機器人第1章緒論

1、機器人學(xué)導(dǎo)論 Introduction to Robotics,Mechanics and Control目錄目錄1 緒論緒論 22 數(shù)學(xué)基礎(chǔ)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)-矢量變換矢量變換 63 運動學(xué)分析運動學(xué)分析 64 動力學(xué)分析動力學(xué)分析5 軌跡規(guī)劃軌跡規(guī)劃6 控制控制學(xué)時：共學(xué)時：共32-課堂課堂26，實驗，實驗61 緒論緒論1.1 機器人發(fā)展歷史機器人發(fā)展歷史1.2 定義和分類定義和分類 1.3 構(gòu)成構(gòu)成1.4 機器人應(yīng)用機器人應(yīng)用 1.5 發(fā)展方向研究現(xiàn)狀發(fā)展方向研究現(xiàn)狀1.1 機器人發(fā)展歷史機器人發(fā)展歷史Robot：1920年；捷克作家卡雷爾年；捷克作家卡雷爾卡佩克卡佩克（Karel Capek）劇

2、本）劇本- Rossums Universal Robots ，劇中人造勞動者，劇中人造勞動者-RobotaHistory古代古代“機器人機器人”現(xiàn)代機器人的雛形現(xiàn)代機器人的雛形 西周：偃師西周：偃師-歌舞藝人歌舞藝人春秋后期：春秋后期：墨經(jīng)墨經(jīng)-魯班：木鳥，魯班：木鳥， “三日不下三日不下” 。公元前公元前2世紀：古希臘人世紀：古希臘人太羅斯，青太羅斯，青銅雕像，以水、空氣和蒸汽壓力為動銅雕像，以水、空氣和蒸汽壓力為動力，開門，借助蒸汽唱歌。力，開門，借助蒸汽唱歌。漢代：張衡漢代：張衡-地動儀，計里鼓車地動儀，計里鼓車 現(xiàn)代機器人的發(fā)展歷史現(xiàn)代機器人的發(fā)展歷史(1)二戰(zhàn)期間（二戰(zhàn)期間（193

3、8-1945）: “遙控操縱器遙控操縱器”（Teleoperator）;放射放射性材料生產(chǎn)和處理性材料生產(chǎn)和處理.1947年，改進，采用年，改進，采用電動伺服，從動部分跟隨主動部分運動，電動伺服，從動部分跟隨主動部分運動，稱為稱為主從機械手主從機械手（Master-Slave Manipulator）。）。1949-1953: 美國麻省理工學(xué)院美國麻省理工學(xué)院-數(shù)控銑床數(shù)控銑床1954年年:美國人美國人George C. Devol-“可可編程編程”“”“示教再現(xiàn)示教再現(xiàn)”機器人機器人 現(xiàn)代機器人的發(fā)展歷史現(xiàn)代機器人的發(fā)展歷史(2)60年代年代: 機器人產(chǎn)品正式問世，機器人技術(shù)機器人產(chǎn)品正式問

4、世，機器人技術(shù)開始形成開始形成1960年年:美國美國Consolidated Control-工業(yè)工業(yè)機器人，并成立了機器人，并成立了Unimation公司，開始公司，開始定型生產(chǎn)名為定型生產(chǎn)名為Unimate的工業(yè)機器人。的工業(yè)機器人。70年代年代: 發(fā)展成為專門學(xué)科發(fā)展成為專門學(xué)科, 機器人學(xué)機器人學(xué)（Robotics）。）。80年代年代: 智能機器人智能機器人-視覺、觸覺、力覺、接視覺、觸覺、力覺、接近覺近覺機器人學(xué)研究內(nèi)容機器人學(xué)研究內(nèi)容基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究主要研究內(nèi)容有：主要研究內(nèi)容有： 機械手設(shè)計；機械手設(shè)計； 機器人運動學(xué)、動力學(xué)和控制；機器人運動學(xué)、動力學(xué)和控制

5、；(3) 軌跡設(shè)計和路徑規(guī)劃；軌跡設(shè)計和路徑規(guī)劃；(4) 傳感器傳感器(包括內(nèi)部傳感器和外部傳感包括內(nèi)部傳感器和外部傳感器器)；(5) 機器人視覺；機器人視覺；(6) 機器人語機器人語言；言；(7) 裝置與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；裝置與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；(8) 機器人智機器人智能等。能等。1.2 機器人的定義和分類 仁者見仁，智者見智仁者見仁，智者見智 / / 人：哲學(xué)問題人：哲學(xué)問題ISOISO：機器人是一種自動的、位置可控的、具有編程能：機器人是一種自動的、位置可控的、具有編程能力的多功能機械手，這種機械手具有幾個軸，能夠借力的多功能機械手，這種機械手具有幾個軸，能夠借助可編程序操作來處理各種材料、零件、工具和

6、專用助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)。裝置，以執(zhí)行種種任務(wù)。美國國家標(biāo)準(zhǔn)局（美國國家標(biāo)準(zhǔn)局（NBSNBS）：機器人是一種能夠進行編程）：機器人是一種能夠進行編程并在自動控制下執(zhí)行某些操作和移動作業(yè)任務(wù)的機械并在自動控制下執(zhí)行某些操作和移動作業(yè)任務(wù)的機械裝置。裝置。美國機器人協(xié)會（美國機器人協(xié)會（RIARIA）: :機器人是一種用于移動各種材機器人是一種用于移動各種材料、零件、工具或?qū)Ｓ醚b置的，通過可編程序動作來料、零件、工具或?qū)Ｓ醚b置的，通過可編程序動作來執(zhí)行種種任務(wù)的，并具有編程能力的多功能機械手。執(zhí)行種種任務(wù)的，并具有編程能力的多功能機械手。日本工業(yè)機器人

7、協(xié)會（日本工業(yè)機器人協(xié)會（JIRAJIRA）：工業(yè)機器人是一種裝備）：工業(yè)機器人是一種裝備有記憶裝置和末端執(zhí)行器的，能夠轉(zhuǎn)動并通過自動完有記憶裝置和末端執(zhí)行器的，能夠轉(zhuǎn)動并通過自動完成各種移動來代替人類勞動的通用機器。成各種移動來代替人類勞動的通用機器。機器人定義機器人定義 1. 機器人的動作機構(gòu)具有類似于人或其他生物體某些器官 ( 如 肢體、感官等 ) 的功能；2. 機器人具有通用性，工作種類多樣，動作程序靈活易變，是柔性加工主要組成部分；3. 機器人具有不同程度的智能，如記憶、感知、推理、決策、學(xué)習(xí)等；4. 機器人具有獨立性，完整的機器人系統(tǒng)，在工作中可以不依賴于人的干預(yù)。機器人分類機器人

8、分類 第一代機器人第一代機器人：可編程、示教再現(xiàn)工業(yè)機器人-商品化、實用化。 第二代機器人第二代機器人：低級智能機器人-有一定的傳感裝置，能獲取作業(yè)環(huán)境、操作對象的簡單信息，通過計算機處理、分析，能作出簡單的推理，對動作進行反饋。只有少數(shù)可投入應(yīng)用。 第三代機器人第三代機器人：自治機器人-具有多種感知功能，可進行復(fù)雜的邏輯思維、判斷決策，在作業(yè)環(huán)境中獨立行動。研究階段。按照結(jié)構(gòu)形態(tài)分類按照結(jié)構(gòu)形態(tài)分類 超大型機器人：負載能力 1000 kg 以上 大型機器人：100-1000 kg / 10 m2 以上 中型機器人：10-100 kg / 1 10 m2 小型機器人：0.1-10 kg / 0

9、.1-1 m2 超小型機器人：0.1 kg 以下 / 0.1 m2 以下分類分類 按照開發(fā)內(nèi)容和目的按照開發(fā)內(nèi)容和目的 工業(yè)機器人（工業(yè)機器人（Industrial Robot）：如焊接、噴漆、裝）：如焊接、噴漆、裝配機器人。配機器人。 操縱機器人（操縱機器人（Teleoperator Robot）：如主從手，遙控）：如主從手，遙控排險、水下作業(yè)機器人。排險、水下作業(yè)機器人。 智能機器人（智能機器人（Intelligent Robot）：如演奏、表演、下）：如演奏、表演、下棋、探險機器人。棋、探險機器人。 特種機器人和微型機器人特種機器人和微型機器人 特種機器人（特種機器人（Special R

10、obots）：航天飛機上的機械手）：航天飛機上的機械手在失重狀態(tài)下的工作，海洋探測機器人、軍用機器人在失重狀態(tài)下的工作，海洋探測機器人、軍用機器人、防核防化機器人、爬壁機器人、微小物體操作機器、防核防化機器人、爬壁機器人、微小物體操作機器人等。人等。 微型機器人（微型機器人（Micro-robots）：體積小，如管道機器人）：體積小，如管道機器人、血管疏通機器人。、血管疏通機器人。 微動機器人（微動機器人（Micro-movement robots ）：動作小、精）：動作小、精度高，如細胞切割機器人、微操作和微裝配機器人等度高，如細胞切割機器人、微操作和微裝配機器人等 1.3 機器人構(gòu)成機器人

11、構(gòu)成 ( Structure and Control of Robots )執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動和傳動裝置、傳感器和控制器記憶、示教 裝置控制裝置驅(qū)動裝置傳感器 執(zhí)行機構(gòu)：執(zhí)行機構(gòu)：機器人的足、腿、手、臂、腰及關(guān)節(jié)等，它是機器人運動和完成某項任務(wù)所必不可少的組成部分。 驅(qū)動和傳動裝置：驅(qū)動和傳動裝置：用來有效地驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)的裝置，通常采用液壓、電動和汽動，有直接驅(qū)動和間接驅(qū)動二種方式。 傳感器：傳感器：是機器人獲取環(huán)境信息的工具，如視覺、聽覺、嗅覺、觸覺、力覺、滑覺和接近覺傳感器等，它們的功能相當(dāng)于人的眼、耳、鼻、皮膚及筋骨。 控制器：控制器：是機器人的核心，它負責(zé)對機器人的運動和各種動作控制及對環(huán)

12、境的識別。示教再現(xiàn)、可編程控制、遙控和自主控制等多種方式。機器人構(gòu)成機器人構(gòu)成 1.4 機器人應(yīng)用機器人應(yīng)用UNIMATE公司:PUMA/560 PUMA/560機器人 PUMA/560六自由度機器人結(jié)構(gòu) 日本三菱公司MOVEMASTER-EX 五自由度機器人 主從式機器人與人協(xié)同動作主從式機器人與人協(xié)同動作汽車裝配機器人汽車裝配機器人 汽車裝配機器人汽車裝配機器人 一汽紅旗轎車機器人焊接線一汽紅旗轎車機器人焊接線弧焊機器人弧焊機器人點焊機器人點焊機器人鉚接機器人鉚接機器人 海洋探測機器人海洋探測機器人1990年日本海洋科技中心 研制的“海溝號”纜控式無人潛水器（左）及其在大海中工作時的情況（

13、右） CR-01型型6000米水下無纜機器人米水下無纜機器人1995年8月我國沈陽自動化所機器人中心研制的CR-01型6000米水下無纜機器人（上）和正在下水的情況（右） 空間機器人空間機器人美國航空航天局（NASA）研究的月球車在月球表面NASA “索杰納索杰納”火星車火星車1997年年7月月4日日17時時07分，美國航空航天局（分，美國航空航天局（NASA）發(fā)）發(fā)射的火星探路者號宇宙飛船成功地在火星（射的火星探路者號宇宙飛船成功地在火星（Mars）表面）表面著陸，著陸，“索杰納”火星車在火星上成功地工作了火星車在火星上成功地工作了250天。天。2003年年6月先后升空的美國月先后升空的美國

14、“勇氣”（Spirit）號和）號和“機遇”（Opportunity）號火星車經(jīng)過）號火星車經(jīng)過1.2億公里和半年多的億公里和半年多的長途飛行，分別于長途飛行，分別于2004年年1月月3日和日和24日先后登陸火星，日先后登陸火星，向地球傳來大量清晰的火星圖片。向地球傳來大量清晰的火星圖片。日本日本 火星探測機器人火星探測機器人軍用機器人軍用機器人英國研制的履帶式“手推車” （上圖）、 “土撥鼠”（右圖右）和“野?！保ㄓ覉D左）排爆機器人在波黑及科索沃戰(zhàn)爭中用來探測及處理爆炸物 機器警察機器警察德國德國 排爆機器人排爆機器人沈陽自動化所 排爆機器人工兵機器人美國將M60坦克的炮塔去掉后改裝的豹式掃雷

15、車德國德國 Minebreaker 2000機器人掃雷車機器人掃雷車 保安機器人美國MDARS-E室外保安機器人MPR-800多用途機器人，可用于掃雷、滅火、核生化污染清除等多項危險工作偵察機器人 美國 “徘徊者”偵察機器人由M113裝甲運輸車改裝 美國國防高級研究計劃局 在研2.54厘米大小昆蟲機器人水下掃雷機器人瑞典博福斯公司瑞典博福斯公司 “雙鷹雙鷹”水下掃雷機器人水下掃雷機器人 美國羅克威爾公司及美國羅克威爾公司及IS機器人公司機器人公司 “水下自水下自主行走裝置主行走裝置”（ALUV）的水下掃雷機器蟹）的水下掃雷機器蟹 無人機 “暗星暗星”無人機無人機“別動隊別動隊”無人機無人機法國

16、法國“紅隼紅隼”無人機無人機高空無人偵察機高空無人偵察機鬼怪式無人機鬼怪式無人機發(fā)射Brevel無人機只有15厘米的微型無人機 特種機器人復(fù)合式直徑6.14米盾構(gòu)掘進機隧道鑿巖機器人 自動無軌堆垛機自動無軌堆垛機 機器人化裝載機 自動攤鋪機 移動機器人 法國國家科法國國家科學(xué)研究中心學(xué)研究中心和系統(tǒng)分析和系統(tǒng)分析與結(jié)構(gòu)實驗與結(jié)構(gòu)實驗室室 ILARE 2型移型移動機械手動機械手法國蒙特皮里亞（Montpellier）微電子與機器人實驗室 LIRMM移動機器人 微型機器人工業(yè)管道機器人移動探測系統(tǒng) SMA六足微型六足微型機器人機器人:甲蟲，外 形 尺 寸 為253030mm3，重20克，步行速度1

17、8mm/分，有12個自由 度 ， S M A（形狀記憶合金）驅(qū)動源。 微型飛行器：未來戰(zhàn)場上的重：未來戰(zhàn)場上的重要偵察和攻擊武器，能以可接要偵察和攻擊武器，能以可接受的成本執(zhí)行某一有價值的任受的成本執(zhí)行某一有價值的任務(wù)。能傳輸實時圖像或執(zhí)行其務(wù)。能傳輸實時圖像或執(zhí)行其它功能，小尺寸（它功能，小尺寸（20厘米）、厘米）、足夠巡航范圍（不小于足夠巡航范圍（不小于5公里公里）和飛行時間（不小于）和飛行時間（不小于15分鐘分鐘）微型戰(zhàn)術(shù)無人機微型戰(zhàn)術(shù)無人機：戰(zhàn)爭危險估計、目標(biāo)搜索、通信中繼，監(jiān)測化學(xué)、核或生物武器，偵察建筑物內(nèi)部情況?？蛇m用于城市、叢林等多種戰(zhàn)爭環(huán)境。 娛樂機器人機器人足球賽 機器人相

18、撲大賽 相撲機器人相撲機器人機器狗與機器昆蟲機器狗與機器昆蟲 吹笛機器人 小提琴機器人機器人樂隊機器人舞蹈機器龜走迷宮 服務(wù)機器人腦外科機器人輔助系統(tǒng)護士助手機器人遙控操作手術(shù)（格林系統(tǒng)）導(dǎo)盲機器人和智能輪椅智能輪椅導(dǎo)盲機器人爬纜索機器人和清洗巨人爬纜索機器人爬纜索機器人: 檢查、打磨、清洗、去靜電、底涂和面涂清洗巨人清洗巨人：利用兩套計算機和一個機器人控制器清洗飛機，人工清洗波音747飛機需要95個工時，機器人清洗僅需12個工時。 高樓擦窗和壁面清洗機器人 消防機器人和救援機器人雕刻機器人和汽車加油機器人加油機器人加油機器人雕刻機器人雕刻機器人導(dǎo)游機器人和禮儀機器人 農(nóng)業(yè)和林業(yè)機器人 摘西紅

19、柿機器人 溫室中的嫁接機器人林木球果采集機器人林木球果采集機器人 伐根機器人伐根機器人 仿人形機器人P2 本P3 日本本田公司日本本田公司:10多年的開發(fā)，多年的開發(fā)，1997年世界年世界領(lǐng)先地位的雙足步行機器人領(lǐng)先地位的雙足步行機器人P3 ，按研制時間先后，把，按研制時間先后，把雙足步行機器人分別命名為雙足步行機器人分別命名為P1、P2、P3等。等。P3的高度的高度為為160cm，體重，體重130公斤。公斤。被稱為二哥的機器人被稱為二哥的機器人P2身高身高1.80米，體重米，體重120公斤，看公斤，看起來笨頭笨腦，但行動起來起來笨頭笨腦，但行動起來卻很靈活，它們不僅能在平卻很靈活，它們不僅能

20、在平坦的地面上行走，還能夠完坦的地面上行走，還能夠完成上臺階和用扳手擰螺釘?shù)瘸缮吓_階和用扳手擰螺釘?shù)雀唠y動作。高難動作。我國研究的仿人型機器人 哈爾濱工業(yè)大學(xué)雙足步行機器人在爬樓梯 國防科技大學(xué)研制 “先行者”仿人型機器人北京航空航天大學(xué)研究的多指靈巧手 1.5 機器人發(fā)展方向與研究現(xiàn)狀機器人發(fā)展方向與研究現(xiàn)狀應(yīng)用領(lǐng)域的進一步擴大應(yīng)用領(lǐng)域的進一步擴大制造業(yè)非制造業(yè):農(nóng)業(yè)、林業(yè)、軍事、海洋勘探、太空探索、生物醫(yī)學(xué)工程等深入日常生活深入日常生活服務(wù)機器人：清潔機器人、保健機器人等未來的機器人未來的機器人“人”：聽、看、說、識別環(huán)境，具有記憶、推理和決策能力，在某些方面甚至有超過人的能力，如計算、速度、記憶、力量和適應(yīng)惡劣環(huán)境的能力等。人類對機器人將逐漸實現(xiàn)語言、表情甚至意念等方式進行控制主要參考書主要參考書Richard P.Paul. Robot Manipultons: Mathematics, Programming and Control. The MIT Press, Cambridge, MA, USA, 1981H.Asada, J