机器人技术及其应用 主讲：马 光

第1章 机器人技术概述 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 机器人技术的发展 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铜卫士塔罗斯； （1） 机器人技术的发展 要求：了解机器人的由来、定义、机器人学的进展。 （2） 机器人的特点、结构与分类

我国东汉时期（公元25—220年），张衡发明的指南车是世界上最早的机器人雏形； 自动机械时期： 公元1768—1774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-----写字偶人、绘图偶人和弹风琴偶人； 公元1893年，加拿大摩尔设计的行走机器人“安德罗丁”，采用蒸汽作为动力； 现实服务时期： 1954年，美国人乔治·德沃尔设计了第一台电子程序可编的工业机器人，并于1961年发表了该项机器人专利； 1962年美国万能自动化(Unimation)公司的第一台机器人Unimate在美国通用汽车公司(GM)投入使用，这标志着第一代机器人的诞生。

1.1.2 机器人的定义 “机器人”---1920年，捷克作家卡雷尔·凯培克(Karel Capek)在他的幻想情节剧《罗萨姆的万能机器人》(R.U.R)中第一次提出了“机器人”这个名词。 ---1950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“机器人三守则”： 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； 机器人必须绝对服从人类，除非这种服从有害于人类； 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。 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）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(manipulator)”。 (3)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(end effector)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”。 或者分为两种情况来定义: 工业机器人是"一种能够执行与人的上肢(手和臂)类似动作的多功能机器"。 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的机器"。 (4)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"。

(5) 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"。 (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。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装置"(a mechantronic device to imitate some human functions)。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。 上述各种定义有共同之处，即认为机器人(1)像人或人的上肢，并能模仿人的动作;(2)具有智力或感觉与识别能力;(3)是人造的机器或机械电子装置。

机器人的偿还期理论促进对机器人产业的投资 1.1.3 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 P----偿还期（年） R----机器人售价 A----附属设备费用 E----工程及安装费 C----税务信贷 L----全年节省的劳务费用，包括工资 及津贴 M1----材料费用 M2----操作维修费用 H----年运行小时数 TR----公司税率 D----年折旧费 Okjiopp Ioilljk Iippo9 Oioipp Oiopp Oo[[p-[ P1=3.88（年）单班制 P2=2.10（年）双班制 P3=1.44（年）三班制

日本后来居上，成为“机器人王国” 1968年日本才有第一台机器人 1981年日本拥有机器人的总台数占世界的57.5%； 3. 机器人产业在全世界迅速发展 1976年美国国家航空和宇航局(NASA)执行的“海盗”号宇宙飞船火星着陆计划； 1998年美国拥有8万多台机器人，占机器人总数的15%（2） 德国拥有7万多台机器人，占机器人总数的13%（3） 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） 西欧的意大利、法国、英国、和东欧的匈牙利、波兰、南斯拉夫等在机器人制造和应用上都有较大发展 4. 应用范围遍及工业、科技和国防各个领域

形成新的学科-----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(ISIP)、国际工业机器人技术会议(CIRT)、国际自控联(IFAC)、国际科学技术发展协会(IASTED)主办的主办的国际机器人学与自动化会议(ICR＆A)等，每年或隔年举行一次。 有关出版刊物：国际杂志就有《Robotics Research》，《Robotica》和《Robotics and Automation》等多种。 6. 机器人向智能化方向发展

1.2 机器人特点、结构与分类 1.2.1 机器人的主要特点 通用性： 机器人的通用性(versatility)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，包括机械手的机动性和控制系统的灵活性。 2. 适应性： 机器人的适应性(adaptivity)是指其对环境的自适应能力，即所设计的机器人能够自我执行未经完全指定的任务，而不管任务执行过程中所发生的没有预计到的环境变化。在这方面，机器人使用下述能力: (1)运用传感器感测环境的能力; (2)分析任务空间和执行操作规划的能力; (3)自动指令模式能力。

1.2.2 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 业对象（任务）和环 境四部分组成。 机器人系统的基本结构

1.2.3 机器人的分类 按机械手的几何结构来分 （1）柱面坐标机器人 （2）球面坐标机器人 （3）关节式球面机器人 2. 按机器人的控制方式分 可分为非伺服机器人和伺服机器人 （1）非伺服机器 non-servo robots （2）伺服控制机器人 servo-controlled robots 点位伺服控制 PTP(point to point control) 连续路径控制CP(continuous path control)

3. 按机器人的智能程度分 （1）一般机器人：不具有智能，只具有一般编程能力操作功能； （2）智能机器人：具有不同程度的智能；又可分为： 传感型机器人：具有利用传感信息（视觉、听觉、触觉、接近觉、 力觉和红外、超生及激光等）进行传感信息处理、 实现控制与操作的能力。 交互型机器人：机器人通过计算机系统与操作员或程序员进行人- 机对话，实现对机器人的控制与操作； 自主型机器人：在设计制作之后，机器人无需人的干预，能够在 各种环境下自动完成各项拟人任务。

4. 按机器人的用途分 （1）工业机器人或产业机器人 （2）探索机器人 （3）服务机器人 （4）军事机器人 5. 按机器人的移动性分 （1）固定式机器人 （2）移动式机器人 轮式机器人、履带式机器人、步行机器人 其中步行式又分为：单足、双足、四足、六足和八足。

机器人是一种能够代替人从事多类工作的高度灵活的自动化机械系统。 机器人技术是集力学、机械学、电子学、生物学、控制论、人工智能、系统工程等多种学科于一体的综合性很强的新技术。