機器人概論介紹1.1

機器人的定義

機器人問世已有幾十年，但沒有一個統一的意見。原因之一是機器人還在發展，另一原因主要是因為機器人涉及到了人的概念，成為一個難以回答的哲學問題。也許正是由于機器人定義的模糊，才給了人們充分的想象和創造空間。

美國機器人協會（RIA)：一種用于移動各種材料、零件、工具或專用裝置的，通過程序動作來執行各種任務，并具有編程能力的多功能操作機。美國家標準局：一種能夠進行編程并在自動控制下完成某些操作和移動作業任務或動作的機械裝置。

1.機器人的定義、發展歷史及分類

1987年國際標準化組織(ISO)對工業機器人的定義：“工業機器人是一種具有自動控制的操作和移動功能，能完成各種作業的可編程操作機。日本工業標準局：一種機械裝置，在自動控制下，能夠完成某些操作或者動作功能。

英國：貌似人的自動機，具有智力的和順從于人的但不具有人格的機器。

中國：我國科學家對機器人的定義是：“機器人是一種自動化的機器，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、規劃能力、動作能力和協同能力，是一種具有高度靈活性的自動化機器”。1.機器人的定義、發展歷史及分類1.1機器人的分類機器人的種類很多。可以按驅動形式、用途、結構和智能水平等觀點劃分

（1）按驅動形式

氣壓驅動

液壓驅動

電驅動

交流伺服驅動

直流伺服驅動

（2）按用途劃分（應用領域）

1）工業機器人弧焊機器人點焊機器人搬運機器人裝配機器人噴涂機器人拋光機器人

盡管各國定義不同，但基本上指明了作為“機器人”所具有的二個共同點：是一種自動機械裝置，可以在無人參與下，自動完成多種操作或動作功能，即具有通用性。

可以再編程，程序流程可變，即具有柔性(適應性）。

機器人集中了機械工程、材料科學、電子技術、計算機技術、自動控制理論及人工智能等多學科的最新研究成果，代表了機電一體化的最高成就，是當代科學技術發展最活躍的領域之一。未來的趨勢是從柔性，可編程發展到感知和智能！(視覺，力反饋，超聲傳感器)1.機器人的定義、發展歷史及分類61.2

機器人的發展歷史1920年，捷克作家卡雷爾·卡佩克發表了科幻劇本《羅薩姆的萬能機器人》。卡佩克在劇本中把捷克語“Robota”寫成了“Robot”，引起了大家的廣泛關注，被當成了機器人一詞的起源。1950年,美國作家埃薩克·阿西莫夫在科幻小說《I，Robot》中首次使用了“Robotics”，即“機器人學”。阿西莫夫提出了“機器人三原則”1、機器人不應傷害人類,且在人類受到傷害時不可袖手旁觀；2、機器人應遵守人類的命令，與第一條違背的命令除外；3、機器人應能保護自己，與第一條相抵觸者除外。

機器人學術界一直將這三原則作為機器人開發的準則，阿西莫夫因此被稱為“機器人學之父”。（軍用戰爭機器人是違反機器人三原則）1.機器人的定義、發展歷史及分類1954年，美國人GeorgeC.Devol提出了第一個工業機器人方案并在1956年獲得美國專利。

1960年，Conder公司購買專利并制造了樣機。

1961年，Unimation公司（通用機械公司）成立，生產和銷售了第一臺工業機器“Unimate”，即萬能自動之意。1962年，A.M.F.（機械與鑄造）公司，研制出一臺數控自動通用機，取名“Versatran”，即多用途搬運之意，并以“IndustrialRobot”為商品廣告投入市場。

1.機器人的定義、發展歷史及分類1967年，Unimation公司第一臺噴涂用機器人出口到日本川崎重工業公司。1968年，第一臺智能機器人Shakey在斯坦福研究所誕生。

1972年，IBM公司開發出直角坐標機器人。

1973年，CincinnatiMilacron公司推出T3型機器人。

1978年，第一臺PUMA機器人在Unimation公司誕生。1982年，Westinghouse公司兼并Unimation公司，隨后又賣給了瑞士的Staubli公司。

1990年，CincinnatiMilacron公司被瑞士ABB公司兼并。1.機器人的定義、發展歷史及分類日本、西歐各國、前蘇聯也相斷引進或自行研制工業機器人。60～70年代是機器技術獲得巨大發展的階段。80年代，機器人在發達國家的工業中大量普及應用，如焊接、噴漆、搬運、裝配。并向各個領域拓展，如航天、水下、排險、核工業等，機器人的感知技術得到相應的發展，產生第二代機器人。二十世紀機器人技術在發達國家應用更為廣泛，如軍用、醫療、服務、娛樂等領域，并開始向智能型（第三代）機器人發展。

隨著機器人技術的發展形成了新學科—機器人學。建立了相應學術組織，定期舉辦學術活動。國際會議：ISIP、IEEE——IROS、ICRA等。國際雜志：《RobticsResearch》、《Industrialrobot》、

IEEEtransaction

on《RoboticsandAutomation》等。1.機器人的定義、發展歷史及分類我國機器人技術起步較晚，70年代末，一些院校和企業，開始研制專用機械手，80年代初，開發小型的教育機器人。1985年哈工大研制出國內第一臺弧焊機器人（華宇Ⅰ號）。

國家“863”計劃把機器人技術作為重點發展技術來支持。建立了“機器人示范工程中心”和機器人國家開放實驗室（沈陽自動化所、哈工大、合肥機械所、上海交大、南開大學）。目前國內從事機器人產業化的公司有：新松、埃夫特、廣數、埃斯頓、青島創想、嘉興瑞宏、上海沃迪、東莞啟帆等數十家企業

我國也建立了機器人學的學術組織，定期舉辦學術活動。學術會議：每兩年左右去辦一次大型全國性會議。學術刊物：《機器人》、《機器人技術與應用》等。1.機器人的定義、發展歷史及分類1.3機器人的分類機器人的種類很多。可以按驅動形式、用途、結構和智能水平等觀點劃分

（1）按驅動形式

氣壓驅動

液壓驅動

電驅動

交流伺服驅動

直流伺服驅動

（2）按用途劃分（應用領域）

1）工業機器人弧焊機器人點焊機器人搬運機器人裝配機器人噴涂機器人拋光機器人1.機器人的定義、發展歷史及分類點焊（汽車行業）弧焊（汽車零部件、工程機械、船舶行業）激光加工（汽車零部件、鋼鐵）碼垛（石化、糧食、冶金）機床上下料（機加工）鑄件打磨（鑄造，機加工）分揀包裝（食品、醫藥）噴涂（汽車、潔具、玩具）澆鑄（鑄造，汽車零部件）——惡劣、繁重、潔凈、高精度等場合工業機器人1.機器人的定義、發展歷史及分類

2）特種機器人空間機器人水下機器人軍用機器人教學機器人

服務機器人

醫用機器人

排險救災機器人

固定式移動式輪式履帶式足式蛇行1.機器人的定義、發展歷史及分類“雙鷹”水下機器人蛟龍號“探索者號”水下機器人MER火星漫游車Marshod火星漫游車CanadaArm太空機械臂特種機器人（一）空間機器人——水下機器人——1.機器人的定義、發展歷史及分類美國“別動隊”無人機法國“紅隼”無人機微型無人機特種機器人（二）美國軍用運輸機器人“徘徊者”偵察機器人（美）“手推車”排爆機器人（英

）機器人助手（美）軍用機器人——1.機器人的定義、發展歷史及分類特種機器人（三）足球機器人AIBO機器狗指揮機器人迎賓機器人導盲機器人跳舞機器人醫療機器人服務機器人——娛樂機器人——1.機器人的定義、發展歷史及分類室外保安機器人排爆機器人（德）消防機器人防暴機器人（中）排險救災機器人——特種機器人（四）管內機器人隧道鑿巖機器人大型噴漿機器人工程用機器人——1.機器人的定義、發展歷史及分類3、按智能水平劃分分類名稱簡要解釋人工操作裝置有幾個自由度，有操作員操縱，能實現若干預定的功能。固定順序機器人按預定的不變順序及條件，依次控制機器人的機械動作。可變順序機器人按預定的順序及條件，依次控制機器人的機械動作。但順序和條件可作適當改變。示教再現型機器人通過手動或其它方式，先引導機器人動作，記錄下工作程序，機器人則自動重復進行作業。數控型機器人不必使機器人動作，通過數值、語言等為機器人提供運動程序，能進行可變程伺服控制。感知型機器人利用傳感器獲取的信息控制機器人的動作。機器人對環境有一定的適應性。智能機器人機器人具有感知和理解外部環境的能力，即使環境發生變化，也能夠成功的完成任務。第一代第二代第三代1.機器人的定義、發展歷史及分類2

機器人的優缺點2.2、缺點替代了工人，由此帶來經濟和社會問題；缺乏應急能力；

靈活性、自適應能力還欠缺；設備費用開銷較大。2.1、優點能不知疲倦、不厭其煩的持續工作，不會有心理問題；具有比人更高的精確度、速度；可以同時相應多個激勵或處理多項任務；可以在危險環境下工作，無需考慮生命保障或安全需要；無需舒適的環境，如照明、空調、噪音隔離等；其感知系統及其附屬設備具有某些人類所不具有的能力。這一點已經不存在了增加智能和感知能力，完善安全機制增加智能和感知能力部件、整機、周邊設備成本降低3

機器人技術的發展趨勢

進入21世紀，由于人工智能、計算機科學、傳感器技術的長足進步，使機器人技術研究在高水平上進行。機器人在工業、農業、商業、旅游業、醫療、公共安全、空間和海洋以及國防等諸多領域獲得越來越普遍的應用。未來機器人技術將有待于在以下方面發展。3.1、機器人機構新型機器人機構：新型驅動與傳動，新型材料，柔性臂，冗余自由度臂，人工肌肉。

仿人與仿生機構：緊湊型多自由度機構，非結構環境的特殊移動機構；

極限環境下的機器人機構：如空間、水下等。

微型機構：微納驅動、微納操作。3.2感覺技術各種新型傳感器的開發及其小型化；主動視覺與高速運動視覺；多傳感器系統與多信息融合；惡劣工況下的傳感技術；3.3控制技術先進控制理論；分組協調控制與群控；人機交互（虛擬現實、遙操作和人機合作）；基于傳感信息的規劃與導航；機器智能（自主操作、自主控制、自我學習）；多智能體系統。3

機器人技術的發展趨勢4

機器人的組成、構型及性能要素4.1

機器人的組成

機器人是一個高度自動化的機電一體化設備。從控制觀點來看，機器人系統可以分成四大部分：機器人執行機構、驅動裝置、控制系統、感知反饋系統。內部傳感器（位形檢測）控制系統驅動裝置外部傳感器（環境檢測）處理器關節控制器感知反饋系統執行機構工作對象

執行機構實現預期的動作或操作；相當于人的肢體。驅動裝置為執行機構提供動力；相當于人的肌肉、筋絡。感知反饋系統檢測執行機構位置、速度等信息以及機器人所處的環境信息；相當于人的感官和神經。控制系統進行任務及信息處理，并給出控制信號；相當于大腦和小腦。機器人執行機構驅動裝置控制系統感知系統手部腕部臂部腰部電驅動裝置液壓驅動裝置氣壓驅動裝置處理器關節伺服控制器內部傳感器外部傳感器

基座（固定或移動）4

機器人的組成、構型及性能要素4.2

機器人的構型

機器人的機械配置形式即構型多種多樣。最常見的構型是用其坐標特性來描述的。4.2.1工業機器人

(1)直角坐標型(3P)

其運動是解耦的，控制簡單。但運動靈活性較差，自身占據空間最大。4

機器人的組成、構型及性能要素(2)圓柱坐標型(R2P)

其運動耦合性較弱，控制也較簡單，運動靈活性稍好。但自身占據空間也較大。圓柱坐標型機器人模型Verstran機器人Verstran機器人4

機器人的組成、構型及性能要素(3)極坐標型（也稱球面坐標型）(2RP)

其運動耦合性較強，控制也較復雜。但運動靈活性好。占自身據空間也較小。極坐標型機器人模型Unimate機器人4

機器人的組成、構型及性能要素(4)關節坐標型(3R-6R)

其運動耦合性強，控制較復雜。但運動靈活性最好，自身占據空間最小。關節型搬運機器人關節型焊接機器人關節型機器人模型4

機器人的組成、構型及性能要素ER3A-C10/C60最大臂展：630mmER20-C10最大臂展：2722mm(5)平面關節型(SCARA)

僅平面運動有耦合性，控制較通用關節型簡單。但運動靈活性更好，鉛垂平面剛性好。SCARA型裝配機器人4

機器人的組成、構型及性能要素EFORTSCARA最大臂展：750mm(6)仿生型根據所仿對象的運動特征而定。自由度一般較多，具有更強的適應性和靈活性，但控制更復雜，成本更高，剛性較差。類人型機器人仿狗機器人蛇形機器人(特種機器人)

4

機器人的組成、構型及性能要素仿禽機器人仿魚機器人仿鳥機器人六足漫游機器人4

機器人的組成、構型及性能要素4

機器人的組成、構型及性能要素EFORTSCARA最大臂展：750mmDelta直徑1000

高度270mmER50-C20最大臂展：2146mmER3A-C10/C60最大臂展：630mmER10L-C10最大臂展：2022mmER20-C10最大臂展：2722mm機床上下料噴釉分揀3C裝配4

機器人的組成、構型及性能要素ER400-C20最大臂展：3662mmER165C-C10最大臂展：2618mmER210-C40最大臂展：2674mmER180-C204最大臂展：3150mm搬運打磨碼垛電焊ER130-C204最大臂展：2800mmER210A-C20最大臂展：2618mm4.3

機器人的性能要素與術語

自由度數衡量機器人適應性和靈活性的重要指標，一般等于機器人的關節數。機器人所需要的自由度數決定與其作業任務。

負荷能力機器人在滿足其它性能要求的前提下，能夠承載的負荷重量。

運動范圍（工作空間）機器人在其工作區域內可以達到的最大距離。它是機器人關節長度和其構型的函數。

運動速度單關節速度；合成速度。4

機器人的組成、構型及性能要素不同行業對不同性能指標有側重點34

控制模式引導或點到點示教模式；連續軌跡示教模式；離線編程模式；自主模式。

其它動態特性如穩定性、柔順性等。

重復定位精度指機器人重復到達指定點的精確程度。它與機器人機械本體精度直接相關（減速機間隙、結構間隙）。

軌跡精度指機器人末端合成軌跡的精確程度。它與機器人機械本體精度、控制系統響應能力直接相關4

機器人的組成、構型及性能要素5.1