机器人学及其应用导论 课件 第一章-绪论

《机器人学及其应用--导论》大纲陶永

北京航空航天大学机械学院机械工程学会机器人分会专家委委员中国电子学会机器人与嵌入式系统分会专家委委员一、大纲内容简介《机器人学及其应用--导论》由三部分组成机器人的定义与体系：主要介绍机器人学的起源与发展、机器人的定义与分类、机器人学的主要研究领域和重要意义；机器人的科学问题与核心关键技术：讲解机器人学领域的主要科学问题和关键技术，包括机构与驱动、运动学与动力学、传感器与视觉、运动规划与控制、典型的控制算法等；机器人的典型应用：用丰富的实例展示机器人在各领域的典型应用，涵盖工业机器人、服务机器人和特种机器人，以及机器人技术与产业发展展望。一、大纲内容简介

本讲座仅对机器人的定义、科学理论、典型应用等进行精炼的概述，同时介绍部分机器人经典的理论和案例。

针对关键科学问题的详细阐述，将在系列丛书的其他著作中进行描述。

二、《机器人学及其应用--导论》总目录第一章：绪论1.1机器人学的起源与发展历史；1.2机器人的定义；1.3机器人的分类（机器人的体系）；1.4机器人学的研究领域；1.5机器人的意义（科学、经济与产业、社会）第二章：机器人机构与驱动2.1系统特征（包含工作范围、负载能力、运动骨架）；2.2机械结构（包含连杆、关节、末端执行器）；2.3关节机构（包含关节轴结构、驱动器、变速器；串联、并联、串并联等）；2.4机器人性能（包含速度、加速度、重复性、分辨率、精度、组件寿命、碰撞）第三章：机器人运动学与动力学3.1位姿描述与齐次变换；3.2正运动学与逆运动学；3.3机器人的雅克比公式；3.4刚体动力学方程；3.5机器人动力学方程的简化与计算；3.6机器人静态特性与动态特性二、《机器人学及其应用--导论》总目录第四章：机器人传感器与视觉4.1机器人传感器概述；4.2传感器及其信息融合；4.3机器人视觉测量；4.4

视觉核心技术；第五章：机器人运动规划与控制方法5.1任务规划5.2运动规划5.3轨迹规划5.4人机交互二、《机器人学及其应用--导论》总目录第六章：机器人典型控制算法6.1PID控制方法；6.2模糊控制算法；6.3遗传算法；6.4神经网络算法6.5自学习/深度学习算法6.6遥操作与人机交互算法第七章：机器人的典型应用7.1工业机器人的典型应用7.2服务机器人的典型应用7.3特种机器人的典型应用《机器人学及其应用—导论》第一章绪论提纲124机器人的发展趋势与研究领域

机器人的概念

机器人技术发展历史3

机器人的分类与应用环境起源：在我国，最早的机器人应该是指南车，指南车出现的时间很早，但是直到宋代才有较为完整的资料。指南车是中国古代用来指示方向的一种装置。一、机器人技术发展历史除了指南车外，我国历史上比较有名的机器人形象当属木牛流马，木牛是有前辕的独轮车，流马是没有前辕的独推小车。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。1662年，日本的竹田近江利用钟表技术发明了自动机器玩偶，并在大阪的道顿堀演出。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。1773年，著名的瑞士钟表匠杰克·道罗斯和他的儿子利·路易·道罗斯制造出自动书写玩偶、自动演奏玩偶等，他们创造的自动玩偶是利用齿轮和发条原理而制成的，它们有的拿着画笔和颜色绘画，有的拿着鹅毛蘸墨水写字，结构巧妙，服装华丽，在欧洲风靡一时。1927年，美国西屋公司工程师温兹利制造了第一个机器人“电报箱”，并在纽约举行的世界博览会上展出，它是一个电动机器人，装有无线电发报机，可以回答一些问题，但该机器人不能走动。一、机器人技术发展历史人偶机器人10一、机器人技术发展历史现代机器人的发展历史二战期间（1938-1945）由于核工业和军事工业的发展，研制了“遥控操纵器”（Teleoperator）主要用于放射性材料的生产和处理过程。1947年，对这种较简单的机械装置进行了改进，采用电动伺服方式，使其从动部分能跟随主动部分运动，称为"主从机械手"（Master-SlaveManipulator）。1949-1953

美国麻省理工学院开始研制数控铣床随着先进飞机制造的需要，美国麻省理工学院辐射实验室（MITRadiationLaboratory）开始研制数控铣床。1953年研制成功能按照模型轨迹做切削动作的多轴数控铣床。1954年“可编程”“示教再现”机器人美国人GeorgeC.Devol设计制作了世界上第一台机器人实验装置，并发表了题为《适用于重复作业的通用性工业机器人》的文章。11一、机器人技术发展历史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“联合控制公司”（ConsolidatedControl）根据Devol的专利技术，研制出第一台真正意义上的工业机器人，并成立了Unimation公司，开始定型生产名为Unimate的工业机器人。1965年，MIT的Roborts演示了第一个具有视觉传感器的、能识别与定位简单积木的机器人系统70年代机器人技术发展成为专门学科机器人产业得到蓬勃发展，机器人技术发展成为专门学科，称之为机器人学（Robotics）。80年代开始进入智能机器人研究阶段80年代，不同结构、不同控制方法和不同用途的工业机器人在工业发达国家真正进入了实用化的普及阶段。随着传感技术和智能技术的发展，开始进入智能机器人研究阶段。经历了40多年的发展，机器人技术逐步形成了一门新的综合性学科—机器人学（Robotics）工业机器人----发展历程萌芽诞生，1945世界二次大战核材料加工，机构学与数控机床，1954美国专利，PUMA机器人，1960年代卖给了日本川崎，机械、摩托车及汽车,1980年形成工业产业市场形成，1970汽车、摩托车及零部件，1990装配与物流搬运，2000军用、家用、医疗等，汽车、机械、军警、医疗、食品等标配设备。目前世界与中国大约装机160万台套/6-10万台套，60-100亿美元/50-100亿人民币，将带动8-10倍成套设计、相关工装、零部件、技术培训等市场提纲124机器人的发展趋势与研究领域

机器人的概念

机器人技术发展历史3

机器人的分类与应用环境国际标准化组织（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）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。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。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。14二、机器人的概念国际和国外相关组织的定义—工业机器人按照国际机器人权威机构的定义，服务机器人是指除从事工业生产以外的一大类半自主或全自主工作的机器人，它能完成有益于人类的服务工作。15二、机器人的概念服务机器人的定义综合诸家的解释，可按以下特征描述机器人：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，如感知、决策、执行、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。二、机器人的概念提纲124机器人的发展趋势与研究领域

机器人的概念

机器人技术发展历史3

机器人的分类与应用环境18三、机器人的分类与应用环境以安全可靠、环保节能、使用便捷为准则按照从低级→高级的发展程度可分为三类机器人:第一代机器人：即可编程、示教再现工业机器人，已进入商品化、实用化。第二代机器人：装备有一定的传感装置，能获取作业环境、操作对象的简单信息，通过计算机作出简单的推理，对动作进行反馈的机器人，通常称为低级智能机器人。第三代机器人：具有高度适应性的自治机器人。它具有多种感知功能，可进行复杂的逻辑思维、判断决策，在作业环境中独立行动。第三代机器人又称作高级智能机器人。按照开发内容和目的区分，可分为以下三类机器人工业机器人（IndustrialRobot）：应用于生产过程与环境的机器人，如焊接、喷漆、装配机器人。服务机器人（ServiceRobot）：服务于人的机器人，如助老助残机器人、康复机器人、清洁机器人、护理机器人、医疗机器人、教育娱乐机器人、……特种机器人（SpecialRobots）：特殊环境下作业的机器人，如核工业机器人、极地科考机器人、反恐防暴机器人、军用机器人、救援机器人、……三、机器人的分类与应用环境特种机器人环境：变化、极端特点：自主感知与适应、极端环境防护领域：侦查、排险、作战等国防应用服务机器人环境：变化、与人共处特点：环境识别与适应、交互、安全领域：生活辅助、医疗、助老助残等工业机器人环境：固定、独立特点：高精、高速、重复作业领域：汽车、电子产品制造等三、机器人的分类与应用环境特种机器人环境：变化、极端特点：自主感知与适应、极端环境防护领域：侦查、排险、作战等国防应用服务机器人环境：变化、与人共处特点：环境识别与适应、交互、安全领域：生活辅助、医疗、助老助残等工业机器人环境：固定、独立特点：高精、高速、重复作业领域：汽车、电子产品制造等近3年年均销售23万台，销售额90亿美元，年均增长约12%应用领域没有明显突破，国内市场被国外垄断近3年年均销售480万台，销售额80多亿美元，年均增长近30%应用领域不断突破，市场潜力巨大，未来20年井喷式增长近3年年均销售4万余套，销售额约20多亿美元，年均增长约18%应用环境特殊，关乎国防发展，未来迅速增长三、机器人的分类与应用环境特种机器人环境：变化、极端特点：自主感知与适应、极端环境防护领域：侦查、排险、作战等国防应用服务机器人环境：变化、与人共处特点：环境识别与适应、交互、安全领域：生活辅助、医疗、助老助残等工业机器人环境：固定、独立特点：高精、高速、重复作业领域：汽车、电子产品制造等环境固定，智能要求不高环境变化，自主感知与决策的本体智能要求高环境瞬息万变，本体智能和外部智能要求都很高三、机器人的分类与应用环境国外热门产品不断涌现医疗康复机器人：微创外科手术机器人、血管介入机器人…家政服务与教育机器人：清洁机器人、教育娱乐机器人…特种作业机器人：极限作业机器人、反恐防暴机器人…我国服务机器人产品崭露头角我国已初步形成了水下自主机器人、消防机器人、搜救/排爆机器人、仿人机器人、医疗机器人、机器人护理床和智能轮椅、烹饪机器人等系列产品，显展示出一定的市场前景。三、机器人的分类与应用环境工业机器人在工业生产中能代替人做某些单调、频繁和重复的长时间作业，或是危险、恶劣环境下的作业。共性机加工机器人食品包装机器人特征：模块化的结构设计、灵活的控制系统、专用的应用软件特征：节省了大量人力，减少了包装破损，提高了自动化水平。仓储物流机器人特征：引导方式为磁条引导，激光引导，RFID引导等汽车制造机器人前景：提升加工手段，提高产品质量，增加企业竞争力工业机器人在工业生产中的应用医疗/康复机器人护理机器人助残假肢手术机器人家居服务机器人游尔机器人—YOBYPEPER炒菜机器人清洁机器人教育机器人特种机器人的应用环境提纲124机器人的发展趋势与研究领域

机器人的概念

机器人技术发展历史3

机器人的分类与应用环境仿人/仿生机器人成为了机器与智能的综合集成平台自主感知与决策将成为机器人自主行为控制的核心云智能、群体智能是未来机器人发展的重要方向人-机器人的智能和功能融合是智能机器人技术发展的新兴领域机器人的发展趋势是指构成机器人传动系统、控制系统和人机交互系统，对机器人性能起到关键影响作用，并具有通用性和模块化的部件单元。主要分成以下三部分：高精度机器人减速机高性能交直流伺服电机和驱动器高性能机器人控制器机器人关键基础部件31四、机器人的发展趋势与研究领域机器人的研究领域：驱动、建模与控制：机器人驱动器可将电能、液压能和气压能转化为机器人的动力。机器人建模是指机器人结构的设计与搭建。

对于此领域的研究，主要集中于驱动电机的改进和控制机理的研究驱动电机32四、机器人的发展趋势与研究领域机器人的研究领域：传感器与感知系统：传感器是机器人用于获取外界信息的电子元件，而感知系统是一连串复杂程序所组成的