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1、第一章,机器人技术入门简介,1,目录（一）,1.1.1 “机器人”名字的由来1.1.2 古代机器人1.1.3 现代机器人及其大发展1.2 机器人的相关定义及术语1.2.1 机器人的定义1.2.2 机器人学1.2.3 操作机器人1.3 智能机器人与自主机器人1.3.1 智能机器人,2,目录（二）,1.3.2 机器人系统1.4 机器人环境交换系统1.4.1 人机交换1.4.2 控制系统1.4.3 多机器人系统与多智能系统1.4.4 多机器人系统1.5 微纳机器人1.5.1 微纳操作1.5.2 机器人技术发展1.5.3 中国机器人,3,1.1.1“机器人”名字由来,“机器人”一词最早出现在科幻和文学

2、作品中。1920年 捷克斯洛伐克剧作家Karel Capek在其科幻作品Rossums Universal Robots中第一次使用了单词Robot。这个词来源于捷克语中的Robota，本意为奴隶。,4,1.1.2 古代机器人,西周时期，偃师就研制出了能歌善舞的伶人，这是中国最早记载的机器人。 1800年前的汉代，大科学家张衡发明了计里鼓车，计里鼓车每行一里，车上木人击鼓一下，每行十里击钟一下。 后汉三国时期，诸葛亮成功地创造出了“木牛流马”，并用其运送军粮，支援前方。 1800年，马均发明了龙骨水车用于灌溉，并制作了水转百戏图用于娱乐。,5,6,用大木头雕刻构造，暗设机关，在平地上施行它，借

3、水力发动，可以让木偶人击鼓奏乐。,7,1.1.3 现代机器人及其大发展,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。1951年，第一台数控铣床在MIT诞生。1961年，英格伯格和德沃尔联手制造出第一台工业机器人，机器人历史才真正开始。1968年，具有一定只能的机器人Shakey在斯坦福研究所诞生。1970年，在美国召开了第一届国际工业机器人学术会议。此后，机器人技术迅猛发展。,8,9,机器人三定律,1940年，美国科幻作家阿西莫夫提出了“机器人三原则”a.机器人不得伤害人或由于故障而使人遭受不幸；b.机器人应执行人们下达的命令，除非这 些命令与第一

4、原则相矛盾；c.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。,机器人在中国,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。,10,1972年，中科院沈阳自动化所开始了机器人的研究工作。1980年，中国第一台工业机器人样机研制成功。1986年，中国第一台水下机器人深海试验成功。1989年，我国水下机器人首次出口美国。1900年，中国第一台工业机器人通用控制器研制

5、成功。1993年，中国唯一的机器人技术国家工程研究中心成立。1998年，中国中国机器人领域唯一一家通过了ISO9001国际质量体系认证。,11,我国工业机器人数量增长迅速。2000年我国仅拥有3500台机器人，到2005年增加到7000台，到了2011年末我国运行中的工业机器人总量已经接近7.5万台，增长率高达32.13%。2012年新增2.69万台机器人，增速为19.16%。据国际机器人联盟的预测，2014年中国将成为全球工业机器人的最大拥有国。 2014年最新估算出的“万亿市场” 参照的硬指标来自国际机器人联合会统计：2013年中国市场共销售工业机器人近3.7万台，约占全球销量的五分之一，

6、总销量超过日本，成为全球第一大工业机器人市场。到2020年，这个体系产业销售收入将达到3万亿元。,12,1.2 机器人的相关定义及术语,1.2.1机器人的定义 机器人（Robot）是自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类的指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术的原则纲领行动。它的任务是协助或取代人类工作，例如生产业。建筑业，或是危险的工作。 联合国标准化组织采纳了美国机器人协会给机器人下的定义：“一种可编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可改变和可编程动作的专门系统。”,13,14,1.2.2机器人学,机器人学【robotics】是

7、 与机器人设计、制造和应用相关的科学。又称为机器人技术或机器人工程学，主要研究机器人的控制与被处理物体之间的相互关系. 机器人学的研究推动了许多人工智能思想的发展，有一些技术可在人工智能研究中用来建立世界状态的模型和描述世界状态变化的过程。,15,1.2.3 操作机器人,工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器装置，它能自动执行工作，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。 工业机器人最显著的特点有以下几个： (1)可编程(2)拟人化(3)通用性,16,17,18,1.3 智能机器人 与自主机器人,19,1.3.1 智能机器人,智能机器人之所以叫智能机器人，是因为它有相当

8、发达的“大脑”。在脑中起作用的是中央处理器，这种计算机跟操作它的人有直接的联系。这样的计算机可以进行按目的安排的动作。正因为这样，我们才说这种机器人才是真正的机器人。,20,智能机器人具备形形色色的内部和外部信息传感器，如视觉、听觉、触觉、嗅觉。 除具有感受器外，它还有效应器，作为作用于周围环境的手段。这就是筋肉，或称自整步电动机，它们使手、脚、长鼻子、触角等动起来。 由此可知，智能机器人至少要具备三个要素：,21,一.感觉要素: 包括能感知视觉、接近、距离等的非接触型传感器和能感知力、压觉、触觉等的接触型传感器。这些要素实质上就是相当于人的眼、鼻、耳等五官，它们的功能可以利用诸如摄像机、图像

9、传感器、超声波传成器、激光器、导电橡胶、压电元件、气动元件、行程开关等机电元器件来实现。,二.运动要素: 智能机器人需要有一个无轨道型的移动机构， 以适应诸如平地、台阶、墙壁、 楼梯、坡道等不 同的地理环境。它们的功能可以借助轮,22,子、履带、支脚、吸盘、气垫等移动机构来完成。在运动过程中要对移动机构进行实时控制，这种控制不仅要包括有位置控制，而且还要有力度控制、位置与力度混合控制、伸缩率控制等。三.思考要素： 机器人的思考要素是三个要素中的关键，也是人们要赋予机器人必备的要素。思考要素包括有判断、逻辑分析、理解等方面的智力活动。这些智力活动实质上是一个信息处理过程，而计算机则是完成这个处理

10、过程的主要手段。,23,1.3.2 机器人系统,机器人由三大部分六个子系统组成。三大部分是机械部分、传感部分和控制部分。六个子系统分别是驱动系统、机械结构系统、感受系统、机器人一环境交换系统、人机交换系统和控制系统。,24,驱动系统,要使机器人运行起来，就需给各个关节即每个运动自由度安置传动装置，这就是驱动系统。驱动系统可以是液压传动、气动传动、电动传动，或者把它们结合起来应用的综合系统；可以直接驱动或者通过同步带、链条、轮系、谐波齿轮等机械传动机构进行间接驱动。,25,机械结构系统,机器人的机械结构系统是机器人为完成各种运动的机械部件。系统由骨骼（杆件）和连接它们的关节（运动副）构成，具有多

11、个自由度，主要包括手部、腕部、臂部、机身等部件。,26,感受系统,感受系统由内部传感器模块和外部传感器模块组成,用以获得内部和外部环境状态中有意义的信息，智能传感器的使用提高了机器人的机动性、适应性和智能化的水准.人类的感受系统对感知外部世界信息是极其灵巧的,然而,对于一些特殊的信息,传感器比人类的感受系统更有效。,27,1.4 机器人环境交换系统,机器人环境交换系统是实现机器人与外部环境中的设备互换联系和协调的系统。 机器人与外部设备集成为一个功能单元,如加工单元、焊接单元、装配单元等。当然,也可以是多台机器人、多台机床或设备、多个零件存储装置等集成为一个去执行任务的功能单位。,28,1.4

12、.1 人机交换系统,人工交换系统是操作人员与机器人控制并与机器人联系的装置,例如,计算机的标准终端,指令控制台,信息显示板,危险信号报警器等。该系统归纳起来分为两大类：指令给定装置和信息显示装置。,29,1.4.2 控制系统,控制系统的任务是根据机器人的作业指令程序以及传感器反馈回来的信号支配机器人的执行机构去完成规定的运动和功能。假如工业机器人不具备信息反馈特征,则为开环控制系统；若具备信息反馈特征，则为闭环控制系统。,30,1.4.3 多机器人系统 与多智能系统,在当今的数字时代，人们对于用现代科技解决复杂任务的需求日益高涨。虽然随着机器人技术的发展，机器人的能力不断提高,机器人应用的领域

13、和范围也在不断扩展，但是对于一些复杂的任务，单个机器人不再是最好的解决方案,而是由多个机器人组成的系统。,31,多机器人系统 多智能系统概念,多机器人系统是指若干个机器人通过合作与协调而完成某一任务的系统。它包含多机器人合作与多机器人协调两方面的内容。 多机器人合作和协调是多机器人系统研究中的两个不同而又有联系的概念。前者研究的重点是高层的组织与运行机制问题，侧重实现系统快速组织与重构的柔性控制机制；后者则是研究机器人之间合作关系确定后具体的运动控制问题。,32,多机器人系统的优点,与单个机器人相比，多机器人系统具有许多优点： (1)单个机器人不能完成某些任务，必须依靠多个 机器人才能完成。如

14、执行战术使命、足球比赛等， 必须要由一个机器人团队来完成而非单个机器人。 (2)对于可以分解的任务来说，多个机器人可以分 别并行地完成不同的子任务，这比单个机器人完 成所有的子任务要快得多。就是说，多机器人系 统可以提高工作效率。,33,(3)可以将成员设计成完成某项任务的“专家”，而不是能完成所有任务的“通才”，使得机器人的设计有更大的灵活性，完成有限任务的机器人可以设计得更完善。 (4)成员之间可以交换信息，多机器人系统可以更有效和更精确地进行定位。（5)多机器人系统中的成员相互协作可以增加冗余度，消除失效点，增加解决方案的可靠性。 (6)多机器人系统较单个机器人可以提供更多的解决方案，因

15、此可以针对不同的具体情况，优化选择方案。,34,1.5 微纳机器人,纳米机器人在清理 纳米机器人 血管中的有害堆积物 正在进入红细胞,35,1.5.1 微纳操作系统,人们的视线已从宏观世界向微、纳观世界转移，为了认识微纳观世界以及为了对微纳世界进行操作，人们需要一种类似于宏观世界的机器人系统以及机器人操作，人们称之为“微纳操作及微纳操作系统”。,36,现代机器人,现代机器人: 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。,37,发展历史 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

16、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。,38,1967年日本成立了人工手研究会（现改名为仿生机构研究会），同年召开了日本首届机器人学术会。1970年在美国召开了第一届国际工业机器人学术会议

17、。1970年以后，机器人的研究得到迅速广泛的普及。1973年，辛辛那提米拉克隆公司的理查德豪恩制造了第一台由小型计算机控制的工业机器人，它是液压驱动的，能提升的有效负载达45公斤。到了1980年，工业机器人才真正在日本普及，故称该年为“机器人元年”。随后，工业机器人在日本得到了巨大发展，日本也因此而赢得了“机器人王国的美称”。,39,智能机器人并非无所不能，它的智商只相当于4岁的儿童，机器人的“常识”比正常成年人就差得更远了。 目前，科学家尚未搞清楚人类是如何学习和积累“常识”的，因此，将其应用到计算机软件上也就无从谈起。美国科学家罗伯特斯隆近日表示，人工智能研究的难题之一，就是开发出一种能实

18、时做出恰当判断的计算机软件。早在上世纪90年代，中国科学家周海中就指出：机器人在工作强度、运算速度和记忆功能方面可以超越人类，但在意识、推理等方面不可能超越人类。,40,现代机器人的现状 中国作为亚洲第三大的工业机器人需求国，市场发展稳定，汽车及其零部件制造仍然是工业机器人的主要应用领域，随着我国产业结构调整升级不断深入和国际制造业中心向中国的转移，我国的机器人市场会进一步加大，市场扩展的速度也会进一步提高。对于国外的先发、领先优势，我国的机器人产业的研发远远落后于美、日两国，甚至比起韩国也落后一步，尤其是在青少年中远未开展机器人的组装、制作的科学活动，这将关系到二、三十年后我国的产业发展,4

19、1,1.5.2机器人技术大发展,未来？,42,Elektro,1911年，美国纽约世博会上展出了西屋电气公司制造的家用机器人Elektro。它由电缆控制，可以行走，会说77个字，甚至可以抽烟，不过离真正干家务活还差得远。但它让人们对家用机器人的憧憬变得更加具体。,43,1959年，德沃尔与美国发明家约瑟夫英格伯格联手制造出第一台工业机器人。随后，成立了世界上第一家机器人制造工厂Unimation公司。由于英格伯格对工业机器人的研发和宣传，他也被称为“工业机器人之父”。,44,1968年，美国斯坦福研究所公布他们研发成功的机器人Shakey。它带有视觉传感器，能根据人的指令发现并抓取积木，不过控

20、制它的计算机有一个房间那么大。Shakey可以算是世界第一台智能机器人，拉开了第三代机器人研发的序幕。,45,日本本田公司研制的仿人机器人ASIMO,46,机器人发展阶段,从1911年，美国纽约世博会上展出了西屋电气公司制造的家用机器人Elektro起，机器人发展至今已出现了三代。 第一代机器人是简单的示教再现型机器人，这类机器人需要使用者事先教给它们动作顺序和运动路径，再不断地重复这些动作。目前在汽车工业和电子工业自动线上大量使用的就是这类机器人。它们基本上没有感觉也不会思考。 第二代机器人是低级智能机器人，或称感觉机器人。和第一代机器人相比，低级智能机器人具有一定的感觉系统，能获取外界环境

21、和操作对象的简单信息，可对外界环境的变化做出简单的判断并相应调整自己的动作，以减少工作出错、产品报废。因此这类机器人又被称为自适应机器人。,47,20世纪90年代以来，在生产企业中这类机器人的台数正逐年增加。因此这类机器人又被称为自适应机器人。20世纪90年代以来，在生产企业中这类机器人的台数正逐年增加。 第三代机器人是高级智能机器人。它不但有第二代机器人的感觉功能和简单的自适应能力，而且能充分识别工作对象和工作环境，并能根据人给的指令和它自身的判断结果自动确定与之相适应的动作。这类机器人目前尚处于实验室研究探索阶段。,48,目前，围绕未来的机器人需要研究开发如下一些关键技术：(1)网络机器人

22、技术通信网络技术的发展完全能够将各种机器人连接到计算机网络上，并通过网络对机器人进行有效的控制。(2)虚拟机器人技术许多特种机器人在使用时，遥控是一个主要手段。(3)多智能体协调控制技术用于实现决策和操作自治性的，由多智能体组成的群行为控制是一个具有挑战性的关键技术。(4)微型和微小型技术。(5)软机器人技术。在机器人意外地碰撞人或相互碰撞时是“ 软”的，增强人对机器人的安全感和亲近感。(6)新型机构、新型控制器、新型传感器及体系结构的研究。,49,1.5.3 中国机器人,中国国际上正在玩魔方的机器人,50,中国机器人发展取得的成就,中国已经是全世界最大的机器人市场，去年的销量还是实现了54%的迅猛增长。这一繁荣景象表明整个行业欣欣向荣。根据国际机器人协会的统计，中国明年的工业机器人安装量将位居全球第一。,51,智巡机器人,展会上的机器人亚洲智能机器人,52,谢谢！,53,