机器人技术基础第一章机器人概述

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1、机机 器器 人人 技技 术术 基基 础础 主要参考书主要参考书:1、机器人学机器人学 蔡自兴主编蔡自兴主编 北京：清华大学出版社，北京：清华大学出版社，20002、机器人工程机器人工程（日）白井良明编著（日）白井良明编著 北京：科学出版社，北京：科学出版社，2001理由之三：理由之三：理由之三：理由之三：机器人做人做不了的事情。机器人做人做不了的事情。比如比如人们对太空的认识，对原子分子进行搬迁的人们对太空的认识，对原子分子进行搬迁的机器人机器人。为什么要发展机器人为什么要发展机器人?理由之二：理由之二：理由之二：理由之二：机器人做人不愿意做或做不好的机器人做人不愿意做或做不好的事。事。比如有

2、毒的、高温的或危险的环境，汽比如有毒的、高温的或危险的环境，汽车生产线上的焊接工作车生产线上的焊接工作；机器人汽车焊接生产线机器人汽车焊接生产线理由之一：理由之一：理由之一：理由之一：提高生产效率降低人的劳动强度。提高生产效率降低人的劳动强度。比如焊机器人提高生产效率，提高汽车焊接比如焊机器人提高生产效率，提高汽车焊接的质量，降低工人的劳动强度的质量，降低工人的劳动强度；汽车装配机器人汽车装配机器人v 机器人的结构机器人的结构v 齐次坐标变换（重点）齐次坐标变换（重点）机器人运动学（重点）机器人运动学（重点）微分变换与雅可比（重点）微分变换与雅可比（重点）机器人动力学（重点）机器人动力学（重点

3、）机器人的控制机器人的控制本课程主要内容：本课程主要内容：1.1机器人的定义机器人的定义第一章第一章 机器人概述机器人概述机器人一词的出现：机器人一词的出现：1920年、捷克作家、年、捷克作家、KarelCapek、RossumsUniversalRobots，“Robota”（捷克语：奴隶）（捷克语：奴隶）写成了写成了“Robot”。小说在小说在1924年和年和1927年的时候被纷纷传到了日本和欧洲年的时候被纷纷传到了日本和欧洲等国家，等国家，机器人这个名词机器人这个名词就向全世界铺展开来。就向全世界铺展开来。故事情节：故事情节：带感情带感情的机器人消灭了人类的机器人消灭了人类，一对男女机，

4、一对男女机器人相爱器人相爱，机器人进化为人类，世界又起死回生。，机器人进化为人类，世界又起死回生。上世纪上世纪60年代，可实用机械的机器人被称为工业机器人年代，可实用机械的机器人被称为工业机器人上世纪上世纪80年代到现在，正越来越向智能化方向发展年代到现在，正越来越向智能化方向发展因此，至今为止也没有一个统一的机器人的定义。因此，至今为止也没有一个统一的机器人的定义。因此，至今为止也没有一个统一的机器人的定义。因此，至今为止也没有一个统一的机器人的定义。机器人学是一门不断发展的科学，对机器人的定义也随其机器人学是一门不断发展的科学，对机器人的定义也随其机器人学是一门不断发展的科学，对机器人的定

5、义也随其机器人学是一门不断发展的科学，对机器人的定义也随其发展而变化。发展而变化。发展而变化。发展而变化。（2 2）日日日日本本本本工工工工业业业业机机机机器器器器人人人人协协协协会会会会(JIRA)JIRA)的的的的定定定定义义义义：工工业业机机器器人人是是“一一种种装装备备有有记记忆忆装装置置和和末末端端执执行行器器(endeffector)的的，能能够够转转动动并并通通过过自动完成各种移动来代替人类劳动的通用机器自动完成各种移动来代替人类劳动的通用机器”。（1 1）美国机器人协会）美国机器人协会）美国机器人协会）美国机器人协会(RIA)RIA)的定义：的定义：的定义：的定义：机器人是机器

6、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)”。国际上，关于机器人的定义主要有以下几种：国际上，关于机器人的定义主要有以下几种：（3 3）美国国家标准）美国国家标准局局(NBS)的的定义：定义：机器人是机器人是“一种能够进行编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”。（4）国际标准化组织国际标准化组织(ISO)的定

7、义：的定义：“机器人是一种自动的、位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，以执行种种任务用装置，以执行种种任务”。（5）我我国国蒋蒋蒋蒋新新新新松松松松院院士士曾曾建建议议把把机机器器人人定定义义为为“一一种种拟拟人人功功能能的的机机械械电电子子装装置置”(a mechantronic device to imitate some humanfunctions)。我我国国科科学学家

8、家对对机机器器人人的的定定义义：机机器器人人是是一一种种自自动动化化的的机机器器，所所不不同同的的是是这这种种机机器器具具备备一一些些与与人人或或生生物物相相似似的的智智能能能能力力，如如感感知知能能力力、规规划划能能力力、动动作作能能力力和和协协同同能能力力，是是一一种种具具有有高高度度灵灵活活性的自动化机器。性的自动化机器。1.2机器人的发展及应用机器人的发展及应用一、古代机器人一、古代机器人春秋后期，春秋后期，墨子鲁问墨子鲁问记载，鲁班曾制造过一只记载，鲁班曾制造过一只木鸟木鸟，能在空中飞行能在空中飞行“三日不下三日不下”。“公输子削竹木以为鹊，成而飞之，三日不下。公输子削竹木以为鹊，成

9、而飞之，三日不下。”西周时期，西周时期，偃师研制出了能歌善舞的偃师研制出了能歌善舞的伶人伶人，这是我国最早记载的机器人。，这是我国最早记载的机器人。公元前公元前2世纪，世纪，亚历山大时代的古希腊人发明了最原始的机器亚历山大时代的古希腊人发明了最原始的机器人人自动机自动机。可以自己开门，还可以借助蒸汽唱歌。可以自己开门，还可以借助蒸汽唱歌。木鸟是风筝的早期形态木鸟是风筝的早期形态 指南车，指南车，炎帝求援黄帝制造出指南车打败蚩尤；三国时期，炎帝求援黄帝制造出指南车打败蚩尤；三国时期，魏明帝令马钧造指南车；南齐皇帝萧道成命祖冲之造指南车。魏明帝令马钧造指南车；南齐皇帝萧道成命祖冲之造指南车。中国古

10、代用指南车中国古代用指南车(模型模型)日本指南车复原模型日本指南车复原模型 3000岁岁“指南车指南车”在苏州复制成功在苏州复制成功 后汉三国时期，后汉三国时期，蜀国丞相诸葛亮蜀国丞相诸葛亮成功地创造出了成功地创造出了“木牛流马木牛流马”。用其用其运送军粮，支援前方战争。运送军粮，支援前方战争。汉代大科学家张衡汉代大科学家张衡不仅发明了地动仪，而不仅发明了地动仪，而且发明了且发明了计里鼓车计里鼓车，每行一里，车上木人击鼓，每行一里，车上木人击鼓一下，每行十里击钟一下；宋朝卢道隆制造出一下，每行十里击钟一下；宋朝卢道隆制造出由由6个齿轮组成的计里鼓车。个齿轮组成的计里鼓车。计里鼓车（复原模型）计

11、里鼓车（复原模型）咸阳退休咸阳退休高级工程高级工程师韩文彬师韩文彬先生设计先生设计的另一种的另一种“木牛流木牛流马马”四川成都武四川成都武侯祠征集的侯祠征集的“木牛流马木牛流马”19 19世纪中叶世纪中叶出现了科学幻想派和机械制作派。在机械实物制出现了科学幻想派和机械制作派。在机械实物制造方面，造方面，18931893年摩尔制造了年摩尔制造了“蒸汽人蒸汽人”，“蒸汽人蒸汽人”靠蒸汽驱动靠蒸汽驱动双腿沿圆周走动。双腿沿圆周走动。17731773年年，自动书写玩偶、自动演奏玩偶自动书写玩偶、自动演奏玩偶等被连续推出。现在等被连续推出。现在保留下来的瑞士努萨蒂尔历史博物馆里的少女玩偶，还定期弹奏保留

12、下来的瑞士努萨蒂尔历史博物馆里的少女玩偶，还定期弹奏音乐供参观者欣赏。音乐供参观者欣赏。1927 1927年年美国西屋公司工程师温兹利制造了第一个美国西屋公司工程师温兹利制造了第一个机器人机器人“电电报箱报箱”。可以回答一些问题。可以回答一些问题。二、现代机器人二、现代机器人1952年年，第一台数控机床的诞生，为机器人的开发奠定了基，第一台数控机床的诞生，为机器人的开发奠定了基础。础。1954年年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。专利。主从机器人主从机器人主从机器人主从机器人1947年，年，美国原子能委员会美国原子能委员会的阿尔贡

13、研究所开发了遥控机械的阿尔贡研究所开发了遥控机械手；手；1948年，年，又开发了机械式的又开发了机械式的主从机械手。主从机械手。1962年年美国美国AMF公司推出的公司推出的“VERSATRAN”和和UNIMATION公司推公司推出的出的“UNIMATE”是机器人产品最早的是机器人产品最早的实用机型（示教再现）。实用机型（示教再现）。VERSATRANUNIMATEl1965年年，MIT的的Roborts演示了第一个具有视觉传感器的、能识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别与定位简单积木的机器人系统l1970年年在美国召开了第一届国际工业机器人学术会议在美国召开了第

14、一届国际工业机器人学术会议l1973年年，辛辛那提，辛辛那提米拉克隆公司的理查德米拉克隆公司的理查德豪恩制造了第一豪恩制造了第一台由小型计算机控制的工业机器人台由小型计算机控制的工业机器人l1980年，年，工业机器人才真正在日本普及，故称该年为工业机器人才真正在日本普及，故称该年为“机器人机器人元年元年”；1980年年以以后后，工业机器人在日本得到了巨大发展，日本，工业机器人在日本得到了巨大发展，日本赢得了赢得了“机器人王国机器人王国”的美称的美称各种用途的机器人：各种用途的机器人：水下机器人、空间机器人、空中机器人、地面机器人、微小水下机器人、空间机器人、空中机器人、地面机器人、微小型机器人

15、等型机器人等新的机器人名称：新的机器人名称：“软件机器人软件机器人”、“网络机器人网络机器人”、“纳米机器人纳米机器人”、“机器人化机器机器人化机器”等等相扑机器人相扑机器人无人驾驶振动式压路机无人驾驶振动式压路机德国德国德国德国RodeRode排爆机器人排爆机器人排爆机器人排爆机器人机器鱼机器鱼“自由泳自由泳”“过龙门过龙门”在水中在水中“戏球戏球”自主地避开障碍物自主地避开障碍物机机器器鱼鱼我我国国研研制制的的排排爆爆机机器器人人上世纪上世纪70年代的萌芽期，年代的萌芽期，80年代的开发期和年代的开发期和90年代的适用化年代的适用化期。期。l1972年开始研制自己的工业机器人年开始研制自己

16、的工业机器人l“七五七五”期间，完成了示教再现式工业机器人成套技术的开发，期间，完成了示教再现式工业机器人成套技术的开发，研制出了喷涂、点焊、弧焊和搬运机器人研制出了喷涂、点焊、弧焊和搬运机器人l1986年国家高技术研究发展计划（年国家高技术研究发展计划（863计划）开始实施计划）开始实施l上世纪上世纪90年代初期起，形成了一批机器人产业化基地年代初期起，形成了一批机器人产业化基地我国工业机器人的发展：我国工业机器人的发展：日本和美国在日本和美国在日本和美国在日本和美国在2020世纪世纪世纪世纪6060年代就已经开始进行机器人年代就已经开始进行机器人年代就已经开始进行机器人年代就已经开始进行机

17、器人的研究，与他们相比较，我国还存在较大的差距，因此的研究，与他们相比较，我国还存在较大的差距，因此的研究，与他们相比较，我国还存在较大的差距，因此的研究，与他们相比较，我国还存在较大的差距，因此需要有更多的需要有更多的需要有更多的需要有更多的机器人爱好者机器人爱好者机器人爱好者机器人爱好者加入到发展我国的机器人事加入到发展我国的机器人事加入到发展我国的机器人事加入到发展我国的机器人事业中来。业中来。业中来。业中来。为了防止机器人伤害人类，科幻作家阿西莫夫于为了防止机器人伤害人类，科幻作家阿西莫夫于1940年提出了年提出了“机器人三原则机器人三原则”1、机器人不应伤害人类；、机器人不应伤害人类

18、；2、机器人应遵守人类的命令，与第一条违背的命令除外；、机器人应遵守人类的命令，与第一条违背的命令除外；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。这是给机器人赋予的伦理性纲领。这是给机器人赋予的伦理性纲领。机器人学术界一直将这三机器人学术界一直将这三机器人学术界一直将这三机器人学术界一直将这三原则作为机器人开发的准则。原则作为机器人开发的准则。原则作为机器人开发的准则。原则作为机器人开发的准则。1.3机器人的分类机器人的分类1.按工业机器人的几何结构来分按工业机器人的几何结构来分l直角坐标型（直角坐标型（CartesianCoordinatesR

19、obots）l柱面坐标型（柱面坐标型（CylindricalCoordinatesRobots）l球面坐标（或极坐标）型（球面坐标（或极坐标）型（PolarCoordinatesRobots）l关节坐标型（关节坐标型（ArticulatedRobots）2.按机器人的控制方式分按机器人的控制方式分可分为非伺服机器人和伺服控制机器人：可分为非伺服机器人和伺服控制机器人：（1）非伺服机器人非伺服机器人（non-servorobots）（2）伺服控制机器人伺服控制机器人（servo-controlledrobots）l点位控制点位控制PTP(pointtopointcontrol)l连续路径控制连续

20、路径控制CP(continuouspathcontrol)3.按机器人的智能程度分按机器人的智能程度分（1）一般机器人：一般机器人：一般机器人：一般机器人：只具有一般编程能力和操作功能只具有一般编程能力和操作功能（2）智能机器人：智能机器人：智能机器人：智能机器人：具有不同程度的智能具有不同程度的智能u传感型机器人传感型机器人u交互型机器人交互型机器人u自主型机器人自主型机器人4.4.按机器人的用途分按机器人的用途分（1 1）工业机器人）工业机器人（2 2）探索机器人）探索机器人（3 3）服务机器人）服务机器人（4 4）军事机器人）军事机器人（5 5）娱乐机器人）娱乐机器人5.5.按机器人的移

21、动性分按机器人的移动性分单足单足双足双足四足四足六足六足八足八足v轮式机器人轮式机器人v履带式机器人履带式机器人 v步行机器人步行机器人v爬行、飞行机器人等爬行、飞行机器人等（1 1 1 1）固定式机器人）固定式机器人）固定式机器人）固定式机器人（2 2 2 2）移动式机器人）移动式机器人）移动式机器人）移动式机器人关于机器人如何分类，国际上没有制定统一的标准。国际上关于机器人如何分类，国际上没有制定统一的标准。国际上关于机器人如何分类，国际上没有制定统一的标准。国际上关于机器人如何分类，国际上没有制定统一的标准。国际上的机器人学者，一般从应用环境出发将机器人分为两类：的机器人学者，一般从应用

22、环境出发将机器人分为两类：的机器人学者，一般从应用环境出发将机器人分为两类：的机器人学者，一般从应用环境出发将机器人分为两类：制造环境下的工业机器人制造环境下的工业机器人 非制造环境下的服务与仿人型机器人非制造环境下的服务与仿人型机器人(特种机器人特种机器人)服务机器人、水下机器人、娱乐机器人、军用机器服务机器人、水下机器人、娱乐机器人、军用机器人、农业机器人、机器人化机器等人、农业机器人、机器人化机器等 本章小结本章小结:机器人的外型不一定像人机器人的外型不一定像人机器人技术是集机械学、力学、电子学、机器人技术是集机械学、力学、电子学、生物学、生物学、控制论、人工智能、系统工程等多种学科于一体的控制论、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综合性很强的新技术Class is Class is over.over.Bye-Bye!Bye-Bye!下面是几个与机器人相关的视频短下面是几个与机器人相关的视频短片，请大家欣赏。片，请大家欣赏。