机器人学笔记(01)：1.绪论

1.机器人名称的由来（About “Robot”）

机器人的英文名词叫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，这个剧本的名字叫《Rossum’s 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。

2.机器人学研究内容（Robotics research content）

机器人学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。

3.机器人的定义(Definition for Robots)

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：

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；
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；
机器人具有不同程度的智能，如记忆、感知、推理、决策、学习等；
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。

4.机器人的分类(Classifying 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。

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 1000kg1000 kg1000kg 以上
大型机器人：100−1000kg100-1000 kg100−1000kg / 10m210 m^210m2 以上
中型机器人：10−100kg10-100 kg10−100kg / 1–10m21 –10 m^21–10m2
小型机器人：0.1−10kg0.1-10 kg0.1−10kg / 0.1−1m20.1-1 m^20.1−1m2
超小型机器人：0.1kg0.1 kg0.1kg 以下 / 0.1m20.1 m^20.1m2 以下

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，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( Special Robots )和微型机器人（Micro-robots）是目前机器人发展的一个重要方向

特种机器人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；

微型机器人如管道清理机器人、血管疏通机器人；

微动机器人(动作小、精度高)，如细胞切割机器人等。

5.机器人的结构与控制方式(Structure and Control of Robots)

5.1机器人的结构 (The Structure of Robot)

简单地说，机器人主要由执行机构、传动机构、传感器和控制器四大部分构成。

执行机构 有机器人的足、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。

传动机构 是用来有效地驱动执行机构的装置，通常采用液压、电动和汽动三种方式。

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。

5.2机器人的工作原理（The Principle of Robot）

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。

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。

5.3 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。

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，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。