工业机器人简介

　　0.1.1 机器人的由来与发展 　　1920年捷克作家卡雷尔·查培克在其剧本《罗萨姆的万能机器人》中最早使用机器人一词，剧中机器人“Robot”这个词的本意是苦力，即剧作家笔下的一个具有人的外表，特征和功能的机器，是一种人造的劳力。 　　“机器人”一词虽出现得较晚，然这一概念在人类的想象中却早已出现。制造机器人是人类社会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。 　　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意念的文字资料。春秋后期，我国著名的木匠鲁班，在机械方面也是一位发明家，据《墨经》记载，他曾制造过一只木鸟，能在空中飞行“三日而不下”，体现了我国劳动人民的聪明才智。 　　1800年前的东汉时代，著名科学家张衡不仅发明了地动仪、计里鼓车，且发明了指南车，这些发明都是具有机器人构想的装置。计里鼓车每行进l里，车上的木人击鼓一下．每行十里，击钟一下；张衡发明的具有复杂轮系装置的指南车，若车上木人运动起始指向南方，则该车无论左传右转、上坡下坡，则指向始终不变，可谓精巧绝伦。三国时期，蜀国丞相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。 　　1662年，日本地竹田近江利用钟表技术发明了自动机器玩偶，并在大阪地道顿崛演出。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。 　　公元1768～1774年间，瑞士钟表匠德罗斯父子三人合作制造出三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，见图0.1。它们是靠弹簧驱动、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术和历史博物馆内。 　　图0.1 18世纪瑞士的写字偶人 　　1893年，加拿大莫尔设计的能行走的机器人“安德罗丁”，是以蒸汽为动力的； 20世纪20年代查培克之后，机器人成为很多科幻电影、科幻小说的主人公。30年代末纽约世界交易会上放映的德国电影《大都市》中的Eleitro步行机器人和它的狗Spardo，70年代拍摄的电影《星球大战》的C3P机器人，使人们进一步加深了对机器人具有人类一样的外形、情感这种看法。人们对机器人寄予很高的期望，而在当时的科学技术条件下是无法实现的。即使是现在，要造出类人智慧、有感情的机器人仍是科学家的梦想和追求。 　　进入20世纪40年代中后期，机器人的研究与发明得到了更多人的关心与关注。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0.2所示，这是一种主从型控制系统，主机械手的运动。系统中加入力反馈，可使操作者获知施加力的大小，主从机 　　图0.2 主从型遥控操纵机械手 　　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为近代机器人的设计与制造作了铺垫。 　　在此前后，美国戴沃尔(Ceorge G. Devol) 设想了一种可控制的机械手。1954年，他依据这一想法设计制作了世界上第一台机器人实验装置，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。 　　戴沃尔将数控机床的伺服轴与遥控操纵器的连杆机构联接在一起，预先设定的机械手动作经编程输入后，系统就可以离开人的辅助而独立运行。这种机器人还可以接受示教而完成各种简单的重复动作，示教过程中，机械手可依次通过工作任务的各个位置，这些位置序列全部记录在存储器内，任务的执行过程中，机器人的各个关节在伺服驱动下依次再现上述位置，故这种机器人的主要技术功能被称为“可编程”和“示教再现”。 　　在此期间，一些实用化的机器人相继问世，1959年第一台工业机器人在美国诞生，开创了机器人发展的新纪元。 　　当今机器人技术正逐渐向着具有行走能力、具有多种感觉能力、具有较强的对作业环境的自适应能力的方面发展。美国贝尔科尔公司已成功地将神经网络装配在芯片上，其分析速度比普通计算机要快千万倍，可更快更好地完成语言识别、图像处理等工作。 　　目前，对全球机器人技术的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。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位。 　　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、Stanford、Carnegie—Mellon、Conell、Purdue、Univ．of California等大学都是研究机器人学富有成果的著名学府。随着机器人学的发展，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每年举行的机器人学及自动化国际会议，此外还有国际工业机器人会议(1SIR)和国际工业机器人技术会议(CIRT)等。出版的杂志有《Robot Today》、《Robotics Research》、《Robotics and Automation》等多种。 　　我国的机器人技术起步较晚，约于20世纪70年代末80年代初开始。90年代中期，6000m以下深水作业机器人试验成功，以后的近10年中，在步行机器人、精密装配机器人、多自由度关节机器人研制等国际前沿领域内，逐步缩小了与世界先进水平的差距。 　　0.1.2 机器人的定义 　　机器人现虽已被广泛应用，且越来越受到人们的重视，而机器人这一名词还没有一个统一、严格、准确的定义。不同的国家、不同研究领域的学者给出的定义不尽相同，虽基本原则大体一致，但仍有较大区别。欧美国家的定义限定多一些，日本给出的定义宽松一些，这样就使得可称为机器人的范围大小不同，以至于在统计机器人的数量时，由于定义限定的差异，各种统计数字会有很大出入，故经常要给予特殊说明。 　　目前部分国家倾向于美国机器人协会所下的定义：机器人是一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置、通过可编程序动作来执行种种任务、并具有编程能力的多功能机械手。这个定义实际上是指工业机器人。 　　一般地说，可以定义机器人是由程序控制的、具有人或生物的某些功能、可以代替人进行工作的机器。 　　应该说，国际标准化组织（ISO）给出的机器人定义较为全面和准确，其定义涵盖如下内容： 　　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（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； 　　3） 机器人具有不同程度的智能性，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。 　　0.1.3机器人技术的研究领域与学科范围 　　1. 研究领域 　　经过数十年的发展，机器人技术已形成为一门新的综合性交叉科学——机器人学（Robotics）。它包括基础研究与应用研究两方面的内容，其主要研究领域有：（1）机械手设计；（2）机器人运动学与动力学；（3）机器人轨迹规划；（4）机器人驱动技术；（5）机器人传感器；（6）机器人视觉；（7）机器人控制语言与离线编程；（8）机器人本体结构；（9）机器人控制系统；（10）智能机器人等。