機器人的概述緒論

Monday,January8,2024機器人的概述緒論

機器人的定義及發(fā)展工業(yè)機器人的分類機器人的技術(shù)參數(shù)?機器人的定義1920年捷克斯洛伐克作家卡雷爾·恰佩克在他的科幻小說《羅薩姆的機器人萬能公司》中，根據(jù)Robota(捷克文，原意為“勞役、苦工”)和Robotnik(波蘭文，原意為“工人”)，創(chuàng)造出“機器人”這個詞。

1942年，美國科學(xué)幻想小說家阿西摩夫Asimov在小說《我是機器人》中，提出了“機器人三守則”:機器人必須不危害人類，也不允許它眼看人將受害而袖手旁觀；機器人必須絕對服從于人類，除非這種服從有害于人類；機器人必須保護自身不受傷害，除非為了保護人類或者是人類命令它作出犧牲。你認為什么是機器人？機器人的定義

定義一

機器人是“貌似人的自動機，具有智力的和順從于人的但不具人格的機器”。——英國簡明牛津字典

定義二

機器人是“一種用于移動各種材料、零件、工具或?qū)Ｓ醚b置的，通過可編程序動作來執(zhí)行種種任務(wù)的，并具有編程能力的多功能機械手”。

——美國機器人協(xié)會（RIA）機器人的定義定義三

工業(yè)機器人是“一種裝備有記憶裝置和末端執(zhí)行器的，能夠轉(zhuǎn)動并通過自動完成各種移動來代替人類勞動的通用機器”。

——日本工業(yè)機器人協(xié)會（JIRA）定義四

機器人是“一種能夠進行編程并在自動控制下執(zhí)行某些操作和移動作業(yè)任務(wù)的機械裝置”。

——美國國家標準局（NBS）機器人的定義定義五

機器人是一種自動的、位置可控的、具有編程能力的多功能機械手，這種機械手具有幾個軸，能夠借助于可編程序操作來處理各種材料、零件、工具和專用裝置，以執(zhí)行種種任務(wù)。

——國際標準組織（ISO）定義六機器人是一種自動化的機器，所不同的是這種機器具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規(guī)劃能力、動作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動化機器。——中國機器人的定義1機器人的動作機構(gòu)具有類似于人或其他生物體某些器官（肢體、感官等）的功能2機器人具有通用性，工作種類多樣，動作程序靈活易變3機器人具有不同程度的智能性，如記憶、感知、推理、決策、學(xué)習(xí)等4機器人具有獨立性，完整的機器人系統(tǒng)，在工作中可以不依賴于人的干預(yù)國際標準化組織（ISO）定義涵蓋如下內(nèi)容:機器人（Robot）一詞是1920年由捷克作家KarelCapek在他的諷刺劇《羅莎姆的萬能機器人》中首先提出的。劇中描述了一個與人類相似，但能不知疲倦工作的機器奴仆Robot。從那時起，Robot一詞就被沿用下來，中文譯成機器人。1942年美國科幻作家IsaacAsimov在他的科幻小說《我是機器人》中提出了“機器人三定律”。雖然這只是科幻小說里的創(chuàng)造，但后來成為學(xué)術(shù)界默認的研發(fā)原則。機器人的發(fā)展歷史（RobotHistory）現(xiàn)代機器人工業(yè)史上的幾個標志性事件1954年：美國人戴沃爾（G.C.Devol）制造出世界上第一臺可編程的機械手，并注冊了專利。1962年：美國AMF公司生產(chǎn)出萬能搬運（Verstran），與Unimation公司生產(chǎn)的萬能伙伴（Unimate）一樣成為真正商業(yè)化的工業(yè)機器人。1959年：戴沃爾與美國發(fā)明家英格伯格（Engerberge）聯(lián)手制造出第一臺工業(yè)機器人。成立了世界上第一家機器人制造工廠—Unimation公司。由此英格伯格被稱為“工業(yè)機器人之父”。1967年：日本川崎重工公司引進---Unimate日本豐田公司引進-------Versatran日本從此開始了對機器人的研究和制造熱潮。在20世紀60年代后期，噴漆弧焊機器人問世并逐步開始應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。1973年：世界上第一次機器人和小型計算機攜手合作，就誕生了美國CincinnatiMilacron公司的機器人T3。機器人T31979年美國Unimation公司推出通用工業(yè)機器人PUMA，這標志著工業(yè)機器人技術(shù)已經(jīng)完全成熟。PUMA至今仍然工作在工廠第一線，許多機器人技術(shù)的研究都以該機器人為模型和對象。1979年：日本山梨大學(xué)牧野洋發(fā)明了平面關(guān)節(jié)型SCARA

SelectiveComplianceAssemblyRobotArm，中文譯名:選擇順應(yīng)性裝配機器手臂，在此后的裝配作業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。1980年：日本定為機器人普及元年，贏得了“機器人王國”的美稱。1996年：本田公司推出仿人型機器人P2，使雙足行走機器人的研究達到了一個新的水平。隨后許多國際著名企業(yè)爭相研制代表自己公司形象的仿人型機器人，以展示公司的科研實力。1999年：日本索尼公司推出機器人狗愛寶(AIBO)，當即銷售一空，從此娛樂機器人成為目前機器人邁進普通家庭的途徑之一。2002年：美國iRobot公司推出了吸塵器機器人Roomba，是目前世界上銷量最大、最商業(yè)化的家用機器人。2006年：微軟公司推出MicrosoftRoboticsStudio，機器人模塊化、平臺統(tǒng)一化的趨勢越來越明顯，比爾·蓋茨預(yù)言，家用機器人很快將席卷全球。

我國工業(yè)機器人的發(fā)展狀況

我國工業(yè)機器人起步于20世紀70年代初期,經(jīng)過30多年的發(fā)展,大致經(jīng)歷了3個階段:70年代的萌芽期,80年代的開發(fā)期和90年代的適用化期。

20世紀70年代是世界科技發(fā)展的一個里程碑:人類登上了月球,實現(xiàn)了金星、火星的軟著陸。我國也發(fā)射了人造衛(wèi)星。世界范圍內(nèi)工業(yè)機器人的應(yīng)用掀起了一個高潮,尤其在日本發(fā)展更為迅猛,它補充了日益短缺的勞動力。在這種背景下,我國于1972年開始研制自己的工業(yè)機器人。

我國工業(yè)機器人的發(fā)展狀況

我國工業(yè)機器人起步于20世紀70年代初期,經(jīng)過30多年的發(fā)展,大致經(jīng)歷了3個階段:70年代的萌芽期,80年代的開發(fā)期和90年代的適用化期。

20世紀70年代是世界科技發(fā)展的一個里程碑:人類登上了月球,實現(xiàn)了金星、火星的軟著陸。我國也發(fā)射了人造衛(wèi)星。世界范圍內(nèi)工業(yè)機器人的應(yīng)用掀起了一個高潮,尤其在日本發(fā)展更為迅猛,它補充了日益短缺的勞動力。在這種背景下,我國于1972年開始研制自己的工業(yè)機器人。1987年6月,中國第一屆國際機器人展覽會在北京舉辦。北京機床所、上海機器人研究所、中科院沈陽自動化所、北京自動化所等數(shù)十家展品。

20世紀90年代初期起,我國的國民經(jīng)濟進入實現(xiàn)兩個根本轉(zhuǎn)變時期,掀起了新一輪的經(jīng)濟體制改革和技術(shù)進步熱潮。我國的工業(yè)機器人又在實踐中邁進了一大步,先后研制出了點焊、弧焊、裝配、噴漆、切割、搬運、包裝、碼垛等各種用途的工業(yè)機器人,并實施了一批機器人應(yīng)用工程,形成了一批機器人產(chǎn)業(yè)化基地,為我國機器人產(chǎn)業(yè)的騰飛奠定了基礎(chǔ)。國內(nèi)外主要的工業(yè)機器人生產(chǎn)廠商

日本的FANUC（發(fā)那科）、Yaskawa（安川）、KAWASAKI（川崎）、EPSON（愛普生）等瑞典的ABBRobotics德國的KUKARoboter美國的AdeptTechnology、AmericanRobot、S-TRobotics等意大利COMAU（柯馬）英國的AutoTechRobotics以色列的RobogroupTek公司丹麥UNIVERSALROBOTS（優(yōu)傲機器人）……新松機器人埃斯頓新時達博實埃夫特李群……機器人的概述緒論

機器人的定義及發(fā)展機器人的分類機器人的技術(shù)參數(shù)?第一代:僅具有簡單的傳感器，順序控制第二代:裝有各種類型的傳感器，80年代第三代:智能型機器人(如自律行走機器人)，90年代第四代：情感型機器人，21世紀社會需求是機器人發(fā)展的動力；科技進步是機器人發(fā)展的支柱。機器人的分類產(chǎn)業(yè)用Robot服務(wù)機器人ServerRobot農(nóng)業(yè)用Robot無人收割機、水果收獲機林業(yè)用Robot自動剪枝機、除草機工業(yè)用Robot焊接、噴漆、裝配、檢測等看護Robot急救用Robot清掃Robot家庭用Robot娛樂Robot人類共存型Robot(EvolvingTogether:Man&Robots）特殊環(huán)境Robot原子爐的檢修、深海打撈、防暴、宇宙探測按用途分類而我們要學(xué)習(xí)的是工業(yè)機器人（IndustrialRobot：IR）即在工業(yè)自動化生產(chǎn)線，無人制造車間等應(yīng)用的機器人。機器人應(yīng)用情況，是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標志。

機器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動，而是綜合了人的特長和機器特長的一種擬人的電子機械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機器可長時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機器的進化過程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)備，也是先進制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動化設(shè)備。沒有機器人，人將變?yōu)闄C器；有了機器人，人仍然是主人。工業(yè)機器人的分類

機器人手臂是由桿件和運動副構(gòu)成的。工業(yè)機器人手臂的關(guān)節(jié)常為單自由度主動運動副，即每一個關(guān)節(jié)均由一個驅(qū)動器驅(qū)動。

運動副由平移副P（Prismaticpair）、回轉(zhuǎn)副和旋轉(zhuǎn)副R（Revolute）兩種。回轉(zhuǎn)副桿件繞中心作360°以上的旋轉(zhuǎn)運動,旋轉(zhuǎn)副做360°以下。按坐標形式來分：按照P和R的不同組合，可以有直角坐標型、圓柱坐標型、極坐標型、關(guān)節(jié)型和SCARA型五種機器人。1.直角坐標式（Cartesiancoordinates）三個移動關(guān)節(jié)，3P。作業(yè)領(lǐng)域：立方體。特點：結(jié)構(gòu)簡單，定位精度高，運動直觀，但占地面積大，慣性大，

靈活性差。因穩(wěn)定性好，適用于大負荷搬送。直角坐標機器人的工作空間示意圖

美國BROWN-SHARPE三坐標測量機2.圓柱坐標式（Cylindricalcoordinates）一個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)1R和兩個移動2P關(guān)節(jié)。作業(yè)領(lǐng)域：圓柱體特點：結(jié)構(gòu)簡單，運動直觀，占地面積小，價廉，應(yīng)用廣泛。（Versatran)圓柱坐標機器人的工作范圍

3.極坐標式（Polarcoordinates）一個轉(zhuǎn)動，一個俯仰，2R，一個移動關(guān)節(jié)1P，作業(yè)領(lǐng)域：球體。特點：動作靈活，占地面積小，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，定位精度低，運動直觀性差。(Unimate）又稱為球坐標機器人球坐標機器人的工作范圍

4.關(guān)節(jié)坐標式（Articulatedcoordinates）由立柱，大臂，小臂組成。大臂與立柱為肩關(guān)節(jié)，大臂與小臂肘關(guān)節(jié)。1個轉(zhuǎn)動，2個俯仰，3R。作業(yè)領(lǐng)域：球體。特點：工作范圍大，動作靈活，能抓取靠近機身的物體，應(yīng)用廣泛。垂直多關(guān)節(jié)圖

1.18PUMA機器人工作范圍

(a)頂視圖;(b)側(cè)視圖5.SCARA型（SelectiveComplianceAssemblyRobotArm）具有平行的肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)，且關(guān)節(jié)軸線共面。一般有4個自由度。特點：在垂直平面內(nèi)具有很好的剛度，在水平面內(nèi)具有較好的柔順性。

動作靈活，速度快，定位精度高，常用于裝配。Adept1型SCARA型機器人運動速度可達10m/s，比一般關(guān)節(jié)型機器人快數(shù)倍。水平多關(guān)節(jié)

平面關(guān)節(jié)機器人的工作空間

6.并聯(lián)機器人機器人由基板、電機罩、旋轉(zhuǎn)軸、主機械臂、副機械臂、抓具中心等組成。串聯(lián)機器人就像人的一個手拿東西，而并聯(lián)機器人就相當于兩個手一起端東西。串聯(lián)機器人研究得較為成熟，具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低，控制簡單等優(yōu)點，已成功應(yīng)用于很多領(lǐng)域，如各種機床，裝配車間等。并聯(lián)機器人的研究與串聯(lián)機器人相比起步較晚，還有很多理論問題沒有解決。但由于并聯(lián)機器人具有剛度大，承載能力強，精度高，末端件慣性小等優(yōu)點，在高速，大承載能力的場合，與串聯(lián)機器人相比具有明顯優(yōu)勢。已有很多成功應(yīng)用的案例。比如運動模擬器，delta機器人等。MobileRobot總結(jié)：機器人的結(jié)構(gòu)形式由用途決定，即由所完成工作的性質(zhì)選取。機器人的概述緒論

機器人的定義及發(fā)展工業(yè)機器人的分類機器人的技術(shù)參數(shù)?工業(yè)機器人的技術(shù)參數(shù)(specifications)

1.自由度(DegreeofFreedom：DOF)

具有的獨立坐標軸運動的數(shù)目。一般以沿軸線的移動和繞軸轉(zhuǎn)動的獨立運動數(shù)來表示（末端執(zhí)行器的動作不包括在內(nèi)）。位置和姿態(tài)：6個自由度，X,Y,Z和繞3軸的轉(zhuǎn)動，完成定位和定向

自由度是表示機器人動作靈活程度的參數(shù)，自由度越多越靈活。工業(yè)機器人的自由度一般在3～6個之間。冗余與非冗余機器人對于完成三維空間任務(wù)的機器人，其自由度≤6，該機器人為非冗余機器人；

其自由度＞6，該機器人為冗余機器人。

冗余機器人是一個相對的概念：只要機器人的自由度數(shù)＞機器人所需完成任務(wù)操作空間的維數(shù)。

一個機器人有4個自由度，讓其在一個平面內(nèi)完成任務(wù)，請問該機器人是否冗余？圖所示的機器人，臂部在xO1y面內(nèi)有三個獨立運——升降(L1)、伸縮(L2)、和轉(zhuǎn)動(Φ1)，腕部在xO1y面內(nèi)有一個獨立的運動——轉(zhuǎn)動(Φ2)。機器人手部位置需要一個獨立變量——手部繞自身軸線O3C的旋轉(zhuǎn)Φ3。2.精度：定位精度和重復(fù)定位精度重復(fù)定位精度：重復(fù)定位于同一目標的能力，機器人連續(xù)重復(fù)運動若干次，位置的分散情況，是一個統(tǒng)計值平均值。定位精度：實際位置與目標位置的差異工業(yè)機器人的精度一般用重復(fù)定位精度來表示

手臂末端or手腕中心所能到達的所有點的集合。不包括手爪或工具本身所能到達的區(qū)域。3.工作范圍