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第4章 种类繁杂——机器人的分类(2)

搬运机器人可安装不同的末端执行器以完成各种不同形状和状态的工件搬运工作,这就大大减轻了人类繁重的体力劳动。

目前,世界上使用的搬运机器人超过10万台,被广泛应用在机床上下料、冲压机自动化生产线、自动装配流水线、码垛搬运、集装箱等的自动搬运。部分发达国家已制定出人工搬运的最大限度,超过限度的必须由搬运机器人来完成。

(5)亲身涉险——采矿机器人

采矿业是一种劳动条件相当恶劣的生产行业,存在着振动、粉尘、煤尘、瓦斯、冒顶等不安全因素,这些不安全因素极大地威胁着井下工人的生命安全。

因此,采矿业迫切要求开发各种不同用途的机器人以取代人类从事的各种有毒、有害及危险环境下的工作。

此外,采掘工艺一般比较复杂,这种复杂工作很难用一般的自动化机械完成,采用带有一定智能并且具有相当灵活度的机器人是目前最理想的方法。

①特殊煤层采掘机器人

目前,人们一般都用综合机械化采煤机采煤,但对于薄煤层这样一类的特殊情况,运用综合机械化采煤机采煤就很不方便,有时甚至是不可能的。因此,采用遥控机器人进行特殊煤层的采掘是最佳的方法。这种采掘机器人能拿起各种工具,比如高速转机、电动机和其他采爆器械等,并且能操作这些工具。

这种机器人的肩部装有强光源和视觉传感器,这些能及时将采区前方的情况传送给操作人员。

②凿岩机器人

这种机器人是利用传感器来确定巷道的上缘,这样就可以自动瞄准巷道缝,然后把钻头按规定的间隔布置好,钻孔过程用微机控制,随时根据岩石硬度调整钻头的转速和力的大小以及钻孔的形状,这样可以大大提高生产率,人只要在安全的地方监视整个作业过程就行了。

③井下喷浆机器人

井下喷浆作业是一项很繁重并且危害人体健康的作业,目前这种作业主要由人操作机械装置来完成,这种方法的缺陷很多。采用喷浆机器人不仅可以提高喷涂质量,也可以将人从恶劣和繁重的作业环境中解放出来。

④瓦斯、地压检测机器人

瓦斯和冲击地压是井下作业中的两个不安全的自然因素,一旦发生突然事故,是相当危险和严重的。但瓦斯和冲击地压在形成突发事故之前,都会表现出种种迹象,如岩石破裂等。采用带有专用新型传感器的移动式机器人,连续监视采矿状态,以便及早发现事故突发的先兆,人们就可以采取相应的预防措施。

随着机器人研究的不断深入和发展,采矿机器人的应用领域会越来越宽,经济效益和社会效益也会越来越显着。

(6)按部就班——食品工业机器人

目前人们已经开发出的食品工业机器人有包装罐头机器人、自动午餐机器人和切割牛肉机器人等。在这里我们以用机器人来切割牛的前半身为例来对食品工业机器人做一简要的介绍。

从设计机器人的角度来看,切割牛的前半身要考虑的细节十分的复杂,因为从牛的身体结构来看,每头牛的肢体虽然大致一样,但还是有很多不相同的地方。机器人系统必须要选择对每头牛的最佳切割方法,最大限度地减少牛肉的浪费。实际上,要使机器人系统能熟练地模仿一个熟练屠宰工人的动作,最终的解决办法将是把传感器技术、人工智能和机器人制造等多项高技术集成起来,使机器人系统能自动适应产品加工中的各种变化。

切割牛肉的机器人将要加工的牛的肢体与数据库中存储的以前的牛的肢体的切割信息进行比较来加工每一头牛,这样就可以沿着每刀切割所定的初始路线方向来确定刀的起点和终点,然后用机器人驱动刀切入牛的身体里面。

传感器系统监视切割时所用力量的大小,来确定刀是否在切割骨头,同时把信息反馈给机器人控制系统,以控制刀片只沿着骨头的轮廓移动,从而避免损坏刀片。

在具体操作时,每一头牛的前半身通过固定装置送给机器人屠宰系统,并且由机器人的视觉装置进行鉴定。视觉装置的图像数据连同存储在数据库里的其他牛的前半身参数:比如重量、牛的身体结构等,一起送入机器人的数据处理系统中进行处理,确定与待切割牛的前半身最为相似的初始鉴定数据。这样就可以提供切割的起刀点,起刀方向和初始路线,并利用初始路线来检验现在被切割牛的前半身的切割进展情况。

如果发现在数据库中没有与之相匹配的数据,则机器人系统可以根据预先确定的程序来确定起刀点,并且存储这个数据,留待以后使用。当每一刀切割完成以后,机器人系统就自动地转移到下一个起刀点,开始下一刀的切割过程,也就是重复上面的步骤。当最后一刀切割结束时,牛的骨头就被剔出,整个过程也就处理完毕了,于是装送装置自动送入下一头牛的前半身,开始新的一轮切割过程。

现在研制成功的切割牛肉的机器人能切下占总重量60%的牛肉,人们还在不断地改进它的性能,以便使它能切下更多的牛肉。

(7)省时省力-涂胶机器人

随着制造业的不断发展,机器人在涂胶等行业也逐步有了相当广泛的应用。

设计一个涂胶系统的首要任务是根据机器人所要完成的工作,先确定机器人的结构组成,可以是龙门式、挂壁安装式等,再按工作要求所给出各轴的运动行程、负载、运动速度、加速度、动作周期来选每个运动轴直线运动单元的型号,所配驱动电机及所配精密行星减速机的型号。

采用机器人后可以使涂胶和点胶的工作效率大为提高,省去大量人力,大量降低成人工成本。

(8)技艺非凡-核工业机器人

核电站是核能利用的一个重要方面,受到了世界各国的高度重视。但是这些核电站在建造阶段没有考虑使用机器人遥控作业技术的应用,因此,现有的核电站应用机器人就必须以其定型的格局为前提,选择合适的机器人来完成某些任务。

核工业机器人是应用在辐射环境下的特种机器人。机器人在这里完成的工作不是在生产线的规定位置完成已经安排好的任务,它要完成的是位置不定的多种多样变化的工作。

随着核工业和机器人技术的发展,不少国家研制成功了真正的远距离控制的核工业机器人。例如有美国的SAMSIN型、德国的EMSM系列、法国的MA23-SD系列等。

目前大多数核工业机器人采用的是车轮或履带,或车轮和履带相结合的行走方式,只有少数的机器人采用多足或两足行走方式。

为了实现远距离控制,核工业机器人具有各种各样的传感器设备。

现在研制成功的核工业机器人一般都携带有照明灯、摄像机和导航设备,并且通过一根很柔软的电线连接到它的机械手上,这样它就可以顺利地在现场行走,到达目的地。

核工业机器人是一种十分灵活,能做各种姿态运动以及可以操作各种工具的设备,对危险环境有着极好的应变能力。一般的核工业机器人需要有这样的几个特点:

①适应不同的环境和高可靠性。机器人在核电站内进行工作时,多半是操作高放射性物质,一旦发生故障,不仅本身将受到放射性污染,而且还会造成污染范围的扩大。所以要保证核工业机器人有很强的环境适应能力和很高的可靠性,使它在工作时不会发生故障。

②适用性强。核电站内的设备很多,各种管道错综复杂,通道狭隘,工作空间小。因此要求核工业机器人能顺利通过各种障碍物和狭隘的通道,并且最好能根据需要操作不同的设备。

现在世界上的核工业机器人已经有几百台了,然而这些机器人大多缺乏感知功能(如视觉、听觉、触觉等),手的灵巧性也不够,对付核工业的恶劣环境影响的能力还有待提高。这些都是发展新型核工业机器人所要克服的困难。

第二节生活助手——服务机器人

服务机器人是机器人家族中的一个年轻成员,其应用的范围很广,主要从事维护保养、修理、运输、清洗、保安、救援、监护等工作。

国际机器人联合会给服务机器人下的定义是:服务机器人是一种半自主或全自主工作的机器人,它能完成有益于人类健康的服务工作,但不包括从事生产的设备。

除割草机器人外,世界装备的服务机器人几乎都是行业用的机器人。这些专用机器人的主要应用领域有:医用机器人、多用途移动机器人平台及清洁机器人。

从需求及设备和现有的技术水平方面来看,残疾人用的机器人还没有达到人们预期的目标。未来10年,助残机器人肯定会成为服务机器人中一个关键的领域,许多重要的研究机构正在集中力量开发这类机器人。

就服务机器人的总体来看,普及方面的主要困难一个是价格问题,另一个是用户对机器人的益处、效率及可靠性不十分了解。

1.方便快捷——医用机器人

医用机器人是用于医院、诊所的医疗或辅助医疗的机器人。

目前常见的医用机器人主要有运送物品的机器人、移动病人的机器人、临床医疗用的机器人和为残疾人服务的机器人等。

其中运送药品的机器人可代替护士送饭、送病例和化验单等,较为着名的有美国TRC公司的“HelpMate”机器人。

移动病人机器人主要帮助护士移动或运送瘫痪和行动不便的病人,如英国的“PAM”机器人。

临床医疗用机器人包括外科手术机器人和诊断与治疗机器人,可以进行精确的外科手术或诊断,如日本的“WAPRU-4”胸部肿瘤诊断机器人。

为残疾人服务的机器人,可以帮助残疾人恢复独立生活的能力,如美国的Prab Command系统。

恩格尔伯格创建的TRC公司第一个服务机器人产品就是医院用的“护士助手”机器人,它于1985年开始研制,1990年开始出售,目前已在世界各国几十家医院投入使用。

“护士助手”是自主式机器人,它不需要有线制导,也不需要事先作计划,一旦编好程序,它随时可以完成以下各项任务:运送医疗器材和设备,为病人送饭,送病历、报表及信件,运送药品、运送试验样品及试验结果,在医院内部送邮件及包裹。

这种机器人由行走部分、行驶控制器及大量的传感器组成。机器人可以在医院中自由行动,其内部装有医院的建筑物地图,在确定目的地后机器人利用航线推算法自主地沿走廊导航,由结构光视觉传感器及全方位超声波传感器可以探测静止或运动物体,并对航线进行修正。它的全方位触觉传感器保证机器人不会与人和物相碰。

车轮上的编码器测量它行驶过的距离。

在走廊中,机器人利用墙角确定自己的位置,而在病房等较大的空间时,它可利用天花板上的反射带,通过向上观察的传感器帮助定位,需要时它还可以开门。在多层建筑物中,它可以给载人电梯打电话,并进入电梯到所要到的楼层。紧急情况下,例如某一外科医生及其病人使用电梯时,机器人可以停下来,让开路,2分钟后它重新启动继续前进。通过“护士助手”上的菜单可以选择多个目的地,机器人有较大的荧光屏及用户友好的音响装置,用户使用起来迅捷方便。

2.实用灵活-康复机器人

“Handy1”康复机器人是目前世界上最成功的一种低价的康复机器人系统,现在有100多名严重残疾的人经常在使用它。许多发达国家都采用了这种机器人。

目前正在生产的机器人能完成3种功能,是由3种可以拆卸的滑动托盘来分别实现的,它们是吃饭、喝水托盘,洗脸、刮脸、刷牙托盘以及化妆托盘,它们可以根据用户的不同要求提供相应的服务。由于不同的用户要求不同,他们可能会要求增加或者去掉某种托盘,以适应他们身体残疾的情况,因而灵活地生产可更换的托盘是很重要的。

康复机器人具有一种新颖的输入/输出板,它可以插入PC104控制器,且具有以下能力:话音识别、语音合成、传感器的输入、手柄控制以及步进电机的输入等。

可更换的组件式托盘装在Handy1的滑车上,通过一个16脚的插座,从内部连接到机器人的底座中。

目前该系统可以识别15种不同的托盘。通过机器人关节中电位计的反馈,启动后它可以自动进行比较。

另外它还装有简单的查错程序。

Handy1具有通话的能力,它可以在操作过程中为护理人员及用户提供有用的信息,所提供的信息可以是简单的操作指令及有益的指示,并可以用任何一种欧洲语言讲出来。这种装置可以大大提高Handy1方便用户的能力,而且有助于突破语言的障碍。

以进食为例,Handy1的工作过程是这样的:在Handy1的托盘部分装有一个光扫描系统,它使用户能够从餐盘的任何部分选择食物。

简而言之,一旦系统通电,餐盘中的事物就被分配到若干格中,共有7束光线在餐盘的后面从左向右扫描。用户只用等到光线扫到他想吃的食物的那一格的后面时,就可以按下单一的开关,启动Handy1。

机器人前进到餐盘中所选中的部分,盛出一满勺食物送到用户的嘴里。用户可以按照自己希望的速度盛取食物,这一过程可以重复进行,直到盘子空了为止。机器人上的计算机始终跟踪盘子中被选中食物的地方,并自动控制扫描系统越过空了的地方。利用托盘上的第8束光线,用户在吃饭时可以够得到任何地方的饮料。

Handy1的简单性以及多功能性提高了它对所有残疾人群体以及护理人员的吸引力。该系统为有特殊需求的人们提供了较大的自主性,使他们增加了融入到“正常”环境中的机会。

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