1、1机器人技术与控制机器人技术与控制212345Contents目目录录36Contents目目录录74PART ONE1.什么是机器人？动画片里的变形金刚（Transformer),瓦力Baymax.？机器人（Robot）是自动执行工作的机器装置。既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。它的任务是协助或取代人类工作的工作，例如生产业、建筑业，或是危险的工作。机器人的科学定义obot)机械手加工零件机器人充当服务员机器人充当服务员72机器人发展状况2.1 机器人的漫长发展史82.1 机器人的漫长发展史 机器人的起源可以追溯至古代世界。根据记载，早
2、在公元前3世纪，古希腊哲学家费罗（Philo of Byzantium）就发明了以水作为动力驱动的机械，即水车。为工业化文明和机械应用奠定了基础。1921年，捷克作家Karel Capek在其科幻小说罗素姆的万能劳工（Universal Robot）中，首次使用机器人这一词汇，并被沿用至今。作者梦想着有这样的情况，即生物过程可以创造出类人的机器，虽缺乏感情和灵魂，但能服从人类命令。robot，原为robo，意为奴隶，即人类的仆人。9LOREM IPSUM DOLOR美国阿尔贡国家实验室遥控机械手的发展用于操作放射性材料40年代末MIT研制成功第一台数控铣床（机械手+NC技术）第一台工业机器人产
3、生1953推出第一台示教再现式（Teaching-Playback)的PUMA机器人1959Joseph Engelberger创造了世界上第一个制造机器人的公司-Unimation195810LOREM IPSUM DOLORUnimation公司生产出第一台工业机器人-Unimate62年在GM公司应用1961丰田和川崎重工引进Unimate和Versatran机器人1967日本机器人在世界占主要地位，占世界总产量50%以上80年代机器人学列入教学计划198311目前，驱动整个工业机器人的最大动力在汽车业，其也是最早应用这一技术的行业;去年，其占据了前文提及的23万台总销量的10万台。紧随
4、其后的，则是电子行业及金属、橡胶、食品、制药、化妆品等。2014年 全球工业机器人总销量为23万台LOREM IPSUM DOLOR12机器人发展状况2.2国内外研究现状213机器人行业分布金属电子化妆品制药食品橡胶工业工业50%L o r e m i p s u m dolor sit ametL o r e m i p s u m dolor sit ametL o r e m i p s u m dolor sit ametL o r e m i p s u m dolor sit ametL o r e m i p s u m dolor sit ametL o r e m i p s
5、 u m dolor sit amet14欧洲美洲亚洲按区域划分，亚洲是现在工业机器人使用量最大的地区，占据全球份额的50%;接下来是包括北美及南美的美洲及欧洲。按区域划分全球份额按区域划分全球份额50%1556%25%15%Part_1Part_2Part_3请在此输入您的标题新增工业机器人份额划分中国日本美国16 韩国以478台/万人的数据位居榜首，日本和德国紧随其后，而中国目前的机器人使用密度还低于国际平均水平。机器人使用密度17瑞典瑞典：ABB Robotics日日 本本：F A N U C、Y a s k a w a德德 国国：K U K A Roboter美国美国：Adept Te
6、chnology、American Robot、Emerson Industrial Automation、S-T Robotics，在国外，工业机器人技术日趋成熟，已经成为一种标准设备被工业界广泛应用。从而，相继形成了一批具有影响力的、著名的工业机器人公司18国外机器人产业概况产业前景预测 这些公司已经成为其所在地区的支柱性产业。国外专家预测，机器人产业是继汽车、计算机之后出现的一种新的大型高技术产业。据联合国欧洲经济委员会(UNECE)和国际机器人联合会(IFR)的统计，世界机器人市场前景看好，从20世纪下半叶起，世界机器人产业一直保持着稳步增长的良好势头行业普及 在发达国家中，工业机器人
7、自动化生产线成套设备已成为自动化装备的主流。国外汽车行业、电子电器行业、工程机械等行业已经大量使用工业机器人自动化生产线，以保证产品质量，提高生产效率，同时避免了大量的工伤事故。19国内工业机器人发展现状 在降低制造成本，解决用工严重不足等口号的呼喊下，近年来机器人产业在全世界范围内兴起。中国作为世界工厂，面临的形式更是尤为的严重。20请在此输入您的标题以教育、清扫等为代表的服务机器人在国内也在逐步进入市场。随着我国门户的逐渐开放，国内的工业机器人产业将面对越来越大的竞争与冲击，因此，掌握国内工业机器人市场的实际情况，把握我国工业机器人研究的相关进展，显得十分重要。213机器人基本原理LORE
8、M IPSUM DOLOR22相似之处（结构、驱动、负载、控制器）相似之处（结构、驱动、负载、控制器）l 具有许多连杆，这些连杆通过关节依次连接；具有许多连杆，这些连杆通过关节依次连接；l 这些关节由驱动器驱动（电机）；这些关节由驱动器驱动（电机）；l 操作机的操作机的“手手”都能在空中运动，达到工作空间的任何位置，并承载一定都能在空中运动，达到工作空间的任何位置，并承载一定的负荷；的负荷；l 都用一个中央控制器控制驱动器。都用一个中央控制器控制驱动器。3.1机器人操作手与起重机进行比较机器人操作手与起重机进行比较:不同之处（控制源、名称）不同之处（控制源、名称）l 起重机是由人来控制驱动器起
9、重机是由人来控制驱动器l 机器人操作手是由计算机编程控制。动作受计算机监控的控制器所控制，机器人操作手是由计算机编程控制。动作受计算机监控的控制器所控制，该控制器本身也运行某种类型程序。程序改变，机器人动作就会相应改变。该控制器本身也运行某种类型程序。程序改变，机器人动作就会相应改变。l 一个称为机器人，一个称为操作机。一个称为机器人，一个称为操作机。233.2 机器人的特点、结构及分类机器人的特点、结构及分类 一、机器人的主要特点（通用性、适应性）一、机器人的主要特点（通用性、适应性）机器人的特点包括如下两方面内容：机器人的特点包括如下两方面内容：1通用性通用性机器人的通用性取决于它的几何特
10、性和机机器人的通用性取决于它的几何特性和机械能力。即指执行不同功能完成同一任务的能力和完成械能力。即指执行不同功能完成同一任务的能力和完成多样不同简单任务的能力。或者说在机械结构上允许机多样不同简单任务的能力。或者说在机械结构上允许机器人器人执行不同的任务执行不同的任务或或以不同的方式完成同一任务以不同的方式完成同一任务。决定通用性有两方面因素：一个是机器人决定通用性有两方面因素：一个是机器人自由度自由度；另一个是另一个是末端执行器末端执行器的结构和操作能力。的结构和操作能力。242适应性适应性机器人的适应性是指其机器人的适应性是指其对环境的自适应能力对环境的自适应能力，即要求所设，即要求所设
11、计的机器人能够自我执行并适应未经完全指定的任务，计的机器人能够自我执行并适应未经完全指定的任务，而不管任务执行过程中是否发生了所没有预计到的环境而不管任务执行过程中是否发生了所没有预计到的环境变化。这一能力要求机器人具有人工知觉，即能变化。这一能力要求机器人具有人工知觉，即能感知周感知周围环境围环境。在这个层次上，机器人运用它的下述能力：。在这个层次上，机器人运用它的下述能力：(1)使用传感器感测环境的能力；使用传感器感测环境的能力；(2)分析任务空间和执行操作规划的能力；分析任务空间和执行操作规划的能力；(3)自动指令模式的能力。自动指令模式的能力。25根据具体作业对象不同，机器人适应性主要
12、考根据具体作业对象不同，机器人适应性主要考虑三种适应性：虑三种适应性：(1)点适应性：点适应性：即如何找到点的位置。即如何找到点的位置。(2)曲线适应性：曲线适应性：即如何利用传感器得到的信息即如何利用传感器得到的信息(或特殊或特殊结构、材料等结构、材料等)沿曲面工作。沿曲面工作。(3)速度适应性：速度适应性：选择最佳运动速度。（与倒立摆类似选择最佳运动速度。（与倒立摆类似的两轮机器人）的两轮机器人）26二、机器人的结构二、机器人的结构组成组成四大组成部分四大组成部分 执行机构执行机构 驱动单元驱动单元 控制系统控制系统 智能系统智能系统27 执行机构执行机构执行机构是执行机构是机器人机器人完
13、成工作任务的机械实体一般为完成工作任务的机械实体一般为“机械手臂机械手臂+末端末端操作器操作器”机械手臂机械手臂manipulatormanipulator：一般为由杆件机构和关节机构组成的空间开一般为由杆件机构和关节机构组成的空间开链机构常常进一步细分为机座腰部臂部肩和肘腕部链机构常常进一步细分为机座腰部臂部肩和肘腕部 末端操作器末端操作器end-effectorend-effector ：按作业用途定（是机器人完成特定作业：按作业用途定（是机器人完成特定作业的关键装置的关键装置28 驱动单元驱动单元 包括驱动器、运动件和传动机构包括驱动器、运动件和传动机构n 驱动器：驱动器：电机（步进电机
14、、伺服电机、电机（步进电机、伺服电机、DDDD电机）、气缸、液压缸电机）、气缸、液压缸、新型驱动器。、新型驱动器。n 传动机构：传动机构：谐波传动、螺旋传动、链传动、带传动、谐波传动、螺旋传动、链传动、带传动、绳传动绳传动、各、各种齿轮传动及液力传动。种齿轮传动及液力传动。n 运动件：运动件：机器人本体上的各运动体。机器人本体上的各运动体。29 控制系统控制系统 一般由控制计算机、驱动装置和伺服控制器（一般由控制计算机、驱动装置和伺服控制器（servo controller servo controller）组成组成 控制计算机：控制计算机：根据作业要求接受编程发出指令控制协调运动并根根据作业
15、要求接受编程发出指令控制协调运动并根据环境信息协调运动据环境信息协调运动 伺服控制器：伺服控制器：控制各关节的驱动器使其按一定的速度加速度和轨控制各关节的驱动器使其按一定的速度加速度和轨迹要求进行运动迹要求进行运动30 智能系统智能系统 正在发展中智能机器人除运动机能外还有如下三种机能正在发展中智能机器人除运动机能外还有如下三种机能n 感知机能：感知机能：获取外部环境信息以便进行自我行动决策和监视的机获取外部环境信息以便进行自我行动决策和监视的机能，视觉传感器是当前发展的重点能，视觉传感器是当前发展的重点n 思维机能：思维机能：求解问题的认识推理和判断机能求解问题的认识推理和判断机能 人工智能
16、人工智能n 人人机通信机能：机通信机能：理解指示命令输出内部状态与人进行信息交换理解指示命令输出内部状态与人进行信息交换的机能的机能31三、机器人的分类三、机器人的分类 按机器人结构形式分类按机器人结构形式分类u 一般工业机器人为一般工业机器人为6个自由度前三个称为手臂机构后三个称为手腕机构。根个自由度前三个称为手臂机构后三个称为手腕机构。根据手臂机构的运动付不同形式的组合得到不同的机器人机构形式。据手臂机构的运动付不同形式的组合得到不同的机器人机构形式。32(1)直角坐标式直角坐标式(Cartesian)符符号表示号表示PPP因末端操作工具的不同，直角坐标机器人可以非常方便的用作各种自动化设
17、备，完成如焊接、搬运、上下料、包装、码垛、拆垛、检测、探伤、分类、装配、贴标、喷码、打码、（软仿型）喷涂、目标跟随、排爆等一系列工作。特别适用于多品种，便批量的柔性化作业，对于稳定，提高产品质量，提高劳动生产率，改善劳动条件和产品的快速更新换代有着十分重要的作用。33(2)圆柱坐标式圆柱坐标式(Cylindrical)符符号表示号表示RPP 请在此输入您的文本。请在此输入您的文本。请在此输入您的文本。请在此输入您的文本。请在此输入您的文本。34球坐标机器人具有两个转动关节和一个移动关节，构成球缺形状的工作范围。面关节机器人（SCARA）是一种装配机器人，它只有平行的肩关节和肘关节，关节轴线共面
18、，在垂直平面没有很好的刚度，在水平面内有较好的柔顺性。(3)球坐标式球坐标式(Spherical)符号表示符号表示RRP 35(4)多关节式多关节式(Jointed)符号符号表示表示RRR 工业多关节机器人用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。机械手是最早出现的工业机器人，也是最早出现的现代机器人。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。36SCARA机器人有3个旋转关节，其轴线相互平行，在平面内进行定位和定向。另一个关节是移动关节，用于完成末端件在垂直于平面的运动。手腕参考点的位
19、置是由两旋转关节的角位移1和2，及移动关节的位移z决定的，即p=f(1,2,z)，如图所示。这类机器人的结构轻便、响应快，例如Adept1型SCARA机器人运动速度可达10m/s，比一般关节式机器人快数倍。它最适用于平面定位，垂直方向进行装配的作业。(5)SCARA(Selective Compliance Assembly Robot Arm)关节轴线全平行由日本山梨大学牧野洋关节轴线全平行由日本山梨大学牧野洋教授首先提出教授首先提出 374机器人分类LOREM IPSUM DOLOR38工业机器人服务机器人集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的
20、自动化装备。机器人家族中的一个年轻成员，按专业领域服务分类国际上通常将机器人分为工业机器人和服务机器人两大类。39机器人的分类请在此输入您的文本。请在此输入您的文本。请在此输入您的文本。请在此输入您的文本。请在此输入您的文本。405机器人产业化LOREM IPSUM DOLOR4101024.1国内机器人产业哈尔滨工业大学和哈尔滨风华机器厂等单位研制的华宇型弧焊机器人华宇型点焊机器人2012年，四种新型工业机器人在中国哈尔滨研制成功。420304请在此输入您的标题 哈尔滨工业大学与航天部811厂等单位联合研制的东方1号喷漆机器人 国营星光机器厂研制的星光型直角坐标点焊机器人43哈工大机器人集团
21、教育机器人阿凡达乐队机器人亮相2015世界机器人大会。哈工大机器人集团参加2015世界机器人大会。哈工大机器人集团多款无人机产品亮相2015世界机器人大会44国内产业园区分布 “机器人换人”大潮下，中国已连续两年坐上世界机器人最大消费国的宝座。国际机器人联合会（IFR）发布的数据称，去年中国工业机器人的销量为5.6万台，占到全球总销量的约1/4。长三角、珠三角及京津冀地区，是机器人产业园集聚之地。江苏省有昆山、张家港、南京、常州及徐州5座城市正在建设机器人产业园；广东省有4座在建机器人产业园，其中2座位于深圳，顺德和东莞各有1座，而广州和中山两地亦有筹建的机器人产业园。45国内外机器人厂商 相
22、比于近些年才拔地而起的机器人产业园，包括“四大家族”在内的外资机器人公司早在1990年代就嗅到了市场的机会，它们通过独资或合资的方式进入中国，在汽车制造等领域寻求机器人的应用市场。全球最大的中国机器人市场，也吸引着国内企业涌入，“机器人”概念由此变得更加火热。除了本体制造企业“四大家族”，新松机器人、埃夫特以及广州数控等公司也杀入该环节，成为中国机器人市场的佼佼者。464.2国外机器人1.日本“治愈系”机器人-Pepper：一个比你对象更深情的机器人Pepper被描述为“情感机器人”，因为它能够通过判断人类的面部表情和语调的方式，“读”出人类情感。Pepper使用基于云端的面部和语音识别来完成
23、这些任务。472.美国”大狗”机器人 “大狗”机器人由波士顿动力学工程公司研制。这种机器狗的体型与大型犬相当，能够在战场上发挥非常重要的作用：在交通不便的地区为士兵运送弹药、食物和其他物品。它不但能够行走和奔跑，而且还可跨越一定高度的障碍物。该机器人的动力来自一部带有液压系统的汽油发动机。“大狗”的四条腿完全模仿动物的四肢设计，内部安装有特制的减震装置。机器人的长度为1米，高70厘米，重量为75千克，从外形上看，它基本上相当于一条真正的大狗。“大狗”机器人的内部安装有一台计算机，可根据环境的变化调整行进姿态。而大量的传感器则能够保障操作人员实时地跟踪“大狗”的位置并监测其系统状况。这种机器人的
24、行进速度可达到7千米/小时，能够攀越35度的斜坡。它可携带重量超过150千克的武器和其他物资。“大狗”即可以自行沿着预先设定的简单路线行进，也可以进行远程控制。48Cheetah 2 robot jumps over hurdleshttp:/www.robotics-vo.us/Researchers have created new algorithms to autonomously jump over obstacles with the MIT Cheetah 2 robot.In a leap for robot development,the MIT researchers wh
25、o built a robotic cheetah have now trained it to see and jump over hurdles as it runs making this the first four-legged robot to run and jump over obstacles autonomously.There are now even fewer obstacles separating you from your new robotic overlords.Researchers have created a robotic cheetah that
26、canfor the first timeautonomously detect objects and jump over them without slowing down.The team of scientists from the Massachusetts Institute of Technology(MIT)have demonstrated how the futuristic four-legged robot is able to clear half-meter(18 inch)hurdles,while moving at a speed of 5 mph,in th
27、e video below.Before jumping over a hurdle,the robotic cheetah plans out its path in a similar way to a human runner.It estimates the height and distance of the object its approaching,decides on the best position to jump and exerts the force needed to leap over the object and land safely.49各国推动机器人发展
28、计划各国推动机器人发展计划2013年，美国发布了机器人发展路线报告，其副标题就是“From Internet to Robotics”欧盟启动了全球最大民用机器人研发计划“SPARC”韩国制定了“智能机器人基本计划”，并于2012年10月发布了“机器人未来战略展望2022”50应尽快制订我国下一代机器人技术发展蓝图、产业统一发展规划，确保我国机器人产业按正确的方向持续发展。“机器人革命”有望成为“第三次工业革命”的一个切入点和重要增长点，我国将成为全球最大的机器人市场。世界主要经济体纷纷将发展机器人产业上升为国家战略，并以此作为保持和重获制造业竞争优势的重要手段。请在此输入您的标题请在此输入您
29、的标题请在此输入您的标题我国机器人产业还没有形成研制、生产、制造、销售、集成、服务等有序、细化的产业链，产品附加值偏低。请在此输入您的标题请在此输入您的标题 习近平总书记在2014年两院院士大会讲话中提到，“机器人革命”有望成为“第三次工业革命”的一个切入点和重要增长点，将影响全球制造业格局，而且我国将成为全球最大的机器人市场。总书记明确提出要求：“我们不仅要把我国机器人水平提高上去，而且要尽可能多地占领市场”。516机器人强势专业高校LOREM IPSUM DOLOR52刘宏（哈尔滨工业大学校长助理）代表作品:多指灵巧手主要从事空间机器人，机器人灵巧手，假手等方面研究。53朱向阳（上海交通大
30、学机械学院教授）主要研究领域为机器人学、机电系统控制技术、废弃电子设备回收等代表作品:生机电一体化仿人机械手通过肌电与脑电等生物信号的采集来处理与解码控制仿人机械手，复现拟人化的人手动作，并通过自制的肌电臂带控制，实现随心所动。可应用于肢体残疾患者的运动功能康复产业。请在此输入您的标题54MITHenry Asada教授，比较出名的是生物机械增强手臂。Overview of the MIT dArbeloff LabThe focus of the Bio-Robotics group in the Brit and Alex dArbeloff Laboratory for Informat
31、ion Systems and Technology is science and technology of robotic systems motivated by both practical applications and scientific interests.55李群自动化李群自动化（Quotient Kinematics Machine）以打造世界级机器人企业为愿景，由拥有世界级机器人技术的归国团队于2011年所创立。李群是由挪威数学家Sophus Lie创立的微分几何中的一个数学概念，也是当今最前沿的用于描述机器人运动及构型设计的数学概念。创始人：李泽湘香港科技大学电子与计
32、算机工程学系教授，香港科技大学自动化技术中心主任、教授，固高科技（香港）有限公司(Googol Technology(HK)Limited)董事长。567人工智能与未来发展方向LOREM IPSUM DOLOR577.1人机围棋大战Alphago和李世石的这场人机围棋大战毫无疑问成为了人工智能发展的里程碑58ALPHA人工智能胜利第二局第37手，就被韩国现场的解说员称为“昭和棋圣吴清源的风范”，而此前坚信人类必胜的聂卫平也感叹AlphaGo的妙招，“对狗的下法29手脱帽致敬！”591公斤的铀-235或钚-239完全裂变，释放出的能量大约等于2万吨烈性的TNT炸药爆炸的威力。当人工智能的IQ超过10000会发生什么样的事情？基于深度学习的人工智能和上一代基于知识规则的专家系统人工智能有了本质差别，就像原子弹和化学炸弹的区别一样。不是单纯计算力的提升，通过深度学习还可以掌握人类直觉经验的学习模式，可以比喻为学会了人类的右脑直觉思维能力。60人工智能正在进入改变每个行业：广告，农业，教育，金融，法律，制造业，医疗，石油，媒体，零售，诊断，机器人等。请在此输入您的标题61这是一个激动人心的科技发展时代，人工智能，深度学习，VR虚拟现实，机器人，未来生活中习以为常的东西现在可能都还无法想象。请在此输入您的标题62THANKS
