機器人的定義

美國國家標準局（NBS ）的定義：“機器人是一種 能夠進行程式設計並在自動控制下執行某些操作和移動作業任務的機械裝置”。

國際標準化組織（ISO）的定義：“機器人是一種自動的、位置可控的、具有程式設計能力的多功能機械手，這種機械手具有幾個軸，能夠藉助於可程式設計序操作來處理各種材料、零件、工具和專用裝置，以執行種種任務。”

機器人具有以下特性：

（1）一種機械電子裝置；

（2）動作具有類似於人或其他生物體的功能；

（3）可透過程式設計執行多種工作，有一定的通用性和靈活性；

（4）有一定程度的智慧，能夠自主地完成一些操作。

機器人的分類

按照日本工業機器人學會（JIRA）的標準，可將機器人分為六類：

第一類：人工操作機器人。由操作員操作的多自由度裝置；

第二類：固定順序機器人。按預定的不變方法有步驟地依此執行任務的裝置，其執行順序難以修改；

第三類：可變順序機器人。同第二類，但其順序易於修改。

第四類：示教再現（playback）機器人。操作員引導機器人手動執行任務，記錄下這些動作並由機器人以後再現執行，即機器人按照記錄下的資訊重複執行同樣的動作。

第五類：數控機器人。操作員為機器人提供運動程式，並不是手動示教執行任務。

第六類：智慧機器人。機器人具有感知外部環境的能力，即使其工作環境發生變化，也能夠成功地完成任務。

美國機器人學會（RIA）只將以上第三類至第六類視做機器人。

我國的機器人專家從應用環境出發，將機器人分為兩大類，即工業機器人和特種機器人。所謂工業機器人就是面向工業領域的多關節機械手或多自由度機器人。而特種機器人則是除工業機器人之外的、用於非製造業並服務於人類的各種先進機器人。

機器人技術涉及的研究領域有：

1、感測器技術：得到與人類感覺機能相似的感測器技術；

2、人工智慧計算機科學：得到與人類智慧或控制機能相似能力的人工智慧或計算機科學；

3、假肢技術；

4、工業機器人技術：把人類作業技能具體化的工業機器人技術；

5、移動機械技術：實現動物行走機能的行走技術；

6、生物功能：實現生物機能為目的的生物學技術

為了防止機器人傷害人類，科幻作家阿西莫夫於1940年提出了“機器人三原則”：

（1）機器人不應傷害人類；

（2）機器人應遵守人類的命令，與第一條違背的命令除外；

（3）機器人應能保護自己，與第一條相牴觸者除外。

這是給機器人賦予的倫理性綱領。機器人學術界一直將這三原則作為機器人開發的準則。

1959年第一臺工業機器人（採用可程式設計控制器、圓柱座標機械手）在美國誕生，開創了機器人發展的新紀元。

我國機器人的發展

有人認為，應用機器人只是為了節省勞動力，而我國勞動力資源豐富，發展機器人不一定符合我國國情。其實這是一種誤解，在我國，社會主義制度的優越性決定了機器人能夠充分發揮其長處，它不僅能為我國的經濟建設帶來高度的生產力和巨大的經濟效益，而且將為我國的宇宙開發、海洋開發、核能利用等新興領域的發展做出卓越的貢獻。

我國機器人學研究起步較晚，但進步較快，已經在工業機器人、特種機器人和智慧機器人各個方面區的了明顯的成就，為我國機器人學的發展打下了堅實的基礎。

機器人研究的基礎內容

1、空間機構學

機器人機身和臂部機構的設計、機器人手部機構設計、機器人行走機構的設計、機器人關節部機構的設計。

2、機器人運動學

研究要涉及到組成這一系統的各杆件之間以及系統與物件之間的相互關係，為此需要一種有效的數學描述方法。

3、機器人靜力學

靜力學主要討論機器人手部端點力與驅動器輸入力矩的關係。

4、機器人動力學

動力學方程是指作用於機器人各機構的力或力矩與其位置、速度、加速度關係的方程式。

5、機器人控制技術

主要研究的內容有機器人控制方式和機器人控制策略。

6、機器人感測器

機器人的感覺主要透過感測器來實現。 外部感測器有視覺、觸覺、聽覺、力覺感測器，內部感測器主要有位置、姿態、速度、加速度感測器。

7、機器人語言

機器人語言分為通用計算機語言和專用機器人語言，

機器人的組成

1機械部分；

2感測器（一個或多個）；

3控制器；

4驅動源。

機器人的分類

按照機器人的控制型別分為：

（1）非伺服機器人；

（2）伺服控制機器人，又可分為點位伺服控制與連續軌跡伺服控制。

按機器人結構座標系特點方式分類

（1）直角座標機器人；

（2）圓柱座標型機器人；

（3）極座標機器人；

（4）多關節機器人。

機器人的主要技術引數

1．自由度2．工作空間3．工作速度4．工作載荷5．控制方式6．驅動方式7．精度、重複精度和解析度

機器人機械結構的組成

1．手部

機器人為了進行作業，在手腕上配置了操作機構，有時也稱為手爪或末端操作器．

2．手腕

聯接手部和手臂的部分，主要作用是改變手部的空間方向和將作業載荷傳遞到手臂．

3．臂部

聯接機身和手腕的部分，主要作用是改變手部的空間位置，滿足機器人的作業空間，並將各種載荷傳遞到機座．

4．機身

機器人的基礎部分，起支承作用．對固定式機器人，直接聯接在地面基礎上，對移動式機器人，則安裝在移動機構上．

常用的機身結構：

１）升降迴轉型機身結構２）俯仰型機身結構３）直移型機身結構４）類人機器人機身結構

機器人機構的運動

1．手臂的運動

1。垂直移動2。徑向移動3。迴轉運動

2．手腕的運動

（1）手腕旋轉（2）手腕彎曲（3）手腕側擺

手腕是聯接手臂和手部的結構部件，它的主要作用是確定手部的作業方向。因此它具有獨立的自由度，以滿足機器人手部完成複雜的姿態。

要確定手部的作業方向，一般需要三個自由度，這三個迴轉方向為：

1）臂轉繞小臂軸線方向的旋轉。

2）手轉使手部繞自身的軸線方向旋轉。

3）腕擺使手部相對於臂進行擺動。

機器人的手部是是最重要的執行機構，從功能和形態上看，它可分為工業機器人的手部和仿人機器人的手部。

常用的手部按其握持原理可以分為夾持類和吸附類兩大類。

行走機構

行走機構是行走機器人的重要執行部件，它由驅動裝置、傳動機構、位置檢測元件、感測器、電纜及管路等組成。它一方面支承機器人的機身、臂部和手部，另一方面還根據工作任務的要求，帶動機器人實現在更廣闊的空間內運動。

一般而言，行走機器人的行走機構主要有車輪式行走機構、履帶式行走機構和足式行走機構，此外，還有不進式行走機構、蠕動式行走機構、混合式行走機構和蛇行式行走機構等，以適合於各種特別的場合。

履帶式行走機構雖然可在高低不平的地面上運動，但它的適應性不夠，行走時候晃動太大，在軟地面上行駛運動效率低。

足式行走對崎嶇路面具有很好的適應能力一，足式運動方式的立足點是離散的點，可以在可能到達的地面上選擇最優的支撐點，而輪式和履帶行走工具必須面臨最壞的地形上的幾乎所有點；足式運動方式還具有主動隔振能力，儘管地面高低不平，機身的運動仍然可以相當平穩；足式行走在不平地面和鬆軟地面上的運動速度較高，能耗較少。

機器人關節的驅動方式：

１．液壓驅動２．氣動式３．電動式

自由度：物體能夠對座標系進行獨立運動的數目稱為自由度（DOF， degree of freedom）。

剛體具有6個自由度

三個旋轉自由度 R1， R2， R3

三個平移自由度T1， T2， T3

研究的物件

機器人從機構形式上分為兩種，一種是關節式串聯機器人，另外一種是並聯機器人。

這兩種機器人有所不同：

串聯機器人：工作空間大，靈活，剛度差，負載小，誤差累積並放大。

並聯機器人：剛性好，負載大，誤差不積累，工作空間小，姿態範圍不大。

通常串聯機構正向運動學簡單，逆向運動學複雜； 並聯機構正向運動學複雜（多解），逆向運動學簡單。

常見的機器人運動學問題可歸納如下：

1．對一給定的機器人，已知杆件幾何引數和關節角向量求機器人末端執行器相對於參考座標系的位置和姿態。

2．已知機器人杆件的幾何引數，給定機器人末端執行器相對於參考座標系的期望位置和姿態 （位姿），機器人能否使其末端執行器達到這個預期的位姿？如能達到，那麼機器人有幾種不同形態可滿足同樣的條件？

我們引入向量分別表示手爪位置和關節變數，

因此，利用上述兩個向量來描述一下這個2自由度機器人的運動學問題。

手爪位置的各分量，按幾何學可表示為：

座標變換補充知識：

分別繞x，y，z軸的旋轉變換（基本旋轉變換）；

複合變換：平移和旋轉構成複合變換。

所謂機器人的規劃（P1anning），指的是——機器人根據自身的任務，求得完成這一任務的解決方案的過程。這裡所說的任務，具有廣義的概念，既可以指機器人要完成的某一具體任務，也可以是機器人的某個動作，比如手部或關節的某個規定的運動等。

為了實現每一個動作，需要對手部的運動軌跡進行必要的規定，這是手部軌跡規劃（Hand trajectory planning ）。

為了使手部實現預定的運動，就要知道各關節的運動規律，這是關節軌跡規劃（Joint trajectory planning）。

最後才是關節的運動控制（Motion control）。

機器人的規劃是分層次的，從高層的任務規劃，動作規劃到手部軌跡規劃和關節軌跡規劃，最後才是底層的控制。力的大小也是要控制的，這時，除了手部或關節的軌跡規劃，還要進行手部和關節輸出力的規劃。

智慧化程度越高，規劃的層次越多，操作就越簡單。

對工業機器人來說，高層的任務規劃和動作規劃一般是依賴人來完成的。而且一般的工業機器人也不具備力的反饋，所以，工業機器人通常只具有軌跡規劃的和底層的控制功能。

機器人規劃分為高層規劃和低層規劃。自動規劃在機器人規劃中稱為高層規劃。在無特別說明時，機器人規劃都是指自動規劃。自動規劃是一種重要的問題求解技術，它從某個特定的問題狀態出發，尋求一系列行為動作，並建立一個操作序列，直到求得目標狀態為止。與一般問題求解相比，自動規劃更注重於問題的求解過程，而不是求解結果。

規劃就是指機器人為達到目標而需要的行動過程的描述。 規劃內容可能沒有次序，但是一般來說，規劃具有某個規劃目標的蘊含排序。

任務規劃有三個階段：建立模型、任務說明和操作機程式綜合。任務的世界模型應含有如下的資訊：（1）任務環境中的所有物體和機器人的幾何描述；（2）所有物體的物理描述；（3）所有連線件的運動學描述，（4） 機器人和感測器特性的描述。在世界模型中，任務狀態模型還必包括全部物體和連線件的佈局。

軌跡規劃的目的是——將操作人員輸入的簡單的任務描述變為詳細的運動軌跡描述。

在關節變數空間的規劃有三個優點：

1。 直接用運動時的受控變數規劃軌跡； 2。軌跡規劃可接近實時地進行；3。 關節軌跡易於規劃。

伴隨的缺點是難於確定運動中各杆件和手的位置，但是，為了避開軌跡上的障礙．常常又要求知道一些杆件和手位置。

規劃關節插值軌跡的約束條件：

（初始位置）1。 位置（給定） 2．速度（給定，通常為零） 3。 加速度（給定，通常為零）（中間位置）4。提升點位置（給定） 5．提升點位置（與前一段軌跡連續） 6。速度（與前一段軌跡連續）7．加速度（與前一段軌跡連續）8。下放點位置（給定）9．下放點位置（與前一段軌跡連續）10。 速度（與前一段軌跡連續）11。 加速度（與前一段軌跡連續）

（終止位置）12。 位置（給定）13。 速度（給定，通常為零）14。 加速度（給定，通常為零）

在直角座標空間內規劃的方法主要有：線性函式插值法和圓弧插值法。

離線路徑規劃是基於環境先驗完全資訊的路徑路徑規劃。完整的先驗資訊只能適用於靜態環境，這種情況下，路徑是離線規劃的；線上路徑規劃是基於感測器資訊的不確定環境的路徑規劃。在這種情況下，路徑必須是線上規劃的。

機器人在執行操作的同時用感測器不斷感受周圍工作環境及自身活動的情況，經過不斷的感受、資訊反饋、比較修正，保證了可靠地實現期望的操作。

感測器的作用：

1。是接受外界資訊的必要途徑；2。與微處理器聯合工作（某些感測器本身就集成了微處理器）；3。構成反饋的必要環節。

機器人感測器的分類

機器人用感測器也可分為內部感測器和外部感測器。

內部感測器是用來確定機器人在其自身座標系內的姿態位置的，如用來測量位移、速度、加速度和應力的通用型感測器。

而外部感測器則用於機器人本身相對其周圍環境的定位。外部感測機構的使用使機器人能以柔性方式與其環境互相作用。負責檢驗諸如距離、接近程度和接觸程度之類的變數，便於機器人的引導及物體的識別和處理。

（用途）：

內部感測器：檢測機器人本身狀態（關節位移，手臂間角度等）的感測器。 控制檢測

外部感測器：檢測機器人所處環境（是什麼物體，離物體的距離有多遠等）及狀況（抓取的物體滑落等）的感測器。

外部感測器分為末端執行器感測器和環境感測器。

末端執行器感測器：主要裝在作為末端執行器的手上，檢測處理精巧作業的感覺資訊。相當於觸覺。

環境感測器：用於識別物體和檢測物體與機器人的距離，定位，認知環境。相當於視覺。

機器人移動的目的：

①為實現“代替人”②搬運物體③適應環境，進行更多工作

環境整備領域內的移動機器人

1）移動環境在導軌上（1維） 軌道機器人

2）移動環境在道路上（2維） 無人駕駛搬運車

沒有整備環境的移動機器人

1）自然環境

①陸上2、3維環境

②海上、海中環境

③空中、宇宙環境

2）人工製作的環境

①陸上建築物內外環境（階梯、、電梯、鋼絲），間隙、溝、踏腳石

②海上、海中的混凝土建築等

步行機器人的機構

目標ZMP和地面反作用力中心點的錯位是造成失去平衡的主要原因。假若Honda機器人失去平衡有可能跌倒時：

地面反作用力控制：腳底要能夠適應地面的不平整，同時還要能穩定的站住。

目標ZMP控制：當由於種種原因造成ASIMO無法站立，並開始傾倒的時候，需要控制他的上肢反方向運動來控制即將產生的摔跤，同時還要加快步速來平衡身體。

落腳點控制：當目標ZMP控制被啟用的時候，ASIMO需要調節每步的間距來滿足當時身體的位置，速度和步長之間的關係。

移動的檢測：1。位置檢測2。方位檢測3。自立檢測

引導方式

1）路徑引導方式：路徑給定，希望沿給定路徑移動

2）自主引導方式： 自主規劃路徑，完成路徑的巡航

通常要首先建立評價準則函式：障礙規避；任務目的；最短路徑；最節省路徑；多機器人協調工作等…