机器人的由来

1、PAGE PAGE 14第七章 机器人第一节 概述一、机器人的由来机器人是众所周周知的一种高高新技术产品品，然而，“机器人”一词最早并并不是一个技技术名词，而而且至今尚未未形成统一的的、严格而准准确的定义。“机器人”最早出现在上个世纪20年代初期捷克的一个科幻内容的话剧中，剧中虚构了一种称为Robota（捷克文，意为苦力、劳役）的人形机器，可以听从主人的命令任劳任怨地从事各种劳动。实际上，真正能够代替人类进行生产劳动的机器人，是在20世纪60年代才问世的。伴随着机械工程、电气工程、控制技术以及信息技术等相关科技的不断发展，到20世纪80年代，机器人开始在汽车制造业、电机制造业等工业生产中大量采

2、用。现在，机器人不仅在工业，而且在农业、商业、医疗、旅游、空间、海洋以及国防等诸多领域获得越来越广泛的应用。经过几十年的发发展，机器人人技术已经形形成了综合性性的学科机器人学（RRobotiics）。 机器人学学有着及其广广泛的研究和和应用领域，主主要包括机器器人本体结构构系统、机械械手设计，轨轨迹设计和规规划，运动学学和动力学分分析，机器视视觉、机器人人传感器，机机器人控制系系统以及机器器智能等。尽尽管机器人已已经得到越来来越广泛应用用，机器人技技术的发展也也日趋深入、完完善，然而“机器人”尚没有一个个统一的、严严格而准确的的定义。一方方面，在技术术发展过程中中，不同的国国家、不同的的学者给

3、出的的定义不尽相相同，虽然基基本原则一致致，但欧美国国家的定义限限定多一些，日日本等给出的的定义则较宽宽松。另一方方面，随着时时代的进步、技技术的发展，机机器人的内涵涵仍在不断发发展变化。国国际标准化组组织（ISOO）定义的机机器人特征如如下。：仿生特征：动作作机构具有类类似于人或其其他生物体某某些器官（肢肢体、感官等等）的功能；柔性特征：机器器人作业具有有广泛的适应应性，适于多多种工作，作作业程序灵活活易变；智能特征：机器器人具有一定定程度的人类类智能，如记记忆、感知、推推理、决策、学学习等；自动特征：完整整的机器人系系统，能够独独立、自动完完成作业任务务，不依赖于于人的干预。二、机器人的组

4、组成机器人是典型的的机电一体化化产品，一般般由机械本体体、控制系统统、传感器、和和驱动器等四四部分组成。机机械本体是机机器人实施作作业的执行机机构。为对本本体进行精确确控制，传感感器应提供机机器人本体或或其所处环境境的信息，控控制系统依据据控制程序产产生指令信号号，通过控制制各关节运动动坐标的驱动动器，使各臂臂杆端点按照照要求的轨迹迹、速度和加加速度，以一一定的姿态达达到空间指定定的位置。驱驱动器将控制制系统输出的的信号变换成成大功率的信信号，以驱动动执行器工作作。1机械本体机械本体，是机机器人赖以完完成作业任务务的执行机构构，一般是一一台机械手，也也称操作器、或或操作手，可可以在确定的的环境

5、中执行行控制系统指指定的操作。典典型工业机器器人的机械本本体一般由手手部（末端执执行器）、腕腕部、臂部、腰腰部和基座构构成。机械手手多采用关节节式机械结构构，一般具有有6个自由度度，其中3个个用来确定末末端执行器的的位置，另外外3个则用来来确定末端执执行装置的方方向（姿势）。机机械臂上的末末端执行装置置可以根据操操作需要换成成焊枪、吸盘盘、扳手等作作业工具。2控制系统控制系统是机器器人的指挥中中枢，相当于于人的大脑功功能，负责对对作业指令信信息、内外环环境信息进行行处理，并依依据预定的本本体模型、环环境模型和控控制程序做出出决策，产生生相应的控制制信号，通过过驱动器驱动动执行机构的的各个关节按

6、按所需的顺序序、沿确定的的位置或轨迹迹运动，完成成特定的作业业。从控制系系统的构成看看，有开环控控制系统和闭闭环控制系统统之分；从控控制方式看有有程序控制系系统、适应性性控制系统和和智能控制系系统之分。3驱动器驱动器是机器人人的动力系统统，相当于人人的心血管系系统，一般由由驱动装置和和传动机构两两部分组成。因因驱动方式的的不同，驱动动装置可以分分成电动、液液动和气动三三种类型。驱驱动装置中的的电动机、液液压缸、气缸缸可以与操作作机直接相连连，也可以通通过传动机构构与执行机构构相连。传动动机构通常有有齿轮传动、链链传动、谐波波齿轮传动、螺螺旋传动、带带传动等几种种类型。4传感器传感器是机器人人的

7、感测系统统，相当于人人的感觉器官官，是机器人人系统的重要要组成部分，包包括内部传感感器和外部传传感器两大类类。内部传感感器主要用来来检测机器人人本身的状态态，为机器人人的运动控制制提供必要的的本体状态信信息，如位置置传感器、速速度传感器等等。外部传感感器则用来感感知机器人所所处的工作环环境或工作状状况信息，又又可分成环境境传感器和末末端执行器传传感器两种类类型；前者用用于识别物体体和检测物体体与机器人的的距离等信息息，后者安装装在末端执行行器上，检测测处理精巧作作业的感觉信信息。常见的的外部传感器器有力觉传感感器、触觉传传感器、接近近觉传感器、视视觉传感器等等。三、机器人的分分类经过几十年的发

8、发展，机器人人的技术水平平不断提高，应应用范围越来来越广，从早早期的焊接、装装配等工业应应用，逐步向向军事、空间间、水下、农农业、建筑、服服务和娱乐等等领域不断扩扩展，结构形形式也多种多多样。因此，机机器人的分类类也出现了多多种方法、多多种标准，本本章主要介绍绍以下三种分分类法。1按照机器人人的技术发展展水平分按照机器人的技技术发展水平平可以将机器器人分为三代代。第一代机器人是是“示教再现”型。这类机机器人能够按按照人类预先先示教的轨迹迹、行为、顺顺序和速度重重复作业。示示教可以由操操作员“手把手”地进行，比比如，操作人人员抓住机器器人上的喷枪枪，沿喷漆路路线示范一遍遍，机器人记记住了这一连连

9、串运动，工工作时，自动动重复这些运运动，从而完完成给定位置置的喷漆工作作。这种方式式即是所谓的的“直接示教”。但是，比比较普遍的方方式是通过控控制面板示教教。操作人员员利用控制面面板上的开关关或键盘来控控制机器人一一步一步地运运动，机器人人自动记录下下每一步，然然后重复。目目前在工业现现场应用的机机器人大多属属于第一代。第二代机器人具具有环境感知知装置，能在在一定程度上上适应环境的的变化。以焊焊接机器人为为例，机器人人焊接的过程程一般是通过过示教方式给给出机器人的的运动曲线，机机器人携带焊焊枪走这个曲曲线，进行焊焊接。这就要要求工件的一一致性很好，也也就是说工件件被焊接的位位置必须十分分准确。

10、否则则，机器人走走的曲线和工工件上的实际际焊缝位置会会有偏差。为为了解决这个个问题，第二二代机器人采采用了焊缝跟跟踪技术，通通过传感器感感知焊缝的位位置，再通过过反馈控制，机机器人就能够够自动跟踪焊焊缝，从而对对示教的位置置进行修正，即即使实际焊缝缝相对于原始始设定的位置置有变化，机机器人仍然可可以很好地完完成焊接工作作。类似的技技术正越来越越多地应用在在机器人上。第三代机器人称称为“智能机器人人”，具有发现现问题，并且且能自主地解解决问题的能能力。作为发发展目标，这这类机器人具具有多种传感感器，不仅可可以感知自身身的状态，比比如所处的位位置、自身的的故障情况等等等；而且能能够感知外部部环境的

11、状态态，比如自动动发现路况、测测出协作机器器的相对位置置、相互作用用的力等等。更更为重要的是是，能够根据据获得的信息息，进行逻辑辑推理、判断断决策，在变变化的内部状状态与变化的的外部环境中中，自主决定定自身的行为为。这类机器器人具有高度度的适应性和和自治能力。尽尽管经过多年年来的不懈研研究，人们研研制了很多各各具特点的试试验装置，提提出大量新思思想、新方法法，但现有机机器人的自适适应技术还是是十分有限的的。2按机器人的的机构特征来来分机器人的机械配配置形式多种种多样，典型型机器人的机机构运动特征征是用其坐标标特性来描述述的。按机构构运动特征，机机器人通常可可分为直角坐坐标机器人、柱柱面坐标机器

12、器人、球面坐坐标机器人和和关节型机器器人等类型。 图71 直角坐标机器人（1）直角坐标标机器人。直直角坐标机器器人具有空间间上相互垂直直的两根或三三根直线移动动轴（见图771），通通过直角坐标标方向的3个个独立自由度度确定其手部部的空间位置置，其动作空空间为一长方方体。直角坐坐标机器人结结构简单，定定位精度高，空空间轨迹易于于求解；但其其动作范围相相对较小，设设备的空间因因数较低，实实现相同的动动作空间要求求时，机体本本身的体积较较大。主要用用于印刷电路路基板的元件件插入、紧固固螺丝等作业 图71 直角坐标机器人（2）柱面坐标标机器人。柱柱面坐标机器器人的空间位位置机构主要要由旋转基座座、垂直

13、移动动和水平移动动轴构成（见见图72），具具有一个回转转和两个平移移自由度，其其动作空间呈呈圆柱形。这这种机器人结结构简单、刚刚性好，但缺缺点是在机器器人的动作范范围内，必须须有沿轴线前前后方向的移移动空间，空空间利用率较较低。主要用用于重物的装装卸、搬运等等作业。著名名的Verssatrann机器人就是是一种典型的的柱面坐标机机器人。 图72 柱面坐标机器人（3）球面坐标标机器人。如如图73所所示，其空间间位置分别由由旋转、摆动动和平移3个个自由度确定定，动作空间间形成球面的的一部分。其其机械手能够够作前后伸缩缩移动、在垂垂直平面上摆摆动以及绕底底座在水平面面上转动。著著名的Uniimate

14、就就是这种类型型的机器人。其其特点是结构构紧凑，所占占空间体积小小于直角坐标标和柱面坐标标机器人，但但仍大于多关关节型机器人 图72 柱面坐标机器人 图73 球面坐标机器人（4）多关节型型机器人。由由多个旋转和和摆动机构组组合而成。这这类机器人结结构紧凑、工工作空间大、动动作最接近人人的动作，对对喷漆、装配配、焊接等多多种作业都有有良好的适应应性，应用范范围越来越广广。不少著名名的机器人都都采用了这种种型式，其摆摆动方向主要要有铅垂方向向和水平方向向两种，因此此这类机器人人又可分为垂垂直多关节机机器人和水平平多关节机器器人。如美国国Unimaation公公司20世纪纪70年代末末推出的机器器人

15、PUMAA（见图74）就是一一种垂直多关关节机器人，而而日本山梨大大学研制的机机器人SCAARA（见图图75）则则是一种典型型的水平多关关节机器人。 图74 垂直多关节机器人垂直多关节机器器人模拟了人人类的手臂功功能，由垂直直于地面的腰腰部旋转轴（相相当于大臂旋旋转的肩部旋旋转轴）带动动小臂旋转的的肘部旋转轴轴以及小臂前前端的手腕等等构成。手腕腕通常由23个自由度度构成。其动动作空间近似似一个球体，所所以也称多关关节球面机器器人。其优点点是可以自由由地实现三维维空间的各种种姿势，可以以生成各种复复杂形状的轨轨迹。相对机机器人的安装装面积其动动作范围很宽宽。缺点是结结构刚度较低低，动作的绝绝对位

16、置精度度磨较低。它它广泛应用于于代替人完成成装配作业、货货物搬运、电电弧焊接、喷喷涂、点焊接接等作业场合 图74 垂直多关节机器人 图75 水平多关节机器人水平多关节机器器人在结构上上具有串联配配置的二个能能够在水平面面内旋转的手手臂，其自由由度可以根据据用途选择224个，动动作空间为一一圆柱体。水水平多关节机机器人的优点点是在垂直方方向上的刚性性好，能方便便地实现二维维平面上的动动作，在装配配作业中得到 图75 水平多关节机器人3按照机器人人的用途分机器人首先在制制造业大规模模应用，所以以，机器人曾曾被简单地分分为两类，即即用于汽车等等制造业的机机器人称为工工业机器人，其其他的机器人人称为特

17、种机机器人。随着着机器人应用用的日益广泛泛，这种分类类显得过于粗粗糙。现在除除工业领域之之外，机器人人技术已经广广泛地应用于于农业、建筑筑、医疗、服服务、娱乐，以以及空间和水水下探索等多多种领域。（1）工业机器器人工业机器依据具具体应用的不不同，通常又又可以分成焊焊接机器人、装装配机器人、喷喷漆机器人、码码垛机器人、搬搬运机器人等等多种类型。焊焊接机器人，包包括点焊（电电阻焊）和电电弧焊机器人人，用途是实实现自动的焊焊接作业。装装配机器人，比比较多地用于于电子部件电电器的装配。喷喷漆机器人，代代替人进行喷喷漆作业。码码垛、上下料料、搬运机器器人的功能则则是根据一定定的速度和精精度要求，将将物品

18、从一处处运到另一处处。在工业生生产中应用机机器人，可以以方便迅速地地改变作业内内容或方式，以以满足生产要要求的变化。比比如，改变焊焊缝轨迹，改改变喷漆位置置，变更装配配部件或位置置等等。随着着对工业生产产线柔性的要要求越来越高高，对各种机机器人的需求求也就越来越越强烈。（2）农业机器器人随着机器人技术术的进步，以以定型物、无无机物为作业业对象的工业业机器人正在在向更高层次次的以动、植植物之类复杂杂作业对象为为目标的农业业机器人发展展，农业机器器人或机器人人化的农业机机械的应用范范围正在逐步步扩大。农业业机器人的应应用不仅能够够大大减轻以以致代替的人人们的生产劳劳动、解决劳劳动力不足的的问题，而

19、且且可以提高劳劳动生产率，改改善农业的生生产环境，防防止农药、化化肥等对人体体的伤害，提提高作业质量量。但由于农农业机器人所所面临的是非非结构、不确确定、不宜预预估的复杂环环境和工作对对象，所以与与工业机器人人相比，其研研究开发的难难度更大。农农业机器人的的研究开发目目前主要集中中耕种、施肥肥、喷药、蔬蔬菜嫁接、苗苗木株苗移栽栽、收获、灌灌溉、养殖和和各种辅助操操作等方面。日日本是机器人人普及最广泛泛的国家，目目前已经有数数千台机器人人应用于农业业领域。（3）探索机器器人机器人除了在工工农业上广泛泛应用之外，还还越来越多地地用于极限探探索，即在恶恶劣或不适于于人类工作的的环境中执行行任务。例如

20、如，在水下（海海洋）、太空空以及在放射射性(有毒或或高温等环境境中进行作业业。人类借助助潜水器具潜潜人到深海之之中探秘，已已有很长的历历史。然而，由由于危险很大大、费用极高高，所以水下下机器人就成成了代替人在在这一危险的的环境中工作作的最佳工具具。空间机器器人是指在大大气层内和大大气层外从事事各种作业的的机器人，包包括在内层空空间飞行并进进行观测、可可完成多种作作业的飞行机机器人，到外外层空间其他他星球上进行行探测作业的的星球探测机机器人和在各各种航天器里里使用的机器器人。（4）服务机器器人机器人技术不仅仅在工农业生生产、科学探探索中得到了了广泛应用，也也逐渐渗透到到人们的日常常生活领域，服服

21、务机器人就就是这类机器器人的一个总总称。尽管服服务机器人的的起步较晚，但但应用前景十十分广泛，目目前主要应用用在清洁、护护理、执勤、救救援、娱乐、和和代替人对设设备维护保养养等场合。国国际机器人联联合会给服务务机器人的一一个初步定义义是，一种以以自主或半自自主方式运行行，能为人类类的生活、康康复提供服务务的机器人，或或者是能对设设备运行进行行维护的一类类机器人。四、机器人技术术的进展国际上第一台工工业机器人产产品诞生于220世纪600年代，当时时其作业能力力仅限于上、下下料这类简单单的工作。此此后机器人进进人了一个缓缓慢的发展期期，直到进人人20世纪880年代，机机器人产业才才得到了巨大大的发

22、展，成成为机器人发发展的一个里里程碑，这一一时代被称为为“机器人元年年”。为了满足足汽车行业蓬蓬勃发展的需需要，这个时时期开发出的的点焊机器人人、弧焊机器器人、喷涂机机器人以及搬搬运机器人等等四大类型的的工业机器人人系列产品已已经成熟，并并形成产业化化规模，有利利地推动了制制造业的发展展。为进一步步提高产品质质量和市场竞竞争能力，装装配机器人及及柔性装配线线又相继开发发成功。20世纪90年年代以来，随着计计算机技术、微微电子技术、网网络技术等快快速发展，工工业机器人技技术也得到了了飞速发展。现在工业机器人已发展成为一个庞大的家族，并与数控（NC）、可编程、控制器（PLC）一起成为工业自动化的三

23、大技术支柱和基本手段，广泛应用于制造业的各个领域之中。工业机器人技术从机械本体、控制系统、传感系通行统，到可靠性、网络通信功能的拓展等方面都取得了突破性的进展。机械本体方面，通过有限元分析、模态分析及仿真设计等现代设计方法的运用，机器人操作机已实现了优化设计。以德国KUKA公司为代表的机器人公司，已将机器人并联平行四边形结构改为开链结构，拓展了机器人的工作范围，加之轻质铝合金材料的应用，大大提高了机器人的性能。此外采用先进的RV减速器及交流伺服电机，使机器人操作机几乎成为免维护系统。控制系统方面，性能进一步提高，已由过去控制标准的6轴机器人发展到现在能够控制21轴甚至27轴，并且实现了软件伺服

24、和全数字控制。传感系统方面，激光传感器、视觉传感器和力传感器在机器人系统中已得到成功应用，并实现了焊缝自动跟踪和自动化生产线上物体的自动定位以及精密装配作业等，大大提高了机器人的作业性能和对环境的适应性。日本KAWASAKI、YASKAWA、FANUC和瑞典ABB、德国KUKA、REIS等公司皆推出了此类产品。网络通信功能的拓展，日本YASKAWA和德国KUKA公司的最新机器人控制器已实现了与Canbus、Profibus总线及一些网络的联接，使机器人由过去的独立应用向网络化应用迈进了一大步，也使机器人由过去的专用设备向标准化设备发展。另外，由于微电子技术的快速发展和大规模集成电路的应用，使机

25、器人系统的可靠性有了很大提高。除了工业机器人人水平不断提提高之外，各各种用于非制制造业的机器器人系统也有有了长足的进进展。农业生生产环境的的的复杂性和作作业对象特殊殊性使得农业业机器人研究究难度更大，农农业机器人的的应用尚未达达到商品化阶阶段，但农业业机器人技术术的研究已经经在土地耕作作、蔬菜嫁接接、作物移栽栽、农药喷洒洒、作物收获获、果蔬采摘摘等生产环节节取得了一些些突破性进展展。例如，日日本的耕作拖拖拉机自动行行走系统、联联合收割机自自动驾驶技术术、无人驾驶驶农药喷洒机机，英国的葡葡萄枝修剪机机器人、蘑菇菇采摘机器人人和挤挤牛奶机器人人，我国的农农业机器人自自动引导行走走系统、蔬菜菜嫁接机器人人，法国的水水果采摘机器器人，以及荷荷兰开发的挤挤奶机器人等等。机器人技术用于于海洋开发，特特别是深海资资源的开发，一一直是的许多多国家积极关关注的目标。法法国、美国、俄俄罗斯、日本本、加拿