《機(jī)器人學(xué)及其應(yīng)用--導(dǎo)論》大綱陶永

北京航空航天大學(xué)機(jī)械學(xué)院機(jī)械工程學(xué)會(huì)機(jī)器人分會(huì)專(zhuān)家委委員中國(guó)電子學(xué)會(huì)機(jī)器人與嵌入式系統(tǒng)分會(huì)專(zhuān)家委委員一、大綱內(nèi)容簡(jiǎn)介《機(jī)器人學(xué)及其應(yīng)用--導(dǎo)論》由三部分組成機(jī)器人的定義與體系：主要介紹機(jī)器人學(xué)的起源與發(fā)展、機(jī)器人的定義與分類(lèi)、機(jī)器人學(xué)的主要研究領(lǐng)域和重要意義；機(jī)器人的科學(xué)問(wèn)題與核心關(guān)鍵技術(shù)：講解機(jī)器人學(xué)領(lǐng)域的主要科學(xué)問(wèn)題和關(guān)鍵技術(shù)，包括機(jī)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)、運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)、傳感器與視覺(jué)、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與控制、典型的控制算法等；機(jī)器人的典型應(yīng)用：用豐富的實(shí)例展示機(jī)器人在各領(lǐng)域的典型應(yīng)用，涵蓋工業(yè)機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人和特種機(jī)器人，以及機(jī)器人技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展展望。一、大綱內(nèi)容簡(jiǎn)介

本講座僅對(duì)機(jī)器人的定義、科學(xué)理論、典型應(yīng)用等進(jìn)行精煉的概述，同時(shí)介紹部分機(jī)器人經(jīng)典的理論和案例。

針對(duì)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題的詳細(xì)闡述，將在系列叢書(shū)的其他著作中進(jìn)行描述。

二、《機(jī)器人學(xué)及其應(yīng)用--導(dǎo)論》總目錄第一章：緒論1.1機(jī)器人學(xué)的起源與發(fā)展歷史；1.2機(jī)器人的定義；1.3機(jī)器人的分類(lèi)（機(jī)器人的體系）；1.4機(jī)器人學(xué)的研究領(lǐng)域；1.5機(jī)器人的意義（科學(xué)、經(jīng)濟(jì)與產(chǎn)業(yè)、社會(huì)）第二章：機(jī)器人機(jī)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)2.1系統(tǒng)特征（包含工作范圍、負(fù)載能力、運(yùn)動(dòng)骨架）；2.2機(jī)械結(jié)構(gòu)（包含連桿、關(guān)節(jié)、末端執(zhí)行器）；2.3關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)（包含關(guān)節(jié)軸結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)器、變速器；串聯(lián)、并聯(lián)、串并聯(lián)等）；2.4機(jī)器人性能（包含速度、加速度、重復(fù)性、分辨率、精度、組件壽命、碰撞）第三章：機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)3.1位姿描述與齊次變換；3.2正運(yùn)動(dòng)學(xué)與逆運(yùn)動(dòng)學(xué)；3.3機(jī)器人的雅克比公式；3.4剛體動(dòng)力學(xué)方程；3.5機(jī)器人動(dòng)力學(xué)方程的簡(jiǎn)化與計(jì)算；3.6機(jī)器人靜態(tài)特性與動(dòng)態(tài)特性二、《機(jī)器人學(xué)及其應(yīng)用--導(dǎo)論》總目錄第四章：機(jī)器人傳感器與視覺(jué)4.1機(jī)器人傳感器概述；4.2傳感器及其信息融合；4.3機(jī)器人視覺(jué)測(cè)量；4.4

視覺(jué)核心技術(shù)；第五章：機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與控制方法5.1任務(wù)規(guī)劃5.2運(yùn)動(dòng)規(guī)劃5.3軌跡規(guī)劃5.4人機(jī)交互二、《機(jī)器人學(xué)及其應(yīng)用--導(dǎo)論》總目錄第六章：機(jī)器人典型控制算法6.1PID控制方法；6.2模糊控制算法；6.3遺傳算法；6.4神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法6.5自學(xué)習(xí)/深度學(xué)習(xí)算法6.6遙操作與人機(jī)交互算法第七章：機(jī)器人的典型應(yīng)用7.1工業(yè)機(jī)器人的典型應(yīng)用7.2服務(wù)機(jī)器人的典型應(yīng)用7.3特種機(jī)器人的典型應(yīng)用《機(jī)器人學(xué)及其應(yīng)用—導(dǎo)論》第一章緒論提綱124機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)與研究領(lǐng)域

機(jī)器人的概念

機(jī)器人技術(shù)發(fā)展歷史3

機(jī)器人的分類(lèi)與應(yīng)用環(huán)境起源：在我國(guó)，最早的機(jī)器人應(yīng)該是指南車(chē)，指南車(chē)出現(xiàn)的時(shí)間很早，但是直到宋代才有較為完整的資料。指南車(chē)是中國(guó)古代用來(lái)指示方向的一種裝置。一、機(jī)器人技術(shù)發(fā)展歷史除了指南車(chē)外，我國(guó)歷史上比較有名的機(jī)器人形象當(dāng)屬木牛流馬，木牛是有前轅的獨(dú)輪車(chē)，流馬是沒(méi)有前轅的獨(dú)推小車(chē)。1800年前的漢代，大科學(xué)家張衡不僅發(fā)明了地動(dòng)儀，而且發(fā)明了計(jì)里鼓車(chē)，計(jì)里鼓車(chē)每行一里，車(chē)上木人擊鼓一下，每行十里擊鐘一下。1662年，日本的竹田近江利用鐘表技術(shù)發(fā)明了自動(dòng)機(jī)器玩偶，并在大阪的道頓堀演出。1738年，法國(guó)天才技師杰克·戴·瓦克遜發(fā)明了一只機(jī)器鴨，它會(huì)嘎嘎叫，會(huì)游泳。1773年，著名的瑞士鐘表匠杰克·道羅斯和他的兒子利·路易·道羅斯制造出自動(dòng)書(shū)寫(xiě)玩偶、自動(dòng)演奏玩偶等，他們創(chuàng)造的自動(dòng)玩偶是利用齒輪和發(fā)條原理而制成的，它們有的拿著畫(huà)筆和顏色繪畫(huà)，有的拿著鵝毛蘸墨水寫(xiě)字，結(jié)構(gòu)巧妙，服裝華麗，在歐洲風(fēng)靡一時(shí)。1927年，美國(guó)西屋公司工程師溫茲利制造了第一個(gè)機(jī)器人“電報(bào)箱”，并在紐約舉行的世界博覽會(huì)上展出，它是一個(gè)電動(dòng)機(jī)器人，裝有無(wú)線(xiàn)電發(fā)報(bào)機(jī)，可以回答一些問(wèn)題，但該機(jī)器人不能走動(dòng)。一、機(jī)器人技術(shù)發(fā)展歷史人偶機(jī)器人10一、機(jī)器人技術(shù)發(fā)展歷史現(xiàn)代機(jī)器人的發(fā)展歷史二戰(zhàn)期間（1938-1945）由于核工業(yè)和軍事工業(yè)的發(fā)展，研制了“遙控操縱器”（Teleoperator）主要用于放射性材料的生產(chǎn)和處理過(guò)程。1947年，對(duì)這種較簡(jiǎn)單的機(jī)械裝置進(jìn)行了改進(jìn)，采用電動(dòng)伺服方式，使其從動(dòng)部分能跟隨主動(dòng)部分運(yùn)動(dòng)，稱(chēng)為"主從機(jī)械手"（Master-SlaveManipulator）。1949-1953

美國(guó)麻省理工學(xué)院開(kāi)始研制數(shù)控銑床隨著先進(jìn)飛機(jī)制造的需要，美國(guó)麻省理工學(xué)院輻射實(shí)驗(yàn)室（MITRadiationLaboratory）開(kāi)始研制數(shù)控銑床。1953年研制成功能按照模型軌跡做切削動(dòng)作的多軸數(shù)控銑床。1954年“可編程”“示教再現(xiàn)”機(jī)器人美國(guó)人GeorgeC.Devol設(shè)計(jì)制作了世界上第一臺(tái)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)裝置，并發(fā)表了題為《適用于重復(fù)作業(yè)的通用性工業(yè)機(jī)器人》的文章。11一、機(jī)器人技術(shù)發(fā)展歷史60年代機(jī)器人產(chǎn)品正式問(wèn)世，機(jī)器人技術(shù)開(kāi)始形成1960年美國(guó)“聯(lián)合控制公司”（ConsolidatedControl）根據(jù)Devol的專(zhuān)利技術(shù)，研制出第一臺(tái)真正意義上的工業(yè)機(jī)器人，并成立了Unimation公司，開(kāi)始定型生產(chǎn)名為Unimate的工業(yè)機(jī)器人。1965年，MIT的Roborts演示了第一個(gè)具有視覺(jué)傳感器的、能識(shí)別與定位簡(jiǎn)單積木的機(jī)器人系統(tǒng)70年代機(jī)器人技術(shù)發(fā)展成為專(zhuān)門(mén)學(xué)科機(jī)器人產(chǎn)業(yè)得到蓬勃發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)發(fā)展成為專(zhuān)門(mén)學(xué)科，稱(chēng)之為機(jī)器人學(xué)（Robotics）。80年代開(kāi)始進(jìn)入智能機(jī)器人研究階段80年代，不同結(jié)構(gòu)、不同控制方法和不同用途的工業(yè)機(jī)器人在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家真正進(jìn)入了實(shí)用化的普及階段。隨著傳感技術(shù)和智能技術(shù)的發(fā)展，開(kāi)始進(jìn)入智能機(jī)器人研究階段。經(jīng)歷了40多年的發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)逐步形成了一門(mén)新的綜合性學(xué)科—機(jī)器人學(xué)（Robotics）工業(yè)機(jī)器人----發(fā)展歷程萌芽誕生，1945世界二次大戰(zhàn)核材料加工，機(jī)構(gòu)學(xué)與數(shù)控機(jī)床，1954美國(guó)專(zhuān)利，PUMA機(jī)器人，1960年代賣(mài)給了日本川崎，機(jī)械、摩托車(chē)及汽車(chē),1980年形成工業(yè)產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)形成，1970汽車(chē)、摩托車(chē)及零部件，1990裝配與物流搬運(yùn)，2000軍用、家用、醫(yī)療等，汽車(chē)、機(jī)械、軍警、醫(yī)療、食品等標(biāo)配設(shè)備。目前世界與中國(guó)大約裝機(jī)160萬(wàn)臺(tái)套/6-10萬(wàn)臺(tái)套，60-100億美元/50-100億人民幣，將帶動(dòng)8-10倍成套設(shè)計(jì)、相關(guān)工裝、零部件、技術(shù)培訓(xùn)等市場(chǎng)提綱124機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)與研究領(lǐng)域

機(jī)器人的概念

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機(jī)器人的分類(lèi)與應(yīng)用環(huán)境國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）的定義：機(jī)器人是一種自動(dòng)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，能夠借助可編程序操作來(lái)處理各種材料、零件、工具和專(zhuān)用裝置，以執(zhí)行種種任務(wù)。美國(guó)國(guó)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(dòng)控制下執(zhí)行某些操作和移動(dòng)作業(yè)任務(wù)的機(jī)械裝置。美國(guó)機(jī)器人協(xié)會(huì)（RIA）的定義：機(jī)器人是一種用于移動(dòng)各種材料、零件、工具或?qū)Ｓ醚b置的，通過(guò)可編程序動(dòng)作來(lái)執(zhí)行種種任務(wù)的，并具有編程能力的多功能機(jī)械手。日本工業(yè)機(jī)器人協(xié)會(huì)（JIRA）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(dòng)并通過(guò)自動(dòng)完成各種移動(dòng)來(lái)代替人類(lèi)勞動(dòng)的通用機(jī)器。14二、機(jī)器人的概念國(guó)際和國(guó)外相關(guān)組織的定義—工業(yè)機(jī)器人按照國(guó)際機(jī)器人權(quán)威機(jī)構(gòu)的定義，服務(wù)機(jī)器人是指除從事工業(yè)生產(chǎn)以外的一大類(lèi)半自主或全自主工作的機(jī)器人，它能完成有益于人類(lèi)的服務(wù)工作。15二、機(jī)器人的概念服務(wù)機(jī)器人的定義綜合諸家的解釋?zhuān)砂匆韵绿卣髅枋鰴C(jī)器人：1.機(jī)器人的動(dòng)作機(jī)構(gòu)具有類(lèi)似于人或其他生物體某些器官(如肢體、感官等)的功能；2.機(jī)器人具有通用性，工作種類(lèi)多樣，動(dòng)作程序靈活易變，是柔性加工主要組成部分；3.機(jī)器人具有不同程度的智能，如感知、決策、執(zhí)行、學(xué)習(xí)等；4.機(jī)器人具有獨(dú)立性，完整的機(jī)器人系統(tǒng)，在工作中可以不依賴(lài)于人的干預(yù)。二、機(jī)器人的概念提綱124機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)與研究領(lǐng)域

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機(jī)器人的分類(lèi)與應(yīng)用環(huán)境18三、機(jī)器人的分類(lèi)與應(yīng)用環(huán)境以安全可靠、環(huán)保節(jié)能、使用便捷為準(zhǔn)則按照從低級(jí)→高級(jí)的發(fā)展程度可分為三類(lèi)機(jī)器人:第一代機(jī)器人：即可編程、示教再現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人，已進(jìn)入商品化、實(shí)用化。第二代機(jī)器人：裝備有一定的傳感裝置，能獲取作業(yè)環(huán)境、操作對(duì)象的簡(jiǎn)單信息，通過(guò)計(jì)算機(jī)作出簡(jiǎn)單的推理，對(duì)動(dòng)作進(jìn)行反饋的機(jī)器人，通常稱(chēng)為低級(jí)智能機(jī)器人。第三代機(jī)器人：具有高度適應(yīng)性的自治機(jī)器人。它具有多種感知功能，可進(jìn)行復(fù)雜的邏輯思維、判斷決策，在作業(yè)環(huán)境中獨(dú)立行動(dòng)。第三代機(jī)器人又稱(chēng)作高級(jí)智能機(jī)器人。按照開(kāi)發(fā)內(nèi)容和目的區(qū)分，可分為以下三類(lèi)機(jī)器人工業(yè)機(jī)器人（IndustrialRobot）：應(yīng)用于生產(chǎn)過(guò)程與環(huán)境的機(jī)器人，如焊接、噴漆、裝配機(jī)器人。服務(wù)機(jī)器人（ServiceRobot）：服務(wù)于人的機(jī)器人，如助老助殘機(jī)器人、康復(fù)機(jī)器人、清潔機(jī)器人、護(hù)理機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人、教育娛樂(lè)機(jī)器人、……特種機(jī)器人（SpecialRobots）：特殊環(huán)境下作業(yè)的機(jī)器人，如核工業(yè)機(jī)器人、極地科考機(jī)器人、反恐防暴機(jī)器人、軍用機(jī)器人、救援機(jī)器人、……三、機(jī)器人的分類(lèi)與應(yīng)用環(huán)境特種機(jī)器人環(huán)境：變化、極端特點(diǎn)：自主感知與適應(yīng)、極端環(huán)境防護(hù)領(lǐng)域：偵查、排險(xiǎn)、作戰(zhàn)等國(guó)防應(yīng)用服務(wù)機(jī)器人環(huán)境：變化、與人共處特點(diǎn)：環(huán)境識(shí)別與適應(yīng)、交互、安全領(lǐng)域：生活輔助、醫(yī)療、助老助殘等工業(yè)機(jī)器人環(huán)境：固定、獨(dú)立特點(diǎn)：高精、高速、重復(fù)作業(yè)領(lǐng)域：汽車(chē)、電子產(chǎn)品制造等三、機(jī)器人的分類(lèi)與應(yīng)用環(huán)境特種機(jī)器人環(huán)境：變化、極端特點(diǎn)：自主感知與適應(yīng)、極端環(huán)境防護(hù)領(lǐng)域：偵查、排險(xiǎn)、作戰(zhàn)等國(guó)防應(yīng)用服務(wù)機(jī)器人環(huán)境：變化、與人共處特點(diǎn)：環(huán)境識(shí)別與適應(yīng)、交互、安全領(lǐng)域：生活輔助、醫(yī)療、助老助殘等工業(yè)機(jī)器人環(huán)境：固定、獨(dú)立特點(diǎn)：高精、高速、重復(fù)作業(yè)領(lǐng)域：汽車(chē)、電子產(chǎn)品制造等近3年年均銷(xiāo)售23萬(wàn)臺(tái)，銷(xiāo)售額90億美元，年均增長(zhǎng)約12%應(yīng)用領(lǐng)域沒(méi)有明顯突破，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)被國(guó)外壟斷近3年年均銷(xiāo)售480萬(wàn)臺(tái)，銷(xiāo)售額80多億美元，年均增長(zhǎng)近30%應(yīng)用領(lǐng)域不斷突破，市場(chǎng)潛力巨大，未來(lái)20年井噴式增長(zhǎng)近3年年均銷(xiāo)售4萬(wàn)余套，銷(xiāo)售額約20多億美元，年均增長(zhǎng)約18%應(yīng)用環(huán)境特殊，關(guān)乎國(guó)防發(fā)展，未來(lái)迅速增長(zhǎng)三、機(jī)器人的分類(lèi)與應(yīng)用環(huán)境特種機(jī)器人環(huán)境：變化、極端特點(diǎn)：自主感知與適應(yīng)、極端環(huán)境防護(hù)領(lǐng)域：偵查、排險(xiǎn)、作戰(zhàn)等國(guó)防應(yīng)用服務(wù)機(jī)器人環(huán)境：變化、與人共處特點(diǎn)：環(huán)境識(shí)別與適應(yīng)、交互、安全領(lǐng)域：生活輔助、醫(yī)療、助老助殘等工業(yè)機(jī)器人環(huán)境：固定、獨(dú)立特點(diǎn)：高精、高速、重復(fù)作業(yè)領(lǐng)域：汽車(chē)、電子產(chǎn)品制造等環(huán)境固定，智能要求不高環(huán)境變化，自主感知與決策的本體智能要求高環(huán)境瞬息萬(wàn)變，本體智能和外部智能要求都很高三、機(jī)器人的分類(lèi)與應(yīng)用環(huán)境國(guó)外熱門(mén)產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)醫(yī)療康復(fù)機(jī)器人：微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人、血管介入機(jī)器人…家政服務(wù)與教育機(jī)器人：清潔機(jī)器人、教育娛樂(lè)機(jī)器人…特種作業(yè)機(jī)器人：極限作業(yè)機(jī)器人、反恐防暴機(jī)器人…我國(guó)服務(wù)機(jī)器人產(chǎn)品嶄露頭角我國(guó)已初步形成了水下自主機(jī)器人、消防機(jī)器人、搜救/排爆機(jī)器人、仿人機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人、機(jī)器人護(hù)理床和智能輪椅、烹飪機(jī)器人等系列產(chǎn)品，顯展示出一定的市場(chǎng)前景。三、機(jī)器人的分類(lèi)與應(yīng)用環(huán)境工業(yè)機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)中能代替人做某些單調(diào)、頻繁和重復(fù)的長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)，或是危險(xiǎn)、惡劣環(huán)境下的作業(yè)。共性機(jī)加工機(jī)器人食品包裝機(jī)器人特征：模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、靈活的控制系統(tǒng)、專(zhuān)用的應(yīng)用軟件特征：節(jié)省了大量人力，減少了包裝破損，提高了自動(dòng)化水平。倉(cāng)儲(chǔ)物流機(jī)器人特征：引導(dǎo)方式為磁條引導(dǎo)，激光引導(dǎo)，RFID引導(dǎo)等汽車(chē)制造機(jī)器人前景：提升加工手段，提高產(chǎn)品質(zhì)量，增加企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力工業(yè)機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用醫(yī)療/康復(fù)機(jī)器人護(hù)理機(jī)器人助殘假肢手術(shù)機(jī)器人家居服務(wù)機(jī)器人游爾機(jī)器人—YOBYPEPER炒菜機(jī)器人清潔機(jī)器人教育機(jī)器人特種機(jī)器人的應(yīng)用環(huán)境提綱124機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)與研究領(lǐng)域

機(jī)器人的概念

機(jī)器人技術(shù)發(fā)展歷史3

機(jī)器人的分類(lèi)與應(yīng)用環(huán)境仿人/仿生機(jī)器人成為了機(jī)器與智能的綜合集成平臺(tái)自主感知與決策將成為機(jī)器人自主行為控制的核心云智能、群體智能是未來(lái)機(jī)器人發(fā)展的重要方向人-機(jī)器人的智能和功能融合是智能機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的新興領(lǐng)域機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)是指構(gòu)成機(jī)器人傳動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和人機(jī)交互系統(tǒng)，對(duì)機(jī)器人性能起到關(guān)鍵影響作用，并具有通用性和模塊化的部件單元。主要分成以下三部分：高精度機(jī)器人減速機(jī)高性能交直流伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器高性能機(jī)器人控制器機(jī)器人關(guān)鍵基礎(chǔ)部件31四、機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)與研究領(lǐng)域機(jī)器人的研究領(lǐng)域：驅(qū)動(dòng)、建模與控制：機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器可將電能、液壓能和氣壓能轉(zhuǎn)化為機(jī)器人的動(dòng)力。機(jī)器人建模是指機(jī)器人結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與搭建。

對(duì)于此領(lǐng)域的研究，主要集中于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的改進(jìn)和控制機(jī)理的研究驅(qū)動(dòng)電機(jī)32四、機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)與研究領(lǐng)域機(jī)器人的研究領(lǐng)域：傳感器與感知系統(tǒng)：傳感器是機(jī)器人用于獲取外界信息的電子元件，而感知系統(tǒng)是一連串復(fù)雜程序所組成的