機(jī)器人學(xué) 完整版

1、機(jī)器人學(xué) 第一章 緒 論 1. 1 機(jī)器人發(fā)展史 1.1.1 早期的自動(dòng)機(jī) 早在1770年，美國(guó)科學(xué)家就發(fā)明了一種報(bào)時(shí)鳥，一到整點(diǎn)，這只鳥的翅膀、頭便開始運(yùn)動(dòng)，同時(shí)發(fā)出叫聲。圖1-1為報(bào)時(shí)鳥的機(jī)械結(jié)構(gòu)圖，它的主彈簧驅(qū)動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使活塞壓縮空氣而發(fā)出叫聲，同時(shí)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)翅膀、頭運(yùn)動(dòng)。圖1-1 報(bào)時(shí)鳥簡(jiǎn)圖機(jī)器人(Robot)一詞由一位名叫Karal Capak的捷克斯洛伐克劇作家首先使用。在捷克語(yǔ)中，Robot這個(gè)詞是指一個(gè)賦役的奴隸。在1921年Capak寫了一出戲劇，名叫洛桑萬能機(jī)器人公司(Rossnms Universal Robots).在這出劇中，機(jī)器人是洛桑和他兒

2、子研制的類人的生物，用來作為人類的奴仆。隨后，一名叫Isaac Asimov的科學(xué)幻想小說家使用了機(jī)器人學(xué)(Robotics)這個(gè)詞來描述與機(jī)器人有關(guān)的科學(xué)。他還提出了“機(jī)器人”的三個(gè)原則，值得今天的機(jī)器人設(shè)計(jì)者和使用者的注意。這三個(gè)原則的原語(yǔ)如下：(1)A robot must not harm a human being or through inaction ,allow one to come harm(2) A robot must always obey human beings unless that is conflict with the first law.(3)A rob

3、ot must protect itself from harm unless that is conflict with the first or second laws. 1.1. 2近似與機(jī)器人相關(guān)的裝置1.操作機(jī)(Manipulators) 它是目前仍然大量使用的、由機(jī)械控制的操作機(jī)。它的各個(gè)關(guān)節(jié)由機(jī)械直接控制。它具有和人類手臂相似的功能，可在空間抓放物體或進(jìn)行其他操作。2.遠(yuǎn)程操作手(Teleoperators) 遠(yuǎn)程操作手又稱主從操作手，它是在操作機(jī)之后發(fā)展起來的。1966年，Edwin Johnson最先使用了這種裝置，遠(yuǎn)程操作手的本質(zhì)是非直接相連的伺服控制的操作機(jī)，通過控制桿、

4、輪子、控制鍵盤或其他裝置進(jìn)行遙控。它們通常被用于危險(xiǎn)的工作環(huán)境，例如海底、有輻射物質(zhì)的場(chǎng)合或宇宙空間，由無線電天線、光學(xué)天線甚至衛(wèi)星通訊提供控制信號(hào)。遠(yuǎn)程操作手上一般配備有錄象機(jī)以提供視覺。1.1.3機(jī)器人的創(chuàng)始1958年，被譽(yù)為“工業(yè)機(jī)器人之父”的Joseph F.Engel Berger創(chuàng)建了世界上第一個(gè)機(jī)器人公司-Unimation公司，并參與設(shè)計(jì)了第一臺(tái)Unimate機(jī)器人。這是一臺(tái)用于壓鑄的五軸液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)器人，手臂的控制由一臺(tái)專用計(jì)算機(jī)完成。它采用分離式固體數(shù)控元件,并裝有存儲(chǔ)信息的磁鼓,能夠記憶完成180個(gè)工作步驟。與此同時(shí)，另一家美國(guó)公司-AMF公司也開始研制工業(yè)機(jī)器人，即Ver

5、satran機(jī)器人。他主要用于機(jī)器之間的物料運(yùn)輸，采用液壓驅(qū)動(dòng)。該機(jī)器人的手臂可以繞底座回轉(zhuǎn)，沿垂直方向升降，也可以沿半徑方向伸縮。一般認(rèn)為Unimate和Versatran機(jī)器人是世界最早的工業(yè)機(jī)器人，其示意圖見圖1-3和圖1-4圖1-3Unimate機(jī)器人圖1-4 Versartran機(jī)器人1-手抓的運(yùn)動(dòng)方向； 2,3,4,5,6-各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)方向1.1.2機(jī)器人的定義 國(guó)際上，關(guān)于機(jī)器人的定義主要有如下幾種： （1） 英國(guó)簡(jiǎn)明牛津字典的定義。機(jī)器人是“貌似人的自動(dòng)機(jī)，具有智力的和順從于人的但不具人格的機(jī)器”。這一定義并不完全正確，因?yàn)檫€不存在與人類相似的機(jī)器人在運(yùn)行。這是一種理想的機(jī)器人。

6、 （2）美國(guó)機(jī)器人協(xié)會(huì)的定義。機(jī)器人是“一種用于移動(dòng)各種材料、零件、工具或?qū)Ｓ醚b置的，通過可編程序動(dòng)作來執(zhí)行種種任務(wù)的，并具有編程能力的多功能機(jī)械手。盡管這一定義較實(shí)用些，但并不全面。這里指的是工業(yè)機(jī)器人。 （3） 日本工業(yè)機(jī)器人協(xié)會(huì)的定義。工業(yè)機(jī)器人是“一種裝備有記憶裝置和末端執(zhí)行器的，能夠轉(zhuǎn)動(dòng)并通過自動(dòng)完成各種移動(dòng)來代替人類勞動(dòng)的通用機(jī)器”。 （4） 美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局(NBS)的定義。機(jī)器人是“一種能夠進(jìn)行編程并在自動(dòng)控制下執(zhí)行某些操作和移動(dòng)作業(yè)任務(wù) 的機(jī)械裝置”。這也是一種比較廣義的工業(yè)機(jī)器人定義。 （5）國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織的定義。“機(jī)器人是一種自動(dòng)的、位置可控的、具有編程能力的多功能機(jī)械手，

7、這種機(jī)械手具有幾個(gè)軸，能夠借助于可編程序操作來處理各種材料、零件、工具和專用裝置，以執(zhí)行種種任務(wù)。 顯然，這一定義與美國(guó)機(jī)器人協(xié)會(huì)的定義相似。 （6）關(guān)于我國(guó)機(jī)器人的定義。隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)也面臨討論和制訂關(guān)于機(jī)器人技術(shù)的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)問題，其中包括對(duì)機(jī)器人的定義。蔣新松院士曾建議把機(jī)器人定義為“一種擬人功能的機(jī)械電子裝置”。我國(guó)可以參考各國(guó)的定義，結(jié)合我國(guó)情況， 對(duì)機(jī)器人作統(tǒng)一的定義。上述各種定義有共同之處，即認(rèn)為機(jī)器人： a：像人或人的上肢，并能模仿人的動(dòng)作； b：具有智力或感覺與識(shí)別能力； c： 是人造的機(jī)器或機(jī)械電子裝置。 隨著機(jī)器人的進(jìn)化和機(jī)器人智能的發(fā)展，這些定義都有修改的必要，

8、甚至需要對(duì)機(jī)器人重新定義。 機(jī)器人的范疇不但要包括“由人制造的像人一樣的機(jī)器”，還應(yīng)包括“由人制造的生物”，甚至包括“人造人”，盡管我們不贊成制造這種人。看來，本來就沒有統(tǒng)一定義的機(jī)器人，今后更難為它下個(gè)確切的和公認(rèn)的定義了！1.2機(jī)器人的特點(diǎn) 1.2.1機(jī)器人的主要特點(diǎn) 通用性和適應(yīng)性是機(jī)器人的兩個(gè)主要的特征。 1.通用性 機(jī)器人的通用性(versatility)取決于其幾何特性和機(jī)械能力。通用性指的是某種執(zhí)行不同的功能和完成多樣的簡(jiǎn)單任務(wù)的實(shí)際能力。通用性也意味著，機(jī)器人具有可變的集合結(jié)構(gòu)，即根據(jù)生產(chǎn)需要進(jìn)行變更的集合結(jié)構(gòu)；或者說，在機(jī)械結(jié)構(gòu)上許機(jī)器人執(zhí)行不同的任務(wù)或以不同的方式完成同一的

9、工作。現(xiàn)有的大多數(shù)機(jī)器人都具有不同程度的通用性，包括機(jī)械手的機(jī)動(dòng)性和控制系統(tǒng)的靈活性。必須指出，通用性不是自由度單獨(dú)決定的。增加自由度一般能提高通用性程度。不過，還必須考慮其他因素，特別是末端裝置的結(jié)構(gòu)能力，如它們能否適應(yīng)不同的工具等。 2.適應(yīng)性 機(jī)器人的適應(yīng)性(adaptivity)是指其對(duì)環(huán)境的自適應(yīng)的能力，即所設(shè)計(jì)的機(jī)器人能夠自我執(zhí)行未經(jīng)完全指定的任務(wù)，而不管任務(wù)執(zhí)行過程中所發(fā)生的沒有預(yù)計(jì)到的環(huán)境變化。這一能力要求機(jī)器人認(rèn)識(shí)其環(huán)境，即具有人工知覺。在這方面，機(jī)器人使用它的下述能力（1）運(yùn)用傳感器測(cè)環(huán)境的能力；（2）分析任務(wù)空間和執(zhí)行操作規(guī)劃的能力；（3）自動(dòng)指令模式能力。迄今為止所開發(fā)

10、的機(jī)器人知覺與人類對(duì)環(huán)境的解釋能力相比，仍然是十分有限的。這個(gè)領(lǐng)域內(nèi)的某些重要研究工作正在進(jìn)行之中。 第二章 機(jī)器人基本原理2.1 機(jī)器人系統(tǒng)工作原理 根據(jù)機(jī)器人的定義，機(jī)器人至少應(yīng)具備兩部分：控制部分和直接進(jìn)行工作的部分。比如應(yīng)用最廣泛的弧焊機(jī)器人，具有控制系統(tǒng)和帶動(dòng)焊槍運(yùn)動(dòng)的機(jī)械臂部分。控制系統(tǒng)通過編程的方式，決定直接工作的機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)和工作。由于是程序控制的，所以比較容易改變工作方式和任務(wù)，因此，機(jī)器人是一種具有“柔性”的機(jī)器。機(jī)器人具有人或者生物的某些功能，比如能如手臂一樣運(yùn)動(dòng)，能在地上行走或者在水中游。高級(jí)一點(diǎn)的機(jī)器可以通過傳感器了解外部環(huán)境或者“身體內(nèi)在人的”狀態(tài)與變化，甚至可以做

11、出自己的邏輯推理、判斷與決策，也就是所謂的機(jī)器人的智能行為。 機(jī)器人發(fā)揮作用必須在一個(gè)作業(yè)系統(tǒng)之中，機(jī)器人作為系統(tǒng)的一部分，才能發(fā)揮它的作用。由于各種不同類型的機(jī)器人不斷涌現(xiàn)，它們發(fā)揮作用的形式和組成的系統(tǒng)也在不斷變化。工業(yè)機(jī)器人作為制造系統(tǒng)的一部分發(fā)揮作用是最典型的。比如焊接機(jī)器人，它在工作時(shí)至少需要一個(gè)工作臺(tái)，將工作臺(tái)裝卡在上面，并運(yùn)送到機(jī)器人焊接的合適位置。這樣，組成了一個(gè)簡(jiǎn)單的機(jī)器人焊接系統(tǒng)，稱為機(jī)器人焊接工作站。如果機(jī)器人組成一個(gè)焊接生產(chǎn)線，則這個(gè)系統(tǒng)就變得更為復(fù)雜。 一個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)一般由機(jī)械手（執(zhí)行機(jī)構(gòu)）、控制器、作業(yè)對(duì)象和環(huán)境四部分組成。如圖2-1所示。圖2-1一個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)的基

12、本結(jié)構(gòu) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)一般是一臺(tái)機(jī)械手，有些文獻(xiàn)中稱為操作器或操作手。多數(shù)機(jī)械手是具有六個(gè)自由度的關(guān)節(jié)式機(jī)械結(jié)構(gòu)。其中三個(gè)自由度用來引導(dǎo)末端執(zhí)行器至所需位置，另外三個(gè)自由度用來確定末端執(zhí)行裝置的方向。機(jī)械臂上的末端執(zhí)行裝置根據(jù)操作需要也可以換成焊槍、吸盤、扳手等其他工具。 環(huán)境是指機(jī)器人在執(zhí)行任務(wù)時(shí)所能達(dá)到的幾何空間，而且包含了該空間中每個(gè)事物的全部自然特性所決定的條件。在它的工作環(huán)境中，機(jī)器人會(huì)得到為完成任務(wù)所需的支持，如自動(dòng)生產(chǎn)線會(huì)為生產(chǎn)線上的機(jī)器人運(yùn)送工件、材料等；在運(yùn)動(dòng)的空間里，機(jī)器人要設(shè)計(jì)好合理的運(yùn)動(dòng)路線。同時(shí)，在它的工作環(huán)境中，也會(huì)遇到一些障礙物和其他事件，機(jī)器人必須避免與這些障礙發(fā)生碰

13、撞，并妥善處理好環(huán)境中發(fā)生的各種可能的事件。環(huán)境信息一般為已知的，這種環(huán)境稱為結(jié)構(gòu)環(huán)境，但在許多情況下，環(huán)境具有未知的和不確定性質(zhì)，這種環(huán)境就稱為非結(jié)構(gòu)環(huán)境。 控制器是機(jī)器人系統(tǒng)的指揮中樞，并且負(fù)責(zé)信息處理和與人交互。它接受來自傳感器的信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并按照預(yù)存的信息、機(jī)器人的狀態(tài)及環(huán)境情況等，產(chǎn)生控制去驅(qū)動(dòng)機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各個(gè)關(guān)節(jié)，以完成特定的動(dòng)作。為此，控制器內(nèi)必須具有保證它實(shí)現(xiàn)其功能所必須的算法與信息。機(jī)器系統(tǒng)的復(fù)雜程度不同，能執(zhí)行的任務(wù)不同，控制器內(nèi)所存放的軟件也不同。2.2 機(jī)器人的分類 機(jī)器人可以根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)分成很多類型。應(yīng)用于不同領(lǐng)域的機(jī)器人不僅在用途上，而且在結(jié)構(gòu)和性

14、能上會(huì)有很大的不同。因此，按機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域形成了不同類型的機(jī)器人。機(jī)器人首先在制造業(yè)大規(guī)模應(yīng)用，所以機(jī)器人曾被簡(jiǎn)單的分為兩類，即用于汽車制造業(yè)的機(jī)器人稱為工業(yè)機(jī)器人，其他的機(jī)器人稱為特種機(jī)器人。隨著機(jī)器人應(yīng)用的日益廣泛，這種分類就顯得過于粗糙。現(xiàn)在除工業(yè)機(jī)器人外，還有服務(wù)機(jī)器人、水下機(jī)器人、空間機(jī)器人等。 （1）工業(yè)機(jī)器人 工業(yè)機(jī)器人也是一類機(jī)器人的總稱。依據(jù)具體應(yīng)用的不同，又常常以其主要用途命名。到現(xiàn)在為止應(yīng)用最多的是焊接機(jī)器人，包括電焊和電弧焊機(jī)器人，用途是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的焊接作業(yè)；裝配機(jī)器人，比較多的用于電子部件電器的裝配；噴漆機(jī)器人，代替人進(jìn)行噴漆作業(yè)；搬運(yùn)、上下料、碼垛機(jī)器人，他們的功能

15、都是根據(jù)一定的速度和精度要求，將物品從一處運(yùn)到另一處；另外還可以列出很多，如將金屬溶液澆到壓鑄機(jī)中的澆鑄機(jī)器人等等。應(yīng)該說，并不是只有機(jī)器人可以完成這項(xiàng)工作，很多工作都可以用專門的機(jī)器完成。機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)在于它可以通過程序的更改，方便迅速地改變工作內(nèi)容或方式，來滿足生產(chǎn)要求的變化。比如，改變焊縫軌跡，改變噴漆位置，變更裝配部件或位置等等。所以隨著對(duì)工業(yè)生產(chǎn)線的柔性要求越來越強(qiáng)，對(duì)各種機(jī)器人的需求也就越來越強(qiáng) 。 （2）服務(wù)機(jī)器人 隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，已不再局限于傳統(tǒng)的制造業(yè)。出現(xiàn)了一個(gè)新的集合，被稱為服務(wù)機(jī)器人。我們說服務(wù)機(jī)器人是一類機(jī)器人的集合，是因?yàn)榈浆F(xiàn)在為止，

16、國(guó)際上對(duì)它還沒有一個(gè)明確的定義。它所包括的內(nèi)容也比較寬，比較雜。一般說來，服務(wù)機(jī)器人是一種以自主或半自主方式運(yùn)行，能為人類生活康復(fù)提供服務(wù)的機(jī)器人，或者是能對(duì)設(shè)備運(yùn)行進(jìn)行維護(hù)的一類機(jī)器人。目前，在非制造業(yè)的機(jī)器人也被看作是服務(wù)機(jī)器人。服務(wù)機(jī)器人往往是可以移動(dòng)的，在多數(shù)情況下，服務(wù)機(jī)器人由一個(gè)移動(dòng)平臺(tái)構(gòu)成，在平臺(tái)上面裝有一只或幾只手臂，代替或協(xié)助人完成為人類提供服務(wù)和安全保障的各種工作，如清潔、護(hù)理、娛樂和值勤等等。 （3）水下機(jī)器人 水下機(jī)器人也稱為水下無人深潛器，代替人在水下這一危險(xiǎn)的環(huán)境作業(yè)。人類借助潛水器具潛入到大海之中探秘，已有很長(zhǎng)的歷史。然而，由于危險(xiǎn)很大，而且費(fèi)用極高。所以人類尋找

17、代替人親自冒險(xiǎn)的技術(shù)，水下機(jī)器人變成了人們十分關(guān)注的發(fā)展方向。 （4）空間機(jī)器人 機(jī)器人技術(shù)一經(jīng)出現(xiàn)，很自然地人們酒席望它到天上去為人們工作，于是產(chǎn)生了空間機(jī)器人?？臻g機(jī)器人是指在大氣層內(nèi)和大氣層外從事各種作業(yè)的機(jī)器人，包括在內(nèi)層飛行并進(jìn)行觀測(cè)、可完成多種作業(yè)的飛行機(jī)器人，到外層空間其他星球上進(jìn)行探測(cè)作業(yè)的星球探測(cè)機(jī)器人和在各種航天器里是使用的機(jī)器人。2.3 典型機(jī)器人圖片展1. Mark Ho制作的金屬機(jī)器人ZOHO ARTFORM No.1是由荷蘭的Mark Ho用了6年時(shí)間來設(shè)計(jì)、手工制造的一個(gè)活動(dòng)關(guān)節(jié)金屬機(jī)器人（銅和不銹鋼），直立時(shí)高43cm，重6公斤。共有920個(gè)部分組成包

18、括85個(gè)可活動(dòng)的部件。2.日新款機(jī)器人服務(wù)生亮相2006年3月6日，日本日立公司在日本千葉縣浦安市舉行活動(dòng)，公開展示其開發(fā)的新款機(jī)器人服務(wù)生。據(jù)介紹，這種新型機(jī)器人服務(wù)生高130厘米，重約70公斤，移動(dòng)速度可達(dá)每小時(shí)6公里。它工作時(shí)能在1米的范圍內(nèi)判斷出客人說話的方向，并能根據(jù)說話內(nèi)容用仿真的人聲回答客人的問題。3日本開發(fā)出護(hù)理老人機(jī)器人。 這種機(jī)器人不僅具有視覺、聽覺、嗅覺等能力，而且還能背起人，旨在用于看護(hù)日本日趨增多的老年人。脊椎援助機(jī)器人 第三章 工業(yè)機(jī)器人 3. 1 工業(yè)機(jī)器人概述 國(guó)際上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品誕生于20世紀(jì)60年代，當(dāng)時(shí)其作業(yè)能力僅限于上、下料這類簡(jiǎn)單的工作。此后機(jī)器

19、人進(jìn)入了一個(gè)緩慢的發(fā)展期，直到進(jìn)入80年代，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)才得到了巨大的發(fā)展，成為機(jī)器人發(fā)展的一個(gè)里程碑，這一時(shí)代被稱為“機(jī)器人元年”。為了滿足汽車行業(yè)蓬勃發(fā)展的需要，這個(gè)時(shí)期開發(fā)出的點(diǎn)焊機(jī)器人、弧焊機(jī)器人、噴涂機(jī)器人以及搬運(yùn)機(jī)器人等四大類型的工業(yè)機(jī)器人系列產(chǎn)品已經(jīng)成熟，并形成產(chǎn)業(yè)化規(guī)模，有利地推動(dòng)了制造業(yè)的發(fā)展。為進(jìn)一步提高產(chǎn)品質(zhì)量和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力，裝配機(jī)器人及柔性裝配線又相繼開發(fā)成功。進(jìn)入90年代以后，裝配機(jī)器人和柔性裝配技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，并進(jìn)入了一個(gè)大發(fā)展時(shí)期。 現(xiàn)在。工業(yè)機(jī)器人已發(fā)展成為一個(gè)龐大的家族，并與數(shù)控、可編程控制器一起成為工業(yè)自動(dòng)化的三大技術(shù)支柱和基本手段，廣泛應(yīng)用于制造業(yè)的各

20、個(gè)領(lǐng)域之中。縱觀世界機(jī)器人的發(fā)展史，60年代為機(jī)器人的發(fā)明和創(chuàng)建階段； 70年代為機(jī)器人走向?qū)嵱没彤a(chǎn)業(yè)化的初級(jí)階段；80年代為機(jī)器人普及和產(chǎn)業(yè)化高速發(fā)展階段； 90年代機(jī)器人進(jìn)入智能化發(fā)展階段，機(jī)器人得到廣泛應(yīng)用，并向非制造業(yè)拓展。圖3-1列出了2004-2005年美州地區(qū)各主要行業(yè)對(duì)工業(yè)機(jī)器人需求情況：圖3-13.2工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)3 .2.1 工業(yè)機(jī)器人定義 工業(yè)機(jī)器人是機(jī)器人家族中最重要一員，也是目前在技術(shù)發(fā)展最成熟、應(yīng)用最多的一類機(jī)器人。世界各國(guó)對(duì)工業(yè)機(jī)器人的定義不盡相同，但其內(nèi)涵基本一致。 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）曾于1987年對(duì)工業(yè)機(jī)器人給予了定義：“工業(yè)機(jī)器人是一種具有自動(dòng)控制的

21、操作和移動(dòng)功能，能夠完成各種作業(yè)的可編程操作機(jī)”日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（JIS）采用此定義，這也與美國(guó)工業(yè)機(jī)器人學(xué)會(huì)(RIA)的定義相近。在德國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)(VDI)中，對(duì)工業(yè)機(jī)器人則給出了更為具體的定義：“工業(yè)機(jī)器人是具有多自由度的、能進(jìn)行各種動(dòng)作的自動(dòng)機(jī)器。它的動(dòng)作是可以順序控制的。軸的關(guān)節(jié)角度或軌跡可以不靠機(jī)械調(diào)節(jié)，而由程序或傳感器加以控制。工業(yè)機(jī)器人具有執(zhí)行器、工具及制造用的輔助工業(yè)，可以完成材料搬運(yùn)和制造等操作”。 ISO8373對(duì)工業(yè)機(jī)器人給出了更詳細(xì)、具體的定義：“機(jī)器人具備自動(dòng)控制及可再編程多用途功能，機(jī)器人操作機(jī)具有3個(gè)或以上的可編程軸，在工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用中，機(jī)器人的底座可固定也可移動(dòng)?！?.

22、2.2工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 工業(yè)機(jī)器人一般由兩大部分組成：一部分是機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)，也稱作機(jī)器人操作機(jī)（robot manipulator），它完成機(jī)器人的操作和作業(yè)；另一部分是機(jī)器人控制器，它主要完成信息的獲取、處理、作業(yè)編程、規(guī)劃、控制以及整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)的管理功能。機(jī)器人控制器是機(jī)器人的核心的部分，機(jī)器人性能的優(yōu)劣主要取決于控制系統(tǒng)的品質(zhì)。機(jī)器人控制系統(tǒng)集中體現(xiàn)了各種現(xiàn)代高新技術(shù)和相關(guān)學(xué)科的最新進(jìn)展。當(dāng)然，機(jī)器人要想進(jìn)行作業(yè)，除去機(jī)器人以外，還需要相應(yīng)的作業(yè)機(jī)構(gòu)及配套的周邊的設(shè)備，這些與機(jī)器人一起形成了一個(gè)完整的工業(yè)機(jī)器人作業(yè)系統(tǒng)。圖3-2給出了工業(yè)機(jī)器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。圖3-2工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

23、圖3.2.3工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)結(jié)構(gòu) 迄今為止，典型的工業(yè)機(jī)器人僅實(shí)現(xiàn)了人類胳膊和手的某些功能，所以機(jī)器人操作機(jī)也稱作機(jī)器人手臂或機(jī)械手，一般簡(jiǎn)稱為機(jī)器人。機(jī)器人機(jī)構(gòu)可以視為一種桿件機(jī)構(gòu)，它的基本結(jié)構(gòu)是機(jī)構(gòu)學(xué)中的桿件（link ）和運(yùn)動(dòng)副（pair）相互連接而構(gòu)成的開式運(yùn)動(dòng)鏈(open loop kinematics chain )。當(dāng)然也有部分閉鏈或全部閉鏈的機(jī)器人。圖3-3是一個(gè)開鏈結(jié)構(gòu)工業(yè)機(jī)器人。 圖3-3由圖3-3可以看出在機(jī)器人中， 連桿可稱為手臂，運(yùn)動(dòng)副稱作關(guān)節(jié)（joint），關(guān)節(jié)分為平移關(guān)節(jié)和轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)。機(jī)器人的末端稱為手腕(wrist)，它一般由幾個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)組成。在機(jī)器人中，手臂決定

24、機(jī)器人達(dá)到的位置，而手腕則決定機(jī)器人的姿勢(shì)。下面詳細(xì)介紹機(jī)器人的幾個(gè)重要概念及其典型的結(jié)構(gòu)形式。 （1）桿件與自由度 機(jī)器人是由桿件和連接它的關(guān)節(jié)（運(yùn)動(dòng)副）構(gòu)成，關(guān)節(jié)由一個(gè)或多個(gè)自由度(degree of freedom)組成。桿件是指兩個(gè)關(guān)節(jié)之間的連桿，桿件一般有串聯(lián)桿件和并聯(lián)桿件兩類。自由度是表示機(jī)器人運(yùn)動(dòng)靈活的尺度，意味著獨(dú)立的單獨(dú)運(yùn)動(dòng)的個(gè)數(shù)。自由度分為主動(dòng)自由度和被動(dòng)自由度兩類，前者指該自由度能產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力，而后者不能產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力，只能被動(dòng)地跟隨其他關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。 圖3-4是幾種代表性的單自由度關(guān)節(jié)的符號(hào)和運(yùn)動(dòng)形式。 圖3-4實(shí)際上，大部分機(jī)械手是串聯(lián)桿件型的。 在三維空間中 的無約束物體，可

25、以做平行于x、y、z各軸的平行運(yùn)動(dòng)，還可以做圍繞各軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此它有與位置有關(guān)的3個(gè)自由度和與姿態(tài)有關(guān)的3個(gè)自由度，共6個(gè)自由度。機(jī)器人手臂為了能任意操縱物體的位置和姿態(tài)，必須最少有6個(gè)自由度。人的手臂有7個(gè)自由度，其中肩關(guān)節(jié)為3，肘關(guān)節(jié)為2，手關(guān)節(jié)為2，它比6還多，把這種比6還多的自由度稱為冗余自由度(redundant degree of freedom)。人由于有這樣的冗余性，在固定了指尖方向和手腕位置 的情況下，可以通過旋轉(zhuǎn)肘關(guān)節(jié)來改變手臂的姿態(tài)，因此就能夠回避障礙物。 決定機(jī)器人自由度的構(gòu)成，必須是它能完成與目標(biāo)作業(yè)相適應(yīng)的動(dòng)作。例如，若僅限于二維平面內(nèi)的作業(yè)，有3個(gè)自由度就夠了

26、。另外，在化學(xué)工廠這類障礙物很多的有代表性的環(huán)境中，如果是用機(jī)器人進(jìn)行維修為目的，那么也許需要7個(gè)以上的自由度。 （2）自由度的構(gòu)成 自由度的構(gòu)成方法將極大的影響機(jī)器人的可動(dòng)范圍和可操作性等性能。 例如，球形關(guān)節(jié)的構(gòu)造，是可以向任意方向動(dòng)作的3個(gè)自由度關(guān)節(jié)，它能方便的解決適應(yīng)于作業(yè)的姿態(tài)。然而，由于驅(qū)動(dòng)器可動(dòng)范圍的限制，它很難完全實(shí)現(xiàn)這一功能。所以機(jī)器人通常是把3個(gè)單自由度機(jī)構(gòu)串聯(lián)連接，以實(shí)現(xiàn)這種3個(gè)自由度的要求。 另外，在進(jìn)行這樣的自由度組合時(shí)，必須注意奇異點(diǎn)(singular point)的存在。所謂奇異點(diǎn)，是指由于手臂機(jī)構(gòu)的約束，導(dǎo)致手臂姿態(tài)失掉了某特定的方向的自由度功能，加之由于這種自

27、由度的退化，進(jìn)而在奇異點(diǎn)的附近，關(guān)節(jié)必須做急劇的姿態(tài)變化，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)將承受很大的負(fù)荷。奇異點(diǎn)的回避問題，主要是在手臂的軌跡控制中加以解決。所以在設(shè)計(jì)時(shí)，有效的方法是設(shè)法使自由度的構(gòu)成的執(zhí)行作業(yè)內(nèi)容時(shí)能容易的回避奇異點(diǎn)。奇異點(diǎn)的例子如圖3-5所示，在圖中，沿箭頭方向的自由度已經(jīng)退化，機(jī)械手不能沿此方向運(yùn)動(dòng)。 圖3-5奇異點(diǎn)(3)動(dòng)作形態(tài)的分類 手臂的主要目的是在三維空間內(nèi)定位，為此，如前所述必須要3個(gè)自由度。這樣的自由度構(gòu)成法，若考慮平移、旋轉(zhuǎn)、回轉(zhuǎn)三種自由度的組合，則共計(jì)存在27種，然而根據(jù)它的動(dòng)作形態(tài)，代表性的自由度構(gòu)成可以分成下面五種： 1.圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人； 2.球坐標(biāo)型機(jī)器人； 3.直角

28、坐標(biāo)型機(jī)器人； 4.關(guān)節(jié)型機(jī)器人； 5.并聯(lián)機(jī)器人。 圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人(cylindrical coordinate robot，見圖3-6)是由一個(gè)回轉(zhuǎn)和兩個(gè)平移的自由度組合構(gòu)成；球坐標(biāo)型機(jī)器人(polar coordinate robot，見圖3-7)是由回轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)、平移的自由度組合而成。這兩種機(jī)器人由于具有中心回轉(zhuǎn)自由度，所以它們都有較大的運(yùn)動(dòng)范圍(motion range)，其坐標(biāo)計(jì)算也比較簡(jiǎn)單。世界上最初實(shí)用化的工業(yè)機(jī)器人“Versatran” 和“Unimate”分別采用了圓柱坐標(biāo)型和球坐標(biāo)型的構(gòu)成。 圖3-6圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人圖3-7球坐標(biāo)型機(jī)器人直角坐標(biāo)型機(jī)器人(cartesia

29、n coordinate robot，見圖3-8)的自由度是獨(dú)立沿x、y、z軸的，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，精度高，坐標(biāo)計(jì)算和控制也都極為簡(jiǎn)單。 圖3-8直角坐標(biāo)型機(jī)器人 關(guān)節(jié)型機(jī)器人(articulated robot)主要是由回轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)自由度構(gòu)成，可以看成是仿人手臂的結(jié)構(gòu)。它是具有肘關(guān)節(jié)的連桿關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)。(見圖3-9)從肘至手臂根部的部分稱為上臂(upper arm)，從肘到手臂(wrist)的部分稱為前臂(forearm)。這種結(jié)構(gòu)，對(duì)于確定三維空間上的任意位置和姿態(tài)是最有效的。它對(duì)于各種各樣的作業(yè)都有良好的適應(yīng)性，但其缺點(diǎn)是坐標(biāo)計(jì)算和控制比較復(fù)雜，且難以達(dá)到高精度。圖3-9是一般關(guān)節(jié)型機(jī)器人手臂，它采用

30、回轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)的自由度結(jié)構(gòu)。 圖3-9關(guān)節(jié)型機(jī)器人關(guān)節(jié)機(jī)器人根據(jù)其自由度的構(gòu)成方法，可分成幾類。 圖3-10是在標(biāo)準(zhǔn)手臂上在加上一個(gè)自由度(冗余自由度),即所謂仿人型。圖3-10 仿人關(guān)節(jié)型機(jī)器人 圖3-11的手臂采用了平行四邊形連桿，并把前臂關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)用的電機(jī)裝在手臂的根部，可獲得更高的運(yùn)動(dòng)速度。 圖3-12稱為SCARA型機(jī)器人(Selective Compliance Assembly Robot Arm)，手臂的前端結(jié)構(gòu)采用在二維空間內(nèi)能任意移動(dòng)的自由度，所以它具有垂直方向的剛性高、水平面內(nèi)剛性低(柔順性)的特征。 并聯(lián)機(jī)構(gòu)的機(jī)器人(見圖3-13)是一種新型結(jié)構(gòu)的機(jī)人，它通過各連桿的復(fù)

31、合運(yùn)動(dòng)，給出末端的運(yùn)動(dòng)軌跡，以完成不同類型的作業(yè)。 該結(jié)構(gòu)的機(jī)器人特點(diǎn)在于剛性好，可用來完成數(shù)控機(jī)床的一些功能，因而也稱之為并聯(lián)機(jī)床。目前已有這方面的樣機(jī)，它可以完成復(fù)雜曲面的加工，是數(shù)控機(jī)床的一種新的結(jié)構(gòu)形式，也是機(jī)器人功能的一種拓展。其不足是控制復(fù)雜，工作范圍比較小，精度也比數(shù)控機(jī)床低一些。 圖3-11 關(guān)節(jié)型機(jī)器人(平行四邊形連桿)圖3-12 SCARA型機(jī)器人圖3-13 并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)器人以上介紹了工業(yè)機(jī)器人的一些基本結(jié)構(gòu)形式和特點(diǎn)。圖3-14給出了常見工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式和運(yùn)動(dòng)形態(tài)。圖3-14常見工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)形式及運(yùn)動(dòng)形態(tài) 第四章 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué) 4.1引言 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)主要有以下兩個(gè)基

32、本問題： (1)對(duì)一給定的機(jī)器人，已知桿件參數(shù)和關(guān)節(jié)變量，求末端執(zhí)行器相對(duì)于給定坐標(biāo)系的位置和姿態(tài)。給定坐標(biāo)系為固定在大地上的笛卡兒坐標(biāo)系，作為機(jī)器人的總體坐標(biāo)系也稱為世界坐標(biāo)系(World Coordinate); (2)已知機(jī)器人桿件的幾何參數(shù)，給定末端執(zhí)行器相對(duì)于總體坐標(biāo)系的位置和姿態(tài)，確定關(guān)節(jié)變量的大小。 第1個(gè)問題常稱為運(yùn)動(dòng)學(xué)正問題(DKP-Di-Rect Kinematic Problems)，第2個(gè)問題稱為運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問題(IKP-Inverse Kinematic Problems).機(jī)器人手臂的關(guān)節(jié)變量是獨(dú)立變量，而末端執(zhí)行器的作業(yè)通常在總體坐標(biāo)系中說明。根據(jù)末端執(zhí)行器在總體坐標(biāo)

33、系中的位姿來確定相應(yīng)各關(guān)節(jié)變量要進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問題的求解。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)問題是解決動(dòng)力學(xué)和編制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)軟件所比備的知識(shí)。4.2 機(jī)器人位置與姿態(tài)的描述 機(jī)器人的各桿的運(yùn)動(dòng)可在總體坐標(biāo)系中描述，在每個(gè)桿件上建立一個(gè)附體坐標(biāo)系。運(yùn)動(dòng)學(xué)問題便歸結(jié)為尋找聯(lián)系附體坐標(biāo)系和總體坐標(biāo)系的變換矩陣。4.2.1 機(jī)器人坐標(biāo)系變換 如圖4-1，參考坐標(biāo)系Oxyz 是三維空間中的固定坐標(biāo)系，在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)中將它作為總體坐標(biāo)系，把Ouvw看成是附體坐標(biāo)系，也就是說它固定在機(jī)器人桿件上，并隨它一起運(yùn)動(dòng)?？臻g某點(diǎn)P在Ouvw坐標(biāo)系中固定不變，點(diǎn)P在Oxyz和Ouvw系的坐標(biāo)分別表示為：圖4-1表示的是在不同坐標(biāo)系中的

34、同一空間點(diǎn)，上角標(biāo)T為矩陣轉(zhuǎn)置符。 當(dāng)Ouvw系繞任一軸線轉(zhuǎn)動(dòng)后，均可通過一個(gè)3x3旋轉(zhuǎn)矩陣R將原坐標(biāo) 變換到Oxyz系中的坐標(biāo)即： （2-1）由矢量分量的定義有 （2-2）分別表示P沿Ou,Ov,Ow軸的分量，或P在各軸上的投影，利用標(biāo)量積的定義和式( 2-2 )可知將上式寫成矩陣形式比較式(2-1)和式(2-2)有類似地，由坐標(biāo) 可求得坐標(biāo)其中如果Ouvw坐標(biāo)系繞Ox軸轉(zhuǎn)動(dòng),變換矩陣稱為繞Ox軸旋轉(zhuǎn)角的旋轉(zhuǎn)矩陣可用上述變換矩陣的概念導(dǎo)出，即這時(shí) 類似地，繞Oy軸轉(zhuǎn)和繞Oz軸轉(zhuǎn)角的3x3旋轉(zhuǎn)矩陣分別為矩陣稱為基本旋轉(zhuǎn)矩陣。為了表示繞Oxyz坐標(biāo)系各軸的多次轉(zhuǎn)動(dòng)，可把基本旋轉(zhuǎn)矩陣連乘起來。由于

35、矩陣乘法不可交換，故完成轉(zhuǎn)動(dòng)的次序是重要的。除繞Oxyz參考系的坐標(biāo)軸轉(zhuǎn)動(dòng)外，Ouvw坐標(biāo)系也可繞它自己的坐標(biāo)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。如果Ouvw坐標(biāo)系繞Oxyz坐標(biāo)系的一坐標(biāo)軸轉(zhuǎn)動(dòng)則可對(duì)旋轉(zhuǎn)矩陣左乘相應(yīng)的基本旋轉(zhuǎn)矩陣；如果Ouvw坐標(biāo)系繞自己的坐標(biāo)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，則可對(duì)旋轉(zhuǎn)矩陣右乘相應(yīng)的基本旋轉(zhuǎn)矩陣。例：求表示繞Oy軸轉(zhuǎn)角，然后繞Ow軸轉(zhuǎn)角，然后繞Ou軸轉(zhuǎn)角的合成旋轉(zhuǎn)矩陣 解：式中其余類同。4.2.2齊次坐標(biāo)和變換矩陣 齊次坐標(biāo)是用n+1維坐標(biāo)來描述n維空間中的位置，其第n+1個(gè)分量稱為比例因子。引入齊次坐標(biāo)不僅對(duì)坐標(biāo)變換的數(shù)學(xué)表達(dá)帶來方便，而且具有坐標(biāo)縮放的功能。對(duì)三維空間位置矢量其齊次坐標(biāo)可以表示其關(guān)系如下：可

36、以看出，直角坐標(biāo)系Oxyz原點(diǎn)的齊次坐標(biāo)為a為非零實(shí)數(shù)。齊次坐標(biāo)表示Ox軸的無窮點(diǎn)，同理齊次坐標(biāo)分別指向Ox軸和Oz軸的無窮遠(yuǎn)點(diǎn)。三維空間的位置矢量的齊次坐標(biāo)表達(dá)并不是惟一的。但若將w取1，則位置矢量變換后的齊次坐標(biāo)和矢量的實(shí)際坐標(biāo)就相同了。在機(jī)器人的應(yīng)用中總是取w為1。 齊次變換矩陣是4x4矩陣，它能把一個(gè)以齊次坐標(biāo)表示的位置矢量由一個(gè)坐標(biāo)系映射到另一個(gè)坐標(biāo)系。齊次變換矩陣T寫成以下形式 在機(jī)器人的系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)分析中，齊次變換矩陣寫成以下形式： 若三維空間的位置矢量P表示成齊次坐標(biāo)，那么利用變換矩陣的概念對(duì)純轉(zhuǎn)動(dòng)，3x3旋轉(zhuǎn)矩陣可擴(kuò)展成x4齊次變換矩陣 （4-1）（4-2）（4-3）齊次平移矩陣

37、Ttran使Ouvw坐標(biāo)系的原點(diǎn)平移到參考坐標(biāo)系的dx dy dzT 點(diǎn)，而保持坐標(biāo)軸平行。（4-4）式(4-1)至式(4-4)是基本齊次變換矩陣。 基本齊次變換矩陣可以相乘以求得合成齊次變換矩陣，但矩陣的乘法是不可交換的，必須注意這些矩陣的相乘的次序。也就是說：若動(dòng)坐標(biāo)系Ouvw繞或沿Oxyz系主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，則用相應(yīng)的基本齊次陣左乘齊次變換矩陣；若動(dòng)坐標(biāo)系Ouvw繞或沿它自己的主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，則用相應(yīng)的基本齊次旋轉(zhuǎn)矩陣右乘齊次變換矩陣。 第五章 機(jī)器人學(xué)展望 機(jī)器人學(xué)在過去40年中取得了迅速發(fā)展和可喜的成就。 越來越多的機(jī)器人在各行各業(yè)得到應(yīng)用； 越來越多的機(jī)器人科技工作者從不同方向從事機(jī)器人學(xué)的研究

38、開發(fā)和應(yīng)用工作；越來越多的自然人對(duì)機(jī)器人有了比較正確的理解。機(jī)器人必將為21世紀(jì)的人類文明做出新的更大貢獻(xiàn)。 不久前宋健指出：“機(jī)器人學(xué)的進(jìn)步和應(yīng)用是本世紀(jì) 自動(dòng)控制最有說服力的成就，是當(dāng)代最高意義上的自動(dòng)化。僅僅花了20年，機(jī)器人從爬行學(xué)會(huì)了兩條腿走路，成為直立機(jī)器人。機(jī)器人已能用手使用工具，能看，能聽，能用多種語(yǔ)言說話。它安心可靠地干最臟最累的活。機(jī)器人正雄心勃勃，準(zhǔn)備在21世紀(jì)進(jìn)入服務(wù)業(yè)，當(dāng)出租車司機(jī)，到醫(yī)院去當(dāng)護(hù)士，到家庭去照顧老人，到銀行去當(dāng)出納。”的確，機(jī)器人學(xué)具有誘人的 發(fā)展前景。本章分析機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，展望21世紀(jì)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，探討21世紀(jì)機(jī)器人學(xué)的發(fā)展戰(zhàn)略。 5

39、. 1 機(jī)器人技術(shù)和市場(chǎng)的現(xiàn)狀 5.1.1 國(guó)際機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀及預(yù)測(cè)表5-1： 19961998年現(xiàn)役工業(yè)機(jī)器人臺(tái)數(shù)及19992002年臺(tái)數(shù)預(yù)測(cè)國(guó)別1996199719981999200020012002日本美國(guó)德國(guó)意大利法國(guó)英國(guó)3996297085860000254941478487514129607710866817283861563299584188008170073200315001620010800433100907008020033400172001210042880010180088400361001800013100433400114800957003910019000142

40、00366600120200103800474002000015000六大國(guó)579516610862625200666700686200716200673000奧地利比、荷、盧丹麥芬蘭挪威西班牙瑞典瑞士242758097441493479595446702856260465808241633473699449863087西歐十國(guó)24432271813020033400371004090054000匈牙利波蘭斯洛伐克捷克斯洛文尼亞12664653611352531306115411163268東歐五國(guó)2697271329003100330035004100澳大利亞韓國(guó)新加坡中國(guó)臺(tái)灣省201224

41、6403489446724163019932995141亞洲四國(guó)及地區(qū)34608410554800054300613006920053600前蘇聯(lián)其他國(guó)家2200052252300066252350085002400010900245001410025000183001500015000總計(jì)668478711436738300792400826500873100815000表2 ：19961998年各國(guó)新裝機(jī)器人臺(tái)數(shù)及19992001年每年新裝臺(tái)數(shù)預(yù)測(cè)國(guó)別199619971998199920002001日本美國(guó)德國(guó)意大利法國(guó)英國(guó)389149709104253331169711164269612

42、45990173692172117923370010840104504390165012704331009070080200334001720012100507001275010000410019501600558001470011000440021001800六大國(guó)651927137762320811008980099300奧地利比、荷、盧丹麥芬蘭挪威西班牙瑞典瑞士245844110163521133504266250971130220671203617330西歐十國(guó)331737884850460051005600匈牙利波蘭斯洛伐克捷克斯洛文尼亞553257515465257515東歐五國(guó)1

43、73184200200200200澳大利亞韓國(guó)新加坡中國(guó)臺(tái)灣省250659110956885265759753亞洲四國(guó)及地區(qū)862470381870700081009300前蘇聯(lián)其他國(guó)家10001400100015007001500100026001000340010004400總計(jì)79706848877140096500107600119800 近年來，機(jī)器人價(jià)格呈下降趨勢(shì)。由于機(jī)器人性能的重大改進(jìn)，與勞動(dòng)了的價(jià)格相比，90年代機(jī)器人的價(jià)格下降得更多，這表明現(xiàn)役機(jī)器人的盈利增多了。與此同時(shí)，人們認(rèn)識(shí)到，把機(jī)器人應(yīng)用到更多的領(lǐng)域?qū)⒛塬@得更大的利潤(rùn)。預(yù)計(jì)今后機(jī)器人的標(biāo)價(jià)將繼續(xù)下降，同時(shí)一些國(guó)家可

44、能會(huì)出現(xiàn)勞動(dòng)力短缺的現(xiàn)象，因而機(jī)器人的普及速度可能會(huì)比預(yù)計(jì)的還要快。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看（1015年），機(jī)器人相對(duì)價(jià)格的進(jìn)一步下降，勞動(dòng)力的短缺以及人們對(duì)生產(chǎn)質(zhì)量和生活質(zhì)量更加重視，將成為機(jī)器人領(lǐng)域繼續(xù)大量投資的推動(dòng)力。表3： 1998年底服務(wù)機(jī)器人裝備數(shù)量、應(yīng)用領(lǐng)域及1999-2002年預(yù)測(cè)機(jī)器人類型1998年底裝備數(shù)量1999-2002年裝備數(shù)量保潔機(jī)器人-地板清潔機(jī)器人-油罐清潔機(jī)器人-擦窗、墻機(jī)器人-其他（飛機(jī)清洗）機(jī)器人300500下水道機(jī)器人（清理，檢查）爬壁機(jī)器人（清理，檢查）通用檢測(cè)機(jī)器人200200水下機(jī)器人-檢查-工作類機(jī)器人400200家用機(jī)器人-真空吸塵機(jī)器人-割草機(jī)器人-其他2

45、00012500醫(yī)用機(jī)器人-外科手術(shù)機(jī)器人-機(jī)器人輔助外科手術(shù)-其他8007000殘疾人用機(jī)器人，輔助機(jī)器人，輪椅機(jī)器人送信機(jī)器人，送郵件機(jī)器人移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)（多用途）監(jiān)視機(jī)器人，保安機(jī)器人導(dǎo)引機(jī)器人加油機(jī)器人消防及爆炸物清理機(jī)器人2001004005050150200200200300100800400建筑工業(yè)用機(jī)器人農(nóng)業(yè)及林業(yè)用機(jī)器人旅館及餐廳用機(jī)器人潔凈室用機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室用機(jī)器人航天機(jī)器人娛樂機(jī)器人其他類型3501000總臺(tái)數(shù)，不包括真空吸塵機(jī)器人500023600真空吸塵機(jī)器人450000估計(jì)價(jià)值，以百萬美元計(jì)60033001 世界機(jī)器人發(fā)展分析 表1和表2，可對(duì)世界工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀

46、作如下的分析。 1990年世界工業(yè)機(jī)器人的銷售量曾達(dá)到81000臺(tái)，1991-1993年出現(xiàn)經(jīng)濟(jì)衰退，1993年世界工業(yè)機(jī)器人的銷量下降到54000臺(tái)。之后，機(jī)器人的銷售開始復(fù)蘇，1997年銷售量達(dá)到85000臺(tái)，比1996年增長(zhǎng)6.5%，然而，1998年機(jī)器人銷售量比上年下降了16%，降至71400臺(tái)。 1998年，世界機(jī)器人密度繼續(xù)增加。所謂機(jī)器人密度是指：在制造業(yè)中每萬名雇員所占有的工業(yè)機(jī)器人的數(shù)量。日本、新加坡及韓國(guó)的機(jī)器人密度為280110臺(tái)，但這些數(shù)字不能直接與其他國(guó)家的數(shù)字相比，因?yàn)楹笳卟捎昧烁訃?yán)格的機(jī)器人定義。德國(guó)為每萬名雇員100臺(tái)機(jī)器人；意大利和瑞典約為70臺(tái)；其他國(guó)家工

47、業(yè)機(jī)器人的密度在5040臺(tái)之間。 2 世界機(jī)器人發(fā)展前景預(yù)測(cè)（1）工業(yè)機(jī)器人 預(yù)計(jì)世界工業(yè)機(jī)器人的銷售量將由1998年的89100臺(tái)增加到2002年的120000臺(tái)，或年均增長(zhǎng)8%。不同的工業(yè)領(lǐng)域，機(jī)器人的增長(zhǎng)情況也大不相同，全世界的汽車工業(yè)1999年上半年增長(zhǎng)了101%，北美增加了214%，但各工業(yè)領(lǐng)域合計(jì)1999年上半年同比增長(zhǎng)只有10%。 （2）服務(wù)機(jī)器人 由于服務(wù)機(jī)器人尚處于開發(fā)及普及的早期階段，目前國(guó)際上對(duì)它還沒有普遍承認(rèn)的嚴(yán)格定義，因而它的定義是由操作型工業(yè)機(jī)器人引申而來的。 到1998年底，世界服務(wù)機(jī)器人的總數(shù)估計(jì)為最少5000臺(tái)。1999-2002年，預(yù)計(jì)世界將裝備24000臺(tái)

48、服務(wù)機(jī)器人，可能還有近50萬臺(tái)真空清掃機(jī)器人。 5.1.2 國(guó)內(nèi)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀 我國(guó)機(jī)器人學(xué)研究起步較晚，但進(jìn)步較快，已在工業(yè)機(jī)器人、特種機(jī)器人和智能機(jī)器人各個(gè)方面取得明顯成績(jī)，為我國(guó)機(jī)器人學(xué)的發(fā)展打下初步基礎(chǔ)。下面分別就工業(yè)機(jī)器人、特種機(jī)器人和智能機(jī)器人三方面加以討論。 1 工業(yè)機(jī)器人 我國(guó)工業(yè)機(jī)器人起步于20世紀(jì)70年代初，經(jīng)過20多年的發(fā)展，大致可分為3個(gè)階段：70年代的萌芽期，80年代的開發(fā)期，90年代的使用化期。90年代后半期是實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)機(jī)器人的商品化，為產(chǎn)業(yè)化奠定基礎(chǔ)的時(shí)期。 隨著我國(guó)加入世界貿(mào)易組織（WTO），我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人將面臨著新的發(fā)展機(jī)遇和來自國(guó)外的挑戰(zhàn)。我們要把握這一機(jī)

49、遇，迎接挑戰(zhàn)，為我國(guó)躋身機(jī)器人強(qiáng)國(guó)之列而努力奮斗。 2 特種機(jī)器人 到90年代，在國(guó)家高技術(shù)發(fā)展（863）計(jì)劃支持下，我國(guó)在發(fā)展工業(yè)機(jī)器人的同時(shí)，也對(duì)非制造環(huán)境下應(yīng)用機(jī)器人問題進(jìn)行了研究，并取得一批成果。下面介紹幾種特殊器人 的開發(fā)情況。 （1）管道機(jī)器人 管道機(jī)器人是一種可沿管道內(nèi)部或外部自動(dòng)行走、攜有一種或多種傳感器及操作機(jī)械（如機(jī)械手、噴槍、焊槍等），在工作人員的遙控操作或計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制下，進(jìn)行一系列管道作業(yè) 的機(jī)、電、儀一體化系統(tǒng)。管道機(jī)器人的典型功能有： a.管道施工、安裝過程中的管內(nèi)外質(zhì)量檢測(cè)； b.管道使用過程中的管路表面及管材內(nèi)部的故障診斷，如表面破裂、腐蝕和焊縫質(zhì)量情況； c.惡劣情況下管道清掃、噴涂、焊接、內(nèi)部拋光等維護(hù)工作； d.對(duì)地下管道的修復(fù)； e.管道內(nèi)外的器材運(yùn)輸、搶救等其他作業(yè)。我國(guó)自1989年起進(jìn)行管道機(jī)器人的開發(fā)研究。到