1部分机器人概论

机器人概论介绍1.1

机器人的定义

机器人问世已有几十年，但没有一个统一的意见。原因之一是机器人还在发展，另一原因主要是因为机器人涉及到了人的概念，成为一个难以回答的哲学问题。也许正是由于机器人定义的模糊，才给了人们充分的想象和创造空间。

美国机器人协会（RIA)：一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置的，通过程序动作来执行各种任务，并具有编程能力的多功能操作机。美国家标准局：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。

1.机器人的定义、发展历史及分类

1987年国际标准化组织(ISO)对工业机器人的定义：“工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能，能完成各种作业的可编程操作机。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”。1.机器人的定义、发展历史及分类1.1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

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

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：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）。

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。未来的趋势是从柔性，可编程发展到感知和智能！(视觉，力反馈，超声传感器)1.机器人的定义、发展历史及分类61.2

机器人的发展历史1920年，捷克作家卡雷尔·卡佩克发表了科幻剧本《罗萨姆的万能机器人》。卡佩克在剧本中把捷克语“Robota”写成了“Robot”，引起了大家的广泛关注，被当成了机器人一词的起源。1950年,美国作家埃萨克·阿西莫夫在科幻小说《I，Robot》中首次使用了“Robotics”，即“机器人学”。阿西莫夫提出了“机器人三原则”1、机器人不应伤害人类,且在人类受到伤害时不可袖手旁观；2、机器人应遵守人类的命令，与第一条违背的命令除外；3、机器人应能保护自己，与第一条相抵触者除外。

机器人学术界一直将这三原则作为机器人开发的准则，阿西莫夫因此被称为“机器人学之父”。（军用战争机器人是违反机器人三原则）1.机器人的定义、发展历史及分类1954年，美国人GeorgeC.Devol提出了第一个工业机器人方案并在1956年获得美国专利。

1960年，Conder公司购买专利并制造了样机。

1961年，Unimation公司（通用机械公司）成立，生产和销售了第一台工业机器“Unimate”，即万能自动之意。1962年，A.M.F.（机械与铸造）公司，研制出一台数控自动通用机，取名“Versatran”，即多用途搬运之意，并以“IndustrialRobot”为商品广告投入市场。

1.机器人的定义、发展历史及分类1967年，Unimation公司第一台喷涂用机器人出口到日本川崎重工业公司。1968年，第一台智能机器人Shakey在斯坦福研究所诞生。

1972年，IBM公司开发出直角坐标机器人。

1973年，CincinnatiMilacron公司推出T3型机器人。

1978年，第一台PUMA机器人在Unimation公司诞生。1982年，Westinghouse公司兼并Unimation公司，随后又卖给了瑞士的Staubli公司。

1990年，CincinnatiMilacron公司被瑞士ABB公司兼并。1.机器人的定义、发展历史及分类日本、西欧各国、前苏联也相断引进或自行研制工业机器人。60～70年代是机器技术获得巨大发展的阶段。80年代，机器人在发达国家的工业中大量普及应用，如焊接、喷漆、搬运、装配。并向各个领域拓展，如航天、水下、排险、核工业等，机器人的感知技术得到相应的发展，产生第二代机器人。二十世纪机器人技术在发达国家应用更为广泛，如军用、医疗、服务、娱乐等领域，并开始向智能型（第三代）机器人发展。

随着机器人技术的发展形成了新学科—机器人学。建立了相应学术组织，定期举办学术活动。国际会议：ISIP、IEEE——IROS、ICRA等。国际杂志：《RobticsResearch》、《Industrialrobot》、

IEEEtransaction

on《RoboticsandAutomation》等。1.机器人的定义、发展历史及分类我国机器人技术起步较晚，70年代末，一些院校和企业，开始研制专用机械手，80年代初，开发小型的教育机器人。1985年哈工大研制出国内第一台弧焊机器人（华宇Ⅰ号）。

国家“863”计划把机器人技术作为重点发展技术来支持。建立了“机器人示范工程中心”和机器人国家开放实验室（沈阳自动化所、哈工大、合肥机械所、上海交大、南开大学）。目前国内从事机器人产业化的公司有：新松、埃夫特、广数、埃斯顿、青岛创想、嘉兴瑞宏、上海沃迪、东莞启帆等数十家企业

我国也建立了机器人学的学术组织，定期举办学术活动。学术会议：每两年左右去办一次大型全国性会议。学术刊物：《机器人》、《机器人技术与应用》等。1.机器人的定义、发展历史及分类1.3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

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.机器人的定义、发展历史及分类点焊（汽车行业）弧焊（汽车零部件、工程机械、船舶行业）激光加工（汽车零部件、钢铁）码垛（石化、粮食、冶金）机床上下料（机加工）铸件打磨（铸造，机加工）分拣包装（食品、医药）喷涂（汽车、洁具、玩具）浇铸（铸造，汽车零部件）——恶劣、繁重、洁净、高精度等场合工业机器人1.机器人的定义、发展历史及分类

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1.机器人的定义、发展历史及分类“双鹰”水下机器人蛟龙号“探索者号”水下机器人MER火星漫游车Marshod火星漫游车CanadaArm太空机械臂特种机器人（一）空间机器人——水下机器人——1.机器人的定义、发展历史及分类美国“别动队”无人机法国“红隼”无人机微型无人机特种机器人（二）美国军用运输机器人“徘徊者”侦察机器人（美）“手推车”排爆机器人（英

）机器人助手（美）军用机器人——1.机器人的定义、发展历史及分类特种机器人（三）足球机器人AIBO机器狗指挥机器人迎宾机器人导盲机器人跳舞机器人医疗机器人服务机器人——娱乐机器人——1.机器人的定义、发展历史及分类室外保安机器人排爆机器人（德）消防机器人防暴机器人（中）排险救灾机器人——特种机器人（四）管内机器人隧道凿岩机器人大型喷浆机器人工程用机器人——1.机器人的定义、发展历史及分类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，能进行可变程伺服控制。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1.机器人的定义、发展历史及分类2

机器人的优缺点2.2、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。2.1、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；其感知系统及其附属设备具有某些人类所不具有的能力。这一点已经不存在了增加智能和感知能力，完善安全机制增加智能和感知能力部件、整机、周边设备成本降低3

机器人技术的发展趋势

进入21世纪，由于人工智能、计算机科学、传感器技术的长足进步，使机器人技术研究在高水平上进行。机器人在工业、农业、商业、旅游业、医疗、公共安全、空间和海洋以及国防等诸多领域获得越来越普遍的应用。未来机器人技术将有待于在以下方面发展。3.1、机器人机构新型机器人机构：新型驱动与传动，新型材料，柔性臂，冗余自由度臂，人工肌肉。

仿人与仿生机构：紧凑型多自由度机构，非结构环境的特殊移动机构；

极限环境下的机器人机构：如空间、水下等。

微型机构：微纳驱动、微纳操作。3.2感觉技术各种新型传感器的开发及其小型化；主动视觉与高速运动视觉；多传感器系统与多信息融合；恶劣工况下的传感技术；3.3控制技术先进控制理论；分组协调控制与群控；人机交互（虚拟现实、遥操作和人机合作）；基于传感信息的规划与导航；机器智能（自主操作、自主控制、自我学习）；多智能体系统。3

机器人技术的发展趋势4

机器人的组成、构型及性能要素4.1

机器人的组成

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。内部传感器（位形检测）控制系统驱动装置外部传感器（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

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。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。控制系统进行任务及信息处理，并给出控制信号；相当于大脑和小脑。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）4

机器人的组成、构型及性能要素4.2

机器人的构型

机器人的机械配置形式即构型多种多样。最常见的构型是用其坐标特性来描述的。4.2.1工业机器人

(1)直角坐标型(3P)

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。4

机器人的组成、构型及性能要素(2)圆柱坐标型(R2P)

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4

机器人的组成、构型及性能要素(3)极坐标型（也称球面坐标型）(2RP)

其运动耦合性较强，控制也较复杂。但运动灵活性好。占自身据空间也较小。极坐标型机器人模型Unimate机器人4

机器人的组成、构型及性能要素(4)关节坐标型(3R-6R)

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4

机器人的组成、构型及性能要素ER3A-C10/C60最大臂展：630mmER20-C10最大臂展：2722mm(5)平面关节型(SCARA)

仅平面运动有耦合性，控制较通用关节型简单。但运动灵活性更好，铅垂平面刚性好。SCARA型装配机器人4

机器人的组成、构型及性能要素EFORTSCARA最大臂展：750mm(6)仿生型根据所仿对象的运动特征而定。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)

4

机器人的组成、构型及性能要素仿禽机器人仿鱼机器人仿鸟机器人六足漫游机器人4

机器人的组成、构型及性能要素4

机器人的组成、构型及性能要素EFORTSCARA最大臂展：750mmDelta直径1000

高度270mmER50-C20最大臂展：2146mmER3A-C10/C60最大臂展：630mmER10L-C10最大臂展：2022mmER20-C10最大臂展：2722mm机床上下料喷釉分拣3C装配4

机器人的组成、构型及性能要素ER400-C20最大臂展：3662mmER165C-C10最大臂展：2618mmER210-C40最大臂展：2674mmER180-C204最大臂展：3150mm搬运打磨码垛电焊ER130-C204最大臂展：2800mmER210A-C20最大臂展：2618mm4.3

机器人的性能要素与术语

自由度数衡量机器人适应性和灵活性的重要指标，一般等于机器人的关节数。机器人所需要的自由度数决定与其作业任务。

负荷能力机器人在满足其它性能要求的前提下，能够承载的负荷重量。

运动范围（工作空间）机器人在其工作区域内可以达到的最大距离。它是机器人关节长度和其构型的函数。

运动速度单关节速度；合成速度。4

机器人的组成、构型及性能要素不同行业对不同性能指标有侧重点34

控制模式引导或点到点示教模式；连续轨迹示教模式；离线编程模式；自主模式。

其它动态特性如稳定性、柔顺性等。

重复定位精度指机器人重复到达指定点的精确程度。它与机器人机械本体精度直接相关（减速机间隙、结构间隙）。

轨迹精度指机器人末端合成轨迹的精确程度。它与机器人机械本体精度、控制系统响应能力直接相关4

机器人的组成、构型及性能要素5.1