機器人的由來

1、第七章 機器人第一節(jié) 概述一、機器人的由來機器人是眾所周知的一種高新技術(shù)產(chǎn)品，然而，“機器人”一詞最早并不是一個技術(shù)名詞，而且至今尚未形成統(tǒng)一的、嚴格而準確的定義?！皺C器人”最早出現(xiàn)在上個世紀20年代初期捷克的一個科幻內(nèi)容的話劇中，劇中虛構(gòu)了一種稱為Robota（捷克文，意為苦力、勞役）的人形機器，可以聽從主人的命令任勞任怨地從事各種勞動。實際上，真正能夠代替人類進行生產(chǎn)勞動的機器人，是在20世紀60年代才問世的。伴隨著機械工程、電氣工程、控制技術(shù)以及信息技術(shù)等相關(guān)科技的不斷發(fā)展，到20世紀80年代，機器人開始在汽車制造業(yè)、電機制造業(yè)等工業(yè)生產(chǎn)中大量采用?，F(xiàn)在，機器人不僅在工業(yè)，而且在農(nóng)業(yè)、商

2、業(yè)、醫(yī)療、旅游、空間、海洋以及國防等諸多領(lǐng)域獲得越來越廣泛的應(yīng)用。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，機器人技術(shù)已經(jīng)形成了綜合性的學(xué)科機器人學(xué)（Robotics）。 機器人學(xué)有著及其廣泛的研究和應(yīng)用領(lǐng)域，主要包括機器人本體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、機械手設(shè)計，軌跡設(shè)計和規(guī)劃，運動學(xué)和動力學(xué)分析，機器視覺、機器人傳感器，機器人控制系統(tǒng)以及機器智能等。盡管機器人已經(jīng)得到越來越廣泛應(yīng)用，機器人技術(shù)的發(fā)展也日趨深入、完善，然而“機器人”尚沒有一個統(tǒng)一的、嚴格而準確的定義。一方面，在技術(shù)發(fā)展過程中，不同的國家、不同的學(xué)者給出的定義不盡相同，雖然基本原則一致，但歐美國家的定義限定多一些，日本等給出的定義則較寬松。另一方面，隨著時代的進步、

3、技術(shù)的發(fā)展，機器人的內(nèi)涵仍在不斷發(fā)展變化。國際標準化組織（ISO）定義的機器人特征如下。：仿生特征：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；柔性特征：機器人作業(yè)具有廣泛的適應(yīng)性，適于多種工作，作業(yè)程序靈活易變；智能特征：機器人具有一定程度的人類智能，如記憶、感知、推理、決策、學(xué)習(xí)等；自動特征：完整的機器人系統(tǒng)，能夠獨立、自動完成作業(yè)任務(wù)，不依賴于人的干預(yù)。二、機器人的組成機器人是典型的機電一體化產(chǎn)品，一般由機械本體、控制系統(tǒng)、傳感器、和驅(qū)動器等四部分組成。機械本體是機器人實施作業(yè)的執(zhí)行機構(gòu)。為對本體進行精確控制，傳感器應(yīng)提供機器人本體或其所處環(huán)境的信息，控制系統(tǒng)依據(jù)控制

4、程序產(chǎn)生指令信號，通過控制各關(guān)節(jié)運動坐標的驅(qū)動器，使各臂桿端點按照要求的軌跡、速度和加速度，以一定的姿態(tài)達到空間指定的位置。驅(qū)動器將控制系統(tǒng)輸出的信號變換成大功率的信號，以驅(qū)動執(zhí)行器工作。1機械本體機械本體，是機器人賴以完成作業(yè)任務(wù)的執(zhí)行機構(gòu)，一般是一臺機械手，也稱操作器、或操作手，可以在確定的環(huán)境中執(zhí)行控制系統(tǒng)指定的操作。典型工業(yè)機器人的機械本體一般由手部（末端執(zhí)行器）、腕部、臂部、腰部和基座構(gòu)成。機械手多采用關(guān)節(jié)式機械結(jié)構(gòu)，一般具有6個自由度，其中3個用來確定末端執(zhí)行器的位置，另外3個則用來確定末端執(zhí)行裝置的方向（姿勢）。機械臂上的末端執(zhí)行裝置可以根據(jù)操作需要換成焊槍、吸盤、扳手等作業(yè)工具

5、。2控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)是機器人的指揮中樞，相當于人的大腦功能，負責對作業(yè)指令信息、內(nèi)外環(huán)境信息進行處理，并依據(jù)預(yù)定的本體模型、環(huán)境模型和控制程序做出決策，產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號，通過驅(qū)動器驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)的各個關(guān)節(jié)按所需的順序、沿確定的位置或軌跡運動，完成特定的作業(yè)。從控制系統(tǒng)的構(gòu)成看，有開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)之分；從控制方式看有程序控制系統(tǒng)、適應(yīng)性控制系統(tǒng)和智能控制系統(tǒng)之分。3驅(qū)動器驅(qū)動器是機器人的動力系統(tǒng)，相當于人的心血管系統(tǒng)，一般由驅(qū)動裝置和傳動機構(gòu)兩部分組成。因驅(qū)動方式的不同，驅(qū)動裝置可以分成電動、液動和氣動三種類型。驅(qū)動裝置中的電動機、液壓缸、氣缸可以與操作機直接相連，也可以通過傳動機構(gòu)與

6、執(zhí)行機構(gòu)相連。傳動機構(gòu)通常有齒輪傳動、鏈傳動、諧波齒輪傳動、螺旋傳動、帶傳動等幾種類型。4傳感器傳感器是機器人的感測系統(tǒng)，相當于人的感覺器官，是機器人系統(tǒng)的重要組成部分，包括內(nèi)部傳感器和外部傳感器兩大類。內(nèi)部傳感器主要用來檢測機器人本身的狀態(tài)，為機器人的運動控制提供必要的本體狀態(tài)信息，如位置傳感器、速度傳感器等。外部傳感器則用來感知機器人所處的工作環(huán)境或工作狀況信息，又可分成環(huán)境傳感器和末端執(zhí)行器傳感器兩種類型；前者用于識別物體和檢測物體與機器人的距離等信息，后者安裝在末端執(zhí)行器上，檢測處理精巧作業(yè)的感覺信息。常見的外部傳感器有力覺傳感器、觸覺傳感器、接近覺傳感器、視覺傳感器等。三、機器人的分

7、類經(jīng)過幾十年的發(fā)展，機器人的技術(shù)水平不斷提高，應(yīng)用范圍越來越廣，從早期的焊接、裝配等工業(yè)應(yīng)用，逐步向軍事、空間、水下、農(nóng)業(yè)、建筑、服務(wù)和娛樂等領(lǐng)域不斷擴展，結(jié)構(gòu)形式也多種多樣。因此，機器人的分類也出現(xiàn)了多種方法、多種標準，本章主要介紹以下三種分類法。1按照機器人的技術(shù)發(fā)展水平分按照機器人的技術(shù)發(fā)展水平可以將機器人分為三代。第一代機器人是“示教再現(xiàn)”型。這類機器人能夠按照人類預(yù)先示教的軌跡、行為、順序和速度重復(fù)作業(yè)。示教可以由操作員“手把手”地進行，比如，操作人員抓住機器人上的噴槍，沿噴漆路線示范一遍，機器人記住了這一連串運動，工作時，自動重復(fù)這些運動，從而完成給定位置的噴漆工作。這種方式即是所

8、謂的“直接示教”。但是，比較普遍的方式是通過控制面板示教。操作人員利用控制面板上的開關(guān)或鍵盤來控制機器人一步一步地運動，機器人自動記錄下每一步，然后重復(fù)。目前在工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用的機器人大多屬于第一代。第二代機器人具有環(huán)境感知裝置，能在一定程度上適應(yīng)環(huán)境的變化。以焊接機器人為例，機器人焊接的過程一般是通過示教方式給出機器人的運動曲線，機器人攜帶焊槍走這個曲線，進行焊接。這就要求工件的一致性很好，也就是說工件被焊接的位置必須十分準確。否則，機器人走的曲線和工件上的實際焊縫位置會有偏差。為了解決這個問題，第二代機器人采用了焊縫跟蹤技術(shù)，通過傳感器感知焊縫的位置，再通過反饋控制，機器人就能夠自動跟蹤焊縫，

9、從而對示教的位置進行修正，即使實際焊縫相對于原始設(shè)定的位置有變化，機器人仍然可以很好地完成焊接工作。類似的技術(shù)正越來越多地應(yīng)用在機器人上。第三代機器人稱為“智能機器人”，具有發(fā)現(xiàn)問題，并且能自主地解決問題的能力。作為發(fā)展目標，這類機器人具有多種傳感器，不僅可以感知自身的狀態(tài)，比如所處的位置、自身的故障情況等等；而且能夠感知外部環(huán)境的狀態(tài)，比如自動發(fā)現(xiàn)路況、測出協(xié)作機器的相對位置、相互作用的力等等。更為重要的是，能夠根據(jù)獲得的信息，進行邏輯推理、判斷決策，在變化的內(nèi)部狀態(tài)與變化的外部環(huán)境中，自主決定自身的行為。這類機器人具有高度的適應(yīng)性和自治能力。盡管經(jīng)過多年來的不懈研究，人們研制了很多各具特點

10、的試驗裝置，提出大量新思想、新方法，但現(xiàn)有機器人的自適應(yīng)技術(shù)還是十分有限的。2按機器人的機構(gòu)特征來分機器人的機械配置形式多種多樣，典型機器人的機構(gòu)運動特征是用其坐標特性來描述的。按機構(gòu)運動特征，機器人通?？煞譃橹苯亲鴺藱C器人、柱面坐標機器人、球面坐標機器人和關(guān)節(jié)型機器人等類型。 圖71 直角坐標機器人（1）直角坐標機器人。直角坐標機器人具有空間上相互垂直的兩根或三根直線移動軸（見圖71），通過直角坐標方向的3個獨立自由度確定其手部的空間位置，其動作空間為一長方體。直角坐標機器人結(jié)構(gòu)簡單，定位精度高，空間軌跡易于求解；但其動作范圍相對較小，設(shè)備的空間因數(shù)較低，實現(xiàn)相同的動作空間要求時，機體本身的

11、體積較大。主要用于印刷電路基板的元件插入、緊固螺絲等作業(yè)。（2）柱面坐標機器人。柱面坐標機器人的空間位置機構(gòu)主要由旋轉(zhuǎn)基座、垂直移動和水平移動軸構(gòu)成（見圖72），具有一個回轉(zhuǎn)和兩個平移自由度，其動作空間呈圓柱形。這種機器人結(jié)構(gòu)簡單、剛性好，但缺點是在機器人的動作范圍內(nèi)，必須有沿軸線前后方向的移動空間，空間利用率較低。主要用于重物的裝卸、搬運等作業(yè)。著名的Versatran機器人就是一種典型的柱面坐標機器人。 圖72 柱面坐標機器人（3）球面坐標機器人。如圖73所示，其空間位置分別由旋轉(zhuǎn)、擺動和平移3個自由度確定，動作空間形成球面的一部分。其機械手能夠作前后伸縮移動、在垂直平面上擺動以及繞底座在

12、水平面上轉(zhuǎn)動。著名的Unimate就是這種類型的機器人。其特點是結(jié)構(gòu)緊湊，所占空間體積小于直角坐標和柱面坐標機器人，但仍大于多關(guān)節(jié)型機器人。 圖73 球面坐標機器人（4）多關(guān)節(jié)型機器人。由多個旋轉(zhuǎn)和擺動機構(gòu)組合而成。這類機器人結(jié)構(gòu)緊湊、工作空間大、動作最接近人的動作，對噴漆、裝配、焊接等多種作業(yè)都有良好的適應(yīng)性，應(yīng)用范圍越來越廣。不少著名的機器人都采用了這種型式，其擺動方向主要有鉛垂方向和水平方向兩種，因此這類機器人又可分為垂直多關(guān)節(jié)機器人和水平多關(guān)節(jié)機器人。如美國Unimation公司20世紀70年代末推出的機器人PUMA（見圖74）就是一種垂直多關(guān)節(jié)機器人，而日本山梨大學(xué)研制的機器人SCA

13、RA（見圖75）則是一種典型的水平多關(guān)節(jié)機器人。 圖74 垂直多關(guān)節(jié)機器人垂直多關(guān)節(jié)機器人模擬了人類的手臂功能，由垂直于地面的腰部旋轉(zhuǎn)軸（相當于大臂旋轉(zhuǎn)的肩部旋轉(zhuǎn)軸）帶動小臂旋轉(zhuǎn)的肘部旋轉(zhuǎn)軸以及小臂前端的手腕等構(gòu)成。手腕通常由23個自由度構(gòu)成。其動作空間近似一個球體，所以也稱多關(guān)節(jié)球面機器人。其優(yōu)點是可以自由地實現(xiàn)三維空間的各種姿勢，可以生成各種復(fù)雜形狀的軌跡。相對機器人的安裝面積其動作范圍很寬。缺點是結(jié)構(gòu)剛度較低，動作的絕對位置精度磨較低。它廣泛應(yīng)用于代替人完成裝配作業(yè)、貨物搬運、電弧焊接、噴涂、點焊接等作業(yè)場合 圖75 水平多關(guān)節(jié)機器人水平多關(guān)節(jié)機器人在結(jié)構(gòu)上具有串聯(lián)配置的二個能夠在水平面

14、內(nèi)旋轉(zhuǎn)的手臂，其自由度可以根據(jù)用途選擇24個，動作空間為一圓柱體。水平多關(guān)節(jié)機器人的優(yōu)點是在垂直方向上的剛性好，能方便地實現(xiàn)二維平面上的動作，在裝配作業(yè)中得到普遍應(yīng)用。3按照機器人的用途分機器人首先在制造業(yè)大規(guī)模應(yīng)用，所以，機器人曾被簡單地分為兩類，即用于汽車等制造業(yè)的機器人稱為工業(yè)機器人，其他的機器人稱為特種機器人。隨著機器人應(yīng)用的日益廣泛，這種分類顯得過于粗糙?，F(xiàn)在除工業(yè)領(lǐng)域之外，機器人技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、建筑、醫(yī)療、服務(wù)、娛樂，以及空間和水下探索等多種領(lǐng)域。（1）工業(yè)機器人工業(yè)機器依據(jù)具體應(yīng)用的不同，通常又可以分成焊接機器人、裝配機器人、噴漆機器人、碼垛機器人、搬運機器人等多種類型

15、。焊接機器人，包括點焊（電阻焊）和電弧焊機器人，用途是實現(xiàn)自動的焊接作業(yè)。裝配機器人，比較多地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(yè)。碼垛、上下料、搬運機器人的功能則是根據(jù)一定的速度和精度要求，將物品從一處運到另一處。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用機器人，可以方便迅速地改變作業(yè)內(nèi)容或方式，以滿足生產(chǎn)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。隨著對工業(yè)生產(chǎn)線柔性的要求越來越高，對各種機器人的需求也就越來越強烈。（2）農(nóng)業(yè)機器人隨著機器人技術(shù)的進步，以定型物、無機物為作業(yè)對象的工業(yè)機器人正在向更高層次的以動、植物之類復(fù)雜作業(yè)對象為目標的農(nóng)業(yè)機器人發(fā)展，農(nóng)業(yè)機器人或機器

16、人化的農(nóng)業(yè)機械的應(yīng)用范圍正在逐步擴大。農(nóng)業(yè)機器人的應(yīng)用不僅能夠大大減輕以致代替的人們的生產(chǎn)勞動、解決勞動力不足的問題，而且可以提高勞動生產(chǎn)率，改善農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)環(huán)境，防止農(nóng)藥、化肥等對人體的傷害，提高作業(yè)質(zhì)量。但由于農(nóng)業(yè)機器人所面臨的是非結(jié)構(gòu)、不確定、不宜預(yù)估的復(fù)雜環(huán)境和工作對象，所以與工業(yè)機器人相比，其研究開發(fā)的難度更大。農(nóng)業(yè)機器人的研究開發(fā)目前主要集中耕種、施肥、噴藥、蔬菜嫁接、苗木株苗移栽、收獲、灌溉、養(yǎng)殖和各種輔助操作等方面。日本是機器人普及最廣泛的國家，目前已經(jīng)有數(shù)千臺機器人應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。（3）探索機器人機器人除了在工農(nóng)業(yè)上廣泛應(yīng)用之外，還越來越多地用于極限探索，即在惡劣或不適于人類工

17、作的環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)。例如，在水下（海洋）、太空以及在放射性(有毒或高溫等環(huán)境中進行作業(yè)。人類借助潛水器具潛人到深海之中探秘，已有很長的歷史。然而，由于危險很大、費用極高，所以水下機器人就成了代替人在這一危險的環(huán)境中工作的最佳工具?？臻g機器人是指在大氣層內(nèi)和大氣層外從事各種作業(yè)的機器人，包括在內(nèi)層空間飛行并進行觀測、可完成多種作業(yè)的飛行機器人，到外層空間其他星球上進行探測作業(yè)的星球探測機器人和在各種航天器里使用的機器人。（4）服務(wù)機器人機器人技術(shù)不僅在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)探索中得到了廣泛應(yīng)用，也逐漸滲透到人們的日常生活領(lǐng)域，服務(wù)機器人就是這類機器人的一個總稱。盡管服務(wù)機器人的起步較晚，但應(yīng)用前景十分

18、廣泛，目前主要應(yīng)用在清潔、護理、執(zhí)勤、救援、娛樂、和代替人對設(shè)備維護保養(yǎng)等場合。國際機器人聯(lián)合會給服務(wù)機器人的一個初步定義是，一種以自主或半自主方式運行，能為人類的生活、康復(fù)提供服務(wù)的機器人，或者是能對設(shè)備運行進行維護的一類機器人。四、機器人技術(shù)的進展國際上第一臺工業(yè)機器人產(chǎn)品誕生于20世紀60年代，當時其作業(yè)能力僅限于上、下料這類簡單的工作。此后機器人進人了一個緩慢的發(fā)展期，直到進人20世紀80年代，機器人產(chǎn)業(yè)才得到了巨大的發(fā)展，成為機器人發(fā)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(yè)蓬勃發(fā)展的需要，這個時期開發(fā)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

19、的工業(yè)機器人系列產(chǎn)品已經(jīng)成熟，并形成產(chǎn)業(yè)化規(guī)模，有利地推動了制造業(yè)的發(fā)展。為進一步提高產(chǎn)品質(zhì)量和市場競爭能力，裝配機器人及柔性裝配線又相繼開發(fā)成功。20世紀90年代以來，隨著計算機技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等快速發(fā)展，工業(yè)機器人技術(shù)也得到了飛速發(fā)展?，F(xiàn)在工業(yè)機器人已發(fā)展成為一個龐大的家族，并與數(shù)控（NC）、可編程、控制器（PLC）一起成為工業(yè)自動化的三大技術(shù)支柱和基本手段，廣泛應(yīng)用于制造業(yè)的各個領(lǐng)域之中。工業(yè)機器人技術(shù)從機械本體、控制系統(tǒng)、傳感系通行統(tǒng)，到可靠性、網(wǎng)絡(luò)通信功能的拓展等方面都取得了突破性的進展。機械本體方面，通過有限元分析、模態(tài)分析及仿真設(shè)計等現(xiàn)代設(shè)計方法的運用，機器人操作機已實

20、現(xiàn)了優(yōu)化設(shè)計。以德國KUKA公司為代表的機器人公司，已將機器人并聯(lián)平行四邊形結(jié)構(gòu)改為開鏈結(jié)構(gòu)，拓展了機器人的工作范圍，加之輕質(zhì)鋁合金材料的應(yīng)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(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)方面，性能進一步提高，已由過去控制標準的6軸機器人發(fā)展到現(xiàn)在能夠控制21軸甚至27軸，并且實現(xiàn)了軟件伺服和全數(shù)字控制。傳感系統(tǒng)方面，激光傳感器、視覺傳感器和力傳感器在機器人系統(tǒng)中已得到成功應(yīng)用，并實現(xiàn)了焊縫自動跟蹤和自動化生產(chǎn)線上物體的自動定位以及精密裝配作業(yè)等，大大提高了機器人的作業(yè)性能和對環(huán)境的適應(yīng)性。日本KAWASAKI、YASKAWA、FA

21、NUC和瑞典ABB、德國KUKA、REIS等公司皆推出了此類產(chǎn)品。網(wǎng)絡(luò)通信功能的拓展，日本YASKAWA和德國KUKA公司的最新機器人控制器已實現(xiàn)了與Canbus、Profibus總線及一些網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)接，使機器人由過去的獨立應(yīng)用向網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用邁進了一大步，也使機器人由過去的專用設(shè)備向標準化設(shè)備發(fā)展。另外，由于微電子技術(shù)的快速發(fā)展和大規(guī)模集成電路的應(yīng)用，使機器人系統(tǒng)的可靠性有了很大提高。除了工業(yè)機器人水平不斷提高之外，各種用于非制造業(yè)的機器人系統(tǒng)也有了長足的進展。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的的復(fù)雜性和作業(yè)對象特殊性使得農(nóng)業(yè)機器人研究難度更大，農(nóng)業(yè)機器人的應(yīng)用尚未達到商品化階段，但農(nóng)業(yè)機器人技術(shù)的研究已經(jīng)在土地耕作、蔬菜嫁接、作物移栽、農(nóng)藥噴灑、作物收獲、果蔬采摘等生產(chǎn)環(huán)節(jié)取得了一些突破性進展。例如，日本的耕作拖拉機自動行走系統(tǒng)、聯(lián)合收割機自動駕駛技術(shù)、無人駕駛農(nóng)藥噴灑機，英國的葡萄枝修剪機器人、蘑菇采摘機器人和擠牛奶機器人，我國的農(nóng)業(yè)機器人自動引導(dǎo)行走系統(tǒng)、蔬菜嫁接機器人，法國的水果采摘機器人，以及荷蘭開發(fā)的擠奶機器人等。機器人技術(shù)用于海洋開發(fā)，特別是深海資源的開發(fā)，一直是的許多國家積極關(guān)注的目標。法國、美國、俄羅斯、日本、加拿大等國從20世紀70年代開始先后研制了幾百臺不同結(jié)