机器人技术

机械学院 机电10 王家南103406006 摘要：机器人（Robot）是自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。它的任务是协助或取代人类工作的工作，例如生产业、建筑业，或是危险的工作。

机器人技术是一门新的综合性交叉科学，其结构与功能涉及力学、机器人拓扑学、机械学、电子学与微电子学、控制论、计算机、生物学、人工智能、系统工程等多个学科；研究内容包括基础研究和应用研究两个方面；研究领域包括机械手设计、机器人运动学与动力学、机器人轨迹规划、机器人驱动技术、机器人传感器、机器人控制语言与离线编程、机器人本体结构、机器人控制系统、智能机器人等。

关键词：机器人、发展、发明、应用

1. 机器人发展简史

19xx年夹目纽约世博芸上展出了西屋电气公司制造的家用机器人Elektra。

19xx年美国科幻巨匠阿西莫夫提出??机器人三定律“。

19xx年美国人乔治·德沃尔制造出世界上第一台可编程的机器人，并注册了专利。

19xx年美国AMF公司生产出"VERSTRAN"(意思是万能搬运).与Lhirrtatian公司生产的Unimate一样成为真正商业化的工业机器人.并出口到世界各国.掀起了全世界对机器人和机器人研究的热潮。

19xx年一19xx年传感器的应用提高了机器人的可操作性。

19xx年约翰·霍普金斯大学应用物理实验室研制出BEast机器人。20世纪60年代中期开始.美国麻省理工学院，斯坦福大学、英国爱丁堡大学等陆续成立了机器人实验室。美国兴起研究第二代带传感器，“有感觉?的机器人。并向人工智能进发。

19xx年美国斯坦福研究所研发成功机器人ShakEy。它带有视觉传感器.能根据人的指令发现并抓取积木不过控制它的计算机有一个房间那么大。Shakey可以算是世界第一台智能机器人拉开了第三代机器人研发的序幕。

19xx年日本早稻田大学加藤一郎实验室研发出第一台以双脚走路的机器人。加藤一郎长期致力于研究仿人机器人.被誉为“仿人机器人之父“。

19xx年世界上第一次机器人和小型计算机携手合作，就诞生了美国Cincinnati Milacron公司的机器人Tao。

19xx年美国Unimation公司推出通用工业机器人PUMA，这标志着工业机器人技术已经完全成熟。P}lMA至今仍然工作在工厂第一线。

1 se4年英格伯格再推机器人hiel}xnate这种机器人能在医院里为病人送饭.送药、送邮件。同年他还预言:“我要让机器人擦地板做饭.出去帮我洗车，检查安全??。

19xx年丹麦乐高公司推出机器人《M ind-storms)套件，让机器人制造变得跟搭积木一样相对简单又能任意拼装，使机器人开始走入个人世界。

19xx年日本索尼公司推出犬型机器人爱宝(AIBO)当即销售一空.从此娱乐机器人成为目前机器人迈进普通家庭的途径之一。

20xx年丹麦ifiobot公司推出了吸尘器机器人Roomba.它能避开障碍自动设计行进路线.还能在电量不足时.自动驶向充电座。Roomba是目前世界上销t最大_最商业化的家用机器人。

20xx年微软公司推出Microsoft Robotics Studio机器人模块化、平台统一化的趋势越来 越明显，比尔·盖茨预言.家用机器人很快将席卷全球。 2. 机器人的组成

机器人能力的评价标准包括：智能，指感觉和感知，包括记忆、运算、比较、鉴别、判断、决策、学习和逻辑推理等；机能，指变通性、通用性或空间占有性等；物理能，指力、速度、可靠性、联用性和寿命等。因此，可以说机器人就是具有生物功能的实际空间运行工具，可以代替人类完成一些危险或难以进行的劳作、任务等。

机器人一般由执行机构、驱动装置、检测装置和控制系统和复杂机械等组成。

执行机构：即机器人本体，其臂部一般采用空间开链连杆机构，其中的运动副（转动副或移动副）常称为关节，关节个数通常即为机器人的自由度数。根据关节配置型式和运动坐标形式的不同，机器人执行机构可分为直角坐标式、圆柱坐标式、极坐标式

和关节坐标式等类型。出于拟人化的考虑，常将机器人本体的有关部位分别称为基座、腰部、臂部、腕部、手部（夹持器或末端执行器）和行走部等。

驱动装置：是驱使执行机构运动的机构，按照控制系统发出的指令信号，借助于动力元件使机器人进行动作。它输入的是电信号，输出的是线、角位移量。机器人使用的驱动装置主要是电力驱动装置，如步进电机、伺服电机等，此外也有采用液压、气动等驱动装置。

检测装置：是实时检测机器人的运动及工作情况，根据需要反馈给控制系统，与设定信息进行比较后，对执行机构进行调整，以保证机器人的动作符合预定的要求。 控制系统：有两种方式，一种是集中式控制，即机器人的全部控制由一台微型计算机完成。另一种是分散（级）式控制，即采用多台微机来分担机器人的控制，如当采用上、下两级微机共同完成机器人的控制时，主机常用于负责系统的管理、通讯、运动学和动力学计算，并向下级微机发送指令信息；作为下级从机，各关节分别对应一个CPU，进行插补运算和伺服控制处理，实现给定的运动，并向主机反馈信息。根据作业任务要求的不同，机器人的控制方式又可分为点位控制、连续轨迹控制和力（力矩）控制。

3.机器人的应用

机器人产业是继汽车，计算机之后出现的一种新

的高技术产业。联合国欧洲经济委员会和国际机器人

联合会的统计表明.世界工业机器人市场前景看好，

20xx年的增长率达到创记录的30%其中亚洲工业机器

人增长幅度最为突出，高达45%。至20xx年。全球新

安装工业机器人的数f已超过10万套。

美国是机器人的诞生地，早在19xx年就研制出世

界上第一台工业机器人。美国是世界上机器人强国之一基础雄厚，技术先进。

起步晚于美国五，六年的日本工业机器人.在经历了196。年代摇篮期19?0年代实用期后。19xx年代跨入普及提高并广泛应用期。经过短短的时间?日本工业机器人产业已迅速发展起来，在近年来有了非常大的一跃成为??工业机器人王国??，日本在工业机器人的生产、出口和使用方面都居世界榜首日本工业机器人的装备量约占世界工业机器人装备t的so%q 仅以20xx年计日本工业机器人的市场规模达1669亿日元.亚洲(日本除外}为1150亿日 元.而当年全球市场规模为4545亿日元。

德国工业机器人的总数占世界第三位;仅次于日本和美国德国智能的研究和应用在世界上处于领先地位。

在普及第一代工业机器人的基础上.第二代工业机器人经推广应用成为主流安装机型，第三代智能机器人已占有一定比重。目前国际上具有影响力的著名的工业机器人供应商有美国的A dept Technologe,American Robot，Emerson In一dustriai Automation等公司。还有日系中的安川、OTC.松下、FAN,.I}、不二越、川崎等公司;欧洲系中的德国KUKA、 CL005瑞典A8B意大利的GOMAU及奥地利的IGM公司。 瑞典ABB公司是世界上最大的机器人制造公司之一。

同全球主要机器人大国相比.中国工业机器人起步较晚.而真正大规模进入商用仅是在近几年。经过一七五”起步，“八五“.和”九五“攻关.中国工业机器人从无到有.从小到大.发展迅速。已生产出部分机器人关键元器件.开发出弧焊.点焊、码垛.装配?搬运，注塑，冲压.喷漆等工业机器人。一批国产工业机器人已服务于国内诸多企业的生产线上;一批机器人技术的研究人才也涌现出来二一些相关科研机构和企业已掌握了工业机器人操作机的优化设计制造技术:工业机器人控制、驱动系统的硬件设计技术:机器人软件的设计和编程技术;运动学和轨迹规划技术:弧焊，点焊及大型机器人自动生产线(工作站)与周边配套设备的开发和制备技术等。某些关键技术已达到或接近了国际先进水平.中国工业机器人在世界工业机器人领域已占有一席之地。 但总体说来.我国仍是一个机器人设备的消费市场，行业市场处于发展壮大中。

参考文献： 中国知网

《机器人》

《北京科技大学学报》

《科学大观园》

2012.8.28

 

第二篇：自平衡机器人1

乐高机器人教程1 默认分类 2008-06-24 21:39:20 阅读1145 评论0 字号：大中小 订阅

第一章:理解乐高中的几何学

乐高积木的几何原理：我看到过很多同学刚刚设计机器人小车，他们首先会选择最有用的少许积木把小车搭好，兴致勃勃地编写好程序、下载，可是一松手，小车散了……但这并不影响他们的热情，他们会不停地改进，直到小车能轻松跑完全程……在这个过程中，他们已经开始根据乐高积木的各种特点，运用结构、机械原理来完善模型的结构，虽然他们并不是很清楚乐高积木的何学原理，也没有被指导过怎么做。

乐高积木为什么能够很紧密地接合在一起？能完美地实现实验仿真？这不仅在于它有两千多个各种形状的积木组件，有足够的零件让你完成你的设想，更重要的是，这些积木组件都按同一标准严格设计、生产，所有积木都是可兼容的。它依据的标准就是乐高单位，而且积木有严格的质量保持，乐高积木模具公差仅为0.000005米。怎样巧妙地利用乐高积木的特点——梁、块、板和孔之间的关系——完善你的结构，完成你独一无二的设计？

本章包含的内容:

尺寸和单位的表示

方形的乐高世界

垂直支撑

倾斜的乐高世界

斜支撑

水平方向的尺寸和单位的表示

铰链的支撑 1.1简介

在你进入乐高机器人世界之前，希望你能先掌握那些乐高积木中涉及的基本几何学原理。不用担心，我们并不是要对你进行复杂的方程式和三角法则的测试，仅讨论一些非常简单的概念和解释一些常用的术语，这样，在入门阶段就可以更容易地搭建出实际的模型。在本章，你将会发现乐高爱好者使用什么单位来表示尺寸，如何来表示积木的面积，如何将积木从不同的方位连接组合起来。

我们鼓励你使用手里的乐高组件对照本章的例子自己搭建一遍。把机器人套装放在手边，以便随时挑选必要的积木，不过这一章节中的例子多数都只用到一些块和板。

如果由于某种原因，这部分材料对你来说过于复杂，你不必强求自己掌握，可以跳过这一章直接进入到其它部分。在你需要的时候，你都可以回过来将这一章节当作术语表来使用。1.2 尺寸和单位

乐高爱好者通常按顺序用3个数字表示乐高积木的尺寸：宽度、长度和厚度。使用乐高积木的一般方法是：“嵌入式“，当表示积木的尺寸时，都要考虑这种方位，不论是将积木颠倒还是在3维空间旋转。

高度是识别积木的最基本的属性，它是指积木的底部到顶部之间的距离。宽度按照我们习惯指的是水平方向上的两个尺寸中较短的一个（长度就是另外一个）。长度和宽度的表示单位是用 “凸点” 来表述的，也叫作“乐高单位”。这样，我们可以描述绝大多数积木的尺寸。乐高单位在19xx年第一次被使用，是一个2??的积木块（如图1所示）。

也可以不用乐高单位来表示乐高积木的尺寸，而采用公制（米制）单位，两个突点圆心间的宽度相当于8mm，一块积木的厚度（不包括突点的高度）相当于9.6mm。能否记住这些数据并不重要——重要的是要知道它们有不同的数值，也就是说你需要两个不同的单位来标注高度和长度。它们之间的数值比就相当重要了：9.6除8得1.2（垂直方向的单位长度是水平方向的单位长度的1.2倍。这个比值很容易记住，如果换算成整数比就是6:5。在下一章节我们将会研究这一比值的关联。

图1.1一块乐高积木砖的尺寸

图1.2显示的是最小的乐高积木砖，用乐高单位来表示是1??。实际上这个乐高“立方体”根本不是立方体。

图1.2尺寸为1í1í1的乐高积木砖的比例关系

在乐高组件中，有一类积木的厚度是块状积木厚度1/3。其中最重要的组件就是“板”，这些板中大多数是矩形，少数具有特殊形状。将3块板叠在一起，它的厚度就相当于一块标准的积木块的厚度（见图1.3）。

图1.3 三块板的高度等于一块砖的高度 1.3方形的乐高世界：垂直的支撑

我们为什么要关心这些关系呢？要回答这个问题，就要追溯到70多年前，乐高TECHNIC生产线刚刚诞生的时候。从那时起，就设计和使用乐高来搭建由水平层组成的物体：把积木砖和板恰当的组合到一起。每个孩子都会很快知道3块板的厚度等于1块砖的厚度，这也是他们所需要知道的全部东西。但是在19xx年，乐高决定以年龄更大的顾客为对象，引进一系列新的生产线：LEGO TECHNIC。它们共同的特点是带孔的1蚇的积木块，我们称之为TECHNIC积木块，或者叫作梁（图1.4）。这些孔可以让轴穿过，也可以通过销子将梁互相连接起来，这样就创造了一个完美的乐高世界。

图1.4乐高LEGO TECHNIC梁

假设你要在垂直位置装一根梁，用来支撑两层或者更多层的水平位置的梁：这里我们必须记住6：5这个比值。梁上的孔与凸点一样都以相同的间距排列，但它们与凸点是以半个凸点间距交错排列的。这样，

当我们把两根梁嵌在一起，水平方向两孔的间距不等于垂直方向两孔的间距，从而，不同层面上的孔就不能与之配合。换句话说，由于6:5的尺寸关系，一根垂直的梁上的孔不能够与一叠嵌在一起的梁上的孔相配合。至少不是所有的孔都能吻合。但让我们仔细观察一下：用6的倍数（6、12、18、24、30……）来计算垂直方向的单位，并用5的倍数（5、10、15、20、25……）来统计水平方向的单位。不要数开始的积木和开始的孔，因为它们是你的参照点；你测量的就是距离这个点的长度。当你数到5个垂直单位的长度达到了30，当你数到6个水平方向单位，长度也达到了相同的数值（见图1.5）。

从中我们得到了一个定理：在叠嵌在一起的梁中，第5根梁的孔是和与之正交的垂直的梁上的孔重合的。

图1.5水平的梁与垂直的梁的配合

现在你可以用梁搭建一堵墙，然后用一根长的梁来固定它，从而实际验证这个规则。如果你把一根轴放进第一个连通的孔中，然后试图将第二根轴放进接下去的孔里，你会发现在开始的积木上加上5根梁和10根梁，交叉的梁上的孔才是连通的（见图1.6）。

这种交叉的梁的技巧是非常重要的。它可以使我们搭建出坚固的模型，垂直的梁将与之连接的两根水平梁之间的积木锁住。遗憾的是需要将6根梁搭建在一起，才能用一根横贯的梁将它们锁住。是否可以采用其它更好的方法呢？记得垂直单位有一个子单位——乐高板的高度。3块板组成一块砖，我们可以这样计算板的高度。高度以2个单位的倍数而不是6个单位（2是6的1/3）。高度的级数就变为2、4、6、8、10。5块垂直的板的高度就为10。这个高度值刚好等于水平方向上孔的间距，因此我们的最后得出的结论是：每5块板的高度，垂直梁的孔刚好可以配合。

图1.6 5块梁的高度刚好与孔配合

不幸的是，板不能用于连接垂直梁，原因十分简单，板没有孔！但是一根梁与3块板的高度是一样的，知道这些，我们就可以在计算上做如下规定：从梁的底部开始，每加一块板就增加一个单位，每加一块梁增加3个单位，并要保证至少一根梁在顶部，如果结果是5的倍数，孔就能与垂直梁配合。

最简洁的设计如图1.17所示用一根垂直梁固定水平层：一根梁和两块板的高度相当于5块板。连接垂直梁的唯一方法就是使用5块板产生两孔的距离。在乐高工程师设计的模型中都使用这种方法。

图1.17 最紧凑的固定结构 随着连接距离的增加，连接的方式也增多了，下一步就是连接10块板/4孔的间距，但连接同样10块板的高度，可以有许多方法。如图1.18

图1.8 标准栅格结构

图1.18 c中所示的连接是比较常用的，它是基于图1.7中的设计结构的。因为在中间位置固定了梁，当你搭建模型时，1块梁+2块板+1块梁+2块板的连接方式可以让你搭建更牢固：间隔一个孔连接，在Eric Brok的网站上称它为标准结构（见附录A），它可以使连接最优化。

你一定要局限于使用这种连接方式吗？不要约束自己的想象力！这只是一些小技巧，在许多情况下，特别是当你不知道如何去做时，这些技巧对你很有用。在很多应用中我们使用了不同的设计结构，对你同样也同样有帮助。 1.4倾斜乐高世界——斜支撑

乐高梁是不是只能垂直连接呢？乐高最大的特点是搭建方形的物体，但斜连接同样可以，它可以使我们的世界更加丰富多彩，同时又提供了一个有力的解决问题的工具。

你现在知道如何用一根垂直梁去连接一堆梁和板，而且你也知道了它们的数字关系。但如何用一根斜梁支撑水平梁？这根斜梁看起来就像直角三角形的斜边。搭建一个如图1.9所示的模型，现在测量它们的各边，记住不要去计算第一个孔，因为我们是根据孔之间的距离来测量长度的，三角形的底边有6个孔，高度有8个孔：记住在标准结构中它们间的距离为底部的梁到上面的梁两孔间的距离（在图中我们放置了一根垂直梁，帮助你计算孔的数量。直角三角形的斜边长度为10个孔）。

在这里我们介绍一下由古希腊哲学家、数学家毕达哥加斯加创建的勾股定理，这是一个非常著名的数学定理。定理证明了直角三角形的直角边与斜边的数学关系，假设组成直角的两边称为A、B ，三角形斜边为C。它们间的关系就是：

A2+B2=C2

现在我们将数字代入上面的公式得到：

62+82=102

将上式展开：

(6 x 6) + (8 x 8) = (10 x 10)

36 + 64 = 100

100 = 100

图 1.9 勾股定理的应用 值得肯定的是，这个例子不是偶然的，而是应用了勾股定理，逆用这个定理，如果知道底边和高度的值，就可以算出斜边的值。只有当两个数字的平方和刚好等于另一个数字的平方时，公式才成立，如表1.1所示：

现在，你可能会问，在玩积木时，是否要在桌上放一个小计算器，而且还需要重心温习一下高中数学？其实你不必担心。因为：你不会经常使用斜梁。而最常用的三角形连接都是基于3-4-5三条边长的（如表1.1第三行），如果将三角形各边长同时扩大一个整数倍，又会得到一个有效的3边长。如扩大2倍得到：6-8-10，扩大3倍得到：9-12-15等等。这些都是有用并且是很容易记住的边长。

我们在附录B中提供了包含许多实用的边长列表，还有一些等式虽不成立但非常接近正确的数值，可以配合得很好，而不会对积木块引起任何的损坏。

我们建议你花一些时间研究三角形，试着使用一下使用不同边长的连接方式来检验它的刚度。这些知识对你以后搭建复杂的模型是非常有用的。

1.5水平尺寸和单位的表示

到现在为止，我们一直都在讨论垂直平面，因为使用垂直梁来固定层的技术对搭建出坚固的模型是非常重要的，当然坚固的模型是塑料的。在水平方向上使用积木还有非常有效的方法，那就是：连接凸点。

前面介绍过，测量长度的单位是凸点，也就是说，只要数出积木的凸点数，就能计算积木的长度。梁上的孔都以相同间距排列，实际上，3个凸点的长度与3个孔的长度是相等的。观察梁，会注意到孔与凸点是交错排列的，每个梁上的孔总比凸点少一个。但也有两种例外：带1孔的1×1梁，带两孔的1×2的梁（如图1.10），机器人套装中没有这两种积木，但它们是很有用的。

图1.11带1孔的1×1梁和带两孔的1×2的梁

在这些短梁中，孔刚好排列在凸点下，而不在它们之间，而且当与标准梁一起使用时，可以得到半个孔的增量（如图1.11）。在下一章讲到齿轮时将会看到这两种梁的实际应用。

图1.11 得到半个孔的间距

还有一种可以实现同样功能的积木，即带一个凸点的1×2的板。在机器人套装中也没有这个积木块，但也很容易找到。如图1.12所示，调整半个凸点的距离时是很有用的。在模型中，这有助于调整触动传感器的位置，我们在这本书中将会看到一些这方面的实例。

图1.12 单凸点1×2的板 1.6铰链支撑

在结束本章之前，我们再回到三角形支撑，你现在拥有了可以轻易解决问题的全部工具了。这里也没有新的内容，只是前面理论的不同应用。这项技术你可能用不到，但为了完善起见，我们这里合仍介绍一下。

首先需要介绍一个特殊的部件：铰链（如图1.13）。使用这种铰链能搭建许多不同的三角形，但还是针对直角三角形的，因为它们是到目前为止最有用的三角形连接部件。铰链的两端可以与板或梁的上下层连接，同时提供了许多与其它结构整合的方法。

图1.13 乐高铰链

乐高铰链可以旋转连接的梁，保证它们的内角始终接触。因此，使用3个铰链，就能得到一个三角形，它的垂直边集中在铰链的旋转中心上，内部边长就等于梁的长度（如图1.14）。关于直角三角形，你已对勾股定理比较熟悉了，它也同样可以应用在这里，我们已经看到的相同的连接在这里也成立：3-4-5，6-8-10等等。

图1.14 使用铰链组成直角三角形

小结：

你学过几何学吗？假如对基础熟悉，学起来就不会困难了。首先，它有助于根据它们之间的比例去确定积木块，通过凸点计算它们的长度和宽度。并认识了垂直单位与水平单位的比例是6：5。有了这个简单的比例，你可以试着去将轴或销插入垂直梁的孔中来固定结构；你知道了每5块积木砖的高度，垂直梁的孔刚好与之相配合；同样，由于3块板的高度刚好等于一块积木砖，最紧凑的固定结构就是使用2片板和1块砖加起来的高度，因为它刚好是5的倍数，如果对此你能灵活应用，每一件事都会变的很容易：1块砖，2块板，1块砖，2块板……

为了配合一根斜梁，使用了勾股定理。基于3-4-5边长的连接可以组成一类容易记住的边长来做成一个三角形。但也有其他方法，有的也是基于这个原理，还是去看一下附录B提供的表吧。