《机器人学》徐文福编著|(epub+azw3+mobi+pdf)电子书下载

图书名称：《机器人学》

【作　者】徐文福编著

【丛书名】先进制造理论研究与工程技术系列

【页 数】 387

【出版社】 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社 , 2020.12

【ISBN号】978-7-5603-8736-9

【价 格】58.00

【分 类】机器人学

【参考文献】 徐文福编著. 机器人学. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社, 2020.12.

图书封面：

图书目录：

《机器人学》内容提要：

本书结合作者多年从事国家科研项目的经验以及相关课程的教学经验，对机器人学的基础理论、基本方法、基本工具和应用实践进行了详细地阐述，主要包括机器人系统的组成、分类和发展简史、运动学建模与轨迹规划、静力学与动力学分析、运动控制与柔顺控制、机器人感知等内容。

《机器人学》内容试读

第1章绪论

机器人自诞生以来，越来越广泛地应用于工业、服务以及特种领域中。在工业领域，焊接机器人、分拣机器人、喷涂机器人、打磨机器人、冲压机器人等不知疲倦地完成一道道工序，降低人力成本的同时提高了生产效率。在服务领域，养老助残机器人、餐饮机器人、教育机器人、清洁机器人等逐步进入人们的生活，为人类提供优质的服务。除此之外，在灾害救援、反恐防暴、战场侦察与作战等特定场合中，机器人也发挥着越来越重要的作用。机器人学已发展成为综合了机械学、电子学、计算机科学、自动控制工程、人工智能、仿生学等多个学科的综合性科学，代表了机电一体化的最高成就，是当今世界科学技术发展最活跃的领域之一。随着科学技术的飞速发展，机器人的功能越来越强、性能越来越优、智能水平越来越高。为梳理机器人发展的脉络、阐明机器人未来应用等问题，本章将主要介绍机器人的起源与发展、定义与分类、结构与组成、机器人学的知识体系等。

1.1机器人的起源及伦理问题

1.1.1机器人的出现及早期发展

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》(Rossum's

Universal Robots,RUR)中最早使用机器人一词。剧中的人造劳动者取名为Robota(捷克文，意为“劳役、苦工”)，英语的Robot一词即由此而来。

实际上，早在机器人一词出现之前，古代劳动者和能工巧匠们就制造出了一些具有机器人维形的机器。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有机器人概念的文字资料。春秋后期，我国著名的木匠鲁班曾制造过一只木鸟，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。东汉时代，著名科学家张衡不仅发明了地动仪、计里鼓车，还发明了指南车，这些发明都是具有机器人构想的装置。计里鼓车每行1里(1里=500m),车上的木人击鼓一下，每行10里，敲打铃铛一下。指南车具有复杂的轮系装置，若车上木人的运动起始方向指向南方，则该车无论左转、右转、上坡、下坡，指向始终不变，可谓精巧绝伦。

在国外，很早就有一些发明家或能工巧匠制作出了机器人的雏形。公元前3世纪，古希腊发明家戴达罗斯用青铜为克里特岛国王迈诺斯铸造了一个守卫宝岛的青铜卫士塔罗斯。公元前2世纪，曾有书籍描写过一个有类似机器人角色的机械化剧院，这些角色能够在宫廷仪式上进行舞蹈和列队表演。古希腊人发明了一种用水、空气和蒸汽压力作为动力的机器人，能够做动作，会自己开门，还可以借助蒸汽唱歌。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，它能够像鸭子一样叫，会游泳和喝水，还会进食和排泄。17681774年，瑞士钟表匠德罗斯父子三人合作制造出三个真人一样大小的机器人：写字偶人、绘图偶人和

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机器人学：基础理论与应用实践

弹风琴偶人。它们是靠弹簧驱动、由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。1770年，美国科学家发明了一种报时鸟，一到整点，这种鸟的翅膀、头和喙便开始运动，同时发出叫声。它使用弹簧驱动齿轮转动，活塞压缩空气发出叫声，同时齿轮转动时带动凸轮转动，从而驱动翅膀和头运动。1893年，加拿大摩尔设计的能行走的机器人安德罗丁开始使用蒸汽为动力。这些标志着机器人在从梦想到现实的道路上前进了一大步。

1.1.2现代机器人的发展

真正实用的工业机器人是在20世纪50年代后问世的。1954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。作为机器人产品最早的实用机型是1962年美国AMF公司推出的Verstran和Unimation公司推出的Unimate。

随着技术的发展和作业需求的不断增长，人们开始研制具有传感器的机器人。

1961年，美国麻省理工学院(MIT)林肯实验室把一个配有接触传感器的遥控操纵器的

从动部分与一台计算机连接起来，这样的机器人可凭触觉感知物体的状态。

1965年，MIT的Roborts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。

1968年，美国斯坦福人工智能实验室的J.McCarthy等人研制了带有手、眼、耳的计算机系统。从那时起，智能机器人的形象逐渐丰满起来。

1969年，美国原子能委员会和国家航天局共同成功研制了装有人工臂、电视摄像机和拾音器等装置的，既有“视觉”，又有“感觉”的机器人。

1970年，在美国召开了第一届国际工业机器人学术会议。随后，机器人的研究得到迅速、广泛的普及。

1973年，辛辛那提·米拉克隆公司的理查德·豪恩制造了第一台由小型计算机控制的工业机器人，它是由液压驱动的，能提升的有效负载达45kg。

1979年，Unimation公司推出了PUMA系列工业机器人，它是全电动驱动、关节式结构

和多CPU二级微机控制的机器人。PUMA机器人采用VAL专用语言，可配置视觉和触觉

感受器。图1.1所示为PUMA工业机器人。

UNIMATEA500

图1.1PUMA工业机器人

同年，日本山梨大学的牧野洋研制出具有平面关节的SCARA机器人。

第1章绪论

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1980年，工业机器人才真正在日本普及，故称该年为日本“机器人元年”。随后，工业机器人在日本得到了巨大发展，日本也因此赢得了“机器人王国”的美称。

目前，对全球机器人技术发展最有影响的国家是美国和日本。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。国际工业机器人领域的四大标杆企业分别是瑞典ABB、德国Kuka、日本Fanuc和日本安川电机，它们的工业机器人本体销量占据了全球市场的半壁江山。

我国的机器人技术虽然起步较晚，但在国家的重视和持续支持下，也取得了巨大的进步。哈尔滨工业大学（简称哈工大）早在20世纪80年代研制了我国第一台弧焊机器人、第

一台点焊机器人，以及第一条全自动称重、包装、码垛生产线。如今，在包括工业机器人、医疗机器人、航空航天机器人等方面都取得了具有国际先进水平的研究成果，依托于哈工大强

大的机器人技术实力组建的哈工大机器人集团(HGR)在智慧工厂、工业机器人、服务机器

人、特种机器人等领域也提供了各种先进的机器人产品。中国科学院沈阳自动化研究所也是我国机器人领域的“国家队”之一，在水下机器人、工业机器人、工业自动化技术、信息技术方面取得多项有显示度的创新成果，其中“CR一01”6000m无缆自治水下机器人被评为1997年中国十大科技进展之一，并获得国家科技进步一等奖。沈阳自动化研究所研制了极地机器人、飞行机器人、纳米操作机器人、仿生结构智能微小机器人、反恐防暴机器人等多种特种机器人，在国内外形成技术领先优势。其孵化的新松机器人自动化股份有限公司是家以机器人技术为核心的高科技上市公司，是中国机器人领军企业及国家机器人产业化基地，面向智能工厂、智能装备、智能物流、半导体装备、智能交通等产业方向，研制了具有自主知识产权的百余种产品，累计出口30多个国家和地区，为全球3000余家国际企业提供产业升级服务。

1.1.3机器人伦理性纲领

进人20世纪20年代后，机器人成为很多科幻电影、科幻小说的主人公。这些机器人往往是具有人的情感的高度智能体。科幻小说和电影对智能机器人的描述推动了智能机器人的研究和发展。机器人与人之间的定位与关系成为人们思考的焦点。为了防止机器人伤害人类，1950年美国科幻作家艾萨克·阿西莫夫(Isaac Asimov)在《我，机器人》(I,Robot)中给机器人赋予了伦理性纲领，提出了著名的“机器人三定律”（或“机器人三原则”），为机器人研发人员、制造厂商及用户提供了指导方针。这三条定律如下。

(1)第一定律，即机器人不得伤害人类个体或者目睹人类个体即将受到伤害而袖手旁观。

(2)第二定律，即机器人必须服从人类个体给予它的一切命令，除非该命令与第一定律产生了矛盾或冲突。

(3)第三定律，即机器人在不违反第一、第二定律的情况下，要尽可能保护自己。

这三条定律主要确定了机器人与人类个体之间的关系，但当人类个体与人类整体利益发生冲突时，将会发生可怕的事情。基于此，阿西莫夫在最后一本机器人系列科幻小说《机器人与帝国》(Robots and Empire)中提出了“机器人第零定律”

第零定律，即机器人必须保护人类的整体利益不受伤害，其他三条定律都是在这一前提下才能成立。

这四条定律是按照优先级排列的，即第零定律（人类整体利益）>第一定律（人类个体

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机器人学：基础理论与应用实践

利益)>第二定律（服从命令）>第三定律（保护自身安全）。也就是说对于机器人而言，人类整体利益高于人类个体利益，在不违背这两条的基础上服从命令，然后保护自己不受伤害。

近年来，国内法律界人士也关注到了未来无法回避的机器人道德伦理和法律问题。他们认为机器人伦理是制定机器人法律制度的前提与基础，本质上服务于人类利益。当针对具有“独立意志”的智能机器人制定法律制度时，应体现机器人伦理的基本内容，秉持承认与限制的基本原则。

1.2

机器人的定义及分类

1.2.1机器人的定义

机器人问世已有几十年，在世界范围内也得到了广泛的应用，但对于机器人的定义仍然是仁者见仁，智者见智，没有一个统一的意见。原因之一是机器人正处于快速发展阶段，新的机型不断涌现，功能也越来越多；而根本原因在于机器人涉及了人的概念，其定位、作用、与人的关系等成为难以回答的哲学问题。下面给出了几种常见的关于机器人的定义。

(1)美国国家标准局(NBS)关于“机器人”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。

(2)美国机器人协会(R1A)关于“机器人”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。

(3)日本工业机器人协会(JIRA)关于“机器人”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。

(4)国际机器人联合会(IFR)关于“机器人”的定义。机器人是一种半自主或全自主工

作的机器，它能完成有益于人类的工作，应用于生产过程中的称为工业机器人，应用于家庭或直接服务人的称为服务机器人，应用于特殊环境的称为专用机器人（或特种机器人）。

(5)国际标准化组织(ISO)关于“机器人”的定义。机器人是具有一定程度自主能力、

可在其环境内运动以执行预期任务的可编程执行机构，一般把机器人分为工业机器人和服

务机器人(2015年在德国斯图加特举行的ISO年度大会上给出的定义)。其中，工业机器人

定义为(IS08373:2012)自动控制的、可重复编程的、多用途的操作机，可对三个或三个以

上的轴进行编程，可以是固定式或移动式，在工业自动化中使用。服务机器人定义为(SO

8373:2012)除工业自动化应用外，能为人类或设备完成有用任务的机器人。服务机器人可进一步划分为特种机器人、公共服务机器人、个人/家用服务机器人三类。特种机器人是指由具有专业知识的人士操控的、面向国家或特种任务的服务机器人，包括国防/军事机器人、救援机器人、医疗手术机器人、水下作业机器人、空间探测机器人、农场作业机器人等。公共服务机器人是指面向公众或商业任务的服务机器人，包括迎宾机器人、餐厅服务机器人、酒店服务机器人、银行服务机器人、场馆服务机器人等。个人/家用服务机器人是指在家庭以及类似环境中由非专业人士使用的服务机器人，包括家政、教育、娱乐、养老助残、个人运输、安防监控等类型的机器人。

(6)我国国家标准对机器人的定义(GB/T12643一2013《机器人与机器人装备词汇》)。

第1章绪论

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机器人是具有两个或两个以上可编程的轴，具有一定程度的自主能力，可在其环境内运动以执行预期任务的执行机构。工业机器人指自动控制的、可重复编程的、多用途的操作机，可对三个或三个以上的轴进行编程，可以是固定式或移动式，在工业自动化中使用。服务机器人指除工业自动化应用外，能为人类或设备完成有用任务的机器人。个人/家用服务机器人指在家居环境或类似环境下使用的，以满足使用者生活需求为目的的机器人。公共服务机器人指在住宿、餐饮、金融、清洁、物流、教育、文化和娱乐等领域的公共场合为人类提供一般服务的商用机器人。特种机器人指应用于专业领域，一般由经过专门培训的人员操作或使用的，辅助和/或替代人执行任务的机器人，也称为专业服务机器人。

由此可见，我国的国家标准实际上是继承了国际标准化组织(ISO)的定义，本书即采用

我国国家标准的相关定义。

1.2.2机器人的分类

可以从应用领域、结构形式、运动方式、作业空间等角度对机器人进行分类。

(1)按机器人的应用领域分类。

机器人根据应用领域，主要分为工业机器人和服务机器人两大类，其中服务机器人又可进一步分为特种机器人（或专业服务机器人）、公共服务机器人和个人/家用服务机器人三小类，如图1.2所示。

机器人

工业机器人

服务机器人

特种机器人

公共服务

个人/家用服

焊接

喷涂

(专业服务)

机器人

务机器人

打磨

抛光

军用

警用

迎宾

酒店

清洁

保姆

搬运

码垛

医疗

农业

餐厅

银行

教育

娱乐

装配

检修

水下

太空

场馆

导游

养老

助残

图1.2机器人分类（根据应用领域）

根据国际机器人联合会(IFR)于2019年9月发布的数据（参见《全球机器人

2019(World Robotics2019)》),2018年，全球工业机器人年销售额再创新高，达到165亿美元，装机量为42.2万台，比上年增长6%；专用服务机器人销量达27.1万台，比上年增长61%：个人/家用服务机器人销量约1630万台，比上年增长59%。

2018年，中国依旧是全球最大的工业机器人市场，已连续六年稳坐“龙头”，工业机器人装机量为15.4万台，超过欧洲和美洲，占全球工业机器人总销量的36%。其他关于中国机器人产业的相关数据参见《中国机器人产业发展报告(2019)》，该报告为工业和信息化部2019~2021年财政专项《我国机器人产业发展水平评估体系构建与智能机器人产业链增长点研究》的阶段性研究成果，于2019年世界机器人大会闭幕式上正式发布。

①工业机器人。

工业机器人主要用于工业中，替代工人开展具体的作业任务。依据实际应用目的不同，

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机器人学：基础理论与应用实践

工业机器人又常常以其主要用途命名，包括焊接机器人、喷涂机器人、打磨机器人、抛光机器人、搬运机器人、码垛机器人、装配机器人、检修机器人等。焊接机器人是目前为止应用最多的工业机器人，包括点焊机器人和弧焊机器人，用于实现自动化焊接作业；装配机器人比较多地用于电子部件或电器的装配：喷涂机器人可代替人进行各种喷涂作业；码垛机器人用于物体的卸装等。

德国的库卡(Kuka)、瑞士的ABB、日本的发那科(Fanuc)和安川电机(Yaskawa)是全球主要的工业机器人供应商，被称为机器人四大家族，占据全球约50%的市场份额。四大家族在各个技术领域内各有所长，Kuka的核心领域在于系统集成应用与本体制造，ABB的核心领域在于控制系统，发那科的核心领域在于数控系统，安川的核心领域在于伺服电机与运动控制器领域。

工业机器人的特点为高稳定性、高可靠性、高安全性和高重复性，这种特性是由工业自动化的要求决定的。核心关键技术包括高性能工业机器人系统设计、运动控制、精确参数辨识补偿、协同作业与调度、示教/编程。典型的工业机器人如图1.3所示。

(a)通用工业机器人

(b)焊接机器人

图1.3典型的工业机器人

②个人/家用服务机器人。

个人/家用服务机器人是直接面向个人或家庭提供日常服务的，用于改善人的生活品质。虽然个人和家用是两个单独的词，但在用途上，它们并没有过多区分。劳动力价格日趋上涨，而且人们越来越不愿意干自己不喜欢的工作，从事清洁、看护、保安等工作的人越来越少，简单劳动力将会越来越缺乏；人口老龄化带来大量的问题，导致陪伴、护理、健康监测等需求更加紧迫；另外，曾经的独生子女政策导致的“421家庭”模式，加重了作为社会劳动力主体的年轻夫妻的负担，他们需要负担起4个老人的养老和至少1个孩子成长的家庭压力，对老人的照顾、孩子的教育等需求日益迫切；随着经济水平的上升，人们可支配的收入不断增加，具备了较好的经济基础，能够购买服务机器人来解放简单的重复劳动，获得更多的空闲时间。这些因素使得个人/家用服务机器人具有巨大的市场需求和发展空间。

到目前为止，相对成熟并获得广泛应用的主要有清洁机器人、割草机器人、玩具机器人、宠物机器人、教育和培训机器人等。相比之下，助老助残机器人属于更高科技的产品。如今许多国家都将研究项目集中在这一领域，他们相信未来这是一个巨大的机器人市场。由于直接处于人的生活环境，需要经常与人交互，并提供合适的服务、满足人的审美特点，因此，

···试读结束···