第一章 机器人概述

Linux
PMAC
Local Controller
Motion Planning
Motion Controller
Servo Controller
Scanner Microphone
Internet
Robot
Camera
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机器人系统结构的例子
1.3.3 机器人的性能要素
▪ 自由度数 衡量机器人适应性和灵活性的重要指标，一般 等于机器人的关节数。机器人所需要的自由度数决定与其 作业任务。
机器人具有感知和理解外部环境的能力，即使环境发生变 化，也能够成功的完成任务。
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1.1.4 机器人技术展望
进入90年代后,机器人数量增长速度下降,但由于人工智 能、计算机科学、传感器技术的长足进步，使机器人技术 研究在高水平上进行。未来机器人技术将有待于在以下几 个方面发展。 一、操作臂技术 1． 高速操作臂：机构，伺服驱动，动态控制方法； 2． 柔性操作臂：提高荷重比（＜30∶10），轻质材料； 3． 冗余自由度臂； 4． 高精度、多自由度力控制：精密组装； 5． 微型操作臂。
按预定的不变顺序及条件，依次控制机器人的机械动作。
按预定的顺序及条件，依次控制机器人的机械动作。但顺 序和条件可作适当改变。
通过手动或其它方式，先引导机器人动作，记录下工作程 序，机器人则自动重复进行作业。
不必使机器人动作，通过数值、语言等为机器人提供运动 程序，能进行可变程伺服控制。 利用传感器获取的信息控制机器人的动作。机器人对环境 有一定的适应性。
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一般认为机器人应具有的共同点为：
▪ 1）机器人的动作机构具有类似与人或其它生物的 某些器官的功能。
▪ 2）是一种自动机械装置，可以在无人参与下（独 立性），自动完成多种操作或动作功能，即具有通 用性。可以再编程，程序流程可变，即具有柔性(适 应性）。
▪ 3）具有不同程度的智能性，如记忆、感知、推理、 决策、学习。
微制造 机器人装备
系统集成 应用示范
核工业 机器人
电力检测 油气管道 仿生与生 极地科考 助老助残
机器人
检测 物机器人 机器人 家庭服务
智能机器人技术
关键技术 新型机构
攻关
与驱动
网络化与 移动感知
仿生运动
与智能控 制
人－机器 人和谐共 存与交互
多机器人 协调技术
微纳操作 技术
材 料 感知
前沿技术 探索
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1.1.3 机器人的分类
机器人的种类很多。可以按驱动形式、用途、结构和智能
水平等观点划分 气压驱动
１、按驱动形式
液压驱动 电驱动
直流伺服驱动 交流伺服驱动
2、按用途划分
弧焊机器人
点焊机器人
（1）工业机器人 搬运机器人 装配机器人
喷涂机器人
抛光机器人 8
（2）特种机器人
空间机器人 水下机器人 军用机器人 教学机器人 服务机器人 医用机器人 排险救灾机器人
感器，检测机器人所处的环境信息。相当于人的感官和神经。 四、控制系统
包括：处理器及关节伺服控制器等，进行任务及信息处理，并 给出控制信号。相当于人的大脑和小脑。
控制系统
内部传感器（位形检测）
1处理器
关节控制器
驱动 执行 装置 机构
工作对象
外部传感器（环境检测）
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Intelligence and humanmachine interface
1962年，A.M.F.（机械与铸造）公司，研制出一台数控自 动通用机，取名“Versatran”，即多用途搬运之意，并以 “Industrial Robot”为商品广告投入市场。
计算机控制的机器人，1974 1978年，第一台PUMA机器人在Unimation公司诞生。
日本、西欧各国、前苏联也相断引进或自行研制工业机 器人。60～70年代是机器技术获得巨大发展的阶段。
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▪ 控制模式 引导或点到点示教模式；连续轨迹示教模式；软 件编程模式；自主模式。 ▪ 最大工作速度 单关节速度；合成速度。 ▪ 其它动态特性 如稳定性、柔顺性等。
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▪ 负荷能力 机器人在满足其它性能要求的前提下，能够承 载的负荷重量。
▪ 工作空间 机器人在其工作区域内可以达到的所有点的集 合。它是机器人关节长度和其构型的函数。
▪ 精度 指机器人到达指定点的精确程度。它与机器人驱动 器的分辨率及反馈装置有关。 ▪ 重复定位精度 指机器人重复到达同样位置的精确程度。 它不仅与机器人驱动器的分辨率及反馈装置有关，还与传 动机构的精度及机器人的动态性能有关。
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二、移动技术 1、新型移动机构：适合非结构环境的移动机构； 2、运动控制：建模、制导、导航、路径规划。 三、感知技术 1、视觉：图像识别与处理； 2、手眼协调； 3、接触觉小型化； 4、多信息融合。
四、自主控制技术 1、分布式计算机控制技术； 2、人工智能技术。
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我国智能机器人当前主要研究方向
固定式 移动式
轮式 履带式 足式
蛇行
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3 按几何结构分类：利用机构特性分类。 串联机器人：各连杆为串联 并联机器人：各连杆为并联
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4、按智能水平划分
分类名称
简要解释
人工操作装置
有几个自由度，有操作员操纵，能实现若干预定的功能。
第一代
第二代 第三代
固定顺序机器人 可变顺序机器人
示教再现型机器人 数控型机器人 感知型机器人 智能机器人
仿生
智能
微型 网络 交互
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工业机器人
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1.3 机器人的组成、构型及性能要素 1.3.1 机器人的组成
机器人是一个机电一体化的设备。从控制观点来看，机器 人系统可以分成四大部分：机器人执行机构、驱动装置、 控制系统、感知反馈系统。
机器人
执行机构 手腕臂腰 部部部部
（ 固基 定 或 移座 动 ）
驱动装置
电 驱 动 装 置
液 压 驱 动 装 置
气 压 驱 动 装 置
控制系统
关
节
处伺
理 器
服 控 制
器
感知系统
内外 部部 传传 感感 器器
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一、执行机构 包括：手部、腕部、臂部、腰部和基座等。相当于人的肢体。
二、驱动装置 包括：驱动源、传动机构等。相当于人的肌肉、筋络。
三、感知反馈系统 包括：内部信息传感器，检测位置、速度等信息；外部信息传
多种机器人：工业机器人、移动机器人、拟人机器人、特 种机器人等，具有视觉、语音等功能，具有一定智能。
1998年：日本30万台，美国8万台，德国7万台
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我国机器人技术发展现状
▪ 70年代后期开始研制 “七五” “863” 工业机器 人（国产占1/4左右）
▪ 特种机器人及智能机器人 ▪ 水下（1000米，6000米无缆） 排险 爬壁 管道 防
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1.1.2 机器人的发展历史
1920年，捷克作家卡雷尔·卡佩克发表了科幻剧本《罗萨 姆的万能机器人》。卡佩克在剧本中把捷克语“Robota”写 成了“Robot”，引起了大家的广泛关注，被当成了机器人一 词的起源。
1950年，美国作家埃萨克·阿西莫夫在他的科幻小说《I， Robot》中首次使用了“Robotics” ，即“机器人学”。阿 西莫夫提出了“机器人三原则”： 1 机器人不应伤害人类,且在人类受到伤害时不可袖手旁观； 2 机器人应遵守人类的命令，与第一条违背的命令除外； 3 机器人应能保护自己，与第一条相抵触者除外类及发展概况 1.1.1 机器人的定义
美国机器人协会（RIA）的机器人定义：“机器人是用以搬运材料、零件、工 具的可编程序的多功能操作器或是通过可改变程序动作来完成各种作业的特殊机 械装置。”
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（ end effector）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。”
核化侦查 核工业用遥控移动 ▪ 自动导引小车（AGV） 步行机（双足，四足，六足）
地面军用智能车辆 ▪ 其它（灵巧手，智能手爪，七自由度机器人等） ▪ 1999年 “863”智能机器人主题产业化基地9个（哈工大、
一汽、沈阳自动化所、北京自动化所、大连华录、南开大 学、上海交大、上海大学、兵工58所）
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80年代，机器人在发达国家的工业中大量普及应用，如焊 接、喷漆、搬运、装配。并向各个领域拓展，如航天、水下、 排险、核工业等，机器人的感知技术得到相应的发展，产生 第二代机器人。
示教再现机器人，1982
90年代，机器人技术在发达国家应用更为广泛，如军用、 医疗、服务、娱乐等领域，并开始向智能型（第三代）机器 人发展。
机器人学术界一直将这三原则作为机器人开发的准则，阿 西莫夫因此被称为“机器人学之父”。
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1954年，美国人George C. Devol 提出了第一个工业机 器人方案并在1956年获得美国专利。 1961年，Unimation公司（通用机械公司）成立，生产和销 售了第一台工业机器“Unimate”，即万能自动之意。
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”。
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，能够借助于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。”