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1、机器人技术基础机器人技术基础绪论绪论Introduction of Robotics1. 1 1. 1 机器人学的发展机器人学的发展1 12 2 机器人的特点、结构与分类机器人的特点、结构与分类1 13 3 机器人学与人工智能机器人学与人工智能1“机器人三原则”，阿西莫夫，科幻作家1 机器人不应伤害人类；机器人不应伤害人类；2 机器人应遵守人类的命令，与第一条违背的命令机器人应遵守人类的命令，与第一条违背的命令除外；除外；3 机器人应能保护自己，与第一条相抵触者除外。机器人应能保护自己，与第一条相抵触者除外。2Robotics绪论绪论1.11.1机器人学的发展机器人学的发展1.1.11.1.1
2、机器人的定义机器人的定义美国、日本机器人协会、ISO定义不同共同属性：1）象人或人的一部分，并模仿人的动作 2）具有智能或感觉与识别能力 3）是人制造的机器或机械电子装置3机器人的定义机器人的定义粗略的说，机器人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。4机器人的定义机器人的定义加藤一郎提出的具有如下3个条件的机器称为机器人：1具有脑、手、脚等三要素的个体；2具有非接触传感器（用眼、耳接受远方信息）和接触传感器；3具有平衡觉和固有觉的传感器。强调机器人应当仿人，靠手进行作业，靠脚实现移动，由脑完成统一指挥。5Robot
3、ics绪论绪论1.11.1机器人学的发展机器人学的发展1.1.21.1.2机器人的由来机器人的由来1）东汉、张衡发明的指南车2）1768-1774，瑞士钟表匠制作的木偶机器人3）1920捷克剧作家Karel Capek首次提出Robota一词4）1950美国科幻作家Assimov,提出机器人三守则5）1954美国人设计了第一台电子可编程机器人6）1962美国GM公司使用全球第一台机器人Unimate6魏国马钧，生于扶风（今陕西扶风县），发明指南车、水转百戏、记里鼓车等7写字玩偶1773年，瑞士的钟表匠道罗斯父子连续推出了自动书写玩偶、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
4、的。瑞士努萨蒂尔历史博物馆里的少女玩偶，两只手的十个手指可以按动风琴的琴键而弹奏音乐。玩偶机器人身高两英尺，其内部由多个黄铜质地的凸轮所联接，玩偶身体内部有发条式马达能够为其做出各种行为提供动力。此外，玩偶体内还安装有一种类似唱片机的设备，该种设备存储了三首诗歌的音频三首诗歌的音频资料（包括了两首法语诗歌和一首英语诗歌），当唱片机设备启动时玩偶就会缓缓地“念出”诗歌的内容。玩偶不仅会“吟诗”还会“作画”，其中甚至还包括了一张中国古寺庙的画作中国古寺庙的画作。81954年，美国人乔治德沃尔制造出世界上第一台可编程可编程的机器人的机器人，并注册了专利。这种机械手能按照不同的程序从事不同的工作，因此
5、具有通用性和灵活性。1965年，约翰霍普金斯大学应用物理实验室研制出Beast机器人。Beast已经能通过声纳系统、光电管等装置，根据环境校正自己的位置。20世纪60年代中期开始，美国麻省理工学院、斯坦福大学、英国爱丁堡大学等陆续成立了机器人实验室。美国兴起研究第二代带传感器传感器、“有感觉”的机器人，并向人工智能进发。91968年，美国斯坦福研究所公布他们研发成功的机器人Shakey。它带有视觉传感器，能根据人的指令发现并抓取积木，不过控制它的计算机有一个房间那么大。Shakey可以算是世界第一台智智能能机机器器人人，拉开了第三代机器人研发的序幕1969年，日本早稻田大学加藤一郎实验室研发出
6、第一台以双脚走路的机器人。加藤一郎长期致力于研究仿人机器人，被誉为“仿人机器人之父”。日本专家一向以研发仿人机器人和娱乐机器人的技术见长1978年，美国Unimation公司推出通用工业机器人PUMA，这标志着工业机器人技术已经完全成熟。PUMA至今仍然工作在工厂第一线101984年，英格伯格再推机器人Helpmate，这种机器人能在医院里为病人送饭、送药、送邮件。同年，他还预言：“我要让机器人擦地板，做饭，出去帮我洗车，检查安全”。1998年 ，丹麦乐高公司推出机器人(Mind-storms)套件，让机器人制造变得跟搭积木一样，相对简单又能任意拼装，使机器人开始走入个人世界。1999年，日本
7、索尼公司推出犬型机器人爱宝(AIBO)，当即销售一空，从此娱乐机器人成为目前机器人迈进普通家庭的途径之一2006年 6月，微软公司推出Microsoft Robotics Studio，机器人模块化、平台统一化的趋势越来越明显，比尔盖茨预言，家用机器人很快将席卷全球11第一个可编程机器人，1954第一个工业机器人，1959第一代第一代以传感器为标志，1965第二代第二代第三代第三代智能机器人，1968，21世纪普及马文明斯基，1956操作型机器人自动型机器人智能机器人1965年左右研制，1990年左右普及121.11.1机器人学的发展机器人学的发展1.1.31.1.3机器人学的进展机器人学的进
8、展简单历史回顾目前发展情况 1）机器人投资理论 2）日本成为机器人生产大国，美国为研究大国 3）机器人产业迅速发展 4）应用范围遍及各领域 5）机器人学兴起 6）机器人向智能化发展131.21.2机器人的特点、结构与分类机器人的特点、结构与分类1.2.1机器人的主要特点机器人的主要特点-通用性和适应性通用性和适应性通用性versatility-可执行不同功能和完成不同任务的能力 取决于其结构特点和承载能力 一般自由度越多，通用性越强适应性adaptivity-主要指其对工作环境变化的适应能力 需具有（1）传感与测量环境变化的能力 （2）分析任务和执行操作规划的能力 （3）自动执行指令能力141
9、.2机器人的特点、结构与分类1.2.2机器人系统的结构 机器人系统由机械部分、环境测量、任务规划、控制器等四部分组成，结构如图1.1。151.2机器人的特点、结构与分类 161.2机器人的特点、结构与分类1.2.3机器人的自由度1）刚体的自由度 任何空间刚体具有6个自由度，即可任意运动。2）机器人的自由度 机器人靠末端执行器工作，末端执行器具有6个自由度即可保证其灵活运动。17一般来讲，由之前我们所讲的刚体的自由度来看，6自由度的机械臂已经足够确定末端物体的位姿，那为什么有些机器人自由度大于6呢？是不是多余呢？右图为人的手臂自由度剖析图，除去末端手指的自由自由度，这恰好也是7个自由度。如果我们
10、把上图分解为一个个转动副的关节，便可以得到下面的数学模型181.2机器人的特点、结构与分类1.2.3机器人的自由度3）自由度与机动性 一般自由度越多，机器人越灵巧。那是不是自由度越多越好？191.2机器人的特点、结构与分类1.2.4机器人的分类（考点）按几何结构分按几何结构分:直角坐标机器人、柱面坐标机器人、球面坐标机器人、关节球面坐标机器人。按机器人控制分按机器人控制分：非伺服机器人、伺服机器人（点、轨迹）按用途分按用途分：工业机器人、探索机器人、服务机器人、军事机器 人（地面、海洋、空中）按机器智能分按机器智能分：一般机器人、智能机器人（传感机器人、交互 机器人、自主机器人）按移动性分按移
11、动性分：固定机器人、移动机器人（轮式、履带、步行）20柱面坐标机器人柱面坐标机器人它主要由垂直柱子、水平手臂（或机械手）和底座构成。水平机械手装在垂直柱子上，能自由伸缩，并可沿垂直柱子上下运动。垂直柱子安装在底座上，并与水平机械手一起在底座上移动。机器人的工作包迹（区间）就形成一圆柱体。21球面坐标机器人球面坐标机器人22关节式球面坐标机器人关节式球面坐标机器人231.2机器人的特点、结构与分类 著名机器人241.2机器人的特点、结构与分类 著名机器人251.2机器人的特点、结构与分类 著名机器人261.2机器人的特点、结构与分类 著名机器人271.2机器人的特点、结构与分类 著名机器人281.2机器人的特点、结构与分类 著名机器人291.2机器人的特点、结构与分类 著名机器人301.3机器人学与人工智能1.3.1机器人学与人工智能的关系1. 传感信息处理2. 机器人规划3. 专家系统4. 自然语言理解311.3机器人学与人工智能1.3.2机器人学的研究领域1. 传感器与感知系统2. 驱动、建模与控制3. 自动规划与调度4. 计算机系统5. 应用研究6. 微型机器人7. 自动化(RoboticsandAutomation)321.3机器人学与人工智能1.3.3智能机器人33
