运行能力、可靠性、联用性、寿命等。v 机器人是具有生物功能的三维空间坐标机器。 v 机器人的组成 v 机器人一般由执行机构、驱动装置、检测装置和控制系统等组成。v 执行机构即机器人本体，其臂部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）常称为关节，关节个数通常即为机器人的自由度数。v 根据关节配置型式和运动坐标形式的不同，机器人执行机构可

3、分为直角坐标式、圆柱坐标式、极坐标式和关节坐标式等类型。v 出于拟人化的考虑，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。v 机器人一般由程序控制，具有人或生物的某些功能。v 智能机器人可以通过传感器了解外部环境或自身状态的变化，可以做出自己的逻辑推理、判断与决策。v 计算机是机器人的大脑，传感器是机器人的感觉器官，输入/输出设备是人与机器人的交互工具，常用的有显示器、键盘、示教盒、打印机、网络接口等。 人人i/o设备设备计算机硬件及软件计算机硬件及软件驱动器驱动器机器人本体机器人本体传感器传感器机器人控制系统的基本构成机器人

4、控制系统的基本构成v 机器人的分类v 工业机器人v 面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。v 特种机器人v 除工业机器人之外的、用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人，包括：服务机器人、水下机器人、娱乐机器人、军用机器人、农业机器人、机器人化机器等。v 空中机器人又叫无人机器，近年来在军用机器人家族中，无人机是科研活动最活跃、技术进步最大、研究及采购经费投入最多、实战经验最丰富的领域5.1.1 工业机器人工业机器人 工业机器人（industrial robot。简称ir）是广泛适用的能够自主动作，且多轴联动的机械设备。 在必要情况下配备有传感器，其动作步骤包括灵活的，转动都是可编程控制

5、的（即在工作过程中，无需任何外力的干预）。 它们通常配备有机械手、刀具或其他可装配的的加工工具，以及能够执行搬运操作与加工制造的任务。 工业机器人的构造 由主体、驱动系统和控制系统三个基本部分组成。主体：即机座和执行机构，包括臂部、腕部和手部，有的机器人还有行走机构。大多数工业机器人有36个运动自由度，其中腕部通常有13个运动自由度；驱动系统：包括动力装置和传动机构，用以使执行机构产生相应的动作；控制系统是按照输入的程序对驱动系统和执行机构发出指令信号，并进行控制。六自由度串联机械人六自由度串联机械人v 工业机器人的分类v 按臂部的运动形式分为四种。v 直角坐标型直角坐标型的臂部可沿三个直角坐

6、标移动；v 圆柱坐标型圆柱坐标型的臂部可作升降、回转和伸缩动作；v 球坐标型球坐标型的臂部能回转、俯仰和伸缩；v 关节型关节型的臂部有多个转动关节。v 按执行机构运动的控制机能，又可分点位型和连续轨迹型。v 点位型只控制执行机构由一点到另一点的准确定位，适用于机床上下料、点焊和一般搬运、装卸等作业；v 连续轨迹型可控制执行机构按给定轨迹运动，适用于连续焊接和涂装等作业。 按程序输入方式区分有编程输入型和示教输入型两类。 编程输入型是将计算机上已编好的作业程序文件，通过rs232串口或者以太网等通信方式传送到机器人控制柜。示教输入型的示教方法有两种： 一种是由操作者用手动控制器(示教操纵盒)，将

7、指令信号传给驱动系统，使执行机构按要求的动作顺序和运动轨迹操演一遍；另一种是由操作者直接领动执行机构，按要求的动作顺序和运动轨迹操演一遍。 在示教过程的同时，工作程序的信息即自动存入程序存储器中在机器人自动工作时，控制系统从程序存储器中检出相应信息，将指令信号传给驱动机构，使执行机构再现示教的各种动作。六自由度并联机器人六自由度并联机器人汽车生产线上的机器人汽车生产线上的机器人v弧焊机器人弧焊机器人5.1.2 特种机器人特种机器人v 特种机器人则是除工业机器人之外的、用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人，包括：服务机器人、水下机器人、娱乐机器人、军用机器人、农业机器人、机器人化机器等。v水

8、下机器人水下机器人v 海底压力非常大，而且环境恶劣，水下机器人必须具有足够的抗压能力和密封性能，它可以用于沉船打捞、海上救生、光缆铺设，资源勘探和开采等。v 水下机器人可以分为两大类：一类是有缆水下机器人，母船通过电缆向机器人提供动力，人可以在母船上遥控机器人；另一类是无缆水下机器人，自带能源，能自主潜航和操作，依靠自身的自治能力来完成人赋予的使命。v美国美国curv3curv3型有缆遥控水下机器人型有缆遥控水下机器人v美国海军研制的无缆水下机器人美国海军研制的无缆水下机器人aussauss洛克西德公司的无人水下航行器洛克西德公司的无人水下航行器无缆水下勘探机器人无缆水下勘探机器人v 空间机器

9、人空间机器人v 空间机器人是指在大气层内外从事各种作业的机器人，包括在内层空间进行观测和作业的飞行机器人、各种航天器或空间站使用的机器人、到其他星球上进行探测作业的星球探测机器人等。v 空间机器人工作在微重力、高真空、超低温、强辐射的环境中，一般要求重量轻、能耗低、可靠性高、抗干扰能力强、功能全、智能程度高。v 在未来的空间活动中，将有大量的空间加工、生产，装配、实验、维修等工作要依靠空间机器人来完成。国际空间站及组装、维修机器人国际空间站及组装、维修机器人 美国研制的美国研制的“nomad”月球探测机器人月球探测机器人美国的火星探测机器人美国的火星探测机器人 中国的月球探测车在进行沙漠实验中

10、国的月球探测车在进行沙漠实验 v服务机器人v 主要有清洁机器人、家用机器人、娱乐机器人、医疗及康复机器人、老年及残疾人护理机器人、办公及后勤服务机器人、建筑机器人、救灾机器人、酒店售货及餐厅服务机器人等。v 智能化是服务机器人发展的主要方向，最先进的智能化技术已经可以让机器人在综合智能方面达到人类3岁婴儿左右的智力水平，某些单项智能则可以接近甚至超过人类，但是要进一步提高综合智能水平却仍然是一个巨大的挑战。康复机器人康复机器人 一种新型假手一种新型假手 “ “导盲犬导盲犬”机器人机器人爬墙机器人爬墙机器人管道清洗机器人管道清洗机器人机器人灵巧手机器人灵巧手robocup足球机器人（类人组）足球

11、机器人（类人组）robocup足球机器人足球机器人微型机器人微型机器人清洗玻璃幕墙的机器人清洗玻璃幕墙的机器人机器人外科手术系统机器人外科手术系统 日本东京大学研制的日本东京大学研制的“hrp-2”服务机器人服务机器人5.2 5.2 管控一体化系统管控一体化系统v管控一体化系统（management-control integration system ，简称mci）。vmci是处于erp与现场控制层的中间层。mci采用计算机、网络、数据库、自动控制和接口通信等诸多先进技术，以生产过程控制系统为基础，通过对企业生产管理、过程控制等信息的处理、分析、优化、整合、存储、发布，运用现代化企业生产管理

12、模式建立覆盖企业生产管理与基础自动化的综合系统。将企业生产全过程的实时数据和生产管理信息有机集成并优化，实现企业信息共享和有效利用，实现企业生产经营过程的整体优化。v 管控一体化系统mci是一个数字化“大”系统。v 它不仅包含了企业底层生产过程控制、产品质量控制、设备运行状态监控、能源检测与监控等大量工业现场信息，而且覆盖了企业内部生产管理全过程，通过流程整体优化、信息集成和功能集成，实现对企业生产资源的计划、调度和控制，增加产品产量，提高产品质量，降低生产消耗和生产经营成本，提高整个企业的运营效率和市场竞争能力。 城市集中供热管控一体化系统结构框图彩电装配生产线中国首条全自动化重卡大冲生产线

13、5.3 柔性制造系统柔性制造系统 简称，是一组数控机床和其他自动化的工艺设备，由计算机信息控制系统和物料自动储运系统有机结合的整体。柔性制造系统由加工、物流、信息流三个子系统组成。 柔性制造系统是由统一的信息控制系统、物料储运系统和一组数字控制加工设备组成，能适应加工对象变换的自动化机械制造系统(flexible manufacturing system) 。v fms的工艺基础是成组技术，它按照成组的加工对象确定工艺过程，选择相适应的数控加工设备和工件、工具等物料的储运系统，并由计算机进行控制，故能自动调整并实现一定范围内多种工件的成批高效生产(即具有“柔性”)，并能及时地改变产品以满足市场需求。v 柔性制造系统的组成柔性制造系统的组成v (1)中央管理和控制计算机 v (2)物流控制装置 v (3)自动化仓库 v (4)无人输送台 v (5)制造单元 v (6)中央刀具库v (7)夹具站 v (8)信息传输网络 v