第七章 机器人

主从式机器人与人协同动作
7.4 智能机器人
第三代智能机器人应具备以下四种机能： • 运动机能 ：施加于外部环境，相当于人的手、 ：施加于外部环境，相当于人的手、 脚等动作机能； • 感知机能 ：获取外部环境信息的能力， 如视觉、 感知机能：获取外部环境信息的能力， 如视觉、 触觉、听觉、力觉、距离感、 触觉、听觉、力觉、距离感、接近觉等； • 思维能力：认识、推理、判断能力； 思维能力：认识、推理、 • 人 － 机对话机能 ：理解指示命令，输出内部状 机对话机能：理解指示命令 ， 态，与人进行信息交换的能力。 与人进行信息交换的能力。 智能机器人既不同于工业机器人的“ 智能机器人既不同于工业机器人的 “ 示教－ 再现” 也不同于操纵机器人的 “ 操纵 ” 再现 ” ， 也不同于操纵机器人的“ 操纵” ， 而是 一种“认知－适应"的工作方式。 一种“认知－适应"的工作方式。
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7.3 操纵机器人
操纵机器人实际上是一种人机系统，由人" 操纵机器人实际上是一种人机系统，由人"操 纵"代替"示教"。因此，人与机器人之间相互传递 代替"示教" 因此， 信息的问题就成为操纵机器人研究的重点。 信息的问题就成为操纵机器人研究的重点 。 操纵 机器人可分为两种类型： • 能力扩大式机器人 ：负重能力， 动作范围放大 能力扩大式机器人：负重能力 ， 数倍甚至数十倍， 数倍甚至数十倍 ， 如空间机器人放置和回收卫 星； • 遥控机器人 ：适用于特殊作业环境， 如放射性 遥控机器人：适用于特殊作业环境 ， 物质， 真空， 有毒气体等隔离工作环境。 物质 ， 真空 ， 有毒气体等隔离工作环境 。 又如 高空、 建筑、 宇宙、 海洋开发、 火山探测、 高空 、 建筑 、 宇宙 、 海洋开发 、 火山探测 、 军 事战场等人不能到达的环境。 事战场等人不能到达的环境。
控制器：是机器人的核心 ， 控制器 ：是机器人的核心， 它负责对机器人的 运动和各种动作控制及对环境的识别。 运动和各种动作控制及对环境的识别。 现代工业机器人的控制器都是由计算机控制 系统组成， 控制方式主要有示教再现 、 系统组成 ， 控制方式主要有示教再现、 可编程控 制、遥控和自主控制等多种方式。 遥控和自主控制等多种方式。
7.5 机器人的应用
机器人的应用十分广泛， 机器人的应用十分广泛 ， 在许多领域机器人 都得到了成功的应用或有着美好的应用前景。 都得到了成功的应用或有着美好的应用前景。 • 工业机器人 工业机器人是应用最为成功和广泛 的机器人， 的机器人 ， 它的应用涉及到工业生产的各个方 面，如焊接、装配、喷漆等。 如焊接、装配、喷漆等。 • 海洋探测机器人 可用于海底矿物资源和水文气 象探测、海底地势勘查 、打捞 、 救生、 排险等。 象探测、海底地势勘查、打捞、 救生、 排险等。 • 空间机器人 在航天飞机上用来回收和维修人造 卫星，在空间站、月球表面和火星上进行工作。 卫星 ，在空间站、月球表面和火星上进行工作。
无人机
“暗星”无人机
法国“红隼”无 人机
“别动队”无人 机
高空无人侦察机
鬼怪式无人机
发射Brevel无人机
只有15厘米的微型无人机
特种机器人
复合式直径6.14米盾构掘进机
3. “ 遥控 ” 方式：由人用有线或无线遥控器 遥控” 控制机器人在人难以到达或危险的场所完成某项 任务。 如防暴排险机器人 、 军用机器人 、 任务 。 如防暴排险机器人、 军用机器人、 在有核 辐射和化学污染环境工作的机器人等。 辐射和化学污染环境工作的机器人等。 4. “ 自主控制 ” 方式：是机器人控制中最高 自主控制” 级 、 最复杂的控制方式， 它要求机器人在复杂的 最复杂的控制方式 ， 非结构化环境中具有识别环境和自主决策能力， 非结构化环境中具有识别环境和自主决策能力 ， 也就是要具有人的某些智能行为。 也就是要具有人的某些智能行为。
传感器
图4-1 工业机器人系统结构
执行机构：机器人的足 、 执行机构 ：机器人的足、 腿 、 手 、 臂 、 腰及关节 等 ， 它是机器人运动和完成某项任务所必不可少 的组成部分。 的组成部分。 驱动和传动装置：用来有效地驱动执行机构的装 驱动和传动装置 ：用来有效地驱动执行机构的装 置 ， 通常采用液压 、 电动和气动 ， 有直接驱动和 通常采用液压、 电动和气动， 间接驱动二种方式。 间接驱动二种方式。 传感器：是机器人获取环境信息的工具 ， 如视觉 、 传感器 ：是机器人获取环境信息的工具， 如视觉、 听觉、 嗅觉 、 触觉 、 力觉 、 听觉 、 嗅觉、 触觉、 力觉、 滑觉和接近觉传感器 等 ， 它们的功能相当于人的眼、 耳 、 鼻 、 皮肤及 它们的功能相当于人的眼 、 筋骨。 筋骨。
• 军用机器人 有扫雷排雷机器人、侦察机器人、 有扫雷排雷机器人、侦察机器人、 防核防化机器人等。 防核防化机器人等。 • 特种机器人 替代人在繁重、危险、恶劣环境下 替代人在繁重、危险、 作业必不可少的工具， 如消防（ 灭火） 机器人、 作业必不可少的工具 ， 如消防 （ 灭火） 机器人、 防暴机器人、盾构机器人等。 防暴机器人、盾构机器人等。 • 微型机器人 进入煤气、输油管道等狭窄场所进 进入煤气、 行工作，甚至进入人体的血管、肠胃。 行工作，甚至进入人体的血管、肠胃。
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7.2
机器人的结构与控制方式
7.2.1 机器人的结构 简单地说， 机器人主要由 执行机构、 简单地说 ， 机器人主要由执行机构 、 驱动和 传动装置、 传感Байду номын сангаас和 控制器四大部分构成 （ 传动装置 、 传感器 和 控制器 四大部分构成（ 如 图）。
记忆、示教 装置 控制 装置 驱动 装置
三菱公司产MOVEMASTER三菱公司产MOVEMASTER-EX 五自由度机器人
▼图4-3 MOVEMASTER-EX 五自由度机器人结构图
▲ 图4-2 实验室中的 MOVEMASTER-EX机器人实物照片
美国UNIMATE公司产 美国UNIMATE公司产PUMA/560型六自由度机器人 公司产PUMA/560型六自由度机器人
• 位置控制 点位控制－PTP （ 点位控制－ PTP（ Point to Point ） ：只考 Point） 虑起始点和目的点的位置， 虑起始点和目的点的位置，而不考虑两点之 间的移动路径的控制方式，适用于上下料、 间的移动路径的控制方式，适用于上下料、 点焊、 点焊、搬运等； • 连续路径控制－ CP（ Continuous Path ） ： 连续路径控制－CP （ Path） 不但要求机器人以一定的精度到达目标点， 不但要求机器人以一定的精度到达目标点， 而且对其移动的轨迹形式有一定精度范围的 要求。 要求。
• 微操作机器人 是机器人领域的一个重要研究方 向 ， 在国防 、 空间技术 、 生物医学工程 、 智能 在国防、 空间技术、 生物医学工程、 制造和微机电系统（ MEMS） 制造和微机电系统 （ MEMS） 中有广泛的应用前 景。 • 娱乐机器人 充当导游、做表演、甚至与人进行 充当导游、做表演、 简单交流， 如导游机器人、 足球机器人、 简单交流 ， 如导游机器人 、 足球机器人 、 机器 狗、机器猫、机器鱼等。 机器猫、机器鱼等。 • 服务机器人 已经开始或在不久的将来进入人类 家庭生活， 如保健机器人， 导盲机器人、 家庭生活 ， 如保健机器人 ， 导盲机器人 、 垃圾 清扫和擦玻璃机器人等。 清扫和擦玻璃机器人等。
2. “可编程控制”方式：工作人员事先根据 可编程控制” 机器人的工作任务和运动轨迹编制控制程序，然 后将控制程序输入给机器人的控制器，起动控制 程序，机器人就按照程序所规定的动作一步一步 地去完成，如果任务变更，只要修改或重新编写 控制程序，非常灵活方便。大多数工业机器人都 是按照前两种方式工作的。
▼ 图4-5 PUMA/560六自由度机器人 结构
▲ 图4-4 PUMA/560机器人
7.2.2 机器人的工作原理 机器人的工作原理是一个比较复杂的问题。 机器人的工作原理是一个比较复杂的问题 。 简单地说， 简单地说 ， 机器人的原理就是模仿人的各种肢体 动作、 思维方式和控制决策能力 。 从控制的角度 ， 动作 、 思维方式和控制决策能力。 从控制的角度， 机器人可以通过如下四种方式来达到这一目标。 机器人可以通过如下四种方式来达到这一目标。 1. “ 示教再现 ” 方式：它通过 “ 示教盒” 或 示教再现” 方式：它通过“ 示教盒 ” 人 “ 手把手” 两种方式教机械手如何动作， 控制 手把手 ” 两种方式教机械手如何动作 ， 器将示教过程记忆下来， 器将示教过程记忆下来 ， 然后机器人就按照记忆 周而复始地重复示教动作，如喷涂机器人。 周而复始地重复示教动作，如喷涂机器人。
第7章 机器人
7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 7.7 机器人的诞生与发展 机器人的结构与控制方式 操纵机器人 智能机器人 机器人的应用 未来机器人的发展方向 我国机器人研究的简况
7.1 机器人的诞生与发展
7.1.1 7.1.2 7.1.3 7.1.4 机器人的定义 机器人的分类 古代机器人 现代机器人
德国的排爆机器人
我国沈阳自动化所 研制的排爆机器人
工兵机器人
美国将M60坦克的炮塔去掉后改装的豹式扫雷车
保安机器人
美国研制的MDARS美国研制的MDARS-E 型室外保安机器人
MPR-800多用途机器人，可 用于扫雷、灭火、核生化污 染清除等多项危险工作
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 人由M113装甲运输车改装而成
7.2.3 控制 • 示教－再现 即分为示教－存储－再现-操作四 即分为示教－存储－再现示教－ 步进行。 步进行。 • 示教 ：方式有两种：(1) 直接示教－手把手； 示教：方式有两种：( (2) 间接示教－示教盒控制。 间接示教－示教盒控制。 • 存储：保存示教信息。 存储：保存示教信息。 • 再现 ：根据需要，读出存储的示教信息向机 再现：根据需要， 器人发出重复动作的命令。 器人发出重复动作的命令。
工业机器人
汽车装配机器人
汽车装配机器人
弧焊机器人
点焊机器人
铆接机器人
海洋探测机器人
1990年日本海洋科技中心 研制的“海沟号”缆控式 无人潜水器（左）及其在大海中工作时的情况（右）
CR-01型6000米水下无缆机器人 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 型 米水下无缆机 器人（上）和正在下水的情况（右） 器人
• 控制信息 • 顺序信息：各种动作单元（包括机械手和外 顺序信息：各种动作单元（ 围设备）按动作先后顺序的设定、检测等。 围设备）按动作先后顺序的设定、检测等。 • 位置信息：作业之间各点的坐标值，包括手 位置信息：作业之间各点的坐标值， 爪在该点上的姿态，通常总称为位姿 （POSE）。 POSE） • 时间信息：各顺序动作所需时间， 即机器人 时间信息：各顺序动作所需时间， 完成各个动作的速度。 完成各个动作的速度。
空间机器人
美国航空航天局（NASA）研究的月球车 月球车在月球表面时的情形 月球车
美国航空航天局（NASA）研究的 索杰纳” 美国航空航天局（NASA）研究的 “索杰纳”火星 车
日本研究的火星探测机器人
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
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
水下扫雷机器人
瑞典博福斯公司研制的“双鹰” 瑞典博福斯公司研制的“双鹰”水下扫雷机器人
美国罗克威尔公司及IS机器人公司研制的一种名叫 美国罗克威尔公司及IS机器人公司研制的一种名叫 “水下自主行走装置”（ALUV）的水下扫雷机器蟹 水下自主行走装置” ALUV）