机器人学基础-第1章-绪论机器人发展

11.1DevelopmentofRobotics机器人学的发展1.1.1OriginofRobotics机器人的由来人类长期以来的愿望：创造出一种像人一样的机器来代替人类进行各种工作；木牛流马？记里鼓车写字机器人1.1DevelopmentofRoboticsContentsCourseScheduleTop10RoboticsNewsof2008DevelopmentofRoboticsStructure,Feature,andClassificationofRobotsRoboticsandAI2Ch.1Introduction31.1.1HistoryofRobotics机器人的历史1920年，捷克剧作家卡雷尔·凯培克在幻想情节剧《罗萨姆的万能机器人》(Rossum’sUniversalRobots,RUR)中，第一次提出了名词“机器人”；Robota(捷克文，原意为“劳役、苦工”)Robot(英文，“机器人”)1.1DevelopmentofRobotics41.1.1HistoryofRobotics1950年，美国科学幻想小说巨匠阿西摩夫在小说《我是机器人》中，提出了著名的“机器人三定律(ThreeLawsofRobotics)”：FirstLaw:Arobotmaynotinjureahumanbeing,or,throughinaction,allowahumanbeingtocometoharm.SecondLaw:Arobotmustobeyordersgivenitbyhumanbeings,exceptwheresuchorderswouldconflictwiththeFirstLaw.ThirdLaw:ArobotmustprotectitsownexistenceaslongassuchprotectiondoesnotconflictwiththeFirstorSecondLaw.IsaacAsimov1.1DevelopmentofRobotics51.1.1HistoryofRobotics1962年，美国万能自动化公司（Unimation）的第一台机器人Unimate在美国通用汽车公司投入使用，标志着第一代机器人的诞生。1.1DevelopmentofRobotics61.1.1HistoryofRobotics1969年日本早稻田大学加藤一郎实验室研发出第一台以双脚走路的机器人。加藤一郎长期致力于研究仿人机器人(HumanoidRobot)，被誉为“仿人机器人之父”。日本专家一向以研发仿人机器人和娱乐机器人的技术见长，后来更进一步，催生出本田公司的ASIMO和索尼公司的QRIO。1.1DevelopmentofRobotics71.1.1HistoryofRobotics1978年，美国Unimation公司推出通用工业机器人PUMA，这标志着工业机器人技术已经完全成熟。PUMA至今仍然工作在工厂第一线。1.1DevelopmentofRobotics81.1.1HistoryofRobotics2002年丹麦iRobot公司推出了吸尘器机器人Roomba，它能避开障碍，自动设计行进路线，还能在电量不足时，自动驶向充电座。Roomba是目前世界上销量最大、最商业化的家用机器人。1.1DevelopmentofRobotics91.1.1HistoryofRobotics2006年6月，微软公司推出MicrosoftRoboticsStudio，机器人模块化、平台统一化的趋势越来越明显，比尔·盖茨预言，家用机器人很快将席卷全球。1.1DevelopmentofRobotics101.1.2DefinitionofRobotics机器人的定义Definition1机器人是“貌似人的自动机，具有智力的和顺从于人的但不具人格的机器”。——(TheConciseOxfordDictionary,COD)Definition2“Areprogrammable,multifunctionalmanipulatordesignedtomovematerial,parts,tools,orspecializeddevicesthroughvariousprogrammedmotionsfortheperformanceofavarietyoftasks”——（RoboticIndustriesAssociation,RIA）1.1DevelopmentofRobotics111.1.2DefinitionofRoboticsDefinition3工业机器人是“一种装备有记忆装置和末端执行器(endeffector)的，能够转动并通过自动完成各种移动来代替人类劳动的通用机器”。——（JapanIndustrialRobotAssociation,JIRA）Definition4机器人是“一种能够进行编程并在自动控制下执行某些操作和移动作业任务的机械装置”。——(NationalBureauofStandards,NBS)1.1DevelopmentofRobotics121.1.2DefinitionofRoboticsDefinition5“机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能机械手，这种机械手具有几个轴，能够借助于可编程序操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行种种任务”。——国际标准组织（ISO）Definition6机器人（1）像人或人的上肢，并能模仿人的动作；（2）具有智力或感觉与识别能力；（3）是人造的机器或机械电子装置。——中国1.1DevelopmentofRobotics131.1.3AdvancesinRobotics机器人学的进展20世纪70年代以来，机器人学的发展特点机器人偿还期(Paybackperiod)理论促进对机器人产业的投资；日本后来居上，成为“机器人王国”；机器人产业在全世界迅速发展；应用范围遍及工业、科技和国防的各个领域；形成了新学科——机器人学(Robotics)；机器人向智能化(Intellectual)方向发展。1.1DevelopmentofRoboticsEstimatedyearlyshipmentsofindustrialrobots141.1DevelopmentofRoboticsEstimatedyearlysupplyofindustrialrobotsatyear-endinTotalWorldbymainIndustries2006-2007151.1DevelopmentofRoboticsContentsCourseScheduleTop10RoboticsNewsof2008DevelopmentofRoboticsStructure,Feature,andClassificationofRobotsRoboticsandAI16Ch.1Introduction171.2Features,StructureandClassificationofRobots机器人特点、结构与分类1.2.1MainFeaturesofRobots通用性（Versatility）通用性指的是某种执行不同的功能和完成多样的简单任务的实际能力，它取决于其几何特性和机械能力。适应性（Adaptability）适应性是指其对环境的自适应能力，即所设计的机器人能够自我执行未经完全指定的任务，而不管任务执行过程中所发生的没有预计到的环境变化。1.2Features,StructureandClassificationofRobots181.2.2StructureofARobotSystem一个机器人系统，一般由机械手、环境、任务和控制器四个互相作用的部分组成图1.1机器人系统的基本结构机械手(Manipulator)具有传动执行装置的机械，由臂、关节和末端执行装置（工具等）构成。1.2Features,StructureandClassificationofRobots19一个机器人系统，一般由机械手、环境、任务和控制器四个互相作用的部分组成图1.1机器人系统的基本结构环境(Environment)环境即指导机器人所处的周围环境。环境不仅由几何条件（可达空间）所决定，而且由环境和它所包含的每个事物的全部自然特性所决定的。1.2.2StructureofARobotSystem1.2Features,StructureandClassificationofRobots20一个机器人系统，一般由机械手、环境、任务和控制器四个互相作用的部分组成图1.1机器人系统的基本结构•任务(Task)任务定义为环境的两种状态（初始状态和目标状态）之间的差别。必须用适当的程序设计语言来描述这些任务。1.2.2StructureofARobotSystem1.2Features,StructureandClassificationofRobots21一个机器人系统，一般由机械手、环境、任务和控制器四个互相作用的部分组成图1.1机器人系统的基本结构•控制器(Controller)机器人接收来自传感器的信号，对之进行数据处理，并按照预存信息、机器人的状态及其环境情况等，产生出控制信号去驱动机器人的各个关节。•控制器内存主要存有：（1）机器人动作模型（2）环境模型（3）任务程序（4）控制算法1.2.2StructureofARobotSystem1.2Features,StructureandClassificationofRobots221.2.3DegreeofFreedom（DOF）ofRobots机器人的自由度DOFofaRigidBody刚体的自由度图1.3刚体的六个自由度1.2Features,StructureandClassificationofRobots231.2.3DOFofRobotsDOFofRobots机器人的自由度图1.4机器人自由度举例1.2Features,StructureandClassificationofRobots241.2.4ClassificationofRobots1.ClassifiedbyGeometryStructure柱面坐标机器人(Cylindrical)图1.6柱面坐标机器人1.2Features,StructureandClassificationofRobots251.ClassifiedbyGeometryStructure球面坐标机器人(Spherical)图1.7球面坐标机器人1.2.4ClassificationofRobots1.2Features,StructureandClassificationofRobots26关节式球面坐标机器人(Articulated)图1.8关节式球面机器人1.2.4ClassificationofRobots1.ClassifiedbyGeometryStructure1.2Features,StructureandClassificationofRobots27非伺服机器人（Non-servorobots）按照预先编好的程序顺序进行工作图1.9有限顺序机器人方块图1.2.4ClassificationofRobots2.ClassifiedbyControlMode1.2Features,StructureandClassificationofRobots28伺服控制机器人（Servo-controlledrobots）是一个反馈控制系统(Feedbackcontrolsystem)图1.10伺服控制机器人方块图1.2.4ClassificationofRobots2.ClassifiedbyControlMode1.2Features,StructureandClassificationofRobots293.ClassifiedbyInputMessageofController日本工业机器人协会（JIRA）分