機(jī)器人第1章 緒論

機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論

IntroductiontoRobotics,MechanicsandControl目錄1緒論22數(shù)學(xué)基礎(chǔ)-矢量變換63運(yùn)動學(xué)分析64動力學(xué)分析5軌跡規(guī)劃6控制學(xué)時：共32-課堂26，實(shí)驗(yàn)61緒論1.1機(jī)器人發(fā)展歷史1.2定義和分類1.3構(gòu)成1.4機(jī)器人應(yīng)用1.5發(fā)展方向研究現(xiàn)狀1.1機(jī)器人發(fā)展歷史Robot：1920年；捷克作家卡雷爾·卡佩克（KarelCapek）劇本--Rossum’sUniversalRobots》，劇中人造勞動者--RobotaHistory古代“機(jī)器人”——現(xiàn)代機(jī)器人的雛形

西周：偃師-歌舞藝人春秋后期：《墨經(jīng)》-魯班：木鳥，“三日不下”。公元前2世紀(jì)：古希臘人─太羅斯，青銅雕像，以水、空氣和蒸汽壓力為動力，開門，借助蒸汽唱歌。漢代：張衡-地動儀，計里鼓車

……現(xiàn)代機(jī)器人的發(fā)展歷史(1)二戰(zhàn)期間（1938-1945）:

“遙控操縱器”（Teleoperator）;放射性材料生產(chǎn)和處理.1947年，改進(jìn)，采用電動伺服，從動部分跟隨主動部分運(yùn)動，稱為"主從機(jī)械手"（Master-SlaveManipulator）。1949-1953:美國麻省理工學(xué)院-數(shù)控銑床1954年:美國人GeorgeC.Devol-“可編程”“示教再現(xiàn)”機(jī)器人現(xiàn)代機(jī)器人的發(fā)展歷史(2)60年代:機(jī)器人產(chǎn)品正式問世，機(jī)器人技術(shù)開始形成1960年:美國ConsolidatedControl-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。70年代:發(fā)展成為專門學(xué)科,機(jī)器人學(xué)（Robotics）。80年代:智能機(jī)器人-視覺、觸覺、力覺、接近覺機(jī)器人學(xué)研究內(nèi)容基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究主要研究內(nèi)容有：機(jī)械手設(shè)計； 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(包括內(nèi)部傳感器和外部傳感器)；(5)機(jī)器人視覺； (6)機(jī)器人語言；(7)裝置與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)； (8)機(jī)器人智能等。1.2機(jī)器人的定義和分類仁者見仁，智者見智/人：哲學(xué)問題ISO：機(jī)器人是一種自動的、位置可控的、具有編程能力的多功能機(jī)械手，這種機(jī)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、工具和專用裝置，以執(zhí)行種種任務(wù)。美國國家標(biāo)準(zhǔn)局（NBS）：機(jī)器人是一種能夠進(jìn)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(jī)械裝置。美國機(jī)器人協(xié)會（RIA）:機(jī)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執(zhí)行種種任務(wù)的，并具有編程能力的多功能機(jī)械手。日本工業(yè)機(jī)器人協(xié)會（JIRA）：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)動并通過自動完成各種移動來代替人類勞動的通用機(jī)器。機(jī)器人定義

1.機(jī)器人的動作機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)器人具有獨(dú)立性，完整的機(jī)器人系統(tǒng)，在工作中可以不依賴于人的干預(yù)。機(jī)器人分類第一代機(jī)器人：可編程、示教再現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人-商品化、實(shí)用化。第二代機(jī)器人：低級智能機(jī)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(jī)處理、分析，能作出簡單的推理，對動作進(jìn)行反饋。只有少數(shù)可投入應(yīng)用。第三代機(jī)器人：自治機(jī)器人-具有多種感知功能，可進(jìn)行復(fù)雜的邏輯思維、判斷決策，在作業(yè)環(huán)境中獨(dú)立行動。研究階段。按照結(jié)構(gòu)形態(tài)分類

超大型機(jī)器人：負(fù)載能力1000kg以上大型機(jī)器人：100-1000kg/10m2

以上中型機(jī)器人：10-100kg/1–10m2小型機(jī)器人：0.1-10kg/0.1-1m2超小型機(jī)器人：0.1kg以下/0.1m2

以下分類

按照開發(fā)內(nèi)容和目的工業(yè)機(jī)器人（IndustrialRobot）：如焊接、噴漆、裝配機(jī)器人。操縱機(jī)器人（TeleoperatorRobot）：如主從手，遙控排險、水下作業(yè)機(jī)器人。智能機(jī)器人（IntelligentRobot）：如演奏、表演、下棋、探險機(jī)器人。特種機(jī)器人和微型機(jī)器人特種機(jī)器人（SpecialRobots）：航天飛機(jī)上的機(jī)械手在失重狀態(tài)下的工作，海洋探測機(jī)器人、軍用機(jī)器人、防核防化機(jī)器人、爬壁機(jī)器人、微小物體操作機(jī)器人等。微型機(jī)器人（Micro-robots）：體積小，如管道機(jī)器人、血管疏通機(jī)器人。微動機(jī)器人（Micro-movementrobots）：動作小、精度高，如細(xì)胞切割機(jī)器人、微操作和微裝配機(jī)器人等

1.3機(jī)器人構(gòu)成

(StructureandControlofRobots)執(zhí)行機(jī)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(jī)構(gòu)：機(jī)器人的足、腿、手、臂、腰及關(guān)節(jié)等，它是機(jī)器人運(yùn)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：用來有效地驅(qū)動執(zhí)行機(jī)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：是機(jī)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?？刂破鳎菏菣C(jī)器人的核心，它負(fù)責(zé)對機(jī)器人的運(yùn)動和各種動作控制及對環(huán)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(jī)器人構(gòu)成

1.4機(jī)器人應(yīng)用UNIMATE公司:PUMA/560▲PUMA/560機(jī)器人▼PUMA/560六自由度機(jī)器人結(jié)構(gòu)

日本三菱公司MOVEMASTER-EX五自由度機(jī)器人

主從式機(jī)器人與人協(xié)同動作汽車裝配機(jī)器人汽車裝配機(jī)器人一汽紅旗轎車機(jī)器人焊接線弧焊機(jī)器人點(diǎn)焊機(jī)器人鉚接機(jī)器人

海洋探測機(jī)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（右）CR-01型6000米水下無纜機(jī)器人1995年8月我國沈陽自動化所機(jī)器人中心研制的CR-01型6000米水下無纜機(jī)器人（上）和正在下水的情況（右）

空間機(jī)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”火星車1997年7月4日17時07分，美國航空航天局（NASA）發(fā)射的火星探路者號宇宙飛船成功地在火星（Mars）表面著陸，“索杰納”火星車在火星上成功地工作了250天。2003年6月先后升空的美國“勇氣”（Spirit）號和“機(jī)遇”（Opportunity）號火星車經(jīng)過1.2億公里和半年多的長途飛行，分別于2004年1月3日和24日先后登陸火星，向地球傳來大量清晰的火星圖片。日本火星探測機(jī)器人軍用機(jī)器人英國研制的履帶式“手推車”（上圖）、“土撥鼠”（右圖右）和“野牛”（右圖左）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機(jī)器警察德國排爆機(jī)器人沈陽自動化所排爆機(jī)器人工兵機(jī)器人美國將M60坦克的炮塔去掉后改裝的豹式掃雷車德國Minebreaker2000機(jī)器人掃雷車保安機(jī)器人美國MDARS-E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偵察機(jī)器人美國“徘徊者”偵察機(jī)器人由M113裝甲運(yùn)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(jī)器人水下掃雷機(jī)器人瑞典博福斯公司“雙鷹”水下掃雷機(jī)器人美國羅克威爾公司及IS機(jī)器人公司“水下自主行走裝置”（ALUV）的水下掃雷機(jī)器蟹無人機(jī)

“暗星”無人機(jī)“別動隊”無人機(jī)法國“紅隼”無人機(jī)高空無人偵察機(jī)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)

特種機(jī)器人復(fù)合式直徑6.14米盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)隧道鑿巖機(jī)器人自動無軌堆垛機(jī)機(jī)器人化裝載機(jī)自動攤鋪機(jī)

移動機(jī)器人

法國國家科學(xué)研究中心和系統(tǒng)分析與結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室ILARE2型移動機(jī)械手法國蒙特皮里亞（Montpellier）微電子與

機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室LIRMM移動機(jī)器人

微型機(jī)器人工業(yè)管道機(jī)器人移動探測系統(tǒng)SMA六足微型機(jī)器人:甲蟲，外形尺寸為25×30×30mm3，重20克，步行速度18mm/分，有12個自由度，SMA（形狀記憶合金）驅(qū)動源。微型飛行器：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)。能傳輸實(shí)時圖像或執(zhí)行其它功能，小尺寸（20厘米）、足夠巡航范圍（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)：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(jī)器人機(jī)器人足球賽機(jī)器人相撲大賽

相撲機(jī)器人機(jī)器狗與機(jī)器昆蟲吹笛機(jī)器人小提琴機(jī)器人機(jī)器人樂隊機(jī)器人舞蹈機(jī)器龜走迷宮

服務(wù)機(jī)器人腦外科機(jī)器人輔助系統(tǒng)護(hù)士助手機(jī)器人遙控操作手術(shù)（格林系統(tǒng)）導(dǎo)盲機(jī)器人和智能輪椅智能輪椅導(dǎo)盲機(jī)器人爬纜索機(jī)器人和清洗巨人爬纜索機(jī)器人:檢查、打磨、清洗、去靜電、底涂和面涂清洗巨人：利用兩套計算機(jī)和一個機(jī)器人控制器清洗飛機(jī)，人工清洗波音747飛機(jī)需要95個工時，機(jī)器人清洗僅需12個工時。高樓擦窗和壁面清洗機(jī)器人

消防機(jī)器人和救援機(jī)器人雕刻機(jī)器人和汽車加油機(jī)器人加油機(jī)器人雕刻機(jī)器人導(dǎo)游機(jī)器人和禮儀機(jī)器人

農(nóng)業(yè)和林業(yè)機(jī)器人

摘西紅柿機(jī)器人溫室中的嫁接機(jī)器人林木球果采集機(jī)器人伐根機(jī)器人

仿人形機(jī)器人P2

本P3日本本田公司:10多年的開發(fā)，1997年世界領(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。我國研究的仿人型機(jī)器人

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)器人北京航空航天大學(xué)研究的多指靈巧手

1.5機(jī)器人發(fā)展方向與研究現(xiàn)狀應(yīng)用領(lǐng)域的進(jìn)一步擴(kuò)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服務(wù)機(jī)器人：清潔機(jī)器人、保健機(jī)器人等未來的機(jī)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(jī)器人將逐漸實(shí)現(xiàn)語言、表情甚至意念等方式進(jìn)行控制主要參考書RichardP.Paul.RobotManipultons:Mathematics,ProgrammingandControl.TheMITPress,Cambridge,MA,USA,1981H.Asada,J-J.E.Slotine.RobotAnalysisandControl.AWiley-InterseiencePublicationJohnWileyandSons,1986K.S.Fu,R.C.Gonsalez,C.S.G.Lee.Robotics:Control,Sensing,VisionandIntelligence.MeGraw-HillBookCompany,1987蔡自興，機(jī)器人學(xué)，清華大學(xué)出版社，2000.9嚴(yán)學(xué)高、孟正大，機(jī)器人原理，東南大學(xué)出版社，1992熊有倫等，機(jī)器人學(xué)，機(jī)械工業(yè)出版社，1993徐繽昌、闕志宏等，機(jī)器人控制工程，西北工業(yè)大學(xué)出版社，1992有關(guān)文獻(xiàn)期刊IEEETrans.onAutomaticControl(AC),Man-Mach.System(MMS),System,ManandCybernetics(