機器人及其應用

第五講機器人及其應用康蔡華15.1機器人的發(fā)展歷程機器人的定義

機器人是人類制造出來的智能化機器，是為人類服務的工具。

1987年國際標準化組織對工業(yè)機器人進行了定義：“工業(yè)機器人是一種具有自動控制操作和移動功能，能完成各種作業(yè)的可編程操作機。”

1988年法國的埃斯皮奧將機器人定義為“能根據(jù)傳感器信息實現(xiàn)預先規(guī)劃好的作業(yè)的系統(tǒng)”。

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，所不同的是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?！?機器人的發(fā)展歷史

第一代是示教再現(xiàn)型機器人。這類機器人不具有對外界信息的反饋能力，很難適應變化的環(huán)境。5.1機器人的發(fā)展歷程機器人的發(fā)展歷史

第二代是有感覺的機器人。它們對外界環(huán)境有一定感知能力，并具有昕覺、視覺、觸覺等功能。機器人工作時，根據(jù)感覺器官（傳感器）獲得的信息，靈活調(diào)整自己的工作狀態(tài)，保證在適應環(huán)境的情況下完成基本工作。

第三代是有智能的機器人。智能機器人是靠人工智能技術(shù)決策行動的機器人，它能根據(jù)感覺到的信息，進行獨立思維、識別、推理，并作出判斷和決策，不用人的參與就可以完成一些復雜的工作。

機器人的應用，最先出現(xiàn)在工業(yè)領(lǐng)域，隨后向軍事領(lǐng)域、家政服務等領(lǐng)域延伸拓展。機器人與醫(yī)學的結(jié)合促成了一場激動人心的變革，醫(yī)療機器人（康復治療機器人和外科手術(shù)機器人的總稱）成為醫(yī)學新紀元開始的標志，成為機器人未來研究的主導方向。35.1機器人的發(fā)展歷程機器人的發(fā)展歷史

機器人的研究開發(fā)具有重要應用價值，歷來受到工業(yè)化國家的高度重視。早在1986年，西方七國首腦會議就確定了國際先進機器人研究計劃（IARP,internationaladvancedroboticsprogram），其主要目的是發(fā)展先進機器人系統(tǒng)，使其在危險、有害或其他特殊需要的環(huán)境中替代人類勞動。

在我國，為了加快機器人的研究進程，跟蹤機器人研究的國際先進水平，“九五”和“十五”期間，在科技部“863”計劃、國家支撐計劃等國家項目的支持引導下，工業(yè)領(lǐng)域開展了大量工業(yè)機器人的研發(fā)工作，取得了一批標志性研究成果。在醫(yī)療服務領(lǐng)域，結(jié)合我國21世紀老齡人和殘疾人群龐大而康復醫(yī)療器械嚴重匱乏的現(xiàn)狀，“十一五”期間適時啟動了“服務機器人”等國家研究計劃。45.2機器人的應用機器人的應用（1）工業(yè)領(lǐng)域

工業(yè)機器人通常是一種具有可編程能力，通過編程可使其完成零件抓放、搬運等操作任務的機械臂。

機器人在航空工業(yè)的應用起步較晚。航空工業(yè)對機器人也提出了許多特殊的要求，如由于飛機大結(jié)構(gòu)件之間的連接精度要求很高，因而結(jié)構(gòu)件上的孔也必須有很高的絕對及相對精度，讓傳統(tǒng)的機器臂伸入機翼上的檢查孔不切實際，要操縱工業(yè)機器人進入狹小的窗孔，需要借助新的機器人檢查裝備。5

汽車工業(yè)是工業(yè)機器人應用最廣泛的領(lǐng)域之一。焊接是汽車生產(chǎn)線上十分重要的工藝流程和加工手段，采用高性能焊接機器人成套設(shè)備，既能降低工人勞動強度，減少企業(yè)戚本，又能有效改善生產(chǎn)工藝水平，提高焊接質(zhì)量，從而極大提高產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)能。5.2機器人的應用機器人的應用（1）工業(yè)領(lǐng)域

用于飛機機翼自動化作業(yè)的工業(yè)機器人，除了具備準確放置工具的能力外，還需具備受限空間操作的能力。6

蛇形機器人可看成是大型工業(yè)機器人的一種輔助工具，它的臂能在操縱桿控制或視覺伺服下自動地以笛卡兒模（Cartesianmode）運動。。蛇形機器人借助操縱桿或預先設(shè)定的路徑，能在機翼盒內(nèi)完成路徑跟蹤任務，確保作業(yè)的準確與平穩(wěn)。5.2機器人的應用機器人的應用（1）工業(yè)領(lǐng)域7工業(yè)機器人腕部安裝蛇形機器人作為它的前臂，可賦予它進行路徑跟蹤所需的線性運動安裝在Kuka工業(yè)機器人上的蛇形機器人5.2機器人的應用機器人的應用（1）工業(yè)領(lǐng)域

為了使蛇形機器人的路徑跟蹤能力最大化，其末端執(zhí)行器的外輪廓直徑不能大于蛇形臂的直徑，其長度必須最小化（理想情況下應等于蛇形臂的直徑或至少小于1.5倍蛇形臂的直徑）。

可互換的末端執(zhí)行器：8一種包含各種功能攝像頭的檢測工具一種用于旋鍛例釘并引導被去除材料進入廢料區(qū)的型鍛工具集成了標準密封劑容器和噴嘴5.2機器人的應用機器人的應用（1）工業(yè)領(lǐng)域

如今全世界正在使用的工業(yè)機器人就超過

100萬臺9裝配機器人材料處理機器人包裝機器人5.2機器人的應用機器人的應用（1）工業(yè)領(lǐng)域

10多足步行機器人輪式移動機器人太空機器人5.2機器人的應用機器人的應用（2）軍事領(lǐng)域

軍事機器人是一種用于軍事目的的自律或遙控裝置。1）軍用無人機1973年，以色列便成功使用無人機實施誘騙并摧毀了埃及地空導彈陣地。1982年的中東戰(zhàn)爭中，以色列使用無人機先誘使敘利亞防空雷達開機并發(fā)射大量地空導彈，同時利用元人機收集雷達位置和信號頻率，幾分鐘就摧毀了敘利亞設(shè)在貝卡谷地的全部19個導彈陣，其研究水平僅次于美國，處于世界領(lǐng)先地位。

115.2機器人的應用機器人的應用（2）軍事領(lǐng)域

在軍用無人機研究和應用領(lǐng)域，美國依然走在世界的前列。

在朝鮮戰(zhàn)爭和越南戰(zhàn)爭中，美國就已經(jīng)使用無人機進行偵察活動。到了海灣戰(zhàn)爭、波黑戰(zhàn)爭和科索沃戰(zhàn)爭期間，軍用無人機利用其空中優(yōu)勢，替代傳統(tǒng)的地面?zhèn)刹煊诙?，成為美軍偵察活動的一支重要力量，在?zhàn)爭中大放異彩。1991年海灣戰(zhàn)爭中，美、英、法等多國部隊廣泛采用無人機對伊拉克的軍事部署進行偵察，取得了良好效果。法國部隊根據(jù)無人機偵察結(jié)果，成功避開了與伊軍主力的正面交手。美國的12

“先鋒”無人機通過不間斷的飛行偵察，將地面目標圖像驚源不斷發(fā)回處理中心，使美軍不但掌握了飛毛腿導彈部隊的活動規(guī)律，還對其布防工事和人員配備準確定位，為海軍艦隊摧毀地面目標提供了有力保障。

5.2機器人的應用機器人的應用（2）軍事領(lǐng)域

1999年科索沃戰(zhàn)爭中，以美國為茵的北約部隊對南聯(lián)盟的軍事目標和重要設(shè)施進行了連續(xù)轟炸。南聯(lián)盟主要為山區(qū)地形，許多地方森林茂密，加上陰雨天氣，無人機充分發(fā)揮了其造價低、機動性強、目標小、低空飛行的優(yōu)點，在偵察目標上空近距離飛行，不斷發(fā)回清晰的實時圖像，提供對方補給線、彈藥庫和軍事指揮中心等空襲目標的位置，在戰(zhàn)爭中發(fā)揮了巨大作用。13

實戰(zhàn)證明，軍用無人機在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中具有十分重要的作用和地位。

5.2機器人的應用機器人的應用（2）軍事領(lǐng)域

2003年伊拉克戰(zhàn)爭中，軍用無人機不僅能對目標實施偵察定位，還能對重要目標進行精確制導武器攻擊，開創(chuàng)了無人機對地面目標實施導彈攻擊的先例。2009年在索馬里附近海域的護航行動中，美國海軍使用無人偵察機在空中對可疑目標進行跟蹤攝像，搜尋亞丁灣海域的可疑海盜船艇，及時提醒附近地區(qū)的商船采取防范措施；對于遇險船只，能在第一時間趕赴現(xiàn)場，展開營救，并有效打擊海盜。14

我國在20世紀60年代研制出了“長空一號”無人機，主要用于導彈打靶和防空部隊的訓練，后經(jīng)過適當改裝，可執(zhí)行大氣污染監(jiān)控、地形與礦區(qū)勘察等任務。

5.2機器人的應用機器人的應用（2）軍事領(lǐng)域2）地面軍用機器人

排爆機器人能輔助和替代人類完成危險環(huán)境下的可疑物品檢查和處置工作，已成為各國警方和軍方的重要裝備。

英、美等西方國家對恐怖襲擊的防范工作量巨大，如在機場、碼頭、車站等重要部門，既要實行嚴格的安檢手段，又要保證檢測通道快捷通暢，還要對可能出現(xiàn)恐怖分子安放炸彈的重要目標進行徹查。世界上歷次戰(zhàn)爭（包括第一次世界大戰(zhàn)和第二次世界大戰(zhàn)），至今還殘留了大量埋藏的地雷和未爆炸的炸彈，威脅著人類生命和財產(chǎn)安全，需要進行清理。

英國在20世紀60年代就研制成功了履帶式排爆機器人“手推車”系列155.2機器人的應用機器人的應用（2）軍事領(lǐng)域2）地面軍用機器人

在法國，TRS200排爆機器人已經(jīng)開始裝備到部隊和警察機構(gòu)，RM35排爆機器人也已被巴黎機場管理局選用。在美國，美軍在阿富汗使用了機器人PackBot，它因結(jié)構(gòu)小巧而被稱為“背包機器人”。

背包機器人重量輕、體積小、速度快、行程遠，還具有涉水能力。此外，它的裝甲能防護內(nèi)部核心部件受到輕武器的正面攻擊，從而具有很強的戰(zhàn)場機動性和生存能力。背包機器人主要用于探測路邊塔利班隱藏的武器和炸藥，尋找山洞中基地組織人員的藏身地點。165.2機器人的應用機器人的應用（2）軍事領(lǐng)域2）地面軍用機器人

排彈機器人具有靈活的操作臂，還能顯示探測目標的圖像，評估目標的危險系數(shù)。這些機器人有的能探測野外埋藏的可疑爆炸物，有的能進入車輛內(nèi)部和底盤靈敏探測炸彈。

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Andros系列機器人在處理小型隨機爆炸物方面功能出色，已用于美國白宮及國會大廈的安全保衛(wèi)，并在南非總統(tǒng)選舉中多次用于安檢防爆工作，它還被美國軍方用于海灣戰(zhàn)爭后沙特和科威特的地雷及炸彈清理工作，是排爆和救援部隊的重要裝備。5.2機器人的應用機器人的應用（2）軍事領(lǐng)域2）地面軍用機器人

在我國，如中科院沈陽自動化所研制的PXJ-2機器人已被公安部隊采用。另外在奧運安保工作中，排爆機器人的能力得到了展現(xiàn)，出色完成了相關(guān)安保工作任務。18

相比排爆機器人，武裝機器人則更具攻擊性。它們不但能偵察敵情，還因配備有火力系統(tǒng)，能對敵方目標發(fā)起攻擊；同時該類機器人的防護能力和生存能力普遍較高，對外界的反應更加靈敏，能主動適應各種復雜戰(zhàn)場環(huán)境。5.2機器人的應用機器人的應用（2）軍事領(lǐng)域2）地面軍用機器人

19美國軍方裝備的“魔爪”

越障能力強、移動速度快、機動性好的優(yōu)點，能適應戰(zhàn)場的復雜野外環(huán)境。它配備有M240、M249型機槍，還可以裝備火箭發(fā)射器等攻擊性武器。它的另一個優(yōu)點就是操作方便，士兵通過簡單易用的操作系統(tǒng)，就能遙控指揮機器人對一定范圍內(nèi)的敵方目標進行攻擊。5.1機器人的應用機器人的應用（2）軍事領(lǐng)域2）地面軍用機器人

20“劍”型武裝機器人

“魔爪”的升級產(chǎn)品，它的功能更加完善，能通過各種攝像及夜視設(shè)備進行偵察和瞄準，命中精度大大高于普通士兵；火力系統(tǒng)也很強，能夠連續(xù)發(fā)射數(shù)百發(fā)子彈和火箭彈。5.2機器人的應用機器人的應用（2）軍事領(lǐng)域2）地面軍用機器人

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以色列最近還研制出一種名為“毒蛇”的便攜式戰(zhàn)斗機器人,是世界上首個用于城市作戰(zhàn)和反恐的便攜式機器人。

美國硅谷AH型作戰(zhàn)機器人身高約0.6096m，時速可達16093.44m?？赏ㄟ^加密頻道對它進行遙控，機器人上的迷你直升機裝置還可以幫助它起飛，直接降落在交火地點5.2機器人的應用機器人的應用（3）家政服務領(lǐng)域

家政服務機器人屬于更為復雜的智能機器人，主要職能是為人類提供和完成服務，如清潔、運送、監(jiān)視、檢查和探測等類型的工作。智能家政機器人主要有娛樂機器人（如電子寵物機器人），以及具有家政服務功能的服務機器人。225.2機器人的應用機器人的應用（3）家政服務領(lǐng)域1）家庭寵物機器人23AIBO是具有人工智能的機器狗，它能通過記憶存儲軟件實現(xiàn)自我學習及成長。

該產(chǎn)品經(jīng)過多次更新?lián)Q代，現(xiàn)己不但能做向人擺尾巴、在地上打滾等動作，還能識別多種語言指令，能聽懂主人對它的稱呼和責備，通過聲光動作表達喜怒哀樂等情緒，十分有趣。

香港玩具機器人Robosapien，它預編有拾東西、投擲、踢皮球、跳舞、練武術(shù)等幾十種動作功能，并具備豐富的可編步態(tài)外部擴展功能。

5.2機器人的應用機器人的應用（3）家政服務領(lǐng)域2）家務清掃機器人24

家用智能吸塵器機器人Roomba，能根據(jù)房間的形狀，打掃干凈房間的不同角落，還能根據(jù)預先設(shè)定的時間按時自動清掃房間，清掃結(jié)束后還能自動返回充電。

日本日立、松下電器，韓國三星、LG電子，德國Kareher公司和英國Dyson公司等也相繼開發(fā)了多款各具特色的清潔機器人產(chǎn)品或樣品。在國內(nèi)，哈爾濱工業(yè)大學、華南理工大學、浙江大學、上海交通大學等高校已有相關(guān)樣品面世。5.2機器人的應用機器人的應用（3）家政服務領(lǐng)域3）人形機器人25

類人智能雙足步行機器人ASIMO除了基本的行走功能外，還具有一定的記憶能力，并能通過傳感器了解外界復雜環(huán)境，作出相應判斷和響應。行走時可以完成轉(zhuǎn)換方向時的連續(xù)動作，能夠像人一樣自如進行減速、轉(zhuǎn)向等動作，還能表演歌舞節(jié)目，完成端盤子、推車等動作，甚至可以在握于時掌握合適的力道。5.2機器人的應用機器人的應用（3）家政服務領(lǐng)域

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QRIO整合了索尼公司電子操控、精密的電子機械、感應式儀器及操控軟件等。通過安裝傳動感知系統(tǒng)和記憶學習的行為控制軟件，輔以靈活的機械裝置，QRIO不但在行走時可以調(diào)整步行姿勢以適應各種路面，進行豐富多樣的舞蹈表演，而且還具有對人的辨識能力，通過學習、記錄人的聲音與臉部特征，與人類進行更為豐富的交流。SDR3X機器人機器人QRIO5.2機器人的應用機器人的應用（4）康復醫(yī)療領(lǐng)域

計算機輔助外科（CAS）創(chuàng)作為人類外科醫(yī)生和機器之間的全新伙伴，主要研究醫(yī)療機器人所涉及的于術(shù)機器人機構(gòu)、醫(yī)學三維圖像建模、虛擬于術(shù)仿真、遙控操作網(wǎng)絡傳輸?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)。

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目前，機器人技術(shù)在醫(yī)療外科手術(shù)規(guī)劃模擬、微創(chuàng)定位操作、元損傷診療、新型手術(shù)治療方法等方面得到了廣泛的應用。5.2機器人的應用機器人的應用（4）康復醫(yī)療領(lǐng)域

為了使外科手術(shù)機器人能在狹小空間內(nèi)靈活地完成各種細微操作任務，微型機器人的手腕被設(shè)計成有足夠的自由度和盡可能大的操作空間。

285.2機器人的應用機器人的應用（4）康復醫(yī)療領(lǐng)域29DAVinci機器人手術(shù)系統(tǒng)，世界上首套可以正式在醫(yī)院使用的機器人手術(shù)系統(tǒng)，廣泛應用于普外科、心外科、泌尿外科、婦科和小兒外科

Zeus機器人手術(shù)系統(tǒng)5.2機器人的應用機器人的應用（4）康復醫(yī)療領(lǐng)域

采用康復機器人對殘疾人及神經(jīng)損傷患者進行康復訓練，被公認為是提高他們生活質(zhì)量的重要途徑?？祻蜋C器人作為一種智能康復器械。30

美國麻省理工學院設(shè)計的世界上第一臺用于肩、肘康復訓練的機器人MIT-MANUS，它有兩個自由度，并利用阻抗控制來實現(xiàn)訓練的安全性、穩(wěn)定性和平順性。

中風病患者輔助治療的機器人MIME(mirrorimagemotionenabler）是以工業(yè)機器人PUMA560為載體的它可實現(xiàn)位置和阻抗控制及基于主被動協(xié)調(diào)運動力引導的康復訓練，在臨床實驗中表現(xiàn)出了較好的康復效果。5.2機器人的應用機器人的應用（4）康復醫(yī)療領(lǐng)域312000年，Reinkensmeyer開發(fā)了用于輔助治療和測量腦損傷患者上肢運動功能的康復裝置ARM-Guide，該設(shè)備有一個直線軌道，其俯仰角和水平面內(nèi)的偏斜角可以調(diào)整。2005年，瑞士蘇黎世大學開發(fā)了一種上肢康復機器人ARMin，用于上肢損傷患者的臨床訓練。它是一種六自由度的半外骨架裝置，并裝有位置傳感器及六維力／力矩傳感器，能夠進行肘部屈伸和肩膀的空間運動。5.2機器人的應用機器人的應用（4）康復醫(yī)療領(lǐng)域32

匈牙利布達佩斯大學設(shè)計的REHAROB上肢康復機器人由兩個固定在支架上的機械臂組成，通過分別控制忠肢的前臂與后臂實現(xiàn)較為復雜的康復訓練動作。

清華大學在國家“863”計劃的支持下，研制了一種上肢康復機器人UECM。

哈爾濱工業(yè)大學也開展了與康復機器人相關(guān)的研究，并設(shè)計了一種五自由度康復機械手臂模型5.2機器人的應用機器人的應用（4）康復醫(yī)療領(lǐng)域33

華中科技大學機器人與數(shù)字化醫(yī)療裝備研究中心在肢體康復機器人本體結(jié)構(gòu)研制和康復訓練主／被動協(xié)調(diào)運動控制的相關(guān)技術(shù)研究方面，已經(jīng)取得了階段性的成果。其開發(fā)的穿戴式、氣動肌肉驅(qū)動的肢體康復機器人樣機得到了世界衛(wèi)生組織（WHO）康復培訓與研究合作中心、同濟醫(yī)院康復醫(yī)學科和美國亞利桑州立大學生物設(shè)計研究所等機構(gòu)的認可

研發(fā)人性化的康復醫(yī)療機器人，對加強我國在康復機器人研究領(lǐng)域的理論基礎(chǔ)和技術(shù)水平，促進康復醫(yī)療機器人的國產(chǎn)化及其臨床普及率，提升我國在康復機器人行業(yè)的產(chǎn)業(yè)競爭力具有重要的現(xiàn)實意義，也是提高殘疾人生活質(zhì)量，實現(xiàn)殘疾人“人人享有康復服務”，建立“以人為本”和諧社會國家總體目標的重要手段。5.3機器人的主要類型

移動和抓取是機器人機構(gòu)的兩種主要功能。機器人的結(jié)構(gòu)主要包括手臂、手腕、手爪和行走機構(gòu)等幾大部分。機器人運動通過手臂和手腕的各種基本運動組合，實現(xiàn)規(guī)定的操作任務。34直角坐標型機器人

直角坐標型機器人（cartesianrobot）是應用最廣泛的機器人。這種機器人以直線運動為主，它的三個關(guān)節(jié)都是移動關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)軸線相互垂直，運動軸間的夾角為直角，在空間的運動范圍是一個長方體，優(yōu)點是，不同關(guān)節(jié)的運動相互獨立，沒有櫚合，不會產(chǎn)生奇異狀態(tài)，并且結(jié)構(gòu)剛度高。缺點是動作范圍小，操作靈活性差，封閉性不好，裝卸和安裝時受限較多。5.3機器人的主要類型35圓柱坐標型機器人

5.3機器人的主要類型36球（極〉坐標型機器人

5.3機器人的主要類型37SCARA機器人選擇順應性裝配機器手臂（SCARA,selectivecomplianceassemblyrobotarm)由三個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個移動關(guān)節(jié)組成，是一種特殊類型的圓柱坐標型機器人。通過相互平行的三個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，在平面內(nèi)進行定位和定向；再通過一個移動關(guān)節(jié)，完成末端執(zhí)行器垂直于平面的升降運動。結(jié)構(gòu)輕便、響應快、精度高，適用于平面定位、垂直方向的