机器人及其应用

第五讲机器人及其应用康蔡华15.1机器人的发展历程机器人的定义

机器人是人类制造出来的智能化机器，是为人类服务的工具。

1987年国际标准化组织对工业机器人进行了定义：“工业机器人是一种具有自动控制操作和移动功能，能完成各种作业的可编程操作机。”

1988年法国的埃斯皮奥将机器人定义为“能根据传感器信息实现预先规划好的作业的系统”。

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，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。”2机器人的发展历史

第一代是示教再现型机器人。这类机器人不具有对外界信息的反馈能力，很难适应变化的环境。5.1机器人的发展历程机器人的发展历史

第二代是有感觉的机器人。它们对外界环境有一定感知能力，并具有昕觉、视觉、触觉等功能。机器人工作时，根据感觉器官（传感器）获得的信息，灵活调整自己的工作状态，保证在适应环境的情况下完成基本工作。

第三代是有智能的机器人。智能机器人是靠人工智能技术决策行动的机器人，它能根据感觉到的信息，进行独立思维、识别、推理，并作出判断和决策，不用人的参与就可以完成一些复杂的工作。

机器人的应用，最先出现在工业领域，随后向军事领域、家政服务等领域延伸拓展。机器人与医学的结合促成了一场激动人心的变革，医疗机器人（康复治疗机器人和外科手术机器人的总称）成为医学新纪元开始的标志，成为机器人未来研究的主导方向。35.1机器人的发展历程机器人的发展历史

机器人的研究开发具有重要应用价值，历来受到工业化国家的高度重视。早在1986年，西方七国首脑会议就确定了国际先进机器人研究计划（IARP,internationaladvancedroboticsprogram），其主要目的是发展先进机器人系统，使其在危险、有害或其他特殊需要的环境中替代人类劳动。

在我国，为了加快机器人的研究进程，跟踪机器人研究的国际先进水平，“九五”和“十五”期间，在科技部“863”计划、国家支撑计划等国家项目的支持引导下，工业领域开展了大量工业机器人的研发工作，取得了一批标志性研究成果。在医疗服务领域，结合我国21世纪老龄人和残疾人群庞大而康复医疗器械严重匮乏的现状，“十一五”期间适时启动了“服务机器人”等国家研究计划。45.2机器人的应用机器人的应用（1）工业领域

工业机器人通常是一种具有可编程能力，通过编程可使其完成零件抓放、搬运等操作任务的机械臂。

机器人在航空工业的应用起步较晚。航空工业对机器人也提出了许多特殊的要求，如由于飞机大结构件之间的连接精度要求很高，因而结构件上的孔也必须有很高的绝对及相对精度，让传统的机器臂伸入机翼上的检查孔不切实际，要操纵工业机器人进入狭小的窗孔，需要借助新的机器人检查装备。5

汽车工业是工业机器人应用最广泛的领域之一。焊接是汽车生产线上十分重要的工艺流程和加工手段，采用高性能焊接机器人成套设备，既能降低工人劳动强度，减少企业戚本，又能有效改善生产工艺水平，提高焊接质量，从而极大提高产品质量和产能。5.2机器人的应用机器人的应用（1）工业领域

用于飞机机翼自动化作业的工业机器人，除了具备准确放置工具的能力外，还需具备受限空间操作的能力。6

蛇形机器人可看成是大型工业机器人的一种辅助工具，它的臂能在操纵杆控制或视觉伺服下自动地以笛卡儿模（Cartesianmode）运动。。蛇形机器人借助操纵杆或预先设定的路径，能在机翼盒内完成路径跟踪任务，确保作业的准确与平稳。5.2机器人的应用机器人的应用（1）工业领域7工业机器人腕部安装蛇形机器人作为它的前臂，可赋予它进行路径跟踪所需的线性运动安装在Kuka工业机器人上的蛇形机器人5.2机器人的应用机器人的应用（1）工业领域

为了使蛇形机器人的路径跟踪能力最大化，其末端执行器的外轮廓直径不能大于蛇形臂的直径，其长度必须最小化（理想情况下应等于蛇形臂的直径或至少小于1.5倍蛇形臂的直径）。

可互换的末端执行器：8一种包含各种功能摄像头的检测工具一种用于旋锻例钉并引导被去除材料进入废料区的型锻工具集成了标准密封剂容器和喷嘴5.2机器人的应用机器人的应用（1）工业领域

如今全世界正在使用的工业机器人就超过

100万台9装配机器人材料处理机器人包装机器人5.2机器人的应用机器人的应用（1）工业领域

10多足步行机器人轮式移动机器人太空机器人5.2机器人的应用机器人的应用（2）军事领域

军事机器人是一种用于军事目的的自律或遥控装置。1）军用无人机1973年，以色列便成功使用无人机实施诱骗并摧毁了埃及地空导弹阵地。1982年的中东战争中，以色列使用无人机先诱使叙利亚防空雷达开机并发射大量地空导弹，同时利用元人机收集雷达位置和信号频率，几分钟就摧毁了叙利亚设在贝卡谷地的全部19个导弹阵，其研究水平仅次于美国，处于世界领先地位。

115.2机器人的应用机器人的应用（2）军事领域

在军用无人机研究和应用领域，美国依然走在世界的前列。

在朝鲜战争和越南战争中，美国就已经使用无人机进行侦察活动。到了海湾战争、波黑战争和科索沃战争期间，军用无人机利用其空中优势，替代传统的地面侦察于段，成为美军侦察活动的一支重要力量，在战争中大放异彩。1991年海湾战争中，美、英、法等多国部队广泛采用无人机对伊拉克的军事部署进行侦察，取得了良好效果。法国部队根据无人机侦察结果，成功避开了与伊军主力的正面交手。美国的12

“先锋”无人机通过不间断的飞行侦察，将地面目标图像惊源不断发回处理中心，使美军不但掌握了飞毛腿导弹部队的活动规律，还对其布防工事和人员配备准确定位，为海军舰队摧毁地面目标提供了有力保障。

5.2机器人的应用机器人的应用（2）军事领域

1999年科索沃战争中，以美国为茵的北约部队对南联盟的军事目标和重要设施进行了连续轰炸。南联盟主要为山区地形，许多地方森林茂密，加上阴雨天气，无人机充分发挥了其造价低、机动性强、目标小、低空飞行的优点，在侦察目标上空近距离飞行，不断发回清晰的实时图像，提供对方补给线、弹药库和军事指挥中心等空袭目标的位置，在战争中发挥了巨大作用。13

实战证明，军用无人机在现代战争中具有十分重要的作用和地位。

5.2机器人的应用机器人的应用（2）军事领域

2003年伊拉克战争中，军用无人机不仅能对目标实施侦察定位，还能对重要目标进行精确制导武器攻击，开创了无人机对地面目标实施导弹攻击的先例。2009年在索马里附近海域的护航行动中，美国海军使用无人侦察机在空中对可疑目标进行跟踪摄像，搜寻亚丁湾海域的可疑海盗船艇，及时提醒附近地区的商船采取防范措施；对于遇险船只，能在第一时间赶赴现场，展开营救，并有效打击海盗。14

我国在20世纪60年代研制出了“长空一号”无人机，主要用于导弹打靶和防空部队的训练，后经过适当改装，可执行大气污染监控、地形与矿区勘察等任务。

5.2机器人的应用机器人的应用（2）军事领域2）地面军用机器人

排爆机器人能辅助和替代人类完成危险环境下的可疑物品检查和处置工作，已成为各国警方和军方的重要装备。

英、美等西方国家对恐怖袭击的防范工作量巨大，如在机场、码头、车站等重要部门，既要实行严格的安检手段，又要保证检测通道快捷通畅，还要对可能出现恐怖分子安放炸弹的重要目标进行彻查。世界上历次战争（包括第一次世界大战和第二次世界大战），至今还残留了大量埋藏的地雷和未爆炸的炸弹，威胁着人类生命和财产安全，需要进行清理。

英国在20世纪60年代就研制成功了履带式排爆机器人“手推车”系列155.2机器人的应用机器人的应用（2）军事领域2）地面军用机器人

在法国，TRS200排爆机器人已经开始装备到部队和警察机构，RM35排爆机器人也已被巴黎机场管理局选用。在美国，美军在阿富汗使用了机器人PackBot，它因结构小巧而被称为“背包机器人”。

背包机器人重量轻、体积小、速度快、行程远，还具有涉水能力。此外，它的装甲能防护内部核心部件受到轻武器的正面攻击，从而具有很强的战场机动性和生存能力。背包机器人主要用于探测路边塔利班隐藏的武器和炸药，寻找山洞中基地组织人员的藏身地点。165.2机器人的应用机器人的应用（2）军事领域2）地面军用机器人

排弹机器人具有灵活的操作臂，还能显示探测目标的图像，评估目标的危险系数。这些机器人有的能探测野外埋藏的可疑爆炸物，有的能进入车辆内部和底盘灵敏探测炸弹。

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Andros系列机器人在处理小型随机爆炸物方面功能出色，已用于美国白宫及国会大厦的安全保卫，并在南非总统选举中多次用于安检防爆工作，它还被美国军方用于海湾战争后沙特和科威特的地雷及炸弹清理工作，是排爆和救援部队的重要装备。5.2机器人的应用机器人的应用（2）军事领域2）地面军用机器人

在我国，如中科院沈阳自动化所研制的PXJ-2机器人已被公安部队采用。另外在奥运安保工作中，排爆机器人的能力得到了展现，出色完成了相关安保工作任务。18

相比排爆机器人，武装机器人则更具攻击性。它们不但能侦察敌情，还因配备有火力系统，能对敌方目标发起攻击；同时该类机器人的防护能力和生存能力普遍较高，对外界的反应更加灵敏，能主动适应各种复杂战场环境。5.2机器人的应用机器人的应用（2）军事领域2）地面军用机器人

19美国军方装备的“魔爪”

越障能力强、移动速度快、机动性好的优点，能适应战场的复杂野外环境。它配备有M240、M249型机枪，还可以装备火箭发射器等攻击性武器。它的另一个优点就是操作方便，士兵通过简单易用的操作系统，就能遥控指挥机器人对一定范围内的敌方目标进行攻击。5.1机器人的应用机器人的应用（2）军事领域2）地面军用机器人

20“剑”型武装机器人

“魔爪”的升级产品，它的功能更加完善，能通过各种摄像及夜视设备进行侦察和瞄准，命中精度大大高于普通士兵；火力系统也很强，能够连续发射数百发子弹和火箭弹。5.2机器人的应用机器人的应用（2）军事领域2）地面军用机器人

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以色列最近还研制出一种名为“毒蛇”的便携式战斗机器人,是世界上首个用于城市作战和反恐的便携式机器人。

美国硅谷AH型作战机器人身高约0.6096m，时速可达16093.44m。可通过加密频道对它进行遥控，机器人上的迷你直升机装置还可以帮助它起飞，直接降落在交火地点5.2机器人的应用机器人的应用（3）家政服务领域

家政服务机器人属于更为复杂的智能机器人，主要职能是为人类提供和完成服务，如清洁、运送、监视、检查和探测等类型的工作。智能家政机器人主要有娱乐机器人（如电子宠物机器人），以及具有家政服务功能的服务机器人。225.2机器人的应用机器人的应用（3）家政服务领域1）家庭宠物机器人23AIBO是具有人工智能的机器狗，它能通过记忆存储软件实现自我学习及成长。

该产品经过多次更新换代，现己不但能做向人摆尾巴、在地上打滚等动作，还能识别多种语言指令，能听懂主人对它的称呼和责备，通过声光动作表达喜怒哀乐等情绪，十分有趣。

香港玩具机器人Robosapien，它预编有拾东西、投掷、踢皮球、跳舞、练武术等几十种动作功能，并具备丰富的可编步态外部扩展功能。

5.2机器人的应用机器人的应用（3）家政服务领域2）家务清扫机器人24

家用智能吸尘器机器人Roomba，能根据房间的形状，打扫干净房间的不同角落，还能根据预先设定的时间按时自动清扫房间，清扫结束后还能自动返回充电。

日本日立、松下电器，韩国三星、LG电子，德国Kareher公司和英国Dyson公司等也相继开发了多款各具特色的清洁机器人产品或样品。在国内，哈尔滨工业大学、华南理工大学、浙江大学、上海交通大学等高校已有相关样品面世。5.2机器人的应用机器人的应用（3）家政服务领域3）人形机器人25

类人智能双足步行机器人ASIMO除了基本的行走功能外，还具有一定的记忆能力，并能通过传感器了解外界复杂环境，作出相应判断和响应。行走时可以完成转换方向时的连续动作，能够像人一样自如进行减速、转向等动作，还能表演歌舞节目，完成端盘子、推车等动作，甚至可以在握于时掌握合适的力道。5.2机器人的应用机器人的应用（3）家政服务领域

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QRIO整合了索尼公司电子操控、精密的电子机械、感应式仪器及操控软件等。通过安装传动感知系统和记忆学习的行为控制软件，辅以灵活的机械装置，QRIO不但在行走时可以调整步行姿势以适应各种路面，进行丰富多样的舞蹈表演，而且还具有对人的辨识能力，通过学习、记录人的声音与脸部特征，与人类进行更为丰富的交流。SDR3X机器人机器人QRIO5.2机器人的应用机器人的应用（4）康复医疗领域

计算机辅助外科（CAS）创作为人类外科医生和机器之间的全新伙伴，主要研究医疗机器人所涉及的于术机器人机构、医学三维图像建模、虚拟于术仿真、遥控操作网络传输等关键技术。

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目前，机器人技术在医疗外科手术规划模拟、微创定位操作、元损伤诊疗、新型手术治疗方法等方面得到了广泛的应用。5.2机器人的应用机器人的应用（4）康复医疗领域

为了使外科手术机器人能在狭小空间内灵活地完成各种细微操作任务，微型机器人的手腕被设计成有足够的自由度和尽可能大的操作空间。

285.2机器人的应用机器人的应用（4）康复医疗领域29DAVinci机器人手术系统，世界上首套可以正式在医院使用的机器人手术系统，广泛应用于普外科、心外科、泌尿外科、妇科和小儿外科

Zeus机器人手术系统5.2机器人的应用机器人的应用（4）康复医疗领域

采用康复机器人对残疾人及神经损伤患者进行康复训练，被公认为是提高他们生活质量的重要途径。康复机器人作为一种智能康复器械。30

美国麻省理工学院设计的世界上第一台用于肩、肘康复训练的机器人MIT-MANUS，它有两个自由度，并利用阻抗控制来实现训练的安全性、稳定性和平顺性。

中风病患者辅助治疗的机器人MIME(mirrorimagemotionenabler）是以工业机器人PUMA560为载体的它可实现位置和阻抗控制及基于主被动协调运动力引导的康复训练，在临床实验中表现出了较好的康复效果。5.2机器人的应用机器人的应用（4）康复医疗领域312000年，Reinkensmeyer开发了用于辅助治疗和测量脑损伤患者上肢运动功能的康复装置ARM-Guide，该设备有一个直线轨道，其俯仰角和水平面内的偏斜角可以调整。2005年，瑞士苏黎世大学开发了一种上肢康复机器人ARMin，用于上肢损伤患者的临床训练。它是一种六自由度的半外骨架装置，并装有位置传感器及六维力／力矩传感器，能够进行肘部屈伸和肩膀的空间运动。5.2机器人的应用机器人的应用（4）康复医疗领域32

匈牙利布达佩斯大学设计的REHAROB上肢康复机器人由两个固定在支架上的机械臂组成，通过分别控制忠肢的前臂与后臂实现较为复杂的康复训练动作。

清华大学在国家“863”计划的支持下，研制了一种上肢康复机器人UECM。

哈尔滨工业大学也开展了与康复机器人相关的研究，并设计了一种五自由度康复机械手臂模型5.2机器人的应用机器人的应用（4）康复医疗领域33

华中科技大学机器人与数字化医疗装备研究中心在肢体康复机器人本体结构研制和康复训练主／被动协调运动控制的相关技术研究方面，已经取得了阶段性的成果。其开发的穿戴式、气动肌肉驱动的肢体康复机器人样机得到了世界卫生组织（WHO）康复培训与研究合作中心、同济医院康复医学科和美国亚利桑州立大学生物设计研究所等机构的认可

研发人性化的康复医疗机器人，对加强我国在康复机器人研究领域的理论基础和技术水平，促进康复医疗机器人的国产化及其临床普及率，提升我国在康复机器人行业的产业竞争力具有重要的现实意义，也是提高残疾人生活质量，实现残疾人“人人享有康复服务”，建立“以人为本”和谐社会国家总体目标的重要手段。5.3机器人的主要类型

移动和抓取是机器人机构的两种主要功能。机器人的结构主要包括手臂、手腕、手爪和行走机构等几大部分。机器人运动通过手臂和手腕的各种基本运动组合，实现规定的操作任务。34直角坐标型机器人

直角坐标型机器人（cartesianrobot）是应用最广泛的机器人。这种机器人以直线运动为主，它的三个关节都是移动关节，关节轴线相互垂直，运动轴间的夹角为直角，在空间的运动范围是一个长方体，优点是，不同关节的运动相互独立，没有榈合，不会产生奇异状态，并且结构刚度高。缺点是动作范围小，操作灵活性差，封闭性不好，装卸和安装时受限较多。5.3机器人的主要类型35圆柱坐标型机器人

5.3机器人的主要类型36球（极〉坐标型机器人

5.3机器人的主要类型37SCARA机器人选择顺应性装配机器手臂（SCARA,selectivecomplianceassemblyrobotarm)由三个旋转关节和一个移动关节组成，是一种特殊类型的圆柱坐标型机器人。通过相互平行的三个旋转关节，在平面内进行定位和定向；再通过一个移动关节，完成末端执行器垂直于平面的升降运动。结构轻便、响应快、精度高，适用于平面定位、垂直方向的