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第一章定义、例子及工业机器人的概念

什么是机器人?这并不是一个新的词,但也许是个不太熟悉的词。自动化是相当类似的另外一个词,这个词在许多场合用来表示相同的概念。只 有酒过大型电视房幕和科学幻想小说的魔力,机器人这个词才变得如此引人注目。现在,它儿乎是一个家喻户晓的词了。机器人这个词与其跑领城中的词CSIPOs连在一一起这些用金属与电子构成的象人一样的机械产品在未来小说中将扮演主角。有趣的是,机器人这个间的意思可以是指- -种不会思考,只会自动执行任务的自动机械。对于人类来说,却并不意昧着就该象机器人那样去干活。

机器只会动作,不会恩考一或者至少不会象人类那样恩考或推理。机器人确实具有以某种方式编制的程序存贮库,它们还能讲话并且能理解人类的语言。目前,市场上已经有品种繁多的集成电路所以当某台机器人讲话,或者某台计算器、电子游戏机、电袒机或省汽车以一种特殊的单调的语气讲话时,段有一个人会感到吃惊。但贾记化,它们都不会思考。

机器人这个词来自抛克请中的roboinik,它的意思是奴隶、仆人或者被迫服侍者。这个词被确定为对一种自动化的描述,或引-一个只会干活不会自已思考的人的描述。帮例束说。据根定义,机器人导航就是起到飞机驾驶员作用的一种自动装置。住意,自动这个词出现在定义中。

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第二次世界大战期间。自动导航的概念曾扩服到导弹(也称为机器入炸弹)的导航。它使导弹保持向上飞行并能执行来自地面计算机自动控制站的导向命令。这也指出了系统中的另外一个环节- 数据或命令发送环节。

宇宙开发儒要更为高级的机器人,当这些机器怪物穿入活私的宇宙空闻后,似乎已能恩考并独:立行动。这些机器人能够测知周围环境和状况,能自动从保护舱仲出鴻量仪墨成撮影仪器,从太空。行基或其他星体上喻样。它们把这些们息存放进存贮库中,然后,为T保证有足够时间来正确发送,慢慢地把这些信息发回地面计算机控制站,由控制站集中处理这些数北并显示处理结果,供地西人员研究分析。经过这样编制程序后,这种机械怪物就您自动降落到行星表面。它们小心地着路,自动调整姿态,把新环境下的状态.位置和发现发國塊面站。传说苏联已经开发了这种类型的机器人,它的性能完善,能在月球上前落、采样、起飞井返回地面。在它们飞行中及在月球上行动期间,帮无儒人类的控制。丛然它们的外表还不象人,但它们的行动却如Karel Oopel的戏剧中的机械人I.U.R-样。

无疑,人类正在走向这样的一天,那时,人类活动的几乎每-方间,鄒将使用着某种类型的机器,科学家们相信,人们是喜欢这种象人一样的机器的。所以科学家们化 了大量的时间致力于开发机械眼、机饿耳,机械声带,机械臂,机械子,机械腿以及象人那样行走的移动功能。当我们看到一一个头带钢巰身穿盔甲,你-个中世纪的冀士那样的机器人,按照人们的语音命令,提着沉重的脚步,做着一些儡硬的动作,甚至还发出一些象人讲话一样的声音,这时大家- -定会十分惊齐。
这些描写似乎是比较正常的,但要机器接受人的语資血令并不是简单的。这是算法领!

勤一章定文、例子发概毒
城中科学家与工程师自称为的魔术方理。算法命令并控制机器的动作。每-种类型的机械执行装置;鄒帶有某种类型的控制装置。为了便于理解并船直接交换信息,还应使算陆便于理解。这些算法,既用于实际操作,也用于开发研究,它给工作增添了活力。

机器人学讨论的是涉及到机器人的所有技术问题。在引论 中把它说成是控制机器做事的艺术或科学。现在讨论–下机器人学应该包括哪些内容以及它为什么被看作为一种艺术艺术是从经验或学习中获得的一种技巧。也可认为是在干活中系统运用知识或技巧,以及在制作免术作品中运用构思或找巧从而所得的本领。所以,从这样的解释来看,机器人学就是指机器、计算机、数学、算法、科学、工积以及某种艺术技巧。要是对机器人 学提出-个简单的定又,那可以是:由计算机通过算法进行控制的.能完成人类所要求的任务的某种机器的设计、使用及操作。

这个定义中并不包含任何关于机器形状。大小,类型的规定,也不受实际输出定义的限制一虽然这种输出通常与机器人这个词有关。还应注愈,这种机器必须由某种算法控制。在这定义中,蕴酒着某种类型的计算机。我们并没有把这种机器的构造限定为固定的还是可移动的,也没有限定它的自主运行条件。不妨取极端的情形,那么人脑也是-台计算机!这意味着书奇特自动线性敷锅输出系统也都是机器人。

整个系统的运行初期,难免要有人工参与配合,但在后期,可以做到无人值班,这就是说,“在系统成为独立自主系统前,要有一个开发与摸索的过程。”那么“自学习是什么意见呢?”。自学习是属于适应控制的范圈,就是说,机器可以l自动您适应影响机器运算结果的变化着的输入条件。这种工作方式,机器应当懵有传感器,能识别枝抓取或被传送到其他地方的物体位置的变化。识别这种变化后,传感器的输出信息就可改变或修正计算机的控制程序从而修正了机器人的机构运动,使机械臂、机械手或机械爪正确地继续地执行它的任务。然而,适应控制的劼力仍然由原始的算法所决定。

机器的性能取决于它的精度.灵皱度、传感器的数量及型式。简单考虑一下人捏取铅笔时人乎系统的性能:这里的传感器是人的眼睛,它决定了每一瞬间人的手手臂、手指与份笔间的相对位置。皮肤传感器可感觉出铅笔什么时候被触摸到;触觉信息则提供给人脑判断铅笔握取力的大小及握取的姿态:视觉则帮助人脑决定铅笔被移动到了哪里。如果紧搂的操作指令是“握取铅笔并在纸上写50″眼睛还要决定纸的位置,触觉还要决定铅笔与纸在合适的情况下相碰,然后形成一个算法,使乎指运动写出*50”。

整个操作过程中,人- -直从实现这种操作所必需的各种传感器中取得反馈。传感器提供关于手正在做什么的输入信号,人手肝做的就是机器的输出。一台机器的输入信号取自它自己的输出,称为反馈。在机器人学中这- – 点对任何机器的运行都是重要的。反馈在工程学及伺服系统中是早已熟悉的概念。在机器人学中,与通常系统所不同的是传感器种类、传感器的尺寸及精度和计算复杂方程式的館力及迅速及时给出机器人的操作信号所必需的计算速度。

人体身上有若大量的传感器,人的皮肤表面,几乎每一点处都有热觉与压觉,从轻轻呼一口气到猛烈的狂风,从冬晨的严寒到仲夏的高温,它都能感觉出来。此外,听觉.视觉.味觉嗅觉等许多复杂灵敏的传感器也存在着人体的各部位。为了丰富你的想像,继续讨论前面提到的握取铅笔的例子,人眼见到铅笔后,怎么会知道它是铅笔呢?这是因为,在人脑中已经有了细长的.多边的。一端是尖的这种形像,这样,你就获得了机器人学中的算法这种概念。在人脑的相对固定的一块记忆区中,建立起了- °些形像,臂如如何丢弃老的形像,产生新的形像。考虑这一点后,可得到更为简单的扇发性定义:机器人学是使机器象人一样动作的科学。

机器人的讨论沿一个方面,另一方面还要考虑到如何考核。看一下图1-1中 的GRIVET系列5工业机器人,它只有一个在控制单元TRAC(阳1-2)操纵下动作的自动臂。
操作人员操作图1-1中的示教盒,GRIVFT机器人就能响应这种示教命令。可以保证,敏会这种机器人完成重要的工业任务是密易的。美国机器人公司说,这套设备的设计中,考虑到了使用与维修的方便性。关于堆修,由于机器人设备都是机电部件,因此能否保持机器人系统的正常操作,取决于设计人员打算怎样维修它一怎样 查找故障成怎样诊断故障。

我想起了关于开发一种新的导弹机器人系统的情景,许多制造商和科学家都投入到了系统方案的设计中,当要考虑到如何雏修时,大家都说这套系统几乎不会出毛病,或者说几乎不需要照料。不过从万一情况下设计一个测试装置是必须的,婴它能自动地测试这个系統,并能很快地把故障隔离,以便有效地修复这个系统。可以猜想到,这套测试装置太复杂了,以至还要考虑用另一台测试装置来测试这套复杂的装置


我们希望所设计的机器人系统尽可能没有故障,无雪维修,但是操作简便,坚固耐用的测试堆修裴置仍然是必要的。
国头看一下图1-1。这自GRIVET机器人是为了搬运三确以下的重物而设计的。用手操作示教盒,无需几分钟,就可教会机器人做特殊的工作。示教盒的详绸布置见图 1-3,其站构简单是丛于维修的关键。
61-1 机器人的示教

关国机器人公司的老板Jobn Galaber告诉我们,采用示教盒可以挖制机械行的作缩,机械爪。机械院、机械肘及机械肩的旋转。用户可把机器人安装在-一个同定的地方,根据要完成的任务编制程序,然后取下这个示教盆。在TARC指挥下机械臂就可以做已经教给它的工作了。这时, 它可以取代在工作台上的T人或者把工件从一条传送带放到努一条上去。正象人一样,它可以做人过去做过的那种工作。
“机器人学是使机器象人一样动作的科学。”这应当是一个精确的定义。佴霄注意,这并不是说,在外表上,机器人必须象人(或象女人)一样。
91-2人类动作的模仿

讨论图1- 1中机械有的功能时,谈到过机械臂可以模仿人的动作。“模仿”这个词大家是熟悉的,也是重要的。它显指尽可能地胜过,越过成者等于的意思。在这里,机械臂就是根伤了人的手臂。有时还应考虑到某些新的任务,以及某些在人们从未到过。或者无法到达的地方所执行的特殊任务。为得到成品成维修某产品香要开列整个的生产任务表。譬如要评价这种任务的性能,应当把由机器加工与由人工加工作比较。

机械臂处于静止状态,它紧靠着基座,不干什么酒。 图1 4(B)中,它得到了伸管信号后,各个构件的转动使机械爪平官的情况。图中的说明表示可以转动的角度。很容易理解,如果机械臂的构件(1)向下转动,构机规爪 _件(2)则向后转动,面构件(8)。即机械腕机板手 300 800 ”EL |应向下转动,才能保持机械瓜在起始位置的水平线上。注意, 机械臂本身可以绕基座转动360°,所以机械爪可以把物体从机器人一-侧搬到另外一侧。为什么说这种机械臂模仿了人的助作呢?根搬定义,这个劈的动作戴圈超过图14 GRIVET 机器人的静力学与动力学了人手的范围,干的活比人手好。一开始时,设机械臂与人手具有相同的工作速度与梢愿但时间长久后。人就会劳累,而机器人却不会,这就是说。机器人胜过了人,还有,机器人无需休息无需吃饭时间,也不管工作析地有青灯党(除非它帶有视觉系统),也不管是自天还是晚上。所以1用模伤这个词来陈述,在某种撵度.上还是正确的。这里说的模伤,只是緗机櫨臂能够实现的那些动作面官。显然,它不能复现人类手臂能够实现的每个动作。这就提出了人类手臂樸仿机器人的工作形式和种类的谋题。只婴机器人工作正常,工作条件不变,它就可以非常轻松地-直干下去。如果工作条件变化,除非是自适应机器人,否剿要重新编制程序以适应这种工作条件的变化。当然,人类是能自动适应这种变化的。

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