機器人剖析_鄭州機器人表演租賃

1、第一章第一章機器人技術入門簡介機器人技術入門簡介河南匯聯(lián)制造河南匯聯(lián)制造20172017年年1 1月月2323日日目錄（一）目錄（一）1.1.1 “機器人”名字的由來1.1.2 古代機器人1.1.3 現(xiàn)代機器人及其大發(fā)展1.2 機器人的相關定義及術語1.2.1 機器人的定義1.2.2 機器人學1.2.3 操作機器人1.3 智能機器人與自主機器人1.3.1 智能機器人目錄（二）目錄（二）1.3.2 機器人系統(tǒng)1.4 機器人環(huán)境交換系統(tǒng)1.4.1 人機交換1.4.2 控制系統(tǒng)1.4.3 多機器人系統(tǒng)與多智能系統(tǒng)1.4.4 多機器人系統(tǒng)1.5 微納機器人1.5.1 微納操作1.5.2 機器人技術發(fā)展

2、1.5.3 中國機器人1.1.1“1.1.1“機器人機器人”名字由來名字由來 “機器人”一詞最早出現(xiàn)在科幻和文學作品中。1920年 捷克斯洛伐克劇作家Karel Capek在其科幻作品Rossums Universal Robots中第一次使用了單詞Robot。這個詞來源于捷克語中的Robota，本意為奴隸。1.1.2 1.1.2 古代機器人古代機器人 西周時期，偃師就研制出了能歌善舞的伶人，這是中國最早記載的機器人。 1800年前的漢代，大科學家張衡發(fā)明了計里鼓車，計里鼓車每行一里，車上木人擊鼓一下，每行十里擊鐘一下。 后漢三國時期，諸葛亮成功地創(chuàng)造出了“木牛流馬”，并用其運送軍糧，支援前方

3、。 1800年，馬均發(fā)明了龍骨水車用于灌溉，并制作了水轉百戲圖用于娛樂。用大木頭雕刻構造，暗設機關，在平地上施行它，借水力發(fā)動，可以讓木偶人擊鼓奏樂。1.1.3 1.1.3 現(xiàn)代機器人及其大發(fā)展現(xiàn)代機器人及其大發(fā)展 現(xiàn)代機器人的研究始于20世紀中期，其技術背景是計算機和自動化的發(fā)展，以及原子能的開發(fā)利用。1951年，第一臺數(shù)控銑床在MIT誕生。1961年，英格伯格和德沃爾聯(lián)手制造出第一臺工業(yè)機器人，機器人歷史才真正開始。1968年，具有一定只能的機器人Shakey在斯坦福研究所誕生。1970年，在美國召開了第一屆國際工業(yè)機器人學術會議。此后，機器人技術迅猛發(fā)展。機器人三定律機器人三定律1940

4、年，美國科幻作家阿西莫夫提出了“機器人三原則”a.機器人不得傷害人或由于故障而使人遭受不幸；b.機器人應執(zhí)行人們下達的命令，除非這 些命令與第一原則相矛盾；c.機器人應能保護自己的生存，只要這種保護行為不與第一或第二原則相矛盾。 9機器人在中國機器人在中國 我國工業(yè)機器人起步于70年代初，大致可分為3個階段：70年代的萌芽期，80年代的開發(fā)期，90年代的實用化期。 我國于1972年開始研制工業(yè)機器人，數(shù)十家研究單位和院校分別開發(fā)了固定程序、組合式、液壓伺服型通用機器人，并開始了機構學、計算機控制和應用技術的研究。 1972年，中科院沈陽自動化所開始了機器人的研究工作。1980年，中國第一臺工業(yè)

5、機器人樣機研制成功。1986年，中國第一臺水下機器人深海試驗成功。1989年，我國水下機器人首次出口美國。1900年，中國第一臺工業(yè)機器人通用控制器研制成功。1993年，中國唯一的機器人技術國家工程研究中心成立。1998年，中國中國機器人領域唯一一家通過了ISO9001國際質量體系認證。 我國工業(yè)機器人數(shù)量增長迅速。2000年我國僅擁有3500臺機器人，到2005年增加到7000臺，到了2011年末我國運行中的工業(yè)機器人總量已經接近7.5萬臺，增長率高達32.13%。2012年新增2.69萬臺機器人，增速為19.16%。據國際機器人聯(lián)盟的預測，2014年中國將成為全球工業(yè)機器人的最大擁有國。

6、2014年最新估算出的“萬億市場” 參照的硬指標來自國際機器人聯(lián)合會統(tǒng)計：2013年中國市場共銷售工業(yè)機器人近3.7萬臺，約占全球銷量的五分之一，總銷量超過日本，成為全球第一大工業(yè)機器人市場。到2020年，這個體系產業(yè)銷售收入將達到3萬億元。1.21.2 機器人的相關定義及術語機器人的相關定義及術語1.2.11.2.1機器人的定義機器人的定義 機器人（Robot）是自動執(zhí)行工作的機器裝置。它既可以接受人類的指揮，又可以運行預先編排的程序，也可以根據以人工智能技術的原則綱領行動。它的任務是協(xié)助或取代人類工作，例如生產業(yè)。建筑業(yè)，或是危險的工作。 聯(lián)合國標準化組織采納了美國機器人協(xié)會給機器人下的定

7、義：“一種可編程和多功能的，用來搬運材料、零件、工具的操作機；或是為了執(zhí)行不同的任務而具有可改變和可編程動作的專門系統(tǒng)?！?.2.21.2.2機器人學機器人學 機器人學【robotics】是 與機器人設計、制造和應用相關的科學。又稱為機器人技術或機器人工程學，主要研究機器人的控制與被處理物體之間的相互關系. 機器人學的研究推動了許多人工智能思想的發(fā)展，有一些技術可在人工智能研究中用來建立世界狀態(tài)的模型和描述世界狀態(tài)變化的過程。1.2.31.2.3 操作機器人操作機器人 工業(yè)機器人是面向工業(yè)領域的多關節(jié)機械手或多自由度的機器裝置，它能自動執(zhí)行工作，是靠自身動力和控制能力來實現(xiàn)各種功能的一種機器。

8、 工業(yè)機器人最顯著的特點有以下幾個： (1)可編程(2)擬人化(3)通用性1.3 1.3 智能機器人智能機器人 與自主機器人與自主機器人1.3.1 1.3.1 智能機器人智能機器人 智能機器人之所以叫智能機器人，是因為它有相當發(fā)達的“大腦”。在腦中起作用的是中央處理器，這種計算機跟操作它的人有直接的聯(lián)系。這樣的計算機可以進行按目的安排的動作。正因為這樣，我們才說這種機器人才是真正的機器人。 智能機器人具備形形色色的內部和外部信息傳感器，如視覺、聽覺、觸覺、嗅覺。 除具有感受器外，它還有效應器，作為作用于周圍環(huán)境的手段。這就是筋肉，或稱自整步電動機，它們使手、腳、長鼻子、觸角等動起來。 由此可知

9、，智能機器人至少要具備三個要素：一.感覺要素: 包括能感知視覺、接近、距離等的非接觸型傳感器和能感知力、壓覺、觸覺等的接觸型傳感器。這些要素實質上就是相當于人的眼、鼻、耳等五官，它們的功能可以利用諸如攝像機、圖像傳感器、超聲波傳成器、激光器、導電橡膠、壓電元件、氣動元件、行程開關等機電元器件來實現(xiàn)。二.運動要素: 智能機器人需要有一個無軌道型的移動機構， 以適應諸如平地、臺階、墻壁、 樓梯、坡道等不 同的地理環(huán)境。它們的功能可以借助輪 子、履帶、支腳、吸盤、氣墊等移動機構來完成。在運動過程中要對移動機構進行實時控制，這種控制不僅要包括有位置控制，而且還要有力度控制、位置與力度混合控制、伸縮率控

10、制等。三.思考要素： 機器人的思考要素是三個要素中的關鍵，也是人們要賦予機器人必備的要素。思考要素包括有判斷、邏輯分析、理解等方面的智力活動。這些智力活動實質上是一個信息處理過程，而計算機則是完成這個處理過程的主要手段。1.3.2 1.3.2 機器人系統(tǒng)機器人系統(tǒng) 機器人由三大部分六個子系統(tǒng)組成。三大部分是機械部分、傳感部分和控制部分。六個子系統(tǒng)分別是驅動系統(tǒng)、機械結構系統(tǒng)、感受系統(tǒng)、機器人一環(huán)境交換系統(tǒng)、人機交換系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。驅動系統(tǒng)驅動系統(tǒng) 要使機器人運行起來，就需給各個關節(jié)即每個運動自由度安置傳動裝置，這就是驅動系統(tǒng)。驅動系統(tǒng)可以是液壓傳動、氣動傳動、電動傳動，或者把它們結合起來應用的

11、綜合系統(tǒng)；可以直接驅動或者通過同步帶、鏈條、輪系、諧波齒輪等機械傳動機構進行間接驅動。機械結構系統(tǒng)機械結構系統(tǒng) 機器人的機械結構系統(tǒng)是機器人為完成各種運動的機械部件。系統(tǒng)由骨骼（桿件）和連接它們的關節(jié)（運動副）構成，具有多個自由度，主要包括手部、腕部、臂部、機身等部件。感受系統(tǒng)感受系統(tǒng) 感受系統(tǒng)由內部傳感器模塊和外部傳感器模塊組成,用以獲得內部和外部環(huán)境狀態(tài)中有意義的信息，智能傳感器的使用提高了機器人的機動性、適應性和智能化的水準.人類的感受系統(tǒng)對感知外部世界信息是極其靈巧的,然而,對于一些特殊的信息,傳感器比人類的感受系統(tǒng)更有效。1.4 1.4 機器人機器人環(huán)境交換系統(tǒng)環(huán)境交換系統(tǒng)機器人環(huán)境

12、交換系統(tǒng)是實現(xiàn)機器人與外部環(huán)境中的設備互換聯(lián)系和協(xié)調的系統(tǒng)。 機器人與外部設備集成為一個功能單元,如加工單元、焊接單元、裝配單元等。當然,也可以是多臺機器人、多臺機床或設備、多個零件存儲裝置等集成為一個去執(zhí)行任務的功能單位。1.4.11.4.1 人機交換系統(tǒng)人機交換系統(tǒng) 人工交換系統(tǒng)是操作人員與機器人控制并與機器人聯(lián)系的裝置,例如,計算機的標準終端,指令控制臺,信息顯示板,危險信號報警器等。該系統(tǒng)歸納起來分為兩大類：指令給定裝置和信息顯示裝置。1.4.21.4.2 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)的任務是根據機器人的作業(yè)指令程序以及傳感器反饋回來的信號支配機器人的執(zhí)行機構去完成規(guī)定的運動和功能。假如

13、工業(yè)機器人不具備信息反饋特征,則為開環(huán)控制系統(tǒng)；若具備信息反饋特征，則為閉環(huán)控制系統(tǒng)。1.4.3 1.4.3 多機器人系統(tǒng)多機器人系統(tǒng) 與多智能系統(tǒng)與多智能系統(tǒng) 在當今的數(shù)字時代，人們對于用現(xiàn)代科技解決復雜任務的需求日益高漲。雖然隨著機器人技術的發(fā)展，機器人的能力不斷提高, 機器人應用的領域和范圍也在不斷擴展，但是對于一些復雜的任務，單個機器人不再是最好的解決方案,而是由多個機器人組成的系統(tǒng)。多機器人系統(tǒng)多機器人系統(tǒng) 多智能系統(tǒng)概念多智能系統(tǒng)概念 多機器人系統(tǒng)是指若干個機器人通過合作與協(xié)調而完成某一任務的系統(tǒng)。它包含多機器人合作與多機器人協(xié)調兩方面的內容。 多機器人合作和協(xié)調是多機器人系統(tǒng)研究

14、中的兩個不同而又有聯(lián)系的概念。前者研究的重點是高層的組織與運行機制問題，側重實現(xiàn)系統(tǒng)快速組織與重構的柔性控制機制；后者則是研究機器人之間合作關系確定后具體的運動控制問題。多機器人系統(tǒng)的優(yōu)點多機器人系統(tǒng)的優(yōu)點 與單個機器人相比，多機器人系統(tǒng)具有許多優(yōu)點： (1)單個機器人不能完成某些任務，必須依靠多個 機器人才能完成。如執(zhí)行戰(zhàn)術使命、足球比賽等， 必須要由一個機器人團隊來完成而非單個機器人。 (2)對于可以分解的任務來說，多個機器人可以分 別并行地完成不同的子任務，這比單個機器人完 成所有的子任務要快得多。就是說，多機器人系 統(tǒng)可以提高工作效率。 (3)可以將成員設計成完成某項任務的“專家”，而

15、不是能完成所有任務的“通才”，使得機器人的設計有更大的靈活性，完成有限任務的機器人可以設計得更完善。 (4)成員之間可以交換信息，多機器人系統(tǒng)可以更有效和更精確地進行定位。（5)多機器人系統(tǒng)中的成員相互協(xié)作可以增加冗余度，消除失效點，增加解決方案的可靠性。 (6)多機器人系統(tǒng)較單個機器人可以提供更多的解決方案，因此可以針對不同的具體情況，優(yōu)化選擇方案。1.51.5 微納機器人 納米機器人在清理 納米機器人 血管中的有害堆積物 正在進入紅細胞 1.5.11.5.1 微納操作系統(tǒng)微納操作系統(tǒng) 人們的視線已從宏觀世界向微、納觀世界轉移，為了認識微納觀世界以及為了對微納世界進行操作，人們需要一種類似于

16、宏觀世界的機器人系統(tǒng)以及機器人操作，人們稱之為“微納操作及微納操作系統(tǒng)”。 現(xiàn)代機器人現(xiàn)代機器人現(xiàn)代機器人: 現(xiàn)代機器人的研究始于20世紀中期，其技術背景是計算機和自動化的發(fā)展，以及原子能的開發(fā)利用。發(fā)展歷史發(fā)展歷史 1954年美國戴沃爾最早提出了工業(yè)機器人的概念，并申請了專利。該專利的要點是借助伺服技術控制機器人的關節(jié)，利用人手對機器人進行動作示教，機器人能實現(xiàn)動作的記錄和再現(xiàn)。這就是所謂的示教再現(xiàn)機器人?，F(xiàn)有的機器人差不多都采用這種控制方式。作為機器人產品最早的實用機型（示教再現(xiàn)）是1962年美國AMF公司推出的“VERSTRAN”和UNIMATION公司推出的“UNIMATE”。這些工業(yè)

17、機器人的控制方式與數(shù)控機床大致相似，但外形特征迥異，主要由類似人的手和臂組成。 1965年，MIT的Roborts演示了第一個具有視覺傳 感器的、能識別與定位簡單積木的機器人系統(tǒng)。1967年日本成立了人工手研究會（現(xiàn)改名為仿生機構研究會），同年召開了日本首屆機器人學術會。1970年在美國召開了第一屆國際工業(yè)機器人學術會議。1970年以后，機器人的研究得到迅速廣泛的普及。1973年，辛辛那提米拉克隆公司的理查德豪恩制造了第一臺由小型計算機控制的工業(yè)機器人，它是液壓驅動的，能提升的有效負載達45公斤。到了1980年，工業(yè)機器人才真正在日本普及，故稱該年為“機器人元年”。隨后，工業(yè)機器人在日本得到了

18、巨大發(fā)展，日本也因此而贏得了“機器人王國的美稱”。 智能機器人并非無所不能，它的智商只相當于4歲的兒童，機器人的“常識”比正常成年人就差得更遠了。 目前，科學家尚未搞清楚人類是如何學習和積累“常識”的，因此，將其應用到計算機軟件上也就無從談起。美國科學家羅伯特斯隆近日表示，人工智能研究的難題之一，就是開發(fā)出一種能實時做出恰當判斷的計算機軟件。早在上世紀90年代，中國科學家周海中就指出：機器人在工作強度、運算速度和記憶功能方面可以超越人類，但在意識、推理等方面不可能超越人類。現(xiàn)代機器人的現(xiàn)狀現(xiàn)代機器人的現(xiàn)狀 中國作為亞洲第三大的工業(yè)機器人需求國，市場發(fā)展穩(wěn)定，汽車及其零部件制造仍然是工業(yè)機器人的

19、主要應用領域，隨著我國產業(yè)結構調整升級不斷深入和國際制造業(yè)中心向中國的轉移，我國的機器人市場會進一步加大，市場擴展的速度也會進一步提高。對于國外的先發(fā)、領先優(yōu)勢，我國的機器人產業(yè)的研發(fā)遠遠落后于美、日兩國，甚至比起韓國也落后一步，尤其是在青少年中遠未開展機器人的組裝、制作的科學活動，這將關系到二、三十年后我國的產業(yè)發(fā)展1.5.21.5.2機器人技術大發(fā)展機器人技術大發(fā)展未來？ElektroElektro 1911年，美國紐約世博會上展出了西屋電氣公司制造的家用機器人Elektro。它由電纜控制，可以行走，會說77個字，甚至可以抽煙，不過離真正干家務活還差得遠。但它讓人們對家用機器人的憧憬變得更

20、加具體。 1959年，德沃爾與美國發(fā)明家約瑟夫英格伯格聯(lián)手制造出第一臺工業(yè)機器人。隨后，成立了世界上第一家機器人制造工廠Unimation公司。由于英格伯格對工業(yè)機器人的研發(fā)和宣傳，他也被稱為“工業(yè)機器人之父”。1968年，美國斯坦福研究所公布他們研發(fā)成功的機器人Shakey。它帶有視覺傳感器，能根據人的指令發(fā)現(xiàn)并抓取積木，不過控制它的計算機有一個房間那么大。Shakey可以算是世界第一臺智能機器人，拉開了第三代機器人研發(fā)的序幕。日本本田公司研制的仿人機器人ASIMO機器人發(fā)展階段機器人發(fā)展階段 從1911年，美國紐約世博會上展出了西屋電氣公司制造的家用機器人Elektro起，機器人發(fā)展至今已出現(xiàn)了三代。 第一代機器人是簡單的示教再現(xiàn)型機器人，這類機器人需要使用者事先教給它們動作順序和運動路徑，再不斷地重復這些動作。目前在汽車工業(yè)和電子工業(yè)自動線上大量使用的就是這類機器人。它們基本上沒有感覺也不會思考。 第二代機器人是低級智能機器人，或稱感覺機器人。和第一代機器人相比，低級智能機器人具有一定的感覺系統(tǒng)，能獲取外界環(huán)境和操作