第一章机器人概述

机器人技术发展很快，正在走入每个人的生活。从捷克作家卡雷尔•恰佩克提出的机器人概念开始，经过百年发展，出现了用于工业生产的工业机器人；以清扫机器人、铲雪机器人、救援机器人、迎宾机器人等为代表的服务机器人；以无人机机器人、灭火机器人、防爆突击机器人、月球车为代表的特种机器人；用于教学、竞赛的教育机器人。机器人的发展从示教再现式的第一阶段，发展过感觉型的第二阶段，正在走入智能型的第三阶段。

●1.1机器人技术发展简介

机器人技术发展很快，正在走入每个人的生活。从捷克作家卡雷尔•恰佩克提出的机器人概念开始，经过百年发展，出现了用于工业生产的工业机器人；以清扫机器人、铲雪机器人、救援机器人、迎宾机器人等为代表的服务机器人；以无人机机器人、灭火机器人、防爆突击机器人、月球车为代表的特种机器人；用于教学、竞赛的教育机器人。机器人的发展从示教再现式的第一阶段，发展过感觉型的第二阶段，正在走入智能型的第三阶段。

第二章竞赛机器人

为了推广机器人技术，浙江省教育厅组织了大学生机器人竞赛。提炼出工业、服务、特种机器人用到的关键技术，设计了多种比赛形式。有旅游机器人、运输机器人、购物机器人、足球机器人等。拟通过竞赛锻炼，培养大量机器人人才。

●2.1规则解读

机器人竞赛类型有旅游机器人、运输机器人、购物机器人、足球机器人等。不同的竞赛竞赛规则不同。旅游机器人考察寻迹及速度控制技术，购物机器人考察寻迹及视觉识别技术，运输机器人考察寻迹及对抗策略，足球机器人主要考察图像识别，图像处理，对抗策略。这些技术，都是工业机器人，服务机器人的关键技术，通过竞赛的方式引导大学生进行深入研究及强化训练。

●2.2关键技术

机器人竞赛中涉及到的关键技术有共性技术，也有特有技术。共性技术包括灰度寻迹、超声波避障、电机驱动、控制器选型及编程、电源选用、车体设计、PID控制等。特有技术包括视觉识别、对抗策略等。

第三章工业机器人

随着工业4.0、中国制造2025的提出，工业智能化、机器换人的趋势快速发展。将带领大家初识机器人，从工业机器人的起源发展、定义；工业机器人的组成及分类；工业机器人产业现状的介绍；阐述我国工业机器人发展的关键技术；工业机器人运动轴与坐标系间的关系作用；如何选择工业机器人，如何使用注意事项；介绍工业机器人的典型应用；全面系统的介绍工业机器人。

●3.1初识工业机器人

1920年，卡里洛.奇别克创造了Robot，十五年后Griffith.Taylor将机器人从科幻小说中带到了我们的身边，从此拉开了机器人发展的序幕。1954年乔治•德沃尔制造了世界上第一台可编程的机器人（机械手），1959年德沃尔与约瑟夫•英格伯联手制造出第一台工业机器人，1968年，美国斯坦福研究所公布研发成功第一台智能机器人Shakey，就是现在工业机器人的初期。现阶段机器人具有可编程性、通用性、拟人化。

●3.2工业机器人组成

工业机器人就像人一样，机器人的本体（执行机构）就像人的肢体，将大脑所思所想付之于行动，机器人的驱动装置相当于人的肌肉、筋络驱动着本体运动，机器人的感知系统相当于人的眼睛、鼻子等，感知获取周边环境的实时情况，最后机器人的控制系统就像人的大脑，统筹规划。四大部分协调统筹，完成特定的任务。

●3.3工业机器人产业现状

工业机器人产业分为上、中、下游，控制伺服、减速机等关键技术组成了上游；机器人的手臂、基座、手腕等机器人本体生产形成了中游；我国现阶段还存在下游，机器人的各种应用集成。日本、德国、韩国、美国四国的工业机器人市场成熟度高，中国在工业机器人发展上存在关键技术的壁垒。

●3.4关键之减速器

减速器是工业机器人发展的关键技术之一，主要需要谐波减速器与RV减速器来支撑工业机器人六轴的运动。它占了工业机器人成本的很大一个份额。国的机器人减速机行业起步较晚，主要以技术跟踪为主，政府和市场投入了大量的资金用于突破机器人减速机技术。RV减速器具有承载能力强、精度高的优点，因此机器人的基本轴（也即：J1，J2，J3轴）一般采用RV减速器传动； 谐波减速器体积小、重量轻，通常用在腕部轴（也即：J4、J5、J6）。

●3.5工业机器人控制器

除了减速器的壁垒，控制器也是工业机器人的关键技术之一。它运行着机器人的核心算法，是机器人的大脑。其基本功能有：（1）示教、（2）记忆、（3）位置伺服、（4）坐标设定。根据开放程度不同，可分为：（1）封闭型、（2）开放型、（3）混合型。 以fanuc控制器为例，它由电源装置、用户接口电路、动作控制电路、存储电路、I/O电路等构成。可通过示教器示教规划运动轨轨迹，查略各项状态。

●3.6工业机器人运动轴与坐标系

工业机器人根据不同应用需要，对于运动轴的设计规划与众不同。为了完成特定的任务，驱动运动轴协调统筹运动到指定点，坐标系的设定就至关重要。所有的运动模式都是基于某一坐标系运行的。工业机器人常用的四种坐标系：世界坐标系、关节坐标系、工具坐标系、用户坐标系。有些是出厂设定的无法改变，有些可以根据应用的不同需求设定。

●3.7工业机器人的用户坐标系

用户坐标系与工具坐标系的设定，在不同的应用场景和复杂的抓取条件下，正确的用户坐标系与工具坐标系的设定，将会大大地减少示教的难度。在斜面、曲面等不规则平面上进行示教，设定与平面平行的用户坐标系便于示教。在机器人末端装夹各式各样的夹具、手抓就需要与之相对应的工具坐标系的设定。

●3.8工业机器人的主要技术指标与安全事项

工业机器人的选型，需要根据应用场景的需求，依据机器人的自由度、手部负重、运动范围、重复定位精度、最大运动速度、安装方式与实际需求一一匹配，寻求机器人主要技术指标与应用的高度配合，达到高效化。工业机器人操作中，也要实时注意机器人的运动状态，保证机器人操作的安全性。

●3.9工业机器人典型应用

工业机器人市场正在快速地发展中，应用遍布了各个领域。工业机器人的典型应用主要有弧焊，主要包括MIG/MAG焊接、TIG焊接、激光焊接、等离子焊接、火焰钎焊等应用类型；点焊主要应用于汽车行业；搬运，可以胜任各种搬运工作减轻人的劳动强度；码垛是搬运的一种特殊形式；机床上下料也是搬运的一种；喷涂，喷涂的环境比较恶劣机器人刚好解决这一问题；还有很多各式各样的应用。

第四章教育机器人

教育机器人是机器人家族的一个重要分支，兼有机器人和教育双重属性。国际、国内机器人品牌琳琅满目，各年龄段竞赛项目异彩纷呈，教育机器人进入蓬勃发展的新时期。

●4.1教育机器人

教育器材的主流国际品牌有丹麦的乐高、德国的慧鱼等，国内品牌主要有能力风暴、童心制物等。Arduino电子积木功能拓展性较好，常用作创客教育。

●4.2教育机器人竞赛项目

竞赛是机器人教育的重要载体，通过直接对抗、任务挑战和创意设计展示等形式开展的机器人竞赛，兼顾竞技与趣味，在国内外受到广泛关注。

●4.3乐高机器人简介

作为“积木”的代名词，乐高机器人提供的套件主题包罗万象。各套件中包含机械零件和电控零件，参照搭建卡或自主发挥，创造出属于自己的主题世界。

●4.4乐高机器人编程

乐高机器人采用图形化编程，也支持第三方软件的图形或指令编程。在EV3的编程环境中，可以用模块化拖放的形式实现顺序、选择、循环等常用的程序结构。

●4.5慧鱼机器人

慧鱼机器人1964年诞生于德国，适合于模型搭建和原理展示，在机器人教育和工业领域均有应用。慧鱼的机械零件“工业化”特点鲜明，非常具有德国特色。