第一章-机器人导论绪论

1第一章绪论第一节机器人的发展和应用第二节机器人研究领域和内容2　“阿西莫”（ASIMO）机器人（2000年10月31日诞生），由日本本田技研工业公司研制。该机器人身高130厘米，体重54公斤，能自如地走动、跳舞、甚至是爬楼梯。而且它还可以洞察人类的心思。它的设计初衷就是为人类服务，然而它上述彬彬有礼的行为也意味着它有朝一日可能会控制世界。阿西莫身高1.3米，体重54公斤，是目前世界上最先进的仿人机器人，也是全球少有的具备人类双足行走能力的机器人。最新机器人介绍3ASIMO的名字来源于Advanced（新纪元）、Stepin（进入）、Innovative（创新）、Mobility（移动工具）的首字母缩写，承载了Honda对“移动文化”的追求与执着。Honda向全球提供摩托车、汽车和飞机等移动产品，与此同时Honda希望能创造出一个可以在人的生活空间里自由移动，具有人一样的极高移动能力和高智能的类人型机器人，并在未来进入千家万户，为人们提供服务。就移动能力而言，“阿西莫”可以自如行走，“8”字形行走、上下台阶也不在话下，此外，还能够以每小时6公里的速度奔跑，而且还能在奔跑过程中自行改变方向。“阿西莫”的全身各部位具有极高的平衡性和协调性，能够随着音乐翩翩起舞。而推车前进、搬运托盘更是“阿西莫”在利用工具与人协调方面让其他机器人望尘莫及的拿手好戏。此外，“阿西莫”拥有的声音识别、姿势和动作识别、面部功能识别等强大功能让它能够与人类进行很好的信息交流。“阿西莫”最爱跳舞，身段比真人跳的机械舞更柔软，阿西莫能以每小时6公里的速度奔跑，也能把饮料平稳而准确的放在桌上。“阿西莫”还可使用PC连线访问互联网，为您检索诸如气象和新闻之类的信息。4械狗展示了它惊人的活动能力和适应性，一举在互联网上造成轰动。研发公司称经过测试，这个机械狗能在战场上为士兵运送弹药、食物和其他物品。美国战斗机器狗BIGDOG最新机器人介绍5机器“大狗”的发明者是美国马萨诸塞州波士顿动力学公司的科学家.它高2.3英尺，重165磅。采用汽油动力驱动，体内装有维持机身平衡的回转仪。它的最高负载量可达300磅，以每小时3.3英里的速度行走，而且可在丘陵地形上攀登前行，全靠本身的立体视觉系统或远程遥控器确认路径。瞧它多能干，驮着300英镑重的物体，爬山坡、过雪地、走石子路、健步如飞。即使在走路时被主人踢了几脚，也能很快地调整平衡状态。走在滑溜溜的地面上，它差点摔倒，但很快又站稳了。上楼梯、下楼梯照样稳稳当当，行动自如。它还能它还能跳跃，跨过单杠6美国最新机器狗LS32012年9月11日发布最新机器人介绍7　　这款机器狗名叫LS3，有4条腿，不仅可以直立行走，还可以在负重180多公斤的情况下连续行进大约32公里。　　该机器人是由美国波士顿动力公司具体负责研制的。在机器人的前方装有一个照相传感系统，相当于人类的眼睛，可以帮助机器狗决定前进的方向；它的“耳朵”正在研发当中，如果成功，它就可以听懂人类的简单指令并作出相关回应。　　LS3目前已在美国海军陆战队进入测试阶段。美国国防高级研究局项目经理、美军中尉乔·希特说：“我们对LS3的控制平台进行了完善，并且已经开始对其进行实地测试。这款最新的LS3可以像骡子一样携带武器装备等，同时又具备像受训过的动物一样的聪明才智。”　　在最近的一次演示中，LS3完成了快走和慢跑的测试，以及知觉可视化演示等。希特还表示：“马达上安装的消音装置比第一代产品强10倍，这样士兵们就可以在它旁边轻松进行交流，而不受马达轰鸣声的影响了。”研究人员还在最新款机器狗的行进速度转换上做了优化处理。LS3的行走速度是每小时4.8公里，它现在可以很容易进入到慢跑速度即每小时8公里，在平整路面上的慢跑速度可达到每小时11公里。此外，它的平稳性能很强，即使因某种原因摔倒、侧翻，它也能自行恢复平衡，站起来继续前进。8机器人在弹奏乐器。9喂饭机器人“MySpoon”最新机器人介绍10该机器人来自日本东京理科大学，它可以有六种表情：惊讶、害怕、厌恶、生气、高兴和伤心等。“萨亚”皮肤白皙、面庞清秀，着白色上衣。设计师是在按照一位女大学生的模样塑造出“萨亚”的相貌。“萨亚”的头颅为钢结构，脸部皮肤以精细橡胶制成，皮肤后藏有18台微型电机，它会讲大约300个短语和700个单词，并可以对一些词语和问题做出回应。它同时还可以学会讲各种语言。最新机器人介绍11一、机器人的定义　机器人问世已有几十年，但没有一个统一的意见。原因之一是机器人还在发展，另一原因主要是因为机器人涉及到了人的概念，成为一个难以回答的哲学问题。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。　美国机器人协会（RIA)：一种用于移动各种、零件、工具或专用装置的，通过程序动作来执行各种任务，并具有编程能力的多功能操作机（Manipulator）。　美国家标准局：一种能够进行编程并在自动控制下完成某些操作和移动作业任务或动作的机械装置。第一节机器人的发展和应用12　1987年国际标准化组织(ISO)对工业机器人的定义：“工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能，能完成各种作业的可编程操作机。　日本工业标准局：一种机械装置，在自动控制下，能够完成某些操作或者动作功能。　英国：貌似人的自动机，具有智力的和顺从于人的但不具有人格的机器。　中国：我国科学家对机器人的定义是：“机器人是一种自动化的机器，这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器”。第一节机器人的发展和应用13机器人具有以下特性：（1）一种机械电子装置；（2）动作具有类似于人或其他生物体的功能；（3）可通过编程执行多种工作，有一定的通用性和灵活性；（4）有一定程度的智能，能够自主地完成一些操作。第一节机器人的发展和应用14机器人学三原则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“机器人学三原则”：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。    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”。第一节机器人的发展和应用15机器人按用途分类　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（1）工业机器人16（2）特种机器人1718工业机器人（二）19特种机器人（一）20特种机器人（二）21特种机器人（三）22特种机器人（四）23机器人技术框架24为什么要发展机器人?理由之一：提高生产效率降低人的劳动强度。比如焊机器人提高生产效率，提高汽车焊接的质量，降低工人的劳动强度；城市隧道盾构。理由之三：机器人做人做不了的事情。微小机器人、核电站、航天领域、深海等，比如人们对太空的认识，对原子分子进行搬迁的机器人理由之二：机器人做人不愿意做或做不好的事。比如有毒的、高温的或危险的环境，汽车生产线上的焊接工作；操作简单、劳动强度大、生产节奏快、人易疲劳的活。25机器人的优缺点一、优点能不知疲倦、不厌其烦的持续工作，不会有心理问题；具有比人更高的精确度、速度，可以同时响应多个激励；可以在危险环境下工作，无需考虑生命保障或安全的需要；无需舒适的环境，如照明、空调、噪音隔离等；其感知系统及其附属设备具有某些人类所不具有的能力；二、缺点替代了工人，由此带来经济和社会问题；缺乏应急能力；灵活性、自适应能力还欠缺；设备费用开销较大。26二、机器人发展历史、现状和发展趋势Unimate机器人Versatran机器人机器人产品问世于20世纪60年代，代表性的有美国Unimation公司的Unimate机器人和美国AMF公司的Versatran机器人。1.欧美日机器人的发展27美国机器人从诞生起，在相当长的一段时期内，主要停留在大学和研究所的实验室里，虽然作出了一系列研究成果，但是没有形成生产能力且应用较少，因而也很难得到充裕的经费支持。与此同时，工业生产和应用部门对机器人技术的效益持观望态度，因此研究开发、生产和应用的脱节现象延缓了这一新技术在美国的发展。直到70年代中期，有鉴于机器人技术发展、经济潜力和日本在工业机器人方面所取得的成就，美国才意识到问题的紧迫性并多方面采取措施。28日本的机器人技术人员首先引进了美国机器人技术，经过技术消化并在日本迅速将其实用化。1967年，日本东京机械贸易公司首次从美国引进Versatran机器人；1968，日本川崎重工业公司从美国引进Unimate机器人，并对它进行改进，增加了视觉功能，使其成为一种具有智能的机器人。为了推广应用这一新技术，日本政府在技术政策和经济上都采用了措施加以扶植，因此，日本的工业机器人迅速走出了从试验应用到成熟产品大量应用的阶段，工业机器人得以大量生产和应用。70年代是日本机器人的迅速发展时期，日本在机器人的产品开发和应用两个方面超过美国，成为当今世界第一的“机器人王国”。2970年代，机器人进入工业生产的实用化时代。到80年代，工业机器人进入普及时代，汽车、电子等行业开始大量使用工业机器人，推动了机器人产业的发展。机器人的研究开发，无论就水平和规模而言都得到迅速发展，高性能的机器人所占比例将不断增加。1979年Unimation公司推出PUMA系列工业机器人，同年日本山梨大学的牧野洋研制了具有平面关节的SCARA型机器人。1985年前后，FANUC和GMF公司又先后推出交流伺服驱动的工业机器人产品。这一时期，各种装配机器人的产量增长较快，和机器人配套使用的装置和视觉技术正在迅速发展。30近十几年来，欧洲的德国、意大利、法国及英国的机器人产业发展比较快。目前，世界上机器人无论是从技术水平上，还是从已装备的数量上，优势集中在以日美为代表的少数几个发达的工业化国家。31我国工业机器人起步于70年代初，大致可分为3个阶段：70年代的萌芽期，80年代的开发期，90年代的实用化期。我国于1972年开始研制工业机器人，数十家研究单位和院校分别开发了固定程序、组合式、液压伺服型通用机器人，并开始了机构学、计算机控制和应用技术的研究。2.我国机器人的发展3280年代，机器人步入了跨越式发展时期。进行了工业机器人基础技术、基础元器件、几类工业机器人整机及应用的开发研究。完成了示教再现式工业及其成套技术的开发，研制出喷涂、弧焊、点焊和搬运等作业机器人整机，几类专用和通用控制系统及几类关键元部件，并在生产中经过实际应用考核，其性能指标达到80年代初国外同类产品的水平。为了跟踪国外高技术，在国家高技术计划中安排了智能机器人的研究开发，包括水下无缆机器人、高功能装配机器人和各类特种机器人，进行了智能机器人体系结构、机构、控制、人工智能、机器视觉、高性能传感器及新材料等的应用研究。3390年代，由于市场竞争加剧，一些企业认识到必须要用机器人等自动化设备来改造传统产业，从而进一步走向产业化。在喷涂机器人，点、弧焊机器人，搬运机器人、装配机器人、矿山、建筑、管道作业的特种工业机器人技术和系统应用的成套技术继续开发和完善，进一步开拓市场，扩大应用领域，从汽车制造业逐步扩展到其他制造业并渗透到非制造业领域。如机器人化柔性装配系统的研究，充分发挥工业机器人在未来CIMS中的核心技术作用。34国内类人机器人研究现状仿人机器人是科技部“十五”863计划先进制造与自动化领域机器人技术主题的重点项目，由北京理工大学牵头、中科院沈阳自动化所、兵器工业集团惠丰机械有限公司、中科院自动化所等单位参加，通过三年的奋斗，研制的“汇童”仿人机器人，取得了重大成果。“汇童”仿人机器人具有视觉、语音对话、力觉、平衡觉等功能的自主知识产权的仿人机器人，功能达到了国际先进水平。研制的“汇童”仿人机器人在国际上首次实现了模仿太极拳、刀术等人类复杂动作。汇童”正在表演中国武术35机器人前沿---仿人机器人国防科大“先行者”哈工大双足步行机器人北航多指灵巧手36一、机器人组成及其与外部的关系第二节机器人研究领域和内容37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。381、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。2、驱动装置包括：驱动源、传动机构等。相当于人的肌肉、筋络。3、感知反馈系统包括：内部信息传感器，检测位置、速度等信息；外部信息传感器，检测机器人所处的环境信息。相当于人的感官和神经。4、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。39二、机器人技术涉及的研究领域有：1、传感器技术：得到与人类感觉机能相似的传感器技术；2、人工智能计算机科学：得到与人类智能或控制机能相似能力的人工智能或计算机科学；3、假肢技术；4、工业机器人技术：把人类作业技能具体化的工业机器人技术；5、移动机械技术：实现动物行走机能的行走技术；6、生物功能：实现生物机能为目的的生物学技术。40三、机器人研究的基础内容1、空间机构学机器人机身和臂部机构的设计、机器人手部机构设计、机器人行走机构的设计、机器人关节部机构的设计。2、机器人运动学研究要涉及到组成这一系统的各杆件之间以及系统与对象之间的相互关系，为此需要一种有效的数学描述方法。3、机器人静力学静力学主要讨论机器人手部端点力与驱动器输入力矩的关系。414、机器人动力学动力学方程是指作用于机器人各机构的力或力矩与其位置、速度、加速度关系的方程式。5、机器人控制技术主要研究的内容有机器人控制方式和机器人控制策略。6、机器人传感器机器人的感觉主要通过传感器来实现。外部传感器有视觉、触觉、听觉、力觉传感器，内部传感器主要有位置、姿态、速度、加速度传感器。7、机器人语言机器人语言分为通用计算机语言和专用机器人语言，42四、机器人技术的发展趋势未来机器人技术的主要研究内容集中在以下几个方面：1、工业机器人操作机结构的优化设计技术探索新的高强度轻质材料，进一步提高负载－自重比，同时机构向着模块化、可重构方向发展。2、机器人控制技术重点研究开放式、模块化控制系统，人机界面更加友好，语言、图形编程界面正在研制之中。机器人控制器的标准化和网络化以及基于PC机网络式控制器已成为研究热点。433、多传感系统为进一步提高机器人的智能和适应性，多种传感器的使用是其问题解决的关键。其研究热点在于有效可行的多传感器融合算法，特别是在非线性及非平稳、非正态分布的情形下的多传感器融合算法。4、机器人遥控及监控技术机器人半自主和自主技术，多机器人和操作者之间的协调控制，通过网络建立大范围内的机器人遥控系统，在有时延的情况下，建立预先显示进行遥控等。5、虚拟机器人技术基于多传感器、多媒体和虚拟现实以及临场感应技术，实现机器人的虚拟遥控操作和人机交互。446、多智能体控制技术主要对多智能体的群体体系结构、相互间的通信与磋商机理，感知与学习方法，建模和规划、群体行为控制等方面进行研究。7、微型和微小机器人技术这是机器人研究的一个新的领域和重点发展方向。过去的研究在该领域几乎是空白，因此该领域研究的进展将会引起机器人技术的一场革命，并且对社会进步和人类活动的各个方面产生不可估量的影响，微型机器人技术的研究主要集中在系统结构、运动方式、控制方法、传感技术、通信技术以及行走技术等方面。458、软机器人技术主要用于医疗、护理、休闲和娱乐场合。传统机器人设计未考虑与人紧密共处，因此其结构材料多为金属或硬性材料，软机器人技术要求其结构、控制方式和所用传感系统在机器人意外地与环境或人碰撞时是安全的，机器人对人是友好的。9、仿人和仿生技术这是机器人技术发展的最高境界，目前仅在某些方面进行一些基础研究。