机器人第一章讲义

第一章概述1.1机器人的由来与发展一、机器人的由来“机器人”（robot）一词来自1920年捷克作家卡雷尔·查培克的剧本《罗萨姆的万能机器人》。剧中叙述了一个叫罗萨姆的公司把机器人它的名字叫罗伯特，也就是我们英文中的Robot，作为人类生产的工业品推向市场,让它充当劳动力代替人类劳动的故事,引起了人们的广泛关注。后来,这个故事就被当成了机器人的起源。机器人学(robotics)出自1942年美国科幻作家JsaacAsimov的科幻小说“Runaround”。1942年，科学家兼作家IsaacAsimov首次提出了机器人三大定律：第一：机器人必须不危害人类，也不允许它眼看人将受危害而袖手旁观；第二：机器人必须绝对服从人类，除非这与第一原则矛盾；第三：机器人必须保护自身不受伤害，除非这与第一或第二原则相矛盾。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，人类希望制造一种像人一样的机器，以便替人类完成各种工作。西周时期，我国的能工巧匠偃师就研制出了能歌善舞的伶人，这是我国最早记载的具备有机器人概念的文字资料。春秋后期，鲁班曾制造过一只木鸟，能在空中飞行“三日不下”体现了我国劳动人民的聪明智慧。东汉时代，著名科学家张衡不仅发明了地动仪、计里鼓车，而且发明了指南车，这些发明都是具有机器人构想的装置。据记载，指南车行驶于前方，车厢正中间有个平放着的大齿轮，即一个四十八齿的轮子。大齿轮中央有一平台，金童仙子立于此台上，左手拢于胸前，右手平平举起，指向正南方。当车向左或向右转弯时，金童仙子也徐徐地转身，但右手所指的方向却始终不变。张衡指南车是一种装有特殊的差速齿轮装置和指向器的单辕双轮车。关于记里鼓车：计里鼓车每行一里，车上木人击鼓一下，每行十里击钟一下。原理是，车轱辘直径三尺二寸，张衡当时计算出的圆周率为3.1466，车轱辘转一周，所走路程是一丈，也就是民间说的两步。自上古以来，里程就有明确的规定，三百步为一里，也就是一百五十丈，车轱辘转动一百五十圈就是一里。附在车轱辘内壁上的是动力齿轮，车轱辘转，它也转，动力轮再拨动大轮。转够一百五十圈时，就拨动一偏心轮，启动旋风轮，就动着了小木人，它顺着旋风轮走下来…三国时期，诸葛亮成功地制造了木牛流马，用其运送粮草，并用其中的机关“牛舌头”巧胜司马懿，被后人传为佳话。木牛流马虽已失传，但其明显具有机器人的功能和结构。木牛流马是什么样子，自古以来，说什么的都有，可是没有一种说法比较符合原状，我想其中的原因，在于搞历史的不通机械，而搞机械的又没有考证这些的习惯。1738年，法国天才技师杰克·戴·瓦克逊发明了一只机器鸭，它会嘎嘎叫，会游泳和喝水，还会进食和排泄。瓦克逊的本意是想把生物的功能加以机械化而进行医学上的分析。1773年，瑞士的钟表匠杰克·道罗斯和他的儿子利·路易·道罗斯连续推出了自动书写玩偶、自动演奏玩偶等，他们创造的自动玩偶是利用齿轮和发条原理而制成的。它们有的拿着画笔和颜色绘画，有的拿着鹅毛蘸墨水写字，结构巧妙，服装华丽，在欧洲风靡一时。由于当时技术条件的限制，这些玩偶其实是身高一米的巨型玩具。现在保留下来的最早的机器人是瑞士努萨蒂尔历史博物馆里的少女玩偶，它制作于二百年前，两只手的十个手指可以按动风琴的琴键而弹奏音乐，现在还定期演奏供参观者欣赏，展示了古代人的智慧。进入20世纪后，机器人的研究与开发得到了更多人的关心与支持，一些适用化的机器人相继问世。1948年，美国橡树岭国家实验室研制出能搬运核原料的遥控操纵机械手。这是一种主从型控制系统，系统中加入力反馈，可使操作者获知施加力的大小，主、从机械手之间有防护墙隔开，操作者可通过观察窗或闭路电视对从机械手操作机进行有效的监视，主、从机械手系统的出现为机器人的产生以及近代机器人的设计与制造作了铺垫。1954年，美国人设计了世界上第一台电子可编程机器人实验装置，发表了“适用于重复作业的通用性工业机器人”一文，并获得了美国专利。1962年，美国通用公司在汽车生产线上使用全球第一台机器人Unimate，这种机器人目前还在使用。第一台现代工业机器人由GeorgeDevolandJoeEngleberger创造，被称为“机器人之父”。二、机器人学的进展简单历史回顾：1962年美国通用公司第一机器人，60——70年代发展停滞的，对机器人的认识不充分，发展慢。70-80年代，机器人产业得到蓬勃发展，机器人技术发展成为专门学科，称为机器人学，随着工业的发展，对机器人的认识也多，机器人的应用领域进一步扩大，在汽车行业，家电行业都开始用机器人，大规模集成电路和计算机的飞速发展使机器人的控制性能大大提高，成本不断下降，进入高度发展。80-90年代，进入饱和，在工业界发展进入缓慢，但是机器人学在发展，目标投向其他行业，寻找出路。（服务，医疗）90-现在，又进入快速发展期，水下探测，沉船，飞机，下水都是人，危险，现在可以使用机器人。目前发展概况：1）日本成为机器人生产大国，美国成为研究大国目前，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。日本生产的三菱，安川等工业机器人，占全球60%以上，美国是研究大国，第一台机器人就是美国开始的的，把Unimate机器人技术卖给日本以后，日本大量生产，美国仍作自己的研究，现在几乎说有的高级机器人都是美国研制出来的。日本在60年代末正处于经济高度发展时期，日本的劳动力本来就紧张，而高速度的经济发展更加剧了劳动力严重不足的困难。为此，日本在1967年由川崎重工业公司从美国Unimation公司引进机器人及其技术，建立起生产车间，并于1968年试制出第一台川崎的“尤尼曼特”机器人。正是由于日本当时劳动力显著不足，机器人在企业里受到了“救世主”般的欢迎。日本政府在经济上采取了积极的扶植政策，鼓励发展和推广应用机器人，从而更进一步激发了企业家从事机器人产业的积极性。经过短短的十几年，到80年代中期，已一跃而为“机器人王国”，其机器人的产量在国际上跃居首位。机器人也没有辜负人们的期望，它在解决劳动力不足、提高生产率、改进产品质量和降低生产成本方面，发挥着越来越显著的作用，成为日本保持经济增长速度和产品竞争能力的一支不可缺少的队伍。日本在汽车、电子行业大量使用机器人生产，使日本汽车及电子产品产量猛增，质量日益提高，而制造成本则大为降低。从而使日本生产的汽车能够以价廉的绝对优势进军号称“汽车王国”的美国市场，并且向机器人诞生国出口日本产的实用型机器人。此时，日本价廉物美的家用电器产品也充斥了美国市场……这使“山姆大叔”后悔不已。2）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。3）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（伦斯勒理工学院）、Stanford（斯坦福大学）等大学都是研究机器人学的著名学府。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（InstituteofElectricalandElectronicsEngineers美国电气和电子工程师协会是一个国际性的电子技术与信息科学工程师的协会，是世界上最大的专业技术组织之一）每年举行的机器人学及自动化国际会议。我国的研究现状：日本在20世纪60年代和美国都在开始进行机器人的研究，我们国家机器人的研究，在20世纪70年代后期，当时我们在国家北京举办一个日本的工业自动化产品展览会，在这个会上有两个产品，一个是数控机床，一个是工业机器人，这个时候，我们国家的许多学者，看到了这样一个方向，开始进行了机器人的研究，但是这时候研究，基本上还局限于理论的探讨阶段，那么真正进行机器人研究的时候，是在1986年我们国家成立了863计划（863计划即国家高技术研究发展计划。这个计划是以政府为主导,以一些有限的领域为研究目标的一个基础研究的国家性计划。）后，就将机器人技术作为一个重要的发展的主题，国家投入将近几个亿的资金开始进行了机器人研究，使得我们国家在机器人这一领域得到很快地、迅速地发展。目前主要单位像中科院沈阳自动化所，原机械部的北京自动化所，像哈尔滨工业大学，北京航空航天大学，清华大学，还包括中科院北京自动化所等等的一些单位都做了非常重要的研究工作，也取得了很多的成果，而且目前这几年来看，我们国家在高校里边，有很多单位从事机器人研究，很多研究生和博士生都在从事机器人方面的研究，目前我们国家比较有代表性的研究，有工业机器人，水下机器人，空间机器人，核工业的机器人，都在国际上应该处于领先水平，总体上我们国家与发达国家相比，还存在很大的差距，主要表现在，我们国家在机器人的产业化方面，目前还没有固定的成熟的产品，但是在上述这些水下、空间、核工业，一些特殊机器人方面，我们取得了很多有特色的研究成就。造成现状的原因：1）机器人投资理论：1个劳力一年几千，现在几万，买机器人15万，喷漆，三班倒每一个人1万5，要3年时间收回成本，机器人产品质量可以保证，不会随心情变化，人天天高兴，也不能保证质量，比如宁螺钉，机器人的力一样，也不会罢工，劳动力成本降低。2）机器人产业迅速发展：工业机器人在工业领域运用很多3）应用范围遍及各个领域：医疗（脑科手术，脑溢血，开颅，现在使用机器人以后，就不会开颅了，通过立体定向装置，通过CT扫描，确定学块在什么位置，在头皮上转一个小孔，吸出来就可以），大家在电视里边看到，一个机械手，大概有手指这样粗细的一个机械手，通过插入腹脏以后，人在屏幕上操作这个机器手，同时对它用激光的方法对病灶进行激光的治疗，这样的话，人就不用很大幅度地破坏人的身体，这实际对人的一种解放，是非常好一种机器人，医疗机器人它也很复杂，一方面它完全自动去完成各种工作，是有困难的，一般来说都是人来参与探测（美国火星探路者，月球探测，海洋探测，海底光缆，火山探测）4）机器人学兴起：现在几乎所有的技术学科，都是先有技术，再研究理论；工业机器人也是先应用到工业领域，然后我们才开始研究机器人的特点，基本理论，如何提高它的控制精度，运动学，可以干些什么事。美国研究水平最高，全球研究最好的两个研究所都在美国。我们国家机器人学国家重点实验室一个是科学院的沈阳自动化所，我国机器人学领域著名科学家蒋新松院士1989-1997年曾任实验室主任。近二十年来，实验室在机器人学基础理论与方法研究方面与国际先进水平同步发展，并在机器人技术前沿探索和示范应用等方面取得一批有重要影响的科研成果，充分显示出实验室具有解决国家重大科技问题的能力。5）机器人向智能化发展：目前机器人研究的重点，包括控制的智能，对人类与自然的理解，思维方式的模仿，所有的机械设备都在追求智能化。智能化，由原来的示教再现，发展成目前局部感知功能的第二代机器人，最终的目标，是不断地随着其它学科和先进技术的发展，使机器人内涵不断丰富，最终实现智能机器人这样一个主流。1.2机器人的定义刚才讲了机器人的发展历史，虽然机器人已被广发使用，越来越受到人们的重视，到底什么是机器人，每个国家的说法都不一样，机器人这一名词还没有一个统一、严格、准确的定义。原因之一是机器人还在发展，新的机型，新的功能不断出现，同时，由于机器人涉及了人的概念，成为一个难以回答的哲学问题，就像机器人一词最早诞生在科幻小说之中一样，人们对机器人充满了幻想。也许正是由于机器人定义的模糊，才给人们充分的想象和创造的空间。下面给出一些具有代表性的定义：（1）美国机器人协会(RIA)的定义：机器人是“一种用于移动各种材料、零件、工具或专用的装置，通过可编程序动作来执行各种任务的，并具有编程能力的多功能机械手。（2）日本工业机器人协会(JIRA)的定义：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”。把机器人的定义分为两类：工业机器人和智能机器人工业机器人：（能够