機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ) 第一章 機(jī)器人概述

1、機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ) 主要參考書:1、機(jī)器人學(xué) 蔡自興主編 北京：清華大學(xué)出版社，20002、機(jī)器人工程 （日）白井良明編著 北京：科學(xué)出版社，2001理由之三：機(jī)器人做人做不了的事情。比如人們對(duì)太空的認(rèn)識(shí)，對(duì)原子分子進(jìn)行搬遷的機(jī)器人 。為什么要發(fā)展機(jī)器人?理由之二：機(jī)器人做人不愿意做或做不好的事。比如有毒的、高溫的或危險(xiǎn)的環(huán)境，汽車生產(chǎn)線上的焊接工作 ；機(jī)器人汽車焊接生產(chǎn)線理由之一：提高生產(chǎn)效率降低人的勞動(dòng)強(qiáng)度。比如焊機(jī)器人提高生產(chǎn)效率，提高汽車焊接的質(zhì)量，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度 ；汽車裝配機(jī)器人 機(jī)器人的結(jié)構(gòu) 齊次坐標(biāo)變換（重點(diǎn)） 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)（重點(diǎn)） 微分變換與雅可比（重點(diǎn)） 機(jī)器人動(dòng)力學(xué)（重點(diǎn)）

2、 機(jī)器人的控制本課程主要內(nèi)容：1.1機(jī)器人的定義第一章 機(jī)器人概述 機(jī)器人一詞的出現(xiàn)：1920年、捷克作家、 Karel Capek、Rossums Universal Robots，“Robota”（捷克語：奴隸）寫成了“Robot ” 。 小說在1924年和1927年的時(shí)候被紛紛傳到了日本和歐洲等國家，機(jī)器人這個(gè)名詞就向全世界鋪展開來。故事情節(jié)：帶感情 的機(jī)器人消滅了人類 ，一對(duì)男女機(jī)器人相愛 ，機(jī)器人進(jìn)化為人類，世界又起死回生。 上世紀(jì)60年代，可實(shí)用機(jī)械的機(jī)器人被稱為工業(yè)機(jī)器人上世紀(jì)80年代到現(xiàn)在，正越來越向智能化方向發(fā)展 因此，至今為止也沒有一個(gè)統(tǒng)一的機(jī)器人的定義。 機(jī)器人學(xué)是一門不

3、斷發(fā)展的科學(xué)，對(duì)機(jī)器人的定義也隨其發(fā)展而變化。（2）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(end effector)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”。（1）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(manipulator)”。國際上，關(guān)于機(jī)器人的定義主要有以下幾種：（3）美國國家標(biāo)準(zhǔn)局(NBS)的定義：機(jī)器人是“一種能夠進(jìn)行編程并在自動(dòng)控制下執(zhí)行某些操作和移動(dòng)作業(yè)任務(wù)的機(jī)械裝置”。（4） 國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)

4、的定義：“機(jī)器人是一種自動(dòng)的、位置可控的、具有編程能力的多功能機(jī)械手，這種機(jī)械手具有幾個(gè)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)行種種任務(wù)”。（5）我國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”(a mechantronic device to imitate some human functions)。 我國科學(xué)家對(duì)機(jī)器人的定義：機(jī)器人是一種自動(dòng)化的機(jī)器，所不同的是這種機(jī)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(dòng)作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動(dòng)化機(jī)器。 1.2 機(jī)器人的發(fā)展及應(yīng)用一、古代機(jī)器人 春秋后期，墨子魯問記載

5、，魯班曾制造過一只木鳥，能在空中飛行“三日不下”?！肮斪酉髦衲疽詾轾o，成而飛之，三日不下。” 西周時(shí)期，偃師研制出了能歌善舞的伶人，這是我國最早記載的機(jī)器人。 公元前2世紀(jì)，亞歷山大時(shí)代的古希臘人發(fā)明了最原始的機(jī)器人自動(dòng)機(jī)。可以自己開門，還可以借助蒸汽唱歌。木鳥是風(fēng)箏的早期形態(tài) 指南車，炎帝求援黃帝制造出指南車打敗蚩尤；三國時(shí)期，魏明帝令馬鈞造指南車；南齊皇帝蕭道成命祖沖之造指南車。 中國古代用指南車 (模型)日本指南車復(fù)原模型 3000歲“指南車”在蘇州復(fù)制成功 后漢三國時(shí)期，蜀國丞相諸葛亮成功地創(chuàng)造出了“木牛流馬”。用其運(yùn)送軍糧，支援前方戰(zhàn)爭。 漢代大科學(xué)家張衡不僅發(fā)明了地動(dòng)儀，而且發(fā)明

6、了計(jì)里鼓車，每行一里，車上木人擊鼓一下，每行十里擊鐘一下；宋朝盧道隆制造出由6個(gè)齒輪組成的計(jì)里鼓車。計(jì)里鼓車（復(fù)原模型） 咸陽退休高級(jí)工程師韓文彬先生設(shè)計(jì)的另一種“木牛流馬”四川成都武侯祠征集的“木牛流馬” 19世紀(jì)中葉出現(xiàn)了科學(xué)幻想派和機(jī)械制作派。在機(jī)械實(shí)物制造方面，1893年摩爾制造了“蒸汽人”，“蒸汽人”靠蒸汽驅(qū)動(dòng)雙腿沿圓周走動(dòng)。1773年，自動(dòng)書寫玩偶、自動(dòng)演奏玩偶等被連續(xù)推出?，F(xiàn)在保留下來的瑞士努薩蒂爾歷史博物館里的少女玩偶，還定期彈奏音樂供參觀者欣賞。 1927年美國西屋公司工程師溫茲利制造了第一個(gè)機(jī)器人“電報(bào)箱”?？梢曰卮鹨恍﹩栴}。 二、現(xiàn)代機(jī)器人1952年，第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床的誕生

7、，為機(jī)器人的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。 1954年美國戴沃爾最早提出了工業(yè)機(jī)器人的概念，并申請(qǐng)了專利。主從機(jī)器人 1947年，美國原子能委員會(huì)的阿爾貢研究所開發(fā)了遙控機(jī)械手；1948年，又開發(fā)了機(jī)械式的主從機(jī)械手。 1962年美國AMF公司推出的“VERSATRAN”和UNIMATION公司推出的“UNIMATE”是機(jī)器人產(chǎn)品最早的實(shí)用機(jī)型（示教再現(xiàn)）。 VERSATRANUNIMATE1965年，MIT的Roborts演示了第一個(gè)具有視覺傳感器的、能識(shí)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1973年，辛辛那提米拉克隆公司的理查德豪恩制造了第一臺(tái)由小型計(jì)算機(jī)控制

8、的工業(yè)機(jī)器人1980年，工業(yè)機(jī)器人才真正在日本普及，故稱該年為“機(jī)器人元年”； 1980年以后，工業(yè)機(jī)器人在日本得到了巨大發(fā)展，日本贏得了“機(jī)器人王國”的美稱 各種用途的機(jī)器人：水下機(jī)器人、空間機(jī)器人、空中機(jī)器人、地面機(jī)器人、微小型機(jī)器人等 新的機(jī)器人名稱： “軟件機(jī)器人”、“網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人” 、“納米機(jī)器人”、“機(jī)器人化機(jī)器 ”等相撲機(jī)器人無人駕駛振動(dòng)式壓路機(jī)德國Rode排爆機(jī)器人機(jī)器魚“自由泳”“過龍門”在水中“戲球 ”自主地避開障礙物機(jī)器魚我國研制的排爆機(jī)器人上世紀(jì)70年代的萌芽期，80年代的開發(fā)期和90年代的適用化期。 1972年開始研制自己的工業(yè)機(jī)器人“七五”期間，完成了示教再現(xiàn)式工業(yè)機(jī)

9、器人成套技術(shù)的開發(fā)，研制出了噴涂、點(diǎn)焊、弧焊和搬運(yùn)機(jī)器人1986年國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）開始實(shí)施 上世紀(jì)90年代初期起，形成了一批機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化基地我國工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展： 日本和美國在20世紀(jì)60年代就已經(jīng)開始進(jìn)行機(jī)器人的研究，與他們相比較，我國還存在較大的差距，因此需要有更多的機(jī)器人愛好者加入到發(fā)展我國的機(jī)器人事業(yè)中來。 為了防止機(jī)器人傷害人類，科幻作家阿西莫夫于1940年提出了“機(jī)器人三原則”1、機(jī)器人不應(yīng)傷害人類；2、機(jī)器人應(yīng)遵守人類的命令，與第一條違背的命令除外；3、機(jī)器人應(yīng)能保護(hù)自己，與第一條相抵觸者除外。這是給機(jī)器人賦予的倫理性綱領(lǐng)。機(jī)器人學(xué)術(shù)界一直將這三原則作為機(jī)器人

10、開發(fā)的準(zhǔn)則。1.3 機(jī)器人的分類1. 按工業(yè)機(jī)器人的幾何結(jié)構(gòu)來分直角坐標(biāo)型（Cartesian Coordinates Robots）柱面坐標(biāo)型（Cylindrical Coordinates Robots）球面坐標(biāo)（或極坐標(biāo)）型（Polar Coordinates Robots）關(guān)節(jié)坐標(biāo)型（Articulated Robots）2. 按機(jī)器人的控制方式分可分為非伺服機(jī)器人和伺服控制機(jī)器人：（1）非伺服機(jī)器人（non-servo robots） （2）伺服控制機(jī)器人 （servo-controlled robots）點(diǎn)位控制 PTP(point to point control)連續(xù)路徑控制CP(continuous path control)3. 按機(jī)器人的智能程度分（1）一般機(jī)器人：只具有一般編程能力和操作功能（2）智能機(jī)器人：具有不同程度的智能 傳感型機(jī)器人 交互型機(jī)器人 自主型機(jī)器人4. 按機(jī)器人的用途分（1）工業(yè)機(jī)器人（2）探索機(jī)器人（3）服務(wù)機(jī)器人（4）軍事機(jī)器人（5）娛樂機(jī)器人5. 按機(jī)器人的移動(dòng)性分單足雙足四足六足八足輪式機(jī)器人履帶式機(jī)器人 步行機(jī)器人爬行、飛行機(jī)器人等（1）固定式機(jī)器人（2）移動(dòng)式機(jī)器人 關(guān)于機(jī)器人如何分類，國際上沒有制定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。國際上的機(jī)器人學(xué)者，一般從應(yīng)用環(huán)境出發(fā)將機(jī)器人分為兩類：制造環(huán)境下的工業(yè)機(jī)器人 非制造環(huán)境