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高等学校机械电子工程规划教材17121机器人技术及其应用华南理工大学谢存禧张铁主编机械工业出版社2005责任编辑高文龙第一章概论第一节机器人的发展史第二节机器人研究领域和内容第一节机器人的发展史一、机器人概述机器人具有以下特性：（1）一种机械电子装置；（2）动作具有类似于人或其他生物体的功能；（3）可通过编程执行多种工作，有一定的通用性和灵活性；（4）有一定程度的智能，能够自主地完成一些操作。“机器人学三原则”，这三个原则如下：（1）机器人不得伤害人或由于故障而使人遭受不幸；（2）机器人应执行人们下达的命令，除非这些命令与第一原则相矛盾；（3）机器人应能保护自己的生存，只要这种保护行为不与第一或第二原则相矛盾。二、机器人发展历史、现状和发展趋势Unimate机器人Versatran机器人机器人产品问世于20世纪60年代，代表性的有美国Unimation公司的Unimate机器人和美国AMF公司的Versatran机器人。1.欧美日机器人的发展美国机器人从诞生起，在相当长的一段时期内，主要停留在大学和研究所的实验室里，虽然作出了一系列研究成果，但是没有形成生产能力且应用较少，因而也很难得到充裕的经费支持。与此同时，工业生产和应用部门对机器人技术的效益持观望态度，因此研究开发、生产和应用的脱节现象延缓了这一新技术在美国的发展。直到70年代中期，有鉴于机器人技术发展、经济潜力和日本在工业机器人方面所取得的成就，美国才意识到问题的紧迫性并多方面采取措施。日本的机器人技术人员首先引进了美国机器人技术，经过技术消化并在日本迅速将其实用化。1967年，日本东京机械贸易公司首次从美国引进Versatran机器人；1968，日本川崎重工业公司从美国引进Unimate机器人，并对它进行改进，增加了视觉功能，使其成为一种具有智能的机器人。为了推广应用这一新技术，日本政府在技术政策和经济上都采用了措施加以扶植，因此，日本的工业机器人迅速走出了从试验应用到成熟产品大量应用的阶段，工业机器人得以大量生产和应用。70年代是日本机器人的迅速发展时期，日本在机器人的产品开发和应用两个方面超过美国，成为当今世界第一的“机器人王国”。70年代，机器人进入工业生产的实用化时代。到80年代，工业机器人进入普及时代，汽车、电子等行业开始大量使用工业机器人，推动了机器人产业的发展。机器人的研究开发，无论就水平和规模而言都得到迅速发展，高性能的机器人所占比例将不断增加。1979年Unimation公司推出PUMA系列工业机器人，同年日本山梨大学的牧野洋研制了具有平面关节的SCARA型机器人。1985年前后，FANUC和GMF公司又先后推出交流伺服驱动的工业机器人产品。这一时期，各种装配机器人的产量增长较快，和机器人配套使用的装置和视觉技术正在迅速发展。近十几年来，欧洲的德国、意大利、法国及英国的机器人产业发展比较快。目前，世界上机器人无论是从技术水平上，还是从已装备的数量上，优势集中在以日美为代表的少数几个发达的工业化国家。我国工业机器人起步于70年代初，大致可分为3个阶段：70年代的萌芽期，80年代的开发期，90年代的实用化期。我国于1972年开始研制工业机器人，数十家研究单位和院校分别开发了固定程序、组合式、液压伺服型通用机器人，并开始了机构学、计算机控制和应用技术的研究。2.我国机器人的发展80年代，机器人步入了跨越式发展时期。进行了工业机器人基础技术、基础元器件、几类工业机器人整机及应用工程的开发研究。完成了示教再现式工业及其成套技术的开发，研制出喷涂、弧焊、点焊和搬运等作业机器人整机，几类专用和通用控制系统及几类关键元部件，并在生产中经过实际应用考核，其性能指标达到80年代初国外同类产品的水平。为了跟踪国外高技术，在国家高技术计划中安排了智能机器人的研究开发，包括水下无缆机器人、高功能装配机器人和各类特种机器人，进行了智能机器人体系结构、机构、控制、人工智能、机器视觉、高性能传感器及新材料等的应用研究。90年代，由于市场竞争加剧，一些企业认识到必须要用机器人等自动化设备来改造传统产业，从而进一步走向产业化。在喷涂机器人，点、弧焊机器人，搬运机器人、装配机器人、矿山、建筑、管道作业的特种工业机器人技术和系统应用的成套技术继续开发和完善，进一步开拓市场，扩大应用领域，从汽车制造业逐步扩展到其他制造业并渗透到非制造业领域。如机器人化柔性装配系统的研究，充分发挥工业机器人在未来CIMS中的核心技术作用。一、机器人组成及其与外部的关系头作业对象知识学习机能判断、意志决定感知外部环境保护与作业状况内部状态的把握与控制传感器人机身上肢下肢机器人环境信息指令信息作业信息作业信息动作第二节机器人研究领域和内容二、机器人技术涉及的研究领域有：1、传感器技术：得到与人类感觉机能相似的传感器技术；2、人工智能计算机科学：得到与人类智能或控制机能相似能力的人工智能或计算机科学；3、假肢技术；4、工业机器人技术：把人类作业技能具体化的工业机器人技术；5、移动机械技术：实现动物行走机能的行走技术；6、生物功能：实现生物机能为目的的生物学技术。三、机器人研究的基础内容1、空间机构学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。2、机器人运动学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。3、机器人静力学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。4、机器人动力学动力学方程是指作用于机器人各机构的力或力矩与其位置、速度、加速度关系的方程式。5、机器人控制技术主要研究的内容有机器人控制方式和机器人控制策略。6、机器人传感器机器人的感觉主要通过传感器来实现。外部传感器有视觉、触觉、听觉、力觉传感器，内部传感器主要有位置、姿态、速度、加速度传感器。7、机器人语言机器人语言分为通用计算机语言和专用机器人语言，四、机器人技术的发展趋势未来机器人技术的主要研究内容集中在以下几个方面：1、工业机器人操作机结构的优化设计技术。探索新的高强度轻质材料，进一步提高负载－自重比，同时机构向着模块化、可重构方向发展。2、机器人控制技术。重点研究开放式、模块化控制系统，人机界面更加友好，语言、图形编程界面正在研制之中。机器人控制器的标准化和网络化以及基于PC机网络式控制器已成为研究热点。3、多传感系统。为进一步提高机器人的智能和适应性，多种传感器的使用是其问题解决的关键。其研究热点在于有效可行的多传感器融合算法，特别是在非线性及非平稳、非正态分布的情形下的多传感器融合算法。4、机器人遥控及监控技术，机器人半自主和自主技术，多机器人和操作者之间的协调控制，通过网络建立大范围内的机器人遥控系统，在有时延的情况下，建立预先显示进行遥控等。5、虚拟机器人技术。基于多传感器、多媒体和虚拟现实以及临场感应技术，实现机器人的虚拟遥控操作和人机交互。6、多智能体控制技术。主要对多智能体的群体体系结构、相互间的通信与磋商机理，感知与学习方法，建模和规划、群体行为控制等方面进行研究。7、微型和微小机器人技术。这是机器人研究的一个新的领域和重点发展方向。过去的研究在该领域几乎是空白，因此该领域研究的进展将会引起机器人技术的一场革命，并且对社会进步和人类活动的各个方面产生不可估量的影响，微型机器人技术的研究主要集中在系统结构、运动方式、控制方法、传感技术、通信技术以及行走技术等方面。8、软机器人技术。主要用于医疗、护理、休闲和娱乐场合。传统机器人设计未考虑与人紧密共处，因此其结构材料多为金属或硬性材料，软机器人技术要求其结构、控制方式和所用传感系统在机器人意外地与环境或人碰撞时是安全的，机器人对人是友好的。9、仿人和仿生技术。这是机器人技术发展的最高境界，目前仅在某些方面进行一些基础研究。