《机器人工程导论》樊炳辉主编；袁义坤，张兴蕾，王传江副主编|(epub+azw3+mobi+pdf)电子书下载

图书名称：《机器人工程导论》

【作　者】樊炳辉主编；袁义坤，张兴蕾，王传江副主编

【丛书名】普通高校“十三五”规划教材

【页 数】 294

【出版社】 北京：北京航空航天大学出版社 , 2018.06

【ISBN号】978-7-5124-2669-6

【价 格】48.00

【分 类】机器人工程

【参考文献】 樊炳辉主编；袁义坤，张兴蕾，王传江副主编. 机器人工程导论. 北京：北京航空航天大学出版社, 2018.06.

图书封面：

图书目录：

《机器人工程导论》内容提要：

本书主要结合工业机器人的诸多分析理论及应用技术等，对机器人的相关基础知识、机械结构设计特点、运动学、运动轨迹规划、动力学、控制及其常用元器件等各个方面进行了较为全面的导引性描述。在本书的编撰过程中，尽量兼顾了来自不同专业或层面、具有不同基础知识结构的学生的需要。本书既可以作为从事机器人、机械手研究或应用的各类高等院校相关专业本科生、研究生的教材，也可以作为现场工程技术人员等的理论与技术指导参考书。

《机器人工程导论》内容试读

第1章绪论

中国工程院前院长宋健指出：“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与创新，使得国际上越来越重视机器人技术的作用和影响。

目前，全球劳动力成本持续上升，作为世界第二大经济体的中国，其制造业正在进行一场机器人革命。大量的中国工厂正在逐步摒弃人工，转而使用机器人。

据中国机器人产业联盟发布的数据，2014年，我国共销售工业机器人5.7万台，较上年增长55%；同年，国内工业机器人产量为1.2万台，同比增长26.2%，国内首次突破年产万台大关，因而，业内称2014年为中国的机器人元年。2016年，我国共销售工业机器人8.89万台，较上年增长56%；国内工业机器人产量为7.24万台，同比增长34.3%，已连续五年成为全球第一大工业机器人市场。

既然机器人事业在全球以如火如茶的势头在发展，那么何谓机器人？这也许是大多数普通民众都不能作出明确回答的问题，我们不妨追寻一下它的发展足迹，以便对其有一个全面和准确的认识。

1.1中国的早期机器人

虽然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3000多年的历史。人类早在远古时期，就希望能制造出一种像人一样的机器，来服务于人类或取悦于人类，以便代替人类完成各式各样的工作。在中国古代就有许多这方面的记载。

据《列子》记载，西周周穆王时期，我国的能工巧匠偃师研制出一种能歌善舞的伶人，它举手投足如同真人一般。摇摇它的头，可唱出符合乐律的歌曲；捧捧它的手，便跳起符合节拍的舞蹈。为此，周穆王奖赏给偃师一块封地作为褒奖，并以他的名字“偃师”命名。

据《墨经》记载“公输班竹木为鹊，成而飞之，三日不下”，说的是春秋后期，我国著名的木匠鲁班，为了哄母亲开心，用竹木造了一只大鸟。“成而飞之，三日不下。”，体现了我国劳动人民的聪明智慧。

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。

《三国志·诸葛亮传》记载：“亮性长于巧思，损益连弩，木牛流马，皆出其意。”是说后汉三国时期，蜀国丞相诸葛亮不仅成功地创造出可以连发的弩箭，而且制作了可以行走的木牛流马，并用木牛流马运送军粮。

圆机器人工程导论■

1.2其他国家的早期机器人

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；它可以自己开门，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。

在当时的自动玩偶中，最杰出的制作人要数瑞士的钟表匠杰克·道罗斯和他的儿子利·路易·道罗斯。1773年，他们连续推出了自动书写玩偶、自动演奏玩偶等，他们创造的自动玩偶是利用齿轮和发条原理制成的。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，如图1.1所示。

图1.1自动玩偶

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。它制作于二百多年前，两只手的十个手指可以按动风琴的琴键而弹奏音乐，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，《未来的夏娃》问世；在机械实物制造方面，1893年，摩尔制造了“蒸汽人”，“蒸汽人”靠蒸汽驱动双腿沿圆周走动。

进入20世纪后，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。

1.3现代机器人概念的起源

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)。它主要由4部分组成：2

■第1章绪论■

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造型解质（关节能自由运动的金属覆盖体，一种盔甲）；

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，被当成了现代机器人一词的起源。

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”：

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，与第二条相抵触者除外。

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。

1.4现代机器人的发展

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，向高速度、大容量、低价格的方向发展。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。

另外，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。现有的机器人基本上仍然采用这种控制方式。

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UN

IMATION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，MIT的Roborts演示了第一个具有视觉传感器，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工业机器人，它是液压驱动的，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开始普及，故日本称该年为其国家“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”。随着计算

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置机器人工程导论圖

机技术和人工智能技术的飞速发展，机器人在功能和技术层次上有了很大的提高，移动机器人和机器人的视觉、触觉等技术就是典型的代表。由于这些技术的发展从而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，许多梦想成为了现实。将机器人的技术（如传感技术、智能技术、控制技术等)扩散和渗透到各个领域又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又出现了“软件机器人”和“网络机器人”，这也说明了机器人所具有的创新活力。

1.5现代机器人的定义

在科技界，科学家会给每一个科技术语一个明确定义；但机器人问世半个多世纪以来，对它的定义仍然仁者见仁，智者见智，没有一个统一意见。原因之一是机器人在不断发展，新的机型、新的功能不断涌现。就像机器人一词最早诞生于科幻小说中一样，人们对机器人的未来充满了幻想与期待。这里不妨先了解一下对机器人曾经的定义。

在1967年日本召开的首届机器人学术会议上，提出了机器人两个有代表性的定义：

一个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、奴隶性等特征的柔性机器”。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、移动性等特性来表示机器人的形象。

另一个是加藤一郎提出的具有如下3个条件的机器称为机器人：具有脑、手、脚三要素的个体；具有非接触传感器（用眼、耳接受远方信息）和接触传感器：具有平衡觉和固有觉的传感器。

上述定义强调了机器人应当仿人的含义。其实，如果按照这种定义，目前可称为机器人的机器就很少了。在发展的过程中，人们对于机器人的定义逐渐现实起来，下面是一些不同组织对机器人的不同定义：

美国机器人协会(RIA):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、具有编程能力的多功能机械手。

日本工业机器人协会：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自动完成各种移动来代替人类劳动的通用机器。

美国国家标准局(NBS):机器人是一种能进行编程并在自动控制下执行某种操作和移动

作业任务的机械装置。

国际标准化组织(ISO):机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能机械

手。这种机械手具有几个轴，能够借助于可编程序操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行各种任务。

我国科学家起初对机器人的定义是：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。4

醒第1章绪论

我国的机器人之父蒋新松院士也给出过机器人的一种定义：“一种拟人功能的机械电子装置(a mechantronic device to imitate some human functions)”。

以上机器人定义多在以下功能之间取舍变化：

①像生物或生物的某部分，并能模仿生物的动作；

②具有智力、感觉与识别能力；

③是人造的机械电子装置；

④可进行编程，实现功能变化。

其实，机器人的范畴不但要包括“由人制造的像人一样”的机器，是否还应包括“由人控制的生物”，甚至“由人制造的生物”等。尽管目前的伦理道德可能还不赞成某些方面的研究。

机器人也不一定要求具有实体，具有一定的类似人思索能力的软件，像各种soft agent、搜索引擎等都可以认为是机器人。因此，现在又出现了软件机器人、网络机器人等一些新的概念。

另外，光控DNA核酸分子机器人、可对近红外光响应的水凝胶软体机器人等，也都颠覆

了传统机器人的概念。

这样，本来就没有统一定义的机器人，现在就更难为其下一个确切的和公认的定义了。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。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，机器人的定义也在不断充实和创新。

不过就目前机器人发展的现状来说，是否可对机器人作如下定义：一类由人工介入的，具有仿生功能的，其行为或功能可变可控的物体或软件。

1.6机器人的研究内容

机器人技术集计算机技术、自动化技术、检测技术、机械设计技术、材料与加工技术、各种仿生技术、人工智能技术等学科为一体，是多学科科技发展的结果。每一款机器人都是知识密集和技术密集的高科技化身。

机器人研究的知识主要集中在以下几个方面：

·空间机构学空间机构在机器人上的应用体现在：机器人机身和臂部机构的设计、机器人手部机构设计、机器人行走机构的设计、机器人关节部结构的设计，包括仿生结构设计。

·机器人运动学机器人执行机构实际是一个多刚体系统，研究要涉及组成这一系统的各杆件之间以及系统与对象之间的相互关系，因此需要一种有效的数学描述方法，机器人运动学可帮助解决这类问题。

·机器人静力学机器人与环境之间的接触会在机器人与环境之间引起相互的作用力和力矩，而机器人的输入关节转矩由各个关节的驱动装置提供，通过手臂传至手部，使力和力矩作用在环境的接触面上。这种力和力矩的输人和输出关系在机器人控制上是十分重要的。静力学主要探讨机器人的手部端点力和驱动器输人力矩的关系。

·机器人动力学机器人是一个复杂的动力学系统，要研究和控制这个系统，首先必须要先建立它的动力学方程。动力学方程是指作用于机器人各机构的力和力矩及其位置、速度、加速度关系的方程式，以利于提高高速、重载机器人的运动性能。

·机器人控制技术机器人控制技术是在传统机械系统的控制技术基础上发展起来的，

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两者之间没有根本的不同。但机器人控制技术也有许多特殊之处，例如它是有耦合的、非线性的、多变量的控制系统；其负载、惯量、重心等随着时间都可能变化，不仅要考虑运动学关系，还要考虑动力学因素；其模型为非线性而工作环境又是多变的等。其主要研究的内容有机器人控制方式和机器人控制策略。

·机器人传感器人类一般具有触觉、视觉、听觉、味觉以及嗅觉等感觉，机器人的感觉主要是通过各种传感器来实现的。根据检测对象的不同，可分为内部传感器和外部传感器：

内部传感器，主要是用来检测机器人本身状态的传感器，如检测手臂的位置、速度、加速度，电器元件的电压、电流、温度等的传感器。

外部传感器，用来检测机器人所处环境状况的传感器。具体有物体探伤传感器、距离传感器、力觉传感器、听觉传感器、化学元素检测传感器、温度传感器，以及机器视觉装置、三维激光扫描装置等。

·机器人运动规划方法的研究机器人运动规划包括序列规划（又可称为全局路径规划)、路径规划和轨迹规划3个部分。序列规划是指在一个特定的工作区域中自动生成一个从起始作业点开始，经过一系列作业点，再回到起始点的最优工作序列；路径规划是指在相邻序列点之间通过一定的算法搜索一条无碰撞的机器人运动路径；轨迹规划是指通过插补函数获得路径上的插补点，再通过求解运动学逆解转换到关节空间（若插补在关节空间进行则无需转换)，形成各关节的运动轨迹。

·机器人编程语言机器人编程语言是机器人和用户的软件接口，编程语言的功能决定了机器人适应性和给用户的方便性。至今还没有完全公认的机器人编程语言，通常每个机器人制造厂都有自己的机器人语言。

实际上，机器人编程与传统的计算机编程不同，机器人手部运动在一个复杂的空间的环境中，还要监视和处理传感器的各种信息。因此，其编程语言主要有两类：面向机器人的编程语言和面向任务的编程语言。

面向机器人的编程语言的主要特点是描述机器人的动作序列，每一条语句大约相当于机器人的一个动作，主要有以下3种：

①专用的机器人语言，如PUMA机器人的VAL语言，是专用的机器人控制语言。

②在现有的计算机语言的基础上加机器人子程序库，如美国机器人公司开发的AR

BASIC和Intelledex公司的Robot BASIC语言，都是建立在BASIC语言基础上的。

③开发一种新的通用语言加上机器人子程序库，如IBM公司开发的AML机器人语言。

面向任务的机器人编程语言允许用户发出直接命令，以控制机器人去完成一个具体的任

务，而不需要说明机器人需要采取的每一个动作到细节。如美国的RCCL机器人编程语言，

就是利用C语言和一组C函数来控制机器人运动的任务级机器人语言。

1.7机器人的应用

机器人已在许多工业部门或服务部门获得广泛应用，机器人尤其适合在那些人类无法工作的环境中工作。它们可以比人类工作得更好并且成本更低。例如，因为焊接机器人能够更均匀、一致地运动，因此它可以比焊接工人焊得更好。此外，机器人无须焊接工人工作时使用的护目镜、防护服、通风设备及其他必要的防护措施。因此，只要焊接工作可以设置成由机器人自动操作而不再做其他改变，而且该焊接工作也不是太复杂，那么，由机器人来完成这类工6

···试读结束···