3.1 工业机器人

通过摄像机拍摄的图像与给定的图像（不是三维几何信息）进行特征比较，得出误差信号。然后通过关节控制器和视觉控制器对机器人当前的作业状态进行修正，从而完成机器人的伺服控制。相比三维视觉伺服，二维视觉伺服对摄像机及机器人的标定误差具有较强的鲁棒性。但是在设计二维视觉伺服控制器时，不可避免地会遇到图像雅克比矩阵的奇异性以及局部极小等问题。

针对三维和二维视觉伺服的局限性，2.5维视觉伺服应运而生。它将摄像机平动位移与旋转的闭环控制解耦，基于图像特征点，重构物体在三维空间中的方位及成像深度比，平动部分用图像平面上的特征点坐标来表示。这种方法能成功地把图像信号和基于图像提取的位置信号进行有机结合，并综合它们产生的误差信号进行反馈，很大程度上解决了鲁棒性、奇异性、局部极小等问题。但是，这种方法仍存在一些问题需要解决，如怎样确保伺服过程中参考物体始终位于摄像机视野之内等。

在建立视觉控制器模型时，需要找到一种合适的方法来描述机器人末端执行器和摄像机的映射关系。图像雅克比矩阵是机器人视觉伺服研究领域中广泛使用的一类方法。图像的雅克比矩阵是时变的，所以，需要在线计算或估计。

4．关键基础部件

机器人的关键基础部件主要指精密减速器、控制器、伺服电机及高性能驱动器等，它们对机器人性能起到关键作用。

精密减速器可以分为谐波齿轮减速器、RV减速器、摆线针轮行星减速器、精密行星减速器和滤波齿轮减速器等，是工业机器人的核心零部件，占机器人整机成本的35%左右。图3-4左图展示的是谐波齿轮减速器，主要由波发生器、柔性齿轮和刚性齿轮3个基本构件组成，依靠波发生器使柔性齿轮产生可控弹性变形，并与刚性齿轮相啮合来传递运动和动力，单级传动速比可达70～1000，借助柔性齿轮变形可做到反转无侧隙啮合。与一般减速器相比，输出力矩相同时，谐波齿轮减速器的体积可减小2/3，重量可减轻1/2。由于要承受较大的交变载荷，因而柔性齿轮对材料的抗疲劳强度、加工和热处理要求较高，制造工艺复杂。柔性齿轮性能是高品质谐波齿轮减速器的关键。图3-4右图展示的是RV减速器，由一个行星齿轮减速器的前级和一个摆线针轮减速器的后级组成。相比于谐波齿轮减速器，RV减速器具有更好的回转精度和精度保持性。

图3-4 谐波齿轮减速器（左）与RV减速器（右）

目前，全球精密减速机市场大半被日本企业占据。日本的哈默纳科是谐波齿轮减速器领域的领军者，占据了约15%的全球精密减速器市场。日本的纳博特斯克是全球最大的RV减速器和摆线针轮减速器制造商，占据了约60%的全球精密减速器市场。值得一提的是，ABB、发那科、库卡等国际大牌工业机器人厂商均与上述两家日企签订了战略合作协议，采购的减速器产品往往是在通用机型基础上根据各厂商特殊要求进行改进后的专用型号。而国内机器人厂商大都只能采购通用机型的减速器产品。

我国在精密减速器方面的研发起步较晚。近年来，国内一些厂商和院校开始致力于研发精密减速器产品。在谐波齿轮减速器领域，苏州绿的、北京中技克美、北京谐波传动所研发的产品已可替代国外同类产品，但在产品的一致性和量化等方面还有待提升。在RV减速器领域，南通振康、秦川发展、山东帅克研发出了相关产品。在高精度摆线针轮减速器领域，浙江恒丰泰、重庆大学机械传动国家重点实验室、天津减速器厂、秦川机床厂、大连铁道学院等企业和单位也纷纷推出了自己研发的产品。

在伺服电机和驱动系统方面，目前欧洲工业机器人厂商主要采用由西门子、博世、施耐德等公司提供的伺服电机和由伦茨、Lust、博世力士乐等公司提供的驱动系统。这些欧系电机及驱动部件的过载能力、动态响应好，驱动器开放性强，且具有总线接口，但是价格昂贵。日本厂商的工业机器人主要采用安川、松下、三菱等公司提供伺服电机和驱动系统。这些日系电机及驱动部件价格相对较低，但是动态响应能力较差，开放性较差，且大部分只具备模拟量和脉冲控制方式。近年来，我国的哈尔滨工业大学、北京和利时、广州数控等单位也开展了大功率交流永磁同步电机及驱动部分的基础研究和产业化工作，并且具备了一些生产能力，但其产品的动态性能、开放性和可靠性还有待实践的验证。

总体来看，在伺服电机领域，日系公司产品约占全球市场份额的40%，欧系公司产品占据全球市场份额的30%左右，而国内公司产品的整体市场份额低于10%。在驱动器领域，国内80%的驱动器需从欧美和日本进口。

在控制器方面，目前国外主流机器人厂商的控制器均是在通用的多轴运动控制器平台基础上进行自主研发而来的。目前通用的多轴运动控制器平台主要分为以嵌入式处理器（DSP，POWER PC）为核心的运动控制卡和以工控机加实时系统为核心的PLC系统。

在运动控制卡方面，国内深圳固高科技已经开发出相应的成熟产品。

目前，我国在工业机器人关键基础部件上严重依赖进口，而减速器、伺服电机、控制器分别占机