01 第一章 机器人概述

课程主要内容1）概述（Xia）2）机器人系统结构与分类（Xia）3）机器人运动学与动力学4）机器人驱动与控制5）机器人轨迹规划与离线仿真6）机器人工业应用（Xia）7）机器人系统集成技术（Xia）参考书目•1刘极峰主编《机器人技术基础》，高等教育出版社，2006年5月第一版，2011年8月第9次印刷•2蔡自兴著《机器人学》，清华大学出版社，2000年9月第1版•3柳洪义、宋伟刚编著《机器人技术基础》，冶金工业出版社，2002年11月第1版•4林尚扬等编著《焊接机器人及其应用》，机械工业出版社，2000年7月第1版•5张福学《机器人技术及其应用》，电子工业出版社，2000年1月第1版2第一讲机器人概述1. 机器人由来及发展2. 机器人定义3.机器人相关理论与技术4.机器人应用概况31 机器人由来及发展4•我国西周时代（公元前1066年－前771年），流传有关巧匠偃师献给周穆王歌舞机器人/艺伎的故事；•公元前3世纪，古希腊发明家戴达罗斯用青铜为克里特岛国王迈诺斯塑造了一个守卫宝岛的青铜卫士塔罗斯；1.1 古代机器人•春秋后期，我国著名的木匠鲁班，在机械方面也是一位发明家，据《墨经》记载，他曾制造过一只木鸟，能在空中飞行“三日不下”，体现了我国劳动人民的聪明智慧。

•公元前2世纪，亚历山大时代的古希腊人发明了最原始的机器人－自动机。

它是以水、空气和蒸汽压力为动力的会动的雕像，它可以自己开门，还可以借助蒸汽唱歌。

•1800年前的汉代，我国东汉时期（公元25－220年），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。

而张衡发明的指南车是世界上最早的机器人雏形。

5•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。

7•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。

18世纪末通过改进，制造出了端茶玩偶。

•它是木质的，发条和弹簧则是用鲸鱼须制成的。

它双手捧着茶盘，如果把茶杯放在茶盘上，它便会向前走，把茶端给客人，客人取茶杯时，它会自动停止行走，客人喝完茶把放回茶盘上时，它就又转回原来的地方。

•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、游泳和喝水，还会进食和排泄。

瓦克逊的本意是想把生物的功能加以机械化而进行医学上的分析。

9•1773年，他们又连续推出了自动书写玩偶、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。

由于当时技术条件的限制，这些玩偶其实是身高一米的巨型玩具。

•现在保留下来的最早的机器人是瑞士努萨蒂尔历史博物馆里的少女玩偶，它制作于200年前，两只手的十个手指可以按动风琴的琴键而弹奏音乐，现在还定期演奏供参观者欣赏，展示了古代人智慧。

•19世纪中叶自动玩偶分为2个流派，即科学幻想派和机械制作派，并各自在文学艺术和近代技术中找到自己位置： 1831年歌德发表了《浮士德》，塑造了人造人“荷蒙克鲁斯”；1870年霍夫曼出版了以自动玩偶为主角的作品《葛蓓莉娅》；1883年科洛迪的《木偶奇遇记》问世；1886年《未来的夏娃》问世；在机械实物制造方面，1893年摩尔制造了“蒸汽人”，“蒸汽人”靠蒸汽驱动双腿沿圆周走动。

111.2 现代机器人•现代机器人的研究始于20世纪中期，其技术背景是计算机和自动化的发展以及原子能的开发利用。

•自1946年第一台数字电子计算机问世以来，计算机取得了惊人的进步，向高速度、大容量、低价格的方向发展。

•1927年美国西屋公司工程师温兹利制造了第一个机器人“电报箱”，并在纽约举行的世界博览会上展出。

它是一个电动机器人，装有无线电发报机，可以回答一些问题，但该机器人不能走动。

12•大批量生产的迫切需求推动了自动化技术的进展，其结果之一便是1952年数控机床的诞生。

与数控机床相关的控制、机械零件的研究又为机器人的开发奠定了基础。

•另一方面，原子能实验室的恶劣环境要求某些操作机械代替人处理放射性物质。

在这一需求背景下，美国原子能委员会的阿尔贡研究所于1947年开发了遥控机械手，1948年又开发了机械式的主从机械手。

131954年是机器人技术发展史上的一个重要里程碑。

•美国生产管理工程师戴沃尔（George Devol）最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利：借助伺服技术控制机器人的关节，利用人手对机器人进行动作示教，机器人能实现动作的记录和再现。

•这就是所谓的示教再现机器人。

现有的机器人差不多都采用这种控制方式。

•他领头成立了世界上第一家机器人生产公司－美国联合控制公司（Universal Automation）。

同时发表了他的论文《运用重复作业的通用性工业机器人》，从而掀开了制造机器人的崭新一页。

•经过近7年的反复探索和试验，终于在1961年，George Devol推出一台名为“Unimate/尤尼梅特”的实用机器人，并首次作为商品机器人出售。

•“尤尼梅特”是一台将遥控操作器的连杆机构与数控技术结合起来的设备。

1962 年Unimation 公司的第一台工业机器人Unimate 在美国通用汽车公司投入使用，标志着第一代机器人的诞生…由类似人的手和臂组成。

•1967年日本由川崎重工从美国Unimation公司引进机器人及其技术，并于1968年试制出第一台“Unimate”机器人。

•1967年日本成立了人工手研究会（现改名为仿生机构研究会），同年召开了日本首届机器人学术会。

•到了1980年，工业机器人才真正在日本普及，故称该年为“机器人元年”。

•随后，工业机器人在日本得到了巨大发展，日本也因此而赢得了“机器人王国”的美称，其机器人产量和安装台数在国际上跃居首位。

171970年在美国召开了第一届国际工业机器人学术会议，以后机器人的研究得到迅速广泛的普及。

1973年，辛辛那提·米拉克隆公司的理查德·豪恩制造了第一台由小型计算机控制的工业机器人，它是液压驱动的，能提升的有效负载达45公斤。

1979年美国推出了PUMA 系列工业机器人：关节由电动机驱动，可配置视觉、触觉、力觉传感器，是技术较为先进的机器人。

到1980年，全世界有2万余台机器人在工业中应用。

1968年，斯坦福技术研究所研制了第一台具有视觉功能的移动机器人Shakey。

80年代，机器人在发达国家的工业中大量普及应用，如焊接、喷漆、搬运与装配，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，产生第二代机器人。

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（第三代）机器人发展。

我国的发展起步较晚：•70年代末一些院校和企业开始研制专用机械手；•80年代初，开发小型的教育机器人。

•1985年哈工大研制出国内第一台弧焊机器人（华宇Ⅰ号）。

•国家“863”计划把机器人技术作为重点发展技术来支持。

建立了“机器人示范工程中心”和机器人国家开放实验室（沈阳自动化所、哈工大、合肥机械所、上交、南开）。

•机器人学的学术组织，定期举办学术活动。

•学术会议：每两年左右举办一次大型全国性会议。

•学术刊物：《机器人》、《机器人技术与应用》等。

2 机器人定义21•1920年，捷克作家卡雷尔·凯培克(Karel Capek)在幻想情节剧《罗萨姆的万能机器人/Rossum’s Universal Robots 》中第一次提出了“Robot/机器人”这个名词，源于捷克语中的Robota，本意为奴隶。

22•1950年，美国著名科学幻想小说家阿西莫夫（Isaac Asimov ）在小说《我是机器人》中提出了著名的“机器人三守则”： 1）机器人必须不危害人类，也不允许它眼看人将受害而袖手旁观；2）机器人必须绝对服从人类，除非这种服从有害于人类；3）机器人必须保护自身不受伤害，除非为了保护人类或者是人类命令它作出牺牲。

一般认为机器人是一种带有外部传感器的可再编程通用操作机，可以完成各种装配作业。

•国际上关于机器人的定义：•（1）英国简明牛津字典：“貌似人的自动机，具有智力和顺从于人的但不具人格的机器”。

•（2）美国机器人协会(RIA)：“一种移动各种材料、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(manipulator)”。

•（3）美国国家标准局(NBS)：“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”。

23•(4)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(end effector)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”。

或者分为两种情况来定义:◆工业机器人：一种能够执行与人的上肢(手和臂)类似动作的多功能机器；◆智能机器人：一种具有感觉和识别能力，并能够控制自身行为的机器。

•(5)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"。

24•(6) 随着机器人技术的发展，我国也面临讨论和制订关于机器人技术的各项标准问题，其中包括对机器人的定义。

•蒋新松院士曾建议把机器人定义为“一种拟人功能的机械电子装置/a mechatronic device to imitate some human functions”。

•我国的机器人专家从应用环境出发，将机器人分为两大类：即工业机器人和特种机器人。

工业机器人：面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人；特种机器人：除工业机器人之外的用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人。

25上述各种定义有共同之处，即认为机器人：–像人或人的上肢，并能模仿人的动作;–具有智力或感觉与识别能力;–是人造的机器或机械电子装置。

263 机器人相关理论与技术一、机器人的理论和技术1.基础理论1）机器人运动学和动力学，运动学分析、动力学建模、运动规划等2）机器人设计理论，机器人机构分析和综合、机器人结构设计优化、机器人关键器件设计、机器人仿真等。

3）机器人仿生学，仿生运动和动力学、仿生机构学、仿生感知和控制理论、仿生器件设计和制造等4）机器人系统理论，多机器人系统理论、机器人-人融合、以及机器人与其它机器系统的协调和交互5）机器人操作和移动理论，机器人装配理论、机器人移动理论、足式机器人步态理论等6）微机器人学，微机器人的分析、设计、制造和控制等理论方法2.机器人主要技术包括：机器人制造技术、操作和执行技术、驱动和控制技术、检测和感知技术、机器人智能技术、实验和评价技术、人机交互和融合技术、通讯技术、机器人的能源和通讯技术、技术规范和标准等。