模块一机器人应用技术概述优质PPT.ppt

1、,机器人是一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置的，通过可编程序操作来执行各种任务的，并具有编程能力的多功能机械手。,一、机器人的定义与特性,一、机器人的定义与特性,一、机器人的定义与特性,一、机器人的定义与特性,根据国际标准化组织（ISO）给出的机器人定义，机器人的特性如下：（1）机器人具有类人性，其动作机构具有类似于人或其他生物体某些器官的功能。（2）机器人具有通用性，其工作种类多样，动作程序灵活易变。（3）机器人具有智能性，如记忆、感知、推理、决策、学习等，其智能程度不同。（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。,一、机器人的定义与特性,为了防止机器人伤

2、害人类，1940年，一位名叫阿西莫夫的科幻作家首次使用了robotics（机器人学）来描述与机器人有关的科学，并提出了“机器人学三原则”：（1）机器人不得伤害人类或由于故障而使人遭受不幸。（2）机器人应执行人们下达的命令，除非这些命令与第一原则相矛盾。（3）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。这是给机器人赋予的伦理性纲领。机器人学学术界一直将这三原则作为机器人开发的准则。,一、机器人的定义与特性,二、机器人的历史与发展,“机器人”一词虽然出现得较晚，但是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

3、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。,列子汤问记载，西周时期周穆王在位时，能工巧匠偃师制造出一个逼真的机器人，它和人一样能歌善舞，这是我国最早记载的具备机器人概念的文字资料。墨经记载，春秋后期，木匠鲁班在机械方面也有所造诣，他曾制造过一只木鸟，能在空中飞行“三日而不下”。三国时，又出现了能替人搬东西的“机器人”。它是由蜀汉丞相诸葛亮发明的，能替代人运输物资的机器“木牛流马”，也就是现代的步行机机器人。它在结构和功能上相当于今天运输用的工业机器人。,二、机器人的历史与发展,1662年，日本的竹田近江利用钟表技术发明了自动机器玩偶，并在大阪演出

4、。18世纪末，人们通过改进，制造出了端茶玩偶。它是木质的，发条和弹簧是用鲸鱼须制成的，它双手捧着茶盘，如果把茶杯放在茶盘上，它便会向前走，把茶端给客人，客人取茶杯时，它会自动停止行走，客人喝完茶把茶杯放回茶盘上时，它就又转回原来的地方。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机械化，以进行医学上的分析。,二、机器人的历史与发展,17681774年，瑞士钟表匠德罗斯父子三人合作制造出3个像真人一样大小的机器人写字偶人、绘图偶人和弹风琴偶人。它们是靠弹簧驱动、由凸轮控制的自动机器，至今还作为国宝保存在瑞士纳切尔市艺

5、术和历史博物馆内。1890年，在美国芝加哥的小实验室里，Archibald Campion教授制造出了一个称为机器人锅炉的装置，可以自动向外输出所需温度的热水，这个装置曾经参加了1893年的哥伦比亚世界博览会。1901年，为了迎接新世纪的到来，有人制造出了一个机器人战士，尽管那时汽车和飞机还没有被发明，但是对多功能人工机械人的研发，让人不得不刮目相看。,二、机器人的历史与发展,进入20世纪40年代后期，机器人的研究与发明得到了更多人的关心或关注。20世纪50年代以后，美国橡树岭国家实验室开始研究能搬运核原料的遥控操纵机械手，如图1-1所示。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

6、知施加力的大小，主、从机械手之间由防护墙隔开，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及近代机器人的设计与制造做了铺垫。,图1-1 主从型遥控操纵机械手,二、机器人的历史与发展,二、机器人的历史与发展,机器人是以控制论和信息论为指导，综合了机械学、微电子技术、计算机、传感技术等学科的成果而诞生的。因此，随着这些学科，特别是计算机技术的发展，现代机器人的出现已经是顺理成章的事了。,二、机器人的历史与发展,1959年，德沃尔的Unimation公司制造出世界上第一台工业机器人Unimate机器人（见图12），现代机器人的历史才真正开始。这种机

7、器人外形有点儿像坦克炮塔，基座上有一个大机械臂，大臂可绕轴在基座上转动，大臂上又伸出一个小机械臂，它相对大臂可以伸出或缩回。小臂上有一个腕，可绕小臂转动，进行俯仰和侧摇。腕前端是“手”，即操作器。这个机器人的功能和人的手臂功能相似。现在的Unimate机器人是球坐标机器人，它由5个关节串联的液压驱动，可完成近200种示教再现动作。,二、机器人的历史与发展,图1-2 Unimate机器人,二、机器人的历史与发展,随后，美国AMF公司制造出Versatran机器人。Versatran机器人（见图1-3）主要用于机器之间的物料运输，机器人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。因此

8、，一般认为Unimate机器人和Versatran机器人是世界上最早的工业机器人。,图1-3 Versatran机器人,二、机器人的历史与发展,美国机器人从诞生起，在相当长的一段时期内，主要停留在大学和研究所的实验室里，虽然做出了一系列研究成果，但是没有形成生产能力，且应用较少，因而也很难得到充裕的经费支持。与此同时，工业生产和应用部门对机器人技术的效益持观望态度，因此研究开发、生产和应用脱节的现象延缓了这一新技术在美国的发展。直到20世纪70年代中期，鉴于机器人技术的发展和日本在工业机器人方面所取得的成就，美国才意识到问题的紧迫性并采取多方面措施。,二、机器人的历史与发展,日本开始进行机器人

9、研究并不算早，日本的机器人技术人员首先引进了美国机器人技术，经过技术消化并在日本迅速将其实用化。1967年，日本东京机械贸易公司首次从美国引进Versatran机器人；1968年，日本川崎重工业公司从美国引进Unimate机器人，并对它进行改进，增加了视觉功能，使其成为一种具有智能的机器人。这一成就引起了日本产业界和政府的高度重视，为了推广应用这一新技术，日本政府在技术政策和经济上都采取措施加以扶植，因此，日本的工业机器人迅速走出了从试验应用到成熟产品应用的阶段，工业机器人得以大量生产和应用。20世纪70年代是日本机器人的迅速发展时期，日本在机器人的产品开发和应用两个方面超过美国，成为当今世界

10、第一的“机器人王国”。,二、机器人的历史与发展,1979年，Unimate公司又推出PUMA系列工业机器人，它是一种全电动驱动，关节式结构，多CPU二级微处理器控制，采用VAL专用语言，可配置视觉、触觉和力传感器的较为先进的机器人；同年，日本山梨大学的牧野洋研制出了具有平面关节的SCARA型机器人。1985年，发那科公司又推出了交流伺服驱动的工业机器人产品。这一时期，各种装配机器人的产量增长较快，与机器人配套使用的装置和视觉技术也在迅速发展。近十几年来，欧洲的德国、瑞典、法国及英国的机器人产业发展较快。目前，世界上的机器人无论是从技术水平上，还是从已装备的数量上，其优势集中在以日、欧、美为代表

11、的少数几个发达的工业化国家和地区。,二、机器人的历史与发展,二、机器人的历史与发展,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。20世纪80年代，我国机器人技术的发展得到政府的重视和支持，机器人步入了跨越式发展时期。1986年，我国开展了“七五”机器人攻关计划。1987年，我国的863高技术计划将机器人方面的研究开发列入其中，进行了工业机器人基础技术、基础元器件、工业机器人整机及应用工程的开发研究。在完成了示教再现式工业机器人及其成套技术的开发后，我国研制出了喷涂、弧焊、点焊和搬运等工业机

12、器人整机，多类专用和通用控制系统及关键元器件，并在生产中经过实际应用考核，其性能指标达到20世纪80年代初国外同类产品的水平。,二、机器人的历史与发展,为了跟踪国外高技术，在国家高技术计划中安排了智能机器人的研究开发，包括水下无缆机器人、多功能装配机器人和各类特种机器人等，并进行了智能机器人体系结构、机构、控制、人工智能、机器视觉、高性能传感器及新材料等的应用研究。20世纪90年代，由于市场竞争加剧，一些企业认识到必须用机器人等自动化设备来改造传统产业，从而使机器人进一步走向产业化。在喷涂机器人、点焊机器人、弧焊机器人、搬运机器人、装配机器人和矿山、建筑、管道作业的特种工业机器人技术和系统应用

13、的成套技术方面继续开发与完善，进一步开拓市场，扩大应用领域，从汽车制造业逐步扩展到其他制造业，并渗透到非制造业领域。例如，机器人化柔性装配系统的研究充分发挥工业机器人在未来计算机集成制造系统（CIMS）中的核心技术作用。,二、机器人的历史与发展,人工智能是关于人造物的智能行为，它包括知觉、推理、学习、交流和在复杂环境中的行为，人工智能的长期目标是发明出可以像人类一样能更好地完成以上行为的机器。,二、机器人的历史与发展,微型机器人又称为“明天的机器人”。它是机器人研究领域的一颗新星，它同智能机器人一起成为科学追求的目标。在微电子机械领域，尺寸为1100 mm的机械为小型机械，尺寸为10 m1 m

14、m的机械为微型机械，10 nm10 m的机械为超微型机械。微型机器人的体积可以缩小到微米级甚至亚微米级，重量轻至纳克，加工精度为微米级或纳米级。发展微型和超微型机器人的指导思想非常简单：某些工作若用一台结构庞大、价格昂贵的大型机器人去做，不如用成千上万个低廉、微小、简单的机器人去完成。这正如用一大群蝗虫去“收割”一片庄稼，要比使用一台大型联合收割机快。,二、机器人的历史与发展,图1-4所示的FR微型机器人轻巧地从现场设置的桌子上起飞后，能在3 m左右的高度盘旋飞行。在现场设置的投影机上投出了安装在机器人上的CMOS摄像头拍摄到的图像。比起其前代来，新的机器人更轻盈也更高级，具有独立的飞行能力且

15、可采用无线蓝牙进行操控。,图1-4 FR-微型机器人,二、机器人的历史与发展,二、机器人的历史与发展,二、机器人的历史与发展,直至近来，大多数机器人才被认为属于生物纲目之一。工具型机器人保持了机器人应有的基本元素，如装备了爪形机械、抓具和轮子，但不管怎么看，它都像是台机器，如图1-5中的R2-D2所示。相比之下，类人形机器人则最大限度地与创造它们的人类相似，它们的运动臂上有自己的双手，下肢有真正的脚，有人类一样的脸，如图1-5中的C-3PO所示。,图1-5 星球大战中的机器人C-3PO（左）和R2-D2（右）,二、机器人的历史与发展,介于这两种极端情况之间的是少数具备动物特征的机器人，它们通常被制作成宠物的模样，如图1-6中的索尼机器狗AIBO，但事实上，它们只不过是供娱乐的玩具。,图1-6 索尼机器狗AIBO,二、机器人的历史与发展,有动物特征的机器人一直以来都在迅猛发展。现在，工程师们的仿生对象不仅有狗，