工業(yè)機(jī)器人緒論

1、12014年02月2“機(jī)器人機(jī)器人”名稱的由來(lái)：名稱的由來(lái)：1920年，捷克作家在劇本中塑造了一個(gè)具有人的外表、特征和功能，并且愿意為人服務(wù)的機(jī)器奴仆“Robota”。3一、機(jī)器人的發(fā)展歷史一、機(jī)器人的發(fā)展歷史古代古代“機(jī)器人機(jī)器人”現(xiàn)代機(jī)器人的雛形現(xiàn)代機(jī)器人的雛形 人類對(duì)機(jī)器人的幻想與追求已有3000多年的歷史1、西周時(shí)期、西周時(shí)期，能工巧匠偃師研制出的歌舞藝人，是我國(guó)最早記載的機(jī)器人。2、春秋后期、春秋后期，據(jù)墨經(jīng)記載，魯班造過(guò)一只木鳥(niǎo)，能在空中飛行“三日不下” 。3、公元前、公元前2世紀(jì)世紀(jì)，古希臘人發(fā)明了最原始的機(jī)器人太羅斯，它是以水、空氣和蒸汽壓力為動(dòng)力的會(huì)動(dòng)的青銅雕像，它可以自己開(kāi)

2、門，還可以借助蒸汽唱歌。4、1800年前的漢代年前的漢代，大科學(xué)家張衡不僅發(fā)明了地動(dòng)儀，而且發(fā)明了計(jì)里鼓車，計(jì)里鼓車每行一里，車上木人擊鼓一下，每行十里擊鐘一下。41、后漢三國(guó)時(shí)期，蜀國(guó)丞相諸葛亮成功地創(chuàng)造出了“木牛流馬”，并用其在崎嶇的山路中運(yùn)送軍糧，支援前方戰(zhàn)爭(zhēng)。2、1662年，日本的竹田近江利用鐘表技術(shù)發(fā)明了自動(dòng)機(jī)器玩偶，并在大阪演出。3、1738年，法國(guó)天才技師杰克戴瓦克遜發(fā)明了一只機(jī)器鴨，它會(huì)嘎嘎叫，會(huì)游泳和喝水。4、1773年，著名的瑞士鐘表匠杰克道羅斯和他的兒子利路易道羅斯制造出自動(dòng)書(shū)寫(xiě)玩偶、自動(dòng)演奏玩偶等，在歐洲風(fēng)靡一時(shí)。5、1927年，美國(guó)西屋公司工程師溫茲利制造了第一個(gè)機(jī)器

3、人“電報(bào)箱”，并在紐約舉行的世界博覽會(huì)上展出，它是一個(gè)電動(dòng)機(jī)器人，裝有無(wú)線電發(fā)報(bào)機(jī)，可以回答一些問(wèn)題，但該機(jī)器人不能走動(dòng)。5現(xiàn)代機(jī)器人的發(fā)展歷史現(xiàn)代機(jī)器人的發(fā)展歷史二戰(zhàn)期間（1938-1945）l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(guò)程。l1947年，對(duì)這種較簡(jiǎn)單的機(jī)械裝置進(jìn)行了改進(jìn)，采用電動(dòng)伺服方式，使其從動(dòng)部分能跟隨主動(dòng)部分運(yùn)動(dòng)，稱為“主從機(jī)械手”。1949-1953 美國(guó)麻省理工學(xué)院開(kāi)始研制數(shù)控銑床l隨著先進(jìn)飛機(jī)制造的需要，美國(guó)麻省理工學(xué)院輻射實(shí)驗(yàn)室開(kāi)始研制數(shù)控銑床。l1953年研制成功能按照模型軌跡做切削動(dòng)作的多軸數(shù)控銑床。1954年 “可編

4、程示教再現(xiàn)”機(jī)器人 l美國(guó)人George C. Devol設(shè)計(jì)制作了世界上第一臺(tái)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)裝置，并發(fā)表了題為適用于重復(fù)作業(yè)的通用性工業(yè)機(jī)器人的文章。660年代 機(jī)器人產(chǎn)品正式問(wèn)世，機(jī)器人技術(shù)開(kāi)始形成l1960年美國(guó)“聯(lián)合控制公司”根據(jù)Devol的專利技術(shù)，研制出第一臺(tái)真正意義上的工業(yè)機(jī)器人，并成立了Unimation公司，開(kāi)始定型生產(chǎn)名為Unimate的工業(yè)機(jī)器人。l兩年后，美國(guó)“機(jī)床與鑄造公司”也生產(chǎn)了另一種可編程工業(yè)機(jī)器人Versatran。70年代 機(jī)器人技術(shù)發(fā)展成為專門學(xué)科l機(jī)器人產(chǎn)業(yè)得到蓬勃發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)發(fā)展成為專門學(xué)科，稱之為機(jī)器人學(xué)（Robotics）。l機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步

5、擴(kuò)大，不同的應(yīng)用場(chǎng)所，導(dǎo)致了各種坐標(biāo)系統(tǒng)、各種結(jié)構(gòu)的機(jī)器人相繼出現(xiàn)，大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)技術(shù)飛躍發(fā)展使機(jī)器人的控制性能大大提高，成本不斷下降。780年代 開(kāi)始進(jìn)入智能機(jī)器人研究階段l80年代，不同結(jié)構(gòu)、不同控制方法和不同用途的工業(yè)機(jī)器人在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家真正進(jìn)入了實(shí)用化的普及階段。l隨著傳感技術(shù)和智能技術(shù)的發(fā)展，開(kāi)始進(jìn)入智能機(jī)器人研究階段。l機(jī)器人視覺(jué)、觸覺(jué)、力覺(jué)、接近覺(jué)等項(xiàng)研究和應(yīng)用，大大提高了機(jī)器人的適應(yīng)能力，擴(kuò)大了機(jī)器人的應(yīng)用范圍，促進(jìn)了機(jī)器人的智能化進(jìn)程。經(jīng)歷了40多年的發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)逐步形成了一門新的綜合性學(xué)科 機(jī)器人學(xué)（Robotics）l它包括有基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究?jī)蓚€(gè)方面l主要研

6、究?jī)?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(jué)；(6) 機(jī)器人控制方式。8二、機(jī)器人發(fā)展的進(jìn)程二、機(jī)器人發(fā)展的進(jìn)程 機(jī)器人的發(fā)展大概經(jīng)歷了機(jī)器人的發(fā)展大概經(jīng)歷了“三代三代” 第一代：第一代：“示教再現(xiàn)”機(jī)器人：即由人“教”機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡、停留點(diǎn)位、停留時(shí)間等等，然后機(jī)器人依照人教給的行為重復(fù)以上的運(yùn)動(dòng)，即所謂的“再現(xiàn)”。比如噴漆機(jī)器人。 第二代：第二代：帶有一定的能對(duì)環(huán)境感知的裝置，通過(guò)反饋控制，使得機(jī)器人能在一定程度上適應(yīng)變化的環(huán)境。比如焊接機(jī)器人，以及在其上應(yīng)用的焊縫跟蹤技術(shù)。 第三代：第三代：機(jī)器人具有發(fā)

7、現(xiàn)問(wèn)題，并能自主地解決問(wèn)題的能力，亦即具有一定的智能。比如日本出現(xiàn)的高科技機(jī)器人，具有比較完備傳感、推理以及判斷決策的功能。 9三、工業(yè)機(jī)器人的性能指標(biāo)三、工業(yè)機(jī)器人的性能指標(biāo)1、自由度、自由度 自由度是表示機(jī)器人靈活程度的尺度，意味著獨(dú)立的單獨(dú)運(yùn)動(dòng)自由度是表示機(jī)器人靈活程度的尺度，意味著獨(dú)立的單獨(dú)運(yùn)動(dòng)的個(gè)數(shù)。的個(gè)數(shù)。 10三維空間的無(wú)約束物體，可以做平行于X、Y、Z的平移運(yùn)動(dòng)，還可以圍繞各坐標(biāo)軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，所以與位置有關(guān)的有三個(gè)自由度，與姿態(tài)有關(guān)的也有三個(gè)自由度，共六個(gè)自由度。也就是說(shuō)，要任意操縱空間某物體的位姿，至少需要六個(gè)自由度。(1) 常用的工業(yè)機(jī)器人的自由度不超過(guò)6個(gè)，6個(gè)以上自由度

8、的機(jī)器人沒(méi)有唯一解。超出6個(gè)自由度以外的自由度稱為機(jī)器人的冗余自由度。(2) 機(jī)器人的末端執(zhí)行器不計(jì)入計(jì)算范圍；(3) 關(guān)節(jié)有時(shí)是一個(gè)受限的自由度，這時(shí)計(jì)做0.5個(gè)自由度；(4) 大多工業(yè)機(jī)器人的自由度均小于6。11 是指機(jī)器人在滿足其它性能要求的情況下，能夠承載的負(fù)荷重量。12五、機(jī)器人的工作原理五、機(jī)器人的工作原理1、“示教再現(xiàn)示教再現(xiàn)”方式：即通過(guò)人教機(jī)械手如何動(dòng)作，控制器將示教過(guò)程記憶下來(lái)，然后機(jī)器人就按照記憶周而復(fù)始地重復(fù)示教動(dòng)作，如噴涂機(jī)器人。2、“可編程控制可編程控制”方式：工作人員事先根據(jù)機(jī)器人的工作任務(wù)和運(yùn)動(dòng)軌跡編制控制程序，然后將控制程序輸入給機(jī)器人的控制器，起動(dòng)控制程序，

9、機(jī)器人就按照程序所規(guī)定的動(dòng)作一步一步地去完成，如果任務(wù)變更，只要修改或重新編寫(xiě)控制程序，非常靈活方便。大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人都是按照前兩種方式工作的。3、“遙控遙控”方式：由人用有線或無(wú)線遙控器控制機(jī)器人在人難以到達(dá)或危險(xiǎn)的場(chǎng)所完成某項(xiàng)任務(wù)。如防暴排險(xiǎn)機(jī)器人、軍用機(jī)器人、在有核輻射和化學(xué)污染環(huán)境工作的機(jī)器人等。4、“自主控制自主控制”方式：是機(jī)器人控制中最高級(jí)、最復(fù)雜的控制方式，它要求機(jī)器人在復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中具有識(shí)別環(huán)境和自主決策能力，也就是要具有人的某些智能行為。13 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。l工業(yè)機(jī)器人工業(yè)機(jī)器人 工業(yè)機(jī)器人是應(yīng)用最為成功

10、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。l海洋探測(cè)機(jī)器人海洋探測(cè)機(jī)器人 可用于海底礦物資源和水文氣象探測(cè)、海底地勢(shì)勘查、打撈、救生、排險(xiǎn)等。l空間機(jī)器人空間機(jī)器人 在航天飛機(jī)上用來(lái)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。l軍用機(jī)器人軍用機(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。六、機(jī)器人的應(yīng)用六、機(jī)器人的應(yīng)用14l微型機(jī)器人微型機(jī)器人 進(jìn)入煤氣、輸油管道等狹窄場(chǎng)所進(jìn)行工作，甚至進(jìn)入人體的血管、腸胃。l微操作機(jī)器人微操作機(jī)器人 是機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向，在國(guó)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)中有廣泛的應(yīng)用前景。l娛

11、樂(lè)機(jī)器人娛樂(lè)機(jī)器人 充當(dāng)導(dǎo)游、做表演、甚至與人進(jìn)行簡(jiǎn)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(yú)等。l服務(wù)機(jī)器人服務(wù)機(jī)器人 已經(jīng)開(kāi)始或在不久的將來(lái)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。15操縱機(jī)器人：操縱機(jī)器人： 操縱機(jī)器人實(shí)際上是一種人機(jī)系統(tǒng)，由人操縱代替示教。因此，人與機(jī)器人之間相互傳遞信息的問(wèn)題就成為操縱機(jī)器人研究的重點(diǎn)。操縱機(jī)器人可分為兩種類型：l能力擴(kuò)大式機(jī)器人能力擴(kuò)大式機(jī)器人：負(fù)重能力，動(dòng)作范圍放大數(shù)倍甚至數(shù)十倍，如空間機(jī)器人放置和回收衛(wèi)星；l遙控機(jī)器人遙控機(jī)器人：適用于特殊作業(yè)環(huán)境，如放射性物質(zhì)，真空，有毒氣體等隔離工作環(huán)境。又如高空、

12、建筑、宇宙、海洋開(kāi)發(fā)、火山探測(cè)、軍事戰(zhàn)場(chǎng)等人不能到達(dá)的環(huán)境。16主從式機(jī)器人與人協(xié)同動(dòng)作主從式機(jī)器人與人協(xié)同動(dòng)作17汽車裝配機(jī)器人汽車裝配機(jī)器人 18汽車裝配機(jī)器人汽車裝配機(jī)器人19一汽紅旗轎車機(jī)器人焊接線20弧焊機(jī)器人弧焊機(jī)器人21點(diǎn)焊機(jī)器人點(diǎn)焊機(jī)器人鉚接機(jī)器人鉚接機(jī)器人 2219901990年日本海洋科技中心年日本海洋科技中心 研制的研制的“海溝號(hào)海溝號(hào)”纜控式纜控式無(wú)人潛水器（左）及其在大海中工作時(shí)的情況（右）無(wú)人潛水器（左）及其在大海中工作時(shí)的情況（右） 2319951995年年8 8月我國(guó)沈陽(yáng)自動(dòng)化所機(jī)器人中心研制的月我國(guó)沈陽(yáng)自動(dòng)化所機(jī)器人中心研制的CR-01CR-01型型60006

13、000米水下無(wú)纜機(jī)器人（上）和正在下水的情況（右）米水下無(wú)纜機(jī)器人（上）和正在下水的情況（右）24美國(guó)航空航天局（美國(guó)航空航天局（NASANASA）研究的月球車在月球表面時(shí)的情形）研究的月球車在月球表面時(shí)的情形25美國(guó)航空航天局（美國(guó)航空航天局（NASA）研究的）研究的 “索杰納索杰納”火星火星車車26美國(guó)航空航天局（NASA）的火星車27日本研究的火星探測(cè)機(jī)器人28英國(guó)研制的履帶式“手推車” （上圖）、 “土撥鼠”（右圖右）和“野牛”（右圖左）排爆機(jī)器人在波黑及科索沃戰(zhàn)爭(zhēng)中用來(lái)探測(cè)及處理爆炸物 29德國(guó)的排爆機(jī)器人我國(guó)沈陽(yáng)自動(dòng)化所研制的排爆機(jī)器人30美國(guó)將M60坦克的炮塔去掉后改裝的豹式掃雷

14、車31德國(guó)研制的Minebreaker 2000機(jī)器人掃雷車 32美國(guó)研制的MDARS-E型室外保安機(jī)器人MPR-800多用途機(jī)器人，可用于掃雷、滅火、核生化污染清除等多項(xiàng)危險(xiǎn)工作33美國(guó)研制的“徘徊者”偵察機(jī)器人由M113裝甲運(yùn)輸車改裝而成 美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局研制的只有2.54厘米大小昆蟲(chóng)機(jī)器人34“暗星暗星”無(wú)人機(jī)無(wú)人機(jī)“別動(dòng)隊(duì)別動(dòng)隊(duì)”無(wú)人機(jī)無(wú)人機(jī)法國(guó)法國(guó)“紅隼紅隼”無(wú)人機(jī)無(wú)人機(jī)高空無(wú)人偵察機(jī)高空無(wú)人偵察機(jī)35鬼怪式無(wú)人機(jī)發(fā)射Brevel無(wú)人機(jī)只有15厘米的微型無(wú)人機(jī)36復(fù)合式直徑6.14米盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)隧道鑿巖機(jī)器人 37自動(dòng)無(wú)軌堆垛機(jī) 機(jī)器人化裝載機(jī) 自動(dòng)攤鋪機(jī) 38 法國(guó)研制的法國(guó)研

15、制的HILARE 2型移動(dòng)機(jī)械手型移動(dòng)機(jī)械手39法國(guó)蒙特皮里亞（法國(guó)蒙特皮里亞（Montpellier）微電子與）微電子與機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室研制的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室研制的 LIRMM移動(dòng)機(jī)器人移動(dòng)機(jī)器人 40工業(yè)管道機(jī)器人移動(dòng)探測(cè)系統(tǒng) SMA六足微型機(jī)器人六足微型機(jī)器人 外觀如同一只小甲蟲(chóng)，外形尺寸為253030mm3，重2 0 克 ， 步 行 速 度18mm/分。微小型機(jī)器人將來(lái)可能在細(xì)小管道檢測(cè)及醫(yī)療方面發(fā)揮作用。 41微型飛行器微型飛行器：被認(rèn)為是未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)上的重要偵察和攻擊武器，能以可接受的成本執(zhí)行某一有價(jià)值的任務(wù)。這種飛行器必須能夠傳輸實(shí)時(shí)圖像或執(zhí)行其它功能，有足夠小的尺寸（小于20厘米）、足夠的

16、巡航范圍（如不小于5公里）和飛行時(shí)間（不小于15分鐘）。微型戰(zhàn)術(shù)無(wú)人機(jī)微型戰(zhàn)術(shù)無(wú)人機(jī)：可用于戰(zhàn)爭(zhēng)危險(xiǎn)估計(jì)、目標(biāo)搜索、通信中繼，監(jiān)測(cè)化學(xué)、核或生物武器，偵察建筑物內(nèi)部情況?？蛇m用于城市、叢林等多種戰(zhàn)爭(zhēng)環(huán)境。因?yàn)槠浔阌跀y帶，操作簡(jiǎn)單，安全性好的優(yōu)點(diǎn)，可以在部隊(duì)中大量裝備。 42華中科技大學(xué)控制系智能與控制工程研究所研制的HUST-MR801型雙手協(xié)調(diào)微操作機(jī)器人實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)43機(jī)器人足球賽 44機(jī)器人相撲大賽機(jī)器人相撲大賽 相撲機(jī)器人相撲機(jī)器人45機(jī)器狗與機(jī)器昆蟲(chóng)機(jī)器狗與機(jī)器昆蟲(chóng) 46吹笛機(jī)器人 小提琴機(jī)器人47機(jī)器人樂(lè)隊(duì)機(jī)器人樂(lè)隊(duì)48機(jī)器人舞蹈機(jī)器龜走迷宮49腦外科機(jī)器人輔助系統(tǒng)護(hù)士助手機(jī)器人50遙

17、控操作手術(shù)（格林系統(tǒng)）遙控操作手術(shù)（格林系統(tǒng)）51智能輪椅導(dǎo)盲機(jī)器人52爬纜索機(jī)器人爬纜索機(jī)器人: 在高空纜索上自動(dòng)完成檢查、打磨、清洗、去靜電、底涂和面涂及一系列的維護(hù)工作。清洗巨人清洗巨人：利用兩套計(jì)算機(jī)和一個(gè)機(jī)器人控制器來(lái)控制飛機(jī)的清洗 ，不僅減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，而且大大提高了工作效率。例如，人工清洗一架波音747飛機(jī)需要95個(gè)工時(shí)，而機(jī)器人清洗僅需12個(gè)工時(shí)。 53高樓擦窗和壁面清洗機(jī)器人高樓擦窗和壁面清洗機(jī)器人 54消防機(jī)器人和救援機(jī)器人消防機(jī)器人和救援機(jī)器人55加油機(jī)器人加油機(jī)器人：汽車駛?cè)爰佑蛵u，前輪觸發(fā)一個(gè)定位器，給出汽車的位置。機(jī)器人臂抓起油槍，機(jī)器人臂上裝有一臺(tái)微型攝像機(jī)

18、，找到油箱蓋，利用一個(gè)吸氣裝置將其打開(kāi)，然后機(jī)器人手爪擰開(kāi)加油口密封蓋，插入加油軟管。加完油后，機(jī)器人蓋上密封蓋及油箱蓋。與此同時(shí)，計(jì)算機(jī)已為用戶結(jié)完帳。整個(gè)過(guò)程只需兩、三分鐘。 雕刻機(jī)器人雕刻機(jī)器人：電腦雕刻系統(tǒng)集掃描、編輯、排版、雕刻諸功能于一體，能方便快捷地在各種材質(zhì)上雕刻出逼真、精致、耐久的二維圖形及三維立體浮雕。 56導(dǎo)游機(jī)器人和禮儀機(jī)器人導(dǎo)游機(jī)器人和禮儀機(jī)器人57摘西紅柿機(jī)器人 58林木球果采集機(jī)器人 伐根機(jī)器人 59本田公司機(jī)器人P2 本田公司機(jī)器人P3 日本本田公司投入巨資，經(jīng)過(guò)10多年的開(kāi)發(fā)，研制出了在世界上居領(lǐng)先地位的雙足步行機(jī)器人P3 ，按研制時(shí)間先后，把雙足步行機(jī)器人分別命名為P1、P2、P3等。P3的高度為160cm，體重130公斤。被稱為二哥的機(jī)器人P2身高1.80米，體重120公斤，看起來(lái)笨頭笨腦，但行動(dòng)起來(lái)卻很靈活，它們不僅能在平坦的地面上行走，還能夠完成上臺(tái)階和用扳手?jǐn)Q螺釘?shù)雀唠y動(dòng)作。60哈爾濱工業(yè)大學(xué)雙足步行機(jī)器人在爬樓梯 國(guó)防科技大學(xué)研制 “先行者”仿人型機(jī)器人61北京航空航天大學(xué)研究的多指靈巧手北京航空航天大學(xué)研究的多指靈巧手62本章應(yīng)掌握：本章應(yīng)掌握：5、工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)有哪幾種形式，常用的是什么關(guān)節(jié)？、工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)有哪幾種形式，常用的是什么關(guān)節(jié)？2、工業(yè)機(jī)器人是