第1章机器人技术概述

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1、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1.1.1 机器人的由来幻想时期幻想时期: : 自动机械时期自动机械时期 现实服务时期现实服务时期 1.1.2 1.1.2 机器人的定义机器人的定义1.1.3 1.1.3 机器人学的进展机器人学的进展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 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” ”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 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 形成新的学科形成新的学科-机器

2、人学机器人学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通用性通用性：适应性：适应性：1.2.2 1.2.2 机器人系统的结构机器人系统的结构一个机器人系统一般由机械手（执行机构）、控制器、作业一个机器人系统一般由机械手（执行机构）、控制器、作业 对象（任务）和环境四部分组成。对象（任务）和环境四部分组成。1.2.3 1.2.3 机器人的分类机器人的分类按机械手的几何结构来分按机械手的几何结构来分 按机器人的控制方式分按机器人的控制方式分 按机器人的智能程度分按机器人的智能程度

3、分 按机器人的用途分按机器人的用途分 按机器人的移动性分按机器人的移动性分1.3 1.3 机器人学与人工智能的关系机器人学与人工智能的关系 机器人学机器人学与与人工智能人工智能有十分密切的关系。人工智能的近期目标有十分密切的关系。人工智能的近期目标 在于研究智能计算机及其系统，以模仿和执行人类的某些智力功能在于研究智能计算机及其系统，以模仿和执行人类的某些智力功能 ，如，如判断、推理、理解、识别、规划、学习和其他问题求解判断、推理、理解、识别、规划、学习和其他问题求解。这一。这一 研究抓住了创造力的首要问题研究抓住了创造力的首要问题-人类智能人类智能。人工智能人工智能使目前主要用使目前主要用

4、于数值计算的计算机变得更加富有生气，并用它来表达最复杂的生于数值计算的计算机变得更加富有生气，并用它来表达最复杂的生 物世界物世界-人脑智能人脑智能。人们的努力远非获得完全成功，但是已经在许。人们的努力远非获得完全成功，但是已经在许 多研究领域取得进展。多研究领域取得进展。例如，在规划、博弈、问题求解、语言与语例如，在规划、博弈、问题求解、语言与语 音理解、视觉图像识别、定理证明、知识表示与描述等方面，已取音理解、视觉图像识别、定理证明、知识表示与描述等方面，已取 得不少研究成果得不少研究成果。 1996年2月1017日，为了纪念世界上第一台电子计算机诞生 50周年，IBM的“深蓝”同国际象棋

5、世界冠军卡斯帕罗夫在美国费城 举行六局大赛。结果 卡斯帕罗夫以4：2获胜。1997年5月311日， “深蓝”再次挑战卡斯帕罗夫，此时“深蓝” 的运算速度达每秒2亿次，比上次提高了一倍。结果“深蓝”3.5：2.5 获胜。vv 机器人学与人工智能的关系机器人学与人工智能的关系 目前对机器人学的研究主要还是以控制理论的反馈概念为基础目前对机器人学的研究主要还是以控制理论的反馈概念为基础 的。也就是说，迄今为止，的。也就是说，迄今为止，机器人机器人上的上的“ “智能智能“ “是由于应用反馈控制是由于应用反馈控制 而产生的。但是，反馈控制技术本身并不是建立在人工智能技术的而产生的。但是，反馈控制技术本身

6、并不是建立在人工智能技术的 基础上的，而属于古典工程控制理论范畴。基础上的，而属于古典工程控制理论范畴。一方面，一方面，机器人学机器人学的进一步发展需要的进一步发展需要人工智能人工智能基本原理的指导基本原理的指导 ，并采用各种人工智能技术，并采用各种人工智能技术; ;另一方面，另一方面，机器人学机器人学的出现与发展又为的出现与发展又为人工智能人工智能的发展带来了的发展带来了 新的生机，产生了新的推动力，并提供一个很好的试验与应用场所新的生机，产生了新的推动力，并提供一个很好的试验与应用场所 。也就是说，人工智能想在机器人学上找到实际应用，并使问题求。也就是说，人工智能想在机器人学上找到实际应用

7、，并使问题求 解、搜索规划、知识表示和智能系统等基本理论得到进一步发展。解、搜索规划、知识表示和智能系统等基本理论得到进一步发展。粗略地说，由计算机粗略地说，由计算机( (机器机器) )来模仿人类的智能行为，就是人工来模仿人类的智能行为，就是人工 智能，或称为机器智能。而下一代新的机器人就是应用各种人工智智能，或称为机器智能。而下一代新的机器人就是应用各种人工智 能技术的机器人，所以叫做能技术的机器人，所以叫做智能机器人智能机器人。 vv 智能机器人智能机器人 尽管目前在工业上运行的尽管目前在工业上运行的90%90%以上的机器人都谈不上有什么智以上的机器人都谈不上有什么智 能，机器人执行的许多

8、任务也根本不需要运用传感器能，机器人执行的许多任务也根本不需要运用传感器; ; 但是，随着但是，随着 机器人技术的迅速发展和自动化程度的进一步提高，对机器人的功机器人技术的迅速发展和自动化程度的进一步提高，对机器人的功 能提出了更高的要求，特别是需要各种具有不同程度智能的机器人能提出了更高的要求，特别是需要各种具有不同程度智能的机器人 和机器人化装置。和机器人化装置。最近最近2020年已生产出一批具有年已生产出一批具有传感装置传感装置( (如如视觉视觉、触觉触觉和和听觉听觉等等) ) 的机器人以及少数具有与环境进行的机器人以及少数具有与环境进行“ “对话对话“ “能力的交互机器人能力的交互机器

9、人 ( (interactive robot)interactive robot)。这些机器人就属于智能机器人，它们能够执行这些机器人就属于智能机器人，它们能够执行 一些过去无法解决的工作任务。一些过去无法解决的工作任务。 智能机器人智能机器人已在自主系统和柔性加工系统中得到已在自主系统和柔性加工系统中得到日益广泛的应日益广泛的应 用用。自主机器人能够设定自己的目标，规划并执行自己的动作，使。自主机器人能够设定自己的目标，规划并执行自己的动作，使 自己不断适应环境的变化。柔性加工系统由机器人工段自己不断适应环境的变化。柔性加工系统由机器人工段( (robotic robotic work ce

10、ll)work cell)或柔性工段组成。每个机器人工段能够完全自动地完成一或柔性工段组成。每个机器人工段能够完全自动地完成一 系列操作、装卸、运输或加工。把机器人工段与其他工段相连接，系列操作、装卸、运输或加工。把机器人工段与其他工段相连接， 就形成一个柔性组合式机器人生产系统，简称就形成一个柔性组合式机器人生产系统，简称柔性加工系统。柔性加工系统。 机器人指机器人指挥挥挥挥第二章第二章 工业机器人工业机器人第一节 世界工业业机器人的概况与预测预测概 况工业业机器人（通用及专专用）一般指用于机械制造业业中代替人完 成具有大批量、高质质量要求的工作，如汽车车制造、摩托车车制造、 舰舰船制造、某

11、些家电产电产 品（电视电视 机、电电冰箱、洗衣机）、化工等 行业业自动动化生产线产线 中的点焊焊、弧焊焊、喷喷漆、切割、电电子装配及物 流系统统的搬运、包装、码垛码垛 等作业业的机器人。 2000-20032000-2003年年预测预测预测预测vv 机器人年机器人年销销销销售量售量如果包括日本所有的工 如果包括日本所有的工业业业业机器人，世界工机器人，世界工业业业业机器人的年机器人的年销销销销售量售量 预计预计预计预计 将由将由19991999年的年的81,50081,500台增加到台增加到20032003年的近年的近1212万台，增万台，增长长长长率率1010 。除日本外，世界通用工 除日本

12、外，世界通用工业业业业机器人的年机器人的年销销销销售量售量预计预计预计预计 将由将由19991999年年 的的46,00046,000台增加到台增加到20032003年的年的72,00072,000台，年均增台，年均增长长长长1212。999-2003999-2003年，世界机器人的增年，世界机器人的增长长长长主要集中在北美及欧洲，主要集中在北美及欧洲，预计预计预计预计 美国工美国工业业业业机器人的年机器人的年销销销销售量将由售量将由15,00015,000台增加到台增加到24,00024,000台，年均增台，年均增 长长长长1212。同期，欧盟的年。同期，欧盟的年销销销销售量将由售量将由约约

13、约约2500025000台增加到台增加到3700037000台，年台，年 增增长长长长率率1010。实际实际实际实际 装装备备备备机器人数量机器人数量从 从1999-20031999-2003年，世界年，世界实际实际实际实际 装装备备备备工工业业业业机器人数量机器人数量预计预计预计预计 将由将由19991999 年的年的743,000743,000台增加到台增加到892,000892,000台，其中日本有台，其中日本有370370，000000台，世界其台，世界其 他地区通用工他地区通用工业业业业机器人的机器人的实际实际实际实际 装装备备备备数量将由数量将由340,000340,000台增加到

14、台增加到 508,000508,000台。台。在美国， 在美国，实际实际实际实际 装装备备备备通用工通用工业业业业机器人的数量机器人的数量20032003年将达到年将达到 155,000155,000台，欧洲达到台，欧洲达到262,000262,000台。台。世界机器人发发展特点vv欧美快速追赶日本欧美快速追赶日本9090年代初，欧洲及美国安装的通用工年代初，欧洲及美国安装的通用工业业业业机器人分机器人分别别别别占日本各占日本各类类类类 工工业业业业机器人机器人总总总总数的数的2020及及7 7；到；到19991999年底，相年底，相应应应应的比例分的比例分别为别为别为别为 7171 及及42

15、42。事。事实实实实上，上，19991999年欧盟新安装的通用工年欧盟新安装的通用工业业业业机器人要比日本机器人要比日本 同期安装的同同期安装的同类类类类机器人的数量要多。机器人的数量要多。vv机器人性能上升，价格下降机器人性能上升，价格下降9090年代，工年代，工业业业业机器人的价格不断下降，而性能机器人的价格不断下降，而性能则则则则不断完善，主不断完善，主 要表要表现现现现在机械及在机械及电电电电子性能方面，如：搬运能力、速度、工作范子性能方面，如：搬运能力、速度、工作范围围围围、 部件数量、平均故障部件数量、平均故障间间间间隔隔时间时间时间时间 都有都有较较较较大改大改进进进进，而价格下

16、降了，而价格下降了50%50% 。1990-2000 1990-2000年情况的年情况的调查调查调查调查 表明，机器人的性能与价格改表明，机器人的性能与价格改进进进进情况情况 更好。更好。一台 一台19991999年出售的中等机器人的价格，只相当于年出售的中等机器人的价格，只相当于19901990年同年同样样样样性性 能机器人价格的五分之一。能机器人价格的五分之一。中国工中国工业业业业机器人机器人进进进进展展我国工 我国工业业业业机器人起步于机器人起步于7070年代初期，年代初期，经过经过经过经过 2020多年的多年的发发发发展，大展，大 致致经历经历经历经历 了了3 3个个阶阶阶阶段：段：7070年代的萌芽期，年代的萌芽期，8080年代的开年代的开发发发发期和期和9090年代的年代的 适用化期。适用化期。7070年代是世界科技年代是世界