《机器人学基础 第3版》蔡自兴编著|(epub+azw3+mobi+pdf)电子书下载

图书名称：《机器人学基础 第3版》

【作　者】蔡自兴编著

【丛书名】机器人工程技术丛书

【页 数】 210

【出版社】 北京：机械工业出版社 , 2021.01

【ISBN号】978-7-111-67149-7

【分 类】机器人学

【参考文献】 蔡自兴编著. 机器人学基础 第3版. 北京：机械工业出版社, 2021.01.

图书封面：

图书目录：

《机器人学基础 第3版》内容提要：

本书是一部比较系统和全面的机器人学导论性著作，主要介绍机器人学的基本原理及其应用，反映出国内外机器人学研究和应用的最新进展。全书共10章，主要内容包括机器人学的起源与发展、机器人学的数理基础、机器人运动学的表示与求解、机器人动力学方程、机器人的控制原则和控制方法、机器人传感器、机器人轨迹规划、机器人程序设计、机器人的应用和展望等。

《机器人学基础 第3版》内容试读

CHAP T ER I

第1章

绪论

“机器人”已是家喻户晓的“大明星”，它正在迅速崛起，并对整个工业生产、太空和海洋探索以及人类生活的各方面产生越来越大的影响。但是，现实世界中的绝大多数机器人，并不像普通人想象中那样完美。现有的机器人既不像神话和文艺作品所描写的那样智勇双全，也不如某些企业家和宣传家们所宣扬的那样多才多艺。

1.1机器人学的发展

1.1.1机器人的由来

人类长期以来一直存在一种愿望，即创造出一种像人一样的机器或“人造人”，以便能够代替人去进行各种工作。这就是“机器人”出现的思想基础。机器人的概念在人类的想象中已存在了3000多年，尽管直到60多年前，“机器人”才作为专有名词被引用。

进入近代之后，人类关于发明各种机械工具和动力机器，协助甚至代替人们从事各种体力劳动的梦想更加强烈。18世纪发明的蒸汽机开辟了利用机器动力代替人力的新纪元。随着动力机器的发明，出现了第一次工业和科学革命，各种自动机器、动力机和动力系统相继问世，机器人也开始由幻想时期转入自动机械时期，各种精巧的机器人玩具和工艺品应运而生。这些机器人玩具和工艺品的出现，标志着人类在机器人从梦想到现实这一漫长道路上，前进了一大步。进入20世纪之后，机器人已躁动于人类社会和经济的母胎之中，人们怀有几分不安地期待着它的诞生。他们不知道即将问世的机器人将是个宠儿，还是个怪物。1920年，捷克剧作家卡雷尔·凯培克在他的幻想情节剧《罗萨姆的万能机器人》中，第一次提出了“机器人”这个名词。1950年，美国著名科学幻想小说家阿西莫夫在他的小说《我，机器人》中，提出了有名的“机器人三守则”：

1)机器人必须不危害人类，也不允许它眼看人类将受害而袖手旁观：2)机器人必须绝对服从于人类，除非这种服从有害于人类：

3)机器人必须保护自身不受伤害，除非为了保护人类或者是为人类做出牺牲。

这三条守则，给机器人社会赋以新的伦理性，并使机器人概念通俗化，更易于为人类社会所接受。

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第1章

多连杆机构和数控机床的发展与应用为机器人技术打下了重要基础。

美国人乔治·德沃尔于1954年设计了第一台可编电子程序的工业机器人，并于1961年发表了该项机器人专利。1962年，美国万能自动化(Unimation)公司的第一台机器人

Unimate在美国通用汽车公司(GM)投入使用，这标志着第一代机器人的诞生。从此，机器人开始成为人类生活中的现实。

1.1.2机器人的定义

国际上至今还没有合适的、为人们普遍同意的“机器人”定义，专家们采用不同的方法来定义这个术语。它的定义还因公众对机器人的想象以及科学幻想小说、电影和电视中对机器人形状的描绘而变得更为困难。为了规定技术、开发机器人新的工作能力和比较不同国家和公司的成果，就需要对机器人这一术语有某些共同的理解。各国对机器人有自己的定义。这些定义之间差别较大。

国际上，关于机器人的定义主要有如下几种：

1)英国简明牛津字典的定义。机器人是“貌似人的自动机，具有智力的和顺从于人的但不具人格的机器”。

2)美国机器人工业协会(RIA)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(manipulator)”。

3)日本工业机器人协会(JRA)的定义。工业机器人是“一种装备有记忆装置和末端

执行器(end effector)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)美国国家标准局(NBS)©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”。

5)国际标准化组织(ISO)的定义。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，以执行种种任务”。

《中国大百科全书》对机器人的定义为：能灵活地完成特定的操作和运动任务，并可再编程序的多功能操作器。而对机械手的定义为：一种模拟人手操作的自动机械，它可按固定程序抓取、搬运物件或操持工具完成某些特定操作。

上述各种定义有共同之处，即认为机器人：①像人或人的上肢，并能模仿人的动作：

②具有智力或感觉与识别能力；③是人造的机器或机械电子装置。

1.1.3国际机器人学的进展

从20世纪60年代初期到70年代初期，即第一台工业机器人问世后头十年，机器人技

⊙美国国家标准局(NBS)在1988年更名为美国国家标准与技术研究所(NIST)。一编辑注

绪

论

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术的发展较为缓慢，许多研究单位和公司所做的努力均未获得成功。这一阶段的主要成果有美国斯坦福国际研究所(SRI)于1968年研制的移动式智能机器人夏凯(Shakey)和辛辛那提·米拉克龙(Cincinnati Milacron)公司于l973年研制的第一台适于投放市场的机器人T3等。

人工智能学界在20世纪70年代后开始对机器人产生浓厚兴趣。他们发现，机器人的出现与发展为人工智能的发展带来了新的生机，提供了一个很好的试验平台和应用场所，是人工智能可能取得重大进展的潜在领域。这一认识，很快为许多国家的科技界、产业界和政府有关部门所赞同。到了70年代中期，机器人技术进入了一个新的发展阶段。到70年代末期，工业机器人有了更大的发展。进入80年代后，机器人生产继续保持70年代后期的发展势头，机器人制造业成为发展最快和最好的经济部门之一。

到20世纪80年代后期，由于传统机器人用户应用工业机器人已趋饱和，从而造成工业机器人产品的积压，不少机器人厂家倒闭或被兼并，国际机器人学研究和机器人产业出现不景气现象。到90年代初，机器人产业出现复苏和继续发展迹象。但是，好景不长，1993~1994年又出现低谷。1995年以来，世界机器人数量逐年增加，增长率也较高。到2000年，服役机器人约100万台，机器人学也维持着较好的发展势头。

进入21世纪，工业机器人产业发展速度加快，年增长率达到30%左右。其中，亚洲工业机器人增长速度高达43%，最为突出。

据联合国欧洲经济委员会(UNECE)和国际机器人联合会(IFR)统计，全球工业机器

人在1960~2006年年底累计安装175万多台，至2011年累计安装超过230万台。工业机器人市场前景看好。

根据IFR统计，2011年是工业机器人产业蓬勃发展的一年，全球市场同比增长37%。

其中，中国市场的增幅最大。中国已于2015年起成为世界最大的机器人市场

近年来，全球机器人行业发展更为迅速，2007年全球机器人行业总销售量比2006年增长10%。现在全世界服役的工业机器人总数在100万台以上。此外，还有数百万服务机器人在运行。

机器人的应用范围已遍及工业、科技和国防的各个领域。服务机器人的开发与应用更是引人注目。机器人技术的迅速发展，已对许多国家的工业生产、太空和海洋探索、国防以及整个国民经济和人民生活产生了重大影响，而且这种影响必将进一步扩大。当一种工业、技术和经济发生重大变化时，总是要求科学和教育系统发生与之相适应的调整和发展

严格地说，目前在工业上运行的大多数机器人都不具有智能。随着工业机器人数量的快速增长和工业生产的发展，对机器人的工作能力也提出了更高的要求，特别是需要各种具有不同程度智能的机器人和特种机器人。21世纪的机器人智能将提高到更高的水平，值得关注。

1.1.4中国机器人学的进展

自20世纪70年代以来，中国的机器人学经历了一场从无到有、从小变大、从弱渐强的发展过程。如今，中国已经成为国际最大的机器人市场，一股前所未有的机器人学热潮汹涌澎

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第1章

湃，席卷神州大地，正在为中国经济的快速持续发展和人民福祉的不断改善做出新的贡献。

下面我们将概括中国机器人学的发展过程，着重归纳中国机器人学的基本成就，并阐述中国机器人学的发展战略。

1.基本成就

中国于1972年开始研制工业机器人，虽起步较晚但进步较快，已在工业机器人、特种机器人和智能机器人各方面取得明显成绩，为我国机器人技术的发展打下初步基础。

(1)工业机器人

中国工业机器人的发展，大致可分为4个阶段：20世纪70年代的萌芽期，80年代的开发期，90年代到2010年的初步应用期，2010年以来的井喷式发展与应用期。

“七五”期间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关键元部件等，且形成小批量生产能力」在20世纪90年代中期，国家选择焊接机器人的工程应用作为重点进行开发研究，迅速掌握了焊接机器人应用工程技术。20世纪90年代后半期至21世纪前几年，实现了国产机器人的商品化和工业机器人的推广应用，为产业化奠定了基础。

中国工业机器人的产量和装机台数占世界的比重在1972一2000年期间可谓微不足道，进入21世纪以来，工业机器人市场迅速增长，经过一段产业化过程，其市场已呈井喷之势。2014年全球新安装工业机器人达到16.67万台，其中中国的工业机器人年装机量超过日本，达到5.6万台，约占世界总量的1/3，中国成为全球最大的机器人市场。不过，中国的机器人密度仍然较低

(2)智能机器人计划

1986年3月，中国启动实施了“国家高技术研究发展计划(863计划)”。按照863计划智能机器人主题的总体战略目标，智能机器人研究开发工作的实施分为型号和应用工程、基础技术开发、实用技术开发、成果推广4个层次，通过各层次的工作体现和实现战略目标。中国的服务机器人项目涉及除尘机器人、玩具机器人、保安机器人、教育机器人、智能轮椅机器人、智能穿戴机器人等。

此外，国家自然科学基金也资助了智能机器人领域的重大课题研究，包括智能机器人仿生技术、移动机器人的视觉与听觉计算、深海自主机器人、智能服务机器人、微创医疗机器人等。

(3)特种机器人

到20世纪90年代，在863计划支持下，中国在发展工业机器人的同时，也对非制造环境下的应用机器人问题进行了研究，并取得一些成果。特种机器人的开发包括管道机器人、爬壁机器人、水下机器人、自动导引车和排险机器人等。例如，2012年6月27日，我国深海载人潜水器“蛟龙号”成功下潜至海平面以下7062米；2019年10月，我国最新

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论

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型的深水潜航器取得了海平面以下10000米的下潜深度，标志着中国水下潜航器的发展进人新的阶段，达到国际先进水平。

我国研发的月球车“玉兔号”是一种典型的空间机器人。2013年12月2日1时30分，中国成功地将由着陆器和“玉兔号”月球车组成的“嫦娥三号”探测器送入轨道。12月15日4时35分，“嫦娥三号”着陆器与巡视器分离，“玉兔号”巡视器顺利驶抵月球表面。12月15日23时45分完成“玉兔号”围绕“嫦娥三号”旋转拍照，并传回照片。这标志着我国探月工程获得了阶段性的重大成果。2020年7月23日，我国首次火星探测“天问一号”探测器携带我国首台火星车发射升空，将一次完成“环绕、着陆、巡视”三大目标，中国即将成为世界上首次探索火星即完成软着陆任务的国家。

(4)形成机器人学学科

在我国，自1985年起已先后在几个全国一级学会内设立了机器人专业委员会，以组织和开展机器人学科的学术交流，促进机器人技术的发展，提高我国机器人学的学术水平和技术水平。其中，中国人工智能学会于1993年成立智能机器人学会/专业委员会。在我国，机器人学这一新学科也已经形成，并开展经常性的研究和学术交流活动。

2.发展战略

新一轮工业革命呼唤发展智能制造。在中国“十二五”规划中，高端制造业（即机器人十智能制造)已被列入战略性新兴产业。国家科技部2012年4月发布《智能制造科技发展“十二五”专项规划》和《服务机器人科技发展“十二五”专项规划》。在“十二五期间，重点培育发展服务机器人新兴产业，重点发展公共安全机器人、医疗康复机器人、仿生机器人平台和模块化核心部件四大任务。

国务院于2015年5月19日发布《中国制造2025》，明确提出实现中国制造强国的路线图，提出的大力推动重点领域突出了机器人制造，要“围绕汽车、机械、电子、危险品制造、国防军工、化工、轻工等工业机器人、特种机器人，以及医疗健康、家庭服务、教育娱乐等服务机器人应用需求，积极研发新产品，促进机器人标准化、模块化发展，扩大市场应用。突破机器人本体、减速器、伺服电机、控制器、传感器与驱动器等关键零部件及系统集成设计制造等技术瓶颈”。

国务院又于2017年7月8日发布《新一代人工智能发展规划》，其重点任务中涉及发展机器人科技的内容有：

①建立自主协同控制与优化决策理论。研究面向自主无人系统的协同感知与交互，面向自主无人系统的协同控制与优化决策，知识驱动的人机物三元协同与互操作等理论

②发展自主无人系统的智能技术。研究无人机自主控制和汽车、船舶、轨道交通自动驾驶等智能技术，服务机器人、空间机器人、海洋机器人、极地机器人技术，无人车间智能工厂智能技术，高端智能控制技术和自主无人操作系统。研究复杂环境下基于计算机视觉的定位、导航、识别等机器人及机械手臂自主控制技术。

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第1章

③创建自主无人系统支撑平台。建立自主无人系统共性核心技术支撑平台，无人机自主控制以及汽车、船舶和轨道交通自动驾驶支撑平台，服务机器人、空间机器人、海洋机器人、极地机器人支撑平台，智能工厂与智能控制装备技术支撑平台等。

④发展智能机器人新兴产业。攻克智能机器人核心零部件、专用传感器，完善智能机器人硬件接口标准、软件接口协议标准以及安全使用标准。研制智能工业机器人、智能服务机器人，实现大规模应用并进入国际市场。研制和推广空间机器人、海洋机器人、极地机器人等特种智能机器人。建立智能机器人标准体系和安全规则。

2016年4月28日工业和信息化部、国家发展改革委和财政部共同发布《机器人产业发展规划(2016一2020年)》，明确要在工业机器人领域，聚焦智能生产、智能物流，攻克工业机器人关键技术，提升可操作性和可维护性，重点发展弧焊机器人、真空（洁净）机器

人、全自主编程智能工业机器人、人机协作机器人、双臂机器人、重载AGV等6种标志

性工业机器人产品，引导我国工业机器人向中高端发展。在服务机器人领域，重点发展消防救援机器人、手术机器人、智能型公共服务机器人、智能护理机器人等4种标志性产品，推进专业服务机器人实现系列化，个人/家庭服务机器人实现商品化。

由此可见，发展智能机器人已上升为我国国家战略，必将对我国机器人产业乃至整个国民经济的发展产生巨大推动作用和深远影响。

1.2机器人的特点、结构与分类

1.2.1机器人的主要特点

机器人具有下列两个主要特点。

1.通用性

机器人的通用性(versatility)取决于其几何特性和机械能力。通用性指的是执行不同的功能和完成多样的简单任务的实际能力。通用性也意味着，机器人具有可变的几何结构，即根据生产工作需要进行变更的几何结构；或者说，在机械结构上允许机器人执行不同的任务或以不同的方式完成同一工作。

2.适应性

机器人的适应性(adaptivity)是指其对环境的自适应能力，即所设计的机器人能够自我执行未经完全指定的任务，而不管任务执行过程中所发生的没有预计到的环境变化。这

一能力要求机器人认识其环境，即具有人工知觉。

1.2.2机器人系统的结构

一般情况下，一个机器人系统由下列四个互相作用的部分组成：机械手、环境、任务和控制器，如图1-1a所示，图1-1b为其简化形式。

···试读结束···