機器人工程緒論

《機器人工程》課程說明任課老師：姚玉琴公共選修課系列教學目標課程性質(zhì)：

公共選修課（16學時）教學目標：掌握機器人基本原理與概念；掌握機器人機構(gòu)學與運動學；

了解機器人常用傳感器與控制方法；了解國內(nèi)外機器人研究動向與發(fā)展趨勢；參考教材參考教材：

《機器人技術(shù)基礎》

熊有倫，華中理工大學出版社，1996《機器人學》

蔡自新，清華大學出版社，2000《機器人技術(shù)及其應用》

謝存禧，機械工業(yè)出版社，2005《機器人工程基礎》

張伯鵬，機械工業(yè)出版社考核方式：開卷考試/小論文(比例：考試70%平時30%）

機器人技術(shù)作為20世紀人類最偉大的發(fā)明之一，自20世紀60年代問世以來，經(jīng)歷了40多年的發(fā)展已經(jīng)取得了長足的進步！《星球大戰(zhàn)》中的C3PO有時比人還聰明《終結(jié)者3》什么是機器人？機器人的基本特征：大腦：自動控制的程序身體：具有一定的結(jié)構(gòu)形態(tài)動作：完成一定動作的能力

機器人并不神秘，在人類生活中無處不在，并給我們生活帶來了極大的方便和樂趣！1.1.1機器人名稱的由來

(About“Robot”)

1921年，捷克作家Karel

Capek科幻小說《羅素姆的萬能勞工（UniversalRobot）》

劇中的人造勞動者取名為Robota，捷克語的意思是“苦力”、“奴隸”。英語的Robot一詞就是由此而來的，以后世界各國都用Robot作為機器人的代名詞。機器人的概念

機器人主要基于大規(guī)模生產(chǎn)考慮主要有以下兩個原因：

1、勞動強度

2、盡量使用機器人完成簡單、重復的作業(yè)以降低成本。

1950年，Asimov在其出版的《我，機器人》一書中，給機器人定下了三原則：

1、不傷害人類；

2、在原則一下服從人給出的命令；

3、在與上兩個原則不矛盾的前提下保護自身1.1.2機器人的定義

美國家標準局（NBS）：一種能夠進行編程并在自動控制下完成某些操作和移動作業(yè)任務或動作的機械裝置。

國際標準化組織(ISO)：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，能夠借助于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)行各種任務。

日本工業(yè)標準局：一種機械裝置，在自動控制下，能夠完成某些操作或者動作功能。

英國：貌似人的自動機，具有智力的和順從于人的但不具有人格的機器。

中國：我國科學家對機器人的定義是：“機器人是一種自動化的機器，這種機器具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規(guī)劃能力、動作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動化機器”。

美國機器人協(xié)會（RIA)：一種可以反復編程和多功能的，用來搬運材料、零件、工具的操作機；或者為了執(zhí)行不同的任務而具有可改變的和可編程的動作的專門系統(tǒng)。

（Manipulator）。

“機器人”所具有的二個共同點：是一種自動機械裝置，可以在無人參與下，自動完成多種操作或動作功能，即具有通用性。

可以再編程，程序流程可變，即具有柔性(適應性）。

1.1.3機器人的主要特點

1．通用性

機器人的通用性取決于它的幾何特性和機械能力。即指執(zhí)行不同功能完成同一任務的能力和完成多樣不同簡單任務的能力?；蛘哒f在機械結(jié)構(gòu)上允許機器人執(zhí)行不同的任務或以不同的方式完成同一任務。決定通用性有兩方面因素：一個是機器人自由度；另一個是末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)和操作能力。

2．適應性

機器人的適應性是指其對環(huán)境的自適應能力，即要求所設計的機器人能夠自我執(zhí)行并適應未經(jīng)完全指定的任務，而不管任務執(zhí)行過程中是否發(fā)生了所沒有預計到的環(huán)境變化。這一能力要求機器人具有人工知覺，即能感知周圍環(huán)境。

1.1.4機器人技術(shù)的發(fā)展進程

·1920年捷克作家Karel

Capek在科幻作品中引入了機器人慨念。

·1946年美國研制出了第一臺計算機。

·1952年美國研制出了第一臺數(shù)控機床。

·1954年麻省理工學院研制出了可編程機器人，這種機器人的主要技術(shù)功能就是“可編程”及“示教再現(xiàn)”。

·1968年斯坦福研究所研制出了智能機器人，由傳感器組成感覺系統(tǒng)，可作適當決策，自主完成一些任務。

·智能機器人目前正處于發(fā)展階段。

美國是機器人的誕生地，比起號稱“機器人王國”的日本起步至少要早五六年。經(jīng)過30多年的發(fā)展，美國現(xiàn)已成為世界上的機器人強國之一，基礎雄厚，技術(shù)先進。80年代中后期，隨著各大廠家應用機器人的技術(shù)日臻成熟，第一代機器人的技術(shù)性能越來越滿足不了實際需要，美國開始生產(chǎn)帶有視覺、力覺的第二代機器人，并很快占領了美國60％的機器人市場。盡管美國在機器人發(fā)展史上走過一條重視理論研究，忽視應用開發(fā)研究的曲折道路，但是美國的機器人技術(shù)在國際上仍一直處于領先地位。其技術(shù)全面、先進，適應性也很強。具體表現(xiàn)在：

（1）性能可靠，功能全面，精確度高；

（2）機器人語言研究發(fā)展較快，語言類型多、應用廣，水平高居世界之首；

（3）智能技術(shù)發(fā)展快，其視覺、觸覺等人工智能技術(shù)已在航天、汽車工業(yè)中廣泛應用；

（4）高智能、高難度的軍用機器人、太空機器人等發(fā)展迅速，主要用于掃雷、布雷、偵察、站崗及太空探測方面。英國1967年英國HallAutomation公司研制出自己的機器人RAMP.從70年代末開始，英國政府轉(zhuǎn)而采取支持態(tài)度，推行并實施了一系列支持機器人發(fā)展的政策和措施.法國不僅在機器人擁有量上居于世界前列，而且在機器人應用水平和應用范圍上處于世界先進水平。德國工業(yè)機器人的總數(shù)占世界第三位，僅次于日本和美國。始終堅持技術(shù)應用和社會需求相結(jié)合的原則。德國看到了機器人等先進自動化技術(shù)對工業(yè)生產(chǎn)的作用，提出了1985年以后要向高級的、帶感覺的智能型機器人轉(zhuǎn)移的目標。經(jīng)過近十年的努力，其智能機器人的研究和應用方面在世界上處于公認的領先地位。俄羅斯早在前蘇聯(lián)第九個五年計劃（1970年~1975年）開始時，就把發(fā)展機器人列入國家科學技術(shù)發(fā)展綱領之中。到1975年，已研制出30個型號的120臺機器人，經(jīng)過20年的努力，前蘇聯(lián)的機器人在數(shù)量、質(zhì)量水平上均處于世界前列地位。我國已在“七五”計劃中把機器人列人國家重點科研規(guī)劃內(nèi)容，撥巨款在沈陽建立了全國第一個機器人研究示范工程，全面展開了機器人基礎理論與基礎元器件研究。十幾年來，相繼研制出示教再現(xiàn)型的搬運、點焊、弧焊、噴漆、裝配等門類齊全的工業(yè)機器人及水下作業(yè)、軍用和特種機器人。目前，示教再現(xiàn)型機器人技術(shù)已基本成熟，并在工廠中推廣應用。我國自行生產(chǎn)的機器人噴漆流水線在長春第一汽車廠及東風汽車廠投入運行。

日本

在1967年由川崎重工業(yè)公司從美國Unimation公司引進機器人及其技術(shù)，建立起生產(chǎn)車間，并于1968年試制出第一臺川崎的“尤尼曼特”機器人。按照日本產(chǎn)業(yè)機器人工業(yè)會常務理事米本完二的說法：“日本機器人的發(fā)展經(jīng)過了60年代的搖籃期，70年代的實用期，到80年代進人普及提高期?！辈⒄桨?980年定為“產(chǎn)業(yè)機器人的普及元年”，開始在各個領域內(nèi)廣泛推廣使用機器人。

本田的ASIMO、SONY的SDR-3X都是類人型智能機器人，可兩腿行走，但行走時落地的一條腿總是伸不直，另一條腿落地時身體有點下蹲，看上去總是小心翼翼地，機器人動作不自然，人們總感覺它是異類。

目前日本京都大學研制的機器人CHROINO在行走技術(shù)上略勝一籌，CHROINO身高35cm，有14個電動機驅(qū)動，重1kg，外表由塑料制成。它行走時，落地的一條腿膝蓋繃得很直，跨步的一條腿膝蓋自然彎曲，而且可以用一條腿站立，表演金雞獨立。CHROINO改正了不自然的步行姿勢，讓人更感到可愛。

福兮禍兮？1978年，日本廣島一家鋼鐵廠里的機器人焊槍手在切割鋼板時，競把一名值班工人當作鋼板勿割肢解。1989年，前蘇聯(lián)舉行一場特別的國際象棋大師比賽，由國際象棋冠軍古德柯夫?qū)C器人，古德柯夫連勝三局，機器人惱羞成怒，突然向全局棋盤釋放強電流．在眾目曙醉之下．將國際象棋冠軍當場擊斃。機器人的分類(按發(fā)展程度)第一代：示教再現(xiàn)型機器人

示教工作一完成，示教再現(xiàn)工業(yè)機器人便開始工作

第二代：有感覺的機器人

有感覺的機器人第三代：具有智能的機器人這個機器人拿起雞蛋和湯匙1、第一代機器人：示教再現(xiàn)機器人。對環(huán)境沒有感知能力，通過人進行遙控操作或按人事先編好的程序?qū)C器人進行控制，使其自動重復完成某種操作。主要由夾持器、手臂、驅(qū)動器、控制器組成。控制方式較簡單，用在線編程，即通過示教存貯信息。工作時讀出這些信息，向執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出指令，執(zhí)行機構(gòu)按指令再現(xiàn)示教的操作。2、第二代機器人：感覺型機器人。安裝了簡單的內(nèi)、外傳感器，感知其自身的速度、位置、應力、應變等物理參數(shù)，并通過閉環(huán)系統(tǒng)進行調(diào)整，通過視覺、力覺傳感器感知外部環(huán)境，具有對一些外界信息進行反饋的能力，如力覺、觸覺、視覺等。

3、第三代機器人：智能機器人。具有多種感知功能，可進行復雜的邏輯思維，判斷決策，在作業(yè)環(huán)境中獨立行動。它是利用通過各種傳感器、測量器等來獲取環(huán)境的信息，然后利用智能技術(shù)進行識別、理解、推理并最后作出規(guī)劃決策，能自主行動實現(xiàn)預定目標的高級機器人。二、按性能指標分類（如負載能力和作業(yè)空間）超大型機器人、大型機器人、中型機器人、小型機器人、超小型機器人。三、按開發(fā)內(nèi)容和目的分類工業(yè)機器人、操縱型機器人、智能機器人。四、按結(jié)構(gòu)型式分類關(guān)節(jié)型機器人、非關(guān)節(jié)型機器人。

按應用分類工業(yè)機器人IndustrialRobot極限作業(yè)機器人娛樂機器人服務機器人工業(yè)機器人是指在工業(yè)中應用的一種能進行自動控制的、可重復編程的、多功能的、多自由度的、多用途的操作機，能搬運材料、工件或操持工具，用以完成各種作業(yè)。且這種操作機可以固定在一個地方，也可以在往復運動的小車上。工業(yè)機器人——工業(yè)機器人的出現(xiàn)

1954年，電子學家德沃爾獲得了一項“可編程序機械手”的專利。1959年，英格伯格和德沃爾設計出了世界上第一臺真正實用的工業(yè)機器人，名叫“尤尼梅特”。世界上第一臺工業(yè)機器人“尤尼梅特”正在生產(chǎn)線上工作1961年，英格伯格和德沃爾籌辦了世界上第一家專門生產(chǎn)機器人的工廠——“尤尼梅特”公司。

1961年，英格伯格也被人們譽為“工業(yè)機器人之父”。工業(yè)機器人——中國工業(yè)機器人的發(fā)展70年代的萌芽期80年代的開發(fā)期90年代的適用化期

點焊機器人搬運機器人便攜式機器人我國首臺“隧道鑿巖機器人”通過國家“863”計劃智能機器人驗收。我國自行研制的“隧道鑿巖機器人”主要性能已達到國外同類產(chǎn)品先進水平，主要應用于鐵路、公路、礦山、水電等基本建設中的隧道開挖?！斗祷仡惾藱C器人水下機器人

自由度一般較多，具有更強的適應性和靈活性，但控制更復雜，成本更高，剛性較差。類人型機器人仿狗機器人蛇形機器人特種機器人

六輪漫游機器人仿魚機器人仿鳥機器人六足漫游機器人軍用機器人

很多國家已經(jīng)開始考慮在軍事方面投入研究！早在第二次世界大戰(zhàn)期間，德國人就研制并首次使用了掃雷和反坦克用的遙控爆破機器人，美國人則研制出遙控飛行機器人，這些可以稱得上是原始的機器人武器。

“徘徊者”偵察機器人遙控掃雷車無人機

《返回“土撥鼠”（右）和“野?！保ㄗ螅┡疟瑱C器人

高空無人偵察機微型無人機空間機器人

具有高智能的空間機器人可克服惡劣的自然條件，代替人類去探索宇宙的奧秘！

MARSOKHOD火星探測車

丹蒂（ANTE）機器人

ANTE是美國卡內(nèi)基·梅隆大學為探行星做準備而研制的，高3米，寬2米，重400千克。日本研制的修理人造衛(wèi)星的高性能太空機器人美國研制的新型星球探索機器人“亥伯龍”號《返回工業(yè)機器人焊接機器人代替人類從事危險的焊接工作焊接時，可以精確地焊接很復雜的部分

機器人汽車焊接生產(chǎn)線

裝配機器人從事簡單的重復性的組裝工作可以像人手一樣進行組裝機器人及輸送線物流自動化系統(tǒng)噴漆機器人可以完成對人體有害的噴漆工作能夠?qū)⑽矬w表面噴得很平滑大型噴漆機器人日本推出全球最大的工業(yè)機器人服務機器人除了工業(yè)，用于服務領域的機器人已經(jīng)開始開拓市場！1999年末，世界全部服務機器人至少為6600臺，其中家用機器人有3000臺，約占50%。法國公共汽車加油機器人機器人為來賓斟酒家庭服務機器人

家里很多瑣碎的工作都可以交給它來做，如端茶、做飯、照看小孩、打掃衛(wèi)生等，它都能夠勝任！服務機器人海洋機器人

海底蘊藏著十分豐富的生物和礦產(chǎn)資源，因此，海洋開發(fā)與太空開發(fā)同等重要！

深飛（DeepFlight）1號潛水器“雙鷹”水下機器人無人遙控潛水艇海洋機器人

美國研制出一種機器金槍魚，可以橫渡大西洋漫長的海域?！澳骊L”號無人無纜潛水器，最大潛深為6000米HD系列水下機器人《返回極限操作機器人

代替人類在核反應堆、空間、深海、災區(qū)等危險地帶工作，從事許多人所不能及的工作！日本研制的一種用于極限作業(yè)的機器人處理核事故的機器人

防災機器人《返回娛樂機器人

娛樂機器人以供人觀賞、娛樂為目的，可以行走或完成動作，可以有語言能力，會唱歌，有一定的感知能力。

機器人樂隊機器狗“愛寶”正在踢球

日本索尼公司開發(fā)的機器狗“愛寶”具有喜、怒、哀、樂、吃驚、討厭等六種情緒，并有瞌睡、饑餓、運動、貪玩等五種本能。

NEC公司開發(fā)的新型機器人PaPeRo具有"散步模式"和"交談模式"，能根據(jù)談話對象的不同表現(xiàn)出好惡情緒。日本新力公司最新發(fā)明的機器人SDR-4X5臺SDR-4X機器人并排站在展臺上表演舞蹈?！斗祷貦C器狗AIBO

醫(yī)用機器人

傳統(tǒng)意義上，醫(yī)生用雙手手術(shù)，現(xiàn)在可以用機器人進行手術(shù)！醫(yī)生發(fā)號施令，機器人惟命是從，雙方優(yōu)長互補，達到“珠聯(lián)璧合”。

這種名叫“利薩”的機器手為近30位病人做過手術(shù)正在工作的機器人機器人配合醫(yī)生做手術(shù)《返回仿人形機器人是多門基礎學科、多項技術(shù)的集成，代表了機器人的尖端科技，它不僅是一個國家高科技水平的重要標志，也在人類生產(chǎn)、生活中有著廣泛用途。在這方面，日本處于世界領先水平。仿人形機器人新型仿真機器人NEC具有會話識別功能的機器人《返回索尼3SR-3X機器人表演金雞獨立本田的雙足步行機器人“ASIMO”這個外觀為銀色的機器人ASMIO的步行速度為1.6公里/小時日本索尼公司推出的這款機器人

只有50厘米高、5公斤重，24個關(guān)節(jié)保證他能完成起立、單腿站立、題球、跳舞等動作。中國首臺類人形機器人亮相這是新能源及產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機構(gòu)（NEDO）開發(fā)的機器人“HRP-2Promete”。該組合成員包括“Ken”、“Audrey”、“Charlie”、“Marco”。性格及特長分別如下：

MKen的特長為猜謎及健談。其性格為對宇宙及科學等感興趣的知識探求型，知識淵博且有獨到的見解。技術(shù)方面的特點為具有與人和自然交流的談話能力。

Audrey的特長為朗讀連環(huán)畫。其性格屬于喜歡小孩子的穩(wěn)重和藹型。技術(shù)特點為具有使人開心的對話技術(shù)。