机器人概述课件

机器人概述机器人技术研究的内容：1、机器人机构学2、模型的建立：位姿描述3、机器人机构运动学4、机器人动力学5、机器人的控制6、机器人视觉与传感器7、机器人语言和离线编程

机器人概述

第1节机器人的相关概念

第2节机器人的发展历史及分类

第3节机器人的分类及广泛应用

第4节我国机器人发展的情况

主页一、机器人的定义国际标准化组织（ISO）采纳了美国机器人协会给“机器人”下的定义：“一种可以反复编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机；或者为了执行不同的任务而具有可改变的和可编程动作的专门系统”。

机器人外表不一定像人，或者根本不像人。像人的机器人是仿生类人机器人。制造机器人的目的是为了让机器人能具有人的劳动机能，来代替人的工作，减轻人的劳动负担。第一章机器人概论

第一节机器人概念二、机器人与现代科学技术的相互关系

机器人学是一门综合性很强的学科。它与现代科学技术的各个方面有着密切的联系。 机械学 机构学 力学 数学 计算机学 控制论 人工智能 电子工程 仿生学 行为学 认知论

这些科学技术的发展推动了机器人学的发展；另一方面，机器人学的发展反过来也推动了这些相关科学的发展。机电工程生命科学社会科学第二节机器人的发展历史▲早在我国西周时代（公元前1066年-前771年），就流传有关巧匠偃师献给周穆王歌舞机器人（艺伎）的故事。▲公元前3世纪，古希腊发明家戴达罗斯用青铜为克里特国王迈诺期塑造了一个守卫塑造了一个守卫宝岛的青铜卫士塔罗斯。▲我国东汉时期（公元25-220年），张衡发明的指南车是世界上最早的机器人雏形。▲我国在三国时期，诸葛亮发明了运送粮草的“木牛流马”。▲

1893年，加拿大摩尔设计的能行走的机器人“安德罗丁”。

一、古代机器人的发展历史二、现代机器人研究的进展：

进入20世纪之后，机器人已躁动于人类社会和经济的母胎之中。英语中的机器人即Robot，来源于捷克作家卡雷尔·查培克于1920年所写的剧本《RossumUniversalRobot》主人公的名字，该剧塑造了只会劳动，不会思维的机器人形象。

1950年，美国著名的科学幻想小说家阿西莫夫在他的小说《我是机器人》中，提出了有名的“机器人三守则”：

(1)机器人必须不危害人类，也不允许它眼看人将受害而袖手旁观；

(2)机器人必须绝对服从于人类，除非这种服从有害于人类；

(3)机器人必须保护自身不受伤害，除非为了保护人类或者是人类命令它作出牺牲;

这三条守则，给机器人社会赋以新的伦理性，并使机器人概念通俗化，更易于为人类社会所接受。1、从20世纪40年代到70年代初期

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20世纪40年代，美国橡树岭和阿尔贡国家实验室研制了遥控式主从机械手。▲

50年代，美国人乔治-德沃尔设计了第一台电子程序可编的工业机器人，并于1961年发表了该项机器人专利。▲60年代，美国万能自动（Unimation）公司的第一台机器人Unimate在美国通用汽车公司（GM）投入使用。60年代末期，工业机器人得到了广泛的的应用。

▲70年代，出现了更多的机器人商品。辛辛那提米拉克龙（CincinnatiMilacron）公司于1973年制成的第一台适于投放市场的机器人T3，79年，Unimation公司推出了PUMA系列机器人。日本三梨大学推出了SCARA型机器人。

3、到80年代中期机器人制造业成为发展最快和最好的经济部门之一。到20世纪80年代后期，由于传统机器人用户应用工业机器人已趋于饱和，从而造成工业机器人产品的积压，不少机器人厂定倒闭或被兼并，使国际机器人学研究和机器人产业出现不景气。到90年代初，机器人产业出现复苏和继续发展迹象迹象。但是，好景不长，1993-1994年又出现低谷。1995年以来，世界机器人数量逐年增加，增长率也较高。到2000年，服役机器人约100万台；机器人学仍然维持较好的发展势头，满怀希望跨入21世纪。1、按机器人用途分：

1）工业机器人

2）海洋开发机器人

3）极限环境机器人

4）宇宙开发机器人

5）军事应用机器人

6）农牧业机器人

7）医疗福利机器人

8）类人机器人

9）娱乐竞赛机器人第三节机器人的分类及广泛应用

一、机器人的分类：（二）海洋开发机器人

海底的资源十分丰富。将来争夺的资源主要是在海洋。但水的深度却让人生畏，而机器人为我们解决这个问题提供了可能。机器人常用于：

1、海洋测量 2、多目标观测 3、海底施工 4、电缆铺设 5、管道连续维修 6、石油和锰结核等矿产资源的开采图片（三）极限环境机器人

原子能的利用给我们的生活带来了很大的方便。但他的危害也给我们的生活带来了巨大的威胁。在核辐射很强的环境下，人是很难去工作的。这时，机器人给我们提供了方便。

机器人用于：

1、放射性物质搬运 2、设备检查维修 3、污染物处理（四）宇宙开发机器人

人类的本领就在于不断的认知世界，而对人类而言，宇宙的未知东西实在很多，因此，人类很早就开始研究宇宙和太空。机器人技术的应用给人类对太空的研究带来了很大的方便。由于宇宙环境的特殊性，对于机器人亦有较高的要求。

机器人用于： 1、星球探索 2、人造卫星施放与回收 3、航天器与空间站对接 4、为航天飞机和空间站作各种服务；能源保证、故障排除和维修服务等图片（五）军事应用机器人

现代化的战争已不能靠人多而取胜，而应靠高科技的武器装备，但人员伤亡免不了。而机器人则不同，他不惧怕任何东西，在危险情况下能完成人赋予的各种不同的任务。主要用于：

1）侦察 2）搜索 3）布雷 4）扫雷 5）装填弹药 6）爆炸物及污染物的处理图片（六）农牧业机器人

农牧业也离不开机器人，因为它能替人去完成各种体力劳动，使人从繁重的体力劳动中解脱出来。主要应用于：

1）撒农药 2）施肥 3）挤奶 4）剪羊毛 5）喂食（八）类人机器人

大多数的机器人并不像人，有的甚至没有一点人的模样，研制出外观和功能与人一样的机器人是我们梦寐以求的愿望，也是我们不懈追求的目标。然而，研制出性能优异的类人机器人谈何容易！不要说让机器人去完成什么样的工作，仅双足直立行走就是一个很大的难关。美、日等国都在研制类人机器人方面进行了很多有益的探索，并取得了很多研究成果。日本本田公司于1997年10月推出了类人机器人P3；美国麻省理工学院研制出了类人机器人科戈（COG）；德国和澳大利亚共同研制出了装有52个汽缸、身高2米、体重150千克的大型机器人。我国也在这方面做了很多工作，国防科技大学、哈尔滨工业大学研制出了两足行走机器人、北京航天大学、北京科技大学研制出了多指灵巧手等。图片

娱乐机器人以供人观赏、娱乐为目的，具有机器人的外部特征，可以像人，像某种动物，像童话或科幻小说中的人物等。同时具有机器人的功能，可以行走或完成动作，可以有语言能力，会唱歌，有一定的感知能力。

竞赛机器人是近十年来兴起的一种机器人，对应各种不同的竞赛其机器人也各不相同，如机器人足球赛、亚广联的机器人电视大赛等。（九）娱乐竞赛机器人图片

直角坐标型

圆柱坐标型

球坐标型

关节型3、按技术等级分

机器人从初级到高级，大概可以分为三代：

1）第一代机器人

2）第二代机器人

3）第三代机器人第二代机器人

第二代机器人是带感觉的机器人，它具有对一些外界信息进行反馈的能力，诸如力觉、触觉、视觉等。其控制方式比第一代机器人要复杂得多，这种机器人已经进入普及阶段。第三代机器人

第三代机器人即智能机器人。我们对智能机器人的理解是“可动自治装置，能理解指示命令，感知环境，认别对象，计划其操作程序以完成任务”。这也是智能机器人的特点。4、按移动方式分

(1)固定式机器人

固定在某个底座上，整台机器人（或机械手）不能移动，只能移动各个关节。

(2)移动机器人

整个机器人可沿某个方向或任意方向移动。这种机器人又可分为轮式机器人、履带式机器人和步行机器人，以及推进器和喷射器式机器人。步行机器人又有单足、双足、四足、六足和八足行走机器人之分。(1)水下机器人技术走进世界前列★我们在完成1000米水下无缆自治机器人的研制后，又与俄罗斯合作成功地研制了6000米水下无缆自治机器人并实现了工程化。1995和1997年在夏威夷东南太平洋5800米水深处成功地进行了两次大洋探测试验，取得了海底锰结核分布的宝贵资料，使我国成为世界上少数几个具有深海探测能力的国家之一。(2)机器人化推动我国工程机械的更新换代

★智能机器人主题经过多年的探索，确定了利用机器人技术改造现有的机器，即研制机器人化机器，相继完成了无人驾驶的振动式压路机、具有自动推平功能的推土机、可编程挖掘机、自动凿岩机、大型遂道喷浆机等机器人化工程机械，促进了我国工程机械产品升级换代。此外，农业、建筑、冶金等行业的机械机器人化工作也在逐步展开，这条技术辐射之路越来越宽，为我国传统机器的改造做出的贡献也越来越大。(3)特种机器人发展方兴末艾

★智能机器人主题在完成了防核化侦察车、遥控移动机器人及爬壁机器人以后，又开发出防爆机器人、自动引导车、各种罐体爬壁清扫机器人、玻璃清扫机器人等，取得了广泛的应用。90年代初，进一步将机器人技术向微细操作空间延伸，研制成功多自由度微操作机器人，并在生物与医学工程取得成功应用。此外，在微小空间探测的小机器人研究也有了突破，在农业、建筑、服务、娱乐等领域应用的各种机器人也都取得成果，这些都为特种机器人的发展开拓了广阔前景。（4)工业机器人系列产品和应用工程成为机器人产业化的龙头

★在工业机器人方面，研制出具有国际90年代水平的实用型装配机器人、弧焊机器人、点焊机器人及自动导引车(AGV)等一系列产品，并实现了小批量生产及其应用工程，如汽车自动焊接线，金城、三水摩托车焊接线及自动码垛、小型电器自动装配线等多项机器人示范应用工程。（5）产业化基地的建设带来了的希望

★以实现产业化为目标，积极支持机器人产业化基地的建设，我们现已经形成了沈阳自动化研究所的新松机器人公司、哈尔滨工业大学的博实机器人公司、北京机械工业自动化研究所机器人开发中心等9个机器人产业化基地，为我国发展机器人产业奠定了基础。（6）应用技术研究成为技术创新的基础

★十多年来，智能机器人主题支持了一批机器人技术的应用基础研究，使我国在机器人移动机构、灵巧手爪、机器人传感器控制、协调控制、机器人三维视觉、力觉及触觉传感器以及智能技术等方面取得了一批具有国际水平的成果，发表论文近千篇。这些成果的取得一方面为先进机器人系统的开发进行了先期研究，同时也使我国在国际机器人技术研究行列中占有了一席之地，为进一步创新研究打下了良好的基础。（7）科研基地已成为机器人产业发展的技术源头

★智能机器人主题建设了一批机器人技术科研基地，如沈阳自动化研究所的智能机器人工程中心、哈工大的机器人机构学网点实验室、南开大学的机器人控制理论与方法实验室、清华大学的人工智能在机器人中应用网点实验室、科学院自动化研究所的机器人视觉实验室、科学院智能机械研究所的机器人非视觉传感器实验室及上海交大的机器人装配实验室。它们己成为我国机器人技术研究与开发的人才培养中心，以及国内外进行学术交流的窗口。

(8)培养造就了中国机器人研究开发队伍和学术带头人

★863计划的实施也为我国培养了一大批机器人技术的研究人才，支持了一批出国归来的留学人员，使他们成为我国机器人事业发展的中坚，不仅出现了以蒋新松同志为代表的具有忘我奉献与实干精神的老一代机器人专家，也涌现出一批朝气蓬勃的年青的机器人专家，成为我国发展机器人事业的骨干。(9)积极开展国际合作促进中国机器人更快地走向世界

★在国际合作方面，1991年主题专家组与国际机器人专家在北京共同兴办了机器人发展战略讨论会，使国际机器人界了解了我国机器人的发展，扩大了我国机器人技术的国际影响。从1992年开始，智能机器人主题成功地与俄罗斯合作研制6000米水下自治机器人，并且与日本合作研究爬壁机器人，使我国特种机器人研究迈上了新台阶。1998年我国加入了主要由西方发达国家组成的国际先进机器人发展计划（IARP)组织。2.我国发展机器人的需求分析

目前，我国装备制造业的整体水平与发达国家相比尚有较大的差距，尤其是在战略必争装备技术与竞争前核心技术、基础制造装备与成套关键装备制造技术等方面差距更大，这种差距主要体现在先进装备的自主设计与独立制造能力差，成套与系统集成、优化能力差，技术创新和集成创新能力差。这些差距已经成为制约我国制造业乃至其他行业经济发展的关键瓶颈问题之一。

如何适应激烈的国际竞争和快速变化的世界市场需求，不断以高质量、低成本、快速响应的手段在新的市场竞争中求得生存和发展，已是我国装备制造业不容回避的问题。1）国家发展迫切需要的战略必争装备与竞争前核心技术

战略必争装备是指那些涉及国家安全、经济命脉以及在国际经济竞争中对国民经济影响重大的装备；竞争前核心技术是指在未来的国际竞争中有可能开拓新的广阔市场或成为新的战略必争技术。可以说，战略必争装备与竞争前核心技术关系到一个国家的战略安全。机器人技术应用：战略资源勘探——海洋资源开发的水下作业和空间资源探索——深海作业机器人、太空探测机器人；用于高精尖设备制造的超精密加工装备，面向IT等产业的电子专用制造装备——工业智能机器人；微机电系统以及集当代众多高技术于一身的仿人形机器人、仿生机器人、微操作机器人等特种机器人。2）水下作业装备

21世纪是人类向海洋进军的世纪。为进行海上石油开发、海洋科学研究、海底矿藏勘探开发、海底打捞救生以及军事应用，如侦察巡逻、扫雷、预警等，迫切需要进一步开发水下作业装备。

国际公海组织规定，对有能力进行深海勘探的国家将有优先开采权。“九五”期间，我国海洋局已开发的6000m水下机器人，在太平洋上勘探了30万平方公里，并获得了其中矿产资源最丰富的7．5万平方公里的优先开采权。我国在水下机器人方面虽然拥有一定的基础，但与美国。俄罗斯、日本等国相比还有很大的差距，远不能满足未来开发海洋的需求，我国在深海载人潜水器、深海作业机器人、12000m海沟探测机器人等方面还有很多没有开发而必须开发的装备。3）超精密加工装备

信息、航空、航天，特别是国防工业对精密和超精密加工的需求是非常迫切的。如导弹、航空与航天器上使用的精密陀螺仪（精密陀螺仪转子的偏心增加0.5ｕm，将引起100m的射程误差和50m的轨道误差），飞机和潜艇上使用的高精度叶片，空对空导弹上使用的红外接收器非球面反射镜，航天望远镜上使用的超精密镜片等，无一不需要特殊的精密与超精密加工技术。同时，精密、超精密加工技术是先进制造技术的基础和关键，也是一些高新技术和某些尖端科学赖以存在和发展的基础。

目前，国际上超精密车床主轴回转精度均已达0．025ｕm。工件表面粗糙度Ｒa=0.01～0.02ｕm，最高达0．0045ｕm。进入本世纪，超精密加工的精度将达至0.001ｕm（1nm）。超精密加工尤其是纳米加工是当前各工业发达国家主攻的目标。此外，超精加工材料对象由金属扩大到非金属，高密度、高能量的粒子束加工工艺和装备，以三维曲面加工为主的高性能超精密加工工艺和装备以及配套的三维超精密检测技术和加工环境的控制技术等正成为进一步的发展趋势。而我国在超精密加工方面尚处于起步阶段。4）电子专用制造装备

电子制造尤其是集成电路IC制造已成为制造业最重要的领域之一。IC制造中的核心和关键装备包括制芯（前道工序）和封装（后道工序）2大部分。前道工序装备发展的趋势是研制新型超精细光刻机等设备，以突破0.1ｕm的大关；后道装备则是发展与更密、更小、更轻的新型封装工艺相适应的更快。成本更低的封装设备，并且对整个后封装工序的各种设备以数字化封装线方式进行工艺和装备的集成。由于IC制造不仅对国民经济有巨大的影响，而且对国家安全极为重要，所以一些高精密的IC制造装备成了一些发达国家垄断电子行业的核心武器。目前我国集成电路芯片制造设备的85％仍依赖进口。为了在IC行业占有一席之地，我国必须自主开发IC制造的核心装备。5）微机电系统（MEM）

MEMS是国际公认的一项战略高科技，是未来先进制造发展的主导技术之一，并在医疗保健、生物基因、IT消费电子、环保监测、军事武器等器件及微系统应用方面具有广阔的应用前景。例如，作为信息获取关键的多种传感MEMS已成功地应用于汽车、电子等行业和军事领域；在令人瞩目的信息科学和生命科学的发展中，光MEMS被认为是开启全光通信之门的金钥匙；高密度MEM生物芯片将强有力地推动生命科学和生物技术的发展。

近几年，采用MEMS技术的微型卫星、微型飞行器和进人狭窄空间的微型机器人的研究取得突破，展示了令人鼓舞的应用前景。

MEM是以电子制造的方式设计与制造的微机电系统，它是多种学科的交叉融合，已成为当今国际高技术竞争的一个热点，MEMS产业也正在形成之中。6）特种机器人

特种机器人通常是在非结构化环境下工作，即作业无法在事先布置好的条件下进行，而且在作业过程中环境可能发生变化。与在结构化环境下作业的工业机器人相比，在非结构化环境下工作的特种机器人控制更加困难，要求的智能程度更高，如空间与深海作业、精密操作、在役管道内作业等。

特种机器人集众多高新技术于一体，目前重点研究的特种机器人有仿人机器人、微机器人、微操作机器人、水下机器人、医用机器人、服务机器人、网络机器人、军用机器人、农林与农副产品加工机器人等，它们航空航天、能源、交通、海洋、生物、医疗、服务、农业、军事和娱乐等领域具有非常广阔的应用前景。

许多国家都把特种机器人技术列入本国的高技术研究发展计划或国家的关键技术研究开发计划。☆美国的“国家关键技术”、“商业部新兴技术”和“国防部和能源部关键技术”等计划；☆欧共体的“尤里卡计划（EU－REKA）”和“信息技术研究发展战略计划（ES－PRIT）”；☆日本的“极限作业机器人研究计划”、“微机器研究计划（R＆DOFMI－CROMACHINETECHNOLOGY）”、“仿人形机器人研究计划（HUMANOIDROBOICSPROJECT）”；☆我国的863计划智能机器人主题——工作的重点之一就是发展我国的特种机器人技术，第五节机器人小知识

1）杀伤性武器最大的机器人

★1993年，美国史蒂文-斯皮尔伯格的安布林娱乐公司制造出一台长14米、高5．5米、重4082公斤的机械恐龙，名叫霸王龙国王，是为拍摄(保罗纪公园》而制造的。它是由泡沫橡胶和聚氨g3做成的，大小和真的恐龙相仿，也是为拍电影而制造的最大自动机械。第一章

2）最小的机器人

★1992年，日本爱普生公司开发研制出一台光敏微型机器人“先生”，体积不到3立方厘米，重1．5克。它由97种不同的手表零件制成。充上电后，这个机器人能以每秒1．13厘米的进度移动大约5分钟。第一章第五节3）使用最广泛的工业机器人

★在流水线上和大学实验室里使用最广泛的机器人名叫普马PUMA(可为流水线编程的通用机器)，它是在20世纪70年代时，由威克-席恩曼设计，由施托布利-乌尼梅森公司生产的。第一章第五节4）自动化程度最高的厂家

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1997年3月，大量小型机器人开始装配上智能双臂机械，这使得机械加工系统自动化程度提高，日本的Fanuc装配厂成了世界上自动化程度最高的厂家。第一章第五节5）最接近人类智能的机器人

★1997年，日本的本图公司制造出高1．6米的P3机器人。该机器人有三维视觉，头部能自如转动，双脚能躲开障碍物，能改变方向，在被推倒后可以自我平衡。该机器人由150位工程师历时11年，耗资8000万美元研制而成，可以照料和代人完成危险及艰苦工作。第一章第五节6）最复杂的用于外科手术的机器人

★美国华盛顿州西雅图的罗伯特-拉扎拉博士使用计算机移动公司的“宙斯”机