第1章机器人学及其智能控制ppt绪论

机器人学及其智能控制

第一章绪论绪论机器人定义机器人的特点机器人的发展历程机器人的分类机器人的组成机器人的发展方向机器人的发展意义1.1

机器人定义

机器人学是一门不断发展的科学，对机器人的定义也随其发展而变化。因此，至今为止也没有一个统一的机器人的定义。1.1

机器人定义1886年法国作家利尔亚当在他的小说《未来夏娃》中将外表像人的机器起名为“安德罗丁”（android），它由4部分组成：

（1）生命系统（平衡、步行、发声、身体摆动、感觉、表情、调节运动等）；

（2）造型解质（关节能自由运动的金属覆盖体，一种盔甲）；

（3）人造肌肉（在上述盔甲上有肉体、静脉、性别等身体的各种形态）；

（4）人造皮肤（含有肤色、机理、轮廓、头发、视觉、牙齿、手爪等）。1.1

机器人定义1920年捷克剧作家Karel·Capek（卡雷尔·卡佩克）的剧本《RossumsUniversalRobota》（《罗萨姆的万能机器人》）最早出现了“机器人”一词。在剧本中，卡佩克把捷克语“Robota”写成了“Robot”，“Robota”是奴隶的意思。罗萨姆公司把机器人作为工业产品推向市场,从事繁重的劳动。后来,公司使机器人具有了感情,机器人成了人类生活中必不可少的成员。该剧预告了机器人的发展对人类社会的悲剧性影响，引起了大家的广泛关注，被当成了机器人一词的起源。1.1

机器人定义1950年，美国著名科幻小说家Isaac·Asimov（伊塞克·亚西莫夫）在他的小说《我是个机器人》中首次使用了“Robotics”一词，意思是研究机器人技术的一门学问，译作“机器人学”。他还在这本书中提出了有名的“机器人三原则”：（1）机器人不可伤害人；（2）机器人必须服从人给它的与原则⑴不矛盾的指令；（3）在与前两个原则不矛盾的情况下，机器人可维护自身不受伤害。这三条原则，给机器人赋以新的社会伦理性，并使机器人的概念通俗化，更易于为人类社会所接受。至今，它仍为机器人研究人员、设计制造厂家和机器人用户，提供了十分有意义的指导方针。国际上，关于机器人的定义主要有以下几种：（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)”。（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(endeffector)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”。1.1

机器人定义（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)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”。1.1

机器人定义（5）我国对机器人的定义：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”(amechantronicdevicetoimitatesomehumanfunctions)。参考各国的定义，对机器人给出以下定义：机器人是一种计算机控制的可以编程的自动机械电子装置，能感知环境，识别对象，理解指示命令，有记忆和学习功能，具有情感和逻辑判断思维，能自身进化，能计划其操作程序来完成任务。1.1

机器人定义尽管各国定义不同，但基本上指明了作为“机器人”所具有的二个共同点：（1）通用性。可以在无人参与下，执行不同的功能和完成多

样的简单任务的实际能力。

（2）适应性。即对环境的自适应能力。包括：运用传感器感测环境的能力；分析任务空间和执行操作规划的能力；自动指令模式能力。机器人集中了机械工程、材料科学、电子技术、计算机技术、自动控制理论及人工智能等多学科的最新研究成果，代表了机电一体化的最高成就，是当代科学技术发展最活跃的领域之一。1.2

机器人的特点机器人的优缺点一、优点

能不知疲倦、不厌其烦的持续工作，不会有心理问题；具有比人更高的精确度、速度；可以同时相应多个激励或处理多项任务；可以在危险环境下工作，无需考虑生命保障或安全需要；无需舒适的环境，如照明、空调、噪音隔离等。二、缺点

替代了工人，由此带来经济和社会问题；缺乏应急能力；灵活性、自适应能力还欠缺；设备费用开销较大。一、古代机器人西周时期，我国的能工巧匠偃师就研制出了能歌善舞的伶人，这是我国最早记载的机器人。春秋后期，我国著名的木匠鲁班，在机械方面也是一位发明家，据《墨经》记载，他曾制造过一只木鸟，能在空中飞行“三日不下”，体现了我国劳动人民的聪明智慧。1.3

机器人的发展历程一、古代机器人1800年前的汉代，大科学家张衡不仅发明了地动仪，而且发明了计里鼓车。计里鼓车每行一里，车上木人击鼓一下，每行十里击钟一下。后汉三国时期，蜀国丞相诸葛亮成功地创造出了“木牛流马”，并用其运送军粮，支援前方战争。1.3

机器人的发展历程一、古代机器人公元前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。它是以水、空气和蒸汽压力为动力的会动的雕像，它可以自己开门，还可以借助蒸汽唱歌。1738年，法国天才技师杰克·戴·瓦克逊发明了一只机器鸭，它会嘎嘎叫，会游泳和喝水。1773年，瑞士的钟表匠杰克·道罗斯和他的儿子利·路易·道罗斯连续推出了自动书写玩偶、自动演奏玩偶等，现在保留下来的最早的机器人是瑞士努萨蒂尔历史博物馆里的少女玩偶，它制作于二百年前，现在还定期演奏供参观者欣赏。二、现代机器人

现代机器人的研究始于20世纪中期，其技术背景是计算机和自动化的发展，以及原子能的开发利用。1962年，美国机械与铸造公司研制成功一台数控自动通用机器，商品名为Versatran（即VersatileTransfer的复合词），并以“IndustrialRobot”（工业机器人）为商品广告投入市场，这就是世界上最早的工业机器人。同年，美国联合控制公司也研制成功了一台机器人，商品名为Unimate（意为万能自动），它由一台计算机控制，能记忆完成180个工作步骤。从此以后，机器人的研究与应用就正式拉开了序幕。二、现代机器人1970年在美国召开了第一届国际工业机器人学术会议。此后，机器人的研究得到迅速广泛的普及。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的工业机器人，它是液压驱动的，能提升的有效负载达45公斤。1980年，工业机器人才真正在日本等国普及，故称该年为“机器人元年”。随着计算机技术和人工智能技术的飞速发展，使机器人在功能和技术层次上有了很大的提高，移动机器人和机器人的视觉和触觉等技术就是典型的代表。

机器人的发展过程可划分为三个时代：第一代机器人是“示教再现”机器人，其工作原理是先通过示教的方法，机器人将作业任务的内容存储记忆下来，然后在工作时再读出这些信息，机器人就再现示教的操作，从而代替人类完成上下料、焊接、喷漆和搬运等工作。二、现代机器人第二代机器人是带传感检测的机器人，能反馈自身状态的变化和作业环境及操作对象的简单信息，可用语言进行作业任务的程序编制，通过计算机的处理和分析，从而更加准确的完成各种作业任务。第三代机器人即智能机器人，是具有适应性的自治机器人，可以理解指示指令，感知环境，识别对象，具有知识库和专家系统，在作业环境中能自我决策，独立工作，目前还处于实验阶段。1.4

机器人的分类

机器人的种类很多。可以按驱动形式、用途、结构和智能水平等观点划分。１、按驱动形式划分

气压驱动液压驱动电驱动交流伺服驱动直流伺服驱动

2、按用途划分（应用领域）（1）工业机器人弧焊机器人点焊机器人搬运机器人装配机器人喷涂机器人抛光机器人1.4

机器人的分类（2）特种机器人空间机器人

水下机器人军用机器人教学机器人

服务机器人

医用机器人

排险救灾机器人

固定式移动式轮式履带式足式蛇行3、按智能水平划分分类名称简要解释人工操作装置有几个自由度，有操作员操纵，能实现若干预定的功能。固定顺序机器人按预定的不变顺序及条件，依次控制机器人的机械动作。可变顺序机器人按预定的顺序及条件，依次控制机器人的机械动作。但顺序和条件可作适当改变。示教再现型机器人通过手动或其它方式，先引导机器人动作，记录下工作程序，机器人则自动重复进行作业。数控型机器人不必使机器人动作，通过数值、语言等为机器人提供运动程序，能进行可编程伺服控制。感知型机器人利用传感器获取的信息控制机器人的动作。机器人对环境有一定的适应性。智能机器人机器人具有感知和理解外部环境的能力，即使环境发生变化，也能够成功的完成任务。第一代第二代第三代4、按几何结构划分（1）利用坐标特性分类。

直角坐标机器人：由互相垂直的导轨和手臂构成。其运动是解耦的，控制简单。但运动灵活性较差，自身占据空间最大。

圆柱坐标机器人：主要由垂直柱子、水平手臂和底座构成。工作区间为圆柱面。其运动耦合性较弱，控制也较简单，运动灵活性稍好。但自身占据空间也较大。圆柱坐标型机器人模型Verstran机器人Verstran机器人

球面坐标（极坐标）机器人：由底座、球关节和手臂构成。其工作区间为球面。其运动耦合性较强，控制也较复杂。但运动灵活性好。自身占据空间也较小。极坐标型机器人模型Unimate机器人关节式球面坐标机器人：由躯干、上臂和前臂构成。其运动耦合性强，控制较复杂。但运动灵活性最好，自身占据空间最小。关节型搬运机器人关节型焊接机器人关节型机器人模型

机器人是一个高度自动化的机电一体化设备。从控制观点来看，机器人系统可以分成四大部分：机器人执行机构、驱动装置、控制系统、感知反馈系统。控制系统驱动装置内部传感器（位形检测）外部传感器（环境检测）处理器关节控制器感知反馈系统执行机构工作对象1.5

机器人的组成

执行机构--实现预期的动作或操作；相当于人的肢体。驱动装置--为执行机构提供动力；相当于人的肌肉、筋络。控制系统--进行任务及信息处理，并给出控制信号；相当于人的大脑和小脑。感知反馈系统--检测执行机构位置、速度等信息以及机器人所处的环境信息；相当于人的感官和神经。机器人执行机构驱动装置控制系统感知系统手部腕部臂部腰部电驱动装置液压驱动装置气压驱动装置处理器关节伺服控制器内部传感器外部传感器基座(固定或移动)1.6

机器人的发展方向机器人总体上向着智能化方向发展。下面是部分具体的发展方向：

拟人化：不仅外观像人，能力与智能也像人

多功能化：为人类提高多种高质量的服务

灵巧化：精度提高，灵活性、适应性加强

普及化：各种机器人玩具

大型化与小型化临场感技术、虚拟现实技术、多智能体技术、人工神经网络技术、仿生技术、信息融合技术、纳米技术等的进一步发展，必将使机器人技术的发展如虎添翼。1.7

机器人的发展意义

近年来，国外工业机械人的发展非常迅速。据报导，目前世界上生产中使用的机械手和工业机器人总台数己达220万台，特别突出的是日本，其工业机器人产值，曾一度连续以年增长40％的高速度发展，2006年全年机器人销售额为55，571亿日元（约合人民币3500亿元），其中出口额达到35，539亿日元。机器人产值与2005年同期相比增加了7.6%。欧洲各国也在加快步伐进行机器人的研制和应用。国外为什么要大力发展工业机器人?总起来说，是机器人的特点满足了社会生产的需要。现对工业机器人的特点及其带来的经济、社会效益如下：1.7

机器人的发展意义（1）机器人对环境的适应性强，能代替人从事危险、有害的操作。在人无法接近的地方，或者在长时间工作对人体有害的场所，机器人都不受影响。只要根据工作环境条件进行合理设计，选用适当的材料和结构，工业机器人就可以在异常高温或低温，异常压力和有害气体、粉尘、放射线作用下，以及冲压、灭火等危险环境中胜任工作。如冶炼、锻选、铸造和热处理车间，温度可达几百度，即使穿防护衣，戴防护面具、手套等，人也难以坚持工作。又如，在金属冲压加上中，工作节拍快，劳动强度大，操作人员稍不留神就会发生事故。此外，在焊接操作中的弧光、高温烟雾和飞溅以及喷漆作业中的毒性有机溶剂等有害人体健康的场所，都需要采用工业机器人来操作。1.7

机器人的发展意义（2）机器人能持久、耐劳，可以把人从繁重单调的劳动中解放出来，并能扩大和延伸人的功能。人在连续工作几小时以后，总会感到疲劳或厌倦，需要有一段休息的时间。而工业机器人可以不受工作时间和场所的限制，只要对它注意维护、检修，适当更换易损件就可以了。例如，在汽车总装配中，点焊和拧螺丝的工作量很大(一辆汽本有数百甚至上千个焊点)，又采用传送带流水作业，如果由人来进行这些操作，就会紧张到连喘气的时间都没有的程度。如果采用机械手或工业机器人，就可以把人从单调的紧张劳动中解放出来。1.7

机器人的发展意义（3）机器人动作准确性高，可保证稳定和提高产品质量。工业机器人不像人那样，容易受精神和生理因素的影响，它不会因为紧张、马虎、疲劳或视觉差等原因引起失误。也就是说，工业机器人可以避免人为操作上的错误，而按照设计精确度（加重复定位精度）保证动作的准确性，从而保证产品质量稳定。对于一些技术要求较高、难度较大的作业，采用机器人也可以保证产品质量，提高生产效率。目前，装配机器人定位精度可高达0.02—0.05mm，这是人所不能及的。有些精密产品，如大规模集成电路装配等，如不采用机器人等自动化设备，而用手工操作，就不能保证产品质量要求。1.7

机器人的发展意义（4）机器人通用性灵活性好，能适应产品品种迅速变化的要求，满足柔性生产的需要。现代社会用户对产品的需求不仅是数量上不断增长，更重要的是对品种规格的要求多样化，而且是层出不穷，不断发展。这就迫使制造厂必须不断改进产品，增加花色品种，以满足用户的各种需求，否则，就有在市场竞争中被淘汰的危险。工业机器人由于动作程序和运动位