机器人概述教材

主要内容一序言二机器人发展历史三机器人的概念四机器人的组成和技术原理五机器人的应用六机器人的未来展望一序言每当我们说到“机器人”，大家都会想到电影中的机器人的样子：《星球大战》(starwar,1977)中的机器人C-3POR2D2《机械公敌》（I，Robot）中的机器人：sonny二机器人的发展历史古代神话和幻想木牛流马（《三国志·诸葛亮传》）“（建兴）九年，亮复出祁山，以木牛运，粮尽退军”抓鼠木人（《梦溪笔谈》）“身高三尺，能左手扼鼠，右手持铁简毙死之，动作灵活“守卫克里特岛的青铜巨人泰洛斯（Taloas）（古希腊神话《阿鲁格探险船》）近代科幻1920

捷克剧作家

K.Capek《罗萨姆的万能机器人》(R.U.R)第一次提出"Robot"（Robota，斯洛伐克语），"机器人“1950

美国科幻小说家阿西莫夫(Asimov)的《我是机器人》(I,Robot)中提出著名的机器人三原则﹕1.机器人必须不危害人类﹐也不允许它眼看人类受害而袖手旁观；2.机器人必须服从与（1）不矛盾的指令；3.在与（1）、（2）原则不相矛盾的前提下，机器人可维护自身不受伤害。

早期的自动机械指南车（黄帝、东汉张衡、三国马钧）法国：机器鸭（Jacquesdevaucanson，1738）

瑞士：写字、绘图、弹风琴偶人（Jaquet

Droz，1768-1774）故宫博物院

"写字人"自动钟（TimothyWilliamson）原理:

凸轮控制，弹簧驱动

现代机器人的出现1954乔治﹒德沃尔(GeorgeC.Devol)设计了第一台可编程机器人，于1961年获得美国专利1961Unimation公司的第一台工业机器人Unimate(JoeEngelberger,Devol)在美国通用汽车公司投入使用﹐标志着第一代机器人的诞生

1961年，AMF(AmericanMachineandFoundryCorp.)公司推出HarryJohnson

与Veljko

Milenkovic设计的圆柱坐标工业机器人Versatran(VersatileTransfer)

三机器人的概念1机器人的定义机器人（Robot）是自动执行工作的机器装置。机器人可接受人类指挥，也可以执行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。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，通过可编程序动作来执行种种任务，并具有编程能力的多功能机械手(manipulator)

工业机器人。国际标准化组织(ISO):动作机构具有类似于人或其他生物体某些器官（肢体、感官等）的功能；具有通用性，工作种类多样，动作程序灵活易；具有不同程度的智能性，如记忆、感知、推理、决策、学习等；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。日本人认为“机器人就是任何高级的自动机械”。2.机器人的主要特点ISO：仿生、通用、智能、自动。通用性：机器人具有可变的几何结构，即根据生产工作需要进行变更的几何结构；或者说，在机械结构上允许机器人进行不同的任务或以不同的方式完成同一工作。适应性：对环境的自适应能力，机器人应具有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。四机器人的组成和技术原理1.机器人的组成及工作原理机械系统是具有传动执行装置的机械，由臂、关节和末端执行装置（工具等）构成驱动系统为各部件提供动力感知系统收集机器人内部状态和外部环境信息控制系统从计算机获取指令，控制驱动器的动作，并与传感器反馈的信息一起协调机器人的运动（小脑）处理器用来计算机器人关节的运动，监督控制器与传感器协调动作（大脑）软件：操作系统、机器人软件（运动方程计算）、应用程序工业机器人-环境交互系统是实现工业机器人与外部环境中的设备相互联系和协调的系统。外部设备，如加工制造、焊接、装配单元等人机交互系统是使操作人员参与机器人控制并与机器人进行联系的装置，指令给定装置和信息显示装置。2.机器人的主要技术特性自由度(Degreeoffreedom):

表示机器人的动作灵活性，由机器人的结构决定，一般以沿轴线的移动和绕轴转动的独立运动数表示（末端执行器的动作不包括在内），在三维空间中描述一个物体的位置和姿态（位姿）需要6个自由度。工作空间(Workingspace):

描述机器人运行时空间活动的最大范围。额定速度(Ratedvelocity):

机器人在额定负载、匀速运动中，手臂末端的机械接口中心或工具中心的最大速度。额定负载(Ratedload):

机器人在规定的性能范围内，机械接口能承受的最大负载量，与速度、加速度有关分辨率(Resolution):

机器人各轴能实现的最小移动距离或最小转动角度，编程和控制（检测）位置精度(Poseaccuracy):

指设定位姿与实际到达位姿的一致程度，机械误差（关节间隙，连杆挠性，传动误差）、算法误差（bit）、分辨率系统误差（1/2基准）重复位置精度(Poserepeatability):

在相同条件，用同样方法操作机器人时，重复n次所测得的位姿的一致程度。五机器人的应用各行各业都有不同程度的应用工业机器人弧焊﹑点焊﹑浇注﹑冲压﹑搬运﹑装配等，广泛应用于各行各业﹐有助于提高产品产量﹑质量﹑可靠性和一致性。（1）弧焊机器人弧焊机器人的应用范围很广，除汽车行业之外，在通用机械、金属结构等许多行业中都有应用(2)点焊机器人

汽车工业是点焊机器人一个典型的应用领域。一般装配每台汽车车体大约需要完成3000一4000个焊点，而其中的60%是由机器人完成的。在有些大批量汽车生产线上，服役的机器人台数甚至高达151台引人机器人会取得下述效益:a.改善多品种混流生产的柔性;b.提高焊接质量、提高生产率;c.把工人从恶劣的作业环境中解放出来

焊接机器人技术的发展动向目前正在开发一种新的点焊机器人系统。这种系统力图把焊接技术与CAD、CAM技术完美地结合起来，提高生产准备工作的效率，缩短产品设计投产的周期，从而使整个机器人系统取得更高的效益。(3)装配机器人

装配作业的主要操作：垂直向上抓起零件，水平移动，然后垂直放下插入系统组成，特点：在手部前端安装手爪，抓取物体，相当于人手功能气动、吸盘、电动；配备各种可换手爪（工具库），以增加通用性典型代表：平面关节型机器人，低成本它共有4个自由度:两个回转关节，上下移动以及手腕的转动直角坐标型机器人(4)喷涂机器人喷涂机器人在使用环境和动作要求上有如下的特点:①工作环境包含易爆的喷涂剂蒸气;（液压驱动、内压防爆无火花电机）②沿轨迹高速运动，途经各点均为作业点;③多数被喷涂件都搭载在传送带上，边移动边喷涂，所以它需要一些特殊性能避免危害人体健康，提高经济效益（节省油漆）和喷涂质量(5)搬运、码垛机器人

主要操作：工厂中一些工序的上下料作业、拆垛和码垛作业等。应用特点：这类机器人精度相对低一些，但负荷比较大，运动速度比较高。机器人操作机多采用关节坐标式机器人结构，也有的采用直角坐标式结构。随着工厂自动化程度的提高和生产节拍的加快，搬运机器人使用得越来越多加快物流速度、保护工人的安全和健康、物垛整齐一致、减少物料破损和浪费类型：操作型和移动型

4.

特种机器人在恶劣或不适于人类工作的环境中执行任务，太空、水下、放射性

自主机器人：执行编程任务，现在只能执行简单任务遥控机器人：在恶劣环境中的从动装置跟随远处控制主动装置的操作动作，视觉触觉反馈(1)

空间机器人空间机器人是指在大气层内、外从事各种作业的机器人，包括在内层空间飞行并进行观测、可完成多种作业的飞行机器人，到外层空间其他星球上进行探测作业的星球探测机器人和在各种航天器里使用的机器人。空间充满太阳辐射线，具有微重力、高温差、超高真空等恶劣条件减少宇航员危险、附属设备和物质补给、增加作业范围和时间、提高经济效益飞行机器人星球探测机器人

1997年7月4日I7时7分，美国国家航空航天局发射的火星“探路者”号宇宙飞船在经过7个月的飞行之后成功地在火星表面着陆。“探路者”飞船首次携带了一个名为“索杰纳”的火星探测机器人，对登陆器周围进行搜索，探测火星的气候及地质方面的数据星球探测机器人所涉及的关键技术如下：星球探测机器人在重量、尺寸和功耗等方面受到的严格限制星球探测机器人如何适应空间温度、宇宙射线、真空等苛刻的末知环境如何建立一个易于操作的星球探测机器人系统(2)水下机器人水下机器人是一种可在水下移动、具有视觉和感知系统、通过遥控或自主操作方式、使用机械手或其他工具代替或辅助人去完成水下作业任务的装置应用：沉船打捞、海上救生、光缆铺设、资源勘探和开采、水下考古、海洋生物考察等海底世界不仅压力非常大（下潜100米就增加10个大气压），而且伸手不见五指，环境非常恶劣。采用水下机器人可以增加水下作业持续时间、无需生命维持设备、对人没有危险性、制造和使用成本低与普通机器人不同的特点：耐高水压的结构和密封水中不能使用无线电通信，目前在水中的唯一通信手段是水声技术由于光波在水中的散射、损耗和吸收，水下机器人成为“近视眼”回收和能源拖曳、有缆(ROV，RemotelyOperatedVehicle)、无缆自治(AUV，AutonomousUnderwaterVehicle)、仿生式世界上第一台无人潜水器“Poodle”诞生于1953年(3)核工业机器人

核工业机器人是应用在辐射环境下的特种机器人，要完成的是位置不定的多种多样变化的工作大多数核工业机器人采用的是车轮或履带，或车轮和履带相结合的行走方式，远距离控制应用特点：1适应不同的环境和高可靠性2适用性强，能顺利通过各种障碍物和狭隘的通道，根据需要操作不同的设备主从式遥控机器人移动式机器人(4)消防救援机器人消防机器人可以替代消防队员接近火灾现场实施有效的灭火救援作业，开展各项火场侦察任务高温、强热辐射、浓烟、地形复杂、障碍物多、化学腐蚀、易燃易爆等恶劣环境行走、遥控消防炮、防爆、图像传输、冷却自卫、探测系统（可燃气浓度、有毒气体种类浓度、辐射热、内外温度等）救援排险机器人(5)军用机器人

虽然机器人从军晚于其他行业，但自60年代在越南战场（无人机）崭露头角以来，作为一支新军，其巨大的军事潜力，超常的作战效能，日益受到各国军界的重视无人地面车辆－UnmannedGroundVehicle(UGV)

美国陆军在伊拉克战场上首次使用18个遥控“剑”(SWORDS“特种武器观测侦察探测系统”)机器人士兵，每分钟能发射1000发子弹，它们将成为美国军队历史上第一批参加与敌方面对面实战的机器人

其它类型UGV5.服务机器人(1)家庭服务机器人清洁机器人锄草机器人1.机器人领域的未来发展特征应用的广泛性和扩展的迅速性更广泛地代替人从事各种生产作业：汽车、电子→采矿、冶金、建筑、纺织；农林牧渔等行业探索与开发宇宙、海洋的有力工具在未来战争中发挥重要作用提高人类健康水平和生活质量：家庭服务、康复护理、科教技术上的发展特征提高机器人的智能化，和人类