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机器人技术基础（工业机器人）广西大学机械学院机电系---林义忠绪论•本章将主要介绍机器人的由来与发展、机器人的定义、机器人技术的研究领域与学科范围以及机器人的分类、应用、组成与技术参数等。•0.1概述•0.1.1机器人的由来与发展•1920年捷克作家卡雷尔·查培克在其剧本《罗萨姆的万能机器人》中最早使用机器人一词。剧中机器人(Robot)这个词的本意是苦力，即剧作家笔下的一个具有人的外表、特征和功能的机器，是一种人造的劳力。•机器人一词虽出现得较晚，然而这一概念在人类的想象中却早已出现。制造机器人是机器人技术研究者的梦想，代表了人类重塑自身、了解自身的一种强烈愿望。自古以来，就有不少科学家和杰出工匠制造出了具有人类特点或具有模拟动物特征的机器人雏形。•1，西周时期，偃师---能歌善舞的伶人；•2，春秋后期，鲁班---木鸟，能在空中飞行“三日而不下”。•3，地动仪、计里鼓车，指南车，木牛流马，•4，1662年，日本的竹田近江---自动机器玩偶；•5，1738年，法国技师杰克·戴·瓦克逊---机器鸭；•…...•现代机器人的研究始于20世纪中期，其技术背景是计算机和自动化的发展，以及原子能的开发利用。•自1946年第一台数字电子计算机问世以来，计算机取得了惊人的进步，向高速度、大容量、低价格的方向发展。•大批量生产的迫切需求推动了自动化技术的进展，其结果之一便是1952年数控机床的诞生。与数控机床相关的控制、机械零件的研究又为机器人的开发奠定了基础。•另一方面，原子能实验室的恶劣环境要求某些操作机械代替人处理放射性物质。在这一需求背景下，美国原子能委员会的阿尔贡研究所于1947年开发了遥控机械手，1948年又开发了机械式的主从机械手。1954年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节，利用人手对机器人进行动作示教，机器人能实现动作的记录和再现。这就是所谓的示教再现机器人。现有的机器人差不多都采用这种控制方式。作为机器人产品最早的实用机型（示教再现）是1962年美国AMF公司推出的“VERSTRAN”和UNIMATION公司推出的“UNIMATE”。这些工业机器人的控制方式与数控机床大致相似，但外形特征迥异，主要由类似人的手和臂组成。1965年，MIT的Roborts演示了第一个具有视觉传感器的、能识别与定位简单积木的机器人系统。•目前，对全球机器人技术发展最有影响的国家应该是美国和日本。美国在机器人技术的综合研究水平上仍处于领先地位，而日本生产的机器人在数量、种类方面则居世界首位。机器人技术的发展推动了机器人学的建立，许多国家成立了机器人协会，美国、日本、英国、瑞典等国家设立了机器人学学位。•20世纪70年代以来，许多大学开设了机器人课程，开展了机器人学的研究工作，如美国的MIT、RPI（美国伦斯勒理工学院RENSSELAERPOLYTECHNICINSTITUTE）、•Stanford、Carnegie-Mellon、Conell、Purdue、UnivofCalifornia等大学都是研究机器人学富有成果的著名学府。•随着机器人学的发展，相关的国际学术交流活动也日渐增多，目前最有影响的国际会议是IEEE每年举行的机器人学及自动化国际会议，此外还有国际工业机器人会议(ISIR)和国际工业机器人技术会议(CIRT)等。出版的相关期刊有“RobotToday”、“RoboticsResearch”、“RoboticsandAutomation”等多种。•我国的机器人技术起步较晚，约于20世纪70年代末、80年代初开始。20世纪90年代中期，6000m以下深水作业机器人试验成功，目前已经达到7000米。以后的近10年中，在步行机器人、精密装配机器人、多自由度关节机器人的研制等国际前沿领域逐步缩小了与世界先进水平的差距，•国内机器人方面的主要学术刊物《机器人》、《机器人技术与应用》等。中国工业机器人进展•我国于1972年开始研制自己的工业机器人。•进入80年代后，我国机器人技术的开发与研究得到了政府的重视与支持。“七五”期间，国家投入资金，对工业机器人及其零部件进行攻关，完成了示教再现式工业机器人成套技术的开发，研制出了喷涂、点焊、弧焊和搬运机器人。•1986年国家高技术研究发展计划（863计划）开始实施，智能机器人主题跟踪世界机器人技术的前沿，经过几年的研究，取得了一大批科研成果，成功地研制出了一批特种机器人。•从90年代初期起，我国的工业机器人又在实践中迈进一大步，先后研制出了点焊、弧焊、装配、喷漆、切割、搬运、包装码垛等各种用途的工业机器人，并实施了一批机器人应用工程，形成了一批机器人产业化基地，为我国机器人产业的腾飞奠定了基础。我国机器人发展的瓶颈•主要是基础零部件的技术不过关：•伺服电机，高精度减速器、高精度位置编码器、先进的运动控制系统；•制约了我国的装备制造业的发展；•所以，国家在基础部件的研究和开发方面投入的力量比较大---国家的重大科研项目。0.1.2机器人的定义•机器人现在虽然已被广泛应用，且越来越受到人们的重视，而机器人这一名词却还没有一个统一、严格、准确的定义。不同国家、不同研究领域的学者给出的定义不尽相同，虽然定义的基本原则大体一致，但仍有较大区别。欧美国家的定义限定多一些，日本给出的定义宽松一些，这样就使得机器人的定义范围大小不同，以至在统计机器人的数量时，由于定义限定的差异，各种统计数字会有很大出入，故经常要给予特殊说明。•目前部分国家倾向于美国机器人协会所给出的定义：机器人是一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置，通过可编程序动作来执行种种任务并具有编程能力的多功能机械手。这个定义实际上指的是工业机器人。•一般地说，可以定义机器人是由程序控制的，具有人或生物的某些功能，可以代替人进行工作的机器。•应该说国际标准化组织(ISO)给出的机器人定义较为全面和准确，其定义涵盖如下内容：•(1)机器人的动作机构具有类似于人或其他生物体某些器官(肢体、感官等)的功能。•(2)机器人具有通用性，工作种类多样，动作程序灵活易变。•(3)机器人具有不同程度的智能性，如记忆、感知、推理、决策、学习等。•(4)机器人具有独立性，完整的机器人系统在工作中可以不依赖于人的干预。0.1.3机器人技术的研究领域与学科范围•一、研究领域•经过数十年的发展，机器人技术已经发展成为一门新的综合性交叉科学——机器人学(robotics)，它包括基础研究与应用研究两方面的内容，其主要研究领域有：①机械手设计；②机器人运动学与动力学；③机器人轨迹规划；④机器人驱动技术；⑤机器人传感器；⑥机器人视觉；⑦机器人控制语言与离线编程；⑧机器人本体结构；⑨机器人控制系统；⑩智能机器人等。•二、学科范围•机器人学所涉及的学科范围主要有：•①力学，主要包括工程力学、弹塑性力学、结构力学等；•②机器人拓扑学，包括结构拓扑学即拓扑结构类型综合与优选；•③机械学；•④电子学与微电子学；•⑤控制论；•⑥计算机；•⑦生物学；•⑧人工智能；•⑨系统工程等。•这些多学科领域知识的交叉和融入是机器人技术得以发展、拓宽和延伸的基础，也是学习和运用机器人技术的基础。随着机器人技术不断向新的领域拓展，其学科范围亦将更加宽阔。0.2机器人的分类•应用于不同领域的机器人可按照不同的功能、目的、用途、规模、结构、坐标、驱动方式等分成很多类型，目前国内外尚无统一的分类标准。参考国内外有关资料，本书将对机器人分类问题进行探讨。0.2.1按机器人的开发内容与应用分类•按开发内容与应用，机器人可分为三大类：•一、工业机器人(industrialrobot)•工业机器人是在工业生产中使用的机器人的总称，主要用于完成工业生产中的某些作业。依据具体应用目的的不同，又常常以其主要用途命名。•焊接机器人是到现在为止应用最多的工业机器人；•装配机器人比较多地用于电子部件或电器的装配；•喷涂机器人代替人进行各种喷涂作业；•搬运、上料、下料及码垛机器人的功能都是根据工况要求的速度和精度，将物品从一处运到另一处；•还有很多其他用途的机器人。•工业机器人的优点：•在于它可以通过更改程序，方便迅速地改变工作内容或方式，以满足生产要求的变化，例如改变焊缝轨迹及喷涂位置，变更装配部件或位置等。随着对工业生产线越来越高的柔性要求，对各种工业机器人的需求也越来越广泛。二、操纵型机器人(teleoperatorrobot)•操纵型机器人主要用于非工业生产的各种作业，又可分为服务机器人与特种作业机器人等。•服务机器人通常是可移动的，在多数情况下，可由一个移动平台构成，平台上装有一只或几只手臂，代替或协助人完成为人类提供服务和安全保障的各种工作，如清洁、护理、娱乐和执勤等。•除以上服务机器人外，还有一些其他种类的特种作业机器人。如水下机器人，又称水下无人深潜器，代替人在水下危险的环境中作业。人类借助潜水器具潜入到大海之中探秘已有很长的历史，人类已可以利用深海潜水器具潜入深海。然而，由于危险很大，而且费用极高，所以人类积极寻找可以代替人类进行危险作业的技术，水下机器人变成了十分受关注的发展方向。•还有一些特种作业机器人，如墙壁清洗机器人(图0.3)、爬缆索机器人(图0.4)以及管内移动机器人(图0.5)等。这些机器人都是根据某种特殊目的设计的特种作业机器人，为帮助人类完成一些高强度、高危险或无法完成的工作提供了很大方便。三、智能机器人(intelligentrobot)•智能机器人具有多种由内、外部传感器组成的感觉系统，不仅可以感知内部关节的运行速度、力的大小等参数，还可以通过外部传感器(如视觉传感器、触觉传感器等)，对外部环境信息进行感知、提取、处理并做出适当的决策，在结构或半结构化环境中自主完成某项任务。目前，智能机器人尚处于研究和发展阶段。•智能机器人的发展方向大致有两种，一种是类人型智能机器人，这是人类梦想的机器人；另一种外形并不像人，但具有机器智能。•本书将主要按照这一分类方法逐次介绍，且着重介绍工业机器人技术基础，其他机器人技术则仅予以简介。0.2.2按机器人的发展程度分类•按照从低级到高级的发展程度机器人可分为：•一、第一代机器人•第一代机器人主要指只能以示教-再现方式工作的工业机器人，称为示教-再现型。示教内容为机器人操作结构的空间轨迹、作业条件、作业顺序等。•所谓示教，即由人教机器人运动的轨迹、停留点位、停留时间等。然后，机器人依照教给的行为、顺序和速度重复运动，即所谓的再现。示教可由操作员手把手地进行。例如，操作人员抓住机器人上的喷枪把喷涂时要走的位置走一遍，机器人记住了这一连串运动，工作时自动重复这些运动，从而完成给定位置的喷涂工作。这种方式是手把手示教，但是比较普遍的示教方式是通过控制面板完成的。操作人员利用控制面板上的开关或键盘控制机器人一步一步地运动，机器人自动记录下每一步，然后重复。目前在工业现场应用的机器人大多采用这一方式。•二、第二代机器人•第二代机器人带有一些可感知环境的装置，通过反馈控制，使机器人能在一定程度上适应变化的环境。这样的技术现在正越来越多地应用在机器人上，例如焊缝跟踪技术。•在机器人焊接的过程中，一般通过示教方式给出机器人的运动曲线，机器人携带焊枪走这个曲线进行焊接。这就要求工件的一致性好，也就是说工件被焊接的位置必须十分准确，否则，机器人行走的曲线和工件上的实际焊缝位置将产生偏差。焊缝跟踪技术是在机器人上加一个传感器，通过传感器感知焊缝的位置，再通过反馈控制，机器人自动跟踪焊缝，从而对示教的位置进行修正。即使实际焊缝相对于原始设定的位置有变化，机器人仍然可以很好地完成焊接工作。•三、第三代机器人•第三代机器人是智能机器人，它具有多种感知功能，可进行复杂的逻辑推理、判断及决策，可在作业环境中独立行动；它具有发现问题且能自主地解决问题的能力。•这类机器人带有多种传感器，使机器人可以知道其自身的状态，例如在什么位置，自身的系统是否有故障等；且可通过装在机器人身上或者工作环境中的传感器感知外部的状态，例如发现道路与