机器人概述

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• 1662年，日本的竹田近江利用钟表技术发明了自动机器 玩偶，并在大阪的道顿堀演出。18世纪末通过改进，制 造出了端茶玩偶。
• 它是木质的，发条和弹簧则是用鲸鱼须制成的。它双手捧着茶盘，如果把 茶杯放在茶盘上，它便会向前走，把茶端给客人，客人取茶杯时，它会自 动停止行走，客人喝完茶把放回茶盘上时，它就又转回原来的地方。
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1954年是机器人技术发展史上的一个重要里程碑。
• 美国生产管理工程师戴沃尔（George Devol）最早提出了 工业机器人的概念，并申请了专利：借助伺服技术控制机 器人的关节，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。
• 这就是所谓的示教再现机器人。现有的机器人差不多都采 用这种控制方式。
• 机器人学的学术组织，定期举办学术活动。 • 学术会议：每两年左右举办一次大型全国性会议。 • 学术刊物：《 机器人 》、《机器人技术与应用 》等。
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2 机器人定义
• 1920年，捷克作家卡雷尔·凯培克(Karel Capek)在幻想情节 剧《罗萨姆的万能机器人/Rossum’s Universal Robots》中 第一次提出了“Robot/机器人”这个名词，源于捷克语中的 Robota，本意为奴隶。
1831年歌德发表了《浮士德》，塑造了人造人“荷蒙克鲁斯”； 1870年霍夫曼出版了以自动玩偶为主角的作品《葛蓓莉娅》； 1883年科洛迪的《木偶奇遇记》问世； 1886年《未来的夏娃》问世； 在机械实物制造方面，1893年摩尔制造了“蒸汽人”，“蒸汽人”
靠蒸汽驱动双腿沿圆周走动。
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QUIZ: 1）早期机器人的动力来源于什么？ 2）早期机器人有什么特点？
• 他领头成立了世界上第一家机器人生产公司－美国联合控 制公司（Universal Automation） 。同时发表了他的论文 《运用重复作业的通用性工业机器人》，从而掀开了制造 机器人的崭新一页。
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• 经过近7年的反复探索和试验，终于在1961年， George Devol推出一台名为“Unimate/尤尼梅特”的实用机器人， 并首次作为商品机器人出售。
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一般认为机器人是一种带有外部传感器的可再编程通 用操作机，可以完成各种装配作业。
• 国际上关于机器人的定义： • （1）英国简明牛津字典：“貌似人的自动机，具有智力和
顺从于人的但不具人格的机器”。 • （2）美国机器人协会(RIA) ：“一种移动各种材料、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(manipulator)”。 • （3）美国国家标准局(NBS) ：“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”。
• (5)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"。
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• (6) 随着机器人技术的发展，我国也面临讨论和制订关于机 器人技术的各项标准问题，其中包括对机器人的定义。
• 1800年前的汉代，我国东汉时期（公元25－220年），大 科学家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。而 张衡发明的指南车是世界上最早的机器人雏形。
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• 后汉三国时期，蜀国丞相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。
• 蒋新松院士曾建议把机器人定义为“一种拟人功能的机 械电子装置/a mechatronic device to imitate some human functions”。
• 我国的机器人专家从应用环境出发，将机器人分为两大 类：即工业机器人和特种机器人。
工业机器人：面向工业领域的多关节机械手或多自由度机 器人；
• 1967年日本成立了人工手研究会（现改名为仿生机构研究 会），同年召开了日本首届机器人学术会。
• 到了1980年，工业机器人才真正在日本普及，故称该年为 “机器人元年”。
• 随后，工业机器人在日本得到了巨大发展，日本也因此而 赢得了“机器人王国”的美称，其机器人产量和安装台数 在国际上跃居首位。
1979年美国推出了PUMA系列工业机器人：关节由电动机驱动， 可配置视觉、触觉、力觉传感器，是技术较为先进的机器人。
到1980年，全世界有2万余台机器人在工业中应用。
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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、搬运与装配，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。
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1.2 现代机器人
• 现代机器人的研究始于20世纪中期，其技术背景是计算机和 自动化的发展以及原子能的开发利用。
• 自1946年第一台数字电子计算机问世以来，计算机取得了惊 人的进步，向高速度、大容量、低价格的方向发展。
• 1927年美国西屋公司工程师温兹利制造了第一个机器人“电 报箱”，并在纽约举行的世界博览会上展出。它是一个电动 机器人，装有无线电发报机，可以回答一些问题，但该机器 人不能走动。
• 公元前3世纪，古希腊发明家戴达罗斯用青铜为克 里特岛国王迈诺斯塑造了一个守卫宝岛的青铜卫士 塔罗斯；
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• 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”，体现了我国劳动人民的聪明智慧。
• 公元前2世纪，亚历山大时代的古希腊人发明了最原始的 机器人－自动机。它是以水、空气和蒸汽压力为动力的会动 的雕像，它可以自己开门，还可以借助蒸汽唱歌。
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• 大批量生产的迫切需求推动了自动化技术的进展，其结果 之一便是1952年数控机床的诞生。与数控机床相关的控制、 机械零件的研究又为机器人的开发奠定了基础。
• 另一方面，原子能实验室的恶劣环境要求某些操作机械代 替人处理放射性物质。在这一需求背景下，美国原子能委 员会的阿尔贡研究所于1947年开发了遥控机械手，1948年 又开发了机械式的主从机械手。
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2.机器人主要技术
包括：机器人制造技术、操作和执行技术、驱动和控制技术、检 测和感知技术、机器人智能技术、实验和评价技术、人机交互和融合 技术、通讯技术、机器人的能源和通讯技术、技术规范和标准等。
二、机器人研究涉及的学科和领域
机器人是一个多学科和技术交叉和结合的综合高技术领域。从某种 意义上讲，一个国家机器人技术水平的高低反映了这个国家综合技术 实力的高低。
• “尤尼梅特”是一台将遥控操作器的连杆机构与数控技术 结合起来的设备。
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1962 年Unimation 公司的第一台工业机器人Unimate 在美国通用 汽车公司投入使用，标志着第一代机器人的诞生…
由类似人的手和臂组成。
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• 1967年日本由川崎重工从美国Unimation公司引进机器人 及其技术，并于1968年试制出第一台“Unimate”机器人。
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。
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我国的发展
起步较晚：
• 70年代末一些院校和企业开始研制专用机械手； • 80年代初，开发小型的教育机器人。 • 1985年哈工大研制出国内第一台弧焊机器人（华宇Ⅰ号）。
• 国家“863”计划把机器人技术作为重点发展技术来支持。建 立了“机器人示范工程中心”和机器人国家开放实验室（沈 阳自动化所、哈工大、合肥机械所、上交、南开）。
器人关键器件设计、机器人仿真等。 3）机器人仿生学，仿生运动和动力学、仿生机构学、仿生感知和控制理
论、仿生器件设计和制造等 4）机器人系统理论，多机器人系统理论、机器人-人融合、以及机器人
与其它机器系统的协调和交互 5）机器人操作和移动理论，机器人装配理论、机器人移动理论、足式机
器人步态理论等 6）微机器人学，微机器人的分析、设计、制造和控制等理论方法
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• 1950年，美国著名科学幻想小说家阿西莫夫（ Isaac Asimov ） 在小说《我是机器人》中提出了著名的“机器人三守则”：
1）机器人必须不危害人类，也不 允许它眼看人将受害而袖手旁观； 2）机器人必须绝对服从人类，除 非这种服从有害于人类； 3）机器人必须保护自身不受伤害， 除非为了保护人类或者是人类命令它 作出牺牲。
1. 学科：
机构学、测试技术、制造技术、自动控制、计算机、人工智能、 微电子学、光学、通讯技术、传感技术、仿生学等多种学科
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2. 主要研究领域：
机器人运动学； 动力学和控制；
特种机器人：除工业机器人之外的用于非制造业并服务于 人类的各种先进机器人。
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上述各种定义有共同之处，即认为机器人： – 像人或人的上肢，并能模仿人的动作;
– 具有智力或感觉与识别能力; – 是人造的机器或机械电子装置。
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3 机器人相关理论与技术
一、机器人的理论和技术 1.基础理论
1）机器人运动学和动力学，运动学分析、动力学建模、运动规划等 2）机器人设计理论，机器人机构分析和综合、机器人结构设计优化、机
机械工业出版社，2000年7月第1版
• 5 张福学《机器人技术及其应用》，
电子工业出版社，2000年1月ຫໍສະໝຸດ Baidu1版
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第一章 机器人概述
1. 机器人由来及发展 2. 机器人定义 3. 机器人相关理论与技术 4. 机器人控制设计例
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1 机器人由来及发展
1.1 古代机器人
• 我国西周时代（公元前1066年－前771年），流传 有关巧匠偃师献给周穆王歌舞机器人/艺伎的故事；
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• (4)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”。
或者分为两种情况来定义:
工业机器人：一种能够执行与人的上肢(手和臂)类似动 作的多功能机器；
智能机器人：一种具有感觉和识别能力，并能够控制自 身行为的机器。
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• 现在保留下来的最早的机器人是瑞士努萨蒂尔历史博物 馆里的少女玩偶，它制作于200年前，两只手的十个手指可 以按动风琴的琴键而弹奏音乐，现在还定期演奏供参观者 欣赏，展示了古代人智慧。
• 19世纪中叶自动玩偶分为2个流派，即科学幻想派和机械 制作派，并各自在文学艺术和近代技术中找到自己位置：
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参考书目
• 1 刘极峰主编《机器人技术基础》，
高等教育出版社，2006年5月第一版，2011年8月第9次印刷
• 2 蔡自兴 著《机器人学》，
清华大学出版社 ，2000年9月第1版
• 3 柳洪义、宋伟刚编著 《机器人技术基础》，
冶金工业出版社，2002年11月第1版
• 4 林尚扬等编著《焊接机器人及其应用》，
机器人技术基础
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课程主要内容
1）概述 2）机器人系统结构与分类 3）机器人运动学与动力学 4）机器人驱动与控制 5）机器人轨迹规划与离线仿真 6）机器人工业 7）机器人系统集成技术
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课程要求
1）参与课堂QUIZ讨论,以分组为单位检索 资料，提交PPT （10分）
3）课程结束后完成课程Project （15分） 4）参加课程开卷考试（70分） 5）平时成绩 （5分）
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1968年，斯坦福技术研究 所研制了第一台具有视觉 功能的移动机器人Shakey。
1970年在美国召开了第一届国际工业机器人 学术会议，以后机器人的研究得到迅速广泛的普及。 1973年，辛辛那提·米拉克隆公司的理查德·豪恩制造了第一台 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。
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• 1738年，法国天才技师杰克·戴·瓦克逊发明了一只机器鸭， 它会嘎嘎叫、游泳和喝水，还会进食和排泄。瓦克逊的本 意是想把生物的功能加以机械化而进行医学上的分析。
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• 1773年，他们又连续推出了自动书写玩偶、自动演奏玩偶 等。他们创造的自动玩偶是利用齿轮和发条原理而制成的。 它们有的拿着画笔和颜色绘画，有的拿着鹅毛蘸墨水写字， 结构巧妙，服装华丽，在欧洲风靡一时。由于当时技术条 件的限制，这些玩偶其实是身高一米的巨型玩具。