机器人第1章绪论

1、机器人学导论 Introduction to Robotics,Mechanics and Control目录目录1 绪论绪论 22 数学基础数学基础-矢量变换矢量变换 63 运动学分析运动学分析 64 动力学分析动力学分析5 轨迹规划轨迹规划6 控制控制学时：共学时：共32-课堂课堂26，实验，实验61 绪论绪论1.1 机器人发展历史机器人发展历史1.2 定义和分类定义和分类 1.3 构成构成1.4 机器人应用机器人应用 1.5 发展方向研究现状发展方向研究现状1.1 机器人发展历史机器人发展历史Robot：1920年；捷克作家卡雷尔年；捷克作家卡雷尔卡佩克卡佩克（Karel Capek）剧

2、本）剧本- Rossums Universal Robots ，剧中人造劳动者，剧中人造劳动者-RobotaHistory古代古代“机器人机器人”现代机器人的雏形现代机器人的雏形 西周：偃师西周：偃师-歌舞艺人歌舞艺人春秋后期：春秋后期：墨经墨经-鲁班：木鸟，鲁班：木鸟， “三日不下三日不下” 。公元前公元前2世纪：古希腊人世纪：古希腊人太罗斯，青太罗斯，青铜雕像，以水、空气和蒸汽压力为动铜雕像，以水、空气和蒸汽压力为动力，开门，借助蒸汽唱歌。力，开门，借助蒸汽唱歌。汉代：张衡汉代：张衡-地动仪，计里鼓车地动仪，计里鼓车 现代机器人的发展历史现代机器人的发展历史(1)二战期间（二战期间（193

3、8-1945）: “遥控操纵器遥控操纵器”（Teleoperator）;放射放射性材料生产和处理性材料生产和处理.1947年，改进，采用年，改进，采用电动伺服，从动部分跟随主动部分运动，电动伺服，从动部分跟随主动部分运动，称为称为主从机械手主从机械手（Master-Slave Manipulator）。）。1949-1953: 美国麻省理工学院美国麻省理工学院-数控铣床数控铣床1954年年:美国人美国人George C. Devol-“可可编程编程”“”“示教再现示教再现”机器人机器人 现代机器人的发展历史现代机器人的发展历史(2)60年代年代: 机器人产品正式问世，机器人技术机器人产品正式问

4、世，机器人技术开始形成开始形成1960年年:美国美国Consolidated Control-工业工业机器人，并成立了机器人，并成立了Unimation公司，开始公司，开始定型生产名为定型生产名为Unimate的工业机器人。的工业机器人。70年代年代: 发展成为专门学科发展成为专门学科, 机器人学机器人学（Robotics）。）。80年代年代: 智能机器人智能机器人-视觉、触觉、力觉、接视觉、触觉、力觉、接近觉近觉机器人学研究内容机器人学研究内容基础研究和应用研究基础研究和应用研究主要研究内容有：主要研究内容有： 机械手设计；机械手设计； 机器人运动学、动力学和控制；机器人运动学、动力学和控制

5、；(3) 轨迹设计和路径规划；轨迹设计和路径规划；(4) 传感器传感器(包括内部传感器和外部传感包括内部传感器和外部传感器器)；(5) 机器人视觉；机器人视觉；(6) 机器人语机器人语言；言；(7) 装置与系统结构；装置与系统结构；(8) 机器人智机器人智能等。能等。1.2 机器人的定义和分类 仁者见仁，智者见智仁者见仁，智者见智 / / 人：哲学问题人：哲学问题ISOISO：机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能：机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能机械手，这种机械手具有几个轴，能够借力的多功能机械手，这种机械手具有几个轴，能够借助可编程序操作来处理各种材料、零件、工具和

6、专用助可编程序操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行种种任务。装置，以执行种种任务。美国国家标准局（美国国家标准局（NBSNBS）：机器人是一种能够进行编程）：机器人是一种能够进行编程并在自动控制下执行某些操作和移动作业任务的机械并在自动控制下执行某些操作和移动作业任务的机械装置。装置。美国机器人协会（美国机器人协会（RIARIA）: :机器人是一种用于移动各种材机器人是一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置的，通过可编程序动作来料、零件、工具或专用装置的，通过可编程序动作来执行种种任务的，并具有编程能力的多功能机械手。执行种种任务的，并具有编程能力的多功能机械手。日本工业机器人

7、协会（日本工业机器人协会（JIRAJIRA）：工业机器人是一种装备）：工业机器人是一种装备有记忆装置和末端执行器的，能够转动并通过自动完有记忆装置和末端执行器的，能够转动并通过自动完成各种移动来代替人类劳动的通用机器。成各种移动来代替人类劳动的通用机器。机器人定义机器人定义 1. 机器人的动作机构具有类似于人或其他生物体某些器官 ( 如 肢体、感官等 ) 的功能；2. 机器人具有通用性，工作种类多样，动作程序灵活易变，是柔性加工主要组成部分；3. 机器人具有不同程度的智能，如记忆、感知、推理、决策、学习等；4. 机器人具有独立性，完整的机器人系统，在工作中可以不依赖于人的干预。机器人分类机器人

8、分类 第一代机器人第一代机器人：可编程、示教再现工业机器人-商品化、实用化。 第二代机器人第二代机器人：低级智能机器人-有一定的传感装置，能获取作业环境、操作对象的简单信息，通过计算机处理、分析，能作出简单的推理，对动作进行反馈。只有少数可投入应用。 第三代机器人第三代机器人：自治机器人-具有多种感知功能，可进行复杂的逻辑思维、判断决策，在作业环境中独立行动。研究阶段。按照结构形态分类按照结构形态分类 超大型机器人：负载能力 1000 kg 以上 大型机器人：100-1000 kg / 10 m2 以上 中型机器人：10-100 kg / 1 10 m2 小型机器人：0.1-10 kg / 0

9、.1-1 m2 超小型机器人：0.1 kg 以下 / 0.1 m2 以下分类分类 按照开发内容和目的按照开发内容和目的 工业机器人（工业机器人（Industrial Robot）：如焊接、喷漆、装）：如焊接、喷漆、装配机器人。配机器人。 操纵机器人（操纵机器人（Teleoperator Robot）：如主从手，遥控）：如主从手，遥控排险、水下作业机器人。排险、水下作业机器人。 智能机器人（智能机器人（Intelligent Robot）：如演奏、表演、下）：如演奏、表演、下棋、探险机器人。棋、探险机器人。 特种机器人和微型机器人特种机器人和微型机器人 特种机器人（特种机器人（Special R

10、obots）：航天飞机上的机械手）：航天飞机上的机械手在失重状态下的工作，海洋探测机器人、军用机器人在失重状态下的工作，海洋探测机器人、军用机器人、防核防化机器人、爬壁机器人、微小物体操作机器、防核防化机器人、爬壁机器人、微小物体操作机器人等。人等。 微型机器人（微型机器人（Micro-robots）：体积小，如管道机器人）：体积小，如管道机器人、血管疏通机器人。、血管疏通机器人。 微动机器人（微动机器人（Micro-movement robots ）：动作小、精）：动作小、精度高，如细胞切割机器人、微操作和微装配机器人等度高，如细胞切割机器人、微操作和微装配机器人等 1.3 机器人构成机器人

11、构成 ( Structure and Control of Robots )执行机构、驱动和传动装置、传感器和控制器记忆、示教 装置控制装置驱动装置传感器 执行机构：执行机构：机器人的足、腿、手、臂、腰及关节等，它是机器人运动和完成某项任务所必不可少的组成部分。 驱动和传动装置：驱动和传动装置：用来有效地驱动执行机构的装置，通常采用液压、电动和汽动，有直接驱动和间接驱动二种方式。 传感器：传感器：是机器人获取环境信息的工具，如视觉、听觉、嗅觉、触觉、力觉、滑觉和接近觉传感器等，它们的功能相当于人的眼、耳、鼻、皮肤及筋骨。 控制器：控制器：是机器人的核心，它负责对机器人的运动和各种动作控制及对环

12、境的识别。示教再现、可编程控制、遥控和自主控制等多种方式。机器人构成机器人构成 1.4 机器人应用机器人应用UNIMATE公司:PUMA/560 PUMA/560机器人 PUMA/560六自由度机器人结构 日本三菱公司MOVEMASTER-EX 五自由度机器人 主从式机器人与人协同动作主从式机器人与人协同动作汽车装配机器人汽车装配机器人 汽车装配机器人汽车装配机器人 一汽红旗轿车机器人焊接线一汽红旗轿车机器人焊接线弧焊机器人弧焊机器人点焊机器人点焊机器人铆接机器人铆接机器人 海洋探测机器人海洋探测机器人1990年日本海洋科技中心 研制的“海沟号”缆控式无人潜水器（左）及其在大海中工作时的情况（

13、右） CR-01型型6000米水下无缆机器人米水下无缆机器人1995年8月我国沈阳自动化所机器人中心研制的CR-01型6000米水下无缆机器人（上）和正在下水的情况（右） 空间机器人空间机器人美国航空航天局（NASA）研究的月球车在月球表面NASA “索杰纳索杰纳”火星车火星车1997年年7月月4日日17时时07分，美国航空航天局（分，美国航空航天局（NASA）发）发射的火星探路者号宇宙飞船成功地在火星（射的火星探路者号宇宙飞船成功地在火星（Mars）表面）表面着陆，着陆，“索杰纳”火星车在火星上成功地工作了火星车在火星上成功地工作了250天。天。2003年年6月先后升空的美国月先后升空的美国

14、“勇气”（Spirit）号和）号和“机遇”（Opportunity）号火星车经过）号火星车经过1.2亿公里和半年多的亿公里和半年多的长途飞行，分别于长途飞行，分别于2004年年1月月3日和日和24日先后登陆火星，日先后登陆火星，向地球传来大量清晰的火星图片。向地球传来大量清晰的火星图片。日本日本 火星探测机器人火星探测机器人军用机器人军用机器人英国研制的履带式“手推车” （上图）、 “土拨鼠”（右图右）和“野牛”（右图左）排爆机器人在波黑及科索沃战争中用来探测及处理爆炸物 机器警察机器警察德国德国 排爆机器人排爆机器人沈阳自动化所 排爆机器人工兵机器人美国将M60坦克的炮塔去掉后改装的豹式扫雷

15、车德国德国 Minebreaker 2000机器人扫雷车机器人扫雷车 保安机器人美国MDARS-E室外保安机器人MPR-800多用途机器人，可用于扫雷、灭火、核生化污染清除等多项危险工作侦察机器人 美国 “徘徊者”侦察机器人由M113装甲运输车改装 美国国防高级研究计划局 在研2.54厘米大小昆虫机器人水下扫雷机器人瑞典博福斯公司瑞典博福斯公司 “双鹰双鹰”水下扫雷机器人水下扫雷机器人 美国罗克威尔公司及美国罗克威尔公司及IS机器人公司机器人公司 “水下自水下自主行走装置主行走装置”（ALUV）的水下扫雷机器蟹）的水下扫雷机器蟹 无人机 “暗星暗星”无人机无人机“别动队别动队”无人机无人机法国

16、法国“红隼红隼”无人机无人机高空无人侦察机高空无人侦察机鬼怪式无人机鬼怪式无人机发射Brevel无人机只有15厘米的微型无人机 特种机器人复合式直径6.14米盾构掘进机隧道凿岩机器人 自动无轨堆垛机自动无轨堆垛机 机器人化装载机 自动摊铺机 移动机器人 法国国家科法国国家科学研究中心学研究中心和系统分析和系统分析与结构实验与结构实验室室 ILARE 2型移型移动机械手动机械手法国蒙特皮里亚（Montpellier）微电子与机器人实验室 LIRMM移动机器人 微型机器人工业管道机器人移动探测系统 SMA六足微型六足微型机器人机器人:甲虫，外 形 尺 寸 为253030mm3，重20克，步行速度1

17、8mm/分，有12个自由 度 ， S M A（形状记忆合金）驱动源。 微型飞行器：未来战场上的重：未来战场上的重要侦察和攻击武器，能以可接要侦察和攻击武器，能以可接受的成本执行某一有价值的任受的成本执行某一有价值的任务。能传输实时图像或执行其务。能传输实时图像或执行其它功能，小尺寸（它功能，小尺寸（20厘米）、厘米）、足够巡航范围（不小于足够巡航范围（不小于5公里公里）和飞行时间（不小于）和飞行时间（不小于15分钟分钟）微型战术无人机微型战术无人机：战争危险估计、目标搜索、通信中继，监测化学、核或生物武器，侦察建筑物内部情况。可适用于城市、丛林等多种战争环境。 娱乐机器人机器人足球赛 机器人相

18、扑大赛 相扑机器人相扑机器人机器狗与机器昆虫机器狗与机器昆虫 吹笛机器人 小提琴机器人机器人乐队机器人舞蹈机器龟走迷宫 服务机器人脑外科机器人辅助系统护士助手机器人遥控操作手术（格林系统）导盲机器人和智能轮椅智能轮椅导盲机器人爬缆索机器人和清洗巨人爬缆索机器人爬缆索机器人: 检查、打磨、清洗、去静电、底涂和面涂清洗巨人清洗巨人：利用两套计算机和一个机器人控制器清洗飞机，人工清洗波音747飞机需要95个工时，机器人清洗仅需12个工时。 高楼擦窗和壁面清洗机器人 消防机器人和救援机器人雕刻机器人和汽车加油机器人加油机器人加油机器人雕刻机器人雕刻机器人导游机器人和礼仪机器人 农业和林业机器人 摘西红

19、柿机器人 温室中的嫁接机器人林木球果采集机器人林木球果采集机器人 伐根机器人伐根机器人 仿人形机器人P2 本P3 日本本田公司日本本田公司:10多年的开发，多年的开发，1997年世界年世界领先地位的双足步行机器人领先地位的双足步行机器人P3 ，按研制时间先后，把，按研制时间先后，把双足步行机器人分别命名为双足步行机器人分别命名为P1、P2、P3等。等。P3的高度的高度为为160cm，体重，体重130公斤。公斤。被称为二哥的机器人被称为二哥的机器人P2身高身高1.80米，体重米，体重120公斤，看公斤，看起来笨头笨脑，但行动起来起来笨头笨脑，但行动起来却很灵活，它们不仅能在平却很灵活，它们不仅能

20、在平坦的地面上行走，还能够完坦的地面上行走，还能够完成上台阶和用扳手拧螺钉等成上台阶和用扳手拧螺钉等高难动作。高难动作。我国研究的仿人型机器人 哈尔滨工业大学双足步行机器人在爬楼梯 国防科技大学研制 “先行者”仿人型机器人北京航空航天大学研究的多指灵巧手 1.5 机器人发展方向与研究现状机器人发展方向与研究现状应用领域的进一步扩大应用领域的进一步扩大制造业非制造业:农业、林业、军事、海洋勘探、太空探索、生物医学工程等深入日常生活深入日常生活服务机器人：清洁机器人、保健机器人等未来的机器人未来的机器人“人”：听、看、说、识别环境，具有记忆、推理和决策能力，在某些方面甚至有超过人的能力，如计算、速度、记忆、力量和适应恶劣环境的能力等。人类对机器人将逐渐实现语言、表情甚至意念等方式进行控制主要参考书主要参考书Richard P.Paul. Robot Manipultons: Mathematics, Programming and Control. The MIT Press, Cambridge, MA, USA, 1981H.Asada, J