機器人學第一章

緒

論機器人發展史早期的自動機早在1770年，美國科學家就發明了一種報時鳥，一到整點，這只鳥的翅膀、頭便開始運動，同時發出叫聲。圖1-1為報時鳥的機械結構圖，它的主彈簧驅動齒輪轉動，使活塞壓縮空氣而發出叫聲，同時齒輪轉動時帶動凸輪轉動，從而驅動翅膀、頭運動。圖1-1報時鳥簡圖1738年，Jacques

de

vaucanson在巴黎展示了一個能吹口哨的機械。它的核心結構是一個滾輪，就像現在的音樂盒一樣，其示意圖見圖1-2圖1-2吹口哨的機械機器人(Robot)一詞由一位名叫Karal

Capak的捷克斯洛伐克劇作家首先使用。在捷克語中，

Robot這個詞是指一個賦役的奴隸。在1921年Capak寫了一出戲劇，名叫《洛桑萬能機器人公司》(Rossnm’s

Universal

Robots).在這出劇中，機器人是洛桑和他兒子研制的類人的

生物，用來作為人類的奴仆。隨后，一名叫

Isaac

Asimov的科學幻想小說家使用了機器人學(Robotics)這個詞來描述與機器人有關的科學。他還提出了“機器人”的三個原則，值

得今天的機器人設計者和使用者的注意。這

三個原則的原語如下：A

robot

must

not

harm

a

human

being

orthrough

inaction

,allow

one

to

come

hA

robot

must

always

obey

human

beinunless

that

is

conflict

with

the

firA

robot

must

protect

itself

from

harunless

that

is

conflict

with

the

firsecond

laws.1.1.2近似與機器人相關的裝置

1.操作機(Manipulators)它是目前仍然大量使用的、由機械控制的操作機。它的各個關節由機械直接控制。它具有和人類手臂相似的功能，可在空間抓放物體或進行其他操作。2.遠程操作手(Teleoperators)遠程操作手又稱主從操作手，它是在操作機之后發展起來的。1966年，Edwin

Johnson最先使用了這種裝置，遠程操作手的本質是非直接相連的伺服控制的操作機，通過控制桿、輪子、控制鍵盤或其他裝置進行遙控。它們通常被用于危險的工作環境，例如海底、有輻射物質的場合或宇宙空間，由無線電天

線、光學天線甚至衛星通訊提供控制信號。

遠程操作手上一般配備有錄象機以提供視覺。

1.1.3機器人的創始1958年，被譽為“工業機器人之父”的

Joseph

F.Engel

Berger創建了世界上第一個機器人公司-Unimation公司，并參與設計了第一臺Unimate機器人。這是一臺用于壓鑄的五軸液壓驅動機器人，手臂的控制由一臺專用計算機完成。它采用分離式固體數控元件,并裝有存儲信息的磁鼓,能夠記憶完成180個工作步驟。與此同時，另一家美國公司-AMF公司也開始研制工業機器人，即Versatran機器人。他主要用于機器之間的物料運輸，采用液壓驅動。該機器人的手臂可以繞底座回轉，沿垂直方向升降，也可以沿半徑方向伸縮。一般認為Unimate和Versatran機器人是世界最早的工業機器人，其示意圖見圖1-3和圖1-4圖1-3Unimate機器人圖1-4

Versartran機器人

1-手抓的運動方向；2,3,4,5,6-各關節運動方向1.2機器人的定義國際上，關于機器人的定義主要有如下幾種：英國簡明牛津字典的定義。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”。這一定義并不完全正確，因為還不存在與人類相似的機器人在運行。這是一種理想的機器人。美國機器人協會的定義。機器人是

“一種用于移動各種材料、零件、工具或專用裝置的，通過可編程序動作來執行種種任務的，并具有編程能力的多功能機械手。盡管這一定義較實用些，但并不全面。這里指的是工業機器人。日本工業機器人協會的定義。工業機器人是“一種裝備有記憶裝置和末端執行器的，能夠轉動并通過自動完成各種移動來代替人類勞動的通用機器”。美國國家標準局(NBS)的定義。機器人是“一種能夠進行編程并在自動控制下執行某些操作和移動作業任務的機械裝置”。這也是一種比較廣義的工業機器人定義。國際標準化組織的定義?！皺C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，以執行種種任務。顯然，這一定義與美國機器人協會的定義相似。（6）關于我國機器人的定義。隨著機器人技術的發展，我國也面臨討論和制訂關于機器人技術的各項標準問題，其中包括對機器人的定義。蔣新松院士曾建議把機器人定義為“一種擬人功能的機械電子裝置”。我國可以參考各國的定義，結合我國情況，對機器人作統一的定義。上述各種定義有共同之處，即認為機器人：a：像人或人的上肢，并能模仿人的動作；

b：具有智力或感覺與識別能力；c：是人造的機器或機械電子裝置。隨著機器人的進化和機器人智能的發展，這些定義都有修改的必要，甚至需要對機器人重新定義。機器人的范疇不但要包括“由人制造的像人一樣的機器”，還應包括“由人制造的生物”，甚至包括“人造人”，盡管我們不贊成制造這種人?？磥恚緛砭蜎]有統一定義的機器人，今后更難為它下個確切的和公認的定義了！機器人的特點機器人的主要特點通用性和適應性是機器人的兩個主要的特征。1.通用性

機器人的通用性(versatility)于其幾何特性和機械能力。通用性指的是某種執行不同的功能和完成多樣的簡單任務的實際能力。通用性也意味著，機器人具有可變的集合結構，即根據生產需要進行變更的集合結構；或者說，在機械結構上許機器人執行不同的任務或以不同的方式完成同一的工作?，F有的大多數機器人都具有不同程度的通用性，包括機械手的機動性和控制系統的靈活性。必須指出，通用性不是自由度單獨決定的。增加自由度一般能提高通用性程度。不過，還必須考慮其他因素，特別是末端裝置的結構能力，如它們能否適應不同的工具等。2.適應性

機器人的適應性(adaptivity)是指其對環境的自適應的能力，即所設計的機器人能夠自我執行未經完全指定的任務，而不管任務執行過程中所發生的沒有預計到的環境變化。這一能力要求機器人認識其環境，即具有人工知覺。在這方面，機器人使用它的下述能力（1）運用傳感器測環境的能力；（2）分析任務空間和執行操作規劃的能力；（3）自動指令模式能力。迄今為止所開發的機器人知覺與人類對環境的解釋能力相比，仍然是十分有限的。這個領域內的某些重要研究工作正在進行之中。第二章

機器人基本原理2.1

機器人系統工作原理根據機器人的定義，機器人至少應具備兩部分：控制部分和直接進行工作的部分。比如應用最廣泛的弧焊機器人，具有控制系統和帶動焊槍運動的機械臂部分。控制系統通過編程的方式，決定直接工作的機械臂的運動和工作。由于是程序控制的，所以比較容易改變工作方式和任務，因此，機器人是一種具有“柔性”的機器。機器人具有人或者生物的某些功能，比如能如手臂一樣運動，能在地上行走或者在水中游。高級一點的機器可以通過傳感器了解外部環境或者“身體內在人的”狀態與變化，甚至可以做出自己的邏輯推理、判斷與決策，也就是所謂的機器人的智能行為。機器人發揮作用必須在一個作業系統之中機器人作為系統的一部分，才能發揮它的作用。由于各種不同類型的機器人不斷涌現，它們發揮作用的形式和組成的系統也在不斷變化。工業機器人作為制造系統的一部分發揮作用是最典型的。比如焊接機器人，它在工作時至少需要一個工作臺，將工作臺裝卡在上面，并運送到機器人焊接的合適位置。這樣，組成了一個簡單的機器人焊接系統，

稱為機器人焊接工作站。如果機器人組成一

個焊接生產線，則這個系統就變得更為復雜。一個機器人系統一般由機械手（執行機構）、控制器、作業對象和環境四部分組成。如圖2-1所示。圖2-1一個機器人系統的基本結構執行機構一般是一臺機械手，有些文獻中稱為操作器或操作手。多數機械手是具有六個自由度的關節式機械結構。其中三個自由度用來引導末端執行器至所需位置，另外三個自由度用來確定末端執行裝置的方向。機械臂上的末端執行裝置根據操作需要也可以換成焊槍、吸盤、扳手等其他工具。環境是指機器人在執行任務時所能達到的幾何空間，而且包含了該空間中每個事物的全部自然特性所決定的條件。在它的工作環境中，機器人會得到為完成任務所需的支持，如自動生產線會為生產線上的機器人運送工件、材料等；在運動的空間里，機器人

要設計好合理的運動路線。同時，在它的工

作環境中，也會遇到一些障礙物和其他事件，機器人必須避免與這些障礙發生碰撞，并妥

善處理好環境中發生的各種可能的事件。環

境信息一般為已知的，這種環境稱為結構環

境，但在許多情況下，環境具有未知的和不

確定性質，這種環境就稱為非結構環境?？刂破魇菣C器人系統的指揮中樞，并且負責信息處理和與人交互。它接受來自傳感器的信號，對其進行數據處理，并按照預存的信息、機器人的狀態及環境情況等，產生控制去驅動機器人執行機構的各個關節，以完成特定的動作。為此，控制器內必須具有保證它實現其功能所必須的算法與信息。機器系統的復雜程度不同，能執行的任務不同，控制器內所存放的軟件也不同。2.2機器人的分類機器人可以根據不同的標準分成很多類型。應用于不同領域的機器人不僅在用途上，而且在結構和性能上會有很大的不同。因此，按機器人的應用領域形成了不同類型的機器

人。機器人首先在制造業大規模應用，所以機器人曾被簡單的分為兩類，即用于汽車制

造業的機器人稱為工業機器人，其他的機器

人稱為特種機器人。隨著機器人應用的日益

廣泛，這種分類就顯得過于粗糙?，F在除工

業機器人外，還有服務機器人、水下機器人、空間機器人等。（1）工業機器人工業機器人也是一類機器人的總稱。依據具體應用的不同，又常常以其主要用途命名。到現在為止應用最多的是焊接機器人，包括電焊和電弧焊機器人，用途是實現自動的焊接作業；裝配機器人，比較多的用于電子部件電器的裝配；噴漆機器人，代替人進

行噴漆作業；搬運、上下料、碼垛機器人，

他們的功能都是根據一定的速度和精度要求，將物品從一處運到另一處；另外還可以列出

很多，如將金屬溶液澆到壓鑄機中的澆鑄機

器人等等。應該說，并不是只有機器人可以

完成這項工作，很多工作都可以用專門的機

器完成。機器人的優點在于它可以通過程序

的更改，方便迅速地改變工作內容或方式，

來滿足生產要求的變化。比如，改變焊縫軌

跡，改變噴漆位置，變更裝配部件或位置等

等。所以隨著對工業生產線的柔性要求越來越強，對各種機器人的需求也就越來越強。（2）服務機器人

隨著機器人技術的發展，機器人的應用領域越來越廣泛，已不再局限于傳統的制造業。出現了一個新的集合，被稱為服務機器人。我們說服務機器人是一類機器人的集合，是因為到現在為止，國際上對它還沒有一個明確的定義。它所包括的內容也比較寬，比較雜。一般說來，服務機器人是一種以自主或半自主方式運行，能為人類生活康復提供服務的機器人，或者是能對設備運行進行維護的一類機器人。目前，在非制造業的機器人也被看作是服務機器人。服務機器人往往是可以移動的，在多數情況

下，服務機器人由一個移動平臺構成，在平

臺上面裝有一只或幾只手臂，代替或協助人

完成為人類提供服務和安全保障的各種工作，如清潔、護理、娛樂和值勤等等。（3）水下機器人

水下機器人也稱為水下無人深潛器，代替人在水下這一危險的環境作業。人類借助潛水器具潛入到大海之中探秘，已有很長的歷史。然而，由于危險很大，而且費用極高。所以人類尋找代替人親自冒險的技術，水下機器人變成了人們十分關注的發展方向。（4）空間機器人

機器人技術一經出現，很自然地人們酒席望它到天上去為人們工作，于是產生了空間機器人。空間機器人是指在

大氣層內和大氣層外從事各種作業的機器人，包括在內層飛行并進行觀測、可完成多種作

業的飛行機器人，到外層空間其他星球上進

行探測作業的星球探測機器人和在各種航天

器里是使用的機器人。2.3典型機器人圖片展1.Mark

Ho制作的金屬機器人ZOHO

ARTFORM

No.1是由荷蘭的MarkHo用了6年時間來設計、手工制造的一個活動關節金屬機器人（銅和不銹鋼），直立時高43cm，重6公斤。共有920個部分組成包括85個可活動的部件。

2.日新款機器人服務生亮相2006年3月6日，日本日立公司在日本千葉縣浦安市舉行活動，公開展示其開發的新款機器人服務生。據介紹，這種新型機器人服務生高130厘米，重約70公斤，移動速度可達每小時6公里。它工作時能在1米的范圍內判斷出客人說話的方向，并能根據說話內3日本開發出護理老人機器人容用仿真的人聲回答客人的問題。這種機器人不僅具有視覺、聽覺、嗅覺等能力，而且還能背起人，旨在用于看護日本日趨增多的老年人。4微型機器人脊椎援助機器人第三章

工業機器人3.1

工業機器人概述國際上第一臺工業機器人產品誕生于20世紀60年代，當時其作業能力僅限于上、下料

這類簡單的工作。此后機器人進入了一個緩

慢的發展期，直到進入80年代，機器人產業

才得到了巨大的發展，成為機器人發展的一

個里程碑，這一時代被稱為“機器人元年”。為了滿足汽車行業蓬勃發展的需要，這個時

期開發出的點焊機器人、弧焊機器人、噴涂

機器人以及搬運機器人等四大類型的工業機

器人系列產品已經成熟，并形成產業化規模，有利地推動了制造業的發展。為進一步提高

產品質量和市場競爭能力，裝配機器人及柔

性裝配線又相繼開發成功。進入90年代以后，裝配機器人和柔性裝配技術得到了廣泛的應

用，并進入了一個大發展時期。現在。工業機器人已發展成為一個龐大的家族，并與數控、可編程控制器一起成為工業自動化的三大技術支柱和基本手段，廣泛應用于制造業的各個領域之中?？v觀世界機器人的發展史，60年代為機器人的發明和創建階段；70年代為機器人走向實用化和產業化的初級階段；80年代為機器人普及和產業化高速發展階段；90年代機器人進入智能化發展階段，機器人得到廣泛應用，并向非制造業拓展。圖3-1列出了2004-2005年美州地區各主要行業對工業機器人需求情況：圖3-13.2工業機器人結構3.2.1工業機器人定義工業機器人是機器人家族中最重要一員，也是目前在技術發展最成熟、應用最多的一類機器人。世界各國對工業機器人的定義不盡相同，但其內涵基本一致。國際標準化組織（ISO)曾于1987年對工業機器人給予了定義：“工業機器人是一種具有自動控制的操作和移動功能，能夠完成各種作業的可編程操作機”日本工業標準（JIS采用此定義，這也與美國工業機器人學會(RIA)的定義相近。在德國的標準(VDI)中，對工業機器人則給出了更為具體的定義：

“工業機器人是具有多自由度的、能進行各種動作的自動機器。它的動作是可以順序控制的。軸的關節角度或軌跡可以不靠機械調節，而由程序或傳感器加以控制。工業機器人具有執行器、工具及制造用的輔助工業，可以完成材料搬運和制造等操作”。ISO8373對工業機器人給出了更詳細、具體的定義：“機器人具備自動控制及可再編程多用途功能，機器人操作機具有3個或以上的可編程軸，在工業自動化應用中，機器人的底座可固定也可移動?！?/p>

3.2.2工業機器人系統結構工業機器人一般由兩大部分組成：一部分是機器人執行機構，也稱作機器人操作機（robot

manipulator)，它完成機器人的操作作業；另一部分是機器人控制器，它主要完成信息的獲取、處理、作業編程、規劃、控制以及整個機器人系統的管理功能。機器人控制器是機器人的核心的部分，機器人性能的優劣主要取決于控制系統的品質。機器人控制系統集中體現了各種現代高新技術和相關學科的最新進展。當然，機器人要想進行作業，除去機器人以外，還需要相應的作業機構及配套的周邊的設備，這些與機器人一起形成了一個完整的工業機器人作業系統。圖3-2給出了工業機器人的系統結構。圖3-2工業機器人系統結構圖3.2.3工業機器人操作機結構迄今為止，典型的工業機器人僅實現了人類胳膊和手的某些功能，所以機器人操作機也稱作機器人手臂或機械手，一般簡稱為機器人。機器人機構可以視為一種桿件機構，它的基本結構是機構學中的桿件（link)和運動副（pair)相互連接而構成的開式運動鏈

(open

loop

kinematics

chain)。當然也有部閉鏈或全部閉鏈的機器人。圖3-3是一個開鏈結構工業機器人。圖3-3開鏈結構的機器人由圖3-3可以看出在機器人中，連桿可稱為手臂，運動副稱作關節（joint)，關節分為平移關節和轉動關節。機器人的末端稱為手

腕(wrist)，它一般由幾個轉動關節組成。在機器人中，手臂決定機器人達到的位置，而

手腕則決定機器人的姿勢。下面詳細介紹機

器人的幾個重要概念及其典型的結構形式。（1）桿件與自由度

機器人是由桿件和連接它的關節（運動副）構成，關節由一個或多個自由度(degree

of

freedom)組成。桿件是指兩個關節之間的連桿，桿件一般有串聯桿件和并聯桿件兩類。自由度是表示機器人運動靈活的尺度，意味著獨立的單獨運動的個數。自由度分為主動自由度和被動自由度兩類，前者指該自由度能產生驅動力，而后者不能產生驅動力，只能被動地跟隨其他關節運動。圖3-4是幾種代表性的單自由度關節的符號和運動形式。圖3-4桿件和關節的構成方法大致可分為兩種。從手臂的全貌看，構成手臂的桿件和關節是

串聯的稱為串聯桿件機械手(serial

linkmanipulator)或開式鏈機械手而并聯連接的，則稱為并聯桿件機械手或閉式鏈機械手

(parallel

link

manipulator)。在圖3-4中給串聯和并聯機械手的自由度構成的例子。設可動部件的個數為n，自由度為f的關節個數為Pf，則桿件機構的自由度數F可由下式算出圖3-4手臂的形態實際上，大部分機械手是串聯桿件型的。在三維空間中的無約束物體，可以做平行于x、y、z各軸的平行運動，還可以做圍繞各軸的旋轉運動，因此它有與位置有關的3個自由度和與姿態有關的3個自由度，共6個自由度。機器人手臂為了能任意操縱物體的位置和姿態，必須最少有6個自由度。人的手臂有7個自由度，其中肩關節為3，肘關節為2，手關節為2，它比6還多，把這種比6還多的自由度稱為冗余自由度(redundantdegree

of

freedom)。人由于有這樣的冗余性在固定了指尖方向和手腕位置的情況下，可以通過旋轉肘關節來改變手臂的姿態，因此就能夠回避障礙物。決定機器人自由度的構成，必須是它能完成與目標作業相適應的動作。例如，若僅限于二維平面內的作業，有3個自由度就夠了。另外，在化學工廠這類障礙物很多的有代表性的環境中，如果是用機器人進行維修為目的，那么也許需要7個以上的自由度。（2）自由度的構成

自由度的構成方法將極大的影響機器人的可動范圍和可操作性等性能。例如，球形關節的構造，是可以向任意方向動作的3個自由度關節，它能方便的解決適應于作業的姿態。然而，由于驅動器可動范圍的限制，它很難完全實現這一功能。所以機器人通常是把3個單自由度機構串聯連接，以實現這種3個自由度的要求。另外，在進行這樣的自由度組合時，必須注意奇異點(singular

point)的存在。所謂奇點，是指由于手臂機構的約束，導致手臂姿態失掉了某特定的方向的自由度功能，加之由于這種自由度的退化，進而在奇異點的附近，關節必須做急劇的姿態變化，驅動系統將承受很大的負荷。奇異點的回避問題，主要是在手臂的軌跡控制中加以解決。所以在設計時，有效的方法是設法使自由度的構成的執行作業內容時能容易的回避奇異點。奇異點的例子如圖3-5所示，在圖中，沿箭頭方向的自由度已經退化，機械手不能沿此方向運動。圖3-5奇異點(3)動作形態的分類

手臂的主要目的是在三維空間內定位，為此，如前所述必須要3個自由度。這樣的自由度構成法，若考慮平移、旋轉、回轉三種自由度的組合，則共計存在27種，然而根據它的動作形態，代表性的自由度構成可以分成下面五種：圓柱坐標型機器人；球坐標型機器人；直角坐標型機器人；關節型機器人；并聯機器人。圓柱坐標型機器人(cylindrical

coordinrobot，見圖3-6)是由一個回轉和兩個平移的自由度組合構成；球坐標型機器人(polarcoordinate

robot，見圖3-7)是由回轉、旋轉平移的自由度組合而成。這兩種機器人由于具有中心回轉自由度，所以它們都有較大的運動范圍(motion

range)，其坐標計算也比較簡單。世界上最初實用化的工業機器人

“Versatran”和“Unimate”分別采用了圓坐標型和球坐標型的構成。圖3-6圓柱坐標型機器人圖3-7球坐標型機器人直角坐標型機器人(cartesian

coordinaterobot，見圖3-8)的自由度是獨立沿x、y、z軸的，結構簡單，精度高，坐標計算和控制也

都極為簡單。圖3-8直角坐標型機器人關節型機器人(articulated

robot)主要是轉和旋轉自由度構成，可以看成是仿人手臂的結構。它是具有肘關節的連桿關節結構。

(見圖3-9)從肘至手臂根部的部分稱為上臂

(upper

arm)，從肘到手臂(wrist)的部分稱為臂(forearm)。這種結構，對于確定三維空間上的任意位置和姿態是最有效的。它對于各種各樣的作業都有良好的適應性，但其缺點是坐標計算和控制比較復雜，且難以達到高精度。圖3-9是一般關節型機器人手臂，它采用回轉、旋轉、旋轉的自由度結構。圖3-9關節型機器人關節機器人根據其自由度的構成方法，可分成幾類。圖3-10是在標準手臂上在加上一個自由度

(冗余自由度),即所謂仿人型。圖3-10仿人關節型機器人圖3-11的手臂采用了平行四邊形連桿，并把前臂關節驅動用的電機裝在手臂的根部，可獲得更高的運動速度。圖3-11關節型機器人(平行四邊形連桿)圖3-12稱為SCARA型機器人(SelectiveCompliance

Assembly

Robot

Arm)，手臂的前端結構采用在二維空間內能任意移動的自由度，所以它具有垂直方向的剛性高、水平面內剛性低(柔順性)的特征。圖3-12

SCARA型機器人并聯機構的機器人(見圖3-13)是一種新型結構的機人，它通過各連桿的復合運動，給

出末端的運動軌跡，以完成不同類型的作業。該結構的機器人特點在于剛性好，可用來完

成數控機床的一些功能，因而也稱之為并聯

機床。目前已有這方面的樣機，它可以完成

復雜曲面的加工，是數控機床的一種新的結

構形式，也是機器人功能的一種拓展。其不

足是控制復雜，工作范圍比較小，精度也比

數控機床低一些。圖3-13并聯機構機器人以上介紹了工業機器人的一些基本結構形式和特點。圖3-14給出了常見工業機器人的結構形式和運動形態。圖3-14常見工業機器人結構形式及運動形態第四章

機器人運動學4.1引言機器人運動學主要有以下兩個基本問題：

(1)對一給定的機器人，已知桿件參數和關節變量，求末端執行器相對于給定坐標系的位置和姿態。給定坐標系為固定在大地上的笛卡兒坐標系，作為機器人的總體坐標系也稱為世界坐標系(World

Coordinate);(2)已知機器人桿件的幾何參數，給定末端執行器相對于總體坐標系的位置和姿態，確定關節變量的大小。第1個問題常稱為運動學正問題(DKP-Di-Rect

Kinematic

Problems)，第2個問題稱為動學逆問題(IKP-Inverse

Kinematic

Problem機器人手臂的關節變量是獨立變量，而末端

執行器的作業通常在總體坐標系中說明。根

據末端執行器在總體坐標系中的位姿來確定

相應各關節變量要進行運動學逆問題的求解。機器人運動學問題是解決動力學和編制機器

人運動控制系統軟件所比備的知識。4.2機器人位置與姿態的描述機器人的各桿的運動可在總體坐標系中描述，在每個桿件上建立一個附體坐標系。運動學問題便歸結為尋找聯系附體坐標系和總體坐標系的變換矩陣。4.2.1機器人坐標系變換如圖4-1，參考坐標系Oxyz是三維空間中的固定坐標系，在機器人運動中將它作為總體坐標系，把Ouvw看成是附體坐標系，也就是說它固定在機器人桿件上，并隨它一起運動?？臻g某點P在Ouvw坐標系中固定不變，點P在Oxyz和Ouvw系的坐標分別表示為：圖4-1點，上角標T為矩陣轉置符。當Ouvw系繞任一軸線轉動后，均可通過一個3x3旋轉矩陣R將原坐標變換到Oxyz系中的坐標即：(2-1)由矢量分量的定義有(2-2)分別表示P沿Ou,Ov,Ow軸的分量，或

P在各軸上的投影，利用標量積的定義和式

(2-2)可知表示在不同坐標系中的同一空間和將上式寫成矩陣形式(2-2)比較式(2-1)和式(2-2)有類似地，由坐標可求得坐標其中如果Ouvw坐標系繞Ox軸轉動,變換矩陣稱為繞Ox軸旋轉 角的旋轉矩陣，可用上述變換矩陣的概念導出，即：這時和繞Oz軸轉角的3x3類似地，繞Oy軸轉旋轉矩陣分別為矩陣稱為基本旋轉矩陣。為了表示繞Oxyz坐標系各軸的多次轉動，可把基本旋轉矩陣連乘起來。由于矩陣乘法不可交換，故完成轉動的次序是重要的。除繞Oxyz參考系的坐標軸轉動外，Ouvw坐標

系也可繞它自己的坐標軸轉動。如果Ouvw坐標系繞Oxyz坐標系的一坐標軸轉動則可對旋轉矩陣左乘相應的基本旋轉矩陣；如果Ouvw坐標系繞自己的坐標軸轉動，則可對旋轉矩陣右乘相應的基本旋轉矩陣。角，然后繞Ow軸轉角的合成旋轉矩陣。例：求表示繞Oy軸轉角，然后繞Ou軸轉解：式中其余類同。4.2.2齊次坐標和變換矩陣齊次坐標是用n+1維坐標來描述n維空間中的位置，其第n+1個分量稱為比例因子。引入齊次坐標不僅對坐標變換的數學表達帶來方便，而且具有坐標縮放的功能。對三維空間位置矢量其齊次坐標可以表示其關系如下：可以看出，直角坐標系Oxyz原點的齊次坐標為a為非零實數。齊次坐標表示Ox軸的無窮點，同理齊次坐標和分別指向Ox軸和Oz軸的無窮遠點。三維空間的位置矢量的齊次坐標表達并不是惟一的。但若將w取1，則位置矢量變換后的齊次坐標和矢量的實際坐標就相同了。在機器人的應用中總是取w為1。齊次變換矩陣是4x4矩陣，它能把一個以齊次坐標表示的位置矢量由一個坐標系映射到另一個坐標系。齊次變換矩陣T寫成以下形式在機器人的系統運動分析中，齊次變換矩陣寫成以下形式：若三維空間的位置矢量P表示成齊次坐標，，那么利用變換矩陣的概念對純轉動，3x3旋轉矩陣可擴展成４x4齊次變換矩陣(4-1)(4-2)(4-3)齊次平移矩陣Ttran使Ouvw坐標系的原點平

移到參考坐標系的[dx

dy

dz]T

點，而保持坐標軸平行。(4-4)式(4-1)至式(4-4)是基本齊次變換矩陣?；君R次變換矩陣可以相乘以求得合成齊次變換矩陣，但矩陣的乘法是不可交換的，必須注意這些矩陣的相乘的次序。也就是說：若動坐標系Ouvw繞或沿Oxyz系主軸轉動，則用相應的基本齊次陣左乘齊次變換矩陣；若動坐標系Ouvw繞或沿它自己的主軸轉動，則用相應的基本齊次旋轉矩陣右乘齊次變換矩陣。第五章

機器人學展望機器人學在過去40年中取得了迅速發展和可喜的成就。越來越多的機器人在各行各業得到應用；越來越多的機器人科技工作者從不同方向從事機器人學的研究開發和應用工作；越來越多的自然人對機器人有了比較正確的理解。機器人必將為21世紀的人類文明做出新的更大貢獻。不久前宋健指出：“機器人學的進步和應用是本世紀自動控制最有說服力的成就，是當代最高意義上的自動化。僅僅花了20年，機器人從爬行學會了兩條腿走路，成為直立機器人。機器人已能用手使用工具，能看，能聽，能用多種語言說話。它安心可靠地干最臟最累的活。機器人正雄心勃勃，準備在

21世紀進入服務業，當出租車司機，到醫院去當護士，到家庭去照顧老人，到銀行去當出納?！钡拇_，機器人學具有誘人的發展前景。本章分析機器人技術的發展現狀，展望

21世紀機器人技術的發展趨勢，探討21世紀機器人學的發展戰略。機器人技術和市場的現狀國際機器人的發展現狀及預測表5-1：1996—1998年現役工業機器人臺數及1999—2002年臺數預測國別1996199719981999200020012002日本399629412960418800433100428800433400366600美國70858771088170090700101800114800120200德國600006681773200802008840095700103800意大利25494283863150033400361003910047400法國14784156321620017200180001900020000英國875199581080012100131001420015000六大國579516610862625200666700686200716200673000奧地利24272604比、荷、58096580盧丹麥744824芬蘭14931633挪威479473西班牙國別1996199719981999200020012002西歐十國24432271813020033400371004090054000匈牙利126130波蘭646611斯洛伐克536541捷克11351163斯洛文尼亞253268東歐五國2697271329003100330035004100澳大利亞20122416韓國2464030199新加坡34893299中國臺灣省44675141亞洲四國及地區34608410554800054300613006920053600前蘇聯22000230002350024000245002500015000其他國家52256625850010900141001830015000續上表表2：1996—1998年各國新裝機器人臺數及1999—2001年每年新裝臺數預測國別199619971998199920002001日本3891442696337004331005070055800美國97091245910840907001275014700德國10425901710450802001000011000意大利3331369243903340041004400法國1697172116501720019502100英國1116179212701210016001800六大國651927137762320811008980099300奧地利245250比、荷、844971盧丹麥110130芬蘭163220挪威5267西班牙國別199619971998199920002001西歐十國331737884850460051005600匈牙利54波蘭5365斯洛伐克2525捷克7575斯洛文尼亞1515東歐五國173184200200200200澳大利亞250526韓國65915759新加坡1095中國臺灣省688753亞洲四國及地區862470381870700081009300前蘇聯10001000700100010001000其他國家140015001500260034004400總計79706848877140096500107600119800續上表近年來，機器人價格呈下降趨勢。由于機器人性能的重大改進，與勞動了的價格相比，90年代機器人的價格下降得更多，這表明現役機器人的盈利增多了。與此同時，人們認識到，把機器人應用到更多的領域將能獲得更大的利潤。預計今后機器人的標價將繼續下降，同時一些國家可能會出現勞動力短缺的現象，因而機器人的普及速度可能會比預計的還要快。從長遠來看（10—15年），機器人相對價格的進一步下降，勞動力的短缺以及人們對生產質量和生活質量更加重視，將成為機器人領域繼續大量投資的推動力。表3：1998年底服務機器人裝備數量、應用領域及1999-2002年預測機器人類型1998年底裝備數量1999-2002年裝備數量保潔機器人-地板清潔機器人-油罐清潔機器人-擦窗、墻機器人-其他（飛機清洗）機器人300500下水道機器人（清理，檢查）爬壁機器人（清理，檢查）通用檢測機器人200200水下機器人-檢查-工作類機器人400200家用機器人-真空吸塵機器人-割草機器人-其他200012500醫用機器人-外科手術機器人-機器人輔助外科手術8007000監視機器人，保安機器人導引機器人加油機器人消防及爆炸物清理機器人殘疾人用機器人，輔助機器人，

200輪椅機器人送信機器人，送郵件機器人移動機器人平臺（多用途）1004005050150200200200300100800400建筑工業用機器人

農業及林業用機器人旅館及餐廳用機器人潔凈室用機器人實驗室用機器人航天機器人娛樂機器人3501000續上表1

世界機器人發展分析表1和表2，可對世界工業機器人的發展現狀作如下的分析。1990年世界工業機器人的銷售量曾達到81000臺，1991-1993年出現經濟衰退，1993年世界工業機器人的銷量下降到54000臺。之后，機器人的銷售開始復蘇，1997年銷售量達到85000臺，比1996年增長6.5%，然而，

1998年機器人銷售量比上年下降了16%，降

至71400臺。1998年，世界機器人密度繼續增加。所謂機器人密度是指：在制造業中每萬名雇員所占有的工業機器人的數量。日本、新加坡及韓國的機器人密度為280~110臺，但這些數字不能直接與其他國家的數字相比，因為后者采用了更加嚴格的機器人定義。德國為每萬名雇員100臺機器人；意大利和瑞典約為70臺其他國家工業機器人的密度在50~40臺之間。2

世界機器人發展前景預測（1）工業機器人預計世界工業機器人的銷售量將由1998年的89100臺增加到2002年的120000臺，或年均增長8%。不同的工業領域，機器人的增長情況也大不相同，全世界的汽車工業1999年上半年增長了101%，北美增加了214%，但各工業領域合計1999年上半年同比增長只有10%（2）服務機器人由于服務機器人尚處于開發及普及的早期階段，目前國際上對它還沒有普遍承認的嚴格定義，因而它的定義是由操作型工業機器人引申而來的。到1998年底，世界服務機器人的總數估計為最少5000臺。1999-2002年，預計世界將裝備24000臺服務機器人，可能還有近50萬臺真空清掃機器人。5.1.2國內機器人的發展現狀我國機器人學研究起步較晚，但進步較快已在工業機器人、特種機器人和智能機器人

各個方面取得明顯成績，為我國機器人學的

發展打下初步基礎。下面分別就工業機器人、特種機器人和智能機器人三方面加以討論。1

工業機器人我國工業機器人起步于20世紀70年代初，經過20多年的發展，大致可分為3個階段：70年代的萌芽期，80年代的開發期，90年代的使用化期。90年代后半期是實現國產機器人的商品化，為產業化奠定基礎的時期。隨著我國加入世界貿易組織（WTO），我國的工業機器人將面臨著新的發展機遇和來自國外的挑戰。我們要把握這一機遇，迎接挑戰，為我國躋身機器人強國之列而努力奮斗。2

特種機器人到90年代，在國家高技術發展（863）計劃支持下，我國在發展工業機器人的同時，也對非制造環境下應用機器人問題進行了研究，并取得一批成果。下面介紹幾種特殊器人的開發情況。（1）管道機器人管道機器人是一種可沿管道內部或外部自動行走、攜有一種或多種傳感器及操作機械（如機械手、噴槍、焊槍等），在工作人員的遙控操作或計算機自動控制下，進行一系列管道作業的機、電、儀一體化系統。管道機器人的典型功能有：a.管道施工、安裝過程中的管內外質量檢測

b.管道使用過程中的管路表面及管材內部的故障診斷，如表面破裂、腐蝕和焊縫質量情況；c.惡劣情況下管道清掃、噴涂、焊接、內部拋光等維護工作；d.對地下管道的修復；e.管道內外的器材運輸、搶救等其他作業。我國自1989年起進行管道機器人的開發研究。到1993年，開發了煤氣管道探測機器人系統，并獲得了該機器人載體系統的實用新型專利。這種機器人可攜帶CCD攝像頭和工業r射線檢

測儀及遠渦流探測裝置，對管內的缺陷和異物進行檢測，以便進行進一步的處理。在此

基礎上，1993年起，又開發可適應不同管徑

和不同曲率管內進行探測作業的管道機器人。下圖是管道清洗機器人和供應管道檢測機器

人的兩個實例：管道清洗機器人供應管道檢測機器人（2）爬壁機器人

1998年在國家“863”智能機器人主題的支持下開展了爬壁機器人的開發。1994年成功地將開發的垂直壁面行走機器人在高層玻璃面上進行了應用實驗。（3）水下機器人

我國的水下機器人開發工作是以國內協同和國際合作的方式進行的，已開發的“探索者”號1000m自主水下機器人和“

CR-01A”6000m自主水下機器人。這兩臺水下機器人在控制、導航等技術方面都具有特點，使我國在水下自主機器人的研究開發工作中走在了世界前列。“探索者”號是我國自行研制的第一臺無纜水下機器人，它的最大工作深度1000m，最大航速>4kn，側移速度>1kn，下潛速度>0.5kn，續航能力為6h?！癈R-01A”6000m自主水下機器人是一項

重大的研究成果，目前世界上具有這種深度

(最大深度已達12000m)自主水下機器人研制能力的，只有少數幾個發達國家。在6000m的水下，載體要抗住60MPa的巨大水壓，必

須解決高比強度，高比模量的材料制備，小的結構重量/排水體積的設計技術，大深度下潛、上浮操縱技術，高水壓下結構密封和油封補償技術，大深度下水基線聲納的定位技術和側掃聲納及淺層地剖面的測量技術等一系列關鍵技術。為了適應遠海的作業，還要解決4級海況下水面收放技術。（4）自動導引車

SIA-AGV

系列自動導引車，有運貨型和裝配型兩大品牌，其引導方式是由貼放在車行駛地面上的磁導引線引導的。我國還開發了PXJ-2型排險機器人。此排險機器人是有線遙控型，遙控距離為100m，最高運動速度為30m/min，可前進、后退、

原地轉彎和上下40°左右的樓梯或斜坡，跨越

25~40cm高的障礙、50cm寬的壕溝。行走機

構可攜帶1~2只操作能力為8~20kg的機械手。其上的兩臺CCD攝像機在一個兩自由度云臺

上可進行現場觀測。下圖是這類典型排險機機器人的實例：排險機器人(中科院沈陽自動化研究所）多功能排險機器人是沈陽自動化研究所十余年連續攻關結果，是具有我國自主知識產權的高科技產品。從功能、技術水平及實際應用等方面綜合衡量，該機器人處于國內領先和國際先進水平。3.智能機器人計劃按照“863”計劃智能機器人主題的總體戰略目標，研究開發工作的實施分四個層次，通過各個層次的工作來體現和實施戰略目標，這四個層次是：型號和應用工程，基礎技術

開發，實用技術開發，成果推廣。10多年來，智能機器人主題在四個層次上都有了很大進步，在機器人型號、應用工程、基礎技術研究等方面取得了令人鼓舞的成績，為推動我國機器人技術的發展和高技術產品、產業的形成作出了積極的貢獻。21世紀機器人技術的發展趨勢進入20世紀90年代以來，由于具有一般功能的傳統工業機器人的應用趨向飽和，而許多高級生產和特種應用則需要具有各種智能的機器人參與，因而促使只能機器人獲得較為迅速的發展。無論從國際或國內的角度來看，復蘇和繼續發展機器人產業的一條重要途徑就是開發各種智能機器人，以求提高機器人的性能，擴大其功能和應用領域。這正是從事智能機器人研究和應用的廣大科技工作者施展才干的大好時機?；仡櫧?0多年來國內外機器人技術的發展歷程，可以歸納出下列一些特點和發展趨勢。

1.傳感型智能機器人發展較快作為傳感機器人基礎的機器人傳感技術有了新的發展，各種新型傳感器不斷出現。例如，超聲波觸覺傳感器、靜電電容式距離傳感器、基于光釬陀螺慣性測量的三維運動傳感器，以及具有工件檢測、識別和定位功能的視覺系統等。我國研究成功了一種機器人插入裝配方法，實現了可編程的機器人軸裝配作業。2.開發新型智能技術智能機器人有許多誘人的研究新課題，對新型智能技術的概念和應用研究正醞釀著新的突破。下面列舉幾個智能機器人最新成果1.日本NEC公司在2006世界通信展上展出能說五國語言的智能機器人，只要對機器人說聲“早上好”，它將會用中、英、法、德、日五國語言回答。它們被稱為機器人的語言專家。2.美國在2006年11月24日展示一種新型智能機器人。這種機器人能在身體某部位出現異常后采取措施自行處理，然后繼續工作。3.2005年12月1日,在日本東京舉辦的2005年國際機器人展上,一位男士與機器人共3.采用模塊化設計技術智能機器人和高級工業機器人的結構要力求簡單緊湊，其高性能部件甚至全部機構的設計已向模塊化方向發展；其驅動采用交流伺服電機，向小型和高輸出方向發展；其控制裝置向小型化和智能化發展，采用高速

CPU和32位芯片、多處理器和多功能操作系統，提高機器人的實時和快速響應能力。機器人軟件的模塊化則簡化了編程，發展了離線編程技術，提高了機器人控制系統的適應性。例如，日本日產公司的智能型車身焊接和裝配系統，由于起軟件采用模塊化設計技術，因而功能很強。該系統能顯著地減少更

換工具的時間，提高焊接精度和裝配生產率。4.機器人工程系統呈上升趨勢在生產工程系統中應用機器人，使自動化發展為綜合柔性自動化，實現生產過程的智能化和機器人化。近年來，機器人生產工程系統獲得不斷發展。汽車工業、工程機械、建筑、電子和電機工業以及家電行業在開發新產品時，引入高級機器人技術，采用柔性自動化和智能化設備，改造原有生產手段，使機器人及其生產系統的發展呈上升趨勢。國內在這方面也取得一些可喜成績：除了汽車車身的自動焊接生產線(見下圖)外，又在汽車身自動噴涂線（二汽、南汽、哈爾濱飛機制造公司等）、柴油機整機自動噴涂線（山東濰坊柴油機廠）和建筑自動噴涂線等加工工程中成功地應用機器人。青島海爾集團也在建立家電機器人工程系統。汽車焊接機器人微型機器人的研究有所突破有人稱微型機器和微型機器人為21世紀的尖端技術之一，已經開發出手指大小的微型移動機器人，可用于進入小型管道進行檢查作業。預計將生產出毫米級大小的微型移動機器人和直徑為幾百微米甚至更小的醫療機器人，可讓它們直接進入人體器官，進行各種疾病的診斷和治療，而不傷害人的健康。應用領域向非制造業和服務業擴展為了開拓機器人新市場，除了提高機器人的性能和功能，以及研制智能機器人外，向非制造業擴展也是一個重要方向。開發適應于非結構環境下工作的機器人將是機器人發展的一個長遠方向。這些非制造業包括航天、海洋、軍事、建筑、醫療護理、服務、農林、采礦、電力、煤氣、供水、下水道工程、建筑物維護、社會福利、家庭自動化、辦公自動化和災害救護等。7.行走機器人研究引起重視目前運行的絕大多數機器人都是固定式的它們只能固定在某一位置進行操作，因而其應用范圍和功能受到限制。近年來，對移動機器人的研究受到重視，使機器人能夠移動到固定式機器人無法到達的預定目標，完成設定的操作任務。行走機器人是移動機器人的一種，包括步行機器人（二足，四足，六足和八足）和爬行機器人(見下圖)等。雙足機器人Sony四足機器人雙足機器人正爬樓梯8.開發敏捷制造生產系統工業機