機(jī)器人學(xué)第一章

緒

論機(jī)器人發(fā)展史早期的自動機(jī)早在1770年，美國科學(xué)家就發(fā)明了一種報(bào)時(shí)鳥，一到整點(diǎn)，這只鳥的翅膀、頭便開始運(yùn)動，同時(shí)發(fā)出叫聲。圖1-1為報(bào)時(shí)鳥的機(jī)械結(jié)構(gòu)圖，它的主彈簧驅(qū)動齒輪轉(zhuǎn)動，使活塞壓縮空氣而發(fā)出叫聲，同時(shí)齒輪轉(zhuǎn)動時(shí)帶動凸輪轉(zhuǎn)動，從而驅(qū)動翅膀、頭運(yùn)動。圖1-1報(bào)時(shí)鳥簡圖1738年，Jacques

de

vaucanson在巴黎展示了一個(gè)能吹口哨的機(jī)械。它的核心結(jié)構(gòu)是一個(gè)滾輪，就像現(xiàn)在的音樂盒一樣，其示意圖見圖1-2圖1-2吹口哨的機(jī)械機(jī)器人(Robot)一詞由一位名叫Karal

Capak的捷克斯洛伐克劇作家首先使用。在捷克語中，

Robot這個(gè)詞是指一個(gè)賦役的奴隸。在1921年Capak寫了一出戲劇，名叫《洛桑萬能機(jī)器人公司》(Rossnm’s

Universal

Robots).在這出劇中，機(jī)器人是洛桑和他兒子研制的類人的

生物，用來作為人類的奴仆。隨后，一名叫

Isaac

Asimov的科學(xué)幻想小說家使用了機(jī)器人學(xué)(Robotics)這個(gè)詞來描述與機(jī)器人有關(guān)的科學(xué)。他還提出了“機(jī)器人”的三個(gè)原則，值

得今天的機(jī)器人設(shè)計(jì)者和使用者的注意。這

三個(gè)原則的原語如下：A

robot

must

not

harm

a

human

being

orthrough

inaction

,allow

one

to

come

hA

robot

must

always

obey

human

beinunless

that

is

conflict

with

the

firA

robot

must

protect

itself

from

harunless

that

is

conflict

with

the

firsecond

laws.1.1.2近似與機(jī)器人相關(guān)的裝置

1.操作機(jī)(Manipulators)它是目前仍然大量使用的、由機(jī)械控制的操作機(jī)。它的各個(gè)關(guān)節(jié)由機(jī)械直接控制。它具有和人類手臂相似的功能，可在空間抓放物體或進(jìn)行其他操作。2.遠(yuǎn)程操作手(Teleoperators)遠(yuǎn)程操作手又稱主從操作手，它是在操作機(jī)之后發(fā)展起來的。1966年，Edwin

Johnson最先使用了這種裝置，遠(yuǎn)程操作手的本質(zhì)是非直接相連的伺服控制的操作機(jī)，通過控制桿、輪子、控制鍵盤或其他裝置進(jìn)行遙控。它們通常被用于危險(xiǎn)的工作環(huán)境，例如海底、有輻射物質(zhì)的場合或宇宙空間，由無線電天

線、光學(xué)天線甚至衛(wèi)星通訊提供控制信號。

遠(yuǎn)程操作手上一般配備有錄象機(jī)以提供視覺。

1.1.3機(jī)器人的創(chuàng)始1958年，被譽(yù)為“工業(yè)機(jī)器人之父”的

Joseph

F.Engel

Berger創(chuàng)建了世界上第一個(gè)機(jī)器人公司-Unimation公司，并參與設(shè)計(jì)了第一臺Unimate機(jī)器人。這是一臺用于壓鑄的五軸液壓驅(qū)動機(jī)器人，手臂的控制由一臺專用計(jì)算機(jī)完成。它采用分離式固體數(shù)控元件,并裝有存儲信息的磁鼓,能夠記憶完成180個(gè)工作步驟。與此同時(shí)，另一家美國公司-AMF公司也開始研制工業(yè)機(jī)器人，即Versatran機(jī)器人。他主要用于機(jī)器之間的物料運(yùn)輸，采用液壓驅(qū)動。該機(jī)器人的手臂可以繞底座回轉(zhuǎn)，沿垂直方向升降，也可以沿半徑方向伸縮。一般認(rèn)為Unimate和Versatran機(jī)器人是世界最早的工業(yè)機(jī)器人，其示意圖見圖1-3和圖1-4圖1-3Unimate機(jī)器人圖1-4

Versartran機(jī)器人

1-手抓的運(yùn)動方向；2,3,4,5,6-各關(guān)節(jié)運(yùn)動方向1.2機(jī)器人的定義國際上，關(guān)于機(jī)器人的定義主要有如下幾種：英國簡明牛津字典的定義。機(jī)器人是“貌似人的自動機(jī)，具有智力的和順從于人的但不具人格的機(jī)器”。這一定義并不完全正確，因?yàn)檫€不存在與人類相似的機(jī)器人在運(yùn)行。這是一種理想的機(jī)器人。美國機(jī)器人協(xié)會的定義。機(jī)器人是

“一種用于移動各種材料、零件、工具或?qū)Ｓ醚b置的，通過可編程序動作來執(zhí)行種種任務(wù)的，并具有編程能力的多功能機(jī)械手。盡管這一定義較實(shí)用些，但并不全面。這里指的是工業(yè)機(jī)器人。日本工業(yè)機(jī)器人協(xié)會的定義。工業(yè)機(jī)器人是“一種裝備有記憶裝置和末端執(zhí)行器的，能夠轉(zhuǎn)動并通過自動完成各種移動來代替人類勞動的通用機(jī)器”。美國國家標(biāo)準(zhǔn)局(NBS)的定義。機(jī)器人是“一種能夠進(jìn)行編程并在自動控制下執(zhí)行某些操作和移動作業(yè)任務(wù)的機(jī)械裝置”。這也是一種比較廣義的工業(yè)機(jī)器人定義。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織的定義。“機(jī)器人是一種自動的、位置可控的、具有編程能力的多功能機(jī)械手，這種機(jī)械手具有幾個(gè)軸，能夠

借助于可編程序操作來處理各種材料、零件、工具和專用裝置，以執(zhí)行種種任務(wù)。顯然，這一定義與美國機(jī)器人協(xié)會的定義相似。（6）關(guān)于我國機(jī)器人的定義。隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，我國也面臨討論和制訂關(guān)于機(jī)器人技術(shù)的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)問題，其中包括對機(jī)器人的定義。蔣新松院士曾建議把機(jī)器人定義為“一種擬人功能的機(jī)械電子裝置”。我國可以參考各國的定義，結(jié)合我國情況，對機(jī)器人作統(tǒng)一的定義。上述各種定義有共同之處，即認(rèn)為機(jī)器人：a：像人或人的上肢，并能模仿人的動作；

b：具有智力或感覺與識別能力；c：是人造的機(jī)器或機(jī)械電子裝置。隨著機(jī)器人的進(jìn)化和機(jī)器人智能的發(fā)展，這些定義都有修改的必要，甚至需要對機(jī)器人重新定義。機(jī)器人的范疇不但要包括“由人制造的像人一樣的機(jī)器”，還應(yīng)包括“由人制造的生物”，甚至包括“人造人”，盡管我們不贊成制造這種人?？磥?，本來就沒有統(tǒng)一定義的機(jī)器人，今后更難為它下個(gè)確切的和公認(rèn)的定義了！機(jī)器人的特點(diǎn)機(jī)器人的主要特點(diǎn)通用性和適應(yīng)性是機(jī)器人的兩個(gè)主要的特征。1.通用性

機(jī)器人的通用性(versatility)于其幾何特性和機(jī)械能力。通用性指的是某種執(zhí)行不同的功能和完成多樣的簡單任務(wù)的實(shí)際能力。通用性也意味著，機(jī)器人具有可變的集合結(jié)構(gòu)，即根據(jù)生產(chǎn)需要進(jìn)行變更的集合結(jié)構(gòu)；或者說，在機(jī)械結(jié)構(gòu)上許機(jī)器人執(zhí)行不同的任務(wù)或以不同的方式完成同一的工作?，F(xiàn)有的大多數(shù)機(jī)器人都具有不同程度的通用性，包括機(jī)械手的機(jī)動性和控制系統(tǒng)的靈活性。必須指出，通用性不是自由度單獨(dú)決定的。增加自由度一般能提高通用性程度。不過，還必須考慮其他因素，特別是末端裝置的結(jié)構(gòu)能力，如它們能否適應(yīng)不同的工具等。2.適應(yīng)性

機(jī)器人的適應(yīng)性(adaptivity)是指其對環(huán)境的自適應(yīng)的能力，即所設(shè)計(jì)的機(jī)器人能夠自我執(zhí)行未經(jīng)完全指定的任務(wù)，而不管任務(wù)執(zhí)行過程中所發(fā)生的沒有預(yù)計(jì)到的環(huán)境變化。這一能力要求機(jī)器人認(rèn)識其環(huán)境，即具有人工知覺。在這方面，機(jī)器人使用它的下述能力（1）運(yùn)用傳感器測環(huán)境的能力；（2）分析任務(wù)空間和執(zhí)行操作規(guī)劃的能力；（3）自動指令模式能力。迄今為止所開發(fā)的機(jī)器人知覺與人類對環(huán)境的解釋能力相比，仍然是十分有限的。這個(gè)領(lǐng)域內(nèi)的某些重要研究工作正在進(jìn)行之中。第二章

機(jī)器人基本原理2.1

機(jī)器人系統(tǒng)工作原理根據(jù)機(jī)器人的定義，機(jī)器人至少應(yīng)具備兩部分：控制部分和直接進(jìn)行工作的部分。比如應(yīng)用最廣泛的弧焊機(jī)器人，具有控制系統(tǒng)和帶動焊槍運(yùn)動的機(jī)械臂部分。控制系統(tǒng)通過編程的方式，決定直接工作的機(jī)械臂的運(yùn)動和工作。由于是程序控制的，所以比較容易改變工作方式和任務(wù)，因此，機(jī)器人是一種具有“柔性”的機(jī)器。機(jī)器人具有人或者生物的某些功能，比如能如手臂一樣運(yùn)動，能在地上行走或者在水中游。高級一點(diǎn)的機(jī)器可以通過傳感器了解外部環(huán)境或者“身體內(nèi)在人的”狀態(tài)與變化，甚至可以做出自己的邏輯推理、判斷與決策，也就是所謂的機(jī)器人的智能行為。機(jī)器人發(fā)揮作用必須在一個(gè)作業(yè)系統(tǒng)之中機(jī)器人作為系統(tǒng)的一部分，才能發(fā)揮它的作用。由于各種不同類型的機(jī)器人不斷涌現(xiàn)，它們發(fā)揮作用的形式和組成的系統(tǒng)也在不斷變化。工業(yè)機(jī)器人作為制造系統(tǒng)的一部分發(fā)揮作用是最典型的。比如焊接機(jī)器人，它在工作時(shí)至少需要一個(gè)工作臺，將工作臺裝卡在上面，并運(yùn)送到機(jī)器人焊接的合適位置。這樣，組成了一個(gè)簡單的機(jī)器人焊接系統(tǒng)，

稱為機(jī)器人焊接工作站。如果機(jī)器人組成一

個(gè)焊接生產(chǎn)線，則這個(gè)系統(tǒng)就變得更為復(fù)雜。一個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)一般由機(jī)械手（執(zhí)行機(jī)構(gòu)）、控制器、作業(yè)對象和環(huán)境四部分組成。如圖2-1所示。圖2-1一個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)一般是一臺機(jī)械手，有些文獻(xiàn)中稱為操作器或操作手。多數(shù)機(jī)械手是具有六個(gè)自由度的關(guān)節(jié)式機(jī)械結(jié)構(gòu)。其中三個(gè)自由度用來引導(dǎo)末端執(zhí)行器至所需位置，另外三個(gè)自由度用來確定末端執(zhí)行裝置的方向。機(jī)械臂上的末端執(zhí)行裝置根據(jù)操作需要也可以換成焊槍、吸盤、扳手等其他工具。環(huán)境是指機(jī)器人在執(zhí)行任務(wù)時(shí)所能達(dá)到的幾何空間，而且包含了該空間中每個(gè)事物的全部自然特性所決定的條件。在它的工作環(huán)境中，機(jī)器人會得到為完成任務(wù)所需的支持，如自動生產(chǎn)線會為生產(chǎn)線上的機(jī)器人運(yùn)送工件、材料等；在運(yùn)動的空間里，機(jī)器人

要設(shè)計(jì)好合理的運(yùn)動路線。同時(shí)，在它的工

作環(huán)境中，也會遇到一些障礙物和其他事件，機(jī)器人必須避免與這些障礙發(fā)生碰撞，并妥

善處理好環(huán)境中發(fā)生的各種可能的事件。環(huán)

境信息一般為已知的，這種環(huán)境稱為結(jié)構(gòu)環(huán)

境，但在許多情況下，環(huán)境具有未知的和不

確定性質(zhì)，這種環(huán)境就稱為非結(jié)構(gòu)環(huán)境?？刂破魇菣C(jī)器人系統(tǒng)的指揮中樞，并且負(fù)責(zé)信息處理和與人交互。它接受來自傳感器的信號，對其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并按照預(yù)存的信息、機(jī)器人的狀態(tài)及環(huán)境情況等，產(chǎn)生控制去驅(qū)動機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各個(gè)關(guān)節(jié)，以完成特定的動作。為此，控制器內(nèi)必須具有保證它實(shí)現(xiàn)其功能所必須的算法與信息。機(jī)器系統(tǒng)的復(fù)雜程度不同，能執(zhí)行的任務(wù)不同，控制器內(nèi)所存放的軟件也不同。2.2機(jī)器人的分類機(jī)器人可以根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)分成很多類型。應(yīng)用于不同領(lǐng)域的機(jī)器人不僅在用途上，而且在結(jié)構(gòu)和性能上會有很大的不同。因此，按機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域形成了不同類型的機(jī)器

人。機(jī)器人首先在制造業(yè)大規(guī)模應(yīng)用，所以機(jī)器人曾被簡單的分為兩類，即用于汽車制

造業(yè)的機(jī)器人稱為工業(yè)機(jī)器人，其他的機(jī)器

人稱為特種機(jī)器人。隨著機(jī)器人應(yīng)用的日益

廣泛，這種分類就顯得過于粗糙?，F(xiàn)在除工

業(yè)機(jī)器人外，還有服務(wù)機(jī)器人、水下機(jī)器人、空間機(jī)器人等。（1）工業(yè)機(jī)器人工業(yè)機(jī)器人也是一類機(jī)器人的總稱。依據(jù)具體應(yīng)用的不同，又常常以其主要用途命名。到現(xiàn)在為止應(yīng)用最多的是焊接機(jī)器人，包括電焊和電弧焊機(jī)器人，用途是實(shí)現(xiàn)自動的焊接作業(yè)；裝配機(jī)器人，比較多的用于電子部件電器的裝配；噴漆機(jī)器人，代替人進(jìn)

行噴漆作業(yè)；搬運(yùn)、上下料、碼垛機(jī)器人，

他們的功能都是根據(jù)一定的速度和精度要求，將物品從一處運(yùn)到另一處；另外還可以列出

很多，如將金屬溶液澆到壓鑄機(jī)中的澆鑄機(jī)

器人等等。應(yīng)該說，并不是只有機(jī)器人可以

完成這項(xiàng)工作，很多工作都可以用專門的機(jī)

器完成。機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)在于它可以通過程序

的更改，方便迅速地改變工作內(nèi)容或方式，

來滿足生產(chǎn)要求的變化。比如，改變焊縫軌

跡，改變噴漆位置，變更裝配部件或位置等

等。所以隨著對工業(yè)生產(chǎn)線的柔性要求越來越強(qiáng)，對各種機(jī)器人的需求也就越來越強(qiáng)。（2）服務(wù)機(jī)器人

隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，已不再局限于傳統(tǒng)的制造業(yè)。出現(xiàn)了一個(gè)新的集合，被稱為服務(wù)機(jī)器人。我們說服務(wù)機(jī)器人是一類機(jī)器人的集合，是因?yàn)榈浆F(xiàn)在為止，國際上對它還沒有一個(gè)明確的定義。它所包括的內(nèi)容也比較寬，比較雜。一般說來，服務(wù)機(jī)器人是一種以自主或半自主方式運(yùn)行，能為人類生活康復(fù)提供服務(wù)的機(jī)器人，或者是能對設(shè)備運(yùn)行進(jìn)行維護(hù)的一類機(jī)器人。目前，在非制造業(yè)的機(jī)器人也被看作是服務(wù)機(jī)器人。服務(wù)機(jī)器人往往是可以移動的，在多數(shù)情況

下，服務(wù)機(jī)器人由一個(gè)移動平臺構(gòu)成，在平

臺上面裝有一只或幾只手臂，代替或協(xié)助人

完成為人類提供服務(wù)和安全保障的各種工作，如清潔、護(hù)理、娛樂和值勤等等。（3）水下機(jī)器人

水下機(jī)器人也稱為水下無人深潛器，代替人在水下這一危險(xiǎn)的環(huán)境作業(yè)。人類借助潛水器具潛入到大海之中探秘，已有很長的歷史。然而，由于危險(xiǎn)很大，而且費(fèi)用極高。所以人類尋找代替人親自冒險(xiǎn)的技術(shù)，水下機(jī)器人變成了人們十分關(guān)注的發(fā)展方向。（4）空間機(jī)器人

機(jī)器人技術(shù)一經(jīng)出現(xiàn)，很自然地人們酒席望它到天上去為人們工作，于是產(chǎn)生了空間機(jī)器人?？臻g機(jī)器人是指在

大氣層內(nèi)和大氣層外從事各種作業(yè)的機(jī)器人，包括在內(nèi)層飛行并進(jìn)行觀測、可完成多種作

業(yè)的飛行機(jī)器人，到外層空間其他星球上進(jìn)

行探測作業(yè)的星球探測機(jī)器人和在各種航天

器里是使用的機(jī)器人。2.3典型機(jī)器人圖片展1.Mark

Ho制作的金屬機(jī)器人ZOHO

ARTFORM

No.1是由荷蘭的MarkHo用了6年時(shí)間來設(shè)計(jì)、手工制造的一個(gè)活動關(guān)節(jié)金屬機(jī)器人（銅和不銹鋼），直立時(shí)高43cm，重6公斤。共有920個(gè)部分組成包括85個(gè)可活動的部件。

2.日新款機(jī)器人服務(wù)生亮相2006年3月6日，日本日立公司在日本千葉縣浦安市舉行活動，公開展示其開發(fā)的新款機(jī)器人服務(wù)生。據(jù)介紹，這種新型機(jī)器人服務(wù)生高130厘米，重約70公斤，移動速度可達(dá)每小時(shí)6公里。它工作時(shí)能在1米的范圍內(nèi)判斷出客人說話的方向，并能根據(jù)說話內(nèi)3日本開發(fā)出護(hù)理老人機(jī)器人容用仿真的人聲回答客人的問題。這種機(jī)器人不僅具有視覺、聽覺、嗅覺等能力，而且還能背起人，旨在用于看護(hù)日本日趨增多的老年人。4微型機(jī)器人脊椎援助機(jī)器人第三章

工業(yè)機(jī)器人3.1

工業(yè)機(jī)器人概述國際上第一臺工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品誕生于20世紀(jì)60年代，當(dāng)時(shí)其作業(yè)能力僅限于上、下料

這類簡單的工作。此后機(jī)器人進(jìn)入了一個(gè)緩

慢的發(fā)展期，直到進(jìn)入80年代，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)

才得到了巨大的發(fā)展，成為機(jī)器人發(fā)展的一

個(gè)里程碑，這一時(shí)代被稱為“機(jī)器人元年”。為了滿足汽車行業(yè)蓬勃發(fā)展的需要，這個(gè)時(shí)

期開發(fā)出的點(diǎn)焊機(jī)器人、弧焊機(jī)器人、噴涂

機(jī)器人以及搬運(yùn)機(jī)器人等四大類型的工業(yè)機(jī)

器人系列產(chǎn)品已經(jīng)成熟，并形成產(chǎn)業(yè)化規(guī)模，有利地推動了制造業(yè)的發(fā)展。為進(jìn)一步提高

產(chǎn)品質(zhì)量和市場競爭能力，裝配機(jī)器人及柔

性裝配線又相繼開發(fā)成功。進(jìn)入90年代以后，裝配機(jī)器人和柔性裝配技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)

用，并進(jìn)入了一個(gè)大發(fā)展時(shí)期。現(xiàn)在。工業(yè)機(jī)器人已發(fā)展成為一個(gè)龐大的家族，并與數(shù)控、可編程控制器一起成為工業(yè)自動化的三大技術(shù)支柱和基本手段，廣泛應(yīng)用于制造業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域之中。縱觀世界機(jī)器人的發(fā)展史，60年代為機(jī)器人的發(fā)明和創(chuàng)建階段；70年代為機(jī)器人走向?qū)嵱没彤a(chǎn)業(yè)化的初級階段；80年代為機(jī)器人普及和產(chǎn)業(yè)化高速發(fā)展階段；90年代機(jī)器人進(jìn)入智能化發(fā)展階段，機(jī)器人得到廣泛應(yīng)用，并向非制造業(yè)拓展。圖3-1列出了2004-2005年美州地區(qū)各主要行業(yè)對工業(yè)機(jī)器人需求情況：圖3-13.2工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)3.2.1工業(yè)機(jī)器人定義工業(yè)機(jī)器人是機(jī)器人家族中最重要一員，也是目前在技術(shù)發(fā)展最成熟、應(yīng)用最多的一類機(jī)器人。世界各國對工業(yè)機(jī)器人的定義不盡相同，但其內(nèi)涵基本一致。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO)曾于1987年對工業(yè)機(jī)器人給予了定義：“工業(yè)機(jī)器人是一種具有自動控制的操作和移動功能，能夠完成各種作業(yè)的可編程操作機(jī)”日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（JIS采用此定義，這也與美國工業(yè)機(jī)器人學(xué)會(RIA)的定義相近。在德國的標(biāo)準(zhǔn)(VDI)中，對工業(yè)機(jī)器人則給出了更為具體的定義：

“工業(yè)機(jī)器人是具有多自由度的、能進(jìn)行各種動作的自動機(jī)器。它的動作是可以順序控制的。軸的關(guān)節(jié)角度或軌跡可以不靠機(jī)械調(diào)節(jié)，而由程序或傳感器加以控制。工業(yè)機(jī)器人具有執(zhí)行器、工具及制造用的輔助工業(yè)，可以完成材料搬運(yùn)和制造等操作”。ISO8373對工業(yè)機(jī)器人給出了更詳細(xì)、具體的定義：“機(jī)器人具備自動控制及可再編程多用途功能，機(jī)器人操作機(jī)具有3個(gè)或以上的可編程軸，在工業(yè)自動化應(yīng)用中，機(jī)器人的底座可固定也可移動?！?/p>

3.2.2工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)工業(yè)機(jī)器人一般由兩大部分組成：一部分是機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)，也稱作機(jī)器人操作機(jī)（robot

manipulator)，它完成機(jī)器人的操作作業(yè)；另一部分是機(jī)器人控制器，它主要完成信息的獲取、處理、作業(yè)編程、規(guī)劃、控制以及整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)的管理功能。機(jī)器人控制器是機(jī)器人的核心的部分，機(jī)器人性能的優(yōu)劣主要取決于控制系統(tǒng)的品質(zhì)。機(jī)器人控制系統(tǒng)集中體現(xiàn)了各種現(xiàn)代高新技術(shù)和相關(guān)學(xué)科的最新進(jìn)展。當(dāng)然，機(jī)器人要想進(jìn)行作業(yè)，除去機(jī)器人以外，還需要相應(yīng)的作業(yè)機(jī)構(gòu)及配套的周邊的設(shè)備，這些與機(jī)器人一起形成了一個(gè)完整的工業(yè)機(jī)器人作業(yè)系統(tǒng)。圖3-2給出了工業(yè)機(jī)器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。圖3-2工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3.2.3工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)結(jié)構(gòu)迄今為止，典型的工業(yè)機(jī)器人僅實(shí)現(xiàn)了人類胳膊和手的某些功能，所以機(jī)器人操作機(jī)也稱作機(jī)器人手臂或機(jī)械手，一般簡稱為機(jī)器人。機(jī)器人機(jī)構(gòu)可以視為一種桿件機(jī)構(gòu)，它的基本結(jié)構(gòu)是機(jī)構(gòu)學(xué)中的桿件（link)和運(yùn)動副（pair)相互連接而構(gòu)成的開式運(yùn)動鏈

(open

loop

kinematics

chain)。當(dāng)然也有部閉鏈或全部閉鏈的機(jī)器人。圖3-3是一個(gè)開鏈結(jié)構(gòu)工業(yè)機(jī)器人。圖3-3開鏈結(jié)構(gòu)的機(jī)器人由圖3-3可以看出在機(jī)器人中，連桿可稱為手臂，運(yùn)動副稱作關(guān)節(jié)（joint)，關(guān)節(jié)分為平移關(guān)節(jié)和轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)。機(jī)器人的末端稱為手

腕(wrist)，它一般由幾個(gè)轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)組成。在機(jī)器人中，手臂決定機(jī)器人達(dá)到的位置，而

手腕則決定機(jī)器人的姿勢。下面詳細(xì)介紹機(jī)

器人的幾個(gè)重要概念及其典型的結(jié)構(gòu)形式。（1）桿件與自由度

機(jī)器人是由桿件和連接它的關(guān)節(jié)（運(yùn)動副）構(gòu)成，關(guān)節(jié)由一個(gè)或多個(gè)自由度(degree

of

freedom)組成。桿件是指兩個(gè)關(guān)節(jié)之間的連桿，桿件一般有串聯(lián)桿件和并聯(lián)桿件兩類。自由度是表示機(jī)器人運(yùn)動靈活的尺度，意味著獨(dú)立的單獨(dú)運(yùn)動的個(gè)數(shù)。自由度分為主動自由度和被動自由度兩類，前者指該自由度能產(chǎn)生驅(qū)動力，而后者不能產(chǎn)生驅(qū)動力，只能被動地跟隨其他關(guān)節(jié)運(yùn)動。圖3-4是幾種代表性的單自由度關(guān)節(jié)的符號和運(yùn)動形式。圖3-4桿件和關(guān)節(jié)的構(gòu)成方法大致可分為兩種。從手臂的全貌看，構(gòu)成手臂的桿件和關(guān)節(jié)是

串聯(lián)的稱為串聯(lián)桿件機(jī)械手(serial

linkmanipulator)或開式鏈機(jī)械手而并聯(lián)連接的，則稱為并聯(lián)桿件機(jī)械手或閉式鏈機(jī)械手

(parallel

link

manipulator)。在圖3-4中給串聯(lián)和并聯(lián)機(jī)械手的自由度構(gòu)成的例子。設(shè)可動部件的個(gè)數(shù)為n，自由度為f的關(guān)節(jié)個(gè)數(shù)為Pf，則桿件機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)F可由下式算出圖3-4手臂的形態(tài)實(shí)際上，大部分機(jī)械手是串聯(lián)桿件型的。在三維空間中的無約束物體，可以做平行于x、y、z各軸的平行運(yùn)動，還可以做圍繞各軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，因此它有與位置有關(guān)的3個(gè)自由度和與姿態(tài)有關(guān)的3個(gè)自由度，共6個(gè)自由度。機(jī)器人手臂為了能任意操縱物體的位置和姿態(tài)，必須最少有6個(gè)自由度。人的手臂有7個(gè)自由度，其中肩關(guān)節(jié)為3，肘關(guān)節(jié)為2，手關(guān)節(jié)為2，它比6還多，把這種比6還多的自由度稱為冗余自由度(redundantdegree

of

freedom)。人由于有這樣的冗余性在固定了指尖方向和手腕位置的情況下，可以通過旋轉(zhuǎn)肘關(guān)節(jié)來改變手臂的姿態(tài)，因此就能夠回避障礙物。決定機(jī)器人自由度的構(gòu)成，必須是它能完成與目標(biāo)作業(yè)相適應(yīng)的動作。例如，若僅限于二維平面內(nèi)的作業(yè)，有3個(gè)自由度就夠了。另外，在化學(xué)工廠這類障礙物很多的有代表性的環(huán)境中，如果是用機(jī)器人進(jìn)行維修為目的，那么也許需要7個(gè)以上的自由度。（2）自由度的構(gòu)成

自由度的構(gòu)成方法將極大的影響機(jī)器人的可動范圍和可操作性等性能。例如，球形關(guān)節(jié)的構(gòu)造，是可以向任意方向動作的3個(gè)自由度關(guān)節(jié)，它能方便的解決適應(yīng)于作業(yè)的姿態(tài)。然而，由于驅(qū)動器可動范圍的限制，它很難完全實(shí)現(xiàn)這一功能。所以機(jī)器人通常是把3個(gè)單自由度機(jī)構(gòu)串聯(lián)連接，以實(shí)現(xiàn)這種3個(gè)自由度的要求。另外，在進(jìn)行這樣的自由度組合時(shí)，必須注意奇異點(diǎn)(singular

point)的存在。所謂奇點(diǎn)，是指由于手臂機(jī)構(gòu)的約束，導(dǎo)致手臂姿態(tài)失掉了某特定的方向的自由度功能，加之由于這種自由度的退化，進(jìn)而在奇異點(diǎn)的附近，關(guān)節(jié)必須做急劇的姿態(tài)變化，驅(qū)動系統(tǒng)將承受很大的負(fù)荷。奇異點(diǎn)的回避問題，主要是在手臂的軌跡控制中加以解決。所以在設(shè)計(jì)時(shí)，有效的方法是設(shè)法使自由度的構(gòu)成的執(zhí)行作業(yè)內(nèi)容時(shí)能容易的回避奇異點(diǎn)。奇異點(diǎn)的例子如圖3-5所示，在圖中，沿箭頭方向的自由度已經(jīng)退化，機(jī)械手不能沿此方向運(yùn)動。圖3-5奇異點(diǎn)(3)動作形態(tài)的分類

手臂的主要目的是在三維空間內(nèi)定位，為此，如前所述必須要3個(gè)自由度。這樣的自由度構(gòu)成法，若考慮平移、旋轉(zhuǎn)、回轉(zhuǎn)三種自由度的組合，則共計(jì)存在27種，然而根據(jù)它的動作形態(tài)，代表性的自由度構(gòu)成可以分成下面五種：圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人；球坐標(biāo)型機(jī)器人；直角坐標(biāo)型機(jī)器人；關(guān)節(jié)型機(jī)器人；并聯(lián)機(jī)器人。圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人(cylindrical

coordinrobot，見圖3-6)是由一個(gè)回轉(zhuǎn)和兩個(gè)平移的自由度組合構(gòu)成；球坐標(biāo)型機(jī)器人(polarcoordinate

robot，見圖3-7)是由回轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)平移的自由度組合而成。這兩種機(jī)器人由于具有中心回轉(zhuǎn)自由度，所以它們都有較大的運(yùn)動范圍(motion

range)，其坐標(biāo)計(jì)算也比較簡單。世界上最初實(shí)用化的工業(yè)機(jī)器人

“Versatran”和“Unimate”分別采用了圓坐標(biāo)型和球坐標(biāo)型的構(gòu)成。圖3-6圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人圖3-7球坐標(biāo)型機(jī)器人直角坐標(biāo)型機(jī)器人(cartesian

coordinaterobot，見圖3-8)的自由度是獨(dú)立沿x、y、z軸的，結(jié)構(gòu)簡單，精度高，坐標(biāo)計(jì)算和控制也

都極為簡單。圖3-8直角坐標(biāo)型機(jī)器人關(guān)節(jié)型機(jī)器人(articulated

robot)主要是轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)自由度構(gòu)成，可以看成是仿人手臂的結(jié)構(gòu)。它是具有肘關(guān)節(jié)的連桿關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)。

(見圖3-9)從肘至手臂根部的部分稱為上臂

(upper

arm)，從肘到手臂(wrist)的部分稱為臂(forearm)。這種結(jié)構(gòu)，對于確定三維空間上的任意位置和姿態(tài)是最有效的。它對于各種各樣的作業(yè)都有良好的適應(yīng)性，但其缺點(diǎn)是坐標(biāo)計(jì)算和控制比較復(fù)雜，且難以達(dá)到高精度。圖3-9是一般關(guān)節(jié)型機(jī)器人手臂，它采用回轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)的自由度結(jié)構(gòu)。圖3-9關(guān)節(jié)型機(jī)器人關(guān)節(jié)機(jī)器人根據(jù)其自由度的構(gòu)成方法，可分成幾類。圖3-10是在標(biāo)準(zhǔn)手臂上在加上一個(gè)自由度

(冗余自由度),即所謂仿人型。圖3-10仿人關(guān)節(jié)型機(jī)器人圖3-11的手臂采用了平行四邊形連桿，并把前臂關(guān)節(jié)驅(qū)動用的電機(jī)裝在手臂的根部，可獲得更高的運(yùn)動速度。圖3-11關(guān)節(jié)型機(jī)器人(平行四邊形連桿)圖3-12稱為SCARA型機(jī)器人(SelectiveCompliance

Assembly

Robot

Arm)，手臂的前端結(jié)構(gòu)采用在二維空間內(nèi)能任意移動的自由度，所以它具有垂直方向的剛性高、水平面內(nèi)剛性低(柔順性)的特征。圖3-12

SCARA型機(jī)器人并聯(lián)機(jī)構(gòu)的機(jī)器人(見圖3-13)是一種新型結(jié)構(gòu)的機(jī)人，它通過各連桿的復(fù)合運(yùn)動，給

出末端的運(yùn)動軌跡，以完成不同類型的作業(yè)。該結(jié)構(gòu)的機(jī)器人特點(diǎn)在于剛性好，可用來完

成數(shù)控機(jī)床的一些功能，因而也稱之為并聯(lián)

機(jī)床。目前已有這方面的樣機(jī)，它可以完成

復(fù)雜曲面的加工，是數(shù)控機(jī)床的一種新的結(jié)

構(gòu)形式，也是機(jī)器人功能的一種拓展。其不

足是控制復(fù)雜，工作范圍比較小，精度也比

數(shù)控機(jī)床低一些。圖3-13并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)器人以上介紹了工業(yè)機(jī)器人的一些基本結(jié)構(gòu)形式和特點(diǎn)。圖3-14給出了常見工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式和運(yùn)動形態(tài)。圖3-14常見工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)形式及運(yùn)動形態(tài)第四章

機(jī)器人運(yùn)動學(xué)4.1引言機(jī)器人運(yùn)動學(xué)主要有以下兩個(gè)基本問題：

(1)對一給定的機(jī)器人，已知桿件參數(shù)和關(guān)節(jié)變量，求末端執(zhí)行器相對于給定坐標(biāo)系的位置和姿態(tài)。給定坐標(biāo)系為固定在大地上的笛卡兒坐標(biāo)系，作為機(jī)器人的總體坐標(biāo)系也稱為世界坐標(biāo)系(World

Coordinate);(2)已知機(jī)器人桿件的幾何參數(shù)，給定末端執(zhí)行器相對于總體坐標(biāo)系的位置和姿態(tài)，確定關(guān)節(jié)變量的大小。第1個(gè)問題常稱為運(yùn)動學(xué)正問題(DKP-Di-Rect

Kinematic

Problems)，第2個(gè)問題稱為動學(xué)逆問題(IKP-Inverse

Kinematic

Problem機(jī)器人手臂的關(guān)節(jié)變量是獨(dú)立變量，而末端

執(zhí)行器的作業(yè)通常在總體坐標(biāo)系中說明。根

據(jù)末端執(zhí)行器在總體坐標(biāo)系中的位姿來確定

相應(yīng)各關(guān)節(jié)變量要進(jìn)行運(yùn)動學(xué)逆問題的求解。機(jī)器人運(yùn)動學(xué)問題是解決動力學(xué)和編制機(jī)器

人運(yùn)動控制系統(tǒng)軟件所比備的知識。4.2機(jī)器人位置與姿態(tài)的描述機(jī)器人的各桿的運(yùn)動可在總體坐標(biāo)系中描述，在每個(gè)桿件上建立一個(gè)附體坐標(biāo)系。運(yùn)動學(xué)問題便歸結(jié)為尋找聯(lián)系附體坐標(biāo)系和總體坐標(biāo)系的變換矩陣。4.2.1機(jī)器人坐標(biāo)系變換如圖4-1，參考坐標(biāo)系Oxyz是三維空間中的固定坐標(biāo)系，在機(jī)器人運(yùn)動中將它作為總體坐標(biāo)系，把Ouvw看成是附體坐標(biāo)系，也就是說它固定在機(jī)器人桿件上，并隨它一起運(yùn)動?？臻g某點(diǎn)P在Ouvw坐標(biāo)系中固定不變，點(diǎn)P在Oxyz和Ouvw系的坐標(biāo)分別表示為：圖4-1點(diǎn)，上角標(biāo)T為矩陣轉(zhuǎn)置符。當(dāng)Ouvw系繞任一軸線轉(zhuǎn)動后，均可通過一個(gè)3x3旋轉(zhuǎn)矩陣R將原坐標(biāo)變換到Oxyz系中的坐標(biāo)即：(2-1)由矢量分量的定義有(2-2)分別表示P沿Ou,Ov,Ow軸的分量，或

P在各軸上的投影，利用標(biāo)量積的定義和式

(2-2)可知表示在不同坐標(biāo)系中的同一空間和將上式寫成矩陣形式(2-2)比較式(2-1)和式(2-2)有類似地，由坐標(biāo)可求得坐標(biāo)其中如果Ouvw坐標(biāo)系繞Ox軸轉(zhuǎn)動,變換矩陣稱為繞Ox軸旋轉(zhuǎn) 角的旋轉(zhuǎn)矩陣，可用上述變換矩陣的概念導(dǎo)出，即：這時(shí)和繞Oz軸轉(zhuǎn)角的3x3類似地，繞Oy軸轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)矩陣分別為矩陣稱為基本旋轉(zhuǎn)矩陣。為了表示繞Oxyz坐標(biāo)系各軸的多次轉(zhuǎn)動，可把基本旋轉(zhuǎn)矩陣連乘起來。由于矩陣乘法不可交換，故完成轉(zhuǎn)動的次序是重要的。除繞Oxyz參考系的坐標(biāo)軸轉(zhuǎn)動外，Ouvw坐標(biāo)

系也可繞它自己的坐標(biāo)軸轉(zhuǎn)動。如果Ouvw坐標(biāo)系繞Oxyz坐標(biāo)系的一坐標(biāo)軸轉(zhuǎn)動則可對旋轉(zhuǎn)矩陣左乘相應(yīng)的基本旋轉(zhuǎn)矩陣；如果Ouvw坐標(biāo)系繞自己的坐標(biāo)軸轉(zhuǎn)動，則可對旋轉(zhuǎn)矩陣右乘相應(yīng)的基本旋轉(zhuǎn)矩陣。角，然后繞Ow軸轉(zhuǎn)角的合成旋轉(zhuǎn)矩陣。例：求表示繞Oy軸轉(zhuǎn)角，然后繞Ou軸轉(zhuǎn)解：式中其余類同。4.2.2齊次坐標(biāo)和變換矩陣齊次坐標(biāo)是用n+1維坐標(biāo)來描述n維空間中的位置，其第n+1個(gè)分量稱為比例因子。引入齊次坐標(biāo)不僅對坐標(biāo)變換的數(shù)學(xué)表達(dá)帶來方便，而且具有坐標(biāo)縮放的功能。對三維空間位置矢量其齊次坐標(biāo)可以表示其關(guān)系如下：可以看出，直角坐標(biāo)系Oxyz原點(diǎn)的齊次坐標(biāo)為a為非零實(shí)數(shù)。齊次坐標(biāo)表示Ox軸的無窮點(diǎn)，同理齊次坐標(biāo)和分別指向Ox軸和Oz軸的無窮遠(yuǎn)點(diǎn)。三維空間的位置矢量的齊次坐標(biāo)表達(dá)并不是惟一的。但若將w取1，則位置矢量變換后的齊次坐標(biāo)和矢量的實(shí)際坐標(biāo)就相同了。在機(jī)器人的應(yīng)用中總是取w為1。齊次變換矩陣是4x4矩陣，它能把一個(gè)以齊次坐標(biāo)表示的位置矢量由一個(gè)坐標(biāo)系映射到另一個(gè)坐標(biāo)系。齊次變換矩陣T寫成以下形式在機(jī)器人的系統(tǒng)運(yùn)動分析中，齊次變換矩陣寫成以下形式：若三維空間的位置矢量P表示成齊次坐標(biāo)，，那么利用變換矩陣的概念對純轉(zhuǎn)動，3x3旋轉(zhuǎn)矩陣可擴(kuò)展成４x4齊次變換矩陣(4-1)(4-2)(4-3)齊次平移矩陣Ttran使Ouvw坐標(biāo)系的原點(diǎn)平

移到參考坐標(biāo)系的[dx

dy

dz]T

點(diǎn)，而保持坐標(biāo)軸平行。(4-4)式(4-1)至式(4-4)是基本齊次變換矩陣?；君R次變換矩陣可以相乘以求得合成齊次變換矩陣，但矩陣的乘法是不可交換的，必須注意這些矩陣的相乘的次序。也就是說：若動坐標(biāo)系Ouvw繞或沿Oxyz系主軸轉(zhuǎn)動，則用相應(yīng)的基本齊次陣左乘齊次變換矩陣；若動坐標(biāo)系Ouvw繞或沿它自己的主軸轉(zhuǎn)動，則用相應(yīng)的基本齊次旋轉(zhuǎn)矩陣右乘齊次變換矩陣。第五章

機(jī)器人學(xué)展望機(jī)器人學(xué)在過去40年中取得了迅速發(fā)展和可喜的成就。越來越多的機(jī)器人在各行各業(yè)得到應(yīng)用；越來越多的機(jī)器人科技工作者從不同方向從事機(jī)器人學(xué)的研究開發(fā)和應(yīng)用工作；越來越多的自然人對機(jī)器人有了比較正確的理解。機(jī)器人必將為21世紀(jì)的人類文明做出新的更大貢獻(xiàn)。不久前宋健指出：“機(jī)器人學(xué)的進(jìn)步和應(yīng)用是本世紀(jì)自動控制最有說服力的成就，是當(dāng)代最高意義上的自動化。僅僅花了20年，機(jī)器人從爬行學(xué)會了兩條腿走路，成為直立機(jī)器人。機(jī)器人已能用手使用工具，能看，能聽，能用多種語言說話。它安心可靠地干最臟最累的活。機(jī)器人正雄心勃勃，準(zhǔn)備在

21世紀(jì)進(jìn)入服務(wù)業(yè)，當(dāng)出租車司機(jī)，到醫(yī)院去當(dāng)護(hù)士，到家庭去照顧老人，到銀行去當(dāng)出納。”的確，機(jī)器人學(xué)具有誘人的發(fā)展前景。本章分析機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，展望

21世紀(jì)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展趨勢，探討21世紀(jì)機(jī)器人學(xué)的發(fā)展戰(zhàn)略。機(jī)器人技術(shù)和市場的現(xiàn)狀國際機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀及預(yù)測表5-1：1996—1998年現(xiàn)役工業(yè)機(jī)器人臺數(shù)及1999—2002年臺數(shù)預(yù)測國別1996199719981999200020012002日本399629412960418800433100428800433400366600美國70858771088170090700101800114800120200德國600006681773200802008840095700103800意大利25494283863150033400361003910047400法國14784156321620017200180001900020000英國875199581080012100131001420015000六大國579516610862625200666700686200716200673000奧地利24272604比、荷、58096580盧丹麥744824芬蘭14931633挪威479473西班牙國別1996199719981999200020012002西歐十國24432271813020033400371004090054000匈牙利126130波蘭646611斯洛伐克536541捷克11351163斯洛文尼亞253268東歐五國2697271329003100330035004100澳大利亞20122416韓國2464030199新加坡34893299中國臺灣省44675141亞洲四國及地區(qū)34608410554800054300613006920053600前蘇聯(lián)22000230002350024000245002500015000其他國家52256625850010900141001830015000續(xù)上表表2：1996—1998年各國新裝機(jī)器人臺數(shù)及1999—2001年每年新裝臺數(shù)預(yù)測國別199619971998199920002001日本3891442696337004331005070055800美國97091245910840907001275014700德國10425901710450802001000011000意大利3331369243903340041004400法國1697172116501720019502100英國1116179212701210016001800六大國651927137762320811008980099300奧地利245250比、荷、844971盧丹麥110130芬蘭163220挪威5267西班牙國別199619971998199920002001西歐十國331737884850460051005600匈牙利54波蘭5365斯洛伐克2525捷克7575斯洛文尼亞1515東歐五國173184200200200200澳大利亞250526韓國65915759新加坡1095中國臺灣省688753亞洲四國及地區(qū)862470381870700081009300前蘇聯(lián)10001000700100010001000其他國家140015001500260034004400總計(jì)79706848877140096500107600119800續(xù)上表近年來，機(jī)器人價(jià)格呈下降趨勢。由于機(jī)器人性能的重大改進(jìn)，與勞動了的價(jià)格相比，90年代機(jī)器人的價(jià)格下降得更多，這表明現(xiàn)役機(jī)器人的盈利增多了。與此同時(shí)，人們認(rèn)識到，把機(jī)器人應(yīng)用到更多的領(lǐng)域?qū)⒛塬@得更大的利潤。預(yù)計(jì)今后機(jī)器人的標(biāo)價(jià)將繼續(xù)下降，同時(shí)一些國家可能會出現(xiàn)勞動力短缺的現(xiàn)象，因而機(jī)器人的普及速度可能會比預(yù)計(jì)的還要快。從長遠(yuǎn)來看（10—15年），機(jī)器人相對價(jià)格的進(jìn)一步下降，勞動力的短缺以及人們對生產(chǎn)質(zhì)量和生活質(zhì)量更加重視，將成為機(jī)器人領(lǐng)域繼續(xù)大量投資的推動力。表3：1998年底服務(wù)機(jī)器人裝備數(shù)量、應(yīng)用領(lǐng)域及1999-2002年預(yù)測機(jī)器人類型1998年底裝備數(shù)量1999-2002年裝備數(shù)量保潔機(jī)器人-地板清潔機(jī)器人-油罐清潔機(jī)器人-擦窗、墻機(jī)器人-其他（飛機(jī)清洗）機(jī)器人300500下水道機(jī)器人（清理，檢查）爬壁機(jī)器人（清理，檢查）通用檢測機(jī)器人200200水下機(jī)器人-檢查-工作類機(jī)器人400200家用機(jī)器人-真空吸塵機(jī)器人-割草機(jī)器人-其他200012500醫(yī)用機(jī)器人-外科手術(shù)機(jī)器人-機(jī)器人輔助外科手術(shù)8007000監(jiān)視機(jī)器人，保安機(jī)器人導(dǎo)引機(jī)器人加油機(jī)器人消防及爆炸物清理機(jī)器人殘疾人用機(jī)器人，輔助機(jī)器人，

200輪椅機(jī)器人送信機(jī)器人，送郵件機(jī)器人移動機(jī)器人平臺（多用途）1004005050150200200200300100800400建筑工業(yè)用機(jī)器人

農(nóng)業(yè)及林業(yè)用機(jī)器人旅館及餐廳用機(jī)器人潔凈室用機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室用機(jī)器人航天機(jī)器人娛樂機(jī)器人3501000續(xù)上表1

世界機(jī)器人發(fā)展分析表1和表2，可對世界工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀作如下的分析。1990年世界工業(yè)機(jī)器人的銷售量曾達(dá)到81000臺，1991-1993年出現(xiàn)經(jīng)濟(jì)衰退，1993年世界工業(yè)機(jī)器人的銷量下降到54000臺。之后，機(jī)器人的銷售開始復(fù)蘇，1997年銷售量達(dá)到85000臺，比1996年增長6.5%，然而，

1998年機(jī)器人銷售量比上年下降了16%，降

至71400臺。1998年，世界機(jī)器人密度繼續(xù)增加。所謂機(jī)器人密度是指：在制造業(yè)中每萬名雇員所占有的工業(yè)機(jī)器人的數(shù)量。日本、新加坡及韓國的機(jī)器人密度為280~110臺，但這些數(shù)字不能直接與其他國家的數(shù)字相比，因?yàn)楹笳卟捎昧烁訃?yán)格的機(jī)器人定義。德國為每萬名雇員100臺機(jī)器人；意大利和瑞典約為70臺其他國家工業(yè)機(jī)器人的密度在50~40臺之間。2

世界機(jī)器人發(fā)展前景預(yù)測（1）工業(yè)機(jī)器人預(yù)計(jì)世界工業(yè)機(jī)器人的銷售量將由1998年的89100臺增加到2002年的120000臺，或年均增長8%。不同的工業(yè)領(lǐng)域，機(jī)器人的增長情況也大不相同，全世界的汽車工業(yè)1999年上半年增長了101%，北美增加了214%，但各工業(yè)領(lǐng)域合計(jì)1999年上半年同比增長只有10%（2）服務(wù)機(jī)器人由于服務(wù)機(jī)器人尚處于開發(fā)及普及的早期階段，目前國際上對它還沒有普遍承認(rèn)的嚴(yán)格定義，因而它的定義是由操作型工業(yè)機(jī)器人引申而來的。到1998年底，世界服務(wù)機(jī)器人的總數(shù)估計(jì)為最少5000臺。1999-2002年，預(yù)計(jì)世界將裝備24000臺服務(wù)機(jī)器人，可能還有近50萬臺真空清掃機(jī)器人。5.1.2國內(nèi)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀我國機(jī)器人學(xué)研究起步較晚，但進(jìn)步較快已在工業(yè)機(jī)器人、特種機(jī)器人和智能機(jī)器人

各個(gè)方面取得明顯成績，為我國機(jī)器人學(xué)的

發(fā)展打下初步基礎(chǔ)。下面分別就工業(yè)機(jī)器人、特種機(jī)器人和智能機(jī)器人三方面加以討論。1

工業(yè)機(jī)器人我國工業(yè)機(jī)器人起步于20世紀(jì)70年代初，經(jīng)過20多年的發(fā)展，大致可分為3個(gè)階段：70年代的萌芽期，80年代的開發(fā)期，90年代的使用化期。90年代后半期是實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)機(jī)器人的商品化，為產(chǎn)業(yè)化奠定基礎(chǔ)的時(shí)期。隨著我國加入世界貿(mào)易組織（WTO），我國的工業(yè)機(jī)器人將面臨著新的發(fā)展機(jī)遇和來自國外的挑戰(zhàn)。我們要把握這一機(jī)遇，迎接挑戰(zhàn)，為我國躋身機(jī)器人強(qiáng)國之列而努力奮斗。2

特種機(jī)器人到90年代，在國家高技術(shù)發(fā)展（863）計(jì)劃支持下，我國在發(fā)展工業(yè)機(jī)器人的同時(shí)，也對非制造環(huán)境下應(yīng)用機(jī)器人問題進(jìn)行了研究，并取得一批成果。下面介紹幾種特殊器人的開發(fā)情況。（1）管道機(jī)器人管道機(jī)器人是一種可沿管道內(nèi)部或外部自動行走、攜有一種或多種傳感器及操作機(jī)械（如機(jī)械手、噴槍、焊槍等），在工作人員的遙控操作或計(jì)算機(jī)自動控制下，進(jìn)行一系列管道作業(yè)的機(jī)、電、儀一體化系統(tǒng)。管道機(jī)器人的典型功能有：a.管道施工、安裝過程中的管內(nèi)外質(zhì)量檢測

b.管道使用過程中的管路表面及管材內(nèi)部的故障診斷，如表面破裂、腐蝕和焊縫質(zhì)量情況；c.惡劣情況下管道清掃、噴涂、焊接、內(nèi)部拋光等維護(hù)工作；d.對地下管道的修復(fù)；e.管道內(nèi)外的器材運(yùn)輸、搶救等其他作業(yè)。我國自1989年起進(jìn)行管道機(jī)器人的開發(fā)研究。到1993年，開發(fā)了煤氣管道探測機(jī)器人系統(tǒng)，并獲得了該機(jī)器人載體系統(tǒng)的實(shí)用新型專利。這種機(jī)器人可攜帶CCD攝像頭和工業(yè)r射線檢

測儀及遠(yuǎn)渦流探測裝置，對管內(nèi)的缺陷和異物進(jìn)行檢測，以便進(jìn)行進(jìn)一步的處理。在此

基礎(chǔ)上，1993年起，又開發(fā)可適應(yīng)不同管徑

和不同曲率管內(nèi)進(jìn)行探測作業(yè)的管道機(jī)器人。下圖是管道清洗機(jī)器人和供應(yīng)管道檢測機(jī)器

人的兩個(gè)實(shí)例：管道清洗機(jī)器人供應(yīng)管道檢測機(jī)器人（2）爬壁機(jī)器人

1998年在國家“863”智能機(jī)器人主題的支持下開展了爬壁機(jī)器人的開發(fā)。1994年成功地將開發(fā)的垂直壁面行走機(jī)器人在高層玻璃面上進(jìn)行了應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。（3）水下機(jī)器人

我國的水下機(jī)器人開發(fā)工作是以國內(nèi)協(xié)同和國際合作的方式進(jìn)行的，已開發(fā)的“探索者”號1000m自主水下機(jī)器人和“

CR-01A”6000m自主水下機(jī)器人。這兩臺水下機(jī)器人在控制、導(dǎo)航等技術(shù)方面都具有特點(diǎn)，使我國在水下自主機(jī)器人的研究開發(fā)工作中走在了世界前列?！疤剿髡摺碧柺俏覈孕醒兄频牡谝慌_無纜水下機(jī)器人，它的最大工作深度1000m，最大航速>4kn，側(cè)移速度>1kn，下潛速度>0.5kn，續(xù)航能力為6h。“CR-01A”6000m自主水下機(jī)器人是一項(xiàng)

重大的研究成果，目前世界上具有這種深度

(最大深度已達(dá)12000m)自主水下機(jī)器人研制能力的，只有少數(shù)幾個(gè)發(fā)達(dá)國家。在6000m的水下，載體要抗住60MPa的巨大水壓，必

須解決高比強(qiáng)度，高比模量的材料制備，小的結(jié)構(gòu)重量/排水體積的設(shè)計(jì)技術(shù)，大深度下潛、上浮操縱技術(shù)，高水壓下結(jié)構(gòu)密封和油封補(bǔ)償技術(shù)，大深度下水基線聲納的定位技術(shù)和側(cè)掃聲納及淺層地剖面的測量技術(shù)等一系列關(guān)鍵技術(shù)。為了適應(yīng)遠(yuǎn)海的作業(yè)，還要解決4級海況下水面收放技術(shù)。（4）自動導(dǎo)引車

SIA-AGV

系列自動導(dǎo)引車，有運(yùn)貨型和裝配型兩大品牌，其引導(dǎo)方式是由貼放在車行駛地面上的磁導(dǎo)引線引導(dǎo)的。我國還開發(fā)了PXJ-2型排險(xiǎn)機(jī)器人。此排險(xiǎn)機(jī)器人是有線遙控型，遙控距離為100m，最高運(yùn)動速度為30m/min，可前進(jìn)、后退、

原地轉(zhuǎn)彎和上下40°左右的樓梯或斜坡，跨越

25~40cm高的障礙、50cm寬的壕溝。行走機(jī)

構(gòu)可攜帶1~2只操作能力為8~20kg的機(jī)械手。其上的兩臺CCD攝像機(jī)在一個(gè)兩自由度云臺

上可進(jìn)行現(xiàn)場觀測。下圖是這類典型排險(xiǎn)機(jī)機(jī)器人的實(shí)例：排險(xiǎn)機(jī)器人(中科院沈陽自動化研究所）多功能排險(xiǎn)機(jī)器人是沈陽自動化研究所十余年連續(xù)攻關(guān)結(jié)果，是具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的高科技產(chǎn)品。從功能、技術(shù)水平及實(shí)際應(yīng)用等方面綜合衡量，該機(jī)器人處于國內(nèi)領(lǐng)先和國際先進(jìn)水平。3.智能機(jī)器人計(jì)劃按照“863”計(jì)劃智能機(jī)器人主題的總體戰(zhàn)略目標(biāo)，研究開發(fā)工作的實(shí)施分四個(gè)層次，通過各個(gè)層次的工作來體現(xiàn)和實(shí)施戰(zhàn)略目標(biāo)，這四個(gè)層次是：型號和應(yīng)用工程，基礎(chǔ)技術(shù)

開發(fā)，實(shí)用技術(shù)開發(fā)，成果推廣。10多年來，智能機(jī)器人主題在四個(gè)層次上都有了很大進(jìn)步，在機(jī)器人型號、應(yīng)用工程、基礎(chǔ)技術(shù)研究等方面取得了令人鼓舞的成績，為推動我國機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展和高技術(shù)產(chǎn)品、產(chǎn)業(yè)的形成作出了積極的貢獻(xiàn)。21世紀(jì)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展趨勢進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來，由于具有一般功能的傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用趨向飽和，而許多高級生產(chǎn)和特種應(yīng)用則需要具有各種智能的機(jī)器人參與，因而促使只能機(jī)器人獲得較為迅速的發(fā)展。無論從國際或國內(nèi)的角度來看，復(fù)蘇和繼續(xù)發(fā)展機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的一條重要途徑就是開發(fā)各種智能機(jī)器人，以求提高機(jī)器人的性能，擴(kuò)大其功能和應(yīng)用領(lǐng)域。這正是從事智能機(jī)器人研究和應(yīng)用的廣大科技工作者施展才干的大好時(shí)機(jī)?；仡櫧?0多年來國內(nèi)外機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展歷程，可以歸納出下列一些特點(diǎn)和發(fā)展趨勢。

1.傳感型智能機(jī)器人發(fā)展較快作為傳感機(jī)器人基礎(chǔ)的機(jī)器人傳感技術(shù)有了新的發(fā)展，各種新型傳感器不斷出現(xiàn)。例如，超聲波觸覺傳感器、靜電電容式距離傳感器、基于光釬陀螺慣性測量的三維運(yùn)動傳感器，以及具有工件檢測、識別和定位功能的視覺系統(tǒng)等。我國研究成功了一種機(jī)器人插入裝配方法，實(shí)現(xiàn)了可編程的機(jī)器人軸裝配作業(yè)。2.開發(fā)新型智能技術(shù)智能機(jī)器人有許多誘人的研究新課題，對新型智能技術(shù)的概念和應(yīng)用研究正醞釀著新的突破。下面列舉幾個(gè)智能機(jī)器人最新成果1.日本NEC公司在2006世界通信展上展出能說五國語言的智能機(jī)器人，只要對機(jī)器人說聲“早上好”，它將會用中、英、法、德、日五國語言回答。它們被稱為機(jī)器人的語言專家。2.美國在2006年11月24日展示一種新型智能機(jī)器人。這種機(jī)器人能在身體某部位出現(xiàn)異常后采取措施自行處理，然后繼續(xù)工作。3.2005年12月1日,在日本東京舉辦的2005年國際機(jī)器人展上,一位男士與機(jī)器人共3.采用模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)智能機(jī)器人和高級工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)要力求簡單緊湊，其高性能部件甚至全部機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)已向模塊化方向發(fā)展；其驅(qū)動采用交流伺服電機(jī)，向小型和高輸出方向發(fā)展；其控制裝置向小型化和智能化發(fā)展，采用高速

CPU和32位芯片、多處理器和多功能操作系統(tǒng)，提高機(jī)器人的實(shí)時(shí)和快速響應(yīng)能力。機(jī)器人軟件的模塊化則簡化了編程，發(fā)展了離線編程技術(shù)，提高了機(jī)器人控制系統(tǒng)的適應(yīng)性。例如，日本日產(chǎn)公司的智能型車身焊接和裝配系統(tǒng)，由于起軟件采用模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)，因而功能很強(qiáng)。該系統(tǒng)能顯著地減少更

換工具的時(shí)間，提高焊接精度和裝配生產(chǎn)率。4.機(jī)器人工程系統(tǒng)呈上升趨勢在生產(chǎn)工程系統(tǒng)中應(yīng)用機(jī)器人，使自動化發(fā)展為綜合柔性自動化，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的智能化和機(jī)器人化。近年來，機(jī)器人生產(chǎn)工程系統(tǒng)獲得不斷發(fā)展。汽車工業(yè)、工程機(jī)械、建筑、電子和電機(jī)工業(yè)以及家電行業(yè)在開發(fā)新產(chǎn)品時(shí)，引入高級機(jī)器人技術(shù)，采用柔性自動化和智能化設(shè)備，改造原有生產(chǎn)手段，使機(jī)器人及其生產(chǎn)系統(tǒng)的發(fā)展呈上升趨勢。國內(nèi)在這方面也取得一些可喜成績：除了汽車車身的自動焊接生產(chǎn)線(見下圖)外，又在汽車身自動噴涂線（二汽、南汽、哈爾濱飛機(jī)制造公司等）、柴油機(jī)整機(jī)自動噴涂線（山東濰坊柴油機(jī)廠）和建筑自動噴涂線等加工工程中成功地應(yīng)用機(jī)器人。青島海爾集團(tuán)也在建立家電機(jī)器人工程系統(tǒng)。汽車焊接機(jī)器人微型機(jī)器人的研究有所突破有人稱微型機(jī)器和微型機(jī)器人為21世紀(jì)的尖端技術(shù)之一，已經(jīng)開發(fā)出手指大小的微型移動機(jī)器人，可用于進(jìn)入小型管道進(jìn)行檢查作業(yè)。預(yù)計(jì)將生產(chǎn)出毫米級大小的微型移動機(jī)器人和直徑為幾百微米甚至更小的醫(yī)療機(jī)器人，可讓它們直接進(jìn)入人體器官，進(jìn)行各種疾病的診斷和治療，而不傷害人的健康。應(yīng)用領(lǐng)域向非制造業(yè)和服務(wù)業(yè)擴(kuò)展為了開拓機(jī)器人新市場，除了提高機(jī)器人的性能和功能，以及研制智能機(jī)器人外，向非制造業(yè)擴(kuò)展也是一個(gè)重要方向。開發(fā)適應(yīng)于非結(jié)構(gòu)環(huán)境下工作的機(jī)器人將是機(jī)器人發(fā)展的一個(gè)長遠(yuǎn)方向。這些非制造業(yè)包括航天、海洋、軍事、建筑、醫(yī)療護(hù)理、服務(wù)、農(nóng)林、采礦、電力、煤氣、供水、下水道工程、建筑物維護(hù)、社會福利、家庭自動化、辦公自動化和災(zāi)害救護(hù)等。7.行走機(jī)器人研究引起重視目前運(yùn)行的絕大多數(shù)機(jī)器人都是固定式的它們只能固定在某一位置進(jìn)行操作，因而其應(yīng)用范圍和功能受到限制。近年來，對移動機(jī)器人的研究受到重視，使機(jī)器人能夠移動到固定式機(jī)器人無法到達(dá)的預(yù)定目標(biāo)，完成設(shè)定的操作任務(wù)。行走機(jī)器人是移動機(jī)器人的一種，包括步行機(jī)器人（二足，四足，六足和八足）和爬行機(jī)器人(見下圖)等。雙足機(jī)器人Sony四足機(jī)器人雙足機(jī)器人正爬樓梯8.開發(fā)敏捷制造生產(chǎn)系統(tǒng)工業(yè)機(jī)