機器人基本概念

1、1機機 器器 人學(xué)人學(xué) ( (RoboticsRobotics ) ) Research Institute of Robotics and Automation(RIRA), Hebei University of Technology第二講第二講 機器人學(xué)基本概念機器人學(xué)基本概念2機機 器器 人學(xué)人學(xué) ( (RoboticsRobotics ) ) Research Institute of Robotics and Automation(RIRA), Hebei University of Technology第二講第二講 機器人學(xué)基本概念機器人學(xué)基本概念u機器人學(xué)機器人學(xué)u機器人償還期

2、理論機器人償還期理論u機器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)機器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)u工業(yè)機器人的主要技術(shù)參數(shù)工業(yè)機器人的主要技術(shù)參數(shù)u機器人自由度、圖形符號與典型機器人的自由度布置形式機器人自由度、圖形符號與典型機器人的自由度布置形式u機械誤差、精度、定位精度（空間分辨度）與重復(fù)定位精度機械誤差、精度、定位精度（空間分辨度）與重復(fù)定位精度u主從控制與示教再現(xiàn)主從控制與示教再現(xiàn)u機器人機械系統(tǒng)與其它機械系統(tǒng)的區(qū)別機器人機械系統(tǒng)與其它機械系統(tǒng)的區(qū)別u機器人的控制系統(tǒng)與一般自動化控制系統(tǒng)的區(qū)別機器人的控制系統(tǒng)與一般自動化控制系統(tǒng)的區(qū)別u人工智能的爭論及其對機器人學(xué)的影響人工智能的爭論及其對機器人學(xué)的影響3機機 器器 人學(xué)人學(xué) (

3、(RoboticsRobotics ) ) Research Institute of Robotics and Automation(RIRA), Hebei University of Technology機器人學(xué)基本概念機器人學(xué)基本概念-機器人學(xué)機器人學(xué)u機器人學(xué)是一個多學(xué)科的交叉的高技術(shù)領(lǐng)域機器人學(xué)是一個多學(xué)科的交叉的高技術(shù)領(lǐng)域, ,包含包含機器人理論和和機器人技術(shù)機器人理論和和機器人技術(shù)。u機器人理論：機器人理論： （1 1）機器人基礎(chǔ)理論與方法機器人基礎(chǔ)理論與方法：機構(gòu)分析與綜合、運動學(xué)和動力學(xué)建模、作業(yè)與：機構(gòu)分析與綜合、運動學(xué)和動力學(xué)建模、作業(yè)與運動規(guī)劃、優(yōu)化設(shè)計、控制和智能。

4、運動規(guī)劃、優(yōu)化設(shè)計、控制和智能。 （2 2）機器人仿生學(xué)機器人仿生學(xué)：仿生運動和動力學(xué)、仿生機構(gòu)學(xué)、仿生感知和控制理：仿生運動和動力學(xué)、仿生機構(gòu)學(xué)、仿生感知和控制理論、仿生器件設(shè)計和制造。論、仿生器件設(shè)計和制造。 （3 3）機器人系統(tǒng)理論機器人系統(tǒng)理論：多機器人系統(tǒng)理論（例如）、機器人人融合、：多機器人系統(tǒng)理論（例如）、機器人人融合、系統(tǒng)協(xié)調(diào)和交互。系統(tǒng)協(xié)調(diào)和交互。（）（）微機器人學(xué)微機器人學(xué)：微機器人分析、設(shè)計和控制理論等。：微機器人分析、設(shè)計和控制理論等。（）（）移動操作機器人理論移動操作機器人理論：復(fù)雜多鏈空間機器人機構(gòu)學(xué)、步態(tài)規(guī)劃與穩(wěn)定性、：復(fù)雜多鏈空間機器人機構(gòu)學(xué)、步態(tài)規(guī)劃與穩(wěn)定性、

5、多鏈協(xié)調(diào)與控制。多鏈協(xié)調(diào)與控制。u機器人技術(shù)：機器人技術(shù)：（1 1）機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造技術(shù)。機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造技術(shù)。（）（）操作和執(zhí)行技術(shù)；操作和執(zhí)行技術(shù)；（）（）檢測與傳感技術(shù)；檢測與傳感技術(shù)；（）（）智能技術(shù)；智能技術(shù)；（）（）實驗和評價技術(shù)；實驗和評價技術(shù)；（）（）人機交互和融合技術(shù)；人機交互和融合技術(shù)；（）（）技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。4機機 器器 人學(xué)人學(xué) ( (RoboticsRobotics ) ) Research Institute of Robotics and Automation(RIRA), Hebei University of Technology機器人

6、學(xué)基本概念機器人學(xué)基本概念-機器人償還期理論機器人償還期理論u以機器人及其輔助設(shè)備的以機器人及其輔助設(shè)備的初期總投資為一方面初期總投資為一方面，以每年所，以每年所節(jié)省節(jié)省的勞動費（包括工資和津貼）加上材料費再減去年維修費為另的勞動費（包括工資和津貼）加上材料費再減去年維修費為另一方面一方面，計算出應(yīng)用機器人能夠在多少年內(nèi)收回成本。，計算出應(yīng)用機器人能夠在多少年內(nèi)收回成本。簡化公式：簡化公式：（）（）u償還期（年）償還期（年）u機器人及其輔助設(shè)備的初期總投資機器人及其輔助設(shè)備的初期總投資u每年所節(jié)省的勞動費（包括工資和津貼）每年所節(jié)省的勞動費（包括工資和津貼）u全年維修費全年維修費5機機 器器

7、人學(xué)人學(xué) ( (RoboticsRobotics ) ) Research Institute of Robotics and Automation(RIRA), Hebei University of Technology機器人學(xué)基本概念機器人學(xué)基本概念-機器人償還期理論機器人償還期理論u詳細(xì)計算公式：詳細(xì)計算公式：（）（）（）（）（）（）u機器人售價機器人售價u附屬設(shè)備費用附屬設(shè)備費用u工程及安裝費用工程及安裝費用u稅務(wù)信貸稅務(wù)信貸u材料費用材料費用u操作維修費用操作維修費用u年運行小時數(shù)（天，單班）年運行小時數(shù)（天，單班）u公司稅率公司稅率u年折舊年折舊u對于單班、雙班和三班，一般時間是

8、年，年，年對于單班、雙班和三班，一般時間是年，年，年u與國別區(qū)域有關(guān)與國別區(qū)域有關(guān)6機機 器器 人學(xué)人學(xué) ( (RoboticsRobotics ) ) Research Institute of Robotics and Automation(RIRA), Hebei University of Technology機器人學(xué)基本概念機器人學(xué)基本概念-機器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)機器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)三大部分六個子系統(tǒng)組成三大部分六個子系統(tǒng)組成7機機 器器 人學(xué)人學(xué) ( (RoboticsRobotics ) ) Research Institute of Robotics and Automation(RIRA)

9、, Hebei University of Technology機器人學(xué)基本概念機器人學(xué)基本概念-機器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)機器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)8機機 器器 人學(xué)人學(xué) ( (RoboticsRobotics ) ) Research Institute of Robotics and Automation(RIRA), Hebei University of Technology機器人學(xué)基本概念機器人學(xué)基本概念-工業(yè)機器人的主要技術(shù)參數(shù)工業(yè)機器人的主要技術(shù)參數(shù)工業(yè)機器人的技術(shù)參數(shù)是工業(yè)機器人的技術(shù)參數(shù)是各工業(yè)機器人制造商在產(chǎn)品供貨時所提供各工業(yè)機器人制造商在產(chǎn)品供貨時所提供的技術(shù)數(shù)據(jù)的技術(shù)數(shù)據(jù)。 盡管各廠商提供

10、的技術(shù)參數(shù)不完全一樣，工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)、盡管各廠商提供的技術(shù)參數(shù)不完全一樣，工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)、用途等有所不同，用途等有所不同， 且用戶的要求也不同，且用戶的要求也不同， 但工業(yè)機器人的主要技術(shù)但工業(yè)機器人的主要技術(shù)參數(shù)一般包括：參數(shù)一般包括： 自由度（自由度（Degrees of Freedom） 精度（精度（Accuracy） 工作范圍（工作范圍（Work Space） 速度（速度（Speed） 承載能力（承載能力（Payload）9機機 器器 人學(xué)人學(xué) ( (RoboticsRobotics ) ) Research Institute of Robotics and Automation

11、(RIRA), Hebei University of Technology機器人學(xué)基本概念機器人學(xué)基本概念-工業(yè)機器人的主要技術(shù)參數(shù)工業(yè)機器人的主要技術(shù)參數(shù)Kawasaki Robotics(USA), Inc: FS06L10機機 器器 人學(xué)人學(xué) ( (RoboticsRobotics ) ) Research Institute of Robotics and Automation(RIRA), Hebei University of Technology機器人學(xué)基本概念機器人學(xué)基本概念-工業(yè)機器人的主要技術(shù)參數(shù)工業(yè)機器人的主要技術(shù)參數(shù)11機機 器器 人學(xué)人學(xué) ( (RoboticsRo

12、botics ) ) Research Institute of Robotics and Automation(RIRA), Hebei University of Technology機器人學(xué)基本概念機器人學(xué)基本概念-機器人自由度、圖形符號與典機器人自由度、圖形符號與典型機器人的自由度布置形式型機器人的自由度布置形式u機器人的自由度是指機器人所具機器人的自由度是指機器人所具有的獨立坐標(biāo)軸的運動數(shù)目，一有的獨立坐標(biāo)軸的運動數(shù)目，一般不包括手爪的開合。（獨立驅(qū)般不包括手爪的開合。（獨立驅(qū)動數(shù)目）一般個，多了叫冗余動數(shù)目）一般個，多了叫冗余12機機 器器 人學(xué)人學(xué) ( (RoboticsRobo

13、tics ) ) Research Institute of Robotics and Automation(RIRA), Hebei University of Technology機器人學(xué)基本概念機器人學(xué)基本概念-機械誤差、精度、定位精度機械誤差、精度、定位精度（空間分辨度）與重復(fù)定位精度（空間分辨度）與重復(fù)定位精度定位精度定位精度（Positioning Accuracy）：）：是指機器人的手部實際指定位置與目標(biāo)位是指機器人的手部實際指定位置與目標(biāo)位置之差置之差。 重復(fù)定位精度重復(fù)定位精度（Repeatability Accuracy）：）：是指機器人重復(fù)定位其手部于同一是指機器人重復(fù)定

14、位其手部于同一目標(biāo)位置的能力目標(biāo)位置的能力，可以用標(biāo)準(zhǔn)偏差這個統(tǒng)計量來表示，它是衡量一列誤差值的，可以用標(biāo)準(zhǔn)偏差這個統(tǒng)計量來表示，它是衡量一列誤差值的密集度（重復(fù)度）密集度（重復(fù)度）13機機 器器 人學(xué)人學(xué) ( (RoboticsRobotics ) ) Research Institute of Robotics and Automation(RIRA), Hebei University of Technology機器人學(xué)基本概念機器人學(xué)基本概念-機械誤差、精度、定位精度機械誤差、精度、定位精度（空間分辨度）與重復(fù)定位精度（空間分辨度）與重復(fù)定位精度5分5分14機機 器器 人學(xué)人學(xué) ( (

15、RoboticsRobotics ) ) Research Institute of Robotics and Automation(RIRA), Hebei University of Technology機器人學(xué)基本概念機器人學(xué)基本概念-主從控制與示教再現(xiàn)主從控制與示教再現(xiàn)u主計算機負(fù)責(zé)管理和運動解算，從計算機負(fù)責(zé)驅(qū)動控制的系統(tǒng)。主計算機負(fù)責(zé)管理和運動解算，從計算機負(fù)責(zé)驅(qū)動控制的系統(tǒng)。u“示教再現(xiàn)示教再現(xiàn)”方式：它通過方式：它通過“示教盒示教盒”或人或人“手把手手把手”兩種方式教機械兩種方式教機械手如何動作，控制器將示教過程記憶下來，然后機器人就按照記憶周而手如何動作，控制器將示教過程記憶

16、下來，然后機器人就按照記憶周而復(fù)始地重復(fù)示教動作，如噴涂機器人。復(fù)始地重復(fù)示教動作，如噴涂機器人。eacheachand and laybacklayback示教再現(xiàn)示教再現(xiàn) 即分為示教存儲再現(xiàn)即分為示教存儲再現(xiàn)- -操作四步進行。操作四步進行。示教示教：方式有兩種：方式有兩種：(1) 直接示教手把手；直接示教手把手；(2) 間接示教示教盒控制。間接示教示教盒控制。存儲存儲：保存示教信息。：保存示教信息。再現(xiàn)再現(xiàn)：根據(jù)需要，讀出存儲的示教信息向機器人發(fā)出重復(fù)動作的命令。：根據(jù)需要，讀出存儲的示教信息向機器人發(fā)出重復(fù)動作的命令。15機機 器器 人學(xué)人學(xué) ( (RoboticsRobotics )

17、 ) Research Institute of Robotics and Automation(RIRA), Hebei University of Technology機器人學(xué)基本概念機器人學(xué)基本概念-機器人機械系統(tǒng)與其它機械系機器人機械系統(tǒng)與其它機械系統(tǒng)的區(qū)別統(tǒng)的區(qū)別u機器人速度高、精度高、控制范圍廣，一般速度控制比在：以上。u工業(yè)機器人不僅高速運動中突然停止時位置精度高，而且還要精密跟蹤時變的速度與空間軌跡，對加速度和力也要進行高精度的控制。u機構(gòu)多為串聯(lián)結(jié)構(gòu)，因此剛性差且具有多個固有振動頻率。u負(fù)載以及各構(gòu)件對各個回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量，隨著機器人的位形而變，其變化幅度很大，一般可達倍。u

18、摩擦、傳動間隙、檢測精度等對機器人的高速、高精度的運動制約嚴(yán)重。u傳統(tǒng)的單體控制方式不能滿足要求。16機機 器器 人學(xué)人學(xué) ( (RoboticsRobotics ) ) Research Institute of Robotics and Automation(RIRA), Hebei University of Technology機器人學(xué)基本概念機器人學(xué)基本概念-機器人的控制系統(tǒng)與一般自動機器人的控制系統(tǒng)與一般自動化控制系統(tǒng)的區(qū)別化控制系統(tǒng)的區(qū)別u(1) 機器人的控制與機構(gòu)運動學(xué)及動力學(xué)密切相關(guān)。 經(jīng)常要求正向運動學(xué)和反向運動學(xué)的解, 還要考慮慣性力、 外力(包括重力)、哥氏力及向心力的

19、影響。 u(2) 簡單機器人至少要有35個自由度, 比較復(fù)雜的機器人有十幾個甚至幾十個自由度。每個自由度包含一個伺服機構(gòu), 它們必須協(xié)調(diào) 組成一個多變量控制系統(tǒng)。 u(3) 機器人的協(xié)調(diào)控制以及“智能”, 只能由計算機來完成。 因此, 機器人控制系統(tǒng)必須是一個計算機控制系統(tǒng)。u(4) 描述機器人狀態(tài)和運動的數(shù)學(xué)模型是一個非線性模型, 隨著狀態(tài)的變化,參數(shù)也在變化, 變量間存在耦合。因此還要利用速度甚至加速度閉環(huán)。u(5) 機器人的動作往往可以通過不同的方式和路徑來完成, 因此存在一個“最優(yōu)”的問題。 根據(jù)傳感器和模式識別的方法獲得的工況, 自動選擇最佳的控制規(guī)律。 17機機 器器 人學(xué)人學(xué) ( (RoboticsRobotics ) ) Research Institute of Roboti