机械工程导论第八讲

1、 未来机械工程科学发展的总趋势将是智能、数字化；交叉、综合化；柔性、集成化；精密、 微型化；高效、清洁化。其中智能装备及机器人已成为一个热门的研究课题。1 1、机器人的定义、机器人的定义美国机器人协会（RIA）的机器人定义：“机器人是用以搬运材料、零件、工具的可编程序的多功能操作器或是通过可改变程序动作来完成各种作业的特殊机械装置。”日本工业机器人协会（JIRA）的定义：“工业机器人是一种装备有记忆装置和末端执行器的，能够转动并通过自动完成各种移动来代替人类劳动的通用机器。” 总之，机器人是自动执行工作的机器装置，是一种智能的机电总之，机器人是自动执行工作的机器装置，是一种智能的机电一体化系统

2、。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的一体化系统。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据人工智能技术制定的原则行动。它的任务是程序，也可以根据人工智能技术制定的原则行动。它的任务是协助或取代人类工作，例如生产业、建筑业或是危险的工作。协助或取代人类工作，例如生产业、建筑业或是危险的工作。 机器人是高级整合控制论、机械电子、计算机、材料和仿生学机器人是高级整合控制论、机械电子、计算机、材料和仿生学的产物，在工业、医学、农业、建筑业、军事等领域中都有重的产物，在工业、医学、农业、建筑业、军事等领域中都有重要的用途。要的用途。美国国家标准局（NBS ）的定义：“机器人是一种

3、 能够进行编程并在自动控制下执行某些操作和移动作业任务的机械装置”。国际标准化组织(ISO)的定义：“机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能机械手，这种机械手具有几个轴，能够借助于可编程序操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行种种任务。”控制控制系统系统驱动驱动器器电力电力单元单元传感传感器器机身机身机器人处理信息的过程与人相似:获取信息-处理与判断信息-执行动作机器人的大脑机器人的大脑，机器人的指，机器人的指挥中枢。主要挥中枢。主要由微控制器、由微控制器、存储器、输入存储器、输入输出端口组成输出端口组成机器人的动机器人的动力来源，包力来源，包括电源、调括电源、调节电路

4、以及节电路以及电源开关电源开关机器人通过机器人通过传感器检测传感器检测环境，获取环境，获取信息信息, ,根据外根据外界环境做出界环境做出反应反应由电机、机械由电机、机械手等组成。可手等组成。可以让机器人在以让机器人在控制器的命令控制器的命令下完成动作下完成动作机器人的外形机器人的外形，将机器人的，将机器人的框架、传感器框架、传感器、主板、电机、主板、电机等组装并固定等组装并固定起来起来2 2、机器人的组成、机器人的组成 机器人的动作机构具有类似与人或其它生物的某些器官的功能。 是一种自动机械装置，自动完成多种操作或动作功能，可以再编程，程序流程可变，具有适应性。 具有不同程度的智能性，如记忆、

5、感知、推理、决策、学习。 3 3、机器人的特点、机器人的特点4 4、机器人的能力评价标准、机器人的能力评价标准 智能，指感觉和感知，包括记忆、运算、比较、鉴别、判断、决策、学习和逻辑推理等； 机能，指变通性、通用性或空间占有性等； 物理能，指力、速度、可靠性、联用性和寿命等。因此，可以说机器人就是具有生物功能的实际空间运行工具，可以代替人类完成一些危险或难以进行的劳作、任务等。5 5、机器人的发展方向、机器人的发展方向 横向上，应用面越来越宽。由95%的工业应用扩展到更多领域的非工业应用。像做手术、采摘水果、剪枝、巷道掘进、侦查、排雷，还有空间机器人、潜海机器人。 纵向上，机器人的种类会越来越

6、多，像进入人体的微型机器人，已成为一个新方向，可以小到像一个米粒般大小；机器人智能化得到加强，机器人会更加聪明。6 6、机器人的发展历史、机器人的发展历史 1910年 捷克斯洛伐克作家卡雷尔恰佩克在他的科幻小说中，根据Robota（捷克文，原意为“劳役、苦工”）和Robotnik（波兰文，原意为“工人”），创造出“机器人”这个词。 1911年 美国纽约世博会上展出了西屋电气公司制造的家用机器人Elektro。它由电缆控制，可以行走，会说77个字，甚至可以抽烟，不过离真正干家务活还差得远。但它让人们对家用机器人的憧憬变得更加具体。1912年 美国科幻巨匠阿西莫夫提出“机器人三定律”。虽然这只是科

7、幻小说里的创造，但后来成为学术界默认的研发原则。1913年 诺伯特维纳出版控制论关于在动物和机器中控制和通讯的科学，阐述了机器中的通信和控制机能与人的神经、感觉机能的共同规律，率先提出以计算机为核心的自动化工厂。1914年 美国人乔治德沃尔制造出世界上第一台可编程的机器人（即世界上第一台真正的机器人），并注册了专利。这种机械手能按照不同的程序从事不同的工作，因此具有通用性和灵活性。1915年 在达特茅斯会议上，马文明斯基提出了他对智能机器的看法：智能机器“能够创建周围环境的抽象模型，如果遇到问题，能够从抽象模型中寻找解决方法”。这个定义影响到以后30年智能机器人的研究方向。 1950年，美国作

8、家埃萨克阿西莫夫在他的科幻小说I，Robot中首次使用了“Robotics” ，即“机器人学”。阿西莫夫提出了“机器人三原则”：1.机器人不应伤害人类,且在人类受到伤害时不可袖手旁观； 2.机器人应遵守人类的命令，与第一条违背的命令除外； 3.机器人应能保护自己，与第一条相抵触者除外。 机器人学术界一直将这三原则作为机器人开发的准则，阿西莫夫因此被称为“机器人学之父”。 1959年 德沃尔与美国发明家约瑟夫英格伯格联手制造出第一台工业机器人。随后，成立了世界上第一家机器人制造工厂Unimation公司。由于英格伯格对工业机器人的研发和宣传，他也被称为“工业机器人之父”。1962年 美国AMF公

9、司生产出“VERSTRAN”（意思是万能搬运），与Unimation公司生产的Unimate一样成为真正商业化的工业机器人，并出口到世界各国，掀起了全世界对机器人和机器人研究的热潮。1962年-1963年 传感器的应用提高了机器人的可操作性。人们试着在机器人上安装各种各样的传感器，包括1961年恩斯特采用的触觉传感器，托莫维奇和博尼1962年在世界上最早的“灵巧手”上用到了压力传感器，而麦卡锡1963年则开始在机器人中加入视觉传感系统，并在1964年，帮助MIT推出了世界上第一个带有视觉传感器，能识别并定位积木的机器人系统。1965年 约翰霍普金斯大学应用物理实验室研制出Beast机器人。Be

10、ast已经能通过声呐系统、光电管等装置，根据环境校正自己的位置。20世纪60年代中期开始，美国麻省理工学院、斯坦福大学、英国爱丁堡大学等陆续成立了机器人实验室。美美国兴起研究第二代带传感器、国兴起研究第二代带传感器、“有感觉有感觉”的机器人，并向人工的机器人，并向人工智能进发。智能进发。1968年 美国斯坦福研究所公布他们研发成功的机器人Shakey。它带有视觉传感器，能根据人的指令发现并抓取积木，不过控制它的计算机有一个房间那么大。Shakey可以算是世界第一台智能机器人，拉开了第三代机器人研发的序幕。拉开了第三代机器人研发的序幕。1969年 日本早稻田大学加藤一郎实验室研发出第一台以双脚走

11、路的机器人。加藤一郎长期致力于研究仿人机器人，被誉为“仿人机器人之父”。日本专家一向以研发仿人机器人和娱乐机器人的技术见长，后来更进一步，催生出了本田公司的ASIMO仿人机器人和索尼公司的QRIO仿人机器人。本田公司的本田公司的ASIMOASIMO仿人机器人仿人机器人索尼公司的索尼公司的QRIOQRIO仿人机器人仿人机器人1973年 世界上第一次机器人和小型计算机携手合作，诞生了美国Cincinnati Milacron公司的机器人T3。1978年 美国Unimation公司推出通用工业机器人PUMA，这标志着工业机器人技术已经完全成熟。PUMA至今仍然工作在工厂第一线。80年代，机器人在发达

12、国家的工业中大量普及应用，如焊接、喷漆、搬运、装配。并向各个领域拓展，如航天、水下、排险、核工业等，机器人的感知技术得到相应的发展。90年代，机器人技术在发达国家应用更为广泛，如军用、医疗、服务、娱乐等领域，并开始向智能型机器人发展。7 7、机器人的性能要素、机器人的性能要素 自由度数，衡量机器人适应性和灵活性的重要指标，一般等于机器人的关节数。机器人所需要的自由度数决定与其作业任务。 负荷能力，机器人在满足其它性能要求的前提下，能够承载的负荷重量。 工作空间，机器人在其工作区域内可以达到的所有点的集合。它是机器人关节长度和其构型的函数。 精度，指机器人到达指定点的精确程度。它与机器人驱动器的

13、分辨率及反馈装置有关。 重复定位精度，指机器人重复到达同样位置的精确程度。它不仅与机器人驱动器的分辨率及反馈装置有关，还与传动机构的精度及机器人的动态性能有关。 控制模式，引导或点到点示教模式；连续轨迹示教模式；软件编程模式；自主模式。 最大工作速度，单关节速度；合成速度。 其它动态特性，如稳定性、柔顺性等。8 8、机器人的分类、机器人的分类 机器人的种类很多，可以按驱动形式、结构、智能水平和用途等划分： 、按驱动形式分类 气压驱动 液压驱动 电驱动 交流伺服驱动 直流伺服驱动 2、按几何结构分类串联机器人：各连杆为串联并联机器人：各连杆为并联串联机器人串联机器人并联机器人并联机器人3、按智能

14、水平划分分分 类类 名名 称称简简 要要 解解 释释人工操作装置有几个自由度，有操作员操纵，能实现若干预定的功能。固定顺序机器人按预定的不变顺序及条件，依次控制机器人的机械动作。可变顺序机器人按预定的顺序及条件，依次控制机器人的机械动作。但顺序和条件可作适当改变。示教再现型机器人通过手动或其它方式，先引导机器人动作，记录下工作程序，机器人则自动重复进行作业。数控型机器人不必使机器人动作，通过数值、语言等为机器人提供运动程序，能进行可变程伺服控制。感知型机器人利用传感器获取的信息控制机器人的动作。机器人对环境有一定的适应性。智能机器人机器人具有感知和理解外部环境的能力，即使环境发生变化，也能够成

15、功的完成任务。第一代第一代第二代第二代第三代第三代4、按用途划分类工业机器人农业机器人医疗机器人水下机器人军用机器人仿人机器人太空机器人娱乐机器人服务机器人工业机器人工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。德国大众汽车生产线德国大众汽车生产线农业机器人农业机器人是用于农业生产的特种机器人，是一种新型多功能机是用于农业生产的特种机器人，是一种新型多功能机械。械。德国农业机械德国农业机械医疗机器人医疗机器人技术是集医学、生物力学、机械学、机械力学、材料技术是集医学、生物力学、机械学、机械力学、材料学、计算机图形学、计算机视觉、数学分析等

16、诸多学科为一体的学、计算机图形学、计算机视觉、数学分析等诸多学科为一体的交叉研究领域，主要用于伤病员的手术、救援、转运和康复。交叉研究领域，主要用于伤病员的手术、救援、转运和康复。达芬奇手术机器人达芬奇手术机器人水下机器人水下机器人是是一种工作于水下的极限作业机器人，能潜入水一种工作于水下的极限作业机器人，能潜入水中代替人完成某些操作，又称潜水器。中代替人完成某些操作，又称潜水器。水下探测机器人水下探测机器人军用机器人军用机器人是一种用于军事领域的具有某种仿人功能的自动机。是一种用于军事领域的具有某种仿人功能的自动机。美国大狗机器人美国大狗机器人仿人机器人仿人机器人是模仿人的形态和行为而设计制

17、造的机器人。是模仿人的形态和行为而设计制造的机器人。日本仿人机器人日本仿人机器人太空机器人太空机器人是一种在航天器或空间站上作业的具有智能的通用机是一种在航天器或空间站上作业的具有智能的通用机械系统。械系统。太空加油机器人太空加油机器人娱乐机器人娱乐机器人以供人观赏、娱乐为目的，具有机器人的外部特征，以供人观赏、娱乐为目的，具有机器人的外部特征，可以像人，像某种动物，像童话或科幻小说中的人物等。可以像人，像某种动物，像童话或科幻小说中的人物等。乐队机器人乐队机器人服务机器人服务机器人的应用范围很广，主要从事维护保养、修理、运输、的应用范围很广，主要从事维护保养、修理、运输、清洗、保安、救援、监

18、护等工作。清洗、保安、救援、监护等工作。银行大堂服务机器人银行大堂服务机器人智能机器人技术智能机器人技术材材 料料感知感知仿生仿生网络网络微型微型智能智能交互交互前沿技术前沿技术探索探索多机器人多机器人协调技术协调技术人、机器人、机器和谐共存和谐共存与交互与交互网络化与网络化与移动感知移动感知新型机构新型机构与驱动与驱动仿生运动与仿生运动与智能控制智能控制微纳操作微纳操作技术技术关键技术关键技术攻关攻关仿生与生仿生与生物机器人物机器人极地科考极地科考机器人机器人助老助残助老助残家庭服务家庭服务微制造微制造机机器人器人装备装备核工业核工业机器人机器人油气管道油气管道检测检测电力检测电力检测机器人