第1章機(jī)器人學(xué)及其智能控制ppt緒論

機(jī)器人學(xué)及其智能控制

第一章緒論緒論機(jī)器人定義機(jī)器人的特點(diǎn)機(jī)器人的發(fā)展歷程機(jī)器人的分類機(jī)器人的組成機(jī)器人的發(fā)展方向機(jī)器人的發(fā)展意義1.1

機(jī)器人定義

機(jī)器人學(xué)是一門不斷發(fā)展的科學(xué)，對機(jī)器人的定義也隨其發(fā)展而變化。因此，至今為止也沒有一個(gè)統(tǒng)一的機(jī)器人的定義。1.1

機(jī)器人定義1886年法國作家利爾亞當(dāng)在他的小說《未來夏娃》中將外表像人的機(jī)器起名為“安德羅丁”（android），它由4部分組成：

（1）生命系統(tǒng)（平衡、步行、發(fā)聲、身體擺動(dòng)、感覺、表情、調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)等）；

（2）造型解質(zhì)（關(guān)節(jié)能自由運(yùn)動(dòng)的金屬覆蓋體，一種盔甲）；

（3）人造肌肉（在上述盔甲上有肉體、靜脈、性別等身體的各種形態(tài)）；

（4）人造皮膚（含有膚色、機(jī)理、輪廓、頭發(fā)、視覺、牙齒、手爪等）。1.1

機(jī)器人定義1920年捷克劇作家Karel·Capek（卡雷爾·卡佩克）的劇本《RossumsUniversalRobota》（《羅薩姆的萬能機(jī)器人》）最早出現(xiàn)了“機(jī)器人”一詞。在劇本中，卡佩克把捷克語“Robota”寫成了“Robot”，“Robota”是奴隸的意思。羅薩姆公司把機(jī)器人作為工業(yè)產(chǎn)品推向市場,從事繁重的勞動(dòng)。后來,公司使機(jī)器人具有了感情,機(jī)器人成了人類生活中必不可少的成員。該劇預(yù)告了機(jī)器人的發(fā)展對人類社會(huì)的悲劇性影響，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。1.1

機(jī)器人定義1950年，美國著名科幻小說家Isaac·Asimov（伊塞克·亞西莫夫）在他的小說《我是個(gè)機(jī)器人》中首次使用了“Robotics”一詞，意思是研究機(jī)器人技術(shù)的一門學(xué)問，譯作“機(jī)器人學(xué)”。他還在這本書中提出了有名的“機(jī)器人三原則”：（1）機(jī)器人不可傷害人；（2）機(jī)器人必須服從人給它的與原則⑴不矛盾的指令；（3）在與前兩個(gè)原則不矛盾的情況下，機(jī)器人可維護(hù)自身不受傷害。這三條原則，給機(jī)器人賦以新的社會(huì)倫理性，并使機(jī)器人的概念通俗化，更易于為人類社會(huì)所接受。至今，它仍為機(jī)器人研究人員、設(shè)計(jì)制造廠家和機(jī)器人用戶，提供了十分有意義的指導(dǎo)方針。國際上，關(guān)于機(jī)器人的定義主要有以下幾種：（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)”。（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(endeffector)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”。1.1

機(jī)器人定義（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)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)”。1.1

機(jī)器人定義（5）我國對機(jī)器人的定義：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”(amechantronicdevicetoimitatesomehumanfunctions)。參考各國的定義，對機(jī)器人給出以下定義：機(jī)器人是一種計(jì)算機(jī)控制的可以編程的自動(dòng)機(jī)械電子裝置，能感知環(huán)境，識(shí)別對象，理解指示命令，有記憶和學(xué)習(xí)功能，具有情感和邏輯判斷思維，能自身進(jìn)化，能計(jì)劃其操作程序來完成任務(wù)。1.1

機(jī)器人定義盡管各國定義不同，但基本上指明了作為“機(jī)器人”所具有的二個(gè)共同點(diǎn)：（1）通用性?？梢栽跓o人參與下，執(zhí)行不同的功能和完成多

樣的簡單任務(wù)的實(shí)際能力。

（2）適應(yīng)性。即對環(huán)境的自適應(yīng)能力。包括：運(yùn)用傳感器感測環(huán)境的能力；分析任務(wù)空間和執(zhí)行操作規(guī)劃的能力；自動(dòng)指令模式能力。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。1.2

機(jī)器人的特點(diǎn)機(jī)器人的優(yōu)缺點(diǎn)一、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。二、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。一、古代機(jī)器人西周時(shí)期，我國的能工巧匠偃師就研制出了能歌善舞的伶人，這是我國最早記載的機(jī)器人。春秋后期，我國著名的木匠魯班，在機(jī)械方面也是一位發(fā)明家，據(jù)《墨經(jīng)》記載，他曾制造過一只木鳥，能在空中飛行“三日不下”，體現(xiàn)了我國勞動(dòng)人民的聰明智慧。1.3

機(jī)器人的發(fā)展歷程一、古代機(jī)器人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。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”，并用其運(yùn)送軍糧，支援前方戰(zhàn)爭。1.3

機(jī)器人的發(fā)展歷程一、古代機(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)。它是以水、空氣和蒸汽壓力為動(dòng)力的會(huì)動(dòng)的雕像，它可以自己開門，還可以借助蒸汽唱歌。1738年，法國天才技師杰克·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。1773年，瑞士的鐘表匠杰克·道羅斯和他的兒子利·路易·道羅斯連續(xù)推出了自動(dòng)書寫玩偶、自動(dòng)演奏玩偶等，現(xiàn)在保留下來的最早的機(jī)器人是瑞士努薩蒂爾歷史博物館里的少女玩偶，它制作于二百年前，現(xiàn)在還定期演奏供參觀者欣賞。二、現(xiàn)代機(jī)器人

現(xiàn)代機(jī)器人的研究始于20世紀(jì)中期，其技術(shù)背景是計(jì)算機(jī)和自動(dòng)化的發(fā)展，以及原子能的開發(fā)利用。1962年，美國機(jī)械與鑄造公司研制成功一臺(tái)數(shù)控自動(dòng)通用機(jī)器，商品名為Versatran（即VersatileTransfer的復(fù)合詞），并以“IndustrialRobot”（工業(yè)機(jī)器人）為商品廣告投入市場，這就是世界上最早的工業(yè)機(jī)器人。同年，美國聯(lián)合控制公司也研制成功了一臺(tái)機(jī)器人，商品名為Unimate（意為萬能自動(dòng)），它由一臺(tái)計(jì)算機(jī)控制，能記憶完成180個(gè)工作步驟。從此以后，機(jī)器人的研究與應(yīng)用就正式拉開了序幕。二、現(xiàn)代機(jī)器人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。此后，機(jī)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(tái)由小型計(jì)算機(jī)控制的工業(yè)機(jī)器人，它是液壓驅(qū)動(dòng)的，能提升的有效負(fù)載達(dá)45公斤。1980年，工業(yè)機(jī)器人才真正在日本等國普及，故稱該年為“機(jī)器人元年”。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展，使機(jī)器人在功能和技術(shù)層次上有了很大的提高，移動(dòng)機(jī)器人和機(jī)器人的視覺和觸覺等技術(shù)就是典型的代表。

機(jī)器人的發(fā)展過程可劃分為三個(gè)時(shí)代：第一代機(jī)器人是“示教再現(xiàn)”機(jī)器人，其工作原理是先通過示教的方法，機(jī)器人將作業(yè)任務(wù)的內(nèi)容存儲(chǔ)記憶下來，然后在工作時(shí)再讀出這些信息，機(jī)器人就再現(xiàn)示教的操作，從而代替人類完成上下料、焊接、噴漆和搬運(yùn)等工作。二、現(xiàn)代機(jī)器人第二代機(jī)器人是帶傳感檢測的機(jī)器人，能反饋?zhàn)陨頎顟B(tài)的變化和作業(yè)環(huán)境及操作對象的簡單信息，可用語言進(jìn)行作業(yè)任務(wù)的程序編制，通過計(jì)算機(jī)的處理和分析，從而更加準(zhǔn)確的完成各種作業(yè)任務(wù)。第三代機(jī)器人即智能機(jī)器人，是具有適應(yīng)性的自治機(jī)器人，可以理解指示指令，感知環(huán)境，識(shí)別對象，具有知識(shí)庫和專家系統(tǒng)，在作業(yè)環(huán)境中能自我決策，獨(dú)立工作，目前還處于實(shí)驗(yàn)階段。1.4

機(jī)器人的分類

機(jī)器人的種類很多?？梢园打?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)形式劃分

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1.4

機(jī)器人的分類（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

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3、按智能水平劃分分類名稱簡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)行可編程伺服控制。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4、按幾何結(jié)構(gòu)劃分（1）利用坐標(biāo)特性分類。

直角坐標(biāo)機(jī)器人：由互相垂直的導(dǎo)軌和手臂構(gòu)成。其運(yùn)動(dòng)是解耦的，控制簡單。但運(yùn)動(dòng)靈活性較差，自身占據(jù)空間最大。

圓柱坐標(biāo)機(jī)器人：主要由垂直柱子、水平手臂和底座構(gòu)成。工作區(qū)間為圓柱面。其運(yùn)動(dòng)耦合性較弱，控制也較簡單，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

球面坐標(biāo)（極坐標(biāo)）機(jī)器人：由底座、球關(guān)節(jié)和手臂構(gòu)成。其工作區(qū)間為球面。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。自身占據(jù)空間也較小。極坐標(biāo)型機(jī)器人模型Unimate機(jī)器人關(guān)節(jié)式球面坐標(biāo)機(jī)器人：由軀干、上臂和前臂構(gòu)成。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

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)?？刂葡到y(tǒng)驅(qū)動(dòng)裝置內(nèi)部傳感器（位形檢測）外部傳感器（環(huán)境檢測）處理器關(guān)節(jié)控制器感知反饋系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作對象1.5

機(jī)器人的組成

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)?？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)于人的大腦和小腦。感知反饋系統(tǒng)--檢測執(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)。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))1.6

機(jī)器人的發(fā)展方向機(jī)器人總體上向著智能化方向發(fā)展。下面是部分具體的發(fā)展方向：

擬人化：不僅外觀像人，能力與智能也像人

多功能化：為人類提高多種高質(zhì)量的服務(wù)

靈巧化：精度提高，靈活性、適應(yīng)性加強(qiáng)

普及化：各種機(jī)器人玩具

大型化與小型化臨場感技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、多智能體技術(shù)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、仿生技術(shù)、信息融合技術(shù)、納米技術(shù)等的進(jìn)一步發(fā)展，必將使機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展如虎添翼。1.7

機(jī)器人的發(fā)展意義

近年來，國外工業(yè)機(jī)械人的發(fā)展非常迅速。據(jù)報(bào)導(dǎo)，目前世界上生產(chǎn)中使用的機(jī)械手和工業(yè)機(jī)器人總臺(tái)數(shù)己達(dá)220萬臺(tái)，特別突出的是日本，其工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)值，曾一度連續(xù)以年增長40％的高速度發(fā)展，2006年全年機(jī)器人銷售額為55，571億日元（約合人民幣3500億元），其中出口額達(dá)到35，539億日元。機(jī)器人產(chǎn)值與2005年同期相比增加了7.6%。歐洲各國也在加快步伐進(jìn)行機(jī)器人的研制和應(yīng)用。國外為什么要大力發(fā)展工業(yè)機(jī)器人?總起來說，是機(jī)器人的特點(diǎn)滿足了社會(huì)生產(chǎn)的需要?，F(xiàn)對工業(yè)機(jī)器人的特點(diǎn)及其帶來的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益如下：1.7

機(jī)器人的發(fā)展意義（1）機(jī)器人對環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)，能代替人從事危險(xiǎn)、有害的操作。在人無法接近的地方，或者在長時(shí)間工作對人體有害的場所，機(jī)器人都不受影響。只要根據(jù)工作環(huán)境條件進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，選用適當(dāng)?shù)牟牧虾徒Y(jié)構(gòu)，工業(yè)機(jī)器人就可以在異常高溫或低溫，異常壓力和有害氣體、粉塵、放射線作用下，以及沖壓、滅火等危險(xiǎn)環(huán)境中勝任工作。如冶煉、鍛選、鑄造和熱處理車間，溫度可達(dá)幾百度，即使穿防護(hù)衣，戴防護(hù)面具、手套等，人也難以堅(jiān)持工作。又如，在金屬?zèng)_壓加上中，工作節(jié)拍快，勞動(dòng)強(qiáng)度大，操作人員稍不留神就會(huì)發(fā)生事故。此外，在焊接操作中的弧光、高溫?zé)熿F和飛濺以及噴漆作業(yè)中的毒性有機(jī)溶劑等有害人體健康的場所，都需要采用工業(yè)機(jī)器人來操作。1.7

機(jī)器人的發(fā)展意義（2）機(jī)器人能持久、耐勞，可以把人從繁重單調(diào)的勞動(dòng)中解放出來，并能擴(kuò)大和延伸人的功能。人在連續(xù)工作幾小時(shí)以后，總會(huì)感到疲勞或厭倦，需要有一段休息的時(shí)間。而工業(yè)機(jī)器人可以不受工作時(shí)間和場所的限制，只要對它注意維護(hù)、檢修，適當(dāng)更換易損件就可以了。例如，在汽車總裝配中，點(diǎn)焊和擰螺絲的工作量很大(一輛汽本有數(shù)百甚至上千個(gè)焊點(diǎn))，又采用傳送帶流水作業(yè)，如果由人來進(jìn)行這些操作，就會(huì)緊張到連喘氣的時(shí)間都沒有的程度。如果采用機(jī)械手或工業(yè)機(jī)器人，就可以把人從單調(diào)的緊張勞動(dòng)中解放出來。1.7

機(jī)器人的發(fā)展意義（3）機(jī)器人動(dòng)作準(zhǔn)確性高，可保證穩(wěn)定和提高產(chǎn)品質(zhì)量。工業(yè)機(jī)器人不像人那樣，容易受精神和生理因素的影響，它不會(huì)因?yàn)榫o張、馬虎、疲勞或視覺差等原因引起失誤。也就是說，工業(yè)機(jī)器人可以避免人為操作上的錯(cuò)誤，而按照設(shè)計(jì)精確度（加重復(fù)定位精度）保證動(dòng)作的準(zhǔn)確性，從而保證產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。對于一些技術(shù)要求較高、難度較大的作業(yè)，采用機(jī)器人也可以保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率。目前，裝配機(jī)器人定位精度可高達(dá)0.02—0.05mm，這是人所不能及的。有些精密產(chǎn)品，如大規(guī)模集成電路裝配等，如不采用機(jī)器人等自動(dòng)化設(shè)備，而用手工操作，就不能保證產(chǎn)品質(zhì)量要求。1.7

機(jī)器人的發(fā)展意義（4）機(jī)器人通用性靈活性好，能適應(yīng)產(chǎn)品品種迅速變化的要求，滿足柔性生產(chǎn)的需要。現(xiàn)代社會(huì)用戶對產(chǎn)品的需求不僅是數(shù)量上不斷增長，更重要的是對品種規(guī)格的要求多樣化，而且是層出不窮，不斷發(fā)展。這就迫使制造廠必須不斷改進(jìn)產(chǎn)品，增加花色品種，以滿足用戶的各種需求，否則，就有在市場競爭中被淘汰的危險(xiǎn)。工業(yè)機(jī)器人由于動(dòng)作程序和運(yùn)動(dòng)位