机器人学 完整版..doc

机器人学 第一章 绪 论 1. 1 机器人发展史 1.1.1 早期的自动机 早在1770年，美国科学家就发明了一种报时鸟，一到整点，这只鸟的翅膀、头便开始运动，同时发出叫声图1-1为报时鸟的机械结构图，它的主弹簧驱动齿轮转动，使活塞压缩空气而发出叫声，同时齿轮转动时带动凸轮转动，从而驱动翅膀、头运动图1-1 报时鸟简图机器人(Robot)一词由一位名叫Karal Capak的捷克斯洛伐克剧作家首先使用。

在捷克语中，Robot这个词是指一个赋役的奴隶在1921年Capak写了一出戏剧，名叫《洛桑万能机器人公司》(Rossnm’s Universal Robots).在这出剧中，机器人是洛桑和他儿子研制的类人的生物，用来作为人类的奴仆随后，一名叫Isaac Asimov的科学幻想小说家使用了机器人学(Robotics)这个词来描述与机器人有关的科学他还提出了“机器人”的三个原则，值得今天的机器人设计者和使用者的注意这三个原则的原语如下：(1)A robot must not harm a human being or through inaction ,allow one to come harm(2) A robot must always obey human beings unless that is conflict with the first law.(3)A robot must protect itself from harm unless that is conflict with the first or second laws. 1.1. 2近似与机器人相关的装置1.操作机(Manipulators) 它是目前仍然大量使用的、由机械控制的操作机。

它的各个关节由机械直接控制它具有和人类手臂相似的功能，可在空间抓放物体或进行其他操作2.远程操作手(Teleoperators) 远程操作手又称主从操作手，它是在操作机之后发展起来的1966年，Edwin Johnson最先使用了这种装置，远程操作手的本质是非直接相连的伺服控制的操作机，通过控制杆、轮子、控制键盘或其他装置进行遥控它们通常被用于危险的工作环境，例如海底、有辐射物质的场合或宇宙空间，由无线电天线、光学天线甚至卫星通讯提供控制信号远程操作手上一般配备有录象机以提供视觉1.1.3机器人的创始1958年，被誉为“工业机器人之父”的Joseph F.Engel Berger创建了世界上第一个机器人公司-Unimation公司，并参与设计了第一台Unimate机器人这是一台用于压铸的五轴液压驱动机器人，手臂的控制由一台专用计算机完成它采用分离式固体数控元件,并装有存储信息的磁鼓,能够记忆完成180个工作步骤与此同时，另一家美国公司-AMF公司也开始研制工业机器人，即Versatran机器人他主要用于机器之间的物料运输，采用液压驱动该机器人的手臂可以绕底座回转，沿垂直方向升降，也可以沿半径方向伸缩。

一般认为Unimate和Versatran机器人是世界最早的工业机器人，其示意图见图1-3和图1-4图1-3Unimate机器人图1-4 Versartran机器人1-手抓的运动方向； 2,3,4,5,6-各关节运动方向1.1.2机器人的定义 国际上，关于机器人的定义主要有如下几种： （1） 英国简明牛津字典的定义机器人是“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”这一定义并不完全正确，因为还不存在与人类相似的机器人在运行这是一种理想的机器人 （2）美国机器人协会的定义机器人是“一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置的，通过可编程序动作来执行种种任务的，并具有编程能力的多功能机械手尽管这一定义较实用些，但并不全面这里指的是工业机器人 （3） 日本工业机器人协会的定义工业机器人是“一种装备有记忆装置和末端执行器的，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” （4） 美国国家标准局(NBS)的定义机器人是“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”这也是一种比较广义的工业机器人定义。

（5）国际标准化组织的定义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 显然，这一定义与美国机器人协会的定义相似 （6）关于我国机器人的定义随着机器人技术的发展，我国也面临讨论和制订关于机器人技术的各项标准问题，其中包括对机器人的定义蒋新松院士曾建议把机器人定义为“一种拟人功能的机械电子装置”我国可以参考各国的定义，结合我国情况， 对机器人作统一的定义上述各种定义有共同之处，即认为机器人： a：像人或人的上肢，并能模仿人的动作； b：具有智力或感觉与识别能力； c： 是人造的机器或机械电子装置 随着机器人的进化和机器人智能的发展，这些定义都有修改的必要，甚至需要对机器人重新定义 机器人的范畴不但要包括“由人制造的像人一样的机器”，还应包括“由人制造的生物”，甚至包括“人造人”，尽管我们不赞成制造这种人看来，本来就没有统一定义的机器人，今后更难为它下个确切的和公认的定义了！1.2机器人的特点 1.2.1机器人的主要特点 通用性和适应性是机器人的两个主要的特征。

1.通用性 机器人的通用性(versatility)取决于其几何特性和机械能力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通用性也意味着，机器人具有可变的集合结构，即根据生产需要进行变更的集合结构；或者说，在机械结构上许机器人执行不同的任务或以不同的方式完成同一的工作现有的大多数机器人都具有不同程度的通用性，包括机械手的机动性和控制系统的灵活性必须指出，通用性不是自由度单独决定的增加自由度一般能提高通用性程度不过，还必须考虑其他因素，特别是末端装置的结构能力，如它们能否适应不同的工具等 2.适应性 机器人的适应性(adaptivity)是指其对环境的自适应的能力，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这一能力要求机器人认识其环境，即具有人工知觉在这方面，机器人使用它的下述能力（1）运用传感器测环境的能力；（2）分析任务空间和执行操作规划的能力；（3）自动指令模式能力迄今为止所开发的机器人知觉与人类对环境的解释能力相比，仍然是十分有限的这个领域内的某些重要研究工作正在进行之中 第二章 机器人基本原理2.1 机器人系统工作原理 根据机器人的定义，机器人至少应具备两部分：控制部分和直接进行工作的部分。

比如应用最广泛的弧焊机器人，具有控制系统和带动焊枪运动的机械臂部分控制系统通过编程的方式，决定直接工作的机械臂的运动和工作由于是程序控制的，所以比较容易改变工作方式和任务，因此，机器人是一种具有“柔性”的机器机器人具有人或者生物的某些功能，比如能如手臂一样运动，能在地上行走或者在水中游高级一点的机器可以通过传感器了解外部环境或者“身体内在人的”状态与变化，甚至可以做出自己的逻辑推理、判断与决策，也就是所谓的机器人的智能行为 机器人发挥作用必须在一个作业系统之中，机器人作为系统的一部分，才能发挥它的作用由于各种不同类型的机器人不断涌现，它们发挥作用的形式和组成的系统也在不断变化工业机器人作为制造系统的一部分发挥作用是最典型的比如焊接机器人，它在工作时至少需要一个工作台，将工作台装卡在上面，并运送到机器人焊接的合适位置这样，组成了一个简单的机器人焊接系统，称为机器人焊接工作站如果机器人组成一个焊接生产线，则这个系统就变得更为复杂 一个机器人系统一般由机械手（执行机构）、控制器、作业对象和环境四部分组成如图2-1所示图2-1一个机器人系统的基本结构 执行机构一般是一台机械手，有些文献中称为操作器或操作手。

多数机械手是具有六个自由度的关节式机械结构其中三个自由度用来引导末端执行器至所需位置，另外三个自由度用来确定末端执行装置的方向机械臂上的末端执行装置根据操作需要也可以换成焊枪、吸盘、扳手等其他工具 环境是指机器人在执行任务时所能达到的几何空间，而且包含了该空间中每个事物的全部自然特性所决定的条件在它的工作环境中，机器人会得到为完成任务所需的支持，如自动生产线会为生产线上的机器人运送工件、材料等；在运动的空间里，机器人要设计好合理的运动路线同时，在它的工作环境中，也会遇到一些障碍物和其他事件，机器人必须避免与这些障碍发生碰撞，并妥善处理好环境中发生的各种可能的事件环境信息一般为已知的，这种环境称为结构环境，但在许多情况下，环境具有未知的和不确定性质，这种环境就称为非结构环境 控制器是机器人系统的指挥中枢，并且负责信息处理和与人交互它接受来自传感器的信号，对其进行数据处理，并按照预存的信息、机器人的状态及环境情况等，产生控制去驱动机器人执行机构的各个关节，以完成特定的动作为此，控制器内必须具有保证它实现其功能所必须的算法与信息机器系统的复杂程度不同，能执行的任务不同，控制器内所存放的软件也不同。

2.2 机器人的分类 机器人可以根据不同的标准分成很多类型应用于不同领域的机器人不仅在用途上，而且在结构和性能上会有很大的不同因此，按机器人的应用领域形成了不同类型的机器人机器人首先在制造业大规模应用，所以机器人曾被简单的分为两类，即用于汽车制造业的机器人称为工业机器人，其他的机器人称为特种机器人随着机器人应用的日益广泛，这种分类就显得过于粗糙现在除工业机器人外，还有服务机器人、水下机器人、空间机器人等 （1）工业机器人 工业机器人也是一类机器人的总称依据具体应用的不同，又常常以其主要用途命名到现在为止应用最多的是焊接机器人，包括电焊和电弧焊机器人，用途是实现自动的焊接作业；装配机器人，比较多的用于电子部件电器的装配；喷漆机器人，代替人进行喷漆作业；搬运、上下料、码垛机器人，他们的功能都是根据一定的速度和精度要求，将物品从一处运到另一处；另外还可以列出很多，如将金属溶液浇到压铸机中的浇铸机器人等等应该说，并不是只有机器人可以完成这。