第1章 绪论

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2019/09/02 发布于 教育 分类

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1. 机器人引论 第1章 绪论
2. 第1章 绪论 o o o o o o o 1.1 机器人简介 1.2 机器人的发展历史 1.3 机器人的基本结构 1.4 机器人的分类 1.5 机器人的应用 1.6 机器人学的研究内容 1.7 机器人学的国内外研究现状
3. 1.1 机器人简介 1.1.1 机器人的由来 o “机器人”一词最早出现于1920年捷克剧作家卡 雷尔·凯培克(Karel Kapek)一部幻想剧《罗 萨姆的万能机器人》(《Rossums Universal Robots》)中,“Robot”是由斯洛伐克语 “Robota”衍生而来的。 o 1950年,美国科幻小说家加斯卡·阿西莫夫 (Jassc Asimov)在他的小说《我是机器人》 中,提出了著名的“机器人三守则”,即:
4. n 1. 机器人不能危害人类,不能眼看人类受害而 袖手旁观; n 2. 机器人必须服从于人类,除非这种服从有害 于人类; n 3. 机器人应该能够保护自身不受伤害,除非为 了保护人类或者人类命令它作出牺牲。 o 这三条守则给机器人赋以伦理观。至今,机器 人研究者都以这三个原则作为开发机器人的准 则。
5. o 世界上第一台机器人于1954年诞生于美国,乔 治·戴沃尔(George Devol)设想了一种可控制 的机械手,并设计制作出世界上第一台机器人 实验装置。1962年,美国万能自动化公司 (Unimation)制作出Unimate机器人。它是世 界上第一代工业机器人,并在美国通用汽车公 司(GM)投入使用。从而,机器人开始成为人 类生活中的现实。
6. 1.1.2 机器人的定义 o 目前,虽然机器人已被广泛应用,但世界上对机器 人还没有一个统一、严格、准确的定义,不同国家、 不同研究领域给出的定义不尽相同。尽管定义的基 本原则大体一致,但仍然有较大区别。国际上主要 有以下几种: o 美国机器人协会(RIA)的定义:机器人是“一种 用于移动各种材料、零件、工具或专用装置的,通 过可编程的动作来执行种种任务的并具有编程能力 的多功能机械手”。这个定义叙述具体,更适用于 对工业机器人的定义。
7. o 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”。这也是一种比较广义的工 业机器人的定义。 o 日本工业机器人协会(JIRA)的定义:它将机器 人的定义分成两类。工业机器人是“一种能够执行 与人体上肢(手和臂)类型动作的多功能机器”; 智能机器人是“一种具有感觉和识别能力,并能控 制自身行为的机器”。
8. o 英国简明牛津字典的定义:机器人是“貌似人的自 动机,具有智力的和顺从于人但不具有人格的机 器”。这是一种对理想机器人的描述,到目前为止, 尚未有与人类在智能上相似的机器人。 o 国际标准化组织(ISO)的定义:它的定义较为全 面和准确,其定义涵盖如下内容:(1)机器人的 动作机构具有类似于人或其他生物体某些器官(肢 体、感官等)的功能;(2)机器人具有通用性, 工作种类多样,动作程序灵活易变;(3)机器人 具有不同程度的智能性,如记忆、感知、推理、决 策、学习等;(4)机器人具有独立性,完整的机 器人系统在工作中可以不依赖于人的干预。
9. o 1.1.3 机器人学的研究领域 n n n n n n n n n 机械手设计; 机器人运动学和动力学; 机器人轨迹规划; 机器人驱动技术; 机器人传感器; 机器人视觉; 机器人控制; 机器人本体结构; 机器人智能等。
10. 1.2 机器人的发展历史 o 随着第一台机器人在美国的诞生,机器人就进入了 它的第一阶段的发展历程,即工业机器人时代。 o 随着工业机器人的发展,其它类型机器人也逐步涌 现出来。80年代,将具有感觉、思考、决策和动作 能力的系统称为智能机器人,这是一个概括的、含 义广泛的概念。 o 这一概念不但指导了机器人技术的研究和应用,而 且又赋予了机器人技术向深广发展的巨大空间,水 下机器人、空间机器人、空中机器人、地面机器人、 微小型机器人等各种用途的机器人相继问世。
11. o 现代拟人机器人ASIMO o 犬型机器人AIBO
12. 1.3 机器人的基本结构 o 机械手或移动车:这是机器人的主体部分,由连杆、活 动关节以及其它结构部件构成。如果没有其它部件,仅 机械手本身并不是机器人。 o 末端执行器:这就是连接在机械手最后一个关节上的部 件,它一般用来抓取物体,与其它机构连接并执行需要 的任务。机器人制造商一般不设计或出售末端执行器, 多数情况下,他们只提供一个简单的抓持器。一般来说, 机器人手部都备有能连接专用末端执行器大接口,这些 末端执行器是为某种用途专门设计的。 o 驱动器:驱动器是机械手的“肌肉”。常见的驱动器有 伺服电机、步进电机、气缸及液压缸等,也还有一些用 于某些特殊场合的新型驱动器。驱动器受控制器的控制。
13. o 传感器:传感器用来收集机器人内部状态的信息或用来 与外部环境进行通信。 o 控制器:机器人控制器与人的小脑十分相似,虽然小脑 的功能没有人的大脑功能强大,但它却控制着人的运动。 机器人控制器从计算机获取数据,控制驱动器的动作, 并与传感器反馈信息一起协调机器人的运动。 o 处理器:处理器是机器人的大脑,用来计算机器人关节 的运动,并且监督控制器与传感器协调动作。处理器通 常就是一台计算机,只不过是一种专用计算机。它也需 要拥有操作系统、程序和像监视器那样的外部设备等, 同时它在许多方面也具有与PC处理器同样的功能和局 限性。
14. o 软件:用于机器人的软件大致有三块。第一块是操作系 统,用来操作计算机;第二块是机器人软件,它根据机 器人的运动方程计算每一个关节的必要动作,然后将这 些信息传送到控制器,这种软件有多种级别,即从机器 语言到现代机器人使用的复杂高级语言不等;第三块是 例行程序集合和应用程序,它们是为了使用机器人外部 设备而开发的(例如视觉通用程序),或者是为了执行 特定任务而开发的。
15. 1.4 机器人的分类 o 按照日本工业机器人学会(JIRA)的标准,可 将机器人进行如下分类: n 第一类:人工操作机器人。由操作员操作的多自由 度装置; n 第二类:固定顺序机器人。按预定的不变方法有步 骤地依此执行任务的设备,其执行顺序难以修改; n 第三类:可变顺序机器人。同第二类,但其顺序易 于修改。 n 第四类:示教再现(playback)机器人。操作员引 导机器人手动执行任务,记录下这些动作并由机器 人以后再现执行,即机器人按照记录下的信息重复 执行同样的动作。
16. n 第五类:数控机器人。操作员为机器人提供运动程 序,并不是手动示教执行任务。 n 第六类:智能机器人。机器人具有感知外部环境的 能力,即使其工作环境发生变化,也能够成功地完 成任务。 o 美国机器人学会(RIA)只将以上第三类至第六类 视做机器人。 o 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。所谓工业机 器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度 机器人。而特种机器人则是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。
17. 1.5 机器人的应用 o 机器人最适合在那些人类无法工作的环境中工作。它们 已在许多工业部门获得广泛应用。它们可以比人类工作 得更好并且成本低廉。例如,因为焊接机器人能够更均 匀一致地运动,它可以比焊接工人焊得更好。此外,机 器人无需焊接工人工作时使用护目镜、防护服、通风设 备及其必要的防护措施。因此,只要焊接工作设置由机 器人自动操作并不再改变,而且该焊接工作也不是太复 杂,那么机器人就比较适合做这样的工作并能提高生产 效率。同样,海底勘探机器人远不像人类潜水员工作时 需要太多的关注,机器人可以在水下停留更长的时间, 并潜入更深的水底而仍能承受住巨大的压力,而且它也 不需要氧气。
18. o 焊接机器人 o 我国自主研制的月球车
19. 1.6 机器人学的研究内容 o 空间结构学:空间机构在机器人中的应用体现在: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,即机器 人机构的型综合和尺寸综合。 o 机器人运动学:机器人的执行机构实际上是一个多刚体 系统,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。 o 机器人静力学:机器人与环境之间的接触会在机器人与 环境之间引起相互的作用力和力矩,这种力和力矩的输 入和输出关系在机器人控制中是十分重要的。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。
20. o 机器人动力学:机器人是一个复杂的动力学系统,要研 究和控制这个系统,首先必须建立它的动力学方程。动 力学方程是指作用于机器人各机构的力或力矩及其位置、 速度、加速度关系的方程式。 o 机器人控制技术:机器人的控制技术是在传统机械系统 的控制技术的基础之上发展起来的。两者之间无根本的 不同。但机器人控制系统也有许多特殊之处。它是有耦 合的、非线性的多变量的控制系统。其负载、惯量、重 心等随时间都可能变化,不仅要考虑运动学关系还要考 虑动力学因素,其模型为非线性而工作环境又是多变的 等。主要研究的内容有机器人控制方式和机器人控制策 略。
21. o 机器人传感器:机器人的感觉主要通过传感器来实现。 机器人所研究的传感器分为两大类:外部传感器和内部 传感器。外部传感器又包括远距离传感器(如视觉传感 器、听觉传感器等)、非接触传感器和接触传感器(如 触觉传感器、力传感器等)。它是为了对环境产生相适 应的动作而取得环境信息。内部传感器包括加速度传感 器、速度传感器、位置传感器、姿态传感器等。她是根 据指令而进行动作,检测机器人各部状态。
22. o 机器人语言:机器人语言分为通用机器人语言和专用机 器人语言。 o 通用机器人语言的种类很多,主要采用计算机语言。例 如汇编语言、FORTRAN、FORTH、BASIC、C等。随 着作业内容的复杂化,利用程序来控制机器人显得越来 越困难。为了寻求用简单的方法描述作业,控制机器人 动作,人们开发了一些机器人专用语言,如AL、VAL、 IML、PART、AUTOPASS等。
23. 1.7 机器人学的国内外研究现状 o 目前,机器人的发展已经由单纯的工业机器人走向多样 化、高智能方向。机器人技术正逐步向着具有行走能力、 多种感觉能力以及对作业环境的较强自适应能力的方面 发展。对全球机器人技术发展最有影响的国家应该是美 国和日本。美国在机器人技术的综合研究水平上仍处于 领先地位。而日本生产的机器人在数量、种类方面则居 世界首位。 o 我国的机器人技术起步较晚,大约于20世纪70年代末、 80年代初开始。20世纪90年代中期,6000米以下深水 作业机器人实验成功。以后的近10年中,在步行机器 人、精密装配机器人、多自由度关节机器人的研制等国 际前沿领域逐步缩小了与世界先进水平的差距。
24. o 目前最有影响的国际会议是IEEE每年举行的机器人学 与自动化国际会议(ICRA),此外还有国际工业机器 人会议(ISIR)和国际工业机器人技术会议(CIRT) 等。出版的相关刊物有“IEEE Transactions on Robotics”、“Robotics Research”、“Robotics and Automation”等多种。