机器人第1章 绪论

机器人学导论

IntroductiontoRobotics,MechanicsandControl目录1绪论22数学基础-矢量变换63运动学分析64动力学分析5轨迹规划6控制学时：共32-课堂26，实验61绪论1.1机器人发展历史1.2定义和分类1.3构成1.4机器人应用1.5发展方向研究现状1.1机器人发展历史Robot：1920年；捷克作家卡雷尔·卡佩克（KarelCapek）剧本--Rossum’sUniversalRobots》，剧中人造劳动者--RobotaHistory古代“机器人”——现代机器人的雏形

西周：偃师-歌舞艺人春秋后期：《墨经》-鲁班：木鸟，“三日不下”。公元前2世纪：古希腊人─太罗斯，青铜雕像，以水、空气和蒸汽压力为动力，开门，借助蒸汽唱歌。汉代：张衡-地动仪，计里鼓车

……现代机器人的发展历史(1)二战期间（1938-1945）:

“遥控操纵器”（Teleoperator）;放射性材料生产和处理.1947年，改进，采用电动伺服，从动部分跟随主动部分运动，称为"主从机械手"（Master-SlaveManipulator）。1949-1953:美国麻省理工学院-数控铣床1954年:美国人GeorgeC.Devol-“可编程”“示教再现”机器人现代机器人的发展历史(2)60年代:机器人产品正式问世，机器人技术开始形成1960年:美国ConsolidatedControl-工业机器人，并成立了Unimation公司，开始定型生产名为Unimate的工业机器人。70年代:发展成为专门学科,机器人学（Robotics）。80年代:智能机器人-视觉、触觉、力觉、接近觉机器人学研究内容基础研究和应用研究主要研究内容有：机械手设计； 机器人运动学、动力学和控制；(3)轨迹设计和路径规划； (4)传感器(包括内部传感器和外部传感器)；(5)机器人视觉； (6)机器人语言；(7)装置与系统结构； (8)机器人智能等。1.2机器人的定义和分类仁者见仁，智者见智/人：哲学问题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。美国国家标准局（NBS）：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。美国机器人协会（RIA）: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。日本工业机器人协会（JIRA）：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成各种移动来代替人类劳动的通用机器。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：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：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

超大型机器人：负载能力1000kg以上大型机器人：100-1000kg/10m2

以上中型机器人：10-100kg/1–10m2小型机器人：0.1-10kg/0.1-1m2超小型机器人：0.1kg以下/0.1m2

以下分类

按照开发内容和目的工业机器人（IndustrialRobot）：如焊接、喷漆、装配机器人。操纵机器人（TeleoperatorRobot）：如主从手，遥控排险、水下作业机器人。智能机器人（IntelligentRobot）：如演奏、表演、下棋、探险机器人。特种机器人和微型机器人特种机器人（SpecialRobots）：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、防核防化机器人、爬壁机器人、微小物体操作机器人等。微型机器人（Micro-robots）：体积小，如管道机器人、血管疏通机器人。微动机器人（Micro-movementrobots）：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

1.3机器人构成

(StructureandControlofRobots)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：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：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：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：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

1.4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弧焊机器人点焊机器人铆接机器人

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（右）CR-01型6000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）

空间机器人美国航空航天局（NASA）研究的月球车在月球表面NASA“索杰纳”火星车1997年7月4日17时07分，美国航空航天局（NASA）发射的火星探路者号宇宙飞船成功地在火星（Mars）表面着陆，“索杰纳”火星车在火星上成功地工作了250天。2003年6月先后升空的美国“勇气”（Spirit）号和“机遇”（Opportunity）号火星车经过1.2亿公里和半年多的长途飞行，分别于2004年1月3日和24日先后登陆火星，向地球传来大量清晰的火星图片。日本火星探测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德国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车德国Minebreaker2000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“双鹰”水下扫雷机器人美国罗克威尔公司及IS机器人公司“水下自主行走装置”（ALUV）的水下扫雷机器蟹无人机

“暗星”无人机“别动队”无人机法国“红隼”无人机高空无人侦察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机器人化装载机自动摊铺机

移动机器人

法国国家科学研究中心和系统分析与结构实验室ILARE2型移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六足微型机器人:甲虫，外形尺寸为25×30×30mm3，重20克，步行速度18mm/分，有12个自由度，SMA（形状记忆合金）驱动源。微型飞行器：未来战场上的重要侦察和攻击武器，能以可接受的成本执行某一有价值的任务。能传输实时图像或执行其它功能，小尺寸（20厘米）、足够巡航范围（不小于5公里）和飞行时间（不小于15分钟）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扑大赛

相扑机器人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:检查、打磨、清洗、去静电、底涂和面涂清洗巨人：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

摘西红柿机器人温室中的嫁接机器人林木球果采集机器人伐根机器人

仿人形机器人P2

本P3日本本田公司:10多年的开发，1997年世界领先地位的双足步行机器人P3，按研制时间先后，把双足步行机器人分别命名为P1、P2、P3等。P3的高度为160cm，体重130公斤。被称为二哥的机器人P2身高1.80米，体重120公斤，看起来笨头笨脑，但行动起来却很灵活，它们不仅能在平坦的地面上行走，还能够完成上台阶和用扳手拧螺钉等高难动作。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服务机器人：清洁机器人、保健机器人等未来的机器人“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RichardP.Paul.RobotManipultons:Mathematics,ProgrammingandControl.TheMITPress,Cambridge,MA,USA,1981H.Asada,J-J.E.Slotine.RobotAnalysisandControl.AWiley-InterseiencePublicationJohnWileyandSons,1986K.S.Fu,R.C.Gonsalez,C.S.G.Lee.Robotics:Control,Sensing,VisionandIntelligence.MeGraw-HillBookCompany,1987蔡自兴，机器人学，清华大学出版社，2000.9严学高、孟正大，机器人原理，东南大学出版社，1992熊有伦等，机器人学，机械工业出版社，1993徐缤昌、阙志宏等，机器人控制工程，西北工业大学出版社，1992有关文献期刊IEEETrans.onAutomaticControl(AC),Man-Mach.System(MMS),System,ManandCybernetics(