機器人與機器人仿真技術(zz)

http://www.viblue.com/archives/5587.htm

一.機器人簡介：

機器人（Robot）是自動執行工做的機器裝置。它既能夠接受人類指揮，又能夠運行預先編排的程序，也能夠根據以人工智能 技術制定的原則綱領行動。它的任務是協助或取代人類工做的工做，例如生產業、建築業，或是危險的工做^[1]。

同時，機器人的研究和開發製造一直將下面三條原則做爲機器人開發的準則。即：

第一條：機器人不該該傷害人類；

第二條：機器人應該遵照人類的命令，與第一條違背的命令除外；

第三條：機器人應能保護本身，與第一條相抵觸者除外^[2]。

二．機器人技術的發展：

1.機器人在國內的發展過程:

在我國，機器人研究的起步較晚，我國工業機器人總裝機量約爲1200臺，其中國產機器人佔有量約l/3，但發展步伐較快，已經在工業機器人、特種機器人和智能機器人等各個方面取得了顯著的成效，爲我國機器人學的發展打下了初步的基礎。我國的工業機器人起步於20世紀70年代初。通過30多年的發展，大體經歷了3個階段^[3]：

(1)20世紀70年代的萌芽期，機器人技術的發展較爲緩慢，許多研究機構所做的努力均未得到成功。隨着自動控制理論、電子計算機和航天技術的迅速發展，人工智能學界開始對機器人產生濃厚的興趣，他們發現機器人的出現與發展爲人工智能的發展帶來了新的生機，隨之機器人技術也進入了一個新的發展階段。我國於1972年開始研製工業機器人，由上海起，接着天津、北京、吉林、哈爾濱、廣州、昆明等十幾個研究單位和院校分別開發了固定程序，組合式、液壓伺服型通用機器人，並開始了機構學、計算機控制和應用技術的研究，這些機器人大約有三分之一用於生產。

(2)20世紀80年代的開發期，機器人生產繼續保持70年代後期的發展勢頭。80年代尤爲是後5年，又吸引了160多個單位從事機器人及其相關技術的研究，造成了京津、東北、華南等機器人技術地區，培養了一支2000多人的工業機器人設計、研製、應用隊伍，造就了一批機器人專家。1985年，我國在「七·五」科技攻關計劃中將工業機器人列入了發展計劃，由當時的機械工業部牽頭組織了點焊、弧焊、噴漆、搬運等型號的工業機器人攻關，其餘部委也積極立項支持，造成了中國工業機器人第一次高潮。1986年，我國再一次將智能機器人列入了高技術研究發展計劃，成立了專家組，規劃和領導機器人先進技術研究與應用工做。使我國的工業機器人技術發展基本能夠立足於國內。

(3)20世紀90年代的實用化期。90年代，在863計劃的支持下，在發展工業機器人的同時，也對非製造環境下的應用機器人問題進行了研究，並取得了一批成果。20世紀90年代初期，我國主要開發噴漆、點焊、搬運、裝配等機器人，到了90年代中期，已經選擇以焊接機器人的工程應用爲重點進行開發研究，到了90年代末，主要是實現國產機器人的商品化，爲產業化奠基基礎的時期。通過廣大科技工做者的辛勤努力，在2001年舉辦的863計劃15年成果展上，863計劃機器人主題有58項關鍵技術和應用基礎技術研究成果達到國際先進水平，前後得到國家科技進步獎21項，省部級科技進步獎116項，發明專利48項，實用新型專利125項，發表學術論文5725篇。開發了7種工業機器人系列產品，102種特種機器人，實施了100餘項機器人應用工程。其中 「九·五」863計劃「機器人化工程機械現代集成製造應用工程」， 攻克了一大批制約工程機械產品研發的關鍵技術，研製出了新一代鏟運機械、壓實機械和路面機械，促進了國產工程機械技術升級換代，極大地提升了國產工程機械的市場競爭力。可是咱們必須看到，咱們國家的機器人技術與發達國家相比還有必定的差距，好比咱們的仿人機器人與日本的相比，在總體上還有不小的差距，主要體如今運動穩定性、協調性、功能和外觀等方面。我國如今己是國際先進機器人協會的成員國，機器人技術比較發達的國家如美、同、法、德、意、英都是成員國，目前該協會有13個成員國。這說明咱們在特種機器人方面，咱們國家的水平與國外的差距正在逐步縮小。

進入21世紀，機器人己成爲現代工業不可缺乏的重要工具，它標誌着工業的現代化程度。機器人是一門高度交叉的前沿學科，引發許多不一樣專業背景的人們的興趣，如機械學、生物學、人類學、計算機科學與工程、控制論與控制工程學、人工智能、社會學等。機器人包含機器人運動學、機器人動力學、機器人控制、機器人智能化等領域^[3-7]。

2.機器人在國外的發展：

美國

美國是機器人的誕生地，早在1962年就研製出世界上第一臺工業機器人，比起號稱」機器人王國」的日本起步至少要早五六年。通過30多年的發展，美國現已成爲世界上的機器人強國之一，基礎雄厚，技術先進。綜觀它的發展史，道路是曲折的，不平坦的^[8]。
　因爲美國政府從60年代到70年代中的十幾年期間，並無把工業機器人列入重點發展項目，只是在幾所大學和少數公司開展了一些研究工做。對於企業來講，在只看到眼前利益，政府又無財政支持的狀況下，寧願錯過良機，固守在使用剛性自動化裝置上，也不肯冒着風險，去應用或製造機器人。加上，當時美國失業率高達6．65％，政府擔憂發展機器人會形成更多人失業，所以不予投資，也不組織研製機器人，這不能不說是美國政府的戰略決策錯誤。70年代後期，美國政府和企業界雖有所重視，但在技術路線上仍把重點放在研究機器人軟件及軍事、宇宙、海洋、核工程等特殊領域的高級機器人的開發上，導致日本的工業機器人後來居上，並在工業生產的應用上及機器人制造業上很快超過了美國，產品在國際市場上造成了較強的競爭力。
　進入80年代以後，美國才感到形勢緊迫，政府和企業界纔對機器人真正重視起來，政策上也有所體現，一方面鼓勵工業界發展和應用機器人，另外一方面制訂計劃、提升投資，增長機器人的研究經費，把機器人當作美國再次工業化的特徵，使美國的機器人迅速發展。
80年代中後期，隨着各大廠家應用機器人的技術日臻成熟，第一代機器人的技術性能愈來愈知足不了實際須要，美國開始生產帶有視覺、力覺的第二代機器人，並很快佔領了美國60％的機器人市場。
　　儘管美國在機器人發展史上走過一條重視理論研究，忽視應用開發研究的曲折道路，可是美國的機器人技術在國際上仍一直處於領先地位。其技術全面、先進，適應性也很強。具體表如今：
（1）性能可靠，功能全面，精確度高；
（2）機器人語言研究發展較快，語言類型多、應用廣，水平高居世界之首；
（3）智能技術發展快，其視覺、觸覺等人工智能技術已在航天、汽車工業中普遍應用；
（4）高智能、高難度的軍用機器人、太空機器人等發展迅速，主要用於掃雷、佈雷、偵察、站崗及太空探測方面。

英國
　早在1966年，美國Unimation公司的尤尼曼特機器人和AMF公司的沃莎特蘭機器人就已經率先進入英國市場。1967年英國的兩家大機械公司還特意爲美國這兩家機器人公司在英國推銷機器人。接着，英國 Hall Automation公司研製出本身的機器人RAMP。70年代初期，因爲英國政府科學研究委員會頒佈了否認人工智能和機器人的Lighthall報告，對工業機器人實行了限制發展的嚴厲措施，於是機器人工業一蹶不振，在西歐差很少居於末位。
　可是，國際上機器人蓬勃發展的形勢很快使英政府意識到：機器人技術的落後，致使其商品在國際市場上的競爭力大爲降低。因而，從70年代末開始，英國政府轉而採起支持態度，推行並實施了一系列支持機器人發展的政策和措施，如普遍宣傳使用機器人的重要性、在財政上給購買機器人企業以補貼、積極促進機器人研究單位與企業聯合等，使英國機器人開始了在生產領域普遍應用及大力研製的興盛時期。

法國
　法國不只在機器人擁有量上居於世界前列，並且在機器人應用水平和應用範圍上處於世界先進水平。這主要歸功於法國政府一開始就比較重視機器人技術，特別是把重點放在開展機器人的應用研究上。
　法國機器人的發展比較順利，主要緣由是經過政府大力支持的研究計劃，創建起一個完整的科學技術體系。即由政府組織一些機器人基礎技術方面的研究項目，而由工業界支持開展應用和開發方面的工做，二者相輔相成，使機器人在法國企業界很快發展和普及.

　德國
德國工業機器人的總數佔世界第三位，僅次於日本和美國。這裏所說的德國，主要指的是原聯邦德國。它比英國和瑞典引進機器人大約晚了五六年。其因此如此，是由於德國的機器人工業一塊兒步，就遇到了國內經濟不景氣。可是德國的社會環境倒是有利於機器人工業發展的。由於戰爭，致使勞動力短缺，以及國民技術水平高，都是實現使用機器人的有利條件。到了70年代中後期，政府採用行政手段爲機器人的推廣開闢道路；在」改善勞動條件計劃」中規定，對於一些有危險、有毒、有害的工做崗位，必須以機器人來代替普通人的勞動。這個計劃爲機器人的應用開拓了普遍的市場，並推進了工業機器人技術的發展。日爾曼民族是一個重實際的民族，他們始終堅持技術應用和社會需求相結合的原則。除了像大多數國家同樣，將機器人主要應用在汽車工業以外，突出的一點是德國在紡織工業中用現代化生產技術改造原有企業，報廢了舊機器，購買了現代化自動設備、電子計算機和機器人，使紡織工業成本降低、質量提升，產品的花色品種更加適銷對路。到1984年終於使這一被喻爲」快完蛋的行業」從新振興起來。與此同時，德國看到了機器人等先進自動化技術對工業生產的做用，提出了1985年之後要向高級的、帶感受的智能型機器人轉移的目標。通過近十年的努力，其智能機器人的研究和應用方面在世界上處於公認的領先地位。

俄羅斯
　　在前蘇聯（主要是在俄羅斯），從理論和實踐上探討機器人技術是從50年代後半期開始的。到了50年代後期開始了機器人樣機的研究工做。1968年成功地試製出一臺深水做業機器人。1971年研製出工廠用的萬能機器人。早在前蘇聯第九個五年計劃（1970年一1975年）開始時，就把發展機器人列入國家科學技術發展綱領之中。到1975年，已研製出30個型號的120臺機器人，通過20年的努力，前蘇聯的機器人在數量、質量水乎上均處於世界前列地位。國家有目的地把提升科學技術進步看成推進社會生產發展的手段，來安排機器人的研究製造；有關機器人的研究生產、應用、推廣和提升工做，都由政府安排，有計劃、按步驟地進行。

日本
　日本在60年代末正處於經濟高度發展時期，年增加率達11％。第二次世界大戰後，日本的勞動力原本就緊張，而高速度的經濟發展更加重了勞動力嚴重不足的困難。爲此，日本在1967年由川崎重工業公司從美國Unimation公司引進機器人及其技術，創建起生產車間，並於1968年試製出第一臺川崎的「尤尼曼特」機器人。
正是因爲日本當時勞動力顯著不足，機器人在企業裏受到了「救世主」般的歡迎。日本政府一方面在經濟上採起了積極的扶植政策，鼓勵發展和推廣應用機器人，從而更進一步激發了企業家從事機器人產業的積極性。尤爲是政府對中、小企業的一系列經濟優惠政策，如由政府銀行提供優惠的低息資金，鼓勵集資成立「機器人長期租賃公司」，公司出資購入機器人後長期租給用戶，使用者每個月只需付較低廉的租金，大大減輕了企業購入機器人所需的資金負擔；政府把由計算機控制的示教再現型機器人做爲特別折扣優待產品，企業除享受新設備一般的40%折扣優待外，還可再享受 13％的價格補貼。另外一方面，國家出資對小企業進行應用機器人的專門知識和技術指導等等。
這一系列扶植政策，使日本機器人產業迅速發展起來，通過短短的十幾年，到80年代中期，已一躍而爲「機器人王國」，其機器人的產量和安裝的臺數在國際上躍居首位。按照日本產業機器人工業會常務理事米本完二的說法：「日本機器人的發展通過了60年代的搖籃期，70年代的實用期，到80年代進人普及提升期。」並正式把1980年定爲「產業機器人的普及元年」，開始在各個領域內普遍推廣使用機器人。
　日本政府和企業充分信任機器人，大膽使用機器人。機器人也沒有辜負人們的指望，它在解決勞動力不足、提升生產率、改進產品質量和下降生產成本方面，發揮着愈來愈顯著的做用，成爲日本保持經濟增加速度和產品競爭能力的一支不可缺乏的隊伍。
　　日本在汽車、電子行業大量使用機器人生產，使日本汽車及電子產品產量猛增，質量日益提升，而制形成本則大爲下降。從而使日本生產的汽車可以以價廉的絕對優點進軍號稱「汽車王國」的美國市場，而且向機器人的誕生國出口日本產的實用型機器人。此時，日本價廉物美的家用電器產品也充斥了美國市場，這使「山姆大叔」後悔不已。日本因爲製造、使用機器人，增大了國力，得到了巨大的好處，迫使美、英、法等許多國家不得不採起措施，奮起直追。

三．目前研究熱點及發展趨勢

機器人誕生到本世紀80年代初，機器人技術經歷了一個長期緩慢的發展過程。到了90年代，隨着計算機技術、微電子技術、網絡技術等的快速發展，機器人技術也獲得了飛速發展。除了工業機器人水平不斷提升以外，各類用於非製造業的先進機器人系統也有了長足的進展^[5]。

1.國內工業機器人的發展趨勢：

（1）國內汽車業的高速發展有力促進了工業機器人市場的發展。汽車製造業屬於技術、資金密集型產業，也是自動化程度要求高、競爭至關激烈的行業。自2000年開始，受國家宏觀政策調控及居民消費水平提升的影響，我國汽車業進入高速增加期。面對這種局面，國際汽車巨頭紛紛進入中國市場，與我國企業合資設廠或擴大原有生產規模，國內企業也紛紛轉型或加大對汽車行業的投資，整個行業增產擴能增長了對工業機器人的需求。能夠說，汽車工業的發展是近幾年我國工業機器人增加的主要原動力之一。

（2）沿海經濟發達地區是工業機器人的主要市場。我國工業機器人的使用主要集中在廣東、江蘇、上海、北京等地，其工業機器人擁有量佔全國的一半以上。這種分佈態勢也與我國現階段經濟發展情況相吻合。珠江三角洲地區和長江三角洲地區是我國經濟最發達的兩個地區，其中長江三角洲地區在製造業中所佔的比例愈來愈大。企業資金與技術實力雄厚、對產品質量和勞動生產率要求高，這促使企業使用較多的工業機器人。

（3）外商獨資企業、中外合資企業是目前工業機器人的主要用戶。工業機器人屬於技術含量高、價格相對昂貴的製造裝備。採用工業機器人較多的企業，通常對產品的質量要求較高，企業在市場上具備更高的影響力。外商獨資或中外合資企業自動化程度通常比較高，也致使工業機器人的需求量較大。近幾年來，隨着國內消費電子產業的快速發展，大量的日本、臺灣、香港企業進入內地創建塑料加工廠，從事與IT、電器、我的數碼產品相關的塑料部件生產，帶動了內地塑料機械銷售量的快速增加，注塑取件機械手的市場需求從2005年開始快速增加。

（4）國內一些現代化水平比較高的企業開始愈來愈多地應用工業機器人。國內一些汽車廠家如奇瑞等爲了提升產品競爭力，開始較多地應用工業機器人。軍工企業特別是坦克裝甲戰車等開始應用焊接機器人，焊接速度與焊接質量獲得明顯提升。在船舶行業中，一些特種船舶，例如液化石油氣運輸船舶，也開始採用焊接機器人進行焊接做業。因爲我國基礎設施建設的高速發展，工程機械行業繁榮壯大，也成爲應用焊接機器人較多的行業之一。鐵路機車行業因爲我國貨運、客運、城市地鐵等需求量的不斷增長，以及列車提速的需求，機器人的需求也一直處於穩步增加態勢。製造業中的大中型國有企業，近幾年的工業機器人使用量也在較快速地攀升。此外，我國的民營企業也逐漸認識到了工業機器人的優點，對工業機器人的採用量也在逐年增長，雖然在裝備的數量上與上述企業存在較大差距，可是增加的速度驚人，預計將很快成爲工業機器人市場的重要客戶。

（5）勞動力成本的不斷提升促使工業機器人不斷進入企業。長期以來，因爲機器人成本較高而勞動力價格相對低廉，我國大部分企業主要是勞動密集型企業。隨着經濟的持續快速發展，國內至關數量的企業技術實力獲得很大提升，生產設備更新換代，勞動力供應格局也逐步從買方市場轉爲賣方市場，由供遠大於求轉向供求平衡。做爲製造業主力的農民工也從早期的僅解決溫飽問題到如今對薪資和工做條件提出了更高的要求。爲了更好地適應市場經濟發展的須要，提升生產率，提升產品質量和企業競爭力，改善工人勞動條件，企業對工業機器人的需求天然不斷增長。利用機器人技術提高我國工業發展水平，完成從製造業大國向製造業強國的轉變，已經逐步成爲全社會的共識。

（6）進口工業機器人基本狀況。我國日益增加的工業機器人市場以及巨大的市場潛力吸引了包括瑞典的ABB公司，日本的安川電機、FANUC、OTC、松下、川崎重工，德國的KUKA、CLOOS、REIS，意大利的COMAU以及奧地利的IGM公司等世界著名機器人生產廠家的目光。目前，我國進口的工業機器人主要來自日本，2004年日本對華出口金額佔我國進口工業機器人金額的一半。中國是ABB在全球的第一大市場和意大利機器人的第二大進口國。

我國目前正從勞動密集型向現代化製造業方向發展，雖然工業機器人保有量已經達到必定規模，但與工業發達國家相比仍然有不小的差距，例如從汽車行業每萬名生產工人佔有的機器人來說，中國仍然是世界上相對比較落後的國家之一^[9]。

2.國外機器人的發展趨勢：

目前國際機器人界都在加大科研力度，進行機器人共性技術的研究，並朝着智能化和多樣化方向發展。主要研究內容集中在如下幾個方面^[9]：
（1）工業機器人操做機結構的優化設計技術：探索新的高強度輕質材料，進一步提升負載/自重比，同時機構向着模塊化、可重構方向發展。
（2）機器人控制技術：重點研究開放式，模塊化控制系統，人機界面更加友好，語言、圖形編程界面正在研製之中。機器人控制器的標準化和網絡化，以及基於PC機網絡式控制器已成爲研究熱點。編程技術除進一步提升在線編程的可操做性以外，離線編程的實用化將成爲研究重點。
（3）多傳感系統：爲進一步提升機器人的智能和適應性，多種傳感器的使用是其問題解決的關鍵。其研究熱點在於有效可行的多傳感器融合算法，特別是在非線性及非平穩、非正態分佈的情形下的多傳感器融合算法。另外一問題就是傳感系統的實用化。
（4）機器人的結構靈巧，控制系統越來越小，兩者正朝着一體化方向發展。
（5）機器人遙控及監控技術，機器人半自主和自主技術，多機器人和操做者之間的協調控制，經過網絡創建大範圍內的機器人遙控系統，在有時延的狀況下，創建預先顯示進行遙控等。
（6）虛擬機器人技術：基於多傳感器、多媒體和虛擬現實以及臨場感技術，實現機器人的虛擬遙操做和人機交互。
（7）多智能體（multi-agent）調控制技術：這是目前機器人研究的一個嶄新領域。主要對多智能體的羣體體系結構、相互間的通訊與磋商機理，感知與學習方法，建模和規劃、羣體行爲控制等方面進行研究。
（8）微型和微小機器人技術（micro/miniature robotics）:這是機器人研究的一個新的領域和重點發展方向。過去的研究在該領域幾乎是空白，所以該領域研究的進展將會引發機器人技術的一場革命，而且對社會進步和人類活動的各個方面產生不可估量的影響，微小型機器人技術的研究主要集中在系統結構、運動方式、控制方法、傳感技術、通訊技術以及行走技術等方面。
（9）軟機器人技術（soft robotics）:主要用於醫療、護理、休閒和娛樂場合。傳統機器人設計未考慮與人緊密共處，所以其結構材料多爲金屬或硬性材料，軟機器人技術要求其結構、控制方式和所用傳感系統在機器人意外地與環境或人碰撞時是安全的，機器人對人是友好的。
（10）仿人和仿生技術：這是機器人技術發展的最高境界，目前僅在某些方面進行一些基礎研究^[10]。

要使按照工業機器人和先進機器人兩條技術發展路線來講明的話可能會更加的清楚一些：

1．工業機器人
（1）機器人操做機：經過有限元分析、模態分析及仿真設計等現代設計方法的運用，機器人操做機已實現了優化設計。以德國KUKA公司爲表明的機器人公司，已將機器人並聯平行四邊形結構改成開鏈結構，拓展了機器人的工做範圍，加之輕質鋁合金材料的應用，大大提升了機器人的性能。此外採用先進的RV減速器及交流伺服電機，使機器人操做機幾乎成爲免維護系統。
（2）並聯機器人：採用並聯機構，利用機器人技術，實現高精度測量及加工，這是機器人技術向數控技術的拓展，爲未來實現機器人和數控技術一體化奠基了基礎。意大利COMAU公司，日本FANUC等公司已開發出了此類產品。
（3）控制系統：控制系統的性能進一步提升，已由過去控制標準的6軸機器人發展到如今可以控制21軸甚至27軸，而且實現了軟件伺服和全數字控制。人機界面更加友好，基於圖形操做的界面也已問世。編程方式仍以示教編程爲主，但在某些領域的離線編程已實現實用化。
（4）傳感系統：激光傳感器、視覺傳感器和力傳感器在機器人系統中已獲得成功應用，並實現了焊縫自動跟蹤和自動化生產線上物體的自動定位以及精密裝配做業等，大大提升了機器人的做業性能和對環境的適應性。日本KAWASAKI、YASKAWA、FANUC和瑞典ABB、德國KUKA、REIS等公司皆推出了此類產品。
（5）網絡通訊功能：日本YASKAWA和德國KUKA公司的最新機器人控制器已實現了與Canbus、Profibus總線及一些網絡的聯接，使機器人由過去的獨立應用向網絡化應用邁進了一大步，也使機器人由過去的專用設備向標準化設備發展。
（6）可靠性：因爲微電子技術的快速發展和大規模集成電路的應用，使機器人系統的可靠性有了很大提升。過去機器人系統的可靠性MTBF通常爲幾千小時，而如今已達到5萬小時，幾冬天能夠知足任何場合的需求。

2．先進機器人
　　近年來，人類的活動領域不斷擴大，機器人應用也從製造領域向非製造領域發展。像海洋開發、宇宙探測、採掘、建築、醫療、農林業、服務、娛樂等行業都提出了自動化和機器人化的要求。這些行業與製造業相比，其主要特色是工做環境的非結構化和不肯定性，於是對機器人的要求更高，須要機器人具備行走功能，對外感知能力以及局部的自主規劃能力等，是機器人技術的一個重要發展方向。

（1）水下機器人：美國的AUSS、俄羅斯的MT-88、法國的EPAVLARD等水下機器人已用於海洋石油開採，海底勘查、救撈做業、管道敷設和檢查、電纜敷設和維護、以及大壩檢查等方面，造成了有纜水下機器人（remote operated vehicle）和無纜水下機器人（autonomous under water vehicle）兩大類。
（2）空間機器人：空間機器人一直是先進機器人的重要研究領域。目前美、俄、加拿大等國已研製出各類空間機器人。如美國NASA的空間機器人Sojanor等。Sljanor是一輛自主移動車，重量爲11.5kg，尺寸630~48mm，有6個車輪，它在火星上的成功應用，引發了全球的普遍關注。
（3）核工業用機器人：國外的研究主要集中在機構靈巧，動做準確可靠、反應快、重量輕、剛度好、便於裝卸與維修的高性能伺服手，以及半自主和自主移動機器人。已完成的典型系統，如美國ORML基於機器人的放射性儲罐清理系統、反應堆用雙臂操做器，加拿來大研製成功的輻射監測與故障診斷系統，德國的C7靈巧手等。
（4）地下機器人：地下機器人主要包括採掘機器人和地下管道檢修機器人兩在類。主要研究內容爲：機械結構、行走系統、傳感器及定位系統、控制系統、通訊及遙控技術。目前日、美、德等發達國家已研製出了地下管道和石油、自然氣等大型管道檢修用的機器人，各類採機器人及自動化系統正在研製中。
（5）醫用機器人：醫用機器人的主要研究內容包括：醫療外科手術的規劃與仿真、機器人輔助外科手術、最小損傷外科、臨場感外科手術等。美國已開展臨場感外科（telepresence surgery）的研究，用於戰場模擬、手術培訓、解剖教學等。法、英、意、德等國家聯合開展了圖像引導型矯形外科（telematics）計劃、袖珍機器人（biomed）計劃以及用於外科手術的機電手術工具等項目的研究，並已取得一些卓有成效的結果。
（6）建築機器人：日本已研製出20多種建築機器人。如高層建築抹灰機器人、預製件安裝機器人、室內裝修機器人、地面拋光機器人、擦玻璃機器人等，並已實際應有和。美國卡內基梅隆重大學、麻省理工學院等都在進行管道挖掘和埋設機器人、內牆安裝機器人等型號的研製、並開展了傳感器、移動技術和系統自動化施工方法等基礎研究。英、德、法等國也在開展這方面的研究。
（7）軍用機器人：近年來，美、英、法、德等國已研製出第二代軍用智能機器人。其特色是採用自主控制方式，能完成偵察、做戰和後勤支援等任務，在戰場上具備看、嗅和角摸能力，可以 自動跟蹤地形和選擇道路，而且具備自動搜索、識別和消滅敵方目標的功能。如美國的Navplab自主導航車、SSV半自主地面戰車，法國的自主式快速運動偵察車（DARDS），德國MV4爆炸物處理機器人等。目前美國ORNL正在研製和開發Abrams坦克、愛國者導彈裝電池用機器人等各類用途的軍用機器人。

四．機器人仿真系統簡介

機電系統研發的任務是再研製機電一體化產品（裝置）或者原理樣機，機電系統開發要經理從技術規範的肯定，到整體方案設計、理論分析、樣機研製、實驗研究、再到產品銷售的過程。而仿真的基本思想是利用物理或者數學模型來類比模仿顯示過程以尋求過程和規律^[10]。它的基礎是類似現象，即幾何類似性和物理類似性。

再工程應用中，按照實現方式和手段的不一樣，系統仿真可劃分爲如下三種類型：

（1） 物理仿真

（2） 數學仿真

（3） 半物理仿真

機器人系統仿真是指經過計算機對實際的機器人系統進行模擬的技術。

經過計算機對實際的機器人系統進行模擬。機器人系統仿真能夠經過單機或多臺機器人組成的工做站或生產線。仿真能夠經過交互式計算機圖形技術和機器人學理論等，在計算機中生成機器人的幾何圖形，並對其進行三維顯示，用來肯定機器人的本體及工做環境的動態變化過程。經過系統仿真，能夠在製造單機與生產線以前模擬出實物，縮短生產工期，能夠避免沒必要要的返工。在使用的軟件中，工做站級的仿真軟件功能較全，實時性高且真實性強，能夠產生近似真實的仿真畫面；而微機級仿真軟件隨實時性和真實性不高，但具備通用性強、使用方便等優勢。目前機器人系統仿真所存在的主要問題是仿真造型與實際產品之間存在偏差，須要進一步的研究解決^[11]。

1.國內仿真研究的現狀

目前國內對機器人仿真的研究基本上還處於探索階段，大部分研究都依附於已有的軟件而進行的二次開發。我國仿真技術研究起步較晚，但仍是取得了一些成果^[12]。

1.清華大學THROBSM機器人仿真系統它包括了機器人的動力學和控制的仿真，於是能夠利用該系統對機器人系統進行動態分析和研究。尤爲適合於對機器人進行控制和軌跡規劃方法的研究。該系統因爲配備了機器人語言及示教功能，於是也具有離線編程的功能，它爲機器人的應用提供了經濟和安全的試驗手段。同時也可用做機器人的教學和培訓的輔助工具。

2. ROSIDY仿真軟件

ROSIDY是上海交通大學機器人研究所的俞文偉和鄧建一研製開發的一套通用化工業機器人圖形仿真軟件^[13]。其圖形功能和通用性具備很強的實用價值。ROSIDY是機器人設計、分析研究和推廣的有力工具。因爲ROSIDY採用商品化圖形軟件做爲圖形支撐從而大大地下降了軟件開發的成本並保持了完善的圖形功能。該軟件對於通常工業機器人有良好的擴展性，以利於用戶的開發使用。此外，用戶可獨立運行ROSIDY對感興趣的機器人進行圖形仿真，也可經過軟件接口調用ROSIDY。儘管在某些功能方面如速度、實體造型、光源等尚不能與大型軟件包相媲美，

但就其圖形功能和對工業機器人的通用性來講已具備實用價值，尤爲在工業機器人的初步設計、研究和分析的輔助方面以及應用論證匕將會起到積極的做用。

3.PCROBSM^[14]微機機器人仿真系統

PCROBSM微機機器人仿真系統是清華大學的崔培蓮和孫增圻開發研製的，微機機器人仿真系統(PCROBSM)是一個適用於IBM—PC及其兼容機的機器人仿真系統，該系統功能齊全，能夠對機器人的運動學、軌跡規劃、動力學、控制算法、力傳感器和典型任務等進行仿真。它的主要特點在於具備豐富的機器人控制算法和軌跡規劃算法。系統具備良好的用戶界面，爲用戶設計、驗證本身的軌跡規劃和控制算法提供了方便的環境，如系統提供了機器人語言SvAL、三維示教和三維圖顯功能。同時爲了更接近實用，系統還考慮了許多實際因素。系統採用c語言和FORTRAN語言編程，具備模塊化結構，可擴充，易移植。

4.剛柔耦合機器人動力學仿真系統

北京工業大學的陳晏、餘躍慶等人利用多體動力學軟件LMSVirtual^[15].Lab和有限元分析ANSYS開發了剛柔耦合機器人動力學仿真系統。因爲LMSVirtual．Lab適於機械系統動力學分析但不能直接用於柔性分析，而ANSYS適於有限元分析的狀況，將二者結合起來，創建了剛柔耦合機器人動力學仿真系統

5.JOGL^[16]實現的機器人仿真系統JOGL是Java對OpenGL API綁定的開源項目，並設計爲採用Java開發的應用程序提供3D圖形硬件支持。利用JOGL提供的物體建模、平移、旋轉等功能，提出靈活的機器人交互設計方案，實現了機器人系統的快速仿真。經過Applet實現了基於Browser／Server模式的系統開發，用戶能夠經過網絡遠程控制機器人的運動行爲，克服了對機器人控制的空間限制，機器人運動模型能夠嚴格按照數學模型構造，仿真具備較高的精確度。用JOGL實現的機器人仿真系統具備易擴展、易移植等優勢。利用JOGL提供的物體建模、平移、旋轉等功能，避開繁瑣的底層開發．將注意力集中到機器人的交互原理設計上，從而快速實現機器人仿真系統。本文經過Applet實現了B，S模式的開發，用戶能夠經過網絡遠程控制機器人的運動行爲，克服對機器人控制的空間限制。機器人運動模型能夠嚴格按照機器人的數學模型構造，具備較高的精確度。

6．華北電力大學的機器人仿真通用試驗平臺華北電力大學的機器人仿真通用試驗平臺的設計與實現是將MATLAB6.0^[17]，OpenGL^[18]和VC++6.0^[19]這三者結合起來，充分發揮它們各自的優勢和特長，不管是從開發效率和程序功能的實現，仍是開發速度和程序的可擴充性等，對機器人仿真系統開發將具備顯而易見的優越性。這種結合各個軟件的優點，使最終結果最優的思想是值得咱們學習和借鑑的。

2.國外仿真研究的現狀

國外對工業機器人仿真系統的開發從1982年開始至1987年，基本上造成了一些成熟的CAD軟件包。例如美國的UOBSM、英國的SAMMIE、以色列的ROBCAD等，還有StephenDerby等人1983年開發的GRASP仿真系統等。

1.DELMIA^[20]軟件

DELMIA軟件在機器人應用仿真方面處於世界領先地位。DELMIA軟件能顯著下降人機時和工程準備時間，提升仿真的精度。DELMIA/IGRIP是專業機器人模擬軟件，利用IGRIP可快速和圖形化地構造各類應用工做單元做業，同時DELMIA/IGRIP能很容易導入CAD數據，自動碰撞偵測功能從而避免破壞，減少風險。無論是對單個機器人做業單元仍是整個工廠生產線，IGRIP都能提供相應的解決方案以提升製造質量、精度和效益。應用DELMIM/IGRIP軟件的建模仿真模塊，成功解決了機器人在工做過程當中沒法直接觀察空間運動情況的難題，是直觀方便地進行機器人仿真的有益嘗試。

2.ADAMS^[21]軟件

ADAM軟件是虛擬樣機領域很是優秀的軟件。它的功能很強大，給用戶提供了友好的界面，快速簡便的建模功能，強大的函數庫，交互式仿真和動畫顯示功能等等。使用這套軟件能夠產生複雜機械系統的虛擬樣機，真實地仿真其運動過程，而且能夠迅速地分析和比較多種參數方案，直至得到優化的工做性能，從而大大減小了昂貴的物理樣機制造及試驗次數，提升了產品設計質量，大幅度地縮短產品研製週期和費用。對於形狀十分複雜的機械零部件，用ADAMS創建三維實體模型會十分困難，須要藉助PRO/E等來輔助建模，利用兩個軟件之間的接口程序Mechanism/Pro生成剛體並加一些約束和標記等；其次，將模型轉化到ADAMS界面下，再加複雜的約束和力等，對仿真結果進行檢驗(如和物理樣機對比等)，若是不合適，再調整模型或約束等條件，最終達到理想的仿真結果。

3. ROBCAD^[22]軟件

ROBCAD是運行在SGI圖形工做站、UNIX操做系統下的大型機器人設計、仿真和離線編程系統。其主要功能包括：

(1)完整的二維、二維半、三維圖形設計，圖形的邏輯運算，提供線框圖、消隱圖、實體造型及光照模型。

(2)提供多種標準幾何建模協議，實現了其它CAD軟件如IGES、VDAFS、SET、GEOMOD和ROBCAD的兼容。在這些環境下創建的幾何模型能夠互相調用。

(3)機器人及設備運動學自動建模，具備大自由度如下機器人通用運動學逆解調器，提供機器人庫及部件庫，機器人庫裏面包括了目前國際上商業化機器人100多種。

(4)機器人工做單元設計、佈置方案可行性檢查及優化，工做點及軌跡的交互式生成，機器人及設備的運動和示教，機器人及設備做業任務自動生成。

(5)工做單元做業任務描述及機器人、設備之間的相互通信，提供了通用編譯型的任務描述語言TDL。

(6)工做單元做業任務動態圖形仿真，隨機中斷和繼續，實時觀察，碰撞檢測及報警，並提供仿真結果視頻輸出。

(7)整個工做單元或單元內任一元素都可根據ANSI/ISO/DIN標準繪出機械圖紙，提供完整的尺寸標註及數據，具備繪圖機接口。

(8)可實現離線編程和機器人任務的上調、下裝，提供了17種機器人控制器語言的翻譯器或編譯器。實現機器人工做單元做業的動態圖形仿真。在仿真過程當中，可對工做單元進行任意平移、旋轉、縮放、視點變化；用戶能夠在任意位置和角度觀察單元內的做業狀況，系統提供多窗口顯示，在每一個圖形窗內顯示單元不一樣側面或局部。

4.Matlab/Simulink軟件

MATLAB通過長期不斷地發展和完善，已經成爲當今世界上最優秀的數值計算軟件。它除了具備強大的科學計算功能和豐富的圖形功能以外，還具備一些其它軟件沒法比擬的功能和優勢，尤爲是它提供了系統動態仿真工具箱SIMULINK。SIMULINK由模塊庫、模型構造及分析指令、演示程序等三部分組成。是一個模塊化、模型化的系統動態仿真環境。用戶應用SIMULINK對系統進行建模、仿真相分析時如同堆積積木同樣簡單方便，只須要在模型窗口中單擊或是拖動鼠標便可。在SIMULINK環境中，對於由微分方程或差分方程描寫的系統，用戶無須編寫文本形式的程序，而只要經過一些簡單操做就可形象地創建起研究系統的數學模型，並進行仿真析研究。

5.Webots^[23]軟件

Webots經瑞士洛桑市瑞士聯邦科技中心協同開發、測試於驗證，可以讓使用者節省大量的開發時間，全球已有超過300所大學和研究中心採用。Webots內建的感測器與制動器資料庫，可以讓使用者設定全部的機器人屬性，即便在同一工做環境有數個不一樣類型的機器人。對於每一個物件使用者可定義外型、顏色、材質、質量與摩擦係數等等各類屬性，同時可在每個機器人裝設大量的感測器與制動器。應用內建的整合開發環境或我的所喜愛的程式語言軟件編輯模擬機器人控制程式，而後轉移到實際的移動式機器人。

6.Microsofl Robotics Studio^[24]軟件

Microsoft Robotics Studio軟件開發包包含一個輕量級的、面向服務的運行庫，一套可視化編輯和模擬工具，以及可以幫助咱們入門的開發指南和示例代碼。能夠直接在微軟網頁上免費下載，Microsoft Robotics Studio容許開發人員使用任何他們擅長的編程語言(VB．net，C#，JavaScript甚至IronPython)，同時也能很好地支持Web以及基於Windows的監控，能夠支持不少種機器人平臺以及硬件。

7.Real Motion System軟件

Real Motion System軟件平臺是由總部位於日本東京的Speecys公司開發的，該軟件平臺包括SolidWorks、3D/CAD和COSMOSMotion，以及一個機械仿真分析軟件，它已經在SPC-003機器人原型上試運行成功。RealMotion System包括一個用於機器人運動編程控制的機器人軟件開發工具、一個實現機器人運動的軟件、機器人原型、3DCAD數據和機械仿真工具。有了這個平臺，工程師能夠在SolidWorks和COSMOSMotion之間傳輸數據來實現機器人的三維運動。R20、Solidworks和COSMOSMotion無需真正的機器人原型就模擬了三維機器人運動。這個模擬包括了機器人如何保持平衡，它的重心位置，以及每部分產生的扭矩。經過這個系統也能夠比較一個CAD設計和一個真正的機器人的運動。之前，若是工程師想更換機器人的一隻手臂，只能作一個鋁架而後裝配成一個真的機器人。如今，能夠經過COSMOSMotion和三維設計數據模擬這個更換過程。

五．Matlab/Simulink+Adams聯合仿真簡介

利用Adams軟件和Matlab軟件聯合進行聯合仿真，就是在設計帶有控制系統的機械系統時，運用Adams創建機械模型——ADAMS提供虛擬樣機的三維模型、運動學模型和動力學模型，並導入Matlab進行控制系統設計和虛擬樣機調試——Matlab提供控制目標軌跡、控制算法，而後反饋給機械模型的過程^[25-26]。造成完整的閉環控制系統，這種經過共用一個虛擬模型的交互式設計仿真能將基本力學原理與現代控制理論相結合，可以更有效地解決機械系統的控制問題。

利用Adams和Matlab及其動態仿真集環境Simulink分別創建六關節機器人的機械系統模型和控制系統模型，而後經過交互方式進行仿真，並對該機器人的運動學和動力學特性進行分析。

1.Adams簡介：

ADAMS^[27]，即機械系統動力學自動分析(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)，該軟件是美國MDI公司(Mechanical Dynamics Inc.)開發的虛擬樣機分析軟件。目前，ADAMS已經被全世界各行各業的數百家主要製造商採用。根據1999年機械系統動態仿真分析軟件國際市場份額的統計資料，ADAMS軟件銷售總額近八千萬美圓、佔據了51%的份額,現已經併入美國MSC公司。

2.Adams軟件應用

ADAMS軟件使用交互式圖形環境和零件庫、約束庫、力庫，建立徹底參數化的機械系統幾何模型，其求解器採用多剛體系統動力學理論中的拉格郎日方程方法，創建系統動力學方程，對虛擬機械系統進行靜力學、運動學和動力學分析，輸出位移、速度、加速度和副作用力曲線。ADAMS軟件的仿真可用於預測機械系統的性能、運動範圍、碰撞檢測、峯值載荷以及計算有限元的輸入載荷等。

ADAMS一方面是虛擬樣機分析的應用軟件，用戶能夠運用該軟件很是方便地對虛擬機械系統進行靜力學、運動學和動力學分析。另外一方面，又是虛擬樣機分析開發工具，其開放性的程序結構和多種接口，能夠成爲特殊行業用戶進行特殊類型虛擬樣機分析的二次開發工具平臺。ADAMS軟件有兩種操做系統的版本：UNIX版和Windows NT/2000版。在這裏將以Windows 2000版的ADAMS l2.0爲藍本進行介紹。

對於機器人的建模：運用ADAMS樣機技術對虛擬機器人系統作考慮重力後影響的運動學仿真，過程以下：先借助Pro/E或CATIA等其它的三維軟件進行參數化建模，創建6自由度通用機器人的虛擬三維實體模型，並經過專用接口模塊Mechanism/Pro與其它的接口模塊將該虛擬機器人導入ADAMS平臺，再參照機器人實際的幾何參數、物理特性以及約束等各類條件，創建了該虛擬6自由度機器人的運動學仿真模型，並在考慮重力做用下，進行空間軌跡跟蹤的仿真，獲取了一系列的結果，爲優化機器人結構和提高控制品質的後續研究工做提供有價值的數據信息^[28-29]。

3.Adams主要模塊簡介

 

 

使用的主要模塊介紹^[29]：

ADAMS模塊
ADAMS/View	ADAMS/View是Adams系列產品的核心模塊之一，採用以用戶爲中心的交互式圖形環境。提供了強大的建模仿真環境，並可以對模型進行參數化的分析，用實驗數據驗證模型。
ADAMS/Solver	ADAMS/Solver是Adams系列產品的核心模塊之一，是ADAMS產品系列中處於心臟地位的仿真器。改模塊自動生成機械系統模型的動力學方程，提供了靜力學、運動學和動力學分析的結算結果。ADAMS/Solver有各類建模和求解選項，以便精確有效的解決各類工程應用問題。 ADAMS/Solver能夠對剛體和彈性體進行仿真研究。
ADAMS/PostProcessor	ADAMS/PostProcessor是後處理模塊，能夠用來處理仿真結果數據，顯示仿真動畫等，既能夠在Adams/View環境中運行也能夠脫離該環境獨立的運行。
ADAMS/Controls	ADAMS／Controls是ADAMS軟件包中的一個集成可選模塊。 在ADAMS／Contro1s中，設計師既能夠經過簡單的繼電器、邏輯與非門、阻尼線圈等創建簡單的控制機構，也能夠利用通用控制系統軟件（如MATLAB，MATRIX，EASY5）創建的控制系統框圖，創建包括控制系統、液壓系統、氣動系統和運動機械系統的仿真模型。
Mechanism/Pro	Mechanism／Pro是鏈接Pro/E與ADAMS之間的橋樑。 Pro/E與ADAMS採用無縫鏈接的方式使Pro/E用戶沒必要退出其應用環境，就能夠將裝配的總成根據其運動關係定義爲機構系統，進行系統的運動學仿真，並進行干涉檢查、肯定運動鎖止的位置、計算運動副的做用力。 Mechanism/Exchange是採用Pro／DEVELOP工具建立的，所以Pro/E用戶能夠在其熟悉的CAD環境中創建三維機械系統模型，並對其運動性能進行仿真分析，經過一個按鍵操做，可將數據傳送到ADAMS中，進行全面的動力學分析。

4.Matlab/Simulink簡介

MATLAB是矩陣實驗室^[30]（Matrix Laboratory）的簡稱，是美國MathWorks公司出品的商業數學軟件 ，用於算法開發、數據可視化、數據分析以及數值計算的高級技術計算語言和交互式環境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。

MATLAB和Mathematica 、Maple 並稱爲三大數學軟件。它在數學類科技應用軟件中在數值計算 方面數一數二。MATLAB能夠進行矩陣 運算、繪製函數和數據、實現算法、建立用戶界面、鏈接其餘編程語言的程序等，主要應用於工程計算、控制設計、信號處理與通信、圖像處理 、信號檢測 、金融建模設計與分析等領域。

MATLAB的基本數據單位是矩陣，它的指令表達式與數學、工程中經常使用的形式十分類似，故用MATLAB來解算問題要比用C，FORTRAN等語言完成相同的事情簡捷得多，而且mathwork也吸取了像Maple等軟件的優勢,使MATLAB成爲一個強大的數學軟件。在新的版本中也加入了對C ，FORTRAN ，C++ ，JAVA 的支持。能夠直接調用,用戶也能夠將本身編寫的實用程序導入到MATLAB函數庫中方便本身之後調用，此外許多的MATLAB愛好者都編寫了一些經典的程序，用戶能夠直接進行下載就能夠用。

Simulink^[31-32]是MATLAB 最重要的組件之一，它提供一個動態系統建模、仿真和綜合分析的集成環境。在該環境中，無需大量書寫程序，而只須要經過簡單直觀的鼠標操做，就可構造出複雜的系統。Simulink具備適應面廣、結構和流程清晰及仿真精細、貼近實際、效率高、靈活等優勢，並基於以上優勢Simulink已被普遍應用於控制理論和數字信號處理的複雜仿真和設計。同時有大量的第三方軟件和硬件可應用於或被要求應用於Simulink。

5.Simulink軟件應用

Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具， 是一種基於MATLAB的框圖設計環境，是實現動態系統建模、仿真和分析的一個軟件包，被普遍應用於線性系統、非線性系統、數字控制及數字信號處理的建模和仿真中。Simulink能夠用連續採樣時間、離散採樣時間或兩種混合的採樣時間進行建模，它也支持多速率系統，也就是系統中的不一樣部分具備不一樣的採樣速率。爲了建立動態系統模型，Simulink提供了一個創建模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI) ，這個建立過程只需單擊和拖動鼠標操做就能完成，它提供了一種更快捷、直接明瞭的方式，並且用戶能夠當即看到系統的仿真結果。

Simulink^[33]是用於動態系統和嵌入式系統的多領域仿真和基於模型的設計工具。對各類時變系統，包括通信、控制、信號處理、視頻處理和圖像處理系統，Simulink提供了交互式圖形化環境和可定製模塊庫來對其進行設計、仿真、執行和測試。.

構架在Simulink基礎之上的其餘產品擴展了Simulink多領域建模功能，也提供了用於設計、執行、驗證和確認任務的相應工具。Simulink與MATLAB® 緊密集成，能夠直接訪問MATLAB大量的工具來進行算法研發、仿真的分析和可視化、批處理腳本的建立、建模環境的定製以及信號參數和測試數據的定義。

對於機器人的控制：Simulink是Matlab軟件中用來對動態系統進行建模、仿真和分析的一個軟件包，它支持連續、離散及二者混合的線性和非線性系統，也支持具備多種採樣頻率的系統。Simulink包含有SINKS(輸入方式)、SOURCE(輸入源)、LINEAR(線性環節)、ONLINEAR(非線性環節)、CONNECTIONS(鏈接與接口)和EXTRA(其餘環節)子模型庫，並且每一個子模型庫中包含有相應的功能模塊。用戶也能夠定製和建立本身的專用模塊。

6.ADAMS與Simulink聯合仿真介紹

聯合仿真^[34]：在仿真過程當中，機械動力學解算經過植入的ADAMS模塊進行，控制解算經過控制軟件求解器，二者之間經過狀態空間進行接口變量的聯繫，在仿真離散時間點上經過IPC進行相關信息的交互。仿真運行時，能夠在Matlab/Simulink中觀察並輸出仿真結果曲線。同時，也能夠在仿真結束後，進入ADAMS的後處理(Postprocess)模塊觀看仿真動畫。

經過觀看動畫能夠驗證步態規劃的合理性以及控制方法的有效性，在後處理模塊還能夠計算處理各個關節運動副上的角位移、角速度、角加速度、做用力和做用力矩等數據曲線^[35-36]。

具體的實現步驟：

 

 

1.創建虛擬模型

對於簡單的模型，可使用Adams軟件直接創建，對於複雜的模型須要其它CAD軟件創建以後經過相應的接口導入，而後施加各類約束。

2.定義Adams的輸入和輸出

 

 

Adams的輸入輸出時控制系統輸入輸出的接口。同時adams的輸入就是控制系統的輸入。Adams的輸出至關與控制系統的測量值。

3.經過Adams創建的機器人模型和Matlab創建的控制系統，使其造成一個閉環系統，對這個閉環系統進行仿真分析；經過對輸出地結果進行分析，不斷地修改控制系統的參數達到理想的狀態。