機(jī)器人在教育中的應(yīng)用匯編

1、程武山 教授上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院二零一四年十一月十五日 機(jī)器人在教育中的應(yīng)用 內(nèi)容安排二、中國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展一、基本概念三、我們的工作11.1 機(jī)器人名稱的由來( About “Robot”) 機(jī)器人的英文名詞是Robot，Robot一詞最早出現(xiàn)在1920年捷克作家卡雷爾卡佩克（Karel Capek）所寫的一個(gè)劇本中，這個(gè)劇本的名字為 Rossums Universal Robots ，中文意思是“羅薩姆的萬能機(jī)器人”。 劇中的人造勞動(dòng)者取名為Robota，捷克語的意思是“苦力”、“奴隸”。英語的Robot一詞就是由此而來的，以后世界各國(guó)都用Robot作為機(jī)器人的代名詞。一、基本概

2、念21.2 機(jī)器人的發(fā)展歷史 ( The Developing History of Robots ) 古代“機(jī)器人”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多年的歷史西周時(shí)期，我國(guó)的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。春秋后期，據(jù)墨經(jīng)記載，魯班曾制造過一只木鳥，能在空中飛行“三日不下” 。公元前2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，它可以自己開門，還可以借助蒸汽唱歌。1800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。一、基本概念3后漢

3、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”，并用其在崎嶇山路中運(yùn)送軍糧，支援前方戰(zhàn)爭(zhēng)。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，并在大阪的道頓堀演出。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，還會(huì)進(jìn)食和排泄。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)書寫玩偶、自動(dòng)演奏玩偶等，他們創(chuàng)造的自動(dòng)玩偶是利用齒輪和發(fā)條原理而制成的，它們有的拿著畫筆和顏色繪畫，有的拿著鵝毛蘸墨水寫字，結(jié)構(gòu)巧妙，服裝華麗，在歐洲風(fēng)靡一時(shí)。1927年，美國(guó)西屋公司工程師溫茲利制造了第一個(gè)機(jī)器人“電報(bào)箱”，并在紐約舉行的世界博覽會(huì)上展出，

4、它是一個(gè)電動(dòng)機(jī)器人，裝有無線電發(fā)報(bào)機(jī)，可以回答一些問題，但該機(jī)器人不能走動(dòng)。一、基本概念4現(xiàn)代機(jī)器人的發(fā)展歷史二戰(zhàn)期間（1938-1945）由于核工業(yè)和軍事工業(yè)的發(fā)展，研制了 “遙控操縱器”（Teleoperator） 主要用于放射性材料的生產(chǎn)和處理過程。1947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（Master-Slave Manipulator）。1949-1953 美國(guó)麻省理工學(xué)院開始研制數(shù)控銑床隨著先進(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（MIT Radiation Laboratory）開始研制數(shù)控銑床。1953

5、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 “可編程”“示教再現(xiàn)”機(jī)器人 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。一、基本概念560年代 機(jī)器人產(chǎn)品正式問世，機(jī)器人技術(shù)開始形成1960年美國(guó)“聯(lián)合控制公司”（Consolidated Control）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，開始定型生產(chǎn)名為Unimate的工業(yè)機(jī)器人。兩年后，美國(guó)“機(jī)床與鑄造公司”（AMF）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

6、術(shù)發(fā)展成為專門學(xué)科機(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）。機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步擴(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。一、基本概念680年代 開始進(jìn)入智能機(jī)器人研究階段80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。隨著傳感技術(shù)和智能技術(shù)的發(fā)展，開始進(jìn)入智能機(jī)器人研究階段。機(jī)器人視覺、觸覺、力覺、接近覺等項(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。

7、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）它包括有基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究?jī)蓚€(gè)方面主要研究?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(包括內(nèi)部傳感器和外部傳感器)；(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。一、基本概念71.3 機(jī)器人的定義和分類 （Definition and Classifying for Robots） 1.3.1 機(jī)器人的定義 ( Definition of Robots ) 機(jī)器人問世已有幾十年，機(jī)器人的定義仍然仁者見

8、仁，智者見智，沒有一個(gè)統(tǒng)一的意見。原因之一是機(jī)器人還在發(fā)展，新的機(jī)型，新的功能不斷涌現(xiàn)。同時(shí)由于機(jī)器人涉及到了人的概念，成為一個(gè)難以回答的哲學(xué)問題。就像機(jī)器人一詞最早誕生于科幻小說之中一樣，人們對(duì)機(jī)器人充滿了幻想。也許正是由于機(jī)器人定義的模糊，才給了人們充分的想象和創(chuàng)造空間。 隨著機(jī)器人技術(shù)的飛速發(fā)展和信息時(shí)代的到來,機(jī)器人所涵蓋的內(nèi)容越來越豐富，機(jī)器人的定義也不斷充實(shí)和創(chuàng)新。下面給出一些有代表性的定義。 一、基本概念8國(guó)際和國(guó)外相關(guān)組織的定義國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）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，能夠借助可編程序操作來處理各種材料、零

9、件、工具和專用裝置，以執(zhí)行種種任務(wù)。美國(guó)國(guó)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。美國(guó)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。一、基本概念9有關(guān)學(xué)者的定義在1967年日本召開的第一屆機(jī)器人學(xué)術(shù)會(huì)議上提出了兩個(gè)有代表性的定義。森政弘與合田周平提出的定義：“機(jī)器人是一種具有移動(dòng)性、個(gè)體性、智能性

10、、通用性、半機(jī)械半人性、自動(dòng)性、奴隸性等7個(gè)特征的柔性機(jī)器”。從這一定義出發(fā)，森政弘又提出了用自動(dòng)性、智能性、個(gè)體性、半機(jī)械半人性、作業(yè)性、通用性、信息性、柔性、有限性、移動(dòng)性等10個(gè)特性來表示機(jī)器人的形象。日本早稻田大學(xué)加藤一朗（日本機(jī)器人之父） 教授認(rèn)為：機(jī)器人是由能工作的手，能行動(dòng)的腳和有意識(shí)的頭腦組成的個(gè)體，同時(shí)具有非接觸傳感器（相當(dāng)于耳、目）、接觸傳感器（相當(dāng)于皮膚）、固有感及平衡感等感覺器官的能力。一、基本概念10綜合諸家的解釋，概括各種機(jī)器人的性能，我們認(rèn)為可以按以下特征來描述機(jī)器人：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.

11、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)。一、基本概念11 1.3.2 機(jī)器人的分類 ( Classifying of Robots )按照從低級(jí)高級(jí)的發(fā)展程度可分為三類機(jī)器人第一代機(jī)器人（First Generation Robots）：即可編程、示教再現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人機(jī)器人，已進(jìn)入商品化、實(shí)用化。第二代機(jī)器人（Second Generation Robots）：裝備有一定的傳感裝置，能獲取作業(yè)環(huán)境、操作對(duì)象的簡(jiǎn)單信息，通過計(jì)算

12、機(jī)處理、分析，能作出簡(jiǎn)單的推理，對(duì)動(dòng)作進(jìn)行反饋的機(jī)器人，通常稱為低級(jí)智能機(jī)器人，由于信息處理系統(tǒng)的龐大與昂貴，第二代機(jī)器人目前只有少數(shù)可投入應(yīng)用。第三代機(jī)器人（Third Generation Robots）：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(jí)智能機(jī)器人，它與第五代計(jì)算機(jī)關(guān)系密切，目前還處于研究階段。一、基本概念12按照開發(fā)內(nèi)容和目的區(qū)分，可分為以下三類機(jī)器人工業(yè)機(jī)器人（Industrial Robot）：如焊接、噴漆、裝配機(jī)器人。操縱機(jī)器人（Teleoperator Robot）：如主從手，遙控排險(xiǎn)、水

13、下作業(yè)機(jī)器人。智能機(jī)器人（Intelligent Robot）：如演奏、表演、下棋、探險(xiǎn)機(jī)器人。特種機(jī)器人和微型機(jī)器人是目前機(jī)器人發(fā)展的一個(gè)重要方向特種機(jī)器人（Special Robots）：如航天飛機(jī)上的機(jī)械手在失重狀態(tài)下的工作，海洋探測(cè)機(jī)器人、軍用機(jī)器人、防核防化機(jī)器人、爬壁機(jī)器人、微小物體操作機(jī)器人等。微型機(jī)器人（Micro-robots）：體積小，如管道機(jī)器人、血管疏通機(jī)器人。微動(dòng)機(jī)器人（ Micro-movement robots ）：動(dòng)作小、精度高，如細(xì)胞切割機(jī)器人、微操作和微裝配機(jī)器人等。一、基本概念131.4 機(jī)器人的結(jié)構(gòu)與控制方式( Structure and Control

14、 of Robots )1.4.1 機(jī)器人的結(jié)構(gòu) ( The Structure of Robot )簡(jiǎn)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（如圖）。一、基本概念記憶、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)14執(zhí)行機(jī)構(gòu)：機(jī)器人的足、腿、手、臂、腰及關(guān)節(jié)等，它是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)和完成某項(xiàng)任務(wù)所必不可少的組成部分。驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)裝置：用來有效地驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的裝置，通常采用液壓、電動(dòng)和汽動(dòng)，有直接驅(qū)動(dòng)和間接驅(qū)動(dòng)二種方式。傳感器：是機(jī)器人獲取環(huán)境信息的工具，如視覺、聽覺、嗅覺、觸覺、力覺、滑覺和接近覺傳感器等，它們的功能相當(dāng)于人的眼、耳、鼻、皮膚及筋骨?？刂破鳎菏?/p>

15、機(jī)器人的核心，它負(fù)責(zé)對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)和各種動(dòng)作控制及對(duì)環(huán)境的識(shí)別。 現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人的控制器都是由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成，控制方式主要有示教再現(xiàn)、可編程控制、遙控和自主控制等多種方式。一、基本概念15日本三菱公司產(chǎn)MOVEMASTER-EX 五自由度機(jī)器人一、基本概念 實(shí)驗(yàn)室中的MOVEMASTER-EX機(jī)器人實(shí)物照片 MOVEMASTER-EX 五自由度機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖16美國(guó)UNIMATE公司產(chǎn)PUMA/560型六自由度機(jī)器人一、基本概念 PUMA/560機(jī)器人（照片） PUMA/560六自由度機(jī)器人結(jié)構(gòu)17 1.4.2 機(jī)器人的工作原理（The Principle of Robot） 機(jī)器人的工作原

16、理是一個(gè)比較復(fù)雜的問題。簡(jiǎn)單地說，機(jī)器人的原理就是模仿人的各種肢體動(dòng)作、思維方式和控制決策能力。從控制的角度，機(jī)器人可以通過如下四種方式來達(dá)到這一目標(biāo)。 “示教再現(xiàn)”方式：它通過“示教盒”或人“手把手”兩種方式教機(jī)械手如何動(dòng)作，控制器將示教過程記憶下來，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。 一、基本概念18“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，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。

17、“遙控”方式：由人用有線或無線遙控器控制機(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。“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。一、基本概念191.5 機(jī)器人的應(yīng)用（The Applications of Robots） 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。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，如航天航空、消防（滅火）機(jī)器人、防暴機(jī)器人、盾構(gòu)機(jī)器人等。工業(yè)

18、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)（MEMS）中有廣泛的應(yīng)用前景。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，如娛樂機(jī)器人、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。一、基本概念20二、中國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展中國(guó)是一個(gè)制造大國(guó)中國(guó)制造業(yè)規(guī)模很大，產(chǎn)值世界第一(2013年)：中國(guó)制造業(yè)產(chǎn)值 2.05萬億美元美國(guó)制造業(yè)產(chǎn)值1.78萬億美元中國(guó)制造業(yè)在全世界所占份額：汽車25%、船舶42%、計(jì)算機(jī)63%、彩電50%、冰箱65%、空調(diào)80%、手機(jī)70%、數(shù)碼相機(jī)65%21二、中國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展智能制造業(yè)的進(jìn)化論網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化設(shè)計(jì)、創(chuàng)客與

19、云制造智能機(jī)器人、增材制造、智能生產(chǎn)嵌入式軟件監(jiān)控與互聯(lián)網(wǎng)電商生產(chǎn)方式，生產(chǎn)工具，生產(chǎn)貿(mào)易22二、中國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展未來經(jīng)濟(jì)的12項(xiàng)顛覆性技術(shù)2324智能制造是指具有感知、決策及控制功能的制造裝備，包含工業(yè)機(jī)器人、3D打印、智能生產(chǎn)等前沿領(lǐng)域。核心支撐是機(jī)器人技術(shù)二、中國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展二、中國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展2013年5月麥肯錫全球戰(zhàn)略研究所發(fā)布25二、中國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展262013年3月20日，美國(guó)發(fā)布機(jī)器人技術(shù)路線圖：從互聯(lián)網(wǎng)到機(jī)器人。 該路線圖強(qiáng)調(diào)了機(jī)器人技術(shù)在美國(guó)制造業(yè)和衛(wèi)生保健領(lǐng)域的重要作用，同時(shí)也描繪了機(jī)器人技術(shù)在創(chuàng)造新市場(chǎng)、新就業(yè)崗位和改善人們生活方面的潛力。二、中國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展

20、1. 行業(yè)發(fā)展預(yù)測(cè)：增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)延續(xù)預(yù)測(cè)12017年全球工業(yè)機(jī)器人銷售量250000臺(tái)2011年16.6萬臺(tái)，因經(jīng)濟(jì)回暖達(dá)到歷史巔峰2012年15.9萬臺(tái)，因電子工業(yè)領(lǐng)域銷售下降略有回落2017年預(yù)計(jì)25萬，因全球特別是中國(guó)制造業(yè)升級(jí)預(yù)測(cè)2到2017年全球工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)容量2700億 2012年全球機(jī)器人本體市場(chǎng)容量為530億元，本體加集成市場(chǎng)估計(jì)1600億元。 估計(jì)2013年至2017年，包含本體和集成在內(nèi)的全球工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)，年復(fù)合增長(zhǎng)率約為11%。預(yù)計(jì)2017年將達(dá)到2700億元。預(yù)測(cè)3預(yù)計(jì)到2017年全球服務(wù)機(jī)器人市場(chǎng)容量接近500億 根據(jù)IFR數(shù)據(jù)，2012年全球個(gè)人（或家庭）用服務(wù)機(jī)器

21、人市場(chǎng)容量為73億元，公共服務(wù)機(jī)器人市場(chǎng)容量為208億元。 預(yù)計(jì)20132017年個(gè)人（或家庭）用服務(wù)機(jī)器人市場(chǎng)容量增長(zhǎng)率為7%，公共服務(wù)機(jī)器人市場(chǎng)容量年均復(fù)合增長(zhǎng)率為17%。到2017年，全球服務(wù)機(jī)器人市場(chǎng)容量將接近500億元。 全球機(jī)器人行業(yè)現(xiàn)狀分析27二、中國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展全球機(jī)器人行業(yè)現(xiàn)狀分析2. 全球機(jī)器人行業(yè)布局：日歐產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)明顯，中國(guó)市場(chǎng)潛力巨大工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)銷量與存量 日、美、德、韓、中五國(guó)存量占全球比例達(dá)71.24%，銷量達(dá)69.92%截至2012年底，全球機(jī)器人累計(jì)銷量達(dá)到247萬臺(tái)，中國(guó)2012年工業(yè)機(jī)器人銷量增幅達(dá)到30%。全球工業(yè)機(jī)器人與機(jī)床行業(yè)銷量的對(duì)比 工業(yè)機(jī)器人

22、銷量占機(jī)床銷量反映各國(guó)機(jī)器人使用情況。美日德三國(guó)的機(jī)器人銷量占機(jī)床銷量比穩(wěn)定在一定區(qū)間內(nèi)15%-25%，中國(guó)不到5%，因此，中國(guó)機(jī)器人行業(yè)發(fā)展?jié)摿€很大。主要國(guó)家/地區(qū)機(jī)器人技術(shù)優(yōu)勢(shì)領(lǐng)域比較 日本在工業(yè)機(jī)器人、家用機(jī)器人方面優(yōu)勢(shì)明顯，歐洲在工業(yè)機(jī)器人和危險(xiǎn)作業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域?qū)儆陬I(lǐng)先地位，美國(guó)主要優(yōu)勢(shì)在系統(tǒng)集成領(lǐng)域，醫(yī)療機(jī)器人和國(guó)防軍工機(jī)器人。28二、中國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展全球機(jī)器人行業(yè)現(xiàn)狀分析美國(guó)優(yōu)勢(shì)在系統(tǒng)集成日本強(qiáng)調(diào)產(chǎn)業(yè)鏈分工歐洲強(qiáng)調(diào)本體加集成整體方案機(jī)器人行業(yè)發(fā)展五階段中國(guó)美國(guó)、日本、歐洲29二、中國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展我國(guó)工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域正在發(fā)生三件事：（1）越來越多的行業(yè)開始安裝工業(yè)機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)成本、

23、質(zhì)量、效率的提升，帶動(dòng)工業(yè)機(jī)器人持續(xù)高增長(zhǎng)；（2）本土機(jī)器人本體和零部件制造企業(yè)在奮起直追，試圖在一些專用領(lǐng)域替代進(jìn)口；（3）系統(tǒng)集成商將憑借熟悉行業(yè)、及時(shí)服務(wù)和成本優(yōu)勢(shì)，開始搶占汽車行業(yè)之外的市場(chǎng)。30二、中國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展中國(guó)工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)數(shù)據(jù) 中國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)園，佛山、蕪湖、昆山、常州、天津、青島、唐山、撫順、張家港等31中國(guó)工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)05-12年:增長(zhǎng)30%05-12年:增長(zhǎng)25%322012年中國(guó)工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)數(shù)據(jù)二、中國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展二、中國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展 中國(guó)領(lǐng)域廣泛，行業(yè)種類繁多，需要大量機(jī)器人，而在西方發(fā)達(dá)國(guó)家許多行業(yè)與領(lǐng)域已經(jīng)淘汰不存在，如機(jī)械加工，拋光、打磨、噴涂、鑄造

24、；如建材塑料；如3C消費(fèi)電子，錫焊、點(diǎn)膠、打螺釘、桌面裝配等，在國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家沒有中國(guó)珠江、長(zhǎng)江這樣多的民企制造業(yè)。 經(jīng)濟(jì)型機(jī)器人自動(dòng)化產(chǎn)品對(duì)中國(guó)企業(yè)是一個(gè)巨大的市場(chǎng)機(jī)會(huì)，尤其是10萬以下的工業(yè)機(jī)器人。 預(yù)計(jì)2020年需要新增工業(yè)機(jī)器人裝機(jī)量約為2030萬臺(tái)33二、中國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展工業(yè)機(jī)器人整機(jī)供應(yīng)商國(guó)外整機(jī)商國(guó)內(nèi)整機(jī)商系統(tǒng)集成商發(fā)那科安川庫(kù)卡ABB川崎不二越柯馬新松博實(shí)廣州數(shù)控奇瑞艾福特上海沃迪南京埃斯頓新時(shí)達(dá)機(jī)器人華恒焊接軟控科捷南京埃斯頓機(jī)器人工程有限公司上海沃迪科訊達(dá)啟帆首鋼莫托曼熊貓電子天奇股份智云股份柯馬（上海）工程有限公司34二、中國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展機(jī)器人核心部件國(guó)內(nèi)外供應(yīng)商核心部

25、件國(guó)外廠家國(guó)內(nèi)廠家驅(qū)動(dòng)及控制系統(tǒng)Delta Tau、Gai TRIO、FANUC、西門子、MAXON、KEBA、貝加萊固高、匯川技術(shù)、英威騰、廣州數(shù)控、華中數(shù)控（籌）博創(chuàng)科技伺服電機(jī)安川、松下、三菱、三洋、三共、富士、倫茨、倍福、力士樂、博世、西門子、MAXON臺(tái)灣APEX、南京艾斯頓、廣州數(shù)控、珠海運(yùn)控、桂林星辰、匯川技術(shù)RV減速器帝人、住友、SEJINIGB（韓國(guó)）、SPINEA（斯洛伐克）、TwinSpin秦川發(fā)展（籌）、上海機(jī)電（銷售）、科賽恩、浙江恒豐泰、南通振康、天津諧波減速器Harmonica(日本)、Harmonica Drive AG(德國(guó))中計(jì)克美、蘇州綠的、北京諧波傳動(dòng)所

26、35二、中國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展服務(wù)機(jī)器人廠商國(guó)外廠商國(guó)內(nèi)廠商iROBOT(服務(wù)機(jī)器人)Segway(短途代步機(jī)器人)達(dá)芬奇（醫(yī)療微創(chuàng)機(jī)器人）樂高（科技娛樂）豐田（移動(dòng)機(jī)器人）松下（護(hù)理機(jī)器人）本田（仿人與助理機(jī)器人）Rethink(裝配機(jī)器人)韓國(guó)Yujin(科教娛樂機(jī)器人)Kibot(科技娛樂機(jī)器人)OttoBock(助殘機(jī)器人)英維康（使用機(jī)器人）NAO（科教仿人機(jī)器人）WowWee(家庭監(jiān)控機(jī)器人)i-Sobot(科教仿人機(jī)器人)大疆（無人機(jī)）科沃斯（家用機(jī)器人）銀星（家用機(jī)器人）納恩博（短途代步車）易步（短途代步車）天智航（醫(yī)療微創(chuàng)機(jī)器人）蘇州博實(shí)機(jī)器人紫光優(yōu)藍(lán)（科技娛樂）未來伙伴機(jī)器人（

27、科技娛樂）博創(chuàng)科技（科技娛樂）重慶金山（醫(yī)療機(jī)器人）繁興科技（自動(dòng)化烹飪）中科睿成（互聯(lián)網(wǎng)終端）東莞博思、偉力（娛樂玩具）36二、中國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展工業(yè)機(jī)器人最具潛力的行業(yè)汽車產(chǎn)業(yè)：汽車整車、汽車零部件、摩托車等通信電子：PCB板、消費(fèi)電子組裝、半導(dǎo)體搬運(yùn)等金屬制品：板材、管材焊接與切割；金屬件打磨等塑料輪胎：搬運(yùn)、上下料；對(duì)人體有危害的工藝家電行業(yè)：零部件生產(chǎn)與組裝37值得關(guān)注服務(wù)機(jī)器人若干領(lǐng)域危險(xiǎn)作業(yè)、醫(yī)療康復(fù)、航空航天特種領(lǐng)域：醫(yī)療外科機(jī)器人、助老助殘機(jī)器人、核工業(yè)機(jī)器人、水下機(jī)器人、軍用機(jī)器人等互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)領(lǐng)域：信息家電、家政服務(wù)、教育娛樂服務(wù)機(jī)器人等智能交通領(lǐng)域：智能移動(dòng)機(jī)器人、嵌入式

28、智能控制、無人自駕車等二、中國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展調(diào)研情況民營(yíng)企業(yè)最先大規(guī)模應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人 民營(yíng)企業(yè)用工靈活，提升產(chǎn)能與效率的動(dòng)力大，在競(jìng)爭(zhēng)與利益的驅(qū)動(dòng)下將會(huì)領(lǐng)先于國(guó)有企業(yè)采用機(jī)器人，從而降低產(chǎn)品成本，并提升了產(chǎn)品質(zhì)量，進(jìn)而提高收入與擴(kuò)大市場(chǎng)份額。國(guó)企開始投入機(jī)器人和應(yīng)用機(jī)器人 一方面投入價(jià)格市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)不激烈領(lǐng)域，如軍用機(jī)器人、資源開采、水下機(jī)器人、危險(xiǎn)作業(yè)機(jī)器人、醫(yī)療外科機(jī)器人、空間機(jī)器人等。另一方面隨著市場(chǎng)激烈競(jìng)爭(zhēng)，盈利衰減，迫使使用工業(yè)機(jī)器人，推動(dòng)高端智能制造發(fā)展。背景、技術(shù)與人才有優(yōu)勢(shì)，科研經(jīng)費(fèi)相對(duì)充足。一批科研院所及高校學(xué)者開發(fā)機(jī)器人前沿理論與技術(shù)。 智能材料、3D打印、變結(jié)構(gòu)、變剛度、機(jī)器

29、視覺、仿生機(jī)器人、規(guī)劃導(dǎo)航、醫(yī)療微創(chuàng)、腦生物肌電交互。38二、中國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展如果一個(gè)地方計(jì)劃在未來5年內(nèi)，每年投入5000億元，實(shí)施5000個(gè)機(jī)器換人項(xiàng)目。為什么要實(shí)施這樣的計(jì)劃？可以給我們帶來什么樣的機(jī)遇？怎樣去抓住這些機(jī)遇？39二、中國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展啟發(fā)一：機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展策略：三基石 一支柱40二、中國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展啟發(fā)二：科研工作，既要頂天，又要立地反思國(guó)家科研投入的方向和方式-怎樣讓解決現(xiàn)實(shí)問題成為重點(diǎn)支撐方向41二、中國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展啟發(fā)三：技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的可行性是用戶接受的前提42二、中國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展啟發(fā)四：聯(lián)合采用機(jī)遇、聯(lián)合才有發(fā)展產(chǎn)學(xué)研合作不用專業(yè)領(lǐng)域的合作整機(jī)企業(yè)與系統(tǒng)集成

30、商的合作資本、技術(shù)、市場(chǎng)、信息、服務(wù)多要素合作433.1.柔性制造系統(tǒng)3.2.上陶廠3.3.人民廠（RMM1-250塑殼斷路器智能測(cè)試臺(tái)）3.4.電科所（智能電網(wǎng)）3.5.康復(fù)機(jī)器人3.6.智能系統(tǒng)三、我們的工作443.1 柔性制造系統(tǒng) 上海工程技術(shù)大學(xué)的柔性制造系統(tǒng)（FMS）在整個(gè)華東地區(qū)具有一定的規(guī)模，其中包括自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)、輥筒線、焊接機(jī)器人、數(shù)控慢走絲線切割機(jī)、數(shù)控銑床、數(shù)控車床、激光內(nèi)雕機(jī)、激光打標(biāo)機(jī)、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、行走及組裝機(jī)器人、條碼讀取和圖像識(shí)別設(shè)備等。其中行走及組裝機(jī)器人采用日本安川電機(jī)的motoman機(jī)器人，主要負(fù)責(zé)工件的搬運(yùn)與自動(dòng)裝夾功能。柔性制造系統(tǒng)配置圖及平臺(tái)如下圖1

31、、2所示。三、我們的工作45三、我們的工作圖1 上海工程技術(shù)大學(xué)FMS配置圖46三、我們的工作 圖2 柔性制造系統(tǒng)平臺(tái)47三、我們的工作 實(shí)物圖48三、我們的工作現(xiàn)場(chǎng)操作視頻493.2 上陶廠 上海工程技術(shù)大學(xué)現(xiàn)已開發(fā)研制高精度快速微孔穿絲機(jī)一套，并應(yīng)用于上海電器陶瓷廠有限公司NT00低壓熔斷器生產(chǎn)測(cè)試中，取得很好的成效。 該自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)主要由若干單臺(tái)設(shè)備及兩條獨(dú)立流水線構(gòu)成，具體組成如圖4所示。 三、我們的工作50三、我們的工作 圖中穿絲機(jī)及前面的膠帶機(jī)和前后機(jī)械手構(gòu)成了第一條自動(dòng)流水線，而點(diǎn)焊機(jī)（包括前面的膠帶機(jī)及前后上下料機(jī)械手）、灌砂機(jī)（包括后面的下料機(jī)械手）以及檢測(cè)單元（包括后面的

32、下料機(jī)械手及移印機(jī)）組成了第二條自動(dòng)化流水線。 圖4 NT00型熔斷器自動(dòng)生產(chǎn)線51 三、我們的工作 NT00低壓熔斷器智能裝配測(cè)試系統(tǒng)523.3 人民廠（RMM1-250塑殼斷路器智能測(cè)試臺(tái)） 3.3.1 研究背景 低壓斷路器主要應(yīng)用于低壓配電回路和低壓控制回路的保護(hù)，脫扣器是低壓斷路器過流和時(shí)滯跳閘保護(hù)的關(guān)鍵部件，其機(jī)械特性和受熱變性特性要求在系統(tǒng)通電受熱變形過程中不允許有任何附加力作用。三、我們的工作533.3.2 技術(shù)說明設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主要包括：(1)自動(dòng)調(diào)試系統(tǒng) (2)上下料機(jī)械手 (3)智能檢測(cè)系統(tǒng) (4)控制系統(tǒng)(5)上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)(6)強(qiáng)電控制系統(tǒng)(7)氣動(dòng)系統(tǒng)三、我們的工作54同

33、心雙柔軸螺釘螺母自動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)技術(shù)原理 三、我們的工作螺釘運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖 螺釘螺母一體化調(diào)整 鎖緊機(jī)構(gòu)工作原理圖 55上下料機(jī)械手 ：實(shí)現(xiàn)對(duì)斷路器的自動(dòng)抓取，上料三、我們的工作56 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)：由組態(tài)軟件Wincc實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)的監(jiān)控。主要包括登陸界面、系統(tǒng)檢測(cè)界面、系統(tǒng)管理以及報(bào)表生成等功能。三、我們的工作57 氣動(dòng)系統(tǒng)：主要由定位汽缸、壓緊汽缸、移動(dòng)汽缸、合扣汽缸及冷卻氣缸組成。分別完成斷路器的定位、通電觸點(diǎn)壓緊、合扣以及測(cè)試完畢后的冷卻等功能。三、我們的工作58 3.3.3 現(xiàn)場(chǎng)操作視頻三、我們的工作59 3.3.4 特色與創(chuàng)新點(diǎn) （1） 利用空心軸電機(jī)、電磁離合器、電磁制動(dòng)器的優(yōu)化

34、組合，解決了復(fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu)才能解決的一體化螺釘、螺母調(diào)節(jié)裝置的設(shè)計(jì)、制造問題。為國(guó)內(nèi)首創(chuàng)，克服單獨(dú)的調(diào)節(jié)螺釘、螺母調(diào)節(jié)方式的工藝路線長(zhǎng)、投資規(guī)模大、實(shí)現(xiàn)困難、調(diào)節(jié)誤差大等缺點(diǎn)。 （2）多程機(jī)械手的建立：利用柔性制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)螺釘和螺帽在5個(gè)自由度上無干涉的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，以解決雙金屬片的材料差異、溫度差異、形狀差異對(duì)其特性的影響。 （3）快速跟蹤器的設(shè)計(jì)：動(dòng)態(tài)檢測(cè)雙金屬片在通電受熱形變過程中的螺釘軌跡，利用圖像定位跟蹤技術(shù)實(shí)現(xiàn)高清晰度的軌跡跟蹤。三、我們的工作603.4 電科所（智能電網(wǎng)） 3.4.1 智能電網(wǎng)的發(fā)展背景及定義三、我們的工作613.4.2 智能電網(wǎng)用戶端關(guān)鍵技術(shù)三、我們的工作雙向控制技術(shù)

35、用戶儲(chǔ)能技術(shù)用戶端智能調(diào)度技術(shù)工業(yè)用戶家庭用戶電力公司家庭用戶智能電網(wǎng)用戶端關(guān)鍵技術(shù)量測(cè)技術(shù)623.4.3 智能電網(wǎng)用戶端案例分析低壓電器操作機(jī)構(gòu)測(cè)試平臺(tái)三、我們的工作 本操作機(jī)構(gòu)包括雙水平操作機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)操作機(jī)構(gòu)； 雙水平操作機(jī)構(gòu)包括了一套水平運(yùn)動(dòng)操作機(jī)構(gòu)，主要用于按鈕開關(guān)，微動(dòng)開關(guān)和限位開關(guān)的接通與分?jǐn)嗄芰υ囼?yàn)的試品操作； 旋轉(zhuǎn)操作機(jī)構(gòu)主要用于旋轉(zhuǎn)開關(guān)和轉(zhuǎn)換開關(guān)的接通與分?jǐn)嗄芰υ囼?yàn)以及隔離開關(guān)的壽命試驗(yàn)，兩者均用于斷續(xù)周期工作制范疇。63三、我們的工作 先進(jìn)性：多自由度定位，電動(dòng)滑臺(tái)在滑軌上滑動(dòng)的位移行程可進(jìn)行六自由度精確定位，其精度可達(dá)0.05mm；良好的防爆性能；低能耗與人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)； 創(chuàng)新性：行程智能識(shí)別，操作力、速度測(cè)試；基于虛擬現(xiàn)實(shí)的監(jiān)控； 關(guān)鍵指標(biāo)：行程、縱深可調(diào)可控；通斷時(shí)間要求50ms（控制精度5ms）；3600次/小時(shí)操作頻率；機(jī)械使用壽命100萬次以上；低壓電器操作機(jī)構(gòu)64三、我們的工作 操作頻率智能測(cè)試平臺(tái) 該測(cè)量?jī)x覆蓋了電感式、電容式、非機(jī)械磁性式和光電式接近開關(guān)的操作頻率檢測(cè)， 主要由標(biāo)靶轉(zhuǎn)盤，調(diào)速電機(jī)，轉(zhuǎn)速及頻率測(cè)定裝置，基準(zhǔn)傳感器和試品固定裝置等部分組成， 不同形式的接近開關(guān)操作頻率的檢測(cè)通過改變不同的標(biāo)靶或試品轉(zhuǎn)盤來實(shí)現(xiàn)， 試驗(yàn)是通過旋轉(zhuǎn)標(biāo)