工業(yè)機(jī)器人緒論

1、12014年02月2“機(jī)器人機(jī)器人”名稱的由來：名稱的由來：1920年，捷克作家在劇本中塑造了一個具有人的外表、特征和功能，并且愿意為人服務(wù)的機(jī)器奴仆“Robota”。3一、機(jī)器人的發(fā)展歷史一、機(jī)器人的發(fā)展歷史古代古代“機(jī)器人機(jī)器人”現(xiàn)代機(jī)器人的雛形現(xiàn)代機(jī)器人的雛形 人類對機(jī)器人的幻想與追求已有3000多年的歷史1、西周時期、西周時期，能工巧匠偃師研制出的歌舞藝人，是我國最早記載的機(jī)器人。2、春秋后期、春秋后期，據(jù)墨經(jīng)記載，魯班造過一只木鳥，能在空中飛行“三日不下” 。3、公元前、公元前2世紀(jì)世紀(jì)，古希臘人發(fā)明了最原始的機(jī)器人太羅斯，它是以水、空氣和蒸汽壓力為動力的會動的青銅雕像，它可以自己開

2、門，還可以借助蒸汽唱歌。4、1800年前的漢代年前的漢代，大科學(xué)家張衡不僅發(fā)明了地動儀，而且發(fā)明了計里鼓車，計里鼓車每行一里，車上木人擊鼓一下，每行十里擊鐘一下。41、后漢三國時期，蜀國丞相諸葛亮成功地創(chuàng)造出了“木牛流馬”，并用其在崎嶇的山路中運(yùn)送軍糧，支援前方戰(zhàn)爭。2、1662年，日本的竹田近江利用鐘表技術(shù)發(fā)明了自動機(jī)器玩偶，并在大阪演出。3、1738年，法國天才技師杰克戴瓦克遜發(fā)明了一只機(jī)器鴨，它會嘎嘎叫，會游泳和喝水。4、1773年，著名的瑞士鐘表匠杰克道羅斯和他的兒子利路易道羅斯制造出自動書寫玩偶、自動演奏玩偶等，在歐洲風(fēng)靡一時。5、1927年，美國西屋公司工程師溫茲利制造了第一個機(jī)器

3、人“電報箱”，并在紐約舉行的世界博覽會上展出，它是一個電動機(jī)器人，裝有無線電發(fā)報機(jī)，可以回答一些問題，但該機(jī)器人不能走動。5現(xiàn)代機(jī)器人的發(fā)展歷史現(xiàn)代機(jī)器人的發(fā)展歷史二戰(zhàn)期間（1938-1945）l由于核工業(yè)和軍事工業(yè)的發(fā)展，研制了 “遙控操縱器”主要用于放射性材料的生產(chǎn)和處理過程。l1947年，對這種較簡單的機(jī)械裝置進(jìn)行了改進(jìn)，采用電動伺服方式，使其從動部分能跟隨主動部分運(yùn)動，稱為“主從機(jī)械手”。1949-1953 美國麻省理工學(xué)院開始研制數(shù)控銑床l隨著先進(jìn)飛機(jī)制造的需要，美國麻省理工學(xué)院輻射實驗室開始研制數(shù)控銑床。l1953年研制成功能按照模型軌跡做切削動作的多軸數(shù)控銑床。1954年 “可編

4、程示教再現(xiàn)”機(jī)器人 l美國人George C. Devol設(shè)計制作了世界上第一臺機(jī)器人實驗裝置，并發(fā)表了題為適用于重復(fù)作業(yè)的通用性工業(yè)機(jī)器人的文章。660年代 機(jī)器人產(chǎn)品正式問世，機(jī)器人技術(shù)開始形成l1960年美國“聯(lián)合控制公司”根據(jù)Devol的專利技術(shù)，研制出第一臺真正意義上的工業(yè)機(jī)器人，并成立了Unimation公司，開始定型生產(chǎn)名為Unimate的工業(yè)機(jī)器人。l兩年后，美國“機(jī)床與鑄造公司”也生產(chǎn)了另一種可編程工業(yè)機(jī)器人Versatran。70年代 機(jī)器人技術(shù)發(fā)展成為專門學(xué)科l機(jī)器人產(chǎn)業(yè)得到蓬勃發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)發(fā)展成為專門學(xué)科，稱之為機(jī)器人學(xué)（Robotics）。l機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步

5、擴(kuò)大，不同的應(yīng)用場所，導(dǎo)致了各種坐標(biāo)系統(tǒng)、各種結(jié)構(gòu)的機(jī)器人相繼出現(xiàn)，大規(guī)模集成電路和計算機(jī)技術(shù)飛躍發(fā)展使機(jī)器人的控制性能大大提高，成本不斷下降。780年代 開始進(jìn)入智能機(jī)器人研究階段l80年代，不同結(jié)構(gòu)、不同控制方法和不同用途的工業(yè)機(jī)器人在工業(yè)發(fā)達(dá)國家真正進(jìn)入了實用化的普及階段。l隨著傳感技術(shù)和智能技術(shù)的發(fā)展，開始進(jìn)入智能機(jī)器人研究階段。l機(jī)器人視覺、觸覺、力覺、接近覺等項研究和應(yīng)用，大大提高了機(jī)器人的適應(yīng)能力，擴(kuò)大了機(jī)器人的應(yīng)用范圍，促進(jìn)了機(jī)器人的智能化進(jìn)程。經(jīng)歷了40多年的發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)逐步形成了一門新的綜合性學(xué)科 機(jī)器人學(xué)（Robotics）l它包括有基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究兩個方面l主要研

6、究內(nèi)容有：(1) 機(jī)械手設(shè)計；(2) 機(jī)器人運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)和控制；(3) 軌跡設(shè)計和路徑規(guī)劃；(4) 傳感器；(5) 機(jī)器人視覺；(6) 機(jī)器人控制方式。8二、機(jī)器人發(fā)展的進(jìn)程二、機(jī)器人發(fā)展的進(jìn)程 機(jī)器人的發(fā)展大概經(jīng)歷了機(jī)器人的發(fā)展大概經(jīng)歷了“三代三代” 第一代：第一代：“示教再現(xiàn)”機(jī)器人：即由人“教”機(jī)器人的運(yùn)動軌跡、停留點位、停留時間等等，然后機(jī)器人依照人教給的行為重復(fù)以上的運(yùn)動，即所謂的“再現(xiàn)”。比如噴漆機(jī)器人。 第二代：第二代：帶有一定的能對環(huán)境感知的裝置，通過反饋控制，使得機(jī)器人能在一定程度上適應(yīng)變化的環(huán)境。比如焊接機(jī)器人，以及在其上應(yīng)用的焊縫跟蹤技術(shù)。 第三代：第三代：機(jī)器人具有發(fā)

7、現(xiàn)問題，并能自主地解決問題的能力，亦即具有一定的智能。比如日本出現(xiàn)的高科技機(jī)器人，具有比較完備傳感、推理以及判斷決策的功能。 9三、工業(yè)機(jī)器人的性能指標(biāo)三、工業(yè)機(jī)器人的性能指標(biāo)1、自由度、自由度 自由度是表示機(jī)器人靈活程度的尺度，意味著獨(dú)立的單獨(dú)運(yùn)動自由度是表示機(jī)器人靈活程度的尺度，意味著獨(dú)立的單獨(dú)運(yùn)動的個數(shù)。的個數(shù)。 10三維空間的無約束物體，可以做平行于X、Y、Z的平移運(yùn)動，還可以圍繞各坐標(biāo)軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，所以與位置有關(guān)的有三個自由度，與姿態(tài)有關(guān)的也有三個自由度，共六個自由度。也就是說，要任意操縱空間某物體的位姿，至少需要六個自由度。(1) 常用的工業(yè)機(jī)器人的自由度不超過6個，6個以上自由度

8、的機(jī)器人沒有唯一解。超出6個自由度以外的自由度稱為機(jī)器人的冗余自由度。(2) 機(jī)器人的末端執(zhí)行器不計入計算范圍；(3) 關(guān)節(jié)有時是一個受限的自由度，這時計做0.5個自由度；(4) 大多工業(yè)機(jī)器人的自由度均小于6。11 是指機(jī)器人在滿足其它性能要求的情況下，能夠承載的負(fù)荷重量。12五、機(jī)器人的工作原理五、機(jī)器人的工作原理1、“示教再現(xiàn)示教再現(xiàn)”方式：即通過人教機(jī)械手如何動作，控制器將示教過程記憶下來，然后機(jī)器人就按照記憶周而復(fù)始地重復(fù)示教動作，如噴涂機(jī)器人。2、“可編程控制可編程控制”方式：工作人員事先根據(jù)機(jī)器人的工作任務(wù)和運(yùn)動軌跡編制控制程序，然后將控制程序輸入給機(jī)器人的控制器，起動控制程序，

9、機(jī)器人就按照程序所規(guī)定的動作一步一步地去完成，如果任務(wù)變更，只要修改或重新編寫控制程序，非常靈活方便。大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人都是按照前兩種方式工作的。3、“遙控遙控”方式：由人用有線或無線遙控器控制機(jī)器人在人難以到達(dá)或危險的場所完成某項任務(wù)。如防暴排險機(jī)器人、軍用機(jī)器人、在有核輻射和化學(xué)污染環(huán)境工作的機(jī)器人等。4、“自主控制自主控制”方式：是機(jī)器人控制中最高級、最復(fù)雜的控制方式，它要求機(jī)器人在復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中具有識別環(huán)境和自主決策能力，也就是要具有人的某些智能行為。13 機(jī)器人的應(yīng)用十分廣泛，在許多領(lǐng)域機(jī)器人都得到了成功的應(yīng)用或有著美好的應(yīng)用前景。l工業(yè)機(jī)器人工業(yè)機(jī)器人 工業(yè)機(jī)器人是應(yīng)用最為成功

10、和廣泛的機(jī)器人，它的應(yīng)用涉及到工業(yè)生產(chǎn)的各個方面，如焊接、裝配、噴漆等。l海洋探測機(jī)器人海洋探測機(jī)器人 可用于海底礦物資源和水文氣象探測、海底地勢勘查、打撈、救生、排險等。l空間機(jī)器人空間機(jī)器人 在航天飛機(jī)上用來回收和維修人造衛(wèi)星，在空間站、月球表面和火星上進(jìn)行工作。l軍用機(jī)器人軍用機(jī)器人 有掃雷排雷機(jī)器人、偵察機(jī)器人、防核防化機(jī)器人等。六、機(jī)器人的應(yīng)用六、機(jī)器人的應(yīng)用14l微型機(jī)器人微型機(jī)器人 進(jìn)入煤氣、輸油管道等狹窄場所進(jìn)行工作，甚至進(jìn)入人體的血管、腸胃。l微操作機(jī)器人微操作機(jī)器人 是機(jī)器人領(lǐng)域的一個重要研究方向，在國防、空間技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)工程、智能制造和微機(jī)電系統(tǒng)中有廣泛的應(yīng)用前景。l娛

11、樂機(jī)器人娛樂機(jī)器人 充當(dāng)導(dǎo)游、做表演、甚至與人進(jìn)行簡單交流，如導(dǎo)游機(jī)器人、足球機(jī)器人、機(jī)器狗、機(jī)器貓、機(jī)器魚等。l服務(wù)機(jī)器人服務(wù)機(jī)器人 已經(jīng)開始或在不久的將來進(jìn)入人類家庭生活，如保健機(jī)器人，導(dǎo)盲機(jī)器人、垃圾清掃和擦玻璃機(jī)器人等。15操縱機(jī)器人：操縱機(jī)器人： 操縱機(jī)器人實際上是一種人機(jī)系統(tǒng)，由人操縱代替示教。因此，人與機(jī)器人之間相互傳遞信息的問題就成為操縱機(jī)器人研究的重點。操縱機(jī)器人可分為兩種類型：l能力擴(kuò)大式機(jī)器人能力擴(kuò)大式機(jī)器人：負(fù)重能力，動作范圍放大數(shù)倍甚至數(shù)十倍，如空間機(jī)器人放置和回收衛(wèi)星；l遙控機(jī)器人遙控機(jī)器人：適用于特殊作業(yè)環(huán)境，如放射性物質(zhì)，真空，有毒氣體等隔離工作環(huán)境。又如高空、

12、建筑、宇宙、海洋開發(fā)、火山探測、軍事戰(zhàn)場等人不能到達(dá)的環(huán)境。16主從式機(jī)器人與人協(xié)同動作主從式機(jī)器人與人協(xié)同動作17汽車裝配機(jī)器人汽車裝配機(jī)器人 18汽車裝配機(jī)器人汽車裝配機(jī)器人19一汽紅旗轎車機(jī)器人焊接線20弧焊機(jī)器人弧焊機(jī)器人21點焊機(jī)器人點焊機(jī)器人鉚接機(jī)器人鉚接機(jī)器人 2219901990年日本海洋科技中心年日本海洋科技中心 研制的研制的“海溝號海溝號”纜控式纜控式無人潛水器（左）及其在大海中工作時的情況（右）無人潛水器（左）及其在大海中工作時的情況（右） 2319951995年年8 8月我國沈陽自動化所機(jī)器人中心研制的月我國沈陽自動化所機(jī)器人中心研制的CR-01CR-01型型60006

13、000米水下無纜機(jī)器人（上）和正在下水的情況（右）米水下無纜機(jī)器人（上）和正在下水的情況（右）24美國航空航天局（美國航空航天局（NASANASA）研究的月球車在月球表面時的情形）研究的月球車在月球表面時的情形25美國航空航天局（美國航空航天局（NASA）研究的）研究的 “索杰納索杰納”火星火星車車26美國航空航天局（NASA）的火星車27日本研究的火星探測機(jī)器人28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(jī)器人在波黑及科索沃戰(zhàn)爭中用來探測及處理爆炸物 29德國的排爆機(jī)器人我國沈陽自動化所研制的排爆機(jī)器人30美國將M60坦克的炮塔去掉后改裝的豹式掃雷

14、車31德國研制的Minebreaker 2000機(jī)器人掃雷車 32美國研制的MDARS-E型室外保安機(jī)器人MPR-800多用途機(jī)器人，可用于掃雷、滅火、核生化污染清除等多項危險工作33美國研制的“徘徊者”偵察機(jī)器人由M113裝甲運(yùn)輸車改裝而成 美國國防高級研究計劃局研制的只有2.54厘米大小昆蟲機(jī)器人34“暗星暗星”無人機(jī)無人機(jī)“別動隊別動隊”無人機(jī)無人機(jī)法國法國“紅隼紅隼”無人機(jī)無人機(jī)高空無人偵察機(jī)高空無人偵察機(jī)35鬼怪式無人機(jī)發(fā)射Brevel無人機(jī)只有15厘米的微型無人機(jī)36復(fù)合式直徑6.14米盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)隧道鑿巖機(jī)器人 37自動無軌堆垛機(jī) 機(jī)器人化裝載機(jī) 自動攤鋪機(jī) 38 法國研制的法國研

15、制的HILARE 2型移動機(jī)械手型移動機(jī)械手39法國蒙特皮里亞（法國蒙特皮里亞（Montpellier）微電子與）微電子與機(jī)器人實驗室研制的機(jī)器人實驗室研制的 LIRMM移動機(jī)器人移動機(jī)器人 40工業(yè)管道機(jī)器人移動探測系統(tǒng) SMA六足微型機(jī)器人六足微型機(jī)器人 外觀如同一只小甲蟲，外形尺寸為253030mm3，重2 0 克 ， 步 行 速 度18mm/分。微小型機(jī)器人將來可能在細(xì)小管道檢測及醫(yī)療方面發(fā)揮作用。 41微型飛行器微型飛行器：被認(rèn)為是未來戰(zhàn)場上的重要偵察和攻擊武器，能以可接受的成本執(zhí)行某一有價值的任務(wù)。這種飛行器必須能夠傳輸實時圖像或執(zhí)行其它功能，有足夠小的尺寸（小于20厘米）、足夠的

16、巡航范圍（如不小于5公里）和飛行時間（不小于15分鐘）。微型戰(zhàn)術(shù)無人機(jī)微型戰(zhàn)術(shù)無人機(jī)：可用于戰(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。可適用于城市、叢林等多種戰(zhàn)爭環(huán)境。因為其便于攜帶，操作簡單，安全性好的優(yōu)點，可以在部隊中大量裝備。 42華中科技大學(xué)控制系智能與控制工程研究所研制的HUST-MR801型雙手協(xié)調(diào)微操作機(jī)器人實驗系統(tǒng)43機(jī)器人足球賽 44機(jī)器人相撲大賽機(jī)器人相撲大賽 相撲機(jī)器人相撲機(jī)器人45機(jī)器狗與機(jī)器昆蟲機(jī)器狗與機(jī)器昆蟲 46吹笛機(jī)器人 小提琴機(jī)器人47機(jī)器人樂隊機(jī)器人樂隊48機(jī)器人舞蹈機(jī)器龜走迷宮49腦外科機(jī)器人輔助系統(tǒng)護(hù)士助手機(jī)器人50遙

17、控操作手術(shù)（格林系統(tǒng)）遙控操作手術(shù)（格林系統(tǒng)）51智能輪椅導(dǎo)盲機(jī)器人52爬纜索機(jī)器人爬纜索機(jī)器人: 在高空纜索上自動完成檢查、打磨、清洗、去靜電、底涂和面涂及一系列的維護(hù)工作。清洗巨人清洗巨人：利用兩套計算機(jī)和一個機(jī)器人控制器來控制飛機(jī)的清洗 ，不僅減輕了工人的勞動強(qiáng)度，而且大大提高了工作效率。例如，人工清洗一架波音747飛機(jī)需要95個工時，而機(jī)器人清洗僅需12個工時。 53高樓擦窗和壁面清洗機(jī)器人高樓擦窗和壁面清洗機(jī)器人 54消防機(jī)器人和救援機(jī)器人消防機(jī)器人和救援機(jī)器人55加油機(jī)器人加油機(jī)器人：汽車駛?cè)爰佑蛵u，前輪觸發(fā)一個定位器，給出汽車的位置。機(jī)器人臂抓起油槍，機(jī)器人臂上裝有一臺微型攝像機(jī)

18、，找到油箱蓋，利用一個吸氣裝置將其打開，然后機(jī)器人手爪擰開加油口密封蓋，插入加油軟管。加完油后，機(jī)器人蓋上密封蓋及油箱蓋。與此同時，計算機(jī)已為用戶結(jié)完帳。整個過程只需兩、三分鐘。 雕刻機(jī)器人雕刻機(jī)器人：電腦雕刻系統(tǒng)集掃描、編輯、排版、雕刻諸功能于一體，能方便快捷地在各種材質(zhì)上雕刻出逼真、精致、耐久的二維圖形及三維立體浮雕。 56導(dǎo)游機(jī)器人和禮儀機(jī)器人導(dǎo)游機(jī)器人和禮儀機(jī)器人57摘西紅柿機(jī)器人 58林木球果采集機(jī)器人 伐根機(jī)器人 59本田公司機(jī)器人P2 本田公司機(jī)器人P3 日本本田公司投入巨資，經(jīng)過10多年的開發(fā)，研制出了在世界上居領(lǐng)先地位的雙足步行機(jī)器人P3 ，按研制時間先后，把雙足步行機(jī)器人分別命名為P1、P2、P3等。P3的高度為160cm，體重130公斤。被稱為二哥的機(jī)器人P2身高1.80米，體重120公斤，看起來笨頭笨腦，但行動起來卻很靈活，它們不僅能在平坦的地面上行走，還能夠完成上臺階和用扳手?jǐn)Q螺釘?shù)雀唠y動作。60哈爾濱工業(yè)大學(xué)雙足步行機(jī)器人在爬樓梯 國防科技大學(xué)研制 “先行者”仿人型機(jī)器人61北京航空航天大學(xué)研究的多指靈巧手北京航空航天大學(xué)研究的多指靈巧手62本章應(yīng)掌握：本章應(yīng)掌握：5、工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)有哪幾種形式，常用的是什么關(guān)節(jié)？、工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)有哪幾種形式，常用的是什么關(guān)節(jié)？2、工業(yè)機(jī)器人是