機(jī)器人技術(shù) 第一章緒論

機(jī)器人技術(shù)成都信息工程學(xué)院·控制工程學(xué)院王國江wanggj345@前言課程性質(zhì):專業(yè)選修課程課程目標(biāo)：本課程研究對象是分析解決機(jī)器人學(xué)中的主要問題，具備使用、研究、設(shè)計(jì)機(jī)器人系統(tǒng)的必要理論知識和一定的分析計(jì)算及編程能力，培養(yǎng)學(xué)生從事多學(xué)科交叉滲透、綜合運(yùn)用的科學(xué)研究能力?？己耍嚎荚嚦煽?0%，平時(shí)成績20%,實(shí)踐考核30%。教材及主要參考書教材：{日}白井良明，《機(jī)器人工程》，科學(xué)出版社。日本著名大學(xué)面向21世紀(jì)教育改革成果教材。簡潔但內(nèi)容豐富、涵蓋面廣、新知識多。教學(xué)參考書：[美]SaeedB.Niku,機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論—分析、系統(tǒng)及應(yīng)用，電子工業(yè)出版社，2004.1蔡自興，機(jī)器人學(xué)，清華大學(xué)出版社，2000.9謝存禧,機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用,機(jī)械工業(yè)出版社，2005.8[美]R.西格沃特，自主移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)論，西安交通大學(xué)出版社，2006.9有關(guān)的文獻(xiàn)期刊IEEETrans.onAutomaticControl(AC),Man-Mach.System(MMS),System,ManandCybernetics(SMC),RoboticsAutomation(RA)IEEEAutomaticControlMagazineTheInternationalJournalofRoboticsResearchASMEJournalonDSMC(DynamicSystems,MeasurementandControl)RoboticToday機(jī)器人——中科院沈陽自動(dòng)化所（沈陽）自動(dòng)化學(xué)報(bào)——中國自動(dòng)化學(xué)會(huì)、中科院自動(dòng)化所（北京）控制理論與應(yīng)用——華南理工大學(xué)（廣州）高技術(shù)通訊——中科院情報(bào)所（北京）章節(jié)安排第一章緒論第二章機(jī)器人數(shù)學(xué)基礎(chǔ)第三章機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)第四章機(jī)械手的控制第五章機(jī)器人的感覺第六章環(huán)境識別第七章移動(dòng)和機(jī)構(gòu)控制第一章緒論機(jī)器人的定義機(jī)器人的發(fā)展歷史機(jī)器人的分類機(jī)器人的結(jié)構(gòu)與控制方式機(jī)器人的應(yīng)用美國機(jī)器人協(xié)會(huì)（RIA）的定義：機(jī)器人是一種用于移動(dòng)各種材料、零件、工具或?qū)Ｓ醚b置的，通過可編程序動(dòng)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(huì)（JIRA）的定義：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(dòng)并通過自動(dòng)完成各種移動(dòng)來代替人類勞動(dòng)的通用機(jī)器。我國對機(jī)器人的定義：蔣新松院士曾建議把機(jī)器人定義為“一種擬人功能的機(jī)械電子裝置”(amechantronicdevicetoimitatesomehumanfunctions)。機(jī)器人的定義

總結(jié)各種說法，概括各種機(jī)器人的定義，一般可以按以下特征來描述機(jī)器人（國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO））：1.機(jī)器人的動(dòng)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(dòng)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)器人的定義機(jī)器人的發(fā)展歷史東漢、張衡發(fā)明的指南車1768-1774，瑞士鐘表匠制作的木偶機(jī)器人1920捷克劇作家KarelCapek首次提出Robota一詞1950美國科幻作家Assimov,提出機(jī)器人三守則機(jī)器人的發(fā)展歷史上世紀(jì)四十年代，由于核工業(yè)和軍事工業(yè)的發(fā)展，研制了“遙控操縱器”主要用于放射性材料的生產(chǎn)和處理過程。1954年美國人GeorgeC.Devol開發(fā)出世界上第一臺電子可編程機(jī)器人裝置。1962年美國研制出第一臺真正意義上的工業(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UNIMATE

1965年，MIT的Roborts演示了第一個(gè)具有視覺傳感器的、能識別與定位簡單積木的機(jī)器人系統(tǒng)

1970年在美國召開了第一屆國際工業(yè)機(jī)器人學(xué)術(shù)會(huì)議

1978年美國Unimation公司推出通用工業(yè)機(jī)器人PUMA，這標(biāo)志著工業(yè)機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)完全成熟。PUMA至今仍然工作在工廠第一線。

機(jī)器人的發(fā)展歷史80年代，機(jī)器人在發(fā)達(dá)國家的工業(yè)中大量普及應(yīng)用，如焊接、噴漆、搬運(yùn)、裝配。并向各個(gè)領(lǐng)域拓展，如航天、水下、排險(xiǎn)、核工業(yè)等，機(jī)器人的感知技術(shù)得到相應(yīng)的發(fā)展，產(chǎn)生第二代機(jī)器人。90年代，機(jī)器人技術(shù)在發(fā)達(dá)國家應(yīng)用更為廣泛，如軍用、醫(yī)療、服務(wù)、娛樂等領(lǐng)域，并開始向智能型（第三代）機(jī)器人發(fā)展。

機(jī)器人的發(fā)展歷史經(jīng)歷了40多年的發(fā)展，隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展形成了新學(xué)科—機(jī)器人學(xué)（Robotics）。它包括有基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究兩個(gè)方面主要研究內(nèi)容有：

(1)機(jī)械手設(shè)計(jì)；(2)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和控制；(3)軌跡設(shè)計(jì)和路徑規(guī)劃(4)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。機(jī)器人的發(fā)展歷史

我國機(jī)器人技術(shù)起步較晚，70年代末，一些院校和企業(yè)，開始研制專用機(jī)械手，80年代初，開發(fā)小型的教育機(jī)器人。1985年哈工大研制出國內(nèi)第一臺弧焊機(jī)器人。隨后，在制造業(yè)中陸續(xù)出現(xiàn)一些噴涂、焊接、搬運(yùn)、裝配機(jī)器人

國家“863”計(jì)劃把機(jī)器人技術(shù)作為重點(diǎn)發(fā)展技術(shù)來支持。建立了“機(jī)器人示范工程中心”和機(jī)器人國家開放實(shí)驗(yàn)室（沈陽自動(dòng)化所、哈工大、合肥機(jī)械所、上海交大、南開大學(xué)）。

在特種機(jī)器人方面，我國在水下機(jī)器人（沈陽自動(dòng)化所）、壁面爬行機(jī)器人（哈工大、北航）、遙控檢查和排險(xiǎn)機(jī)器人（沈陽自動(dòng)化所）、自動(dòng)駕駛機(jī)器人（清華大學(xué)、國防科技大學(xué)）、防核防化軍用機(jī)器人（國防科技大學(xué)）、微操作機(jī)器人（華中科技大學(xué)、南開大學(xué)）的研究方面取得了較大的進(jìn)展。我國機(jī)器人研究的簡況我國機(jī)器人研究的簡況機(jī)器人的種類按照從低級→高級的發(fā)展程度可分為三類機(jī)器人第一代機(jī)器人（FirstGenerationRobots）：即可編程、示教再現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人，它由人操縱機(jī)械手做一遍應(yīng)當(dāng)完成的動(dòng)作或通過控制器發(fā)出指令讓機(jī)械手臂動(dòng)作，在動(dòng)作過程中機(jī)器人會(huì)自動(dòng)將這一過程存入記憶裝置。當(dāng)機(jī)器人工作時(shí)，能再現(xiàn)人教給它的動(dòng)作，并能自動(dòng)的執(zhí)行。這類機(jī)器人不具有外界信息的反饋能力，很難適應(yīng)變化的環(huán)境。第二代機(jī)器人（SecondGenerationRobots）：裝備有一定的傳感裝置，能獲取作業(yè)環(huán)境、操作對象的簡單信息，通過計(jì)算機(jī)處理、分析，能作出簡單的推理，對動(dòng)作進(jìn)行反饋的機(jī)器人。（如面包分揀機(jī)器人）第三代機(jī)器人（ThirdGenerationRobots）：具有高度適應(yīng)性的自治機(jī)器人。它具有多種感知功能，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(dòng)。第三代機(jī)器人又稱作高級智能機(jī)器人，目前還處于研究階段。機(jī)器人的種類根據(jù)機(jī)器人可以代替人的不同器官可分為：操作機(jī)器人：手移動(dòng)機(jī)器人：腿（智能吸塵器、履帶、蛇形）視覺機(jī)器人：眼，等等根據(jù)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域可分為工業(yè)機(jī)器人：搬運(yùn)、焊接、裝配、噴漆、檢測等極限作業(yè)機(jī)器人：核電站、海底、宇宙空間等福利機(jī)器人（助殘機(jī)器人）醫(yī)療機(jī)器人（手術(shù)機(jī)器人）

具有軍事用途的機(jī)器人：防爆、無人飛機(jī)、無人戰(zhàn)車等娛樂機(jī)器人彈奏樂器、指揮、寵物

(AIBO)、舞蹈、等服務(wù)機(jī)器人接待,導(dǎo)游（視頻1，視頻2，視頻3，4，5）仿人機(jī)器人滑板、ASIMO

機(jī)器人的種類根據(jù)機(jī)器人動(dòng)作所基于的控制信息可分為：操縱機(jī)器人(遙控機(jī)器人)：遠(yuǎn)距離遙控（太空、核電站、防暴);基于微觀顯微觀察的機(jī)器人（納米操作、細(xì)胞操作、手術(shù)機(jī)器人等）程序機(jī)器人：按預(yù)定的程序進(jìn)行工作（上、下料機(jī)器人）示教再現(xiàn)機(jī)器人：示教再現(xiàn)同盒式錄放機(jī)一樣，把軌跡、動(dòng)作進(jìn)行示教再現(xiàn)。數(shù)值控制機(jī)器人：用計(jì)算機(jī)控制機(jī)器人的動(dòng)作，軌跡規(guī)劃是基于計(jì)算而非示教。機(jī)器人的種類智能機(jī)器人：不僅可以完成預(yù)定的工作，還可以根據(jù)工作的狀況進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作。通常情況下，機(jī)器人的信息控制方式都不是一種，混合控制的情況比較普遍。（火星探險(xiǎn)車）

機(jī)器人的結(jié)構(gòu)與控制方式機(jī)器人的結(jié)構(gòu)簡單地說，機(jī)器人主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)裝置、傳感器和控制器四大部分構(gòu)成。機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)裝置控制系統(tǒng)感知系統(tǒng)基座（固定或移動(dòng)）手部腕部臂部腰部電驅(qū)動(dòng)裝置液壓驅(qū)動(dòng)裝置氣壓驅(qū)動(dòng)裝置處理器關(guān)節(jié)伺服控制器內(nèi)部傳感器外部傳感器一、執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括：手部、腕部、臂部、腰部和基座等。相當(dāng)于人的肢體。二、驅(qū)動(dòng)裝置包括：驅(qū)動(dòng)源、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等。相當(dāng)于人的肌肉、筋絡(luò)。三、感知反饋系統(tǒng)包括：內(nèi)部信息傳感器，檢測位置、速度等信息；外部信息傳感器，檢測機(jī)器人所處的環(huán)境信息。相當(dāng)于人的感官和神經(jīng)。四、控制系統(tǒng)包括：處理器及關(guān)節(jié)伺服控制器等，負(fù)責(zé)對機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)和各種動(dòng)作控制及對環(huán)境的識別。機(jī)器人的結(jié)構(gòu)記憶、示教裝置控制裝置驅(qū)動(dòng)裝置傳感器工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)美國UNIMATE公司產(chǎn)PUMA/560型六自由度機(jī)器人▲PUMA/560機(jī)器人▼PUMA/560六自由度機(jī)器人結(jié)構(gòu)

機(jī)器人的結(jié)構(gòu)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)機(jī)器人的控制方式“示教再現(xiàn)”方式“可編程控制”方式“遙控”方式“自主控制”方式控制信息順序信息：各種動(dòng)作單元（包括機(jī)械手和外圍設(shè)備）按動(dòng)作先后順序的設(shè)定、檢測等。位置信息：作業(yè)之間各點(diǎn)的坐標(biāo)值，包括手爪在該點(diǎn)上的姿態(tài)，通?？偡Q為位姿（POSE）。時(shí)間信息：各順序動(dòng)作所需時(shí)間，即機(jī)器人完成各個(gè)動(dòng)作的速度。位置控制點(diǎn)位控制－PTP（PointtoPoint）：只考慮起始點(diǎn)和目的點(diǎn)的位置，而不考慮兩點(diǎn)之間的移動(dòng)路徑的控制方式，適用于上下料、點(diǎn)焊、搬運(yùn)等；連續(xù)路徑控制－CP（ContinuousPath）：不但要求機(jī)器人以一定的精度到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)，而且對其移動(dòng)的軌跡形式有一定精度范圍的要求。力的控制：末端操作器不但要接受運(yùn)動(dòng)控制，而且與控制對象之間存在力的作用。機(jī)器人的控制

機(jī)器人的應(yīng)用

機(jī)器人的應(yīng)用十分廣泛，在許多領(lǐng)域機(jī)器人都得到了成功的應(yīng)用或有著美好的應(yīng)用前景。工業(yè)機(jī)器人工業(yè)機(jī)器人是應(yīng)用最為成功和廣泛的機(jī)器人，它的應(yīng)用涉及到工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)方面，如焊接、裝配、噴漆等。海洋探測機(jī)器人可用于海底礦物資源和水文氣象探測、海底地勢勘查、打撈、救生、排險(xiǎn)等?？臻g機(jī)器人在航天飛機(jī)上用來回收和維修人造衛(wèi)星，在空間站、月球表面和火星上進(jìn)行工作。軍用機(jī)器人有掃雷排雷機(jī)器人、偵察機(jī)器人、防核防化機(jī)器人等。特種機(jī)器人替代人在繁重、危險(xiǎn)、惡劣環(huán)境下作業(yè)必不可少的工具，如消防（滅火）機(jī)器人、防暴機(jī)器人、盾構(gòu)機(jī)器人等。微型機(jī)器人進(jìn)入煤氣、輸油管道等狹窄場所進(jìn)行工作，甚至進(jìn)入人體的血管、腸胃。微操作機(jī)器人是機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向，在國防、空間技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)工程、智能制造和微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）中有廣泛的應(yīng)用前景。娛樂機(jī)器人充當(dāng)導(dǎo)游、做表演、甚至與人進(jìn)行簡單交流，如導(dǎo)游機(jī)器人、足球機(jī)器人、機(jī)器狗、機(jī)器貓、機(jī)器魚等。服務(wù)機(jī)器人已經(jīng)開始或在不久的將來進(jìn)入人類家庭生活，如保健機(jī)器人，導(dǎo)盲機(jī)器人、垃圾清掃和擦玻璃機(jī)器人等。

機(jī)器人的應(yīng)用20公斤點(diǎn)焊機(jī)器人點(diǎn)焊機(jī)器人在工作中6公斤弧焊機(jī)器人工業(yè)機(jī)器人（一）弧焊機(jī)器人在工作中涂膠機(jī)器人龍門式噴漆機(jī)器人SCARA型裝配機(jī)器人工業(yè)機(jī)器人（二）搬運(yùn)機(jī)器人碼垛機(jī)器人噴漆機(jī)器人“雙鷹”水下機(jī)器人水下掃雷機(jī)器人“探索者號”水下機(jī)器人Spirit火星漫游車Marshod火星漫游車CanadaArm太空機(jī)械臂特種機(jī)器人（一）美國“別