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1、机器人技术Techniques of Robot Manipulators,1,.,2,1.1 机器人名称的由来 ( About “Robot” ),机器人的英文名词是Robot，Robot一词最早出现在1920年捷克作家卡雷尔卡佩克（Karel Capek）所写的一个剧本中，这个剧本的名字为Rossums Universal Robots ，中文意思是“罗萨姆的万能机器人”。 剧中的人造劳动者取名为Robota，捷克语的意思是“苦力”、“奴隶”。英语的Robot一词就是由此而来的，以后世界各国都用Robot作为机器人的代名词。,3,1.2 机器人的发展历史 ( The Developing
2、History of Robots ),古代“机器人”现代机器人的雏形 人类对机器人的幻想与追求已有3000多年的历史西周时期，我国的能工巧匠偃师研制出的歌舞艺人，是我国最早记载的机器人。春秋后期，据墨经记载，鲁班曾制造过一只木鸟，能在空中飞行“三日不下” 。公元前2世纪，古希腊人发明了最原始的机器人太罗斯，它是以水、空气和蒸汽压力为动力的会动的青铜雕像，它可以自己开门，还可以借助蒸汽唱歌。1800年前的汉代，大科学家张衡不仅发明了地动仪，而且发明了计里鼓车，计里鼓车每行一里，车上木人击鼓一下，每行十里击钟一下。,4,后汉三国时期，蜀国丞相诸葛亮成功地创造出了“木牛流马”，并用其在崎岖山路中运
3、送军粮，支援前方战争。1662年，日本的竹田近江利用钟表技术发明了自动机器玩偶，并在大阪的道顿堀演出。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，著名的瑞士钟表匠杰克道罗斯和他的儿子利路易道罗斯制造出自动书写玩偶、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。1927年，美国西屋公司工程师温兹利制造了第一个机器人“电报箱”，并在纽约举行的世界博览会上展出，它是一个电动机
4、器人，装有无线电发报机，可以回答一些问题，但该机器人不能走动。,5,现代机器人的发展历史二战期间（1938-1945）由于核工业和军事工业的发展，研制了 “遥控操纵器”（Teleoperator） 主要用于放射性材料的生产和处理过程。1947年，对这种较简单的机械装置进行了改进，采用电动伺服方式，使其从动部分能跟随主动部分运动，称为主从机械手（Master-Slave Manipulator）。1949-1953 美国麻省理工学院开始研制数控铣床随着先进飞机制造的需要，美国麻省理工学院辐射实验室（MIT Radiation Laboratory）开始研制数控铣床。1953年研制成功能按照模型轨
5、迹做切削动作的多轴数控铣床。1954年 “可编程”“示教再现”机器人 美国人George C. Devol设计制作了世界上第一台机器人实验装置，并发表了题为适用于重复作业的通用性工业机器人的文章。,6,60年代 机器人产品正式问世，机器人技术开始形成1960年美国“联合控制公司”（Consolidated Control）根据Devol的专利技术，研制出第一台真正意义上的工业机器人，并成立了Unimation公司，开始定型生产名为Unimate的工业机器人。两年后，美国“机床与铸造公司”（AMF）也生产了另一种可编程工业机器人Versatran。70年代 机器人技术发展成为专门学科机器人产业得
6、到蓬勃发展，机器人技术发展成为专门学科，称之为机器人学（Robotics）。机器人的应用领域进一步扩大，不同的应用场所，导致了各种坐标系统、各种结构的机器人相继出现，大规模集成电路和计算机技术飞跃发展使机器人的控制性能大大提高，成本不断下降。,7,80年代 开始进入智能机器人研究阶段80年代，不同结构、不同控制方法和不同用途的工业机器人在工业发达国家真正进入了实用化的普及阶段。随着传感技术和智能技术的发展，开始进入智能机器人研究阶段。机器人视觉、触觉、力觉、接近觉等项研究和应用，大大提高了机器人的适应能力，扩大了机器人的应用范围，促进了机器人的智能化进程。经历了40多年的发展，机器人技术逐步形
7、成了一门新的综合性学科 机器人学（Robotics）它包括有基础研究和应用研究两个方面主要研究内容有：(1) 机械手设计；(2) 机器人运动学、动力学和控制；(3) 轨迹设计和路径规划； (4) 传感器(包括内部传感器和外部传感器)；(5) 机器人视觉；(6) 机器人语言；(7) 装置与系统结构；(8) 机器人智能等。,8,1.3 机器人的定义和分类 （Definition and Classifying for Robots）,1.3.1 机器人的定义 ( Definition of Robots ) 机器人问世已有几十年，机器人的定义仍然仁者见仁，智者见智，没有一个统一的意见。原因之一是机
8、器人还在发展，新的机型，新的功能不断涌现。同时由于机器人涉及到了人的概念，成为一个难以回答的哲学问题。就像机器人一词最早诞生于科幻小说之中一样，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，才给了人们充分的想象和创造空间。 随着机器人技术的飞速发展和信息时代的到来,机器人所涵盖的内容越来越丰富，机器人的定义也不断充实和创新。下面给出一些有代表性的定义。,9,国际和国外相关组织的定义,国际标准化组织（ISO）的定义：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。美国国家标准局（N
9、BS）的定义：机器人是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。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。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。,10,有关学者的定义,在1967年日本召开的第一届机器人学术会议上提出了两个有代表性的定义。森政弘与合田周平提出的定义：“机器人是一种具有移动性、个体性、智能性、通用性、半机械半人性、自动性、奴隶性等7个特征的柔性机器
10、”。从这一定义出发，森政弘又提出了用自动性、智能性、个体性、半机械半人性、作业性、通用性、信息性、柔性、有限性、移动性等10个特性来表示机器人的形象。日本早稻田大学加藤一朗（日本机器人之父） 教授认为：机器人是由能工作的手，能行动的脚和有意识的头脑组成的个体，同时具有非接触传感器（相当于耳、目）、接触传感器（相当于皮肤）、固有感及平衡感等感觉器官的能力。,11,也有一些组织和学者针对不同形式的机器人分别给出具体的解释和定义，而机器人则只作为一种总称。例如，日本工业机器人协会（JIRA）列举了6种型式的机器人：(1) 手动操纵器：人操纵的机械手，缺乏独立性；(2) 固定程序机器人：缺乏通用性；(
11、3) 可编程机器人：非伺服控制；(4) 示教再现机器人：通用工业机器人；(5) 数控机器人：由计算机控制的机器人；(6) 智能机器人：具有智能行为的自律型机器人。,12,综合诸家的解释，概括各种机器人的性能，我们认为可以按以下特征来描述机器人：1. 机器人的动作机构具有类似于人或其他生物体某些器官 ( 如 肢体、感官等 ) 的功能；2. 机器人具有通用性，工作种类多样，动作程序灵活易变，是柔性加工主要组成部分；3. 机器人具有不同程度的智能，如记忆、感知、推理、决策、学习等；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。,13,1.3.2 机器人的分类 ( Class
12、ifying of Robots )按照从低级高级的发展程度可分为三类机器人第一代机器人（First Generation Robots）：即可编程、示教再现工业机器人，已进入商品化、实用化。第二代机器人（Second Generation Robots）：装备有一定的传感装置，能获取作业环境、操作对象的简单信息，通过计算机处理、分析，能作出简单的推理，对动作进行反馈的机器人，通常称为低级智能机器人，由于信息处理系统的庞大与昂贵，第二代机器人目前只有少数可投入应用。第三代机器人（Third Generation Robots）：具有高度适应性的自治机器人。它具有多种感知功能，可进行复杂的逻辑思
13、维、判断决策，在作业环境中独立行动。第三代机器人又称作高级智能机器人，它与第五代计算机关系密切，目前还处于研究阶段。,14,按照结构形态，负载能力和动作空间划分可分为超大型机器人：负载能力 1000 kg 以上大型机器人：100-1000 kg / 10 m2 以上中型机器人：10-100 kg / 1 10 m2小型机器人：0.1-10 kg / 0.1-1 m2超小型机器人：0.1 kg 以下 / 0.1 m2 以下,15,按照开发内容和目的区分，可分为以下三类机器人工业机器人（Industrial Robot）：如焊接、喷漆、装配机器人。操纵机器人（Teleoperator Robot）
14、：如主从手，遥控排险、水下作业机器人。智能机器人（Intelligent Robot）：如演奏、表演、下棋、探险机器人。特种机器人和微型机器人是目前机器人发展的一个重要方向特种机器人（Special Robots）：如航天飞机上的机械手在失重状态下的工作，海洋探测机器人、军用机器人、防核防化机器人、爬壁机器人、微小物体操作机器人等。微型机器人（Micro-robots）：体积小，如管道机器人、血管疏通机器人。微动机器人（ Micro-movement robots ）：动作小、精度高，如细胞切割机器人、微操作和微装配机器人等。,16,1.4 机器人的结构与控制方式 ( Structure an
15、d Control of Robots ),1.4.1 机器人的结构 ( The Structure of Robot )简单地说，机器人主要由执行机构、驱动和传动装置、传感器和控制器四大部分构成（如图）。,17,执行机构：机器人的足、腿、手、臂、腰及关节等，它是机器人运动和完成某项任务所必不可少的组成部分。驱动和传动装置：用来有效地驱动执行机构的装置，通常采用液压、电动和气动，有直接驱动和间接驱动二种方式。传感器：是机器人获取环境信息的工具，如视觉、听觉、嗅觉、触觉、力觉、滑觉和接近觉传感器等，它们的功能相当于人的眼、耳、鼻、皮肤及筋骨。控制器：是机器人的核心，它负责对机器人的运动和各种动作
16、控制及对环境的识别。 现代工业机器人的控制器都是由计算机控制系统组成，控制方式主要有示教再现、可编程控制、遥控和自主控制等多种方式。,18,日本三菱公司产MOVEMASTER-EX 五自由度机器人, 实验室中的MOVEMASTER-EX机器人实物照片, MOVEMASTER-EX 五自由度机器人结构图,19,美国UNIMATE公司产PUMA/560型六自由度机器人, PUMA/560机器人（照片）, PUMA/560六自由度机器人结构,20,1.4.2 机器人的工作原理（The Principle of Robot） 机器人的工作原理是一个比较复杂的问题。简单地说，机器人的原理就是模仿人的各种
17、肢体动作、思维方式和控制决策能力。从控制的角度，机器人可以通过如下四种方式来达到这一目标。 “示教再现”方式：它通过“示教盒”或人“手把手”两种方式教机械手如何动作，控制器将示教过程记忆下来，然后机器人就按照记忆周而复始地重复示教动作，如喷涂机器人。,21,“可编程控制”方式：工作人员事先根据机器人的工作任务和运动轨迹编制控制程序，然后将控制程序输入给机器人的控制器，起动控制程序，机器人就按照程序所规定的动作一步一步地去完成，如果任务变更，只要修改或重新编写控制程序，非常灵活方便。大多数工业机器人都是按照前两种方式工作的。“遥控”方式：由人用有线或无线遥控器控制机器人在人难以到达或危险的场所完
18、成某项任务。如防暴排险机器人、军用机器人、在有核辐射和化学污染环境工作的机器人等。“自主控制”方式：是机器人控制中最高级、最复杂的控制方式，它要求机器人在复杂的非结构化环境中具有识别环境和自主决策能力，也就是要具有人的某些智能行为。,22,1.4.3 控制 ( Control ) 示教再现 即分为示教存储再现-操作四步进行。示教：方式有两种：(1) 直接示教手把手；(2) 间接示教示教盒控制。存储：保存示教信息。再现：根据需要，读出存储的示教信息向机器人发出重复动作的命令。,23,控制信息顺序信息：各种动作单元（包括机械手和外围设备）按动作先后顺序的设定、检测等。位置信息：作业之间各点的坐标值
19、，包括手爪在该点上的姿态，通常总称为位姿（POSE）。时间信息：各顺序动作所需时间，即机器人完成各个动作的速度。位置控制点位控制PTP（Point to Point）：只考虑起始点和目的点的位置，而不考虑两点之间的移动路径的控制方式，适用于上下料、点焊、搬运等；连续路径控制CP（Continuous Path）：不但要求机器人以一定的精度到达目标点，而且对其移动的轨迹形式有一定精度范围的要求。,24,1.5 操纵机器人 ( Operating Robots ),操纵机器人实际上是一种人机系统，由人操纵代替示教。因此，人与机器人之间相互传递信息的问题就成为操纵机器人研究的重点。操纵机器人可分为两
20、种类型：能力扩大式机器人：负重能力，动作范围放大数倍甚至数十倍，如空间机器人放置和回收卫星；遥控机器人：适用于特殊作业环境，如放射性物质，真空，有毒气体等隔离工作环境。又如高空、建筑、宇宙、海洋开发、火山探测、军事战场等人不能到达的环境。,25,主从式机器人与人协同动作,26,1.6 智能机器人 ( Intelligent Robots ),第三代智能机器人应具备以下四种机能：运动机能 ：施加于外部环境，相当于人的手、脚等动作机能；感知机能：获取外部环境信息的能力，如视觉、触觉、听觉、力觉、距离感、接近觉等；思维能力：认识、推理、判断能力；人机对话机能：理解指示命令，输出内部状态，与人进行信息
21、交换的能力。 智能机器人既不同于工业机器人的“示教再现”，也不同于操纵机器人的“操纵”，而是一种“认知适应的工作方式。,27,1.7 机器人的应用（The Applications of Robots）,机器人的应用十分广泛，在许多领域机器人都得到了成功的应用或有着美好的应用前景。工业机器人 工业机器人是应用最为成功和广泛的机器人，它的应用涉及到工业生产的各个方面，如焊接、装配、喷漆等。海洋探测机器人 可用于海底矿物资源和水文气象探测、海底地势勘查、打捞、救生、排险等。空间机器人 在航天飞机上用来回收和维修人造卫星，在空间站、月球表面和火星上进行工作。军用机器人 有扫雷排雷机器人、侦察机器人、
22、防核防化机器人等。,28,特种机器人 替代人在繁重、危险、恶劣环境下作业必不可少的工具，如消防（灭火）机器人、防暴机器人、盾构机器人等。微型机器人 进入煤气、输油管道等狭窄场所进行工作，甚至进入人体的血管、肠胃。微操作机器人 是机器人领域的一个重要研究方向，在国防、空间技术、生物医学工程、智能制造和微机电系统（MEMS）中有广泛的应用前景。娱乐机器人 充当导游、做表演、甚至与人进行简单交流，如导游机器人、足球机器人、机器狗、机器猫、机器鱼等。服务机器人 已经开始或在不久的将来进入人类家庭生活，如保健机器人，导盲机器人、垃圾清扫和擦玻璃机器人等。,29,随着工业自动化的不断发展,工业机器人被广泛
23、应用于工业生产的各个部门,如采掘、喷涂、焊接、医疗等各大领域。由于工业机器人的出现,它不断替代了人们的繁重劳动,大大提高了劳动生产率,减轻了人们的劳动强度,此外,它能在高温、低温、深水、宇宙、放射性和其他有毒、污染环境条件下进行操作,日益体现出它的优越性。,工业机器人,30,工业机器人最显著的特点有以下几个:1.可编程。生产自动化的进一步发展是柔性自动化。机器人可随其工作环境变化的需要而再编程，因此它在小批量多品种具有均衡高效率的柔性制造过程中能发挥很好的功用，是柔性制造系统(FMS)中的一个重要组成部分。2.拟人化。机器人在机械结构上有类似人的行走、腰转、大臂、小臂、手腕、手爪等部分，在控制
24、上有电脑。此外，智能化机器人还有许多类似人类的“生物传感器”，如皮肤型接触传感器、力传感器、负载传感器、视觉传感器、声觉传感器、语言功能等.传感器提高了机器人对周围环境的自适应能力。3.通用性。除了专门设计的专用机器人外，一般机器人在执行不同的作业任务时具有较好的通用性。比如，更换机器人手部末端操作器(手爪、工具等)便可执行不同的作业任务.,31,工业机器人,汽车装配机器人,32,汽车装配机器人,33,一汽红旗轿车机器人焊接线,34,弧焊机器人,35,总目录,焊接工业机器人,36,退出,总目录,焊接和喷涂工业机器人,37,总目录,搬运和装配工业机器人,38,总目录,在生产线上工作的喷漆工业机器
25、人,39,总目录,机器人化装配生产线,40,点焊机器人,铆接机器人,41,操作机器人-点焊机器人,42,海洋探测机器人,1990年日本海洋科技中心 研制的“海沟号”缆控式无人潜水器（左）及其在大海中工作时的情况（右）,43,CR-01型6000米水下无缆机器人,1995年8月我国沈阳自动化所机器人中心研制的CR-01型6000米水下无缆机器人（上）和正在下水的情况（右）,44,水下机器人,45,空间机器人,美国航空航天局（NASA）研究的月球车在月球表面时的情形,46,美国航空航天局（NASA）研究的 “索杰纳”火星车,47,据发射中心主任张育林透露，二OO七年年底，中心申报的 “智能机器人自
26、动对接加注技术研究”课题已获得国家“八六三”项目支持。机器人有可能代替人工完成火箭加注，加注兵将告别危险的工作环境。这位主任对此充满信心：“我们将依靠科技创新和严格训练，把神七的飞天之路铺设得更安全、更可靠。”,48,1997年7月4日17时07分，美国航空航天局（NASA）发射的火星探路者号宇宙飞船成功地在火星（Mars）表面着陆，“索杰纳”火星车在火星上成功地工作了250天。2003年6月先后升空的美国“勇气”（Spirit）号和“机遇”（Opportunity）号火星车经过1.2亿公里和半年多的长途飞行，分别于2004年1月3日和24日先后登陆火星，向地球传来大量清晰的火星图片。,49,
27、日本研究的火星探测机器人,50,空间机器人-月球车,空间机器人-空间站操作臂,51,军用机器人,英国研制的履带式“手推车” （上图）、 “土拨鼠”（右图右）和“野牛”（右图左）排爆机器人在波黑及科索沃战争中用来探测及处理爆炸物,机器警察,52,履带式移动机器人,53,军用机器人-无人战场车,军用机器人-飞行机器人,54,军用机器人-排弹移动机器人,55,德国的排爆机器人,我国沈阳自动化所研制的排爆机器人,56,轮式移动军用机器人,四足移动机器人,57,工兵机器人,美国将M60坦克的炮塔去掉后改装的豹式扫雷车,58,德国研制的Minebreaker 2000机器人扫雷车,59,保安机器人,美国研
28、制的MDARS-E型室外保安机器人,MPR-800多用途机器人，可用于扫雷、灭火、核生化污染清除等多项危险工作,60,侦察机器人,美国研制的“徘徊者”侦察机器人由M113装甲运输车改装而成,美国国防高级研究计划局正在研制的只有2.54厘米大小昆虫机器人,61,瑞典博福斯公司研制的“双鹰”水下扫雷机器人,62,水下扫雷机器人,63,美国罗克威尔公司及IS机器人公司研制的一种名叫“水下自主行走装置”（ALUV）的水下扫雷机器蟹,64,无人机,“暗星”无人机,“别动队”无人机,法国“红隼”无人机,高空无人侦察机,65,鬼怪式无人机,发射Brevel无人机,只有15厘米的微型无人机,66,特种机器人,
29、复合式直径6.14米盾构掘进机,隧道凿岩机器人,67,DANTE-1和DANTE-2 (Carnegie Mellon Univ.)。包括8条缩放式足机构， 其中DANTE-1高3m，宽2m，重400kg，曾进行火山考察。,68,自动无轨堆垛机,机器人化装载机,自动摊铺机,69,移动机器人,法国国家科学研究中心和系统分析与结构实验室共同研制的HILARE 2型移动机械手,70,法国蒙特皮里亚（Montpellier）微电子与机器人实验室研制的 LIRMM移动机器人,71,多足移动机器人,72,微型机器人,工业管道机器人移动探测系统,SMA六足微型机器人 外观如同一只小甲虫，外形尺寸为25303
30、0mm3，重20克，步行速度18mm/分，有12个自由度，SMA（形状记忆合金）作为驱动源。微小型机器人将来可能在细小管道检测及医疗方面发挥作用。,73,微型飞行器：被认为是未来战场上的重要侦察和攻击武器，能以可接受的成本执行某一有价值的任务。这种飞行器必须能够传输实时图像或执行其它功能，有足够小的尺寸（小于20厘米）、足够的巡航范围（如不小于5公里）和飞行时间（不小于15分钟）。,微型战术无人机：可用于战争危险估计、目标搜索、通信中继，监测化学、核或生物武器，侦察建筑物内部情况。可适用于城市、丛林等多种战争环境。因为其便于携带，操作简单，安全性好的优点，可以在部队中大量装备。,74,微操作机
31、器人系统,华中科技大学控制系智能与控制工程研究所研制的HUST-MR801型双手协调微操作机器人实验系统,75,娱乐机器人,机器人足球赛,76,机器人相扑大赛,相扑机器人,77,机器狗与机器昆虫,78,医疗机器人-外科手术机器人,79,机器人化机器-并联虚拟轴机床,80,机器人化机器-并联虚拟轴机床,81,无人飞行机器人,82,各种仿人手部,83,MIT研制的仿生机器人恐龙,84,小提琴机器人和吹笛机器人,吹笛机器人,小提琴机器人,85,机器人乐队,86,舞蹈机器人和机器龟,机器人舞蹈,机器龟走迷宫,87,服务机器人,脑外科机器人辅助系统,护士助手机器人,88,遥控操作手术（格林系统）,89,
32、导盲机器人和智能轮椅,智能轮椅,导盲机器人,90,服务机器人-外墙清洗移动机器人,服务机器人-玻璃清洗机器人,91,服务机器人-加油机器人,92,娱乐服务机器人-机器狗,93,娱乐服务机器人-足球机器人,94,爬缆索机器人和清洗巨人,爬缆索机器人: 在高空缆索上自动完成检查、打磨、清洗、去静电、底涂和面涂及一系列的维护工作。,清洗巨人：利用两套计算机和一个机器人控制器来控制飞机的清洗 ，不仅减轻了工人的劳动强度，而且大大提高了工作效率。例如，人工清洗一架波音747飞机需要95个工时，而机器人清洗仅需12个工时。,95,高楼擦窗和壁面清洗机器人,96,消防机器人和救援机器人,97,雕刻机器人和汽
33、车加油机器人,加油机器人：汽车驶入加油岛，前轮触发一个概略定位器，给出汽车的概略位置。机器人臂抓起相应的油枪，机器人臂伸出，机器人臂上装有一台微型摄像机，它找到油箱盖，利用一个吸气装置将其打开，然后机器人手爪拧开加油口密封盖，插入加油软管。加完油后，机器人盖上密封盖及油箱盖。与此同时，计算机已为用户结完帐。整个过程只需两、三分钟。,雕刻机器人：电脑雕刻系统集扫描、编辑、排版、雕刻诸功能于一体，是CAD/CAM一体化的典型产品，能方便快捷地在各种材质上雕刻出逼真、精致、耐久的二维图形及三维立体浮雕。,98,导游机器人和礼仪机器人,99,农业和林业机器人,摘西红柿机器人,温室中的嫁接机器人,100
34、,林木球果采集机器人,伐根机器人,101,仿人形机器人,日本本田公司投入巨资，经过10多年的开发，于1997年研制出了在世界上居领先地位的双足步行机器人P3 ，按研制时间先后，把双足步行机器人分别命名为P1、P2、P3等。P3的高度为160cm，体重130公斤。被称为二哥的机器人P2身高1.80米，体重120公斤，看起来笨头笨脑，但行动起来却很灵活，它们不仅能在平坦的地面上行走，还能够完成上台阶和用扳手拧螺钉等高难动作。,102,日本本田公司研制的仿人机器人ASIMO，是目前最先进的仿人行走机器人。ASIMO身高1.2米，体重52公斤。它的行走速度是0-1.6km/h。早期的机器人如果直线行走
35、时突然转向，必须先停下来，看起来比较笨拙。而ASIMO就灵活得多，它可以实时预测下一个动作并提前改变重心，因此可以行走自如，进行诸如“8”字形行走、下台阶、弯腰等各项“复杂”动作。此外，ASIMO还可以握手、挥手，甚至可以随着音乐翩翩起舞。,ASIMO,103,本田公司投入无数科技研究心血的结晶目前全球唯一具备人类双足行走能力的类人型机器人阿西莫(ASIMO，Advanced Step Innovative Mobility，高级步行创新移动机器人)，以憨厚可爱的造型博得许多人的喜爱，众多的类人功能也不断地冲击着人们的想象，似乎科幻电影中的情节正在一步步变成现实。从2000年10月31日诞生至
36、今，ASIMO的进步可以用神速来形容，2006最新版的ASIMO，除具备了行走功能与各种人类肢体动作之外，更具备了人工智能，可以预先设定动作，还能依据人类的声音、手势等指令，来从事相应动作，此外，他还具备了基本的记忆与辨识能力。,ASIMO,104,ASIMO利用其身上安装的传感器，拥有360度全方位感应，可以辨识出附近的人和物体。配合特别的视觉感应器，他可以阅读人类身上的识别卡片，甚至认出从背后走过来的人，真正做到眼观六路。当他识别出合法人员后，还可以自动转身，与之并肩牵手前进。在行进中，ASIMO还能自动调节步行速度配合同行者。和人握手时，他能通过手腕上的力量感应器，测试人手的力量强度和方
37、向，随时按照人类的动作变化作出调整，避免用力太大捏伤人类。,ASIMO“眼”观六路,105,ASIMO装载的大量传感器，既包括传统人类的传感器，也拥有一些超越人类的特殊感应器，能够迅速地了解周围情况，在复杂的环境下也能快速顺畅地移动。 视觉感应器：其眼部摄影机通过连续拍摄图片，再与数据库内容作比较，以轮廓的特征识别人类及辨别来者身份； 水平感应器：由红外线感应器和CCD摄像机构成的sensymg系统共同工作，可避开障碍物。 超音波感应器：以音波测量3m范围内的物体，即使在毫无灯光的黑暗中行使也完全无碍。,ASIMO“眼”观六路,106,ASIMO现在已被投放应用，如日本的IBM等七家企业就租用
38、了ASIMO作为接待员。ASIMO能以头部的眼球运动记录器和手腕的力觉感应器探测人的活动范围，端盘子、送咖啡等动作根本难不倒他。放下盘子的时候，他会先测试桌子的高度，然后再双脚弯曲把盘子准确地放在桌子上，当然，受到身高和手臂弯曲角度限制，ASIMO无法把盘子放到过高的地方。如果在搬运的过程中受到冲撞，ASIMO会启动全身的震动防护系统，避免盘子跌落。万一真的跌落，依据手部传感器测试的悬挂重量，他也可以作出判断，立即停止步行，防止踩到盘子。在推手推车时，ASIMO可以在力量传感器的帮助下，调整用力的方向，还能自由地减速、转向、向正侧面和斜向移动，他甚至可以沿着一定路线来推车。但是他的力气很小，现
39、在只能推动约10千克的小车，指望他作为残疾人助动暂时还不现实。但由于ASIMO已经具有相当的智能和多种活动能力，作为展馆的导游还是绰绰有余的。,ASIMO动作灵活的接待员,107,日本本田研制的P3型拟人机器人,108,拟人机器人,109,法国国家实验室的BIP2000,110,早稻田大学的WENDY拟人机器人,111,MIT研制的拟人机器人上肢,112,英国大学研制的气囊驱动拟人机器人,美国大学研制的电传动拟人机器人,113,日本研制的拟人机器人,114,我国研究的仿人型机器人,哈尔滨工业大学双足步行机器人在爬楼梯,国防科技大学研制 “先行者”仿人型机器人,115,北京航空航天大学研究的多指
40、灵巧手,116,清华制造所研制的国内第一台机器人化机器-虚拟轴机床,117,清华制造所研制的履带式机器人,清华制造所研制的四足全方位步行机器人,118,清华制造所研制的双三足步行机器人,清华制造所研制的五足步行机器人,119,清华制造所研制的排水管道清淤机器人,120,清华制造所研制的生物芯片基因探针分配机器人系统,121,清华制造所研制的六自由度高精度微动机器人,122,清华正在研制的拟人机器人,123,1.8 未来机器人的发展方向 ( The Future of Robots ),目前的应用情况机器人的诞生是人类高新技术革命的结晶，经过短短四十多年的发展已取得了巨大成功，但是对于人类的理想
41、来说这还仅仅是开始。据有关资料统计，1996年，全世界有机器人68万台，从1996年以来，世界机器人销售量的年增长率为13%，到2000年，全世界的机器人数量已达到130万台（1999年底销售机器人总台数已达到110万台）。,124,应用领域的进一步扩大 机器人在制造业中的发展是成功的，正逐步涉足非制造业。随着人类改造大自然要求的提高，以及机器人适应特殊环境能力的增强，农业、林业、军事、海洋勘探、太空探索、生物医学工程等行业将是机器人崭露头角的新领域。深入日常生活 在人们的日常生活中，各种服务机器人也将向我们走来，娱乐机器人将给我们的生活增添无限乐趣。清洁机器人将减轻我们繁重的家务。保健机器人
42、可为老人和残疾人提供保健帮助，是人们强烈需求的对象。未来的机器人 未来的机器人将像人一样，能听、能看、能说、能识别环境，具有记忆、推理和决策能力，在某些方面甚至有超过人的能力，如计算、速度、记忆、力量和适应恶劣环境的能力等。人类对机器人将逐渐实现语言、表情甚至意念等方式进行控制，机器人终将成为人类的忠实助手和亲密朋友。,125,1.9 我国机器人研究的简况 ( Developing of Robots in China ),我国机器人研究始于70年代，并被列入“七五”期间实施的国家“863”高科技发展计划（512主题）。“863”计划的实施大大推动了我国机器人技术的发展，在短短30多年里，中国
43、的机器人技术在世界上已占有一席之地，在制造业中陆续出现一些喷涂、焊接、搬运、装配机器人，但受市场和资金等因素的影响，截止到1998年我国机器人装机数量仅1200台，其中绝大部分是进口的，这与发达国家相比还存在很大差距。,126,在特种机器人方面，自第一台水下机器人在沈阳自动化所研制成功后，瑞康（RECON）一号、探索者一号相继下水，特别是“CR01”6000米水下机器人，能完成在深水中摄像，进行海底地势勘察和水文测量，自动记录各种数据等工作。另外，我国还在壁面爬行机器人（哈工大、北航）、遥控检查和排险机器人（沈阳自动化所）、自动驾驶机器人（清华大学、国防科技大学）、防核防化军用机器人（国防科技
44、大学）、微操作机器人（华中科技大学、南开大学）的研究方面取得了较大的进展。目前我国机器人的发展正朝着实用化、智能化和特种机器人的方向发展。我们完全有理由相信，随着我国科学技术的飞速发展和知识经济时代的到来，我国机器人的研究水平和应用领域，将进入一个大的发展时期。,127,主要参考书,Richard P.Paul. Robot Manipultons: Mathematics, Programming and Control. The MIT Press, Cambridge, MA, USA, 1981H.Asada, J-J.E.Slotine. Robot Analysis and Con
45、trol. A Wiley-Interseience Publication John Wiley and Sons,1986John J.Craig. Introduction to Robotics: Mechanics and Control. Addison-Wesley Publishing Company, 1986K.S.Fu, R.C.Gonsalez, C.S.G.Lee. Robotics: Control, Sensing, Vision and Intelligence. Me Graw-Hill Book Company, 1987蔡自兴，机器人学，清华大学出版社，2
46、000. 9严学高、孟正大，机器人原理，东南大学出版社，1992熊有伦等，机器人学，机械工业出版社，1993徐缤昌、阙志宏等，机器人控制工程，西北工业大学出版社，1992南 M.武科布拉托维奇等（M.Vukobratovic），机器人学的科学原理（中译本）,128,有关的文献期刊,IEEE Trans. on Automatic Control (AC), Man-Mach. System (MMS), System, Man and Cybernetics (SMC), Robotics Automation (RA)IEEE Automatic Control Magazine The International Journal of Robotics Research ASME Journal on DSMC ( Dynamic Systems, Measurement and Control )Robotic Today机器人 中科院沈阳自动化所（沈阳）自动化学报 中国自动化学会、中科院自动化所（北京）控制理论与应用 华南理工大学（广州）高技术通讯 中科院情报所（北京）,
