《机器人概论 第3版》李云江，司文慧主编；贾瑞昌，何芹，吕志杰参编|(epub+azw3+mobi+pdf)电子书下载

图书名称：《机器人概论 第3版》

【作　者】李云江，司文慧主编；贾瑞昌，何芹，吕志杰参编

【丛书名】普通高等教育机电类专业教材

【页 数】 256

【出版社】 北京：机械工业出版社 , 2021.03

【ISBN号】978-7-111-67452-8

【分 类】机器人技术-高等学校-教材

【参考文献】 李云江，司文慧主编；贾瑞昌，何芹，吕志杰参编. 机器人概论 第3版. 北京：机械工业出版社, 2021.03.

图书封面：

图书目录：

《机器人概论 第3版》内容提要：

本书自出版以来，深受广大师生好评，2版共印刷14次，发行了近40000册。本书详细叙述了机器人的起源、发展、分类、应用、组成、功能及应用前景，较系统地阐述了机器人技术的基础知识，并在相关章节中列举了若干机器人应用实例，如特种机器人、生物生产机器人、足球机器人、仿人机器人等，*后结合大学生的特点，介绍了机器人大赛的有关知识，比较全面地反映了国内外机器人研究和应用的新进展。本书内容新颖、逻辑性强，既有普及性，又有一定深度，图文并茂，可读性强。 本书适合高等院校机械电子工程和自动化专业的本科生作为教材使用，也可供从事机电行业的工程技术人员使用或参考。

《机器人概论 第3版》内容试读

第1章机器人概述

1.1机器人的概念和分类

1.1.1机器人的概念

机器人技术作为20世纪人类最伟大的发明之一，自20世纪60年代初问世以来，经历了50多年的发展，已取得了显著成果。走向成熟的工业机器人以及各种用途的特种机器人的实用化，昭示着机器人技术灿烂的明天。

在科技界，科学家会给每个科技术语一个明确的定义，但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。其原因之一是机器人还在发展，新的机型、新的功能不断涌现，领域不断扩展。但根本原因主要是因为机器人涉及了人的概念，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。

其实并不是人们不想给机器人一个完整的定义，自机器人诞生之日起，人们就不断地尝试着说明到底什么是机器人。但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被充实和创新。

1886年，法国作家利尔亚当在他的小说《未来夏娃》中，将外表像人的机器起名为“安德罗丁”(android),它由四部分组成：

1)生命系统（平衡、步行、发声、身体摆动、感觉、表情、调节运动等）。2)造型材料（关节能自由运动的金属覆盖体，称为盔甲）。

3)人造肌肉（在上述盔甲上有肉体、静脉、性别等身体的各种形态）。4)人造皮肤（含有肤色、机理、轮廓、头发、视觉、牙齿、手爪等）。

1920年，捷克作家卡雷尔·卡佩克发表了科幻剧本《罗萨姆的万能机器人》。在剧本中，卡佩克把捷克语“Robota”写成了“Robot'”,“Robota'”是奴隶的意思。该剧预告了机器人的发展对人类社会的悲剧性影响，引起了大家的广泛关注，被当成了机器人一词的起源。在该剧中，机器人按照其主人的命令默默地工作，没有感觉和感情，以呆板的方式从事繁重的劳动。后来，罗萨姆公司取得了成功，使机器人具有了感情，导致机器人的应用部门迅速增加。在工厂和家务劳动中，机器人成了必不可少的成员。机器人发觉人类十分自私和不公正，终于造反了，机器人的体能和智能都非常优异，因此消灭了人类。但是机器人不知道如何制造它们自己，认为它们自己很快就会灭绝，所以它们开始寻找人类的幸存者，但没有结果。最后，一对感知能力优于其他机器人的男女机器人相爱了。这时机器人进化为人类，世界又起死回生了。

卡佩克提出的是机器人的安全、感知和自我繁殖问题。科学技术的进步很可能引发人类不希望出现的问题。虽然科幻世界只是一种想象，但人类社会将可能面临这种现实。

为了防止机器人伤害人类，科幻作家阿西莫夫于1940年提出了“机器人三原则”：

2机器人概论

1)机器人不应伤害人类。

2)机器人应遵守人类的命令，与第一条违背的命令除外。3)机器人应能保护自己，与第一条相抵触者除外。

这是给机器人赋予的伦理性纲领。机器人学术界一直将这三原则作为机器人开发的准则。1967年，日本召开了第一届机器人学术会议，提出了两个有代表性的定义：一是森政弘与合田周平提出的“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、奴隶性七个特征的柔性机器”。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、移动性等十个特性来表示机器人的形象。另一个是加藤一郎提出的具有以下三个条件的机器称为机器人：

1)具有脑、手、脚等三要素的个体。

2)具有非接触传感器（用眼、耳接收远方信息）和接触传感器。3)具有平衡觉和固有觉的传感器。

该定义强调了机器人应当仿人的含义，即它靠手进行作业，靠脚实现移动，由脑来完成统一指挥的作用。非接触传感器和接触传感器相当于人的五官，使机器人能够识别外界环境，而平衡觉和固有觉则是机器人感知本身状态所不可缺少的传感器。这里描述的不是工业机器人，而是自主机器人。

机器人的定义是多种多样的，其原因是它具有一定的模糊性。动物一般具有上述这些要素，所以在把机器人理解为仿人机器的同时，也可以广义地把机器人理解为仿动物的机器。1987年，国际标准化组织对工业机器人进行了定义：“工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能的，能完成各种作业的可编程操作机。”

1988年，法国的埃斯皮奥将机器人定义为：“机器人学是指设计能根据传感器信息实现预先规划好的作业系统，并将此系统的使用方法作为研究对象。”

我国科学家对机器人的定义是：“机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。”在研究和开发未知及不确定环境下作业的机器人的过程中，人们逐步认识到，机器人技术的本质是感知、决策、行动和交互技术的结合。随着人们对机器人技术智能化本质认识的加深，机器人技术开始源源不断地向人类活动的各个领域渗透。结合这些领域的应用特点，人们发展了各式各样的具有感知、决策、行动和交互能力的特种机器人和各种智能机器人，如移动机器人、微型机器人、水下机器人、医疗机器人、军用机器人、空中机器人、娱乐机器人等。这些机器人从外观上已远远脱离了最初仿人型机器人和工业机器人所具有的形状，更加符合各种不同应用领域的特殊要求，其功能和智能程度也大大增强，从而为机器人技术开辟出更加广阔的发展空间。

原中国工程院院长宋健指出：“机器人学的进步和应用是20世纪自动控制最有说服力的成就，是当代最高意义上的自动化。”机器人技术综合了多学科的发展成果，代表了高技术的发展前沿，它在人类生活应用领域的不断扩大正引起国际上重新认识机器人技术的作用和影响。

1.1.2机器人的分类

关于机器人如何分类，国际上没有制定统一的标准，有的按负载重量分、有的按控制方式分、有的按自由度分、有的按结构分、有的按应用领域分。一般的分类方式见表1-1。

第1章机器人概述3

表11机器人的分类

分类名称

简要解释

操作型机器人

能自动控制，可重复编程，多功能，有几个自由度，可固定或运动，用于相关自动化系统中

程序控制型机器人

按预先要求的顺序及条件，依次控制机器人的机械动作

示教再现型机器人

通过引导或其他方式，教会机器人动作，输人工作程序，机器人则自动重复进行作业

数控型机器人

不必使机器人动作，通过数值、语言等对机器人进行示教，机器人根据示教后的信息进行作业

感觉控制型机器人

利用传感器获取的信息控制机器人的动作

适应控制型机器人

机器人能适应环境的变化，控制其自身的行动

学习控制型机器人

机器人能“体会”工作的经验，具有一定的学习功能，并将所“学”的经验用于工作中

智能机器人

以人工智能决定其行动的机器人

我国的机器人专家从应用环境出发，将机器人分为两大类，即工业机器人和特种机器人。所谓工业机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人；而特种机器人则是除工业机器人之外的、用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人，包括服务机器人水下机器人、娱乐机器人、军用机器人、农业机器人、机器人化机器等。在特种机器人中，有些分支发展很快，有独立成体系的趋势，如服务机器人、水下机器人、军用机器人、微操作机器人等。目前，国际上有些机器人学者从应用环境出发，将机器人分为两类：制造环境下的工业机器人和非制造环境下的服务与仿人型机器人。这和我国的分类基本是一致的。

1.2机器人发展史

1.2.1古代机器人

机器人一词的出现和世界上第一台工业机器人的问世都是近几十年的事，然而人们对机器人的幻想与追求却已有三千多年的历史。人类希望制造一种像人一样的机器，以便代替人类完成各种工作。

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机器人。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“三日不下”，体现了我国劳动人民的聪明智慧。

公元前2世纪，亚历山大时代的古希腊人发明了最原始的机器人一自动机。它是以水、空气和蒸汽压力为动力的会动的雕像，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。

后汉三国时期，蜀国丞相诸葛亮成功地创造出了“木牛流马”，并用其运送军粮，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。

4机器人概论

在当时的自动玩偶中，最杰出的要数瑞士的钟表匠杰克·道罗斯和他的儿子利·路易·道罗斯创造的玩偶。他们创造的自动玩偶是利用齿轮和发条原理而制成的。1773年，他们连续推出了自动书写玩偶、自动演奏玩偶等。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。由于当时技术条件的限制，这些玩偶其实是身高一米的巨型玩具。现在保留下来的最早的机器人是瑞士努萨蒂尔历史博物馆里的少女玩偶，它制作于二百年前，两只手的十个手指可以按动风琴的琴键而弹奏音乐，并且现在还定期演奏供参观者欣赏，展示了古代人的智慧」

19世纪中叶，自动玩偶分为两个流派，即科学幻想派和机械制作派，并各自在文学艺术和近代技术中找到了自己的位置。1831年，歌德发表了《浮士德》，塑造了人造人“荷蒙克鲁斯”；1870年，霍夫曼出版了以自动玩偶为主角的作品《葛蓓莉娅》；1883年，科洛迪的《木偶奇遇记》问世；1886年，《未来夏娃》问世。在机械实物制造方面，摩尔于1893年制造了“蒸汽人”，“蒸汽人”靠蒸汽驱动双腿沿圆周走动。

进入20世纪后期，机器人的研究与开发得到了更多人的关心与支持，一些实用化的机器人相继问世。1927年，美国西屋公司工程师温兹滋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。1959年，第一台工业机器人（采用可编程序控制器、圆柱坐标机械手)在美国诞生，开创了机器人发展的新纪元。

1.2.2现代机器人

现代机器人的研究始于20世纪中期，其技术背景是计算机和自动化的发展，以及原子能的开发利用。自1946年第一台数字电子计算机问世以来，计算机取得了惊人的进步，并向高速度、大容量、低价格的方向发展。一方面，大批量生产的迫切需求推动了自动化技术的进展，其结果之一便是1952年数控机床的诞生。与数控机床相关的控制、机械零件的研究又为机器人的开发奠定了基础。另一方面，原子能实验室的恶劣环境要求某些操作机械代替人处理放射性物质。在这一需求背景下，美国原子能委员会的阿尔贡研究所于1947年开发了遥控机械手，1948年又开发了机械式的主从机械手。

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。该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节，利用人手对机器人进行动作示教，机器人能实现动作的记录和再现。这就是所谓的示教再现机器人，现有的机器人差不多都采用这种控制方式

机器人产品最早的实用机型（示教再现）是1962年美国AMF公司推出的“VERSTRAN"

和UNIMATION公司推出的“UNIMATE”。这些工业机器人的控制方式与数控机床大致相

似，但外形特征迥异，主要由类似人的手和臂组成。

1965年，麻省理工学院的Robots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。

1967年，日本成立了人工手研究会（现改名为仿生机构研究会），同年召开了日本首届机器人学术会。

1970年，在美国召开了第一届国际工业机器人学术会议。1970年以后，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

第1章机器人概述5

工业机器人，它是由液压驱动，能提升的有效负载达45kg。

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

随着计算机技术和人工智能技术的飞速发展，使机器人在功能和技术层次上有了很大的提高，移动机器人及机器人的视觉和触觉等技术就是典型的代表。由于这些技术的发展，推动了机器人概念的延伸。20世纪80年代，将具有感觉、思考、决策和动作能力的系统称为智能机器人，这是一个概括的、含义广泛的概念。这一概念不但指导了机器人技术的研究和应用，而且赋予了机器人技术向深广发展的巨大空间。水下机器人、空间机器人、空中机器人、地面机器人、微小型机器人等各种用途的机器人相继问世，许多梦想变成了现实。机器人的技术（如传感技术、智能技术、控制技术等）扩散和渗透到各个领域，形成了各式各样的新机器一机器人化机器。当前，与信息技术的交互和融合产生了“软件机器人”“网络机器人”的名称，这也说明了机器人所具有的创新活力。

1.2.3中国机器人的发展

有人认为，应用机器人只是为了节省劳动力，而我国劳动力资源丰富，发展机器人不一定符合我国国情。其实这是一种误解。在我国，社会主义制度的优越性决定了机器人能够充分发挥其长处，它不仅能为我国的经济建设带来高度的生产力和巨大的经济效益，而且将为我国的宇宙开发、海洋开发、核能利用等新兴领域的发展做出卓越的贡献。

我国机器人学研究起步较晚，但进步较快，已经在工业机器人、特种机器人和智能机器人等各个方面有了明显的成就，为我国机器人学的发展打下了坚实的基础。

我国工业机器人起步于20世纪70年代初，经过三十多年的发展，大致可分为三个阶段：70年代的萌芽期，80年代的开发期，90年代的实用化期。我国于1972年开始研制工业机器人，上海、天津、吉林、哈尔滨、广州和昆明等地方的十几个研究单位和院校分别开发了固定程序、结合式、液压伺服型机器人，并开始了机构学（包括步行机构）、计算机控制和应用技术的研究，这些机器人大约有1/3用于生产。在该技术的推动下，随着改革开放方针的实施，我国机器人技术的发展得到政府的重视和支持，在20世纪80年代中期，国家组织了对工业机器人需求的行业调研，结果表明，对第二代工业机器人的需求主要集中于汽车行业（占总需要的60%~70%）。在众多专家的建议和规划下，于“七五”期间，由当时的机电部主持，中央各部委、中科院及地方十几所科研院所和大学参加，国家投入相当的资金，进行了工业机器人基础技术、基础元器件、几类工业机器人整机及应用工程的开发研究，完成了示教再现式工业机器人成套技术（包括机械手、控制系统、驱动传动单元、测试系统的设计、制造、应用和小批量生产的工艺技术等)的开发，研制出喷涂、弧焊、点焊和搬运等作业机器人整机，几类专用和通用控制系统及几类关键元部件，如交流、直流伺服电动机驱动单元机器人专用薄壁轴承、谐波传动系统、焊接电源和变压器等，并在生产中经过实用考核，其主要性能指标达到20世纪80年代初国际同类产品的水平，且形成小批量生产能力。

在应用方面，第二汽车厂建立了我国第一条采用国产机器人的生产线一东风系列驾驶

室多品种混流机器人喷涂生产线。该线由七台国产PJ系列喷涂机器人和PM系列喷涂机器

人和周边设备构成，已运行十几年，很好地完成了喷涂东风系列驾驶室的生产任务，成为国产机器人应用的一个窗口；此外，还建立了几个弧焊和点焊机器人工作站。与此同时，还研

6机器人概论

制了几种SCARA型装配机器人样机，并进行了试应用

在基础技术研究方面，解剖了国外十余种先进的机型，并进行了机构学、控制编程、驱动传动方式、检测等基础理论与技术的系统研究，开发出具有国际先进水平的测量系统，编制了我国工业机器人标准体系和12项国标、行标。为了跟踪国外高级技术，20世纪80年代在国家高级技术计划中，安排了智能机器人的研究开发，包括水下无缆机器人，高功能装配机器人和各类特种机器人。

1986年底，中共中央24号文件把智能机器人列为国家863计划自动化领域两大主题之

一，代号为512，其主要目标是“跟踪世界先进水平，研发水下机器人等极限环境下作业的特种机器人”。在国家863计划精心组织下，1994年，“探索者”号研制成功，其工作深度达到1000m,甩掉了与母船间联系的电缆，实现了从有缆向无缆的飞跃。从1992年6月起，又与俄罗斯科学院海洋技术研究所合作，以我方为主，先后研制开发出了“CR-O1、CR-02”600Om无缆自治水下机器人，为我国深海资源的调查开发提供了先进装备。2008年，水下机器人首次用于我国第三次北极科考冰下试验，获取了海冰厚度、冰底形态等大量第一手科研资料。

在20世纪90年代中期，国家已选择以焊接机器人的工程应用为重点进行开发研究，从而迅速掌握了焊接机器人应用工程成套开发技术、关键设备制造、工程配套、现场运行等技术。

20世纪90年代后期是实现国产机器人的商品化、为产业化奠定基础的时期。国内一些机器人专家认为：应继续开发和完善喷涂、点焊、弧焊、搬运等机器人系统应用成套技术，完成交钥匙工程；在掌握机器人开发技术和应用技术的基础上，进一步开拓市场，扩大应用领域，从汽车制造业逐渐扩展到其他制造业并渗透到非制造业领域，开发第二代工业机器人及各类适合我国国情的经济型机器人，以满足不同行业多层次的需求；开展机器人柔性装配

系统的研究，充分发挥工业机器人在CMS(计算机集成制造系统)中的核心技术作用。在此

过程中，嫁接国外技术，促进国际合作，促使我国工业机器人得到进一步发展，为21世纪机器人产业奠定了更加坚实的基础。

我国机器人从2000年开始进入产业化阶段，国家积极支持机器人产业化基地的建设，已形成了以新松机器人自动化股份有限公司为代表的多个机器人产业化公司。

2013年4月，由中国机械工业联合会牵头组建了中国机器人产业联盟。联盟包括国内机器人科技和产业的百余家成员单位，以产业链为依托，创新资源整合、优势互补、协同共进、互利共赢的合作模式，构建促进产业实现健康有序发展的服务平台。2013年12月工业和信息化部发布了《关于推进工业机器人产业发展的指导意见》。

2012年底，在浙江、江苏的传统制造企业中逐渐兴起了“机器换人”，众多企业纷纷引进现代化、自动化的装备进行技术的改造升级。2014年，随着“东莞一号”《关于大力发展机器人智能装备产业打造有全球影响力的先进制造基地的意见》文件及各项扶持政策的出台，“机器换人”在珠三角的制造业重镇一东莞轰轰烈烈地开展，并在全国掀起了一场“机器换人”的浪潮。“机器换人”是以“现代化、自动化”的装备提升传统产业，利用机器人、自动化控制设备或流水线自动化对企业进行智能技术改造，实现“减员、增效、提质、保安全”的目的，并成为工业企业转型升级的必然选择。

2013年国际机器人联盟发布的《工业机器人对就业的积极影响》专题报告中，通过对美国、德国、日本、韩国、巴西和我国的工业机器人应用现状进行分析，指出在未来8年内，机器人技术将对全球制造业就业产生积极影响，一方面，机器人产业自身不断壮大，将

···试读结束···