機(jī)器人概述教材

主要內(nèi)容一序言二機(jī)器人發(fā)展歷史三機(jī)器人的概念四機(jī)器人的組成和技術(shù)原理五機(jī)器人的應(yīng)用六機(jī)器人的未來展望一序言每當(dāng)我們說到“機(jī)器人”，大家都會(huì)想到電影中的機(jī)器人的樣子：《星球大戰(zhàn)》(starwar,1977)中的機(jī)器人C-3POR2D2《機(jī)械公敵》（I，Robot）中的機(jī)器人：sonny二機(jī)器人的發(fā)展歷史古代神話和幻想木牛流馬（《三國志·諸葛亮傳》）“（建興）九年，亮復(fù)出祁山，以木牛運(yùn)，糧盡退軍”抓鼠木人（《夢(mèng)溪筆談》）“身高三尺，能左手扼鼠，右手持鐵簡斃死之，動(dòng)作靈活“守衛(wèi)克里特島的青銅巨人泰洛斯（Taloas）（古希臘神話《阿魯格探險(xiǎn)船》）近代科幻1920

捷克劇作家

K.Capek《羅薩姆的萬能機(jī)器人》(R.U.R)第一次提出"Robot"（Robota，斯洛伐克語），"機(jī)器人“1950

美國科幻小說家阿西莫夫(Asimov)的《我是機(jī)器人》(I,Robot)中提出著名的機(jī)器人三原則﹕1.機(jī)器人必須不危害人類﹐也不允許它眼看人類受害而袖手旁觀；2.機(jī)器人必須服從與（1）不矛盾的指令；3.在與（1）、（2）原則不相矛盾的前提下，機(jī)器人可維護(hù)自身不受傷害。

早期的自動(dòng)機(jī)械指南車（黃帝、東漢張衡、三國馬鈞）法國：機(jī)器鴨（Jacquesdevaucanson，1738）

瑞士：寫字、繪圖、彈風(fēng)琴偶人（Jaquet

Droz，1768-1774）故宮博物院

"寫字人"自動(dòng)鐘（TimothyWilliamson）原理:

凸輪控制，彈簧驅(qū)動(dòng)

現(xiàn)代機(jī)器人的出現(xiàn)1954喬治﹒德沃爾(GeorgeC.Devol)設(shè)計(jì)了第一臺(tái)可編程機(jī)器人，于1961年獲得美國專利1961Unimation公司的第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人Unimate(JoeEngelberger,Devol)在美國通用汽車公司投入使用﹐標(biāo)志著第一代機(jī)器人的誕生

1961年，AMF(AmericanMachineandFoundryCorp.)公司推出HarryJohnson

與Veljko

Milenkovic設(shè)計(jì)的圓柱坐標(biāo)工業(yè)機(jī)器人Versatran(VersatileTransfer)

三機(jī)器人的概念1機(jī)器人的定義機(jī)器人（Robot）是自動(dòng)執(zhí)行工作的機(jī)器裝置。機(jī)器人可接受人類指揮，也可以執(zhí)行預(yù)先編排的程序，也可以根據(jù)以人工智能技術(shù)制定的原則綱領(lǐng)行動(dòng)。美國機(jī)器人協(xié)會(huì)(RIA):

一種用于移動(dòng)各種材料、零件、工具或?qū)Ｓ醚b置，通過可編程序動(dòng)作來執(zhí)行種種任務(wù)，并具有編程能力的多功能機(jī)械手(manipulator)

工業(yè)機(jī)器人。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO):動(dòng)作機(jī)構(gòu)具有類似于人或其他生物體某些器官（肢體、感官等）的功能；具有通用性，工作種類多樣，動(dòng)作程序靈活易；具有不同程度的智能性，如記憶、感知、推理、決策、學(xué)習(xí)等；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)。日本人認(rèn)為“機(jī)器人就是任何高級(jí)的自動(dòng)機(jī)械”。2.機(jī)器人的主要特點(diǎn)ISO：仿生、通用、智能、自動(dòng)。通用性：機(jī)器人具有可變的幾何結(jié)構(gòu)，即根據(jù)生產(chǎn)工作需要進(jìn)行變更的幾何結(jié)構(gòu)；或者說，在機(jī)械結(jié)構(gòu)上允許機(jī)器人進(jìn)行不同的任務(wù)或以不同的方式完成同一工作。適應(yīng)性：對(duì)環(huán)境的自適應(yīng)能力，機(jī)器人應(yīng)具有運(yùn)用傳感器感測環(huán)境的能力、分析任務(wù)空間和執(zhí)行操作規(guī)劃的能力、自動(dòng)指令模式能力。四機(jī)器人的組成和技術(shù)原理1.機(jī)器人的組成及工作原理機(jī)械系統(tǒng)是具有傳動(dòng)執(zhí)行裝置的機(jī)械，由臂、關(guān)節(jié)和末端執(zhí)行裝置（工具等）構(gòu)成驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為各部件提供動(dòng)力感知系統(tǒng)收集機(jī)器人內(nèi)部狀態(tài)和外部環(huán)境信息控制系統(tǒng)從計(jì)算機(jī)獲取指令，控制驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)作，并與傳感器反饋的信息一起協(xié)調(diào)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)（小腦）處理器用來計(jì)算機(jī)器人關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，監(jiān)督控制器與傳感器協(xié)調(diào)動(dòng)作（大腦）軟件：操作系統(tǒng)、機(jī)器人軟件（運(yùn)動(dòng)方程計(jì)算）、應(yīng)用程序工業(yè)機(jī)器人-環(huán)境交互系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人與外部環(huán)境中的設(shè)備相互聯(lián)系和協(xié)調(diào)的系統(tǒng)。外部設(shè)備，如加工制造、焊接、裝配單元等人機(jī)交互系統(tǒng)是使操作人員參與機(jī)器人控制并與機(jī)器人進(jìn)行聯(lián)系的裝置，指令給定裝置和信息顯示裝置。2.機(jī)器人的主要技術(shù)特性自由度(Degreeoffreedom):

表示機(jī)器人的動(dòng)作靈活性，由機(jī)器人的結(jié)構(gòu)決定，一般以沿軸線的移動(dòng)和繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)數(shù)表示（末端執(zhí)行器的動(dòng)作不包括在內(nèi)），在三維空間中描述一個(gè)物體的位置和姿態(tài)（位姿）需要6個(gè)自由度。工作空間(Workingspace):

描述機(jī)器人運(yùn)行時(shí)空間活動(dòng)的最大范圍。額定速度(Ratedvelocity):

機(jī)器人在額定負(fù)載、勻速運(yùn)動(dòng)中，手臂末端的機(jī)械接口中心或工具中心的最大速度。額定負(fù)載(Ratedload):

機(jī)器人在規(guī)定的性能范圍內(nèi)，機(jī)械接口能承受的最大負(fù)載量，與速度、加速度有關(guān)分辨率(Resolution):

機(jī)器人各軸能實(shí)現(xiàn)的最小移動(dòng)距離或最小轉(zhuǎn)動(dòng)角度，編程和控制（檢測）位置精度(Poseaccuracy):

指設(shè)定位姿與實(shí)際到達(dá)位姿的一致程度，機(jī)械誤差（關(guān)節(jié)間隙，連桿撓性，傳動(dòng)誤差）、算法誤差（bit）、分辨率系統(tǒng)誤差（1/2基準(zhǔn)）重復(fù)位置精度(Poserepeatability):

在相同條件，用同樣方法操作機(jī)器人時(shí)，重復(fù)n次所測得的位姿的一致程度。五機(jī)器人的應(yīng)用各行各業(yè)都有不同程度的應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人弧焊﹑點(diǎn)焊﹑澆注﹑沖壓﹑搬運(yùn)﹑裝配等，廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)﹐有助于提高產(chǎn)品產(chǎn)量﹑質(zhì)量﹑可靠性和一致性。（1）弧焊機(jī)器人弧焊機(jī)器人的應(yīng)用范圍很廣，除汽車行業(yè)之外，在通用機(jī)械、金屬結(jié)構(gòu)等許多行業(yè)中都有應(yīng)用(2)點(diǎn)焊機(jī)器人

汽車工業(yè)是點(diǎn)焊機(jī)器人一個(gè)典型的應(yīng)用領(lǐng)域。一般裝配每臺(tái)汽車車體大約需要完成3000一4000個(gè)焊點(diǎn)，而其中的60%是由機(jī)器人完成的。在有些大批量汽車生產(chǎn)線上，服役的機(jī)器人臺(tái)數(shù)甚至高達(dá)151臺(tái)引人機(jī)器人會(huì)取得下述效益:a.改善多品種混流生產(chǎn)的柔性;b.提高焊接質(zhì)量、提高生產(chǎn)率;c.把工人從惡劣的作業(yè)環(huán)境中解放出來

焊接機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向目前正在開發(fā)一種新的點(diǎn)焊機(jī)器人系統(tǒng)。這種系統(tǒng)力圖把焊接技術(shù)與CAD、CAM技術(shù)完美地結(jié)合起來，提高生產(chǎn)準(zhǔn)備工作的效率，縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)投產(chǎn)的周期，從而使整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)取得更高的效益。(3)裝配機(jī)器人

裝配作業(yè)的主要操作：垂直向上抓起零件，水平移動(dòng)，然后垂直放下插入系統(tǒng)組成，特點(diǎn)：在手部前端安裝手爪，抓取物體，相當(dāng)于人手功能氣動(dòng)、吸盤、電動(dòng)；配備各種可換手爪（工具庫），以增加通用性典型代表：平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人，低成本它共有4個(gè)自由度:兩個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，上下移動(dòng)以及手腕的轉(zhuǎn)動(dòng)直角坐標(biāo)型機(jī)器人(4)噴涂機(jī)器人噴涂機(jī)器人在使用環(huán)境和動(dòng)作要求上有如下的特點(diǎn):①工作環(huán)境包含易爆的噴涂劑蒸氣;（液壓驅(qū)動(dòng)、內(nèi)壓防爆無火花電機(jī)）②沿軌跡高速運(yùn)動(dòng)，途經(jīng)各點(diǎn)均為作業(yè)點(diǎn);③多數(shù)被噴涂件都搭載在傳送帶上，邊移動(dòng)邊噴涂，所以它需要一些特殊性能避免危害人體健康，提高經(jīng)濟(jì)效益（節(jié)省油漆）和噴涂質(zhì)量(5)搬運(yùn)、碼垛機(jī)器人

主要操作：工廠中一些工序的上下料作業(yè)、拆垛和碼垛作業(yè)等。應(yīng)用特點(diǎn)：這類機(jī)器人精度相對(duì)低一些，但負(fù)荷比較大，運(yùn)動(dòng)速度比較高。機(jī)器人操作機(jī)多采用關(guān)節(jié)坐標(biāo)式機(jī)器人結(jié)構(gòu)，也有的采用直角坐標(biāo)式結(jié)構(gòu)。隨著工廠自動(dòng)化程度的提高和生產(chǎn)節(jié)拍的加快，搬運(yùn)機(jī)器人使用得越來越多加快物流速度、保護(hù)工人的安全和健康、物垛整齊一致、減少物料破損和浪費(fèi)類型：操作型和移動(dòng)型

4.

特種機(jī)器人在惡劣或不適于人類工作的環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)，太空、水下、放射性

自主機(jī)器人：執(zhí)行編程任務(wù)，現(xiàn)在只能執(zhí)行簡單任務(wù)遙控機(jī)器人：在惡劣環(huán)境中的從動(dòng)裝置跟隨遠(yuǎn)處控制主動(dòng)裝置的操作動(dòng)作，視覺觸覺反饋(1)

空間機(jī)器人空間機(jī)器人是指在大氣層內(nèi)、外從事各種作業(yè)的機(jī)器人，包括在內(nèi)層空間飛行并進(jìn)行觀測、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)行探測作業(yè)的星球探測機(jī)器人和在各種航天器里使用的機(jī)器人?？臻g充滿太陽輻射線，具有微重力、高溫差、超高真空等惡劣條件減少宇航員危險(xiǎn)、附屬設(shè)備和物質(zhì)補(bǔ)給、增加作業(yè)范圍和時(shí)間、提高經(jīng)濟(jì)效益飛行機(jī)器人星球探測機(jī)器人

1997年7月4日I7時(shí)7分，美國國家航空航天局發(fā)射的火星“探路者”號(hào)宇宙飛船在經(jīng)過7個(gè)月的飛行之后成功地在火星表面著陸?！疤铰氛摺憋w船首次攜帶了一個(gè)名為“索杰納”的火星探測機(jī)器人，對(duì)登陸器周圍進(jìn)行搜索，探測火星的氣候及地質(zhì)方面的數(shù)據(jù)星球探測機(jī)器人所涉及的關(guān)鍵技術(shù)如下：星球探測機(jī)器人在重量、尺寸和功耗等方面受到的嚴(yán)格限制星球探測機(jī)器人如何適應(yīng)空間溫度、宇宙射線、真空等苛刻的末知環(huán)境如何建立一個(gè)易于操作的星球探測機(jī)器人系統(tǒng)(2)水下機(jī)器人水下機(jī)器人是一種可在水下移動(dòng)、具有視覺和感知系統(tǒng)、通過遙控或自主操作方式、使用機(jī)械手或其他工具代替或輔助人去完成水下作業(yè)任務(wù)的裝置應(yīng)用：沉船打撈、海上救生、光纜鋪設(shè)、資源勘探和開采、水下考古、海洋生物考察等海底世界不僅壓力非常大（下潛100米就增加10個(gè)大氣壓），而且伸手不見五指，環(huán)境非常惡劣。采用水下機(jī)器人可以增加水下作業(yè)持續(xù)時(shí)間、無需生命維持設(shè)備、對(duì)人沒有危險(xiǎn)性、制造和使用成本低與普通機(jī)器人不同的特點(diǎn)：耐高水壓的結(jié)構(gòu)和密封水中不能使用無線電通信，目前在水中的唯一通信手段是水聲技術(shù)由于光波在水中的散射、損耗和吸收，水下機(jī)器人成為“近視眼”回收和能源拖曳、有纜(ROV，RemotelyOperatedVehicle)、無纜自治(AUV，AutonomousUnderwaterVehicle)、仿生式世界上第一臺(tái)無人潛水器“Poodle”誕生于1953年(3)核工業(yè)機(jī)器人

核工業(yè)機(jī)器人是應(yīng)用在輻射環(huán)境下的特種機(jī)器人，要完成的是位置不定的多種多樣變化的工作大多數(shù)核工業(yè)機(jī)器人采用的是車輪或履帶，或車輪和履帶相結(jié)合的行走方式，遠(yuǎn)距離控制應(yīng)用特點(diǎn)：1適應(yīng)不同的環(huán)境和高可靠性2適用性強(qiáng)，能順利通過各種障礙物和狹隘的通道，根據(jù)需要操作不同的設(shè)備主從式遙控機(jī)器人移動(dòng)式機(jī)器人(4)消防救援機(jī)器人消防機(jī)器人可以替代消防隊(duì)員接近火災(zāi)現(xiàn)場實(shí)施有效的滅火救援作業(yè)，開展各項(xiàng)火場偵察任務(wù)高溫、強(qiáng)熱輻射、濃煙、地形復(fù)雜、障礙物多、化學(xué)腐蝕、易燃易爆等惡劣環(huán)境行走、遙控消防炮、防爆、圖像傳輸、冷卻自衛(wèi)、探測系統(tǒng)（可燃?xì)鉂舛?、有毒氣體種類濃度、輻射熱、內(nèi)外溫度等）救援排險(xiǎn)機(jī)器人(5)軍用機(jī)器人

雖然機(jī)器人從軍晚于其他行業(yè)，但自60年代在越南戰(zhàn)場（無人機(jī)）嶄露頭角以來，作為一支新軍，其巨大的軍事潛力，超常的作戰(zhàn)效能，日益受到各國軍界的重視無人地面車輛－UnmannedGroundVehicle(UGV)

美國陸軍在伊拉克戰(zhàn)場上首次使用18個(gè)遙控“劍”(SWORDS“特種武器觀測偵察探測系統(tǒng)”)機(jī)器人士兵，每分鐘能發(fā)射1000發(fā)子彈，它們將成為美國軍隊(duì)歷史上第一批參加與敵方面對(duì)面實(shí)戰(zhàn)的機(jī)器人

其它類型UGV5.服務(wù)機(jī)器人(1)家庭服務(wù)機(jī)器人清潔機(jī)器人鋤草機(jī)器人1.機(jī)器人領(lǐng)域的未來發(fā)展特征應(yīng)用的廣泛性和擴(kuò)展的迅速性更廣泛地代替人從事各種生產(chǎn)作業(yè)：汽車、電子→采礦、冶金、建筑、紡織；農(nóng)林牧漁等行業(yè)探索與開發(fā)宇宙、海洋的有力工具在未來戰(zhàn)爭中發(fā)揮重要作用提高人類健康水平和生活質(zhì)量：家庭服務(wù)、康復(fù)護(hù)理、科教技術(shù)上的發(fā)展特征提高機(jī)器人的智能化，和人類