工業(yè)機器人教學(xué)計劃

第工業(yè)機器人教學(xué)計劃工業(yè)機器人教學(xué)計劃1

一、課程基信息課程名稱：《工業(yè)機器人技術(shù)》

課程學(xué)時：90min授課對象：中小學(xué)生

二.課程性質(zhì)與定位

機器人技術(shù)是一門跨多個學(xué)科的綜合性技術(shù)，它涉及自動控制、計算機、傳感器、人工智能、電子技術(shù)和機械工程等多種學(xué)科的內(nèi)容。工業(yè)機器人的大量應(yīng)用正在改變著現(xiàn)代企業(yè)的`生產(chǎn)模式。

三、教學(xué)流程安排

根據(jù)本課教學(xué)內(nèi)容和學(xué)科特點，結(jié)合學(xué)生的認(rèn)知水平和生活情感，設(shè)計教學(xué)流程如下：

1、走進機器人世界（10min）

a)機器人的誕生b)機器人的發(fā)展c)機器人家族

2、認(rèn)識_S-RB-_N工業(yè)機器人教學(xué)系統(tǒng)（5min）a)虛擬系統(tǒng)介紹b)實體機器人介紹c)安全操作規(guī)程

3、認(rèn)識_S-RB-_N工業(yè)機器人教學(xué)仿真軟件（30min）a)運行，打開仿真軟件開主程序窗口b)認(rèn)識主程序窗口和示教器c)講解編程規(guī)則d)教師示范編程（搬運）e)學(xué)生練習(xí)編程

4、認(rèn)識_S-RB-_N實體工業(yè)機器人（35min）a)實體機器人開機、上電b)設(shè)定坐標(biāo)原點

c)教師示范編程、控制機器人d)學(xué)生練習(xí)編程、控制機器人

5、評價交流（10min）

四、教師組織學(xué)生進行分組，提出以下問題，進行交流和討論。

1、通過本活動，說一說你對工業(yè)機器人理解、設(shè)想及體會。

2、如果讓你設(shè)計一個機器人，它應(yīng)具備哪些功能？工業(yè)機器人教學(xué)計劃2

機器人的誕生和機器人學(xué)的建立及發(fā)展，是20世紀(jì)自動控制領(lǐng)域最具說服力的成就，是20世紀(jì)人類科學(xué)技術(shù)進步的重大成果。現(xiàn)在全世界已經(jīng)有100萬臺機器人，銷售額每年增加20%及以上。機器人技術(shù)和工業(yè)得到了前所未有的發(fā)展。機器人技術(shù)是現(xiàn)代科學(xué)與技術(shù)交叉和綜合的體現(xiàn)，先進機器人的發(fā)展代表著國家綜合科技實力和水平，因此目前許多國家都已經(jīng)把機器人技術(shù)列入本國21世紀(jì)高科技發(fā)展計劃隨著機器人應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴大，機器人已從傳統(tǒng)的制造業(yè)進入人類的工作和生活領(lǐng)域，另外，隨著需求范圍的擴大，機器人結(jié)構(gòu)和形態(tài)的發(fā)展呈現(xiàn)多樣化。高端系統(tǒng)具有明顯的仿生和智能特征，其性能不斷提高，功能不斷擴展和完善；各種機器人系統(tǒng)便逐步向具有更高智能和更密切與人類社會融洽的方向發(fā)展。

一、早期機器人的發(fā)展

機器人的起源要追溯到3000多年前?！皺C器人”是存在于多種語言和文字的新造詞，它體現(xiàn)了人類長期以來的一種愿望，即創(chuàng)造出一種像人一樣的機器或人造人，以便能夠代替人去進行各種工作。

直到四十多年前，“機器人”才作為專業(yè)術(shù)語加以引用，然而機器人的概念在人類的想象中卻已存在三千多年了。早在我國西周時代（公元前1066年~前771年），就流傳著有關(guān)巧匠偃師獻給周穆王一個藝妓（歌舞機器人）的故事。

春秋時代（公元前770~前467）后期，被稱為木匠祖師爺?shù)聂敯?，利用竹子和木料制造出一個木鳥，它能在空中飛行，“三日不下”，這件事在古書《墨經(jīng)》中有所記載，這可稱得上世界第一個空中機器人。

東漢時期（公元25~220），我國大科學(xué)家張衡，不僅發(fā)明了震驚世界的“候風(fēng)地動儀”，還發(fā)明了測量路程用的“計里鼓車”，車上裝有木人、鼓和鐘，每走1里，擊鼓1次，每走10里擊鐘一次，奇妙無比。

三國時期的蜀漢（公元221~263），丞相諸葛亮既是一位軍事家，又是一位發(fā)明家。他成功地創(chuàng)造出“木牛流馬”，可以運送軍用物資，可成為最早的陸地軍用機器人。

在國外，也有一些國家較早進行機器人的研制。公元前3世紀(jì)，古希臘發(fā)明家戴達羅斯用青銅為克里特島國王邁諾斯塑造了一個守衛(wèi)寶島的青銅衛(wèi)士塔羅斯。

在公元前2世紀(jì)出現(xiàn)的書籍中，描寫過一個具有類似機器人角色的機械化劇院，這些角色能夠在宮廷儀式上進行舞蹈和列隊表演。

公元前2世紀(jì)，古希臘人發(fā)明了一個機器人，它是用水、空氣和蒸汽壓力作為動力，能夠動作，會自己開門，可以借助蒸汽唱歌。

1662年，日本人竹田近江，利用中標(biāo)技術(shù)發(fā)明了能進行表演的自動機器玩偶；到了18世紀(jì)，日本人若井源大衛(wèi)門和源信，對該玩偶進行了改進，制造出了端茶玩偶，該玩偶雙手端著茶盤，當(dāng)講茶杯放到茶盤上后，它就會走向客人將茶送上，客人取茶杯時，它會自動停止走動，帶客人喝完茶姜茶被放回茶盤之后，他就會轉(zhuǎn)回原來的地方，煞是可愛。

法國的天才冀師杰克·戴·瓦克遜，于1738年發(fā)明了一直機器鴨，他會游泳。喝水、吃東西和排泄，還會嘎嘎叫。

瑞士鐘表名匠德羅斯父子三人于公元1768~1774年間，設(shè)計制造出三個像真人一樣大小的機器人——寫字偶人、繪圖偶人和彈風(fēng)琴偶人。它們是由凸輪控制和彈簧驅(qū)動的自動機器，至今還作為國寶保存在瑞士納切特爾市藝術(shù)和歷史博物館內(nèi)。同時，還有德國梅林制造的巨型泥塑偶人“巨龍哥雷姆”，日本物理學(xué)家細(xì)川半藏設(shè)計的各種自動機械圖形，法國杰夸特設(shè)計的機械式可編程織造機等。1770年，美國科學(xué)家發(fā)明了一種報時鳥，一到整點，這種鳥的翅膀、頭和喙便開始運動，同時發(fā)出叫聲，他的主彈簧驅(qū)動齒輪轉(zhuǎn)動，是活塞壓縮空氣而發(fā)出叫聲，同時齒輪轉(zhuǎn)動時帶動凸輪轉(zhuǎn)動，從而驅(qū)動翅膀、頭運動。1893年，加拿大摩爾設(shè)計的能行走的機器人“安德羅丁”，是以蒸汽為動力的。這些機器人工藝珍品，標(biāo)志著人類在機器人從夢想到現(xiàn)實這一漫長道路上，前進了一大步。

二、近代機器人的發(fā)展

1920年，原捷克斯洛伐克劇作家卡雷爾·凱培克在他的科幻情節(jié)劇《羅薩姆的萬能機器人》中，第一次提出了“機器人”（Robot）這個名詞，被當(dāng)成了機器人一詞的起源。在捷克語中，Robot這個詞是指一個賦役的努力。

20世紀(jì)初期，機器人已躁動于人類社會和經(jīng)濟的母胎之中，人們含有幾分不安地期待著它的誕生。他們不知道即將問世的機器人將是個寵兒，還是個怪物。針對人類社會對即將問世的機器人的不安，美國著名科學(xué)幻想小說家阿西莫夫于1950年在他的小說《我是機器人》中，首先使用了機器人學(xué)（Robotics）這個詞來描述與機器人有關(guān)的科學(xué)，并提出了有名的“機器人三守則”：

（1）機器人必須不危害人類，也不允許他眼看人將受害而袖手旁觀；

（2）機器人必須絕對服從于人類，除非這種服從有害于人類；

（3）機器人必須保護自身不受傷害，除非為了保護人類或者是人類命令它做出犧牲。

這三條守則，給機器人社會賦以新的倫理性，并使機器人概念通俗化更易于為人類社會所接受。至今，它仍為機器人研究人員、設(shè)計制造廠家和用戶，提供了十分有意義的指導(dǎo)方針。

wps_clip_image-16453圖一第一代機器人

通?？蓪C器人分為三代。第一代是可編程機器人（如圖一）。這類機器人一般可以根據(jù)操作員所編的程序，完成一些簡單的重復(fù)性操作。這一帶機器人從20世紀(jì)60年代后半期開始投入使用，目前他在工業(yè)界得到了廣泛應(yīng)用。第二代是感知機器人（如圖二），即自適應(yīng)機器人，它是在第一代機器人的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，具有不同程度的“感知”能力。這類機器人在工業(yè)界已有應(yīng)用。第三代機器人將具有識別、推理、規(guī)劃和學(xué)習(xí)等智能機制，它可以把感知和行動智能化結(jié)合起來，因此能在非特定的環(huán)境下作業(yè)，故稱之為智能機器人（如圖三）。目前，這類機器人處于試驗階段，將向?qū)嵱没较虬l(fā)展。wps_clip_image-30784圖二第二代機器人

今日工業(yè)機器人的最早研究可追溯到第二次大戰(zhàn)后不久。在40年代后期，橡樹嶺和阿爾貢國家實驗室就已開始實施計劃，研制遙控式機械手，用于搬運放射性材料。這些系統(tǒng)是“主從”型的，用語準(zhǔn)確地“模仿”操作員手和臂的動作。主機械手由使用者進行導(dǎo)引做一連串動作，而從機械手盡可能準(zhǔn)確地模仿主機械手的動作，后來用機械耦合主從機械手的動作加入力的反饋，使操作員能夠感覺到從機械手及其環(huán)境之間產(chǎn)生的力。50年代中期，機械手中的機械耦合被液壓裝置所取代，如通用電氣公司的“巧手人”機器人和通用制造廠的“怪物”I型機器人。1954年G.C.Devol提出了“通用重復(fù)操作機器人”的方案，并在1961年獲得了專利。同一時期誕生了利用肌肉生物電流控制的上臂假肢。wps_clip_image-1709圖三第三代機器人

1958年，被譽為“工業(yè)機器人之父”的JosephF.EngelBerger創(chuàng)建了世界上第一個機器人公司——Unimation（UniveralAutomation）公司，并參與設(shè)計了第一臺Unimate機器人（如圖四）。這是一臺用于壓鑄的五軸液壓驅(qū)動機器人，手臂的控制由一臺計算機完成。它采用了分離式固體數(shù)控元件，并裝有存儲信息的磁鼓，能夠記憶完成180個工作步驟。與此同時，另一家美國公司——AMF公司也開始研制工業(yè)機器人，即Versatran（VersatileTransfer）機器人。它主要用于機器之間的物料運輸、采用液壓驅(qū)動。該機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機器人是世界上最早的工業(yè)機器人。wps_clip_image-29756圖四Unimate機器人

1959年，美國ConsolidatedControls公司研制出第一代工業(yè)機器人原型。1960年美國機床鑄造公司（AMF）生產(chǎn)出圓柱坐標(biāo)的VERSATRAN型機器人，可做點位和軌跡控制，同年第一批電焊機器人用于工業(yè)生產(chǎn)。隨后，美國Unimation公司研制出球坐標(biāo)的UNIMATE型機器人，它采用電液伺候驅(qū)動，磁鼓存儲，可完成近200種示教在線動作。

可以說，60年代和70年代是機器人發(fā)展最快、最好的時期，這期間的各項研究發(fā)明有效地推動了機器人技術(shù)的發(fā)展和推廣。主要成就如表一。表一機器人技術(shù)發(fā)展編年表機器人表

雖然，編程機器人是一種新穎而有效的制造工具，但到了60年代，利用傳感器反饋大大增強機器人柔性的趨勢就已經(jīng)很明顯了。60年代早期，H.A.厄恩斯特于1962年介紹了帶有觸覺傳感器的計算機控制機械手的研制情況。這種稱為MH-1的裝置能“感覺”到塊狀材料，用此信息控制機械手，把塊狀材料堆起來，無需操作員幫助。這種工作是機器人在合理的非結(jié)構(gòu)性環(huán)境中具有自適應(yīng)特性的一例。機械手系統(tǒng)是六自由度ANLModel-8型操作機，由一臺T_-O計算機通過接口裝置進行控制。此研究項目后來成為MAC計劃的一部分，在機械手上又增加了電視攝像機，開始進行機器感覺研究。與此同時，湯姆威克和博奈也于1962年研制出一種裝有壓力傳感器的手爪樣機，可檢測物體，并向電機輸入反饋信號，啟動一種或兩種抓取方式。一旦手爪接觸到物體，與物體大小和質(zhì)量成比例的信息就通過這些壓力敏感元件傳輸?shù)接嬎銠C1963年，美國機械鑄造公司推出了VERSATRAN機器人商品，同年初，還研制了多種操作機手臂，如Roehampton型和Edinburgh型手臂。

在60年代后期，麥卡錫于1968年和他在斯坦福工人智能實驗室的同事報告了有手、眼和耳（即機械手、電視攝象機和拾音器）的計算機的開發(fā)情況。他們表演了一套能識別語音命令、“看見”散放在桌面上的方塊和按指令進行操作的系統(tǒng)。皮珀也在1968年研究了計算機控制的機械手的運動學(xué)問題。在1971年卡恩和羅恩分析了機械限位手臂開關(guān)式（最短時間）控制的動力學(xué)和控制問題。

這時，其他國家（特別是日本）也開始認(rèn)識到工業(yè)機器人的潛力。早在1968年，日本川崎重工業(yè)公司與Unimation公司談判，購買了其機器人專利。1969年，機器人出現(xiàn)了不尋常的新發(fā)展，通用電氣公司為誒過陸軍研制了一種試驗性步行車。同年，研制出了“波士頓”機械手，次年又研制出了“斯坦?！睓C械手。后者裝有攝像機和計算機控制器。把這些機械手用作機器人的'操作機，是一些重大的機器人研究工作開始了。對“斯坦?！睓C械手所做的一項實驗是根據(jù)各種策略自動地堆放狀材料。在當(dāng)時對于自動機器人來說，這是一項非常復(fù)雜的工作。1974年CincinnatiMilacron公司推出了第一臺計算機控制的工業(yè)機器人，定名為“TheTomorrowTool”。它能舉起重達45.36kg的物體，并能跟蹤裝配線上的各種移動物體。

在此期間，智能機器人的研究也有進展，1961年美國麻省理工學(xué)院研制出有觸覺的MH-1型機器人，在計算機控制下用來處理放射性材料。1968年美國斯坦福大學(xué)研制出名為SHAKEY的智能移動機器人。從60年代后期起，噴漆、弧焊機器人相繼在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用，由加工中心和工業(yè)機器人組成的柔性加工單元標(biāo)志著單件小批生產(chǎn)方式的一個新的高度。幾個工業(yè)化國家競相開展了具有視覺、觸覺、多手、多足，能超越障礙、鉆洞、爬墻、水下移動的各種智能機器人的研究工作，并開始在海洋開發(fā)、空間探索和核工業(yè)中試用。整個60年代，機器人技術(shù)雖然取得了如上列舉的許多進展，建立了產(chǎn)業(yè)并生產(chǎn)了多種機器人商品，但是在這一階段多數(shù)工業(yè)部門對應(yīng)用機器人還持觀望態(tài)度，機器人在工業(yè)應(yīng)用方面的進展并不快。

在70年代，大量的研究工作把重點放在使用外部傳感器來改善機械手的操作。1973年博爾斯和保羅在斯坦福使用視覺和力反饋，表演了與PDP-10計算機相連由計算機控制的“斯坦?！睓C械手，用于裝配自動水泵。幾乎同時，IBM公司的威爾和格羅斯曼在1975年研制了一個帶有觸覺和力覺傳感器的計算機控制的機械手，用于完成20個零件的打字機機械裝配工作。1974年，麻省理工學(xué)院人工智能實驗室的井上對力反饋的人工智能作了研究。在精密裝配作業(yè)中，用一種著陸導(dǎo)航搜索技術(shù)進行初始定位。內(nèi)文斯等人于1974年在德雷珀實驗室研究了基于依從性的傳感技術(shù)。這項研究發(fā)展為一種被動柔順（稱為間接中心柔順，RCC）裝置，它與機械手最后一個關(guān)節(jié)的安裝板相連，用于緊配合裝配。同年，貝杰茨在噴氣推進實驗室為空間開發(fā)計劃用的擴展性“斯坦?！睓C械手提供了一種基于計算機的力矩控制技術(shù)。從那以后相繼提出了多種不同的用于機械手伺候的控制方法。

1979年Unimation公司推出了PUMA系列工業(yè)機器人，他是全電動驅(qū)動、關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)、多CPU二級微機控制、采用VAL專用語言，可配置視覺、觸覺的力覺感受器的，技術(shù)較為先進的機器人。同年日本山梨大學(xué)的牧野洋研制成具有平面關(guān)節(jié)的SCARA型機器人。整個70年代，出現(xiàn)了更多的機器人商品，并在工業(yè)生產(chǎn)中逐步推廣應(yīng)用。隨著計算機科學(xué)技術(shù)、控制技術(shù)和人工智能的發(fā)展，機器人的研究開發(fā)，無論就水平和規(guī)模而言都得到迅速發(fā)展。據(jù)國外統(tǒng)計，到1980年全世界約有2萬余臺機器人在工業(yè)中應(yīng)用。

進入80年代后，機器人生產(chǎn)繼續(xù)保持70年代后期的發(fā)展勢頭。到80年代中期機器人制造業(yè)成為發(fā)展最快和最好的經(jīng)濟部門之一。機器人在工業(yè)中開始普及應(yīng)用，工業(yè)化國家的機器人產(chǎn)值近幾年以年均20%~40%的增長率上升。1984年全世界機器人使用總臺數(shù)是1980年的四倍，到1985年底，這一數(shù)字已達到14萬臺，1990年達到30萬臺左右，其中高性能的機器人所占比例將不斷增加，特別是各種裝配機器人的產(chǎn)量增長較快，和機器人配套使用的機器視覺技術(shù)和裝置正在迅速發(fā)展。1985年前后，F(xiàn)ANUC和GMF公司又先后推出交流伺候驅(qū)動的工業(yè)機器人產(chǎn)品。

到80年代后期，由于傳統(tǒng)機器人用戶應(yīng)用工業(yè)機器人已經(jīng)飽和，從而造成工業(yè)機器人產(chǎn)品的積壓，不少機器人廠家倒閉或被兼并，是國際機器人學(xué)研究和機器人產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)不景氣。到90年代初，機器人產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)復(fù)蘇和繼續(xù)發(fā)展跡象。但是，好景不長，1993~1994年又跌入低谷。1995年后，世界機器人數(shù)量逐年增加，增長率也較高，1998年丹麥樂高公司推出了機器人套件，讓機器人的制造變得像搭積木一樣相對簡單又能任意拼裝，從而使機器人開始走入個人世界。機器人學(xué)以較好的發(fā)展勢頭進入21世紀(jì)。20__年丹麥iRobot公司推出了吸塵器機器人Roomba（如圖五），他能避開障礙，自動設(shè)計行進路線，還能在電量不足時，自動駛向充電座，這是目前世界上銷量最大、最商業(yè)化的家用機器人。近年來，全球機器人行業(yè)發(fā)展迅速，20__年全球機器人行業(yè)總銷售量比20__年增長10%。人性化、重型化、智能化已經(jīng)成為未來機器人產(chǎn)業(yè)的主要發(fā)展趨勢?，F(xiàn)在全世界服役的工業(yè)機器人總數(shù)在100萬臺以上。此外，還有數(shù)百萬服務(wù)機器人在運行。wps_clip_image-27967圖五Roomba

阿富汗戰(zhàn)爭中，美國軍方領(lǐng)導(dǎo)人決定向阿富汗派遣一種名為“大狗”的新型機器人，作為增兵計劃的一部分。與以往各種機器人不同的是，“大狗”并不依靠輪子行進，而是通過其身下的四條“鐵腿”。美媒體報道稱，美軍正在將阿富汗作為測試這種具有高機動能力的機器人的試驗場。機器人發(fā)展史在過去30~40年間，機器人學(xué)和機器人技術(shù)獲得引人注目的發(fā)展，具體體現(xiàn)在：①機器人產(chǎn)業(yè)在全世界迅速發(fā)展；②機器人的應(yīng)用范圍遍及工業(yè)、科技和國防的各個領(lǐng)域；③形成了新的學(xué)科——機器人學(xué)；④機器人向智能化方向發(fā)展；⑤服務(wù)機器人成為機器人的新秀而迅猛發(fā)展。

我國是從20世紀(jì)80年代開始涉足機器人領(lǐng)域的研究和應(yīng)用的。1986年，我國開展了“七五”機器人攻關(guān)計劃，1987年，我國的“863”高技術(shù)計劃將機器人方面的研究開發(fā)列入其中。目前我國從事機器人研究和應(yīng)用開發(fā)的主要是高校及有關(guān)科研院所等。最初我國在機器人技術(shù)方面研究的主要目的是跟蹤國際先進的機器人技術(shù)。隨后，我國在機器人技術(shù)及應(yīng)用方面取得了很大的成就，主要研究成果有：哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制