《机器人运动学》课件-第一章机器人绪论

机器人概论参考教材参考教材（1）理论力学；（2）控制理论；（3）Matlab;（4）微分方程和线性代数.

先修课程第一章绪论1.1机器人的由来与发展历史1.2机器人的定义与分类1.3机器人的系统构成1.4机器人的应用与发展1.5机器人学的研究展望1.1机器人的由来与发展历史人类对机器人的幻想与追求已有3000多年的历史:1)古代“机器人”——现代机器人的雏形西周时期，我国的能工巧匠偃师研制出的歌舞艺人，是我国最早记载的机器人。（据《列子·汤问》记载）春秋后期，据《墨经》记载，鲁班曾制造过一只木鸟，能在空中飞行“三日不下”。公元前2世纪，古希腊人发明了最原始的机器人──太罗斯，它是以水、空气和蒸汽压力为动力的会动的青铜雕像，它可以自己开门，还可以借助蒸汽唱歌。1800年前的汉代，大科学家张衡不仅发明了地动仪，而且发明了计里鼓车，计里鼓车每行一里，车上木人击鼓一下，每行十里击钟一下。1.1机器人的由来与发展历史后汉三国时期，蜀国丞相诸葛亮成功地创造出了“木牛流马”，并用其在崎岖山路中运送军粮，支援前方战争。1662年，日本的竹田近江利用钟表技术发明了自动机器玩偶，并在大阪的道顿堀演出。1738年，法国天才技师杰克·戴·瓦克逊发明了一只机器鸭，它会嘎嘎叫，会游泳和喝水，还会进食和排泄。1773年，著名的瑞士钟表匠杰克·道罗斯和他的儿子利·路易·道罗斯制造出自动书写玩偶、自动演奏玩偶等，他们创造的自动玩偶是利用齿轮和发条原理而制成的，它们有的拿着画笔和颜色绘画，有的拿着鹅毛蘸墨水写字，结构巧妙，服装华丽，在欧洲风靡一时。木牛流马？记里鼓车写字玩偶1.1机器人的由来与发展历史1920年，捷克作家卡雷尔·卡佩克（KarelCapek）在幻想情节剧《罗萨姆的万能机器人》(Rossum’sUniversalRobots,RUR)中，第一次提出了名词Robot。剧中的人造劳动者取名为Robota，捷克语的意思是“苦力”、“奴隶”。英语的Robot一词就是由此而来的，以后世界各国都用Robot作为机器人的代名词。2)科幻中的“机器人”——机器人的准侧1.1机器人的由来与发展历史

IsaacAsimov1940年，科幻作家Asimov首次使用了Robotics(机器人学)来描述与机器人相关的科学并在《我是机器人》中提出机器人三原则：机器人不得伤害人类，也不能坐视不管人类受到伤害；机器人必须服从人类的命令，但不能违背上述原则；机器人必须保护自己，但不能违背上述两原则。1.1机器人的由来与发展历史3)现代机器人发展历史二战期间（1938-1945），由于核工业和军事工业的发展，研制了“遥控操纵器”（Teleoperator）主要用于放射性材料的生产和处理过程。1947年，对这种较简单的机械装置进行了改进，采用电动伺服方式，使其从动部分能跟随主动部分运动，称为"主从机械手"（Master-SlaveManipulator）。1949-1953美国MIT开始研制数控铣床。随着先进飞机制造的需要，美国麻省理工学院辐射实验室（MITRadiationLaboratory）开始研制数控铣床。1953年研制成功能按照模型轨迹做切削动作的多轴数控铣床。1954年“可编程”“示教再现”机器人。美国人GeorgeC.Devol设计制作了世界上第一台机器人实验装置，并发表了题为《适用于重复作业的通用性工业机器人》的文章。1.1机器人的由来与发展历史60年代机器人产品正式问世，机器人技术开始形成。1960年美国“联合控制公司”（ConsolidatedControl）根据Devol的专利技术，研制出第一台真正意义上的工业机器人，并成立了Unimation公司，开始定型生产名为Unimate的工业机器人，并在美国通用汽车公司投入使用，标志着第一代机器人诞生。1.1机器人的由来与发展历史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路的机器人。加藤一郎长期致力于研究仿人机器人(HumanoidRobot)，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，催生出本田公司的ASIMO和索尼公司的QRIO。1.1机器人的由来与发展历史20世纪70年代，随着人工智能、自动控制理论、电子计算机等技术的发展，机器人技术进入了一个新的发展阶段，机器人进入工业生产的实用化时代。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。1.1机器人的由来与发展历史80年代开始进入智能机器人研究阶段。不同结构、不同控制方法和不同用途的工业机器人在工业发达国家真正进入了实用化的普及阶段。随着传感技术和智能技术的发展，开始进入智能机器人研究阶段。机器人视觉、触觉、力觉等研究和应用，大大提高了机器人的适应能力，扩大了机器人的应用范围，促进了机器人的智能化进程。世界机器人数量以较快增长率逐年增加，并以较好的发展势头进入21世纪。近年来，机器人产业发展迅猛。据国际机器人联合会（IFR）数据，2014年全球新装机器人10万台，比2013年增加了43％，世界工业机器人的市场前景看好。目前，世界上机器人无论是从技术水平上，还是从已装备的数量上来看，优势都集中在以欧美日为代表的国家和地区。但是，随着中国等新兴国家的发展，世界机器人的发展和需求格局正在发生变化。1.2机器人的定义与分类随着科技的发展，20世纪60年代出现了可实用的机器人，机器人逐渐从科幻世界走进现实世界，进入到人们的生产与生活当中。但是，现实生活中的机器人并不像科幻世界中的机器人那样具有完全自主和智能。那么，机器人是怎么定义的呢？1.2机器人的定义与分类“机器人”定义国际标准化组织（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，能够借助可编程序操作来处理各种材料、零件、工具和装置，以执行种种任务。美国国家标准局（NBS）的定义：机器人是一种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。美国机器人协会（RIA）的定义：机器人是一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置的，通过可编程序动作来执行种种任务的，并具有编程能力的多功能机械手。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。1.2机器人的定义与分类“机器人”定义

1967年日本召开的第一届机器人学术会上，两个代表性定义：森政弘与和田周平：机器人是一种具有移动性、个体性、智能性、通用性、半机械半人性、自动性、奴隶性7特征的柔性机器。在此基础上，森政弘由提出了用自动性、智能性、个体性、半机械半人性、作业性、通用性、信息性、柔性、有限性、移动性10个特征来表示机器人的形象。加藤一郎：具有如下三条件的机器：具有脑、手、脚等三要素个体；具有非接触传感器（用眼、耳接收远方信息）和接触传感器；具有平衡觉和固有觉的传感器。

1.2机器人的定义与分类综合诸家的解释，概括各种机器人的性能，我们认为可以按以下特征来描述机器人：１）一种机械电子装置。２）动作具有类似于人或其他生物体的功能。３）可通过编程执行多种工作，具有一定的通用性和灵活性。４）具有一定程度的智能，如记忆、感知、推理、决策、学习等，能够自主地完成一些操作。“机器人”定义1.2机器人的定义与分类按照从低级→高级的发展程度可分为三类机器人第一代机器人：即可编程、示教再现工业机器人机器人，已进入商品化、实用化。第二代机器人：装备有一定的传感装置，能获取作业环境、操作对象的简单信息，通过计算机处理、分析，能作出简单的推理，对动作进行反馈的机器人，通常称为低级智能机器人，由于信息处理系统的庞大与昂贵，第二代机器人目前只有少数可投入应用。第三代机器人：具有高度适应性的自治机器人。它具有多种感知功能，可进行复杂的逻辑思维、判断决策，在作业环境中独立行动。第三代机器人又称作高级智能机器人，目前还处于研究阶段。1.2机器人的定义与分类按照结构形态，负载能力和动作空间划分可分为超大型机器人：负载能力1000kg以上大型机器人：100-1000kg/10m2

以上中型机器人：10-100kg/1–10m2小型机器人：0.1-10kg/0.1-1m2超小型机器人：0.1kg以下/0.1m2以下1.2机器人的定义与分类按照开发内容和目的区分，可分为以下三类机器人：工业机器人：如焊接、喷漆、装配机器人服务机器人：如演奏、表演、下棋、陪护、康复、手术机器人特种机器人：如太空机械臂、海洋探测机器人、军用机器人、防核防化机器人、农业机器人1.3机器人的系统构成机器人是一个机电一体化的装置。从控制的角度看，机器人系统可以分为四大部分：执行结构、驱动装置、控制系统、感知系统。1.3机器人的系统构成记忆、示教装置控制系统驱动装置传感系统执行机构：机器人的足、腿、手、臂、腰及关节等，它是机器人运动和完成某项任务所必不可少的组成部分。驱动和传动装置：用来有效地驱动执行机构的装置，通常采用液压、电动和汽动，有直接驱动和间接驱动二种方式。传感系统：是机器人获取环境信息的工具，如视觉、听觉、嗅觉、触觉、力觉、滑觉和接近觉传感器等。控制系统：是机器人的核心，它负责对机器人的运动和各种动作控制及对环境的识别。1.3机器人的系统构成机器人涉及的研究领域

机器人涉及研究领域：

工业机器人技术移动机器人技术

传感器技术人工智能假肢技术仿生技术……机器人技术是控制科学、集机械工程学、计算机科学、电气电子等学科为一体的综合技术。每一台机器人，都是一个知识密集和技术密集的高科技机电产品。1.3机器人的系统构成机器人学的研究内容１)机器人机构学、运动学与动力学：机器人构型综合、尺度综合、运动学与动力学分析等。２)驱动与传动：驱动方式、驱动器性能和减速器等驱动、传动系统。３)传感器与感知系统：传感器技术、多传感器系统和传感器信息融合；传感数据采集、传输与处理以及机器视觉技术等。４)机器人建模与控制：控制理论（包括经典控制、现代控制和智能控制）；控制系统结构、模型和算法；多机器人协同控制；控制接口设计等。５)机器人规划与调度：环境建模、任务规划、路径规划、机器人导航、机器人调度和协作等。６)人工智能计算机科学：机器人中的人工智能技术，人机接口、人机交互、机器人语言、计算机网络、并行处理、大数据处理与云计算等。

机器人内涵：操作臂、海陆空、人机共融操作臂代表传统工业机器人海陆空代表无人机、智能车和水下机器人人机共融涵盖服务机器人、仿生/类生机器人、拟人机器人、康复医疗（上肢/下肢外骨骼）机器人等{机器人}={操作臂}∪{海陆空}∪{人机共融}1.4机器人的应用与发展（熊有伦院士2017年提出）工业机器人1.4机器人的应用与发展辛辛那提米拉克龙T3PUMA/560工业机器人1.4机器人的应用与发展焊接喷涂装配搬运工业机器人的应用领域和比例分配1.4机器人的应用与发展1.4机器人的应用与发展1.4机器人的应用与发展1.4机器人的应用与发展1.4机器人的应用与发展1.4机器人的应用与发展国内代表性的机器人公司

海陆空机器人“金枪鱼”水下机器人“蛟龙”号载人潜水器1.4机器人的应用与发展无人驾驶汽车智能车间AGV小车大狗腿式移动机器人Atlas大力神机器人

海陆空机器人1.4机器人的应用与发展大疆无人机机器人集群协同作战/侦查空中域水面域陆地域水下域全球鹰无人机

海陆空机器人1.4机器人的应用与发展老人护理康复医疗生活服务人工智能（拟人）人机共融1.4机器人的应用与发展达芬奇手术机器人1.4机器人的应用与发展达芬奇手术机器人1.4机器人的应用与发展1.4机器人的应用与发展ASIMO

VS

Atlas

1.4机器人的应用与发展2015年，DARPA机器人挑战赛机动性和可操作性：衡量机器人实现所要求的运动功能和作业的能力，设计操作臂的可达性、奇异性，多指手的灵巧性、抓取的封闭性，步行机器人的步态、步行的稳定性，多臂协调、多指协调、手眼协调、顺应控制，移动机器人视觉伺服、多传感器集成、信息融合与环境场景建立等1.5机器人学的研究展望智能驾驶与智能互联：智能汽车的初级阶段是辅助驾驶，最终目标是代替人。融合激光雷达、摄像机、GPS、惯性导航和人工智能，使汽车具有环境感知能力，自动分析自身运行状态、判断危险倾向、安全执行驾驶操作。汽车的智能化主要包括智能驾驶和智能互联两个方面。