机器人工程绪论

《机器人工程》课程说明任课老师：姚玉琴公共选修课系列教学目标课程性质：

公共选修课（16学时）教学目标：掌握机器人基本原理与概念；掌握机器人机构学与运动学；

了解机器人常用传感器与控制方法；了解国内外机器人研究动向与发展趋势；参考教材参考教材：

《机器人技术基础》

熊有伦，华中理工大学出版社，1996《机器人学》

蔡自新，清华大学出版社，2000《机器人技术及其应用》

谢存禧，机械工业出版社，2005《机器人工程基础》

张伯鹏，机械工业出版社考核方式：开卷考试/小论文(比例：考试70%平时30%）

机器人技术作为20世纪人类最伟大的发明之一，自20世纪60年代问世以来，经历了40多年的发展已经取得了长足的进步！《星球大战》中的C3PO有时比人还聪明《终结者3》什么是机器人？机器人的基本特征：大脑：自动控制的程序身体：具有一定的结构形态动作：完成一定动作的能力

机器人并不神秘，在人类生活中无处不在，并给我们生活带来了极大的方便和乐趣！1.1.1机器人名称的由来

(About“Robot”)

1921年，捷克作家Karel

Capek科幻小说《罗素姆的万能劳工（UniversalRobot）》

剧中的人造劳动者取名为Robota，捷克语的意思是“苦力”、“奴隶”。英语的Robot一词就是由此而来的，以后世界各国都用Robot作为机器人的代名词。机器人的概念

机器人主要基于大规模生产考虑主要有以下两个原因：

1、劳动强度

2、尽量使用机器人完成简单、重复的作业以降低成本。

1950年，Asimov在其出版的《我，机器人》一书中，给机器人定下了三原则：

1、不伤害人类；

2、在原则一下服从人给出的命令；

3、在与上两个原则不矛盾的前提下保护自身1.1.2机器人的定义

美国家标准局（NBS）：一种能够进行编程并在自动控制下完成某些操作和移动作业任务或动作的机械装置。

国际标准化组织(ISO)：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，以执行各种任务。

日本工业标准局：一种机械装置，在自动控制下，能够完成某些操作或者动作功能。

英国：貌似人的自动机，具有智力的和顺从于人的但不具有人格的机器。

中国：我国科学家对机器人的定义是：“机器人是一种自动化的机器，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”。

美国机器人协会（RIA)：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的动作的专门系统。

（Manipulator）。

“机器人”所具有的二个共同点：是一种自动机械装置，可以在无人参与下，自动完成多种操作或动作功能，即具有通用性。

可以再编程，程序流程可变，即具有柔性(适应性）。

1.1.3机器人的主要特点

1．通用性

机器人的通用性取决于它的几何特性和机械能力。即指执行不同功能完成同一任务的能力和完成多样不同简单任务的能力。或者说在机械结构上允许机器人执行不同的任务或以不同的方式完成同一任务。决定通用性有两方面因素：一个是机器人自由度；另一个是末端执行器的结构和操作能力。

2．适应性

机器人的适应性是指其对环境的自适应能力，即要求所设计的机器人能够自我执行并适应未经完全指定的任务，而不管任务执行过程中是否发生了所没有预计到的环境变化。这一能力要求机器人具有人工知觉，即能感知周围环境。

1.1.4机器人技术的发展进程

·1920年捷克作家Karel

Capek在科幻作品中引入了机器人慨念。

·1946年美国研制出了第一台计算机。

·1952年美国研制出了第一台数控机床。

·1954年麻省理工学院研制出了可编程机器人，这种机器人的主要技术功能就是“可编程”及“示教再现”。

·1968年斯坦福研究所研制出了智能机器人，由传感器组成感觉系统，可作适当决策，自主完成一些任务。

·智能机器人目前正处于发展阶段。

美国是机器人的诞生地，比起号称“机器人王国”的日本起步至少要早五六年。经过30多年的发展，美国现已成为世界上的机器人强国之一，基础雄厚，技术先进。80年代中后期，随着各大厂家应用机器人的技术日臻成熟，第一代机器人的技术性能越来越满足不了实际需要，美国开始生产带有视觉、力觉的第二代机器人，并很快占领了美国60％的机器人市场。尽管美国在机器人发展史上走过一条重视理论研究，忽视应用开发研究的曲折道路，但是美国的机器人技术在国际上仍一直处于领先地位。其技术全面、先进，适应性也很强。具体表现在：

（1）性能可靠，功能全面，精确度高；

（2）机器人语言研究发展较快，语言类型多、应用广，水平高居世界之首；

（3）智能技术发展快，其视觉、触觉等人工智能技术已在航天、汽车工业中广泛应用；

（4）高智能、高难度的军用机器人、太空机器人等发展迅速，主要用于扫雷、布雷、侦察、站岗及太空探测方面。英国1967年英国HallAutomation公司研制出自己的机器人RAMP.从70年代末开始，英国政府转而采取支持态度，推行并实施了一系列支持机器人发展的政策和措施.法国不仅在机器人拥有量上居于世界前列，而且在机器人应用水平和应用范围上处于世界先进水平。德国工业机器人的总数占世界第三位，仅次于日本和美国。始终坚持技术应用和社会需求相结合的原则。德国看到了机器人等先进自动化技术对工业生产的作用，提出了1985年以后要向高级的、带感觉的智能型机器人转移的目标。经过近十年的努力，其智能机器人的研究和应用方面在世界上处于公认的领先地位。俄罗斯早在前苏联第九个五年计划（1970年~1975年）开始时，就把发展机器人列入国家科学技术发展纲领之中。到1975年，已研制出30个型号的120台机器人，经过20年的努力，前苏联的机器人在数量、质量水平上均处于世界前列地位。我国已在“七五”计划中把机器人列人国家重点科研规划内容，拨巨款在沈阳建立了全国第一个机器人研究示范工程，全面展开了机器人基础理论与基础元器件研究。十几年来，相继研制出示教再现型的搬运、点焊、弧焊、喷漆、装配等门类齐全的工业机器人及水下作业、军用和特种机器人。目前，示教再现型机器人技术已基本成熟，并在工厂中推广应用。我国自行生产的机器人喷漆流水线在长春第一汽车厂及东风汽车厂投入运行。

日本

在1967年由川崎重工业公司从美国Unimation公司引进机器人及其技术，建立起生产车间，并于1968年试制出第一台川崎的“尤尼曼特”机器人。按照日本产业机器人工业会常务理事米本完二的说法：“日本机器人的发展经过了60年代的摇篮期，70年代的实用期，到80年代进人普及提高期。”并正式把1980年定为“产业机器人的普及元年”，开始在各个领域内广泛推广使用机器人。

本田的ASIMO、SONY的SDR-3X都是类人型智能机器人，可两腿行走，但行走时落地的一条腿总是伸不直，另一条腿落地时身体有点下蹲，看上去总是小心翼翼地，机器人动作不自然，人们总感觉它是异类。

目前日本京都大学研制的机器人CHROINO在行走技术上略胜一筹，CHROINO身高35cm，有14个电动机驱动，重1kg，外表由塑料制成。它行走时，落地的一条腿膝盖绷得很直，跨步的一条腿膝盖自然弯曲，而且可以用一条腿站立，表演金鸡独立。CHROINO改正了不自然的步行姿势，让人更感到可爱。

福兮祸兮？1978年，日本广岛一家钢铁厂里的机器人焊枪手在切割钢板时，竞把一名值班工人当作钢板勿割肢解。1989年，前苏联举行一场特别的国际象棋大师比赛，由国际象棋冠军古德柯夫对机器人，古德柯夫连胜三局，机器人恼羞成怒，突然向全局棋盘释放强电流．在众目曙醉之下．将国际象棋冠军当场击毙。机器人的分类(按发展程度)第一代：示教再现型机器人

示教工作一完成，示教再现工业机器人便开始工作

第二代：有感觉的机器人

有感觉的机器人第三代：具有智能的机器人这个机器人拿起鸡蛋和汤匙1、第一代机器人：示教再现机器人。对环境没有感知能力，通过人进行遥控操作或按人事先编好的程序对机器人进行控制，使其自动重复完成某种操作。主要由夹持器、手臂、驱动器、控制器组成。控制方式较简单，用在线编程，即通过示教存贮信息。工作时读出这些信息，向执行机构发出指令，执行机构按指令再现示教的操作。2、第二代机器人：感觉型机器人。安装了简单的内、外传感器，感知其自身的速度、位置、应力、应变等物理参数，并通过闭环系统进行调整，通过视觉、力觉传感器感知外部环境，具有对一些外界信息进行反馈的能力，如力觉、触觉、视觉等。

3、第三代机器人：智能机器人。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。它是利用通过各种传感器、测量器等来获取环境的信息，然后利用智能技术进行识别、理解、推理并最后作出规划决策，能自主行动实现预定目标的高级机器人。二、按性能指标分类（如负载能力和作业空间）超大型机器人、大型机器人、中型机器人、小型机器人、超小型机器人。三、按开发内容和目的分类工业机器人、操纵型机器人、智能机器人。四、按结构型式分类关节型机器人、非关节型机器人。

按应用分类工业机器人IndustrialRobot极限作业机器人娱乐机器人服务机器人工业机器人是指在工业中应用的一种能进行自动控制的、可重复编程的、多功能的、多自由度的、多用途的操作机，能搬运材料、工件或操持工具，用以完成各种作业。且这种操作机可以固定在一个地方，也可以在往复运动的小车上。工业机器人——工业机器人的出现

1954年，电子学家德沃尔获得了一项“可编程序机械手”的专利。1959年，英格伯格和德沃尔设计出了世界上第一台真正实用的工业机器人，名叫“尤尼梅特”。世界上第一台工业机器人“尤尼梅特”正在生产线上工作1961年，英格伯格和德沃尔筹办了世界上第一家专门生产机器人的工厂——“尤尼梅特”公司。

1961年，英格伯格也被人们誉为“工业机器人之父”。工业机器人——中国工业机器人的发展70年代的萌芽期80年代的开发期90年代的适用化期

点焊机器人搬运机器人便携式机器人我国首台“隧道凿岩机器人”通过国家“863”计划智能机器人验收。我国自行研制的“隧道凿岩机器人”主要性能已达到国外同类产品先进水平，主要应用于铁路、公路、矿山、水电等基本建设中的隧道开挖。《返回类人机器人水下机器人

自由度一般较多，具有更强的适应性和灵活性，但控制更复杂，成本更高，刚性较差。类人型机器人仿狗机器人蛇形机器人特种机器人

六轮漫游机器人仿鱼机器人仿鸟机器人六足漫游机器人军用机器人

很多国家已经开始考虑在军事方面投入研究！早在第二次世界大战期间，德国人就研制并首次使用了扫雷和反坦克用的遥控爆破机器人，美国人则研制出遥控飞行机器人，这些可以称得上是原始的机器人武器。

“徘徊者”侦察机器人遥控扫雷车无人机

《返回“土拨鼠”（右）和“野牛”（左）排爆机器人

高空无人侦察机微型无人机空间机器人

具有高智能的空间机器人可克服恶劣的自然条件，代替人类去探索宇宙的奥秘！

MARSOKHOD火星探测车

丹蒂（ANTE）机器人

ANTE是美国卡内基·梅隆大学为探行星做准备而研制的，高3米，宽2米，重400千克。日本研制的修理人造卫星的高性能太空机器人美国研制的新型星球探索机器人“亥伯龙”号《返回工业机器人焊接机器人代替人类从事危险的焊接工作焊接时，可以精确地焊接很复杂的部分

机器人汽车焊接生产线

装配机器人从事简单的重复性的组装工作可以像人手一样进行组装机器人及输送线物流自动化系统喷漆机器人可以完成对人体有害的喷漆工作能够将物体表面喷得很平滑大型喷漆机器人日本推出全球最大的工业机器人服务机器人除了工业，用于服务领域的机器人已经开始开拓市场！1999年末，世界全部服务机器人至少为6600台，其中家用机器人有3000台，约占50%。法国公共汽车加油机器人机器人为来宾斟酒家庭服务机器人

家里很多琐碎的工作都可以交给它来做，如端茶、做饭、照看小孩、打扫卫生等，它都能够胜任！服务机器人海洋机器人

海底蕴藏着十分丰富的生物和矿产资源，因此，海洋开发与太空开发同等重要！

深飞（DeepFlight）1号潜水器“双鹰”水下机器人无人遥控潜水艇海洋机器人

美国研制出一种机器金枪鱼，可以横渡大西洋漫长的海域。“逆戟鲸”号无人无缆潜水器，最大潜深为6000米HD系列水下机器人《返回极限操作机器人

代替人类在核反应堆、空间、深海、灾区等危险地带工作，从事许多人所不能及的工作！日本研制的一种用于极限作业的机器人处理核事故的机器人

防灾机器人《返回娱乐机器人

娱乐机器人以供人观赏、娱乐为目的，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。

机器人乐队机器狗“爱宝”正在踢球

日本索尼公司开发的机器狗“爱宝”具有喜、怒、哀、乐、吃惊、讨厌等六种情绪，并有瞌睡、饥饿、运动、贪玩等五种本能。

NEC公司开发的新型机器人PaPeRo具有"散步模式"和"交谈模式"，能根据谈话对象的不同表现出好恶情绪。日本新力公司最新发明的机器人SDR-4X5台SDR-4X机器人并排站在展台上表演舞蹈。《返回机器狗AIBO

医用机器人

传统意义上，医生用双手手术，现在可以用机器人进行手术！医生发号施令，机器人惟命是从，双方优长互补，达到“珠联璧合”。

这种名叫“利萨”的机器手为近30位病人做过手术正在工作的机器人机器人配合医生做手术《返回仿人形机器人是多门基础学科、多项技术的集成，代表了机器人的尖端科技，它不仅是一个国家高科技水平的重要标志，也在人类生产、生活中有着广泛用途。在这方面，日本处于世界领先水平。仿人形机器人新型仿真机器人NEC具有会话识别功能的机器人《返回索尼3SR-3X机器人表演金鸡独立本田的双足步行机器人“ASIMO”这个外观为银色的机器人ASMIO的步行速度为1.6公里/小时日本索尼公司推出的这款机器人

只有50厘米高、5公斤重，24个关节保证他能完成起立、单腿站立、题球、跳舞等动作。中国首台类人形机器人亮相这是新能源及产业技术综合开发机构（NEDO）开发的机器人“HRP-2Promete”。该组合成员包括“Ken”、“Audrey”、“Charlie”、“Marco”。性格及特长分别如下：

MKen的特长为猜谜及健谈。其性格为对宇宙及科学等感兴趣的知识探求型，知识渊博且有独到的见解。技术方面的特点为具有与人和自然交流的谈话能力。

Audrey的特长为朗读连环画。其性格属于喜欢小孩子的稳重和蔼型。技术特点为具有使人开心的对话技术。