机器人技术基础 第一章 机器人概述

1、机器人技术基础 主要参考书:1、机器人学 蔡自兴主编 北京：清华大学出版社，20002、机器人工程 （日）白井良明编著 北京：科学出版社，2001理由之三：机器人做人做不了的事情。比如人们对太空的认识，对原子分子进行搬迁的机器人 。为什么要发展机器人?理由之二：机器人做人不愿意做或做不好的事。比如有毒的、高温的或危险的环境，汽车生产线上的焊接工作 ；机器人汽车焊接生产线理由之一：提高生产效率降低人的劳动强度。比如焊机器人提高生产效率，提高汽车焊接的质量，降低工人的劳动强度 ；汽车装配机器人 机器人的结构 齐次坐标变换（重点） 机器人运动学（重点） 微分变换与雅可比（重点） 机器人动力学（重点）

2、 机器人的控制本课程主要内容：1.1机器人的定义第一章 机器人概述 机器人一词的出现：1920年、捷克作家、 Karel Capek、Rossums Universal Robots，“Robota”（捷克语：奴隶）写成了“Robot ” 。 小说在1924年和1927年的时候被纷纷传到了日本和欧洲等国家，机器人这个名词就向全世界铺展开来。故事情节：带感情 的机器人消灭了人类 ，一对男女机器人相爱 ，机器人进化为人类，世界又起死回生。 上世纪60年代，可实用机械的机器人被称为工业机器人上世纪80年代到现在，正越来越向智能化方向发展 因此，至今为止也没有一个统一的机器人的定义。 机器人学是一门不

3、断发展的科学，对机器人的定义也随其发展而变化。（2）日本工业机器人协会(JIRA)的定义：工业机器人是“一种装备有记忆装置和末端执行器(end effector)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”。（1）美国机器人协会(RIA)的定义：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执行种种任务的，并具有编程能力的多功能机械手(manipulator)”。国际上，关于机器人的定义主要有以下几种：（3）美国国家标准局(NBS)的定义：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装置”。（4） 国际标准化组织(ISO)

4、的定义：“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，能够借助于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”。（5）我国蒋新松院士曾建议把机器人定义为“一种拟人功能的机械电子装置”(a mechantronic device to imitate some human functions)。 我国科学家对机器人的定义：机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。 1.2 机器人的发展及应用一、古代机器人 春秋后期，墨子鲁问记载

5、，鲁班曾制造过一只木鸟，能在空中飞行“三日不下”。“公输子削竹木以为鹊，成而飞之，三日不下。” 西周时期，偃师研制出了能歌善舞的伶人，这是我国最早记载的机器人。 公元前2世纪，亚历山大时代的古希腊人发明了最原始的机器人自动机。可以自己开门，还可以借助蒸汽唱歌。木鸟是风筝的早期形态 指南车，炎帝求援黄帝制造出指南车打败蚩尤；三国时期，魏明帝令马钧造指南车；南齐皇帝萧道成命祖冲之造指南车。 中国古代用指南车 (模型)日本指南车复原模型 3000岁“指南车”在苏州复制成功 后汉三国时期，蜀国丞相诸葛亮成功地创造出了“木牛流马”。用其运送军粮，支援前方战争。 汉代大科学家张衡不仅发明了地动仪，而且发明

6、了计里鼓车，每行一里，车上木人击鼓一下，每行十里击钟一下；宋朝卢道隆制造出由6个齿轮组成的计里鼓车。计里鼓车（复原模型） 咸阳退休高级工程师韩文彬先生设计的另一种“木牛流马”四川成都武侯祠征集的“木牛流马” 19世纪中叶出现了科学幻想派和机械制作派。在机械实物制造方面，1893年摩尔制造了“蒸汽人”，“蒸汽人”靠蒸汽驱动双腿沿圆周走动。1773年，自动书写玩偶、自动演奏玩偶等被连续推出。现在保留下来的瑞士努萨蒂尔历史博物馆里的少女玩偶，还定期弹奏音乐供参观者欣赏。 1927年美国西屋公司工程师温兹利制造了第一个机器人“电报箱”。可以回答一些问题。 二、现代机器人1952年，第一台数控机床的诞生

7、，为机器人的开发奠定了基础。 1954年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。主从机器人 1947年，美国原子能委员会的阿尔贡研究所开发了遥控机械手；1948年，又开发了机械式的主从机械手。 1962年美国AMF公司推出的“VERSATRAN”和UNIMATION公司推出的“UNIMATE”是机器人产品最早的实用机型（示教再现）。 VERSATRANUNIMATE1965年，MIT的Roborts演示了第一个具有视觉传感器的、能识别与定位简单积木的机器人系统 1970年在美国召开了第一届国际工业机器人学术会议1973年，辛辛那提米拉克隆公司的理查德豪恩制造了第一台由小型计算机控制

8、的工业机器人1980年，工业机器人才真正在日本普及，故称该年为“机器人元年”； 1980年以后，工业机器人在日本得到了巨大发展，日本赢得了“机器人王国”的美称 各种用途的机器人：水下机器人、空间机器人、空中机器人、地面机器人、微小型机器人等 新的机器人名称： “软件机器人”、“网络机器人” 、“纳米机器人”、“机器人化机器 ”等相扑机器人无人驾驶振动式压路机德国Rode排爆机器人机器鱼“自由泳”“过龙门”在水中“戏球 ”自主地避开障碍物机器鱼我国研制的排爆机器人上世纪70年代的萌芽期，80年代的开发期和90年代的适用化期。 1972年开始研制自己的工业机器人“七五”期间，完成了示教再现式工业机

9、器人成套技术的开发，研制出了喷涂、点焊、弧焊和搬运机器人1986年国家高技术研究发展计划（863计划）开始实施 上世纪90年代初期起，形成了一批机器人产业化基地我国工业机器人的发展： 日本和美国在20世纪60年代就已经开始进行机器人的研究，与他们相比较，我国还存在较大的差距，因此需要有更多的机器人爱好者加入到发展我国的机器人事业中来。 为了防止机器人伤害人类，科幻作家阿西莫夫于1940年提出了“机器人三原则”1、机器人不应伤害人类；2、机器人应遵守人类的命令，与第一条违背的命令除外；3、机器人应能保护自己，与第一条相抵触者除外。这是给机器人赋予的伦理性纲领。机器人学术界一直将这三原则作为机器人

10、开发的准则。1.3 机器人的分类1. 按工业机器人的几何结构来分直角坐标型（Cartesian Coordinates Robots）柱面坐标型（Cylindrical Coordinates Robots）球面坐标（或极坐标）型（Polar Coordinates Robots）关节坐标型（Articulated Robots）2. 按机器人的控制方式分可分为非伺服机器人和伺服控制机器人：（1）非伺服机器人（non-servo robots） （2）伺服控制机器人 （servo-controlled robots）点位控制 PTP(point to point control)连续路径控制CP(continuous path control)3. 按机器人的智能程度分（1）一般机器人：只具有一般编程能力和操作功能（2）智能机器人：具有不同程度的智能 传感型机器人 交互型机器人 自主型机器人4. 按机器人的用途分（1）工业机器人（2）探索机器人（3）服务机器人（4）军事机器人（5）娱乐机器人5. 按机器人的移动性分单足双足四足六足八足轮式机器人履带式机器人 步行机器人爬行、飞行机器人等（1）固定式机器人（2）移动式机器人 关于机器人如何分类，国际上没有制定统一的标准。国际上的机器人学者，一般从应用环境出发将机器人分为两类：制造环境下的工业机器人 非制造环境