項目(xiàngmù)一、機器人系統：一、什么是機器人？二、機器人的發展歷史，概念、分類。三、工業機器人的特點？四、工業機器人系統的構成？（本體(běntǐ)、控制器、輔助）五、大眾機器人系統。（電器、機械）1精品資料我們(wǒmen)見過的機器人？？？2精品資料機器人（Robot）是自動執行工作的機器裝置。直接(zhíjiē)接受人類指揮。運行預先編排的程序。根據以人工智能技術制定的原則綱領行動。任務是協助或取代人類工作的工作，例如：生產業、建筑業，或是危險的工作環境。機器人整合了控制論、機械電子、計算機、材料和仿生學的產物。目前在工業、醫學、農業、建筑業甚至軍事等領域中均有重要用途。

一、什么(shénme)是機器人？應該說國際標準化組織(ISO)給出的機器人定義較為全面和準確，其定義涵蓋如下內容：(1)機器人的動作機構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、學習等。(4)機器人具有獨立性，完整的機器人系統在工作中可以不依賴于人的

干預。3精品資料智能，指感覺和感知，包括記憶、運算、比較、鑒別、判斷、決策、學習和邏輯推理等；機能(jīnéng)，指變通性、通用性或空間占有性等；物理能，指力、速度、連續運行能力、可靠性、聯用性、壽命等。因此，可以說機器人是具有生物功能的三維空間坐標機器。1962年-1963年傳感器的應用提高了機器人的可操作性。人們試著在機器人上安裝各種各樣的傳感器，包括1961年恩斯特采用的觸覺傳感器，托莫維奇和博尼1962年在世界上最早的“靈巧手”上用到了壓力傳感器，而麥卡錫1963年則開始在機器人中加入視覺傳感系統，并在1965年，幫助MIT推出了世界上第一個帶有視覺傳感器，能識別并定位積木的機器人二、機器人能力(nénglì)的評價標準：4精品資料三、中國(zhōnɡɡuó)歷史上的機器人：指南車：傳說遠古時蚩尤與炎帝交戰，蚩尤施法降霧，使人不辨方向，打敗了炎帝。炎帝向黃帝求援，黃帝便制造出指南車，在霧中也能指示(zhǐshì)方向，于是就打敗了蚩尤。西周時期，我國的能工巧匠偃師就研制出了能歌善舞的伶人，這是我國最早記載的機器人。春秋后期，我國著名的木匠魯班，在機械方面也是一位發明家，據《墨經》記載，他曾制造過一只木鳥，能在空中飛行“三日不下”，體現了我國勞動人民的聰明智慧。5精品資料木牛流馬：后漢(HòuHàn)三國時期，蜀國丞相諸葛亮成功地創造出了“木牛流馬”，并用其運送軍糧，支援前方戰爭。三、中國(zhōnɡɡuó)歷史上的機器人：計里鼓車：1800年前的漢代，大科學家張衡不僅發明了地動儀，而且發明了計里鼓車。計里鼓車每行一里，車上木人擊鼓一下，每行十里擊鐘一下。6精品資料現代機器人的研究始于20世紀中期，其技術背景是計算機和自動化的發展，以及原子能的開發利用。

自1946年第一臺數字電子計算機問世以來，計算機取得了驚人的進步，向高速度、大容量、低價格(jiàgé)的方向發展。

大批量生產的迫切需求推動了自動化技術的進展，其結果之一便是1952年數控機床的誕生。與數控機床相關的控制、機械零件的研究又為機器人的開發奠定了基礎。

另一方面，原子能實驗室的惡劣環境要求某些操作機械代替人處理放射性物質。四、現代(xiàndài)機器人發展史7精品資料20世紀50年代以后，美國橡樹嶺國家實驗室開始研究能搬運核原料的遙控操縱機械手。這是一種主從型控制系統，系統中加入(jiārù)力反饋，可使操作者獲知施加力的大小，主、從機械手之間有防護墻隔開，操作者可通過觀察窗或閉路電視對從機械手操作機進行有效的監視，主、從機械手系統的出現為機器人的產生以及近代機器人的設計與制造作了鋪墊。四、現代(xiàndài)機器人發展史主從機械手8精品資料在此前后，美國的戴沃爾(Ceorge.G.Devol)設想了一種可控制的機械手。1954年，他依據這一想法設計制作了世界上第一臺機器人實驗裝置，發表了“適用于重復作業的通用性工業機器人”一文，并獲得了美國專利。1959年德沃爾與美國發明家約瑟夫·英格伯格聯手制造(zhìzào)出第一臺工業機器人。隨后，成立了世界上第一家機器人制造(zhìzào)工廠——Unimation公司。由于英格伯格對工業機器人的研發和宣傳，他也被稱為“工業機器人之父”。五、現代(xiàndài)機器人發展史9精品資料這種機器人是將數控機床的伺服軸與遙控操縱器的連桿機構連接在一起(yīqǐ)，預先設定的機械手動作經編程輸入后，系統就可以離開人的輔助而獨立運行。這種機器人還可以接受示教而完成各種簡單的重復動作。示教過程中，機械手可依次通過工作任務的各個位置，這些位置序列全部記錄在存儲器內。在任務的執行過程中，機器人的各個關節在伺服驅動下依次再現上述位置，故這種機器人的主要技術功能被稱為可編程和示教-再現功能。五、現代(xiàndài)機器人發展史10精品資料機器人發展分成(fēnchénɡ)2條線路：工業機器人特種機器人五、現代(xiàndài)機器人發展史1954年第一臺機器人誕生1967年日本成立了人工手研究會（現改名為仿生機構研究會），同年召開了日本首屆機器人學術會。1970年在美國召開了第一屆國際工業機器人學術會議。以后，機器人的研究得到迅速廣泛的普及。1980年，工業機器人才真正在日本普及，故日本稱該年為“機器人元年”。至2008年底，世界各地已經部署了100萬臺各種工業機器人。日本每萬名工人擁有295臺工業機器人，居世界之首。11精品資料五、現代(xiàndài)機器人發展史工業機器人：所謂工業機器人就是面向工業領域的多關節機械手或多自由度機器人。聯合國標準化組織采納了美國機器人協會給機器人下的定義：一種可編程和多功能的，用來搬運材料、零件、工具的操作機；或是為了執行不同的任務而具有可改變(gǎibiàn)和可編程動作的專門系統。工業機器人的發展主要體現在以下方面：（1）機器人機械結構：通過有限元分析、模態分析及仿真設計等現代設計方法的運用，機器人操作機已實現了優化設計。以德國KUKA公司為代表的機器人公司，已將機器人并聯平行四邊形結構改為開鏈結構，拓展了機器人的工作范圍，加之輕質鋁合金材料的應用，大大提高了機器人的性能。此外采用先進的RV減速器及交流伺服電機，使機器人操作機幾乎成為免維護系統。

12精品資料（2）并聯機器人：采用并聯機構，利用機器人技術，實現高精度測量及加工，這是機器人技術向數控技術的拓展，為將來實現機器人和數控技術一體化奠定了基礎。意大利COMAU公司，日本FANUC等公司已開發出了此類產品（3）控制系統：控制系統的性能進一步提高，已由過去控制標準的6軸機器人發展(fāzhǎn)到現在能夠控制21軸甚至27軸，并且實現了軟件伺服和全數字控制。人機界面更加友好，基于圖形操作的界面也已問世。編程方式仍以示教編程為主，但在某些領域的離線編程已實現實用化。（4）傳感系統：激光傳感器、視覺傳感器和力傳感器在機器人系統中已得到成功應用，并實現了焊縫自動跟蹤和自動化生產線上物體的自動定位以及精密裝配作業等，大大提高了機器人的作業性能和對環境的適應性。日本KAWASAKI、YASKAWA、FANUC和瑞典ABB、德國KUKA、REIS等公司皆推出了此類產品。13精品資料

（5）網絡通信功能：日本YASKAWA和德國KUKA公司的最新機器人控制器已實現了與Canbus、Profibus總線及一些網絡的聯接，使機器人由過去的獨立應用向網絡化應用邁進了一大步，也使機器人由過去的專用設備向標準化設備發展。

（6）可靠性：由于微電子技術(jìshù)的快速發展和大規模集成電路的應用，使機器人系統的可靠性有了很大提高。過去機器人系統的可靠性MTBF一般為幾千小時，而現在已達到5萬小時，幾冬天可以滿足任何場合的需求。14精品資料特種(tèzhǒng)機器人：隨著人類的活動領域不斷擴大，機器人應用也從制造領域向非制造領域發展。像海洋開發、宇宙探測、采掘、建筑、醫療、農林業、服務、娛樂等行業都提出了自動化和機器人化的要求。這些行業與制造業相比，其主要(zhǔyào)特點是工作環境的非結構化和不確定性，因而對機器人的要求更高，需要機器人具有行走功能，對外感知能力以及局部的自主規劃能力等，促進了機器人技術向智能化方向發展。（1）水下機器人：美國的AUSS、俄羅斯的MT-88、法國的“逆戟鯨”（Epaulard）等水下機器人已用于海洋石油開采，海底勘查、救撈作業、管道敷設和檢查、電纜敷設和維護、以及大壩檢查等方面，形成了有纜水下機器人（remoteoperatedvehicle）和無纜水下機器人（autonomousunderwatervehicle）兩大類。15精品資料（2）空間機器人：空間機器人一直是先進機器人的重要研究領域。目前美、俄、加拿大等國已研制出各種空間機器人。如美國NASA的空間機器人Sojourner等。Sojourner是一輛自主移動車，重量為11.5kg，尺寸630~48mm，有6個車輪，它在火星上的成功(chénggōng)應用，引起了全球的廣泛關注。Sojourner16精品資料（3）核工業用機器人：國外的研究主要集中在機構靈巧，動作準確可靠、反應快、重量輕、剛度好、便于裝卸與維修的高性能伺服手，以及半自主和自主移動機器人。已完成的典型系統，如美國ORML基于機器人的放射性儲罐清理系統、反應堆用雙臂操作器，加拿來大研制成功的輻射監測與故障診斷系統，德國的C7靈巧手等。（4）地下機器人：地下機器人主要包括采掘機器人和地下管道檢修機器人兩在類。主要研究內容為：機械結構、行走系統、傳感器及定位系統、控制系統、通信及遙控(yáokòng)技術。目前日、美、德等發達國家已研制出了地下管道和石油、天然氣等大型管道檢修用的機器人，各種采機器人及自動化系統正在研制中。成都核機器人武漢管道(guǎndào)機器人17精品資料（5）醫用機器人：醫用機器人的主要研究內容包括：醫療外科手術的規劃與仿真、機器人輔助外科手術、最小損傷外科、臨場感外科手術等。美國已開展臨場感外科（telepresencesurgery）的研究，用于戰場模擬、手術培訓、解剖教學(jiāoxué)等。法、英、意、德等國家聯合開展了圖像引導型矯形外科（telematics）計劃、袖珍機器人（biomed）計劃以及用于外科手術的機電手術工具等項目的研究，并已取得一些卓有成效的結果。18精品資料（6）建筑機器人：日本已研制出20多種建筑機器人。如高層建筑抹灰機器人、預制件安裝機器人、室內裝修機器人、地面拋光機器人、擦玻璃機器人等，并已實際應有和。美國卡內基梅隆重大學、麻省理工學院等都在進行管道挖掘和埋設機器人、內墻安裝機器人等型號的研制、并開展了傳感器、移動技術和系統自動化施工方法等基礎研究。英、德、法等國也在開展這方面的研究。

（7）軍用機器人：近年來，美、英、法、德等國已研制出第二代軍用智能機器人。其特點是采用自主控制方式，能完成偵察、作戰和后勤支援等任務，在戰場上具有看、嗅和角摸能力，能夠自動跟蹤地形和選擇道路，并且具有自動搜索、識別和消滅敵方目標的功能。如美國的Navlab自主導航車、SSV半自主地面戰車，法國的自主式快速運動偵察車（DARDS），德國MV4爆炸物處理機器人等。目前美國ORNL正在研制和開發Abrams坦克、愛國者導彈裝電池用機器人等各種用途的軍用機器人。

可以預見，在21世紀各種先進的機器人系統將會進入人類生活的各個領域，成為人類良好的助手和親密(qīnmì)的伙伴。19精品資料二、目前研究熱點及發展趨勢目前國際(guójì)機器人界都在加大科研力度，進行機器人共性技術的研究，并朝著智能化和多樣化方向發展。主要研究內容集中在以下10個方面：

1．工業機器人操作機結構的優化設計技術：探索新的高強度輕質材料，進一步提高負載/自重比，同時機構向著模塊化、可重構方向發展。

2．機器人控制技術：重點研究開放式，模塊化控制系統，人機界面更加友好，語言、圖形編程界面正在研制之中。機器人控制器的標準化和網絡化，以及基于PC機網絡式控制器已成為研究熱點。編程技術除進一步提高在線編程的可操作性之外，離線編程的實用化將成為研究重點。

3．多傳感系統：為進一步提高機器人的智能和適應性，多種傳感器的使用是其問題解決的關鍵。其研究熱點在于有效可行的多傳感器融合算法，特別是在非線性及非平穩、非正態分布的情形下的多傳感器融合算法。另一問題就是傳感系統的實用化。

4．機器人的結構靈巧，控制系統愈來愈小，二者正朝著一體化方向發展。六、現代(xiàndài)機器人研究發展方向20精品資料5．機器人遙控及監控技術，機器人半自主和自主技術，多機器人和操作者之間的協調控制，通過網絡建立大范圍內的機器人遙控系統，在有時延的情況下，建立預先顯示進行遙控等。

6．虛擬機器人技術：基于多傳感器、多媒體和虛擬現實以及臨場感技術，實現機器人的虛擬遙操作和人機交互。

7．多智能體（multi-agent）調控制技術：這是目前機器人研究的一個嶄新領域(lǐnɡyù)。主要對多智能體的群體體系結構、相互間的通信與磋商機理，感知與學習方法，建模和規劃、群體行為控制等方面進行研究。

8．微型和微小機器人技術（micro/miniaturerobotics）:這是機器人研究的一個新的領域(lǐnɡyù)和重點發展方向。過去的研究在該領域(lǐnɡyù)幾乎是空白，因此該領域(lǐnɡyù)研究的進展將會引起機器人技術的一場革命，并且對社會進步和人類活動的各個方面產生不可估量的影響，微小型機器人技術的研究主要集中在系統結構、運動方式、控制方法、傳感技術、通信技術以及行走技術等方面。

21精品資料9．軟機器人技術（softrobotics）:主要用于醫療、護理、休閑和娛樂場合。傳統機器人設計未考慮與人緊密共處，因此其結構材料多為金屬或硬性材料，軟機器人技術要求其結構、控制方式和所用傳感系統在機器人意外地與環境或人碰撞時是安全的，機器人對人是友好的。

10．仿人和仿生技術：這是機器人技術發展的最高境界，目前僅在某些方面進行一些基礎(jīchǔ)研究。22精品資料二、機器人分類(fēnlèi)機器人的分類：機器人的分類方法很多，主要有以下幾種。1、按機器手的幾何結構。2、按機器人的控制(kòngzhì)方式。3、按機器人的信息輸入方式。4、按機器人的智能程度。5、按機器人的用途。6、按機器人移動性。23精品資料1．按機械手的幾何結構來：機器人機械手的機械配置形式多種多樣。最常見的結構形式是用其坐標特性(tèxìng)來描述的。這些坐標結構包括笛卡兒坐標結構、柱面坐標結構、極坐標結構、球面坐標結構和關節式球面坐標結構等。這里簡單介紹三種最常見的機器人：柱面坐標結構球面坐標結構關節式球面坐標結構。24精品資料（1）柱面坐標機器人。柱面坐標機器人主要由垂直柱子、水平手臂（或機械手）和底座構成。水平機械手裝在垂直柱子上，能自由伸縮，并可沿垂直柱子上下運動。垂直柱子安裝在底座上，并與水平機械手一起（作為一個部件）能在底座上移動。這樣，這種機器人的工作(gōngzuò)包跡（區間）就形成一段圓柱面，如圖1.6所示。因此，把這種機器人叫做柱面坐標機器人。25精品資料（2）球面坐標機器人。這種機器人如圖1.7所示。它象坦克(tǎnkè)的炮塔一樣。機械手能夠作里外伸縮移動、在垂直平面上擺動以及繞底座在水平面上轉動。因此，這種機器人的工作包跡形成球面的一部分，并被稱為球面坐標機器人。26精品資料3）關節式球面坐標機器人。這種機器人主要由底座（或軀干）、上臂和前臂構成。上臂和前臂可在通過(tōngguò)底座的垂直平面上運動，如圖1.8所示。在前臂和上臂間，機械手有個肘關節；而在上臂和底座間，有個肩關節。在水平平面上的旋轉運動，既可由肩關節進行，也可以繞底座旋轉來實現。這種機器人的工作包跡形成球面的大部分，稱為關節式球面機器人。27精品資料2．按機器人的控制方式：按照控制方式可把機器人分為非伺服機器人和伺服控制機器人兩種。（1）非伺服機器人（Non-servorobots）。非伺服機器人工作能力比較有限，它按照預先編好的程序順序進行工作，使用位置開關、制動器、插銷板和定序器來控制機器人機械手的運動。工作原理方塊如下圖所示，插銷板用來預先規定機器人的工作順序，而且往往是可調的。定序器是一種定序開關或步進裝置，它能夠按照預定的順序接通驅動裝置的能源。驅動裝置接通能源后，就帶動機器人的手臂、腕部和抓手等裝置運動。當它們移動到由位置開關所規定的位置時，位置開關切換工作狀態，送給定序器一個“工作任務（或規定運動）業已完成”的信號，并使終端制動器動作，切斷(qiēduàn)驅動能源，使機械手停止運動。28精品資料2）伺服控制機器人（Servo-controlledrobots）。伺服控制機器人比非伺服機器人有更強的工作能力，因而價格較貴，而且在某些情況下不如簡單的機器人可靠。圖1.10表示伺服控制機器人的方塊圖。伺服系統的被控制量（即輸出）可為機器人端部執行裝置（或工具）的位置、速度、加速度和力等。通過反饋傳感器取得的反饋信號與來自給定裝置（如給定電位器）的綜合信號，用比較器加以比較后，得到誤差信號，經過放大后用以激發機器人的驅動裝置，進而帶動末端執行裝置以一定規律運動，到達規定(guīdìng)的位置或速度等。顯然，這就是一個反饋控制系統。29精品資料3．按機器人控制器的信息輸入方式：

在采用這種分類法進行分類時，對于不同國家，也略有不同，但它們能夠有統一的標準。這里主要介紹日本工業機器人協會（JIRA）、美國機器人協會（RIA）和法國工業機器人協會（AFRI）所采用的分類法。

（1）JIRA分類法

日本工業機器人協會把機器人分為六類：

第1類：手動操作手，是一種由操作人員直接進行操作的具有幾個自由度的加工裝置。

第2類：定序機器人，是按照預定的順序、條件和位置，逐步地重復執行給定的作業任務的機械手，其預定信息（如工作步驟(bùzhòu)等）難以修改。

第3類：變序機器人，它與第2類一樣，但其工作次序等信息易于修改。

第4類：復演式機器人，這種機器人能夠按照記憶裝置存儲的信息來復現原先由人示教的動作。這些示教動作能夠被自動地重復執行。

第5類：程控機器人，操作人員并不是對這種機器人進行手動示教，而是向機器人提供運動程序，使它執行給定的任務。其控制方式與數控機床一樣。

30精品資料第6類：智能機器人，它能夠采用傳感信息來獨立檢測(jiǎncè)其工作環境或工作條件的變化，并借助其自我決策能力，成功地進行相應的工作，而不管其執行任務的環境條件發生了什么變化。（2）RIA分類法：

美國機器人協會把JIRA分類法中的后四種機器當作機器人。（3）AFRI分類法

法國工業機器人協會把機器人分為四種型號：

A型：第1類，手控或遙控加工設備。

B型：包括第2類和第3類，具有預編工作周期的自動加工設備。

C型：含第4類和第5類，程序可編和伺服機器人，具有點位或連續路徑軌跡，稱為第一代機器人。

D型：第6類，能獲取一定的環境數據，稱為第二代機器人。

31精品資料4．按機器人的智能程度分

（1）一般機器人，不具有智能，只具有一般編程能力和操作功能。

（2）智能機器人，具有不同程度的智能，又可分為：

a．傳感型機器人，具有利用傳感信息（包括視覺、聽覺、觸覺、接近覺、力覺和紅外、超聲及激光等）進行(jìnxíng)傳感信息處理，實現控制與操作。

b．交互型機器人，機器人通過計算機系統與操作員或程序員進行(jìnxíng)人-機對話，實現對機器人的控制與操作。

c．自立型機器人，在設計制作之后，機器人無需人的干預，能夠在各種環境下自動完成各項擬人任務。

32精品資料5．按機器人的用途分

（1）工業機器人或產業機器人，應用在工農業生產中，主要應用在制造業部門(bùmén)，進行焊接、噴漆、裝配、搬運、檢驗、農產品加工等作業。

（2）探索機器人，用于進行太空和海洋探索，也可用于地面和地下探險和探索。

（3）服務機器人，一種半自主或全自主工作的機器人，其所從事的服務工作可使人類生存得更好，使制造業以外的設備工作的更好。

（4）軍事機器人，用于軍事目的，或進攻性的，或防御性的。它又可分為空中軍用機器人、海洋軍用機器人和地面軍用機器人。或簡稱為空軍機器人、海軍機器人和陸軍機器人。

33精品資料6．按機器人移動(yídòng)性分

（1）固定式機器人，固定在某個底座上，整臺機器人（或機械手）不能移動(yídòng)，只能移動(yídòng)各個關節。

（2）移動(yídòng)機器人，整個機器人可沿某個方向或任意方向移動(yídòng)。這種機器人又可分為輛式機器人、履帶式機器人和步行機器人，其中后者又有單足、雙足、四足、六足和八足行走機器人之分。34精品資料機器人指標：1、坐標形式。常用的坐標型式有直角坐標、圓柱坐標、球坐標、關節坐標等。

2、運動自由度數。自由度數表示機器人動作的靈活程度。通常是6個，也有少于或多于6個的。

3、各自由度的動作范圍。指各關節的活動范圍。各關節的基本動作范圍決定了機器人操作機工作．空間的形狀和大小。

4、各自由度的動作速度。指各關節的極限速度。

5、額定負載。指在規定性能(xìngnéng)范圍內，在手腕機械接口處所能承受的最大負載允許值。

6、精度。主要包括位姿精度、位姿重復性、軌跡精度、軌跡重復性等。

35精品資料1、坐標形式。常用的坐標型式有直角坐標、圓柱(yu