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1、机器人技术基础,大连交通大学机械电子工程教研室,王晓煜,2018年3月11日,智能与控制工程研究所,2,第一章 绪论Chapter Introduction,1.1 机器人名称的由来 1.2 机器人的发展历史1.3 机器人的定义和分类 1.4 机器人的结构与控制方式1.5 操纵机器人 1.6 智能机器人1.7 机器人的应用 1.8 未来机器人的发展方向1.9 我国机器人研究的简况,2018年3月11日,智能与控制工程研究所,3,2018年3月11日,智能与控制工程研究所,4,1.1 机器人名称的由来 ( About “Robot” ),机器人的英文名词是Robot，Robot一词最早出现在19
2、20年捷克作家卡雷尔卡佩克（Karel Capek）所写的一个剧本中，这个剧本的名字为 Rossums Universal Robots ，中文意思是“罗萨姆的万能机器人”。 剧中的人造劳动者取名为Robota，捷克语的意思是“苦力”、“奴隶”。英语的Robot一词就是由此而来的，以后世界各国都用Robot作为机器人的代名词。,2018年3月11日,智能与控制工程研究所,5,1.2 机器人的发展历史 ( The Developing History of Robots ),古代“机器人”现代机器人的雏形 人类对机器人的幻想与追求已有3000多年的历史西周时期，我国的能工巧匠偃师研制出的歌舞艺人
3、，是我国最早记载的机器人。春秋后期，据墨经记载，鲁班曾制造过一只木鸟，能在空中飞行“三日不下” 。公元前2世纪，古希腊人发明了最原始的机器人太罗斯，它是以水、空气和蒸汽压力为动力的会动的青铜雕像，它可以自己开门，还可以借助蒸汽唱歌。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。,2018年3月11日,智能与控制工程研究所,6,后汉三国时期，蜀国丞相诸葛亮成功地创造出了“木牛流马”，并用其在崎岖山路中运送军粮，支援前方战争。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
4、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，还会进食和排泄。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。,2018年3月11日,智能与控制工程研究所,7,2018年3月11日星期日,现代机器人的研究始于20世纪中期，其
5、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。 自1946年第一台数字电子计算机问世以来，计算机取得了惊人的进步，向高速度、大容量、低价格的方向发展。 大批量生产的迫切需求推动了自动化技术的进展，其结果之一便是1952年数控机床的诞生。与数控机床相关的控制、机械零件的研究又为机器人的开发奠定了基础。另一方面，原子能实验室的恶劣环境要求某些操作机械代替人处理放射性物质。在这一需求背景下，美国原子能委员会的阿尔贡研究所于1947年开发了遥控机械手，1948年又开发了机械式的主从机械手。,现代机器人的发展历史,2018年3月11日,智能与控制工程研究所,8,2018年3月11日星期日,195
6、4年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节，利用人手对机器人进行动作示教，机器人能实现动作的记录和再现。1958年，美国机械与铸造公司（AMF）研制成功一台数控自动通用机器，商品名为Versatran（即Versatile Transfer的复合词，意为多才多艺的搬运机），并以“Industrial Robot”（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（Unimation）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，
7、机器人的研究与应用就正式拉开了序幕。,现代机器人的发展历史,2018年3月11日,智能与控制工程研究所,9,2018年3月11日星期日,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。1967年日本成立了人工手研究会（现改名为仿生机构研究会），同年召开了日本首届机器人学术会。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普及，故称该年为“机
8、器人元年”。,现代机器人的发展历史,2018年3月11日,智能与控制工程研究所,10,2018年3月11日星期日,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。现在，将具有感觉、思考、决策和动作能力的系统称为智能机器人，这是一个概括的、含义广泛的概念。这一概念不但指导了机器人技术的研究和应用，而且又赋予了机器人技术向深广发展的巨大空间，水下机器人、空间机器人、空中机器人、地面机器人、微小型机器人等各种用途的机器人相继问世，许多梦想成为了现实。将机器人的技术（如传感技术、智能技术、控制技术等）扩散和渗透到各个
9、领域形成了各式各样的新机器机器人化机器。当前与信息技术的交互和融合又产生了“软件机器人”、“网络机器人”的名称，这也说明了机器人所具有的创新活力。,现代机器人的发展历史,2018年3月11日,智能与控制工程研究所,11,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-Slave Manipulator）。1949-1953 美国麻省理工学院开始研制数控铣
10、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（MIT Radiation Laboratory）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George C. 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。,2018年3月11日,智能与控制工程研究所,12,60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”（Consolidated Control）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Unim
11、ation公司，开始定型生产名为Unimate的工业机器人。两年后，美国“机床与铸造公司”（AMF）也生产了另一种可编程工业机器人Versatran。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）。机器人的应用领域进一步扩大，不同的应用场所，导致了各种坐标系统、各种结构的机器人相继出现，大规模集成电路和计算机技术飞跃发展使机器人的控制性能大大提高，成本不断下降。,2018年3月11日,智能与控制工程研究所,13,80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
12、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。机器人视觉、触觉、力觉、接近觉等项研究和应用，大大提高了机器人的适应能力，扩大了机器人的应用范围，促进了机器人的智能化进程。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）它包括有基础研究和应用研究两个方面主要研究内容有：(1) 机械手设计；(2) 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。,2018年3月11日,智能与控制工程
13、研究所,14,1.3 机器人的定义和分类 （Definition and Classifying for Robots）,1.3.1 机器人的定义 ( Definition of Robots ) 机器人问世已有几十年，机器人的定义仍然仁者见仁，智者见智，没有一个统一的意见。原因之一是机器人还在发展，新的机型，新的功能不断涌现。同时由于机器人涉及到了人的概念，成为一个难以回答的哲学问题。就像机器人一词最早诞生于科幻小说之中一样，人们对机器人充满了幻想。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。 随着机器人技术的飞速发展和信息时代的到来,机器人所涵盖的内容越来越丰富，机器人的
14、定义也不断充实和创新。下面给出一些有代表性的定义。,2018年3月11日,智能与控制工程研究所,15,机器人定义的讨论,2018年3月11日星期日,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）。,2018年3月11日,智能与控制工程研究所,16,2018年3月11日星期日
15、,1920年捷克剧作家KarelCapek（卡雷尔卡佩克）的剧本Rossums Universal Robota（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。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。,机器人定义的讨论,2018年3月11日,智能与控制工程研究所,17,2018年3月11日星期日,1950年，美国著名科幻小说家IsaacAsimov（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
16、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。,机器人定义的讨论,2018年3月11日,智能与控制工程研究所,18,2018年3月11日星期日,目前，对机器人的定义主要是指工业机器人，能被接受的机器人定义是由美国机器人协会（RIA）提出的，1984年，国际标准化组织（ISO）也采纳了这个定义，即“工业机器人是可编程的、多功能的操作机构；可用于移动各种材料、零件、工具或操持专用工具；能通过改变作业程序完成各种各样的作业任务。”在我国，国家标准GB/T12643-90对工业机器人的定义是：“工业机器人是一种能自动定位控制，可重复编程的、多功能的、多自由度的操作机。能搬运材料、零件或操持工具，用以完成各种作业。”定义中的操作机是指“具有和人手臂相似的动作功能，可在空间抓放物体或进行其他操作的机械装置。”,
