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1、机器人技术及其应用概述第1页，本讲稿共35页第2页，本讲稿共35页1.1机器人的定义机器人的定义机器人的定义机器人的定义 机器人概述机器人概述机器人一词的出现：机器人一词的出现：1920年、捷克作家、年、捷克作家、KarelCapek、RossumsUniversalRobots，“Robota”（奴隶）写成了（奴隶）写成了“Robot”。小说在小说在1924年和年和1927年的时候被纷纷传到了日本、法国和欧洲年的时候被纷纷传到了日本、法国和欧洲国家，国家，机器人这个名词机器人这个名词就向全世界铺展开来。就向全世界铺展开来。故事情节：故事情节：带感情带感情的机器人消灭了人类的机器人消灭了人类，
2、一对男女机器人相爱，一对男女机器人相爱，世界又起死回生。，世界又起死回生。第3页，本讲稿共35页上世纪上世纪60年代，可实用机械的机器人被称为工业机器人年代，可实用机械的机器人被称为工业机器人上世纪上世纪80年代到现在，正越来越向智能化方向发展年代到现在，正越来越向智能化方向发展因此，至今为止也没有一个统一的机器人的定义。因此，至今为止也没有一个统一的机器人的定义。因此，至今为止也没有一个统一的机器人的定义。因此，至今为止也没有一个统一的机器人的定义。机器人学是一门不断发展的科学，对机器人的定义也随其机器人学是一门不断发展的科学，对机器人的定义也随其机器人学是一门不断发展的科学，对机器人的定义
3、也随其机器人学是一门不断发展的科学，对机器人的定义也随其发展而变化。发展而变化。发展而变化。发展而变化。第4页，本讲稿共35页（2 2）日日日日本本本本工工工工业业业业机机机机器器器器人人人人协协协协会会会会(JIRA)JIRA)的的的的定定定定义义义义：工工业业机机器器人人是是“一一种种装装备备有有记记忆忆装装置置和和末末端端执执行行器器(endeffector)的的，能能够够转转动动并并通通过过自自动动完完成成各各种移动来代替人类劳动的通用机器种移动来代替人类劳动的通用机器”。（1 1）美国机器人协会）美国机器人协会）美国机器人协会）美国机器人协会(RIA)RIA)的定义：的定义：的定义：
4、的定义：机器人是机器人是“一种用于移动各种材料、零一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力的多功能机械手(manipulator)”。国际上，关于机器人的定义主要有以下几种：国际上，关于机器人的定义主要有以下几种：第5页，本讲稿共35页（3 3）美国国家标准局）美国国家标准局(NBS)NBS)的定义：的定义：机器人是机器人是“一种能够进行编程并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在自动控制下执行某些操作和移动作业任务的机械装置”
5、。（4）国际标准化组织国际标准化组织(ISO)的定义：的定义：“机器人是一种自动的、位置可控的、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”。第6页，本讲稿共35页（5）我我国国对对机机器器人人的的定定义义。蒋蒋蒋蒋新新新新松松松松院院院院士士士士曾曾建建议议把把机机器器人人定定义义为为“一一种种拟拟人人功功能能的的机机械械电电子子装装置置”(a mechan
6、tronic device to imitate somehumanfunctions)。参参考考各各国国的的定定义义，对对机机器器人人给给出出以以下下定定义义：机机机机器器器器人人人人是是是是一一一一种种种种计计计计算算算算机机机机控控控控制制制制的的的的可可可可以以以以编编编编程程程程的的的的自自自自动动动动机机机机械械械械电电电电子子子子装装装装置置置置，能能能能感感感感知知知知环环环环境境境境，识识识识别别别别对对对对象象象象，理理理理解解解解指指指指示示示示命命命命令令令令，有有有有记记记记忆忆忆忆和和和和学学学学习习习习功功功功能能能能，具具具具有有有有情情情情感感感感和和和和逻逻
7、逻逻辑辑辑辑判判判判断断断断思思思思维维维维，能能能能自自自自身身身身进进进进化化化化，能能能能计计计计划划划划其其其其操操操操作作作作程程程程序来完成任务。序来完成任务。序来完成任务。序来完成任务。第7页，本讲稿共35页19501950年，美国科幻小说家埃萨克年，美国科幻小说家埃萨克 阿西莫夫在阿西莫夫在我是个机我是个机器人器人中中,首次使用首次使用“RoboticsRobotics”，即，即“机器人学机器人学”，并提，并提出了出了“机器人三原则机器人三原则”：1 1、机器人不应伤害人类，且在人类受到伤害时不可袖、机器人不应伤害人类，且在人类受到伤害时不可袖手旁观；手旁观；2 2、机器人应遵
8、守人类的命令，与第一条违背的命令除外；、机器人应遵守人类的命令，与第一条违背的命令除外；3 3、机器人应能保护自己，与第一条相抵触者除外。、机器人应能保护自己，与第一条相抵触者除外。机器人学术界一直将这三原则作为机器人开发的准则，阿西机器人学术界一直将这三原则作为机器人开发的准则，阿西莫夫因此被称为莫夫因此被称为“机器人学之父机器人学之父”。第8页，本讲稿共35页1.21.2机器人的发展及应用机器人的发展及应用一、古代机器人一、古代机器人一、古代机器人一、古代机器人春秋后期，春秋后期，鲁班曾制造过一只木鸟，能在空中飞行鲁班曾制造过一只木鸟，能在空中飞行“三日不下三日不下”。机器马车机器马车机器
9、马车机器马车西周时期，西周时期，出现了能歌善舞的伶人，这是出现了能歌善舞的伶人，这是我国最早记载的机器人。我国最早记载的机器人。公元前公元前2世纪，世纪，亚历山大时代的古希腊人发明了最原始的机器人亚历山大时代的古希腊人发明了最原始的机器人自动机。可以自己开门，还可以借助蒸汽唱歌。自动机。可以自己开门，还可以借助蒸汽唱歌。第9页，本讲稿共35页汉代大科学家张衡汉代大科学家张衡不仅发明了地动仪，而且发明了计里鼓车。不仅发明了地动仪，而且发明了计里鼓车。每行一里，车上木人击鼓一下，每行十里击钟一下。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，后汉三国时期，蜀国丞相诸葛亮成功地创造蜀国
10、丞相诸葛亮成功地创造出了出了“木牛流马木牛流马”。用其运送军粮，支援前方战。用其运送军粮，支援前方战争。争。写字机器人写字机器人写字机器人写字机器人17381738年年，法国天才技师杰克，法国天才技师杰克戴戴瓦克逊发明了瓦克逊发明了一只机器鸭。它会嘎嘎叫，会游泳和喝水，还会进一只机器鸭。它会嘎嘎叫，会游泳和喝水，还会进食和排泄。食和排泄。第10页，本讲稿共35页 19 19世纪中叶世纪中叶出现了科学幻想派和机械制作派出现了科学幻想派和机械制作派 。18861886年年未来的夏未来的夏娃娃问世。在机械实物制造方面，问世。在机械实物制造方面，18931893年摩尔制造了年摩尔制造了“蒸汽人蒸汽人”
11、，“蒸汽人蒸汽人”靠蒸汽驱动双腿沿圆周走动。靠蒸汽驱动双腿沿圆周走动。17731773年年，自动书写玩偶、自动演奏玩偶等被连续推出。现在保留下来的，自动书写玩偶、自动演奏玩偶等被连续推出。现在保留下来的瑞士努萨蒂尔历史博物馆里的少女玩偶，还定期弹奏音乐供参观者欣赏。瑞士努萨蒂尔历史博物馆里的少女玩偶，还定期弹奏音乐供参观者欣赏。1927 1927年年美国西屋公司工程师温兹利制造了第一个机器人美国西屋公司工程师温兹利制造了第一个机器人“电报箱电报箱”。可以回答一些问题。可以回答一些问题。第11页，本讲稿共35页二、现代机器人二、现代机器人1952年年，第一台数控机床的诞生，为机器人的开发奠定了基
12、础。，第一台数控机床的诞生，为机器人的开发奠定了基础。1954年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。美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。主从机器人主从机器人主从机器人主从机器人1948年，年，美国原子能委员会的阿美国原子能委员会的阿尔贡研究所开发了机械式的主从机械尔贡研究所开发了机械式的主从机械手。手。第12页，本讲稿共35页1962年年美国美国AMF公司推出的公司推出的“VERSATRAN”和和UNIMATION公司推出公司推出的的“UNIMATE”是机器人产品最早的实用机是机器人产品最早的实用机型（示教再现）。型（示教再现）。VERSATRANUNIMAT
13、E第13页，本讲稿共35页l1965年年，MIT的的Roborts演示了第一个具有视觉传感器的、能识别与定位简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单积木的机器人系统l1970年年在美国召开了第一届国际工业机器人学术会议在美国召开了第一届国际工业机器人学术会议l1973年年，辛辛那提，辛辛那提米拉克隆公司的理查德米拉克隆公司的理查德豪恩制造了第一台由小豪恩制造了第一台由小型计算机控制的工业机器人型计算机控制的工业机器人l1980年后年后，日本赢得了，日本赢得了“机器人王国机器人王国”的美称的美称第14页，本讲稿共35页各种用途的机器人：各种用途的机器人：水下机器人、空间
14、机器人、空中机器人、地面机器人、微小型机器人等水下机器人、空间机器人、空中机器人、地面机器人、微小型机器人等新的机器人名称：新的机器人名称：“软件机器人软件机器人”、“网络机器人网络机器人”、机器人化机器、机器人化机器德国排爆机器人德国排爆机器人德国排爆机器人德国排爆机器人相扑机器人相扑机器人无人驾驶振动式压路机无人驾驶振动式压路机第15页，本讲稿共35页机器鱼机器鱼“自由泳自由泳”“过龙门过龙门”在水中在水中“戏球戏球”自主地避开障碍物自主地避开障碍物机机机机器器器器鱼鱼鱼鱼我我国国研研制制的的排排爆爆机机器器人人第16页，本讲稿共35页70年代的萌芽期，年代的萌芽期，80年代的开发期和年代
15、的开发期和90年代的适用化期。年代的适用化期。l1972年开始研制自己的工业机器人年开始研制自己的工业机器人l“七五七五”期间，完成了示教再现式工业机器人成套技术的开发，研制期间，完成了示教再现式工业机器人成套技术的开发，研制出了喷涂、点焊、弧焊和搬运机器人出了喷涂、点焊、弧焊和搬运机器人l1986年国家高技术研究发展计划（年国家高技术研究发展计划（863计划）开始实施计划）开始实施l上世纪上世纪90年代初期起，形成了一批机器人产业化基地年代初期起，形成了一批机器人产业化基地我国工业机器人的发展：我国工业机器人的发展：第17页，本讲稿共35页日本和美国在日本和美国在日本和美国在日本和美国在20
16、20世纪世纪世纪世纪6060年代就已经开始进行机器人的研究，年代就已经开始进行机器人的研究，年代就已经开始进行机器人的研究，年代就已经开始进行机器人的研究，与他们相比较，我国还存在较大的差距，因此需要更多的人加与他们相比较，我国还存在较大的差距，因此需要更多的人加与他们相比较，我国还存在较大的差距，因此需要更多的人加与他们相比较，我国还存在较大的差距，因此需要更多的人加入到发展机器人的事业中来。入到发展机器人的事业中来。入到发展机器人的事业中来。入到发展机器人的事业中来。第18页，本讲稿共35页3.按机器人的智能程度分按机器人的智能程度分（1）一般机器人：一般机器人：一般机器人：一般机器人：只
17、具有一般编程能力和操作功能只具有一般编程能力和操作功能（2）智能机器人：智能机器人：智能机器人：智能机器人：具有不同程度的智能具有不同程度的智能u传感型机器人传感型机器人u交互型机器人交互型机器人u自主型机器人自主型机器人第19页，本讲稿共35页空间机器人当代遥控机器人，使智能机器人走出实验室进入实用阶段。当代遥控机器人，使智能机器人走出实验室进入实用阶段。美国发射到火星上的索杰纳美国发射到火星上的索杰纳SojanorSojanor机器人，就是成功应用的著机器人，就是成功应用的著名实例。名实例。空间机器人，主要有星球探测机器人，如火星探路者机器人，空间机器人，主要有星球探测机器人，如火星探路者
18、机器人，机器人式卫星，机器人式卫星,修理人造卫星的太空机器人，在失重环境修理人造卫星的太空机器人，在失重环境下工作。下工作。.探险机器人，有核事故处理机器人，进入胡夫金字塔的探险机器人，有核事故处理机器人，进入胡夫金字塔的“金字塔行走金字塔行走者者”机器人机器人第20页，本讲稿共35页乐队指挥机器人娱乐机器人，如中国科技馆的机器人乐队，指挥机器人通体透明，可见到其中的装置机构及运动状况。日本智能机器宠物狗，具有丰富的表情与情感。第21页，本讲稿共35页灵蜥-B水下机器人，水下防险救生与资源考察，如双鹰遥控潜水机器人潜水500米；中国科学院沈阳研究所的CR-01深海探测机器人，在六千米深水作业；
19、“探索者”水下机器人，采用GPS导航，工作深度一千米。军用无人侦察机器人。我国公安部自行研制的“灵蜥-B”型反恐排爆机器人，价值70万元人民币，在南京市公安局特勤支队服役。它为三段履带式设计，装置行走、机械手、云台三个摄像头，最大行走速度30米/秒，能抓取15公斤重物，爬行40度斜坡和楼梯，越过40厘米高障碍和50厘米宽壕沟，自带电源连续工作4小时，排爆人员可在远距离对机器人进行精确操控。第22页，本讲稿共35页仿生机器仿人机器人，仿人机器人，20002000年日本本年日本本田公司的仿人机器人田公司的仿人机器人P P系列及系列及索尼公司的仿人机器人索尼公司的仿人机器人SDR-SDR-3X3X，
20、还有会跑的，还有会跑的QRIOQRIO机器机器人，行走，跳跃人，行走，跳跃,踢足球，舞踢足球，舞蹈。蹈。我国我国“先行者先行者”仿人机器人，仿人机器人，由国防科技大学于由国防科技大学于20002000年研年研制制,能模拟人的基本动作，达能模拟人的基本动作，达到国际先进水平。到国际先进水平。中国科学院自动化研究所研制中国科学院自动化研究所研制仿生机器鱼。仿生机器鱼。第23页，本讲稿共35页医疗机器人/智能车辆医疗机器人，德国工程师莱纳尔医疗机器人，德国工程师莱纳尔 格茨恩发明的微型医疗格茨恩发明的微型医疗机器人，可直接由针头注射进入人体微循环系统，它机器人，可直接由针头注射进入人体微循环系统，它
21、依靠微型磁铁驱动器前进，由医生通过遥控器指挥，依靠微型磁铁驱动器前进，由医生通过遥控器指挥，对微小空间和微细管道进行检测。还有美军对微小空间和微细管道进行检测。还有美军RP-7RP-7系列系列医疗机器人等。医疗机器人等。智能车辆，具有典型代表的是意大利智能车辆，具有典型代表的是意大利MOB-LABMOB-LAB，美俄，美俄亥俄州立大学的智能车辆等。亥俄州立大学的智能车辆等。服务机器人，有导盲机器人，清洁机器人等等。服务机器人，有导盲机器人，清洁机器人等等。第24页，本讲稿共35页机器博弈IBM公司研制的Deep Blue II与国际象棋大师卡斯帕罗夫对弈,凭每秒搜索2亿步棋的记忆能力在6局中以
22、3.5:2.5获胜。卡斯帕罗夫与深蓝对弈图 第25页，本讲稿共35页GPS 全球定位系统全球定位系统Global Positioning SystemGlobal Positioning System 覆盖全球的卫星系统。覆盖全球的卫星系统。太空太空2424颗卫星形成一分布网络，分布在颗卫星形成一分布网络，分布在6 6条离地面条离地面2 2万万公里、倾斜公里、倾斜5555的地球准同步轨道上，每条轨道上的地球准同步轨道上，每条轨道上有有4 4颗卫星。任意时刻，地球上任意一点都可以同时观测颗卫星。任意时刻，地球上任意一点都可以同时观测到到4 4颗卫星，保证卫星采集到该观测点的经纬度和高颗卫星，保证
23、卫星采集到该观测点的经纬度和高度，帮助用户准确定位当前位置，根据预定目标计度，帮助用户准确定位当前位置，根据预定目标计算行程。通过地图显示和语音提示两种方式，引导算行程。通过地图显示和语音提示两种方式，引导用户到达目的地用户到达目的地 。第26页，本讲稿共35页南极科考机器人 中国南极三大科考站之昆仑站及南极科考机器人 第27页，本讲稿共35页智能技术应用智能技术发展快，其视觉、触觉、声觉等人工智能技术已在航天、汽车工业中广泛应用。极限作业机器人，主要应用在人们难以进入的场所和环境，例如在核电站、海底、宇宙空间等进行作业的机器人，也包括建筑、农业机器人等。第28页，本讲稿共35页国际机器人足球
24、赛国际上主要有国际机器人足球锦标赛国际上主要有国际机器人足球锦标赛RoboCupRoboCup和国际机和国际机器人足球联盟器人足球联盟(Federation of International Robot-soccer(Federation of International Robot-soccer Association)FIRA CupAssociation)FIRA Cup竞赛两大类。竞赛两大类。第29页，本讲稿共35页理由之三：理由之三：理由之三：理由之三：机器人做人做不了的事情。机器人做人做不了的事情。比如人比如人们对太空的认识，对原子分子进行搬迁的机器们对太空的认识，对原子分子进行搬
25、迁的机器人人为什么要发展机器人为什么要发展机器人?理由之二：理由之二：理由之二：理由之二：机器人做人不愿意做或做不好的事。机器人做人不愿意做或做不好的事。比如有毒的、高温的或危险的环境，汽车生产比如有毒的、高温的或危险的环境，汽车生产线上的焊接工作线上的焊接工作机器人汽车焊接生产线机器人汽车焊接生产线理由之一：理由之一：理由之一：理由之一：提高生产效率降低人的劳动强度。提高生产效率降低人的劳动强度。比比如焊机器人提高生产效率，提高汽车焊接的质量，如焊机器人提高生产效率，提高汽车焊接的质量，降低工人的劳动强度降低工人的劳动强度 汽车装配机器人汽车装配机器人第30页，本讲稿共35页小结小结:机器人
26、的外型不一定像人机器人的外型不一定像人机器人的外型不一定像人机器人的外型不一定像人机器人技术是集机械学、力学、电子学、机器人技术是集机械学、力学、电子学、机器人技术是集机械学、力学、电子学、机器人技术是集机械学、力学、电子学、生物学、控生物学、控生物学、控生物学、控制论、人工智能、系统工程等多种学科于一体的综合制论、人工智能、系统工程等多种学科于一体的综合制论、人工智能、系统工程等多种学科于一体的综合制论、人工智能、系统工程等多种学科于一体的综合性很强的新技术性很强的新技术性很强的新技术性很强的新技术第31页，本讲稿共35页简易机器人的结构与应用简易机器人结构相对简单，价格便宜。一般分为控制与
27、机械两大部分。机械包括机体结构、动力装置、传动机构和执行机构等；控制包括单片机（或嵌入式）系统及其软件、传感器及其电路、控制驱动电路等。第32页，本讲稿共35页简易机器人的基本结构框图第33页，本讲稿共35页对对“简易简易”的理解的理解与在现实生活各个领域服役的机器人比较，与在现实生活各个领域服役的机器人比较，“简易机器人简易机器人”有如下不同：有如下不同：比较项目比较项目简易机器人简易机器人在役机器人在役机器人应用场合应用场合教具、玩具教具、玩具各类产业领域各类产业领域体系结构体系结构单片机最小系统单片机最小系统分层递阶系统、分布式系统分层递阶系统、分布式系统控制系统控制系统单片机（单片机（
28、8 8位）嵌入式、驱位）嵌入式、驱动芯片、软件开发资源丰动芯片、软件开发资源丰富、单任务简单编程富、单任务简单编程专用控制板或计算机（专用控制板或计算机（3232位）、专用位）、专用电机驱动单元、软件开发环境复杂和电机驱动单元、软件开发环境复杂和昂贵、多任务实时操作系统昂贵、多任务实时操作系统机械结构机械结构拼装、模型拼装、模型额定负载下满足刚度和强度额定负载下满足刚度和强度传感器传感器简单、廉价简单、廉价高质量、高水平、高价格高质量、高水平、高价格环境环境室内、结构环境室内、结构环境室外、非结构环境室外、非结构环境材料材料单一（单一（ABSABS塑料）塑料）多种高强度、轻质材料多种高强度、轻质材料重量重量/尺度尺度小小大大第34页，本讲稿共35页Class is Class is over.over.Bye-bye!Bye-bye!第35页，本讲稿共35页