機器人基礎與實踐機器人的發(fā)展歷史01020304機器人定義及特點機器人元件與分類本書綜述機器人的發(fā)展歷史PART011.1機器人發(fā)展歷史1.1.1機器人技術的發(fā)展近代工業(yè)的曙光18世紀：蒸汽機--機器動力代替人類勞動，為自動機械的誕生奠定了基礎。1920年：捷克作家科幻劇《羅薩姆的萬能機器人》中，首次使用“Robot”一詞；1950年：科幻作家阿西莫夫提出“機器人三定律”，為機器人賦予了倫理框架。源遠流長的概念機器人概念已存在超過3000年；古代中國：西周時期“偃師造人”——歌舞機器人；古代西方：公元前4世紀，古希臘有會飛的木鳥、青銅衛(wèi)士“塔羅斯”。工業(yè)機器人問世后的第一個十年發(fā)展較為緩慢；主要成果包括：美國斯坦福研究所的移動機器人夏凱(Shakey,1968年)，米拉克龍公司的工業(yè)機器人T3(1973年)。起步與探索(20世紀60-70年代)80年代：機器人制造業(yè)成為發(fā)展最快的經濟部門之一90年代：經歷短暫后，開始復蘇21世紀以來：全球機器人行業(yè)發(fā)展迅猛年增長率達到30%，亞洲地區(qū)增速高達43%人性化、重型化和智能化成為產業(yè)的主要發(fā)展趨勢快速發(fā)展與產業(yè)化(20世紀80年代-至今)1.1機器人發(fā)展歷史1.1.1機器人技術的發(fā)展1.1機器人發(fā)展歷史1.1.2機器人應用的發(fā)展機器人的應用領域十分廣泛廣泛應用于制造業(yè)：可代替或協(xié)助人類完成各種工作，特別是危險、有毒、有害場景；還應用于資源勘探開發(fā)、救災排險、醫(yī)療服務、家庭娛樂、軍事和航天等領域;已為工業(yè)及非產業(yè)界重要生產、服務性設備；是先進制造技術領域不可缺少的自動化設備。機器人正逐漸在醫(yī)院、家庭和一些服務行業(yè)獲得應用這些領域也并非截然分開的，它們之間有時也存在相當大的重疊機器人已從單一的工業(yè)領域擴展到社會生活的方方面面。1.1機器人發(fā)展歷史1.1.2機器人應用的發(fā)展工業(yè)領域應用最早、最廣泛領域，在汽車、化工、塑料、金屬模具等行業(yè)，執(zhí)行焊接、搬運、裝配等任務。軍事領域用于偵察、排險、戰(zhàn)斗和后勤保障；涵蓋地面、水下和空中多種形態(tài)。生活服務領域包括家政服務（掃地機器人）、養(yǎng)老助殘、娛樂休閑（寵物機器人）、公共服務等。醫(yī)療領域應用于外科手術、康復訓練、智能假肢、醫(yī)院服務等;是發(fā)展速度最快的子領域之一。機器人定義及特點PART021.2機器人定義及特點1.2.1機器人的定義至今還沒有對機器人的統(tǒng)一定義；下合適的、為人們普遍接受的定義很難：不同國家、公司、技術規(guī)定、工作能力等不同；世界各國對機器人還沒有統(tǒng)一的定義；專家們采用不同的方法來定義，但定義之間差別較大；差部分原因：很難區(qū)別簡單機器人與運送材料“剛性自動化”技術裝置。1.2機器人定義及特點1.2.1機器人的定義英國《牛津簡明英語詞典》：“貌似人的自動機、是具有智力的、順從于人的、但不具人格的機器”這一定義并不完全正確、是一種理想機器人。美國機器人協(xié)會(RIA)：“一種用于移動各種材料、零件、工具或專用裝置、可編程來執(zhí)行任務的多功能機械手”(manipulator)。較為實用,但并不全面，主要指工業(yè)機器人。日本工業(yè)機器人協(xié)會(JRA)：“一種裝備有記憶裝置和末端執(zhí)行器(endeffecter)、能轉動并自動完成各種移動、代替人類勞動的通用機器”。美國國家標準和技術研究所(NIST)：“一種能夠進行編程并在自動控制下執(zhí)行某些操作和移動作業(yè)任務的機械裝置”。國際標準化組織(ISO)：“一種自動的、位置可控的、具有編程能力的多功能機械手,具有幾個軸,能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”。國際上對機器人沒有完全統(tǒng)一的定義不同組織和專家從不同角度進行了描述1.2機器人定義及特點1.2.1機器人的特點我國參考各國的定義,結合國情,統(tǒng)一定義：《中國大百科全書》：能靈活地完成特定的操作和運動任務,并可再編程序的多功能操作器。機械手:一種模擬人手操作的自動機械,可按固定程序抓取、搬運物件或操持工具完成某些特定操作。我國科學家定義:是一種自動化機器,具備智能能力,如感知能力、規(guī)劃能力、動作能力和協(xié)同能力、有高度靈活性的自動化機器。定義共同處：①像人或人的上肢,能模仿人的動作;②具有智力、感覺、識別能力;③人造的機器或裝置。隨著機器人進化、人工智能發(fā)展，定義有必要修改，甚至需要重新定義。機器人范疇不但包括“由人類制造的像人一樣的機器”,還包括“由人類制造的生物”,甚至包括“人造人”很難統(tǒng)一定義機器人。1.2機器人定義及特點1.2.1機器人的特點通用性和適應性是機器人的兩個最主要的特征:（1）通用性(versatility)指執(zhí)行不同功能和完成多樣簡單任務的實際能力。通用性取決于其幾何特性和機械能力：根據(jù)生產工作需要，具有可變幾何結構；在機械結構上允許機器人執(zhí)行不同的任務或以不同的方式完成同一工作?，F(xiàn)有機器人都有不同程度通用性，包括機械手的機動性和控制系統(tǒng)的靈活性。通用性不是由自由度單獨決定的：增加自由度一般能提高通用性。但還必須考慮其他因素，特別是末端裝置的結構和能力：能否適用不同的工具等。1.2機器人定義及特點1.2.1機器人的特點通用性和適應性是機器人的兩個最主要的特征:（1）適應性(adaptability)機器人對環(huán)境的自適應能力機器人自我執(zhí)行未經完全指定的任務，而不管任務執(zhí)行過程中所發(fā)生的沒有預計到的環(huán)境變化。要求機器人認識其環(huán)境，即人工知覺。機器人將使用下述能力:運用傳感器感測環(huán)境的能力;分析任務空間和執(zhí)行操作規(guī)劃的能力;自動指令模式能力。迄今為止，機器人知覺與人類對環(huán)境的解釋能力相比仍然比較有限該領域內的某些重要研究工作已取得重大突破1.2機器人定義及特點主要考慮兩種適應性:(1)點適應性：涉及機器人如何找到點的位置點適應性具有4種搜索模式：近似搜索、延時近似搜索、精確搜索和自由搜索近似搜索：允許傳感器在程序控制下沿著程序方向中斷機器人運動延時近似搜索：在編程傳感器被激發(fā)一定時間之后中斷機器人的運動精確搜索：使機器人停止在傳感器信號出現(xiàn)變化的精確位置上自由搜索：使機器人找到滿足所有編程傳感器信號顯示的位置(2)曲線適應性：涉及機器人如何利用由傳感器得到的信息沿著曲線工作曲線適應性包括：速度適應性和形狀適應性速度適應性：涉及選擇最佳運動速度的問題，根據(jù)傳感器提供的信息,調整機器人運動速度形狀適應性：要求工具跟蹤某條形狀未知曲線問題

工業(yè)機器人適應性，指編好的程序模式和運動速度能夠適應工件尺寸、位置和工作場地變化的能力。機器人元件與分類PART031.3機器人元件與分類1.3.1機器人元件機器人組成分硬件和軟件兩部分:不同類型機器人的機械、電氣和控制結構不相同通常機器人系統(tǒng)分5個部分：傳感部分、控制部分、驅動部分、傳動部分和執(zhí)行部分。(1)傳感部分指機器人感知系統(tǒng)或傳感系統(tǒng)，機器人重要組成部分。感知系統(tǒng)—提供機器人內部狀態(tài)和外部環(huán)境狀態(tài)信息各裝置的集合；為進行下一步動作提供信息依據(jù)，主要由各種傳感和監(jiān)測器件組成1.3機器人元件與分類1.3.1機器人元件(2)控制部分

控制部分主要指人機交互系統(tǒng)和控制系統(tǒng)人機交互系統(tǒng)

是使操作人員參與機器人控制并與機器人進行聯(lián)系的裝置;

如計算機的標準終端、指令控制臺、信息顯示板及危險信號報警器等;

人機交互系統(tǒng)可分兩類裝置:指令給定裝置和信息顯示裝置。控制系統(tǒng)是機器人的核心組成部分；主要由處理器和控制器構成，相當于人體的大腦和小腦；

任務：根據(jù)作業(yè)指令程序、及從傳感器反饋信號，控制機器人，使其完成規(guī)定運動和功能。1.3機器人元件與分類1.3.1機器人元件(3)驅動部分指驅動系統(tǒng)，是使機器人運行起來而給機器人各個關節(jié)安裝的裝置；驅動裝置作用：提供機器人各部位、各關節(jié)動作的原動力；驅動裝置類似于人體的肌肉;驅動器：有電動、液壓、氣動裝置以及把它們結合起來應用的綜合系統(tǒng)。

接收控制器信號、控制機器人關節(jié)和連桿運動；輸入電信號，輸出線、角位移量。

主要元器件有晶體管、晶閘管、固態(tài)繼電器等。(4)傳動部分指傳動系統(tǒng)，將動力源和執(zhí)行機構連接起來的關鍵部分；相當于人體中的肌腱；驅動源：通過傳動裝置來驅動關節(jié)的移動或轉動，從而實現(xiàn)機身、臂部和手腕的運動；常用傳動機構：有諧波傳動、螺旋傳動、鏈傳動、帶傳動以及各種齒輪傳動等；在工業(yè)機器人中通常會把傳動機構與執(zhí)行機構連成一體。1.3機器人元件與分類1.3.1機器人元件(5)執(zhí)行部分指執(zhí)行系統(tǒng)，是機器人系統(tǒng)中重要組成部分，與人身結構基本上相對應機器人賴以完成工作任務的實體，負責將接收到的信息完成實際執(zhí)行；是機器人最終完成動作的部件，通常由一系列連桿、關節(jié)或其他形式的運動副組成。工業(yè)機器人的執(zhí)行系統(tǒng)一般包括機器人本體和末端執(zhí)行器主要由基座(固定或移動)、腰部、臂部、腕部、手部(執(zhí)行器)構成；基座是整個機器人的支撐部件，它相當于人的兩條腿，要具備足夠的穩(wěn)定性和剛度；末端執(zhí)行器是機器人最后一個關節(jié)上的部件，執(zhí)行給定的焊接、噴漆、裝卸、抓取等任務；末端執(zhí)行器動作由控制器直接控制；多由集成商根據(jù)具體工作任務進行定制。1.3機器人元件與分類1.3.2機器人系統(tǒng)一般由機械手、環(huán)境、任務、和控制器等4個互相作用的部分組成。上圖為簡化形式1.3機器人元件與分類機械手是具有傳動執(zhí)行裝置的機械由臂、關節(jié)和末端執(zhí)行裝置構成；用于執(zhí)行指定的作業(yè)任務；不同的機械

手具有不同的結構類型，也被稱為“操作機”、“機械臂”或“操作手”；大多數(shù)一般有6個自由度：前3個引導夾手裝置至所需位置、后3個決定末端執(zhí)行裝置的方向。上為簡化形式1.3機器人元件與分類環(huán)境：機器人所處的周圍環(huán)境，由幾何條件環(huán)境、及包含的每個事物的全部自然特性決定。機器人的固有特性由這些自然特性及其環(huán)境間的互相作用決定。機器人系統(tǒng)中傳感器，設置在環(huán)境中某處而不在機械手上，是環(huán)境的組成部分，稱為“外傳感器”。環(huán)境信息：多數(shù)情況下是未知的和不確定的：任務被定義為環(huán)境的兩種狀態(tài)(初始狀態(tài)和目標狀態(tài))間的差別；必須用適當?shù)某绦蛟O計語言來描述這些任務，并把它們存入機器人系統(tǒng)的控制計算機中；這種描述必須能為計算機所理解。計算機是機器人的控制器或腦子：

對機器人接收信號進行數(shù)據(jù)處理,并按照預存信息、機器人狀態(tài)、及其環(huán)境情況等，產生控制信號并驅動機器人的各個關節(jié)運動。1.3機器人元件與分類（1）對于技術簡單機器人，計算機只含有固定程序;（2）對于較先進的機器人，可采用程序完全可編的小型計算機、微型計算機或微處理機作為其計算機。

在計算機內存儲有下列信息:機器人動作模型，表示執(zhí)行裝置在激發(fā)信號與隨之發(fā)生的機器人運動之間的關系。

環(huán)境模型，描述機器人在可達空間內的每一事物任務程序，使計算機能夠理解其所要執(zhí)行的作業(yè)任務。

控制算法，是計算機指令的序列,提供對機器人的控制,以便執(zhí)行需要做的工作。1.3機器人元件與分類1.3.3機器人分類（1）機器人的連接方式分類串聯(lián)機器人：較早應用于工業(yè)領域的機器人是一個開放的運動鏈，主要以開環(huán)機構為機器人機構原型。機構末端執(zhí)行器可以在大范圍內運動，所以具有較大的工作空間；操作靈活、控制系統(tǒng)和結構設計較簡單；研究相對成熟，已成功應用于很多領域。

由于串聯(lián)機器人鏈接的連續(xù)性：負載能力和位置精度與多軸機械比較起來很低；在運動時會產生較大的轉動慣量,從而降低其動力學性能;串聯(lián)關節(jié)處的累積誤差也比較大,嚴重影響其工作精度。1.3機器人元件與分類1.3.3機器人分類并聯(lián)機器人:是一個封閉的運動鏈一般由上、下平臺，及兩條或兩條以上運動支鏈構成。是由一個或幾個閉環(huán)組成的關節(jié)點坐標相互關聯(lián)，運動慣性小、熱變形較小、不易產生動態(tài)誤差和累積誤差；具有精度高、剛性高、結構緊湊穩(wěn)定、承載能力大、易逆運動學求解

由于串聯(lián)機器人鏈接的連續(xù)性：負載能力和位置精度與多軸機械比較起來很低；在運動時會產生較大的轉動慣量,從而降低其動力學性能;串聯(lián)關節(jié)處的累積誤差也比較大,嚴重影響其工作精度。（1）機器人的連接方式分類1.3機器人元件與分類1.3.3機器人分類混聯(lián)機器人:針對操作空間和操作靈活度要求的一種新型機器人結構。一般由上、下平臺，及兩條或兩條以上運動支鏈構成。以并聯(lián)機構為基礎，嵌入多自由度串聯(lián)機構的復雜混聯(lián)系統(tǒng)；結構設計復雜，屬于對并聯(lián)機構的補償和優(yōu)化；有并聯(lián)的剛度大、承載能力強、精度高；有串聯(lián)的運動空間大、控制簡單、操作靈活等特性，多用于高運動精度場合。

由于串聯(lián)機器人鏈接的連續(xù)性：負載能力和位置精度與多軸機械比較起來很低；在運動時會產生較大的轉動慣量,從而降低其動力學性能;串聯(lián)關節(jié)處的累積誤差也比較大,嚴重影響其工作精度。（1）機器人的連接方式分類1.3機器人元件與分類1.3.3機器人分類（2）機器人的移動性分類固定式機器人固定在某個底座上，只能移動各個關節(jié)。移動機器人自動導向車輛(AGVs)是移動機器人的代表。主要用于工廠、倉庫和運輸區(qū)域的室內和室外移動材料。固定型機器人移動機器人1.3機器人元件與分類1.3.3機器人分類（2）機器人的移動性分類服務機器人分為醫(yī)療服務機器人、監(jiān)視機器人等。醫(yī)療服務機器人可以用來給病人送食物、水、藥品、閱讀材料等。移動生物樣本和廢物、醫(yī)療記錄和行政報告。家庭服務機器人醫(yī)療服務機器人航空服務機器人1.3機器人元件與分類1.3.3機器人分類社交機器人用來與人類互動的服務機器人，它們的主要目的通常是傳遞信息或娛樂。在餐廳里給孩子送漢堡、老年人和體弱者的機器人助手、機器人導盲犬、娛樂機器人等。場地機器人戶外自然地形“野戰(zhàn)”條件下執(zhí)行任務，安裝在移動基座上的武器和/或工具；在農業(yè)方面，用于種植、除草、化學應用、修剪、收獲和采摘水果和蔬菜。在林業(yè)方面，照料苗圃和收獲成年樹木是潛在的應用。在地面上，挖掘機、裝載機和巖石卡車已經在露天礦山實現(xiàn)了自動化。井下、鉆機、錨桿機、連續(xù)式采煤機和自卸車都實現(xiàn)了自動化。（2）機器人的移動性分類1.3機器人元件與分類1.3.3機器人分類（2）機器人的移動性分類社檢查、偵察、監(jiān)視和探測機器人在移動平臺上部署儀器，以檢查一個區(qū)域或探測某個區(qū)域用于環(huán)境危險的工作：高輻射地區(qū)(核電站深處)、某些軍事場景(偵察、拆彈)和空間探索機器人等。智能腿式仿人機器人結構示意圖1.3機器人元件與分類在能源領域，機器人已被用于檢查核反應堆部件，包括蒸汽發(fā)生器、加熱管和廢物儲存罐。檢查高壓電力線、天然氣和石油管道的機器人已經原型化或裝備完畢。遠程駕駛的水下交通工具，檢查石油鉆井平臺，海底通信電纜，甚至幫助尋找沉船等。機器人士兵，用于戰(zhàn)爭領域，如偵察和監(jiān)視、部隊補給、雷區(qū)測繪和清除以及救護車服務等任務。軍用車輛制造商已將各種機器人技術應用到產品中，拆彈已經是一個成熟的市場。智能人形機器人用于戰(zhàn)爭領域1.3.3機器人分類1.3機器人元件與分類1.3.3機器人分類（3）

機器人的控制方式分類（固非伺服機器人和伺服控制機器人）非伺服機器人工作能力有限，涉及叫做“終點”、“抓放”或“開關”式機器人，尤其是“有限順序”機器人；按預先編好程序工作，控制機器人機械手運動。伺服控制機器人是一個反饋控制系統(tǒng)；有更強的工作能力，價格較貴，不如簡單的機器人可靠；

通過反饋傳感器的反饋信號與給定裝置的綜合信號運算，帶動末端執(zhí)行器以一定規(guī)律運動；伺服控制機器人又可以分為點位伺服控制和連續(xù)路徑伺服控制兩種。1.3機器人元件與分類1.3.3機器人分類（4）

機器人的幾何結構分類

機器人的機械結構形式多種多樣，最常用的結構形式是坐標特性來描述，如笛卡爾坐標、柱面坐標、極坐標、球面坐標，和關節(jié)式球面坐標等。（a）笛卡爾坐標結構(b)柱面坐標型結構

(c)極坐標型結構(d)關節(jié)坐標型結構1.3機器人元件與分類1.3.3機器人分類（5）

機器人的智能程度分類一般機器人：不具有智能，只是具有一般編程能力和操作功能；智能機器人：具有不同程度的智能，可分為傳感型機器人、交互型機器人、自立型機器人。（6）機器人的用途分類工業(yè)機器人或產業(yè)機器人：用于工農業(yè)生產中，或在制造業(yè);進行焊接、噴涂、裝配、搬運、農產品加工等作業(yè)。探索機器人：用于太空或海洋探索，或地面和地下探險與探索。服務機器人：半自主或全自主工作的機器人；可使人類生存得更好，使制造業(yè)以外的設備工作得更好。軍事機器人：

可分為空中軍用機器人、海洋軍用機器人和地面軍用機器人?；蚝喎Q為空軍機器人、海軍機器人和陸軍機器人。本書綜述PART041.4本書綜述機器人設計是許多不同知識體系的集成，是一門多學科融合的交叉學科。為解決運動問題，必須了解機械結構、運動學、動力學、和控制理論；為建立魯棒的感知系統(tǒng)，必須溝通信號分析領域和專門的知識體系，如計算機視覺等；定位、導航和目標識別則需要計算機算法、信息論、人工智能、概率論等方面的知識。

下一頁圖1-13顯示本書機器人系統(tǒng)知識體系拓撲結構圖。該圖確認了與機器人相關的許多知識主題。熟悉矩陣代數(shù)、微積分、概率論和計算機編程，對于學習本書非常有利。1.4本書綜述圖1-13本書各章節(jié)關系拓撲結構圖1.4本書綜述

建立機器人運動學模型，對確定處于靜態(tài)平衡位形時作用到關節(jié)上的力和力矩，與作用到末端執(zhí)行器上的力和力矩之間的關系也是有用的。（1）位姿描述在機器人研究中，通常在三維空間中研究物體的位置;物體既包括機器人的桿件、零部件和抓持工具，也包括機器人工作空間內的其他物體;通?？捎脙蓚€非常重要的特性來描述位置和姿態(tài)（簡稱位姿）；為描述空間物體的位姿，一般先將物體固置于一個空間坐標系，即參考系，然后在參考坐標系中，研究空間物體的位姿;任一坐標系都能用作描述物體位姿的參考系，經常在不同參考系中變換表示物體空間位姿的形式。1.4.1機器人運動學模型1.4本書綜述

（2）機器人正運動學運動學研究物體的運動，而不考慮引起這種運動的力。機器人運動學的研究對象就是運動的全部幾何和時間特性。幾乎所有的機器人都是由剛性連桿組成，相鄰連桿間由關節(jié)連接。這些關節(jié)通常裝有位置傳感器，用來測量相鄰桿件的相對位置。如果是轉動關節(jié)，這個位移被稱為關節(jié)角；含有滑動關節(jié)，那么兩個相鄰連桿的位移是直線運動，稱為關節(jié)偏距;機器人自由度數(shù)目是其具有獨立位置變量的數(shù)目，確定了機構中所有部件的位置;末端執(zhí)行器安裝在機器人的自由端，可以是夾具、焊槍、電磁鐵或是其他裝置;通常用附著于末端執(zhí)行器上的工具坐標系描述機器人的位置；與工具坐標系相對應的是與機器人固定底座相聯(lián)的基坐標系。1.4.1機器人運動學模型1.4本書綜述

在機器人運動學典型的問題是機器人正運動學。

計器人末端執(zhí)行器的位姿是一個靜態(tài)的幾何問題：給定一組關節(jié)角的值，正運動學問題是計算工具坐標系相對于基坐標系的位姿。

一般情況下，將這個過程稱為從關節(jié)空間描述到笛卡兒空間描述的機器人位置表示。（3）機器人逆運動學機器人逆運動學，即給定機器人末端執(zhí)行器的位姿，計