机器人技术及其应用

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1、机器人技术及其应用机器人技术及其应用第第1 1章章 机器人技术机器人技术概述概述1.1 1.1 机器人技术的发展机器人技术的发展 人类进入21世纪，除了致力于自身的发展外，还十分关注机 器人、外星人和克隆人等问题； “机器人”这个名称对许多人来说并不陌生； 现实中，机器人的本领时非常有限的；机器人学的进步和应用是本世纪自动控制最有说服力的成 就，是当代最高意义上的自动化。1.1.1 机器人的由来幻想时期: 在我国西周时代（公元前1066年前771年），流传有关巧 匠偃师献给周穆王一个歌舞机器人（艺伎）的故事； 公元前3世纪，古希腊发明家戴达罗斯用青铜为克里特岛国 王迈诺斯塑造了一个守卫宝岛的青

2、铜卫士塔罗斯； 我国东汉时期（公元我国东汉时期（公元2522025220年），张衡发明的指南车是世界年），张衡发明的指南车是世界 上最早的机器人雏形；上最早的机器人雏形；自动机械时期：自动机械时期： 公元公元1768177417681774年间，瑞士钟表匠德罗斯父子三人，设计制造年间，瑞士钟表匠德罗斯父子三人，设计制造 出三个像真人一样大小的机器人出三个像真人一样大小的机器人-写字偶人、绘图偶人和弹风写字偶人、绘图偶人和弹风 琴偶人；琴偶人； 公元公元18931893年，加拿大摩尔设计的行走机器人年，加拿大摩尔设计的行走机器人“ “安德罗丁安德罗丁” ”，采用，采用 蒸汽作为动力；蒸汽作为动力

3、；现实服务时期：现实服务时期： 1954 1954年，美国人乔治年，美国人乔治 德沃尔设计了第一台电子程序可编的工业德沃尔设计了第一台电子程序可编的工业 机器人，并于机器人，并于19611961年发表了该项机器人专利；年发表了该项机器人专利； 1962 1962年美国万能自动化年美国万能自动化( (UnimationUnimation) )公司的第一台机器人公司的第一台机器人 UnimateUnimate在美国通用汽车公司在美国通用汽车公司( (GM)GM)投入使用，这标志着第一代机投入使用，这标志着第一代机 器人的诞生。器人的诞生。1.1.2 1.1.2 机器人的定义机器人的定义“ “机器人

4、机器人”-1920”-1920年，捷克作家卡雷尔年，捷克作家卡雷尔 凯培克凯培克( (Karel CapekKarel Capek) )在他的在他的 幻想情节剧罗萨姆的万能机器人幻想情节剧罗萨姆的万能机器人( (R.U.R)R.U.R)中第一次提出了中第一次提出了“ “机器机器 人人” ”这个名词。这个名词。-1950 -1950年，美国著名科学幻想小说家阿西莫夫在他的小说年，美国著名科学幻想小说家阿西莫夫在他的小说 我是机器人中，提出了有名的我是机器人中，提出了有名的“ “机器人三守则机器人三守则” ”：vv 机器人必须不危害人类，也不允许它眼看人将受害而袖手旁观；机器人必须不危害人类，也不

5、允许它眼看人将受害而袖手旁观；vv 机器人必须绝对服从人类，除非这种服从有害于人类；机器人必须绝对服从人类，除非这种服从有害于人类；vv 机器人必须保护自身不受伤害，除非为了保护人类或者是人类命机器人必须保护自身不受伤害，除非为了保护人类或者是人类命 令它作出牺牲。令它作出牺牲。国际上，关于机器人的定义主要有以下几种：（1）英国简明牛津字典的定义：机器人是“貌似人的自动机， 具有智力和顺从于人的但不具人格的机器”。（2 2）美国机器人协会）美国机器人协会( (RIA)RIA)的定义：机器人是的定义：机器人是“ “一种用于移动各一种用于移动各 种材料、零件、工具或专用装置的，通过可编程序动作来执

6、行种种材料、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种任务的，并具有编程能力的多功能机械手( (manipulator)”manipulator)”。(3)(3)日本工业机器人协会日本工业机器人协会( (JIRA)JIRA)的定义：工业机器人是的定义：工业机器人是“ “一种装备一种装备 有记忆装置和末端执行器有记忆装置和末端执行器( (endend effectoreffector) )的，能够转动并通过自动的，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完成各种移动来代替人类劳动的通用机器” ”。或者分为两种情况来定义或者分为两种情

7、况来定义: : 工业机器人是工业机器人是“ “一种能够执行与人的上肢一种能够执行与人的上肢( (手和臂手和臂) )类似动作的多类似动作的多 功能机器功能机器“ “。 智能机器人是智能机器人是“ “一种具有感觉和识别能力，并能够控制自身行为一种具有感觉和识别能力，并能够控制自身行为 的机器的机器“ “。(4)(4)美国国家标准局美国国家标准局( (NBS)NBS)的定义：机器人是的定义：机器人是“ “一种能够进行编程一种能够进行编程 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“。(5) (5) 国际标准化组织国际标准化组织( (ISO)I

8、SO)的定义：的定义：“ “机器人是一种自动的、位置可控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 执行种种任务执行种种任务“ “。(6)(6)关于我国机器人的定义。随着机器人技术的发展，我国也面临讨关于我国机器人的定义。随着机器人技术的发展，我国也面临讨 论和制订关于机器人技术的各项标准问题，其中包括对机器人的定论和制订关于机器人技术的各项标准问题，其中包括对机器人的定 义

9、。蒋新松院士曾建议把机器人定义为义。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一种拟人功能的机械电子 装置装置“(“(a a mechantronicmechantronic device device to to imitate imitate some some human human functions)functions)。我我 们可以参考各国的定义，结合我国情况，对机器人作出统一的定义们可以参考各国的定义，结合我国情况，对机器人作出统一的定义 。上述各种定义有共同之处，即认为机器人上述各种定义有共同之处，即认为机器人( (1)1)像人或人的上肢，像人或人的上肢， 并能

10、模仿人的动作并能模仿人的动作;( ;(2 2) )具有智力或感觉与识别能力具有智力或感觉与识别能力;(3);(3)是人造的机器是人造的机器 或机械电子装置。或机械电子装置。 1.1.3 1.1.3 机器人学的进展机器人学的进展1. 1. 机器人的偿还期理论促进对机器人产业的投资机器人的偿还期理论促进对机器人产业的投资P-P-偿还期（年）偿还期（年） R-R-机器人售价机器人售价 A-A-附属设备费用附属设备费用 E-E-工程及安装费工程及安装费 C-C-税务信贷税务信贷L-L-全年节省的劳务费用，包括工资全年节省的劳务费用，包括工资及津贴及津贴 M1-M1-材料费用材料费用 M2-M2-操作维

11、修费用操作维修费用H-H-年运行小时数年运行小时数 TR-TR-公司税率公司税率D-D-年折旧费年折旧费P1=3.88P1=3.88（年）单班制年）单班制P2=2.10P2=2.10（年）双班制年）双班制P3=1.44P3=1.44（年）三班制年）三班制2. 2. 日本后来居上，成为日本后来居上，成为“ “机器人王国机器人王国” ”1968 1968年日本才有第一台机器人年日本才有第一台机器人1981 1981年日本拥有机器人的总台数占世界的年日本拥有机器人的总台数占世界的57.5%57.5%；3. 3. 机器人产业在全世界迅速发展机器人产业在全世界迅速发展1976 1976年美国国家航空和宇

12、航局年美国国家航空和宇航局( (NASA)NASA)执行的执行的“ “海盗海盗” ”号宇宙飞船号宇宙飞船 火星着陆计划；火星着陆计划；1998 1998年美国拥有年美国拥有8 8万多台机器人，占机器人总数的万多台机器人，占机器人总数的15%15%（2 2）德国拥有德国拥有7 7万多台机器人，占机器人总数的万多台机器人，占机器人总数的13%13%（3 3）亚洲的韩国排名第五位（但日、韩、新的机器人密度包亚洲的韩国排名第五位（但日、韩、新的机器人密度包 揽世界前三位）揽世界前三位）西欧的意大利、法国、英国、和东欧的匈牙利、波兰、南斯拉西欧的意大利、法国、英国、和东欧的匈牙利、波兰、南斯拉 夫等在机

13、器人制造和应用上都有较大发展夫等在机器人制造和应用上都有较大发展4. 4. 应用范围遍及工业、科技和国防各个领域应用范围遍及工业、科技和国防各个领域5. 5. 形成新的学科形成新的学科-机器人学机器人学当一种工业、技术和经济发生重大变化时，总是要求科学和教当一种工业、技术和经济发生重大变化时，总是要求科学和教 育系统发生与之相适应的调整和发展。发展知识经济对机器人育系统发生与之相适应的调整和发展。发展知识经济对机器人 的需求和机器人工业的迅速发展，为机器人学的建立奠定了基的需求和机器人工业的迅速发展，为机器人学的建立奠定了基 础。现在，机器人学这一新学科己从它的幼年时代转入朝气蓬础。现在，机器

14、人学这一新学科己从它的幼年时代转入朝气蓬 勃的青年时代。勃的青年时代。 以机器人学科为中心的国际学术会议，如国际工业机器人会议以机器人学科为中心的国际学术会议，如国际工业机器人会议 ( (ISIP)ISIP)、国际工业机器人技术会议国际工业机器人技术会议( (CIRT)CIRT)、国际自控联国际自控联( (IFAC)IFAC) 、国际科学技术发展协会国际科学技术发展协会( (IASTED)IASTED)主办的主办的国际机器人学主办的主办的国际机器人学 与自动化会议与自动化会议( (ICRICRA)A)等，每年或隔年举行一次。等，每年或隔年举行一次。有关出版刊物：国际杂志就有有关出版刊物：国际杂

15、志就有Robotics Robotics ResearchResearch， RoboticaRobotica和和Robotics and AutomationRobotics and Automation等多种。等多种。 6. 6. 机器人向智能化方向发展机器人向智能化方向发展1.2 1.2 机器人特点、结构与分类机器人特点、结构与分类1.2.1 1.2.1 机器人的主要特点机器人的主要特点1. 1. 通用性：通用性： 机器人的通用性机器人的通用性( (versatility)versatility)取决于其几何特性和机械取决于其几何特性和机械 能力。通用性指的是某种执行不同的功能和完成多样的简单任能力。通用性指的是某种执行不同的功能和完成多样的简单任 务的实际能力。务的实际能力。通用性也意味着，机器人具有可变的几何结构，即根据生产工通用性也意味着，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或者说，在机械结构上允许机器人 执行不同的任务或以不同的方式完成同一工作。执行不同的任务或以不同的方式完成同一工作。现有的大多数机器人都具有不同程度的通用性，包括机械手的现有的大多数机器人都具有不同程度的通用性，