第01章 概论.docx

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第01章概论

教案首页

课程名称农业机器人任课教师李玉柱

第1章概论计划学时1

教学目的和要求：

1.明确课程定位，使学生明确《农业机器人》课程的内容和课程特点；

2.了解机器人的发展史和机器人的定义；

3.本课程的内容按章节的分布情况；

4.了解农业机器人的分类、机器人学研究内容

重点：

1.农业机器人的定义和分类

2.机器人学的研究内容

难点：

思考题：

1.如何认识机器人技术是二十世纪的伟大发明？

2.结合对农业的认识，请思考一下，农业生产中还有哪些领域适合利用农业机器人进行作业。

由于机械化、自动化程度比较落后，“面朝黄土背朝天，一年四季不得闲”成了我国农民的象征。

但近年农业机器人的问世，有望改变传统的劳动方式。

进入新世纪以来，新型多功能农业机械将得到日益广泛地应用；不久的将来，智能化机器人也会在广阔的田野上越来越多地代替手工完成各种农活，给农业带来了第二次深刻的革命。

《农业机器人》这门课程属于农业工程领域一门前沿课程，通过这门课程的学习，使学生了解到农业机器人的分类，结构和工作原理，对农业机器人的运动学、动力学、传感技术、驱动技术、控制技术有初步的了解，对农业设施机器人（嫁接机器人、插枝机器人、番茄收获机器人、黄瓜收获机器人、茄子收获机器人、草莓收获机器人、植物工厂作业机器人等）、大田生产机器人（葡萄收获机器人、柑橘类收获机器人、苹果收获机器人、西瓜收获机器人、甘蓝收获机器人、植保机器人等）和农产品加工机器人（肉类加工机器人、挤奶机器人、剪羊毛机器人等）农业机器人的作业特点和作业原理有初步的了解。

第1章概论

教学主要内容：

1.1机器人的发展史

1.2机器人的定义

1.3（农业）机器人的分类

1.4机器人学的研究内容

本章通过对机器人的由来与发展、定义、分类及机器人技术研究等内容的介绍，使学生对机器人技术有一个概括的认识与了解。

1.1机器人的发展史

机器人技术与系统是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40多年的发展已取得实质性的进步和成果。

机器人一词出现的较晚，而这一概念在人类的想象中却早已出现，自古以来，就有不少科学家和接触工匠制造出了具有人类特点或模拟动物特征的机器人雏形。

在我国：

西周时期,偃师周穆王向西巡狩的时候，曾经在遥远的异域遇见奇人偃师。

他曾献给周穆王一个比起现代机械人还要出色的偶人。

偃师造出的偶人和常人的外貌极为酷肖，周穆王一开始还以为只是偃师的随行之人，那偶人前进、后退、前俯、后仰，动作和真人无一不像，掰动下巴，则能够曼声而歌，调动手臂便会摇摆起舞。

（原文出自《列子汤问》）

东汉时期，著名科学家张衡不仅发明了地动仪、计里鼓车，而且发明了指南车，这些都是具有机器人构想的装置。

计里鼓车每行进1里，车上的木人击鼓一下啊，每行10里，击钟1下。

具有复杂轮系装置的指南车，车上木人的运动始终指向南方。

（《太平御览·工艺部九》引《文士传》）

三国时期的诸葛亮发明木牛流马，用其在崎岖的栈道上运送军粮，且“人不大劳，牛不饮食”。

与王充记载鲁班木车马的寥寥数语相比，《三国志》、《三国演义》等书对诸葛亮的木牛流马的记述可算是绘声绘色、活灵活现、极为详尽。

木牛流马虽已失传，但其明显具有机器人的结构。

17、18世纪出现的机器人大多是能工巧匠发明的一些自动机器人玩偶。

现代机器人的研究始于20世纪中期。

1949-1953，随着先进飞机制造的需要，美国麻省理工学院辐射实验室（MITRadiationLaboratory）开始研制数控铣床，1953年研制成功能按照模型轨迹做切削动作的多轴数控铣床。

1954年，美国人乔治-沃德尔（GeorgeC.Devol）研制出第一个电子可编程的工业机器人。

20世纪70年代，机器人产业得到蓬勃发展，机器人技术发展成为专门的学科，称为机器人学（Robotics）。

20世纪80年代，不同结构、不同控制方法和不同用途的工业机器人进入了实用化阶段，开始进入了智能机器人研究阶段，对机器人视觉、听觉、触觉和接近觉的研究大大提高了机器人的适应能力，使研究农业机器人成为了可能，近年来对农业机器人的研究已成为农业工程领域研究的热点。

目前，对全球机器人技术发展最有影响的国家还是美国和日本，美国在机器人技术的综合研究水平上仍处于领先地位，而日本生产的机器人在数量、种类方面则居世界首位。

中国的机器人技术起步较晚，大约在20世纪70年代末、80年代初，经过了20年左右的发展已经逐步缩小与国际先进水平的差距，有部分技术已处于国际领先水平。

1.2机器人的定义

虽然现在机器人已被广泛应用，但机器人这一名词还没有一个统一、严格、准确的定义。

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，机器人定义也不断的充实和创新。

【要用运动的、辩证的眼光看问题】

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，能够借助可编程序操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置，已执行某种任务。

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的和移动作业任务的机械装置。

概括各种机器人的性能，机器人具有以下几项特征：

I）机器人的动作既有具有类似于人或其他生物体某些器官的功能；

II）机器人具有通用性，工作种类多样，动作程序灵活易变，是柔性加工的主要组成部分；

III）机器人具有不同程度的智能，如记忆、感知、推理、决策、学习等；

IV）机器人具有独立性，完整的机器人协调，在工作中可以不依赖于人的干预。

1.3机器人的分类

按发展程度分类：

第一代机器人即可编程、示教再现工业机器人，已进入商品化、实用化

第二代机器人装备有一定的传感装置，能获取作业环境、操作对象的简单信息，通过计算机处理、分析，能做出简单的推理，对动作进行反馈的机器人，通常称为低级智能机器人。

第三代机器人具有高度适应性的自治机器人。

它具有多种感知功能，可进行复杂的逻辑思维、判断决策，在左右环境中独立行动。

通常称为高级智能机器人。

按结构形态，负载能力和动作空间分类：

超大型机器人负载能力为1000kg以上。

大型机器人负载能力为100～1000kg，作业空间10m2。

中型机器人负载能力为10～100kg，作业空间1～10m2。

小型机器人负载能力为0.1～10kg，作业空间0.1～1m2。

超小型机器人负载能力为0.1kg以下，作业空间0.1m2以下。

按开发的目的和内容分类：

工业机器人在工业生产线上应用的机器人

操纵机器人用于非工业生产的各种作业机器人

智能机器人具有多种由内、外传感器组成的感觉系统，对外部环境进行感知、提取、处理并作出适当的决策，在结构或半结构化环境中自主完成某项任务。

农业机器人包括一部分操纵机器人、一部分智能机器人。

机器人的优缺点

机器人使用的优点：

⏹机器人和自动化技术在多数情况下可以提高生产率，安全性，效率，产品质量和产品的一性。

⏹机器人可以在危险的环境下工作，而无需考虑生命保障或安全的需要。

⏹机器人无需舒适的环境，例如考虑照明，空调，通风以及噪音隔离等。

⏹机器人能不知疲倦，不知厌烦地持续工作，他们不会有心理问题，做事不拖沓，不需要医疗保险或假期。

⏹机器人除了发生故障或磨损外，将始终如一地保持精确度。

⏹机器人具有比人高得多的精确度。

直线位移精度可达千分之几英寸（1英寸=2.54cm），新型的半导体晶片处理机器人具有微英寸级的精度。

⏹机器人和其附属设备及传感器具有某些人类所不具备的能力。

⏹机器人可以同时响应多个激励或处理多项任务，而人类只能响应一个现行激励。

机器人使用的负面：

机器人替代了工人，由此带来经济和社会问题：

机器人缺乏应急能能力，除非该紧急情况能够预知并已在系统中设置了应对方案，否则不能很好地处理紧急情况。

同时，还需要有安全措施来确保机器人不会伤害操作人员以及与他一起工作的机器（设备）。

这些情况包括：

●不恰当或错误的反应

●缺乏决策的能力

●断电

●机器人或其它设备的损伤

●人员伤害

●机器人尽管在一定情况下非常出众，但其能力在以下方面仍具有局限性（与人相比），表现在：

●自由度

●灵巧度

●传感器能力

●视觉系统

●实时响应

●机器人费用开销大，主要原因是：

●原始的设备费

●安装费

●需要周边设备

●需要培训

●需要编程

1.4机器人学的研究内容

机器人学主要的研究内容有：

i）机器人基础理论与方法的研究，如运动学和动力学、作业与运动规划、控制和感知理论与技术、机器人智能理论等。

ii）机器人设计理论与技术的研究内容，如机器人机构分析和综合、机器人结构设计和优化、机器人关键器件设计、机器人仿真技术等。

iii）机器人仿生学的研究内容，如机器人的形态、结构、功能、能量转换、信息传递、控制和管理等特性和功能仿生理论与技术方法等。

iv）机器人系统理论与技术的研究，如多机器人系统理论、机器人语言与编程、机器人与人的融合、机器人与其它机器系统的协调和交互等。

v）机器人的操作和移动理论与技术研究内容，如机器人的装配技术、移动机器人的运动与步态理论、移动机器人稳定性理论、移动操作机器人协调与控制理论等。

vi）特种机器人的研究内容，如水下机器人、空间机器人、军用机器人等的设计制造以及控制理论与技术等。

vii）类人机器人的研究内容，如类人及其人的形状与结构、传感与智能控制理论与方法等。

viii）微机器人学的研究内容，如微机器人的分析、设计、制造和控制理论与技术方法等。

【思考题】

1.如何认识机器人技术是二十世纪的伟大发明？

2.结合对农业的认识，请思考一下，农业生产中还有哪些领域适合利用农业机器人进行作业。

确定课代表。