机器人学 第一章 概述

有关学者的定义
在1967年日本召开的第一届机器人学术会议上提出了两个有代表性 的定义。

森政弘与合田周平提出的定义：“机器人是一种具有移动性、个体 性、智能性、通用性、半机械半人性、自动性、奴隶性等7个特征的 柔性机器”。从这一定义出发，森政弘又提出了用自动性、智能性、 个体性、半机械半人性、作业性、通用性、信息性、柔性、有限性、 移动性等10个特性来表示机器人的形象。 日本早稻田大学加藤一朗（日本机器人之父） 教授认为：机器人是 由能工作的手，能行动的脚和有意识的头脑组成的个体，同时具有非 接触传感器（相当于耳、目）、接触传感器（相当于皮肤）、固有感 及平衡感等感觉器官的能力。
国际和国外相关组织的定义

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。 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。 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。 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。
1.2 机器人的发展历史


1.中国古代机器人
西周时期，我国的能工巧匠偃师就研制出了能歌善舞的伶人， 这是我国最早记载的机器人。 春秋后期，我国著名的木匠鲁班，在机械方面也是一位发明 家，据《墨经》记载，他曾制造过一只木鸟，能在空中飞行 “三日不下” 。 1800年前的汉代，张衡不仅发明了地动仪，而且发明了计 里鼓车。计里鼓车每行一里，车上木人击鼓一下，每行十里 击钟一下。 后汉三国时期，诸葛亮成功地创造出了“木牛流马”，并用 其运送军粮，支援前方战争。


具有两个转动关 节、其余为移动 关节的机器人 占地面积大，工 作空间大
多关节机器人




具有三个转动关 节的机器人 动作灵活，工作 空间大 结构紧凑，占地 面积小 运动学复杂，运 动学反解困难， 控制计算量大
SCARA机器人

平行的肩关节和肘关节，关节轴线共面 垂直平面刚度好，水平面柔顺性好 结构轻便，响应快，适用于平面定位，垂直装配作业
3.现代机器人
1947年，美国原子能委员会的阿尔贡研究所开发代替人处理放 射性物质的遥控机械手和机械式的主从机械手。 1954年，美国George Devol，设计制作了世界上第一台机器 人实验装置，利用人手对机器人进行动作示教，机器人能实现动 作的记录和再现。这就是示教再现机器人。 1962年，美国AMF公司推出的“VERSTRAN”和UNIMATION 公司推出的“UNIMATE”。是机器人产品最早的实用机型 1965年，MIT演示具有视觉的、能识别与定位积木的机器人。 1967年，日本成立人工手研究会(现改名为仿生机构研究会)， 同年召开首届机器人学术会。 1970年，在美国召开了第一届国际工业机器人学术会议。 1973年，辛辛那提· 米拉克隆公司制造了由小型计算机控制的工 业机器人，它是液压驱动的，能提升的有效负载达45公斤。 1980年，工业机器人在日本普及，故该年为日本“机器人元 年”。
点焊机器人
铆接机器人
• 海洋探测机器人
CR-01型6000米水下无缆机器人
1995年8月我国沈阳自动化所机器人中 心研制的CR-01型6000米水下无缆机 器人（上）和正在下水的情况（右）
• 空间机器人
美国航空航天局（NASA）研究的月球车在月球表面时的情形
美国航空航天局（NASA）研究的 “索杰纳”火星 车
鬼怪式无人机
发射Brevel无人机
只有15厘米的微型无人机
微型飞行器：被认为是未来战场上的 重要侦察和攻击武器，能以可接受的 成本执行某一有价值的任务。这种飞 行器必须能够传输实时图像或执行其 它功能，有足够小的尺寸（小于20厘 米）、足够的巡航范围（如不小于5公 里）和飞行时间（不小于15分钟）。

经历了40多年的发展，机器人技术逐步形成了一门新的综合性 学科 — 机器人学（Robotics）

它包括有基础研究和应用研究两个方面 主要研究内容有：
(1) 机械手设计；
(2) 机器人运动学、动力学和控制；
(3) 轨迹设计和路径规划；(4) 传感器(包括内部传感器和外部传感器)； (5) 机器人视觉； (6) 机器人语言；


第三代机器人（Third Generation Robots）：具有高度适应性的自 治机器人。它具有多种感知功能，可进行复杂的逻辑思维、判断 决策，在作业环境中独立行动。第三代机器人又称作高级智能机 器人，它与第五代计算机关系密切，目前还处于研究阶段。
按坐标系统分为直角坐标机器人，圆柱坐标机器 人，球面坐标机器人，关节型机器人
•军用机器人
机器警察
英国研制的履带式“手推车” （上 图）、 “土拨鼠”（右图右）和 “野牛”（右图左）排爆机器人在波 黑及科索沃战争中用来探测及处理爆 炸物
德国的排爆机器人
我国沈阳自动化所 研制的排爆机器人
侦察机器人
美国研制的“徘徊者”侦察机器 人由M113装甲运输车改装而成
美国国防高级研究计划 局正在研制的只有2.54 厘米大小昆虫机器人





按照从低级→高级的发展程度可分为三类机器人

第一代机器人（First Generation Robots）：即可编程、示教再现 工业机器人机器人，已进入商品化、实用化。 第二代机器人（Second Generation Robots）：装备有一定的传感 装置，能获取作业环境、操作对象的简单信息，通过计算机处理、 分析，能作出简单的推理，对动作进行反馈的机器人，通常称为 低级智能机器人，由于信息处理系统的庞大与昂贵，第二代机器 人目前只有少数可投入应用。
微型战术无人机：可用于战争危险估计、 目标搜索、通信中继，监测化学、核或 生物武器，侦察建筑物内部情况。可适 用于城市、丛林等多种战争环境。因为 其便于携带，操作简单，安全性好的优 点，可以在部队中大量装备。
(7) 装置与系统结构；
(8) 机器人智能等。
1.3 机器人的定义和分类
机器人问世已有几十年，机器人的定义仍然仁者见仁，智者见智， 没有一个统一的意见。原因之一是机器人还在发展，新的机型， 新的功能不断涌现。同时由于机器人涉及到了人的概念，成为一 个难以回答的哲学问题。就像机器人一词最早诞生于科幻小说之 中一样，人们对机器人充满了幻想。也许正是由于机器人定义的 模糊，才给了人们充分的想象和创造空间。 随着机器人技术的飞速发展和信息时代的到来,机器人所涵 盖的内容越来越丰富，机器人的定义也不断充实和创新。下面给 出一些有代表性的定义。
1.4 机器人主要技术参数

自由度 表示机器人动作灵活的尺度，一般指机器
人所具有的独立坐标轴运动的数目，夹持器 （手部）的动作不包括在内。
工作精度
定位机器人重复到达某一目标位置 的差异程度。 重力引起变形，影响定位精度，但一般不影响重 复定位精度，因重力引起的变形在重复动作的过 程中，其效果是一样的
1997年7月4日17时07分，美国航空航天局（NASA）发射的火星探路者号宇 宙飞船成功地在火星（Mars）表面着陆，“索杰纳”火星车在火星上成功 地工作了250天。2003年6月先后升空的美国“勇气”（Spirit）号和“机遇” （Opportunity）号火星车经过1.2亿公里和半年多的长途飞行，分别于2004 年1月3日和24日先后登陆火星，向地球传来大量清晰的火星图片。
思是“罗萨姆的万能机器人”。
剧中的人造劳动者取名为Robota，捷克
语的意思是“苦力”、“奴隶”。英语的
Robot一词就是由此而来的，以后世界各国都 用Robot作为机器人的代名词。



为了防止机器人伤害人类，美国科幻作家 Isaac Asimov(1920-1992) 于 1950 年 在 《I, Robot》一书中给机器人赋予了伦理性纲领， 提出了“机器人三原则”： A robot must not harm a human being or, through inaction,allow one to come harm. A robot must always obey human beings unless that is conflict with the first law. A robot must protect itself from harm unless that is in conflict with the first or second laws.
机器人的分类
按用途分：工业、军事、 探索、服务、 娱乐 按完成的主要功能分：操作机器人，移动机器人，信 息机器人，人机机器人 按技术级别分：示教再现机器人带感觉的机器人、智 能机器人 按执行机构驱动方式分：液压，气动，电气驱动 按受控方式分：非伺服，伺服（点位伺服，连续路径） 按信息输入方式分：手控，定序，变序，程控，智能 按手臂运动坐标形式：直角，园柱坐标，极坐标，多 关节
第一章
概述
1.1 机器人名称的由来 1.2 机器人的发展历史 1.3 机器人的定义和分类 1.4 机器人的技术参数 1.5 机器人的应用
1.6 未来机器人的发展方向
1.7 我国机器人研究的简况
1.1 机器人名称的由来
机器人的英文名词是Robot，Robot一词最早出现 在 1920 年 捷 克 作 家 卡 雷 尔 · 佩 克 （ Karel 卡 Capek）所写的一个剧本中，这个剧本的名字 为 《 Rossum’s Universal Robots 》，中文意