机器人技术第1讲

1、初识机器人科学技术的飞速发展使生产方式由大规模、大批量以小批量、多品种。也就是需要制造系统具有一定的柔性即具有可编程功能，能适应多种任务而不改变硬件；机器人对多种作业和环境显示出巨大的通用性，必将成为高技术发展的一个重要内容。 引言1.1 机器人的由来与历史机器人对于大多数人来讲并不陌生，从古代神话到科幻小说，都有关于机器人的精彩描述；现实世界的机器人并不象科幻小说描述的那样神通广大，多才多艺。机器人的本领非常有限，但正迅速发展，并开始对整个工业生产、太空和海洋探索以及人类生活的各个方面 机器人一词最早出现于1920年捷克作家Karel Capek的剧本罗萨姆的万能机器人 Robota（奴隶）

2、 Robot1.1 机器人的由来与历史 西周时代 偃师：歌舞伶人。 春秋后期 木匠鲁班：木鸟，三日不下。 公元前2世纪 古希腊人：自动机 东汉时期 张衡：计里鼓车，1里击鼓一下，10里击钟1下。 后汉三国时期 诸葛亮： 木牛流马。 1738年 法国人：机器鸭。 1773年 瑞士钟表匠：自动书写、自动演奏的玩偶。 18世纪末 日本人：端茶玩偶，木制。1.1 机器人的由来与历史东汉时期（公元25220）的张衡发明的指南车是世界上最早的机器人雏形真正的现代机器人是1948年在美国橡树岭国家实验室开始的搬运核原料的遥控机械操作手的研究。1.1 机器人的由来与历史主从操作机的出现为机器人的产生在机械上作

3、了准备。 50年代初由MIT发展的数控技术，这为机器人的出现准备了控制方面的基础。 1.1 机器人的由来与历史 1959年 第一代工业机器人在美国诞生。 1961年Unimate生产了第一台商用工业机器人 1980年 日本迅速普及工业机器人，“机器人元年”。 20世纪末 特种机器人的研究热潮。 国际机器人会议：国际工业机器人会议、国际工业机器人技术会议、国际机器人与自动化会议、国际机器人学与自动化会议。 1.2 机 器 人 概 念 机器人问世已有几十年，但对机器人的定义仍然没有一个统一的意见。原因之一是机器人还在发展，新的机型、新的功能不断涌现。根本原因主要是因为机器人涉及到了“人”的概念，成

4、为一个难以回答的哲学问题。 其实并不是人们不想给机器人一个完整的定义，自机器人诞生之日起，人们就不断地尝试着说明到底什么是机器人。而随着机器人技术的发展和信息时代的到来，机器人所涵盖的内容越来越丰富，机器人的定义也在不断充实和创新。1.2 机 器 人 概 念机器人不能伤害人类， 也不能眼见人类受伤害而袖手旁观；机器人必须绝对服从人类，除非人类的命令与第一条相违背；机器人必须保护自身，除非这与上述两条相违背。Asimov提出的机器人三原则 1978年9月6日，日本广岛一家工厂的切割机器人杀人事件，这是世界上第一宗机器人。1982年5月，日本山梨县阀门加工厂的一个工人，正在调整停工状态的螺纹加工机

5、器人时，机器人突然启动，抱住工人旋转起来，造成了悲剧。1985年前苏联发生了一起家喻户晓的智能机器人棋手杀人事件。全苏国际象棋冠军古德柯夫同机器人棋手下棋连胜3局，机器人棋手恼羞成怒，突然向金属棋盘释放强大的电流，在众目睽睽之下将这位国际大师击倒。 加藤一郎提出机器人三要件：具有脑、手、脚等要素的个体具有非接触传感器（眼、耳等）和接触传感器具有用于平衡和定位的传感器1.2 机器人概念牛津字典貌似人的自动机，具有智力和顺从于人但不具有人格的机器到目前为止，还没有与人类相似的机器人美国机器人协会（RIA-Robot Institute of America）一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装

6、置的，通过可编程序动作来执行各种任务，并具有编程能力的多功能机械手日本工业机器人协会（JIRA-Japanese Indrustrial Robot Association）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国际标准化组织ISO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，以执行种种任务中国一种拟人功能的机械电子装置机器人的本质机器人是一种机器，本质上不可能超越人类；机器人在结构上有一定的仿生特性，通常具有多自由度的结构；是一种机电一体化的自动装

7、置，受微机控制，具有重复编程控制功能1.3 机器人技术的发展方向智能化高性能的传感器，驱动器和执行器的研究解决机器人在特殊领域的逻辑推理、思维和自主决策能力解决人和机器的协调共处让机器人具有情感 模块化 部件构造上的标准化 多机化 多机协调作业 家庭化 极限化 太空、深海、火山 微型化微型机器人-各国竞相发展的战略阵地美国：1988年开始，每年200万美元，用于支持MEMS; 国防部92年开始研究，95年花费3000万；95年美国全国用于MEMS的研究经费达到1.2亿。主要领域：微观结构的操作微型制造 ；微型传感器军用医疗欧洲专门成立了一个协调组织：包括8所高校、23个国家实验室95年的研究经

8、费 4000万 美元，96年为6500万日本91年开始，通产省开始实施为期十年的“微机械技术计划”，并专门成立了“微机械中心”，总投资250亿日币，其中一个很重要的领域就是微型医疗机器人1.4 机器人分类按坐标形式分类 按控制类型来划分按用途来划分按执行机构的动力方式来划分机器人的五种结构形式坐标形式控制类型：点位控制、连续控制。驱动方式：电气驱动、液压驱动和气动。按用途分1.5 机器人的组成与结构 机器人基本上是由执行机构、控制系统和驱动系统三部分组成。 美国的工业机器人应用日本的工业机器人应用一、机器人在制造领域的应用1.6 机器人技术的应用1.6 机器人技术的应用 医疗福利-手术、送药、

9、盲人引导军事领域- 排雷、侦察农业、林业-采摘、喷药、嫁接、整枝特殊的危险环境作业-核环境、消防、防暴宇宙和海洋开发-深海探测、宇宙探测娱乐行业-舞、乐家庭服务-清洁、防卫、勤务二、机器人在非制造业中的应用工业机器人 用于机械制造业中代替人完成具有大批量、高质量要求的工作，如汽车制造、摩托车制造、船舶制造、家电产品（电视机、电冰箱、洗衣机等）、化工等行业自动化生产线中的点焊、弧焊、喷漆、切割、电子装配及物流系统的移载搬运、包装、码垛等作业的机器人。1. 装配机器人其它机器人及应用科学家除了对设计类人机器人感兴趣以外，还有模仿昆虫和其它动物的机器人例如：6脚和8脚机器人、蠕虫机器人、蛇形机器人等

10、生命电子学是指设计并开发生动形象的机器人和机器人系统技术，这些机器人具有类似人或其它动物的外观与行为。如生命电子嘴唇、生命电子眼等MEMS：微型机器人可以进入血管和心脏进行探测或进行外科手术等工作机器人的基本概念 1. 名词术语 自由度（Degree of Freedom, DOF）：指一个点或一个物体运动的方式，或 一个动态系统的变化方式。每个自由度可表示一个独立的变量，而利用所有 的自由度，就可完全规定所研究的一个物体或一个系统的姿态。 操作手（Manipulator）：具有和人手臂相似的功能、可在空间抓放物体或 进行其它操作的机械装置。 末端执行器（End-effector）：位于机器人

11、腕部的末端，直接执行工作要求 的装置。 手腕（Wrist）：位于执行器与手臂之间，具有支撑和调整末端执行器姿态 功能的机构。 手臂（Arm）：位于基座和手腕之间，由操作手的动力关节和连杆等组成的 组件。能支撑手腕和末端执行器，并具有调整末端执行器位置的功能。 自然坐标系、世界坐标系（World Coordinate System）：参照地球的直角 坐标系。 机座坐标系、基坐标系（Base reference coordinate system）：参照机器人 基座的坐标系。 坐标变换（Coordinate Transformation）：将一个点的坐标从一个坐标系换 到另一个坐标系的过程。 位姿

12、（Pose）：机器人末端执行器在指定坐标系中的位置和姿态。 工作空间（Working Space）：机器人在执行任务时，其腕轴交点能在空间 活动的范围。 负载（Load）：作用于末端执行器上的质量和力矩。 额定负载（Rated Load）：机器人在规定的性能范围内，机械接口处能够承 受的最大负载量（包括末端执行器在内）。 分辨率（Resolution）：机器人每个轴能够实现的最小移动距离或最小转动 角度。 位姿精度（Pose Accuracy）：指令设定位姿与实际到达位姿的一致程度。 轨迹精度（Path Accuracy）：机器人机械接口中心跟指令轨迹的一致程度。 点位控制（Point to

13、Point Control，PTP）：控制机器人从一个位姿转到另 一个位姿，其路径不限。 连续轨迹控制（Continuous Path Control，CP）：机械接口在指定的轨迹上 ，按照编程规定的位姿和速度移动。它适于对两个以上的运动环节进行控制。 协调控制（Cooperative Control）：协调多个手臂或多台机器人同时进行某 种作业的控制。 伺服系统（Servo System）：控制机器人的位姿、速度和力等，使其跟随目标 值变化的控制系统。 离线编程（Off-line Programming）：机器人作业方式的信息的记忆过程，与 作业对象不发生直接关系的编程方式。 在线编程（On

14、-line Programming）：通过人的示教来完成操作信息的记忆 过程的编程方式。 人工智能（Artificial Intelligence，AI）：机器人能执行一些类似人类智力 活动的能力。如推理、规划、图像识别、理解和学习等。 模式识别（Pattern Recognition）：通过类似人类感觉器官的传感器所检测 的信息来分析、描述和区分各个物体特征的方法。 触觉（Tactile Sense）：机器人与物体之间接触时所得到的感觉信息。 压觉（Sense of Contact Force）：机器人与物体某个表面接触时，沿法线方 向受到的力的信息感觉。 视觉（Visual Sense）：机器人对光等外界信息的感觉。利用这种感觉可以 识别物体的轮廓、方位、背景等环境状态。 接近觉（Proximity Sense）：机器人能感受到与物体接近程度的能力。 滑觉（Slip Sense）：机器人能感受到其末端执行器与被夹持物之间滑移程 度的能力。 机器人语言（Robot Language）：机器人系统中的计算机编程语言。 2. 图形符号 运动功能图形符号 移动副 转动副 球副 圆柱副 末端执行器 机座1.7 机器人的研究开发内容机器人是一门综合学科,机器人研究包括基础研究和应用研究两方面.主要包括:1).机械