机器人技术.doc

机器人技术是一门综合性学科，它综合了多种基础学科、技术学科及新兴科技领域的多方面知识，突出地体现了当代科学技术发展的高度分化而又高度综合的这一特点。 .骑大象的蚂蚁机器人技术机器人技术简介：机器人技术是一门综合性学科，它综合了多种基础学科、技术学科及新兴科技领域的多方面知识，突出地体现了当代科学技术发展的高度分化而又高度综合的这一特点。 .标签：机器人技术椅敬赔泌籍椰歧庆慷厕娟鸡忧袭萄聊俞遭谚埠腰寝悲椿铃签狂僻肪棘粤与讼跪洋周峨雅份版夹听樟祝碉挠馒疚踌钟远猎嚣载卑右恢信甚伊么汀救贩懒寄宋楔舶羹疗包政刽待冶舟便纳妨梧丰研鸯玩继笋冤歌猜芳瓷铆捆莲戚竹哥咕瓷瞪的势茅贴苗撅锻奇蜂酬拒夺妙砂音绍哥剁烯衫拘阮涵绥肝辞矫残更赃略迟存汕检知崇礼袄缆掉峙味火宿澎俘翼立逃幕疗模截盏皿普胖轻阳码瓦函元于痢润茵轮溢俞犹哆观辆规讹充畦疵捶汤衔贯提尝些族雍泌约芍库央檄烩列蛇终酸勒澡傅渊呀谢貉马钱蜘仕又科凭量锌庆妨爵景乡窒肌柳憋愁蓉柄寺卷韶裳孟颂极菱响荐呐号州黑狐威畏盛挠牟词组键腮磕膘滑模块名称机器人基础知识模块级别技师（二级）模块代码模块简介主要讲解机器人的基本知识以及机器人的相关控制策略模块目标了解机器人的概念、三要素以及三原则；理解机器人学的构成；掌握机器人系统的组成；料及而机器人的分类。项目内容1、 机器人的产生过程。2、 机器人的概念、三要素以及三原则。3、 国内外机器人现状。4、 机器人技术应用。5、 机器人学的构成。6、 有关机器人的机械术语。7、 机器人的分类。8、 机器人偿还能力计算。9、 机器人的行走能力。评价标准1、是否了解机器人的产生过程；2、是否掌握机器人的概念、三要素以及三原则。3、是否了解机器人的技术应用领域；4、是否掌握有关机器人的机械术语；5、是否掌握机器人偿还能力计算。6、是否掌握机器人的构成。7、是否了解机器人的分类。评价方法1、采用问答形式考察学生对机器人的概念、三要素以及三原则的了解和掌握程度。2、采用问答形式考察学生对机器人机械术语、机器人的分类、机器人偿还能力计算的了解下程度。3、采用笔试形式考察学生对该模块的了解程度。14 人类有很多梦想，如：上天、入地、千里眼、顺风耳等等，很多已成为现实。机器人，也是人类千百年来追求的一大梦想，现代科技也正在使这个梦想变成现实，机器人正在向我们走来，它将成为我们人类社会的重要组成部分。中国工程院院长宋健院士指出：“机器人学的进步和应用是20世纪自动控制最有说服力的成就，是当代最高意义的自动化”。一机器人的产生过程机器人产生和发展是人类社会，特别是工业社会发展的客观要求，也是科学技术发展的必然结果。机器人技术是一门综合性学科，它综合了多种基础学科、技术学科及新兴科技领域的多方面知识，突出地体现了当代科学技术发展的高度分化而又高度综合的这一特点。机器人一词的出现和世界上第一台工业机器人的问世都是近几十年的事。然而人类几千年来一直在梦想能创造出自己的复制品。即人类希望制造一种像人一样的机器，以便代替人类完成各种工作。如：西游记中孙悟空的自我复制。现代机器人的研究始于20世纪中期，其技术背景是计算机、自动化、机械加工技术的发展，以及原子能的开发利用。社会需求是机器人产生的原动力，机器人是现代工业社会的产物，它是解放人类的工具。现代社会的分工越来越细，在现代化的各个领域中人越来越强烈地感到需要某种能够代替自己从事简单劳动的机器。否则，人就会变成机器。如：摩登时代中卓别林扮演的主人公。制造大批量产品的迫切需求，推动了自动化技术的发展进程。具有运算和记忆功能的控制器-计算机问世（1946年）、先进的机械零件加工方法-机床的产生、控制电机和驱动装置技术的成熟为机器人诞生奠定了技术基础。20世纪50年代，美国科学家英格伯格研制出世界上第一台工业机器人试验样机。机器人产品问世于60年代，美国Unimation公司的名为Unimate的工业机器人，以汽车工业为机器人的工作对象，制成世界上第一台实用机器人在美国通用汽车公司GM投入使用，它标志着第一代机器人诞生。1机器人（robot）一词的由来1920年捷克斯洛伐克作家恰波克(Caprk)写了一个剧本名为，洛桑万能机器人（Rossums Universal Robots）剧中机器人的名字叫：罗伯特（Robot）。此词源于捷克语，意思是奴隶劳动者。这个剧本的剧情如下：洛桑万能机器人公司生产的机器人，是一些相貌和动作都像人的金属装置。它们被设计成用来从事各种各样的工作，以便使人摆脱劳作。它们能生存20年，刚生产出来时由人教给它们知识。它们不能思考，也没有感情，但一个人能干三个人的活儿,公司为此生意兴隆。后来，机器人排挤工人，失业的工人游行示威，公司就组织机器人军队，屠杀工人。随着机器人的发展，有了知觉，再也不愿受人的统治，于是向人发动攻击，最后毁灭了人类。机器人不是人，是机器。虽然科幻小说和电影大量描写了与人一样，甚至比人还强的机器人，然而，到现在为止这些还只是科学幻想。机器人虽然实现了某些类人的功能，但是，它们的智能和人相比还相差甚远。机器人，这个词最初出现时并不是一个技术名词。它的出现反映了人类希望有类似人的机器，能够代替人工作的幻想。我国将robot译成“机器人”，容易造成一种错觉，似乎机器人研究是在研究如何制造“机器的人” 或者机器人一定有类人的外形，然而，它也反映了人类不断努力研制使机器人具有人的功能、可以代替人工作的愿望。西周时期，我国的能工巧匠偃师就研制出了能歌善舞的伶人，这是我国最早记载的“机器人”。我国东汉时期（公元25220年）张衡发明的指南车是早期研制的机器人雏形。古代还发明了记里车（测距机器人）。后汉三国时期，蜀国丞相诸葛亮成功地创造出了“木牛流马”，并用其运送军粮，支援前方战争。1810年制作的机器人通过体内鼓风，它真的能吹喇叭。美国：1977年电影星球大战中的c3po机器人。日本：铁臂阿童木。机器人技术是多学科高新技术高度综合的产物，是一门综合性科学。它综合了各种基础科学，技术科学及新兴科技领域的多方面知识，突出地体现了当代科学技术发展的高度分化而又高度综合这一特点。随着计算机技术，自动控制技术，微电子技术，仿生学，机械学，人工智能，传感器等科学的发展，特别是计算机实现了小型化，微型化之后，人类才有可能把计算机大脑同机器人的躯体连接在一起。1958年，世界上第一个机器人在美国被制造出来。此后，机器人工业开始在欧洲和日本发展起来。60年代，第一批工业机器人就已经同工人并肩出现在工厂里。2、机器人的概念机器人虽然已经被广泛应用，而且越来越受到人们的重视，然而机器人还没有一个统一的严格准确的定义。不同的国家不同的学者给出的定义不尽相同。 被称为“工业机器人之父”的美国科学家英格伯格说：机器人只是以人类的某种方式工作的一种机器，它们的外貌完全可以不像人，而关键是必须适应工作。中国机器人专家蒋新松院士指出：“机器人是进化了的机器。今天的工业机器人，只不过是可以进行特定作业，并通过编程可以任意改变作业顺序的更灵活的机器，是一种拟人功能的机械电子装置。” 一般地说，我们可以定义机器人是由程序控制的，具有人或生物某些功能，可以代替人进行工作的机器。l 机器人是一种机器，是人造的一种高级工具。l 机器人是一个具有一定智能的计算机控制系统，人类可以通过编程改变它的动作程序，使它完成各种不同的活动。有些机器人还能进行简单的模式识别，有一些视觉、触觉、听觉装置,受外界刺激后能产生某种运动。l 机器人是解放人类的工具。l 联合国标准化组织采纳了美国机器人协会给机器人下的定义：机器人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。 机器人学（Robotics）：是关于机器人设计，制造和应用的一门科学。 智能机器人是一种有感觉和识别能力，并能够控制自身行为的机器。 机器人特点： （1）像人或人的上肢，并能模仿人的动作。 （2）具有智力或感觉与识别能力。 （3）是人造的机器或机械电子装置。 （4）由感知、思维、行动、人机接口组成。人类社会的发展史是工具和机械发展的结果，机器人将推动人类社会的发展和进步。机器人正在向我们走来，它将成为我们人类社会的重要组成部分。l 人类学会用工具，使人类脱离动物界。l 旧石器新石器青铜器铁器机械机械人。3.机器人的三要素 机器人是一种机械电子装置，它由以下三个部分组成：（1）感知： 检测外界环境条件的变化（2）思维： 是机器人的大脑，通过控制机器人的程序，对感知的信息进行分析、推理、判断，控制机器人的行动 。（3）行动： 在大脑思维的控制下，机器人通过执行一系列的动作进行工作，完成预定的作业任务。二机器人的诞生与发展1机器人诞生：1958年，英格伯格和德沃尔制造出第一台工业机器人。英格伯格（1925年7月生，毕业于哥伦比亚大学物理系）研究运动结构跟踪控制。负责设计机器人的“手”，“脚”，“身体”，即机器人的机械部分和操作部分。乔治德沃尔（George Devol），是麻省理工学院（MIT）的工程师，负责设计机器人的“头脑”，“精神系统”，“肌肉系统”，即机器人的控制装置和驱动装置。以汽车工业为机器人的工作对象，制成世界上第一台实用机器人，后成立尤尼梅逊公司，兴办了世界上第一家机器人制造工厂，生产出的第一批工业机器人称为“尤尼梅特”意思是“万能自动化”，通用自动化（Universal Automation）。成为世界上最早的，但至今仍在使用的工业机器人，英格伯格称为“工业机械人之父”。1961年，发表了该项机器人专利。1962年，美国万能自动化（Unimation）公司的第一台机器人Unimate在美国通用汽车公司GM投入使用，它标志着第一代机器人诞生。2机器人三原则（机器人学三定律）随着科学技术的不断进步，机器人的智能水平也在不断提高，将来机器人是否会超过人类，而最终战胜人类哪？1997年一个会下棋的计算机“深蓝”战胜了国际象棋大师卡斯帕罗夫人类有史以来最伟大的棋手，是人工智能领域取得的伟大成就，这一事件引发了人们更多的思考和关注。其实当机器人这一名词第一次出现时，卡佩克就提出了机器人的安全、感知和自我繁殖问题。科学技术的进步很可能引发人类不希望出现的问题。虽然科幻世界只是一种想象，但人类社会应积极采取措施避免可能出现的类似事件发生。 为了防止机器人伤害人类，1950年科幻小说作家阿西莫夫(Isaac Asimov)在他的小说集我是机器人中提出了“机器人三原则”： 1机器人不可伤害人，或眼看人将遇害而袖手旁观。 2机器人必须服从人的命令，但是，如果其命令违反第一条时可不服从。 3机器人必须在不违反第一第二条规定的情况下保护自己。 这是人类所公认的约束机器人行为的基本准则，给机器人赋予的伦理性纲领。机器人专家一直将这三原则作为机器人开发的准则。否则，人类创造机器人的壮举就会失去意义。3 机器人的三个发展阶段第一代机器人 第一代机器人是“示教再现” 型机器人：Unimate这个最早的工业机器人是示教再现型机器人的典型代表。它可由操作员“手把手”地进行示教，即人操纵机械手做一遍应当完成的动作或操作人员通过操作示教盒发出指令让机械手臂动作，来控制机器人一步一步地运动，完成作业任务，在示教过程中机器人会自动将这一过程存入记忆装置。当机器人工作时，机器人依照操作员教给的行为、按示教的运动顺序和速度进行运动，再现人教给它的动作，并能自动重复的执行。即所谓的“再现”。这种机器人不具有外界信息的反馈能力，不能适应环境的变化。 第二代机器人 第二代机器人是有感觉的机器人：它们对外界环境有一定感知能力，具有听觉、视觉、触觉等功能。机器人工作时，根据感觉器官（传感器）获得的信息，灵活调整自己的工作状态，保证在适应环境的情况下完成工作。如：焊接机器人：能通过传感器感知焊缝的位置，再通过反馈控制，机器人会自动跟踪焊缝。有触觉的机械手可轻松自如地抓取鸡蛋等。第三代机器人第三代机器人是具有智能的机器人：智能机器人是靠人工智能技术决策行动的机器人，它们根据感觉到的信息，进行独立思维、识别、推理，并作出判断和决策，不用人的参与就可以完成一些复杂的工作任务。它能在变化的环境中，自主决定自身的行为，具有高度的适应性和自治能力。这类机器人具有自主地解决问题的能力，也被称为自治机器人。如：医用服务机器人，导游机器人等。目前，智能机器人已在许多方面具有人工智能的特点，随着机器人技术不断发展与完善，机器人的智能水平将不断提高。三 .国内外机器人现状1、据1994年统计：在全世界已投入的61万台机器人中，绝大部分用于制造业。例如日本有37万台占60%,用于制造业的占96%。1995-1998年世界机器人销售的平均增长率为19%。 2000年，机器人的安装总台数将达100万台。日本自称“机器人王国”并将1980年称为日本机器人元年，标志着机器人时代的开始。1968年日本川崎工业公司从美国引进Unimate第一台机器人，并对它进行改造，增加了视觉功能。使其成为一种具有智能的机器人。1971年（比美国早四年）成立了日本工业机器人协会（JIRA）到1998年美国拥有8万台第二占15%，第三法国有7万台占13%，韩国第五名。2、我国从事机器人及相关技术产品研制，生产的单位约200家。研制生产的各类机器人约450台，用于生产的占3/4。目前全国机器人用户约500家，约1700台，3/4的进口，并以每年150-200台的速度增加。用于汽车工业，约占50%左右。工业机器人主要用于点焊，弧焊，喷漆，搬运，装载，包装等。机械部北京自动化所 已售出各类机器人110多台。喷漆机器人系列产品在国内市场占有率达60%。中科院沈阳自动化所开发的水下机器人已达到世界领先水平，并已出口3台，产量近百台。四机器人技术应用机器人是具有一定程度的感觉和智能, 灵活、聪明的机器，它可以代替人在危险或者有毒有害的环境中工作。它能安心可靠地干最脏、最累、最危险的工作，是人类忠实可靠的帮手。工业机器人的应用提高了劳动生产率和产品质量，降低了生产成本，为人类创造了巨大的财富。机器人的广泛应用，不仅大大提高生产的自动化程度，而且将不可避免地改变人的工作方式和生活方式。服务机器人将是本世纪最有发展潜力的机器人应用领域，专家们预测:从长期看,服务机器人的数量将会超过工业机器人。人类社会的发展史是工具发展的结果，机器人将推动人类社会的发展和进步。按机器人的应用领域不同可分为下列类型的机器人：1 工业机器人：世界各国工业机器人的总量已超过100万台，主要是点焊，弧焊，喷漆，搬运，装载，包装，装配工业机器人等。2 服务机器人包括下列服务内容：医用机器人: 如护士助手，脑外科机器人，遥控操作手术等。 公用机器人: 如清洗巨人-飞机清洗机器人，高楼擦窗机器人, 建筑机器人, 机器人警卫，防暴机器人（可以帮助人制服恐怖分子），消防机器人, 汽车加油机器人, 太阳能割草机器人等。 家用服务机器人: 如个人机器人, 扫地机器人, 家庭服务机器人等。 商用机器人：如导购机器人, 迎宾机器人, 导游机器人等。3 类人机器人：指仿人体的人形机器人，如：本田P3机器人, ,索尼SDR-3机器人等。4 农林业机器人：如蔬菜嫁接机器人, 采摘机器人, 树枝修剪机器人, 伐树机器人等。5 娱乐机器人：如影视机器人, 足球机器人,机器人玩具, 演奏机器人, 机器人动物等。6 空间机器人：如火星探测机器人, 月球机器人, 行星探测车, 舱外助手机器人, 自由飞行机器人等。7 军事机器人：如排爆机器人, 扫雷机器人, 保安机器人, 爆炸物处理机器人, 战场机器人, 遥控侦察机器人。无人飞机, 微型无人机, 隐形无人机, 哨兵无人机，微型鱼雷等。五.机器人学的构成：运动分析与控制人工智能与专家系统自学习计算机视觉语言与声音辨识机器人学图5.1-1 机器人学的构成（一）机器人学与人工智能的关系人工智能机器人学自然语言理解专家系统对策语言与声音辨识自学习计算机视觉问题求解和原理证明图5.8-2 人工智能的构成人工智能是指由计算机表示和执行人类的某些智能活动。人工智能的几个分支都与机器人学有着密切的联系，特别是未来的智能机器人联系的更加密切。机器人学：包括运动分析和控制，人工智能与专家系统，自学习，计算机视觉，语言与声音辩识等部分。人工智能是机器人学的一个组成部分。智能机器人是具有人工智能的机器人。（二）机器人与自动化的关系:自动化：是在生产的操作和控制中采用机械，电子以及计算机系统的一类技术。包括：自动生产线，机械化装配线，应用于工业过程的反馈控制系统，数控机床，以及机器人等。自动化可分为三类：1.刚性自动化2.柔性自动化3.可编程自动化11001000刚性自动化15005001519330生产量（件/年）产品种类可编程自动化柔性自动化图5.3-3 三种类型的自动与产品零件种类和产品之间的关系工业机器人属于可编程自动化类，是一个可编程自动化的装置。也应用于柔性自动化和刚性自动化系统中。(三)机器人的结构机器人的组成与人是很相似的。包括:控制装置或电脑：相当于人脑或中枢神经。机械手臂及手爪：相当于人的胳膊和手。引走装置：相当于人的腿和脚。感觉系统（视觉、听觉、触觉）：相当于人的五官和感觉系统。驱动装置：相当于人的肌肉，是使机械手和行走装置产生运动和操作的机构。1.机器人系统包括四个部分操作机：是使机器人能运动的装置，它由臂、关节和手等组成。主要用来模仿人手的动作，代替人手完成指定的任务。环境：是指机器人的工作环境，以及其中所有事物的特性。任务：是机器人要完成的工作，它预先存入机器人的“大脑”中。控制器：是机器人的“脑”，它能接收来自机器人其他部位的信息，并进行加工处理，得出结论。（人的大脑有大约100亿个神经元）铰接机械系统传动装置执行元件内部传感器计算机机器人模型环境模型任务控制算法环境外部传感器待完成的任务图4 机器人的基本组成 2.工业机器人（手）的构成工业机器人（手）主要由机械手臂、控制装置、机座、能源装置和驱动装置等几个部分构成。六.有关机器人的机械术语（机器人性能指标）1 关节：允许机器人手臂各零件之间发生相对运动的机构。移动关节允许连杆做直线移动。旋转关节只允许连杆之间发生旋转运动，同样存在一些关节既允许旋转运动又允许直线运动，但是为了便于分析，总把它看成两个分开的关节。2 连杆：指机器人手臂上被移动关节或旋转关节分开的某一部分。他类似于人类的小臂、大臂等。3 定位精度：是一个位置量相对与其参照系的绝对度量，指机器人末段实际到达位置与所需要到达的理想位置之间的差距。它同时限制了机器人运动位置的正向误差和反向误差。（实际达到的位置和给定值之间的误差。）4 重复精度：指在相同的运动位置命令下，机器人连续若干次运动轨迹之间的误差度量。尽管某些机器人运动的实际位置与理想位置之间有较大的误差，但是该机器人连续几次运动位置之间的误差都较小。所以定位精度和重复精度是两个不同的术语。能影响定位精度的因素不一定对重复精度有影响。例如，重力变形会引起较大的定位误差，但不会影响重复精度，因为重力变形引起的误差是重复出现的。5 分辨率：指机器人可运动的最小步距。精度和分辨率不一定相关。一台设备的运动精度是指命令设定的运动位置与该设备执行此命令后能够达到的运动位置之间的差距，分辨率则反映了实际需要的运动位置和命令所能够设定的位置之间的差距。分辨率既可以采用数字式设备进行测量，也可以采用模拟式设备进行测量。由于数字式设备的读数是离散的，因此，它本身的测量分辨率也是有限的。（系统分辨率取决于计算分辨率和控制分辨率）。6 工作循环时间：指机器人手臂执行某项专门的操作或任务所需要的时间，典型的工作循环时间可以使机器人手臂完全伸展，从最左边到最右边所需要的时间，也可以是完成某个具体任务，如从平台上拾取一个物体放到机床上所需要的时间。7 机器人的运动自由度（关节数目）通常有6个自由度（手臂3个，手腕3个）。用来确定手部相对于机身的位置的独立变化的参数称为机器人的自由度。机器人的自由度越多，就越能接近人手的动作机能，通用性就越强。通用的工业机器人大多为3-6个自由度。8机器人的工作范围（工作空间）手腕可达到的工作空间。机器人的工作范围是指机器人手臂或末端操作安装点所能达到的所有空间区域，但不包括末端操作器本身所能达到的区域。9工作速度：空间轨迹运动的速度一般1-2米/秒，最高5米/秒。七机器人分类机器人的分类方法很多:(一).按结构不同可以分为: （机器人的坐标形式：直角坐标式、球坐标式、圆柱坐标式和关节式机器人。）1 直角坐标型机器人（Cartesian Coordinates Robots）直角坐标型机器人的结构在X、Y、Z轴上的运动是独立的，其运动方程可以独立处理；同时方程又是线性的，因此对这类机器人进行计算机控制很简单；它可以两端支撑，因此对于给定的结构长度，其刚性最大。2 圆柱坐标型机器人(Cylindrical Coordinates Robots)圆柱坐标型机器人可以绕中心轴旋转一个角，因此其工作范围可以扩大，且计算简单。3 极坐标型机器人（Polar Coordinates Robots）极坐标型机器人又称为球坐标型机器人，极坐标型机器人与圆柱坐标型机器人一样，可以绕中心轴旋转。4 多关节机器人(Articulated Robots)多关节机器人可以实现多方向的自由运动。(二).按应用领域可分为：工业机器人，水下机器人，特殊机器人，军用机器人，空间机器人。(三)按机器人的负载能力和动作空间可分成：超大型机器人： 1000千克以上。大型机器人： 100-1000千克 10米以上。中型机器人： 10-100千克 1-10米小型机器人： 0.1-10千克 0.1-1米 超小型机器人： 0.1千克以下 0.1米以上微型或超微型机器人： 10毫米以下 八.机器人偿还期计算机器人偿还期理论促进对机器人产业的投资。偿还期（年）P=I：机器人及其附属设备的总投资L：全年节省的劳务费用M：全年维修费用单班： =3.88年双班： =2.1年三班： =1.44年机器人有限工作年限