機(jī)器人導(dǎo)論分解課件

機(jī)器人概論游瑋2013.03.27機(jī)器人概論游瑋歡迎大家加入機(jī)器人行業(yè)BillGates近日Reddit的“有問必答”欄目中對(duì)未來科技領(lǐng)域的下一件大事進(jìn)行預(yù)測(cè)，認(rèn)為機(jī)器人與自動(dòng)化技術(shù)將成為未來發(fā)展的一大趨勢(shì)，可以改變世界。隨后Nasdaq和中國A股市場(chǎng)所有和機(jī)器人相關(guān)的股份全線飄紅，如達(dá)芬奇、新松、博實(shí)股份、山河智能等。歡迎大家加入機(jī)器人行業(yè)BillGates近日Re1.1

機(jī)器人的定義

機(jī)器人問世已有幾十年，但沒有一個(gè)統(tǒng)一的意見。原因之一是機(jī)器人還在發(fā)展，另一原因主要是因?yàn)闄C(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。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。

美國機(jī)器人協(xié)會(huì)（RIA)：一種用于移動(dòng)各種材料、零件、工具或?qū)Ｓ醚b置的，通過程序動(dòng)作來執(zhí)行各種任務(wù)，并具有編程能力的多功能操作機(jī)。美國家標(biāo)準(zhǔn)局：一種能夠進(jìn)行編程并在自動(dòng)控制下完成某些操作和移動(dòng)作業(yè)任務(wù)或動(dòng)作的機(jī)械裝置。

1.機(jī)器人的定義、發(fā)展歷史及分類1.1機(jī)器人的定義機(jī)器人問世已有幾十年，但沒有一個(gè)統(tǒng)一的

1987年國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)對(duì)工業(yè)機(jī)器人的定義：“工業(yè)機(jī)器人是一種具有自動(dòng)控制的操作和移動(dòng)功能，能完成各種作業(yè)的可編程操作機(jī)。日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)局：一種機(jī)械裝置，在自動(dòng)控制下，能夠完成某些操作或者動(dòng)作功能。

英國：貌似人的自動(dòng)機(jī)，具有智力的和順從于人的但不具有人格的機(jī)器。

中國：我國科學(xué)家對(duì)機(jī)器人的定義是：“機(jī)器人是一種自動(dòng)化的機(jī)器，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.機(jī)器人的定義、發(fā)展歷史及分類1987年國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)對(duì)工業(yè)機(jī)器人的定義：“工

盡管各國定義不同，但基本上指明了作為“機(jī)器人”所具有的二個(gè)共同點(diǎn)：是一種自動(dòng)機(jī)械裝置，可以在無人參與下，自動(dòng)完成多種操作或動(dòng)作功能，即具有通用性。

可以再編程，程序流程可變，即具有柔性(適應(yīng)性）。

機(jī)器人集中了機(jī)械工程、材料科學(xué)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制理論及人工智能等多學(xué)科的最新研究成果，代表了機(jī)電一體化的最高成就，是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一。未來的趨勢(shì)是從柔性，可編程發(fā)展到感知和智能！(視覺，力反饋，超聲傳感器)1.機(jī)器人的定義、發(fā)展歷史及分類盡管各國定義不同，但基本上指明了作為“機(jī)器人”所具有的二個(gè)61.2

機(jī)器人的發(fā)展歷史1920年，捷克作家卡雷爾·卡佩克發(fā)表了科幻劇本《羅薩姆的萬能機(jī)器人》。卡佩克在劇本中把捷克語“Robota”寫成了“Robot”，引起了大家的廣泛關(guān)注，被當(dāng)成了機(jī)器人一詞的起源。1950年,美國作家埃薩克·阿西莫夫在科幻小說《I，Robot》中首次使用了“Robotics”，即“機(jī)器人學(xué)”。阿西莫夫提出了“機(jī)器人三原則”1、機(jī)器人不應(yīng)傷害人類,且在人類受到傷害時(shí)不可袖手旁觀；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。

機(jī)器人學(xué)術(shù)界一直將這三原則作為機(jī)器人開發(fā)的準(zhǔn)則，阿西莫夫因此被稱為“機(jī)器人學(xué)之父”。（軍用戰(zhàn)爭(zhēng)機(jī)器人是違反機(jī)器人三原則）1.機(jī)器人的定義、發(fā)展歷史及分類61.2機(jī)器人的發(fā)展歷史1920年，捷克作家卡雷爾1954年，美國人GeorgeC.Devol提出了第一個(gè)工業(yè)機(jī)器人方案并在1956年獲得美國專利。

1960年，Conder公司購買專利并制造了樣機(jī)。

1961年，Unimation公司（通用機(jī)械公司）成立，生產(chǎn)和銷售了第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器“Unimate”，即萬能自動(dòng)之意。1962年，A.M.F.（機(jī)械與鑄造）公司，研制出一臺(tái)數(shù)控自動(dòng)通用機(jī)，取名“Versatran”，即多用途搬運(yùn)之意，并以“IndustrialRobot”為商品廣告投入市場(chǎng)。

1.機(jī)器人的定義、發(fā)展歷史及分類1954年，美國人GeorgeC.Devol提出了1967年，Unimation公司第一臺(tái)噴涂用機(jī)器人出口到日本川崎重工業(yè)公司。1968年，第一臺(tái)智能機(jī)器人Shakey在斯坦福研究所誕生。

1972年，IBM公司開發(fā)出直角坐標(biāo)機(jī)器人。

1973年，CincinnatiMilacron公司推出T3型機(jī)器人。

1978年，第一臺(tái)PUMA機(jī)器人在Unimation公司誕生。1982年，Westinghouse公司兼并Unimation公司，隨后又賣給了瑞士的Staubli公司。

1990年，CincinnatiMilacron公司被瑞士ABB公司兼并。1.機(jī)器人的定義、發(fā)展歷史及分類1967年，Unimation公司第一臺(tái)噴涂用機(jī)器人出日本、西歐各國、前蘇聯(lián)也相斷引進(jìn)或自行研制工業(yè)機(jī)器人。60～70年代是機(jī)器技術(shù)獲得巨大發(fā)展的階段。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。二十世紀(jì)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。

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)。建立了相應(yīng)學(xué)術(shù)組織，定期舉辦學(xué)術(shù)活動(dòng)。國際會(huì)議：ISIP、IEEE——IROS、ICRA等。國際雜志：《RobticsResearch》、《Industrialrobot》、

IEEEtransaction

on《RoboticsandAutomation》等。1.機(jī)器人的定義、發(fā)展歷史及分類日本、西歐各國、前蘇聯(lián)也相斷引進(jìn)或自行研制工業(yè)機(jī)器人。60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(tái)弧焊機(jī)器人（華宇Ⅰ號(hào)）。

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)）。目前國內(nèi)從事機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化的公司有：新松、埃夫特、廣數(shù)、埃斯頓、青島創(chuàng)想、嘉興瑞宏、上海沃迪、東莞啟帆等數(shù)十家企業(yè)

我國也建立了機(jī)器人學(xué)的學(xué)術(shù)組織，定期舉辦學(xué)術(shù)活動(dòng)。學(xué)術(shù)會(huì)議：每?jī)赡曜笥胰マk一次大型全國性會(huì)議。學(xué)術(shù)刊物：《機(jī)器人》、《機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用》等。1.機(jī)器人的定義、發(fā)展歷史及分類我國機(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1.3機(jī)器人的分類機(jī)器人的種類很多。可以按驅(qū)動(dòng)形式、用途、結(jié)構(gòu)和智能水平等觀點(diǎn)劃分

（1）按驅(qū)動(dòng)形式

氣壓驅(qū)動(dòng)

液壓驅(qū)動(dòng)

電驅(qū)動(dòng)

交流伺服驅(qū)動(dòng)

直流伺服驅(qū)動(dòng)

（2）按用途劃分（應(yīng)用領(lǐng)域）

1）工業(yè)機(jī)器人弧焊機(jī)器人點(diǎn)焊機(jī)器人搬運(yùn)機(jī)器人裝配機(jī)器人噴涂機(jī)器人拋光機(jī)器人1.機(jī)器人的定義、發(fā)展歷史及分類1.3機(jī)器人的分類機(jī)器人的種類很多。可以按驅(qū)動(dòng)形式、用途點(diǎn)焊（汽車行業(yè)）弧焊（汽車零部件、工程機(jī)械、船舶行業(yè)）激光加工（汽車零部件、鋼鐵）碼垛（石化、糧食、冶金）機(jī)床上下料（機(jī)加工）鑄件打磨（鑄造，機(jī)加工）分揀包裝（食品、醫(yī)藥）噴涂（汽車、潔具、玩具）澆鑄（鑄造，汽車零部件）——惡劣、繁重、潔凈、高精度等場(chǎng)合工業(yè)機(jī)器人1.機(jī)器人的定義、發(fā)展歷史及分類點(diǎn)焊（汽車行業(yè)）弧焊（汽車零部件、工程機(jī)械、船舶行業(yè)）激光加

2）特種機(jī)器人空間機(jī)器人水下機(jī)器人軍用機(jī)器人教學(xué)機(jī)器人

服務(wù)機(jī)器人

醫(yī)用機(jī)器人

排險(xiǎn)救災(zāi)機(jī)器人

固定式移動(dòng)式輪式履帶式足式蛇行1.機(jī)器人的定義、發(fā)展歷史及分類2）特種機(jī)器人空間機(jī)器人水下機(jī)器人軍用機(jī)器人教學(xué)機(jī)器人“雙鷹”水下機(jī)器人蛟龍?zhí)枴疤剿髡咛?hào)”水下機(jī)器人MER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）空間機(jī)器人——水下機(jī)器人——1.機(jī)器人的定義、發(fā)展歷史及分類“雙鷹”水下機(jī)器人蛟龍?zhí)枴疤剿髡咛?hào)”水下機(jī)器人MER火星漫美國“別動(dòng)隊(duì)”無人機(jī)法國“紅隼”無人機(jī)微型無人機(jī)特種機(jī)器人（二）美國軍用運(yùn)輸機(jī)器人“徘徊者”偵察機(jī)器人（美）“手推車”排爆機(jī)器人（英

）機(jī)器人助手（美）軍用機(jī)器人——1.機(jī)器人的定義、發(fā)展歷史及分類美國“別動(dòng)隊(duì)”無人機(jī)法國“紅隼”無人機(jī)微型無人機(jī)特種機(jī)器人（特種機(jī)器人（三）足球機(jī)器人AIBO機(jī)器狗指揮機(jī)器人迎賓機(jī)器人導(dǎo)盲機(jī)器人跳舞機(jī)器人醫(yī)療機(jī)器人服務(wù)機(jī)器人——娛樂機(jī)器人——1.機(jī)器人的定義、發(fā)展歷史及分類特種機(jī)器人（三）足球機(jī)器人AIBO機(jī)器狗指揮機(jī)器人迎賓機(jī)器人室外保安機(jī)器人排爆機(jī)器人（德）消防機(jī)器人防暴機(jī)器人（中）排險(xiǎn)救災(zāi)機(jī)器人——特種機(jī)器人（四）管內(nèi)機(jī)器人隧道鑿巖機(jī)器人大型噴漿機(jī)器人工程用機(jī)器人——1.機(jī)器人的定義、發(fā)展歷史及分類室外保安機(jī)器人排爆機(jī)器人（德）消防機(jī)器人防暴機(jī)器人（中）排險(xiǎn)3、按智能水平劃分分類名稱簡(jiǎn)要解釋人工操作裝置有幾個(gè)自由度，有操作員操縱，能實(shí)現(xiàn)若干預(yù)定的功能。固定順序機(jī)器人按預(yù)定的不變順序及條件，依次控制機(jī)器人的機(jī)械動(dòng)作?？勺冺樞驒C(jī)器人按預(yù)定的順序及條件，依次控制機(jī)器人的機(jī)械動(dòng)作。但順序和條件可作適當(dāng)改變。示教再現(xiàn)型機(jī)器人通過手動(dòng)或其它方式，先引導(dǎo)機(jī)器人動(dòng)作，記錄下工作程序，機(jī)器人則自動(dòng)重復(fù)進(jìn)行作業(yè)。數(shù)控型機(jī)器人不必使機(jī)器人動(dòng)作，通過數(shù)值、語言等為機(jī)器人提供運(yùn)動(dòng)程序，能進(jìn)行可變程伺服控制。感知型機(jī)器人利用傳感器獲取的信息控制機(jī)器人的動(dòng)作。機(jī)器人對(duì)環(huán)境有一定的適應(yīng)性。智能機(jī)器人機(jī)器人具有感知和理解外部環(huán)境的能力，即使環(huán)境發(fā)生變化，也能夠成功的完成任務(wù)。第一代第二代第三代1.機(jī)器人的定義、發(fā)展歷史及分類3、按智能水平劃分分類名稱簡(jiǎn)要解釋有幾個(gè)自由度，2

機(jī)器人的優(yōu)缺點(diǎn)2.2、缺點(diǎn)替代了工人，由此帶來經(jīng)濟(jì)和社會(huì)問題；缺乏應(yīng)急能力；

靈活性、自適應(yīng)能力還欠缺；設(shè)備費(fèi)用開銷較大。2.1、優(yōu)點(diǎn)能不知疲倦、不厭其煩的持續(xù)工作，不會(huì)有心理問題；具有比人更高的精確度、速度；可以同時(shí)相應(yīng)多個(gè)激勵(lì)或處理多項(xiàng)任務(wù)；可以在危險(xiǎn)環(huán)境下工作，無需考慮生命保障或安全需要；無需舒適的環(huán)境，如照明、空調(diào)、噪音隔離等；其感知系統(tǒng)及其附屬設(shè)備具有某些人類所不具有的能力。這一點(diǎn)已經(jīng)不存在了增加智能和感知能力，完善安全機(jī)制增加智能和感知能力部件、整機(jī)、周邊設(shè)備成本降低2機(jī)器人的優(yōu)缺點(diǎn)2.2、缺點(diǎn)2.1、優(yōu)點(diǎn)這一點(diǎn)已經(jīng)不存在3

機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

進(jìn)入21世紀(jì)，由于人工智能、計(jì)算機(jī)科學(xué)、傳感器技術(shù)的長(zhǎng)足進(jìn)步，使機(jī)器人技術(shù)研究在高水平上進(jìn)行。機(jī)器人在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)、旅游業(yè)、醫(yī)療、公共安全、空間和海洋以及國防等諸多領(lǐng)域獲得越來越普遍的應(yīng)用。未來機(jī)器人技術(shù)將有待于在以下方面發(fā)展。3.1、機(jī)器人機(jī)構(gòu)新型機(jī)器人機(jī)構(gòu)：新型驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)，新型材料，柔性臂，冗余自由度臂，人工肌肉。

仿人與仿生機(jī)構(gòu)：緊湊型多自由度機(jī)構(gòu)，非結(jié)構(gòu)環(huán)境的特殊移動(dòng)機(jī)構(gòu)；

極限環(huán)境下的機(jī)器人機(jī)構(gòu)：如空間、水下等。

微型機(jī)構(gòu)：微納驅(qū)動(dòng)、微納操作。市場(chǎng)牽引，創(chuàng)新思維，做好預(yù)研，搶占先機(jī)也許能在傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人以外的領(lǐng)域開創(chuàng)一片天地3機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)入21世紀(jì)，由于人工智能3.2感覺技術(shù)各種新型傳感器的開發(fā)及其小型化；主動(dòng)視覺與高速運(yùn)動(dòng)視覺；多傳感器系統(tǒng)與多信息融合；惡劣工況下的傳感技術(shù)；3.3控制技術(shù)先進(jìn)控制理論；分組協(xié)調(diào)控制與群控；人機(jī)交互（虛擬現(xiàn)實(shí)、遙操作和人機(jī)合作）；基于傳感信息的規(guī)劃與導(dǎo)航；機(jī)器智能（自主操作、自主控制、自我學(xué)習(xí)）；多智能體系統(tǒng)。3

機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)3.2感覺技術(shù)3.3控制技術(shù)3機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展趨4

機(jī)器人的組成、構(gòu)型及性能要素4.1

機(jī)器人的組成

機(jī)器人是一個(gè)高度自動(dòng)化的機(jī)電一體化設(shè)備。從控制觀點(diǎn)來看，機(jī)器人系統(tǒng)可以分成四大部分：機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)裝置、控制系統(tǒng)、感知反饋系統(tǒng)。內(nèi)部傳感器（位形檢測(cè)）控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)裝置外部傳感器（環(huán)境檢測(cè)）處理器關(guān)節(jié)控制器感知反饋系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作對(duì)象4機(jī)器人的組成、構(gòu)型及性能要素4.1機(jī)器人的組成機(jī)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)預(yù)期的動(dòng)作或操作；相當(dāng)于人的肢體。驅(qū)動(dòng)裝置為執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力；相當(dāng)于人的肌肉、筋絡(luò)。感知反饋系統(tǒng)檢測(cè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置、速度等信息以及機(jī)器人所處的環(huán)境信息；相當(dāng)于人的感官和神經(jīng)?？刂葡到y(tǒng)進(jìn)行任務(wù)及信息處理，并給出控制信號(hào)；相當(dāng)于大腦和小腦。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)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

基座（固定或移動(dòng)）4

機(jī)器人的組成、構(gòu)型及性能要素執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)預(yù)期的動(dòng)作或操作；相當(dāng)于人的肢體。機(jī)器人4.2

機(jī)器人的構(gòu)型

機(jī)器人的機(jī)械配置形式即構(gòu)型多種多樣。最常見的構(gòu)型是用其坐標(biāo)特性來描述的。4.2.1工業(yè)機(jī)器人

(1)直角坐標(biāo)型(3P)

其運(yùn)動(dòng)是解耦的，控制簡(jiǎn)單。但運(yùn)動(dòng)靈活性較差，自身占據(jù)空間最大。4

機(jī)器人的組成、構(gòu)型及性能要素4.2機(jī)器人的構(gòu)型機(jī)器人的機(jī)械配置形式即構(gòu)型多種多樣。最(2)圓柱坐標(biāo)型(R2P)

其運(yùn)動(dòng)耦合性較弱，控制也較簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)靈活性稍好。但自身占據(jù)空間也較大。圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人模型Verstran機(jī)器人Verstran機(jī)器人4

機(jī)器人的組成、構(gòu)型及性能要素(2)圓柱坐標(biāo)型(R2P)圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人模型Verst(3)極坐標(biāo)型（也稱球面坐標(biāo)型）(2RP)

其運(yùn)動(dòng)耦合性較強(qiáng)，控制也較復(fù)雜。但運(yùn)動(dòng)靈活性好。占自身據(jù)空間也較小。極坐標(biāo)型機(jī)器人模型Unimate機(jī)器人4

機(jī)器人的組成、構(gòu)型及性能要素(3)極坐標(biāo)型（也稱球面坐標(biāo)型）(2RP)極坐標(biāo)型機(jī)器人模(4)關(guān)節(jié)坐標(biāo)型(3R)

其運(yùn)動(dòng)耦合性強(qiáng)，控制較復(fù)雜。但運(yùn)動(dòng)靈活性最好，自身占據(jù)空間最小。關(guān)節(jié)型搬運(yùn)機(jī)器人關(guān)節(jié)型焊接機(jī)器人關(guān)節(jié)型機(jī)器人模型4

機(jī)器人的組成、構(gòu)型及性能要素(4)關(guān)節(jié)坐標(biāo)型(3R)關(guān)節(jié)型搬運(yùn)機(jī)器人關(guān)節(jié)型焊接機(jī)器人(5)平面關(guān)節(jié)型(SCARA)

僅平面運(yùn)動(dòng)有耦合性，控制較通用關(guān)節(jié)型簡(jiǎn)單。但運(yùn)動(dòng)靈活性更好，鉛垂平面剛性好。SCARA型裝配機(jī)器人4

機(jī)器人的組成、構(gòu)型及性能要素(5)平面關(guān)節(jié)型(SCARA)SCARA型裝配機(jī)器