機器人技術(shù) 第一章 緒論

機器人技術(shù)(jìshù)崔學政(xuézhènɡ)王新慶中國石油大學（華東）機電學院2013精品資料課程(kèchéng)簡介總學時數(shù)：36；授課(shòukè)起止周數(shù)：9~16本門課程主要講授機器人學的基本理論和相關(guān)技術(shù)，介紹機器人技術(shù)的現(xiàn)狀、應(yīng)用和發(fā)展趨勢；系統(tǒng)地講述機器人系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、本體設(shè)計、機器人運動學、機器人靜力學和動力學、機器人的軌跡規(guī)劃等方面的基礎(chǔ)理論和方法，簡要講述機器人的傳感與反饋、機器人控制等方面的基本原理和應(yīng)用技術(shù)成績構(gòu)成：?精品資料主要(zhǔyào)參考文獻1、機器人學[美]付京遜等著，中國科學技術(shù)出版社，1989；2、機器人學導論——分析、系統(tǒng)及應(yīng)用(yìngyòng)，[美]SaeedB.Niku著，孫福春等譯，電子工業(yè)出版社，2004；3、機器人學導論[美]JohnJ.Craig著，贠超等譯，機械工業(yè)出版社，2006；4、機器人機械系統(tǒng)原理理論——理論、方法和算法[加]JorgeAngeles著，宋偉剛譯，機械工業(yè)出版社，2004；5、機器人學蔡自興，清華大學出版社，2000；6、并聯(lián)機器人機構(gòu)學理論及控制黃真等著，機械工業(yè)出版社，1997精品資料精品資料5第一章緒論(xùlùn)1.1.1機器人的定義(dìngyì)問題：什么是機器人？如何定義？1.1機器人的定義、發(fā)展歷史及分類早期的機器人（與人相像嗎？）現(xiàn)在的機器人精品資料6美國機器人協(xié)會（RIA)：一種用于移動各種材料、零件、工具或?qū)Ｓ醚b置的，通過程序動作來執(zhí)行(zhíxíng)各種任務(wù)，并具有編程能力的多功能操作機。日本工業(yè)標準局：一種機械裝置，在自動控制下，能夠完成某些(mǒuxiē)操作或者動作功能。

英國：貌似人的自動機，具有智力的和順從于人的但不具有人格的機器。

中國：我國科學家對機器人的定義是：“機器人是一種自動化的機器，這種機器具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規(guī)劃能力、動作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動化機器”。精品資料7二個共同點：一種自動機械裝置，可以在無人參與(cānyù)下，自動完成多種操作或動作功能，即具有通用性。可以再編程，程序流程可變，即具有柔性(適應(yīng)性）。機器人是20世紀人類偉大的發(fā)明，比爾?蓋茨預言：機器人即將重復PC機崛起的道路，徹底改變這個時代(shídài)的生活方式。機器人學集中了機械工程、材料科學、電子技術(shù)、計算機技術(shù)、自動控制理論及人工智能等多學科的最新研究成果，代表了機電一體化的最高成就，是當代科學技術(shù)發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一。精品資料81.1.2機器人的發(fā)展(fāzhǎn)歷史1920年，捷克作家卡雷爾·卡佩克發(fā)表了科幻劇本《羅薩姆的萬能機器人》?？ㄅ蹇嗽趧”局邪呀菘苏Z“Robota”寫成了“Robot”，被當成(dānɡchénɡ)了機器人一詞的起源。1950年,美國作家埃薩克·阿西莫夫在科幻小說《I，Robot》中首次使用了“Robotics”，即“機器人學”。阿西莫夫提出了“機器人三原則”：1、機器人不應(yīng)傷害人類,且在人類受到傷害時不可袖手旁觀；2、機器人應(yīng)遵守人類的命令，與第一條違背的命令除外；3、機器人應(yīng)能保護自己，與第一條相抵觸者除外。

機器人學術(shù)界一直將這三原則作為機器人開發(fā)的準則，阿西莫夫因此被稱為“機器人學之父”。精品資料91954年，美國人GeorgeC.Devol提出(tíchū)了第一個工業(yè)機器人方案并在1956年獲得美國專利。1961年，Unimation公司（通用機械公司），生產(chǎn)和銷售了第一臺工業(yè)機器人“Unimate”，即萬能自動之意。1962年，A.M.F.（機械與鑄造）公司，研制(yánzhì)出一臺數(shù)控自動通用機，取名“Versatran”，即多用途搬運之意。精品資料101972年，IBM公司開發(fā)出直角坐標機器人。1973年，CincinnatiMilacron公司推出T3型機器人。1978年，PUMA機器人在Unimation公司誕生；1981年，日本(rìběn)山梨大學牧野洋開發(fā)出了SCARA型機器人。精品資料111988年，CMU大學研制出可重構(gòu)模塊化機械手系統(tǒng)RMMS。1990年，CincinnatiMilacron公司被瑞士(ruìshì)ABB公司兼并。1996年，本田公司P2仿人機器人，2000年推出ASIMO。2008年，美國波士頓動力公司研制出“大狗”(BigDog)；英國科學家研制了首個有生物腦的機器人“米特·戈登”(MeetGordon)精品資料60～70年代，示教再現(xiàn)(zàixiàn)型機器人為主，稱為第一代機器人。80年代，工業(yè)機器人大量應(yīng)用，如焊接、噴漆(pēnqī)、搬運、裝配。日本被稱為“機器人王國”機器人的感知技術(shù)發(fā)展，產(chǎn)生第二代機器人（感知型機器人）。1290年代，智能型（第三代）機器人發(fā)展，如軍用、醫(yī)療、服務(wù)、娛樂等領(lǐng)域,仿生機器人也得到了快速發(fā)展。機器人學。建立了相應(yīng)學術(shù)組織，定期舉辦學術(shù)活動。國際會議：ISIP、IEEE——IROS、ICR&A等。國際雜志：《RobticsResearch》、《Robotica》、

IEEEtransaction

on《RoboticsandAutomation》等。精品資料13我國機器人技術(shù)起步較晚，70年代末，研制專用機械手，80年代初，開發(fā)小型的教育機器人。1985年哈工大研制出國內(nèi)首臺弧焊機器人（華宇Ⅰ號），之后(zhīhòu)，又研制出國內(nèi)第一臺點焊焊機器人（華宇Ⅱ號）。進入90年代后，國家“863”計劃支持。建立了“機器人示范工程中心”和機器人國家開放實驗室（沈陽自動化所、哈工大、合肥機械所、上海交大、南開大學）。產(chǎn)業(yè)化基地(jīdì)：哈爾濱博實自動化設(shè)備公司、沈陽新松機器人自動化股份公司、北京機械工業(yè)自動化研究所機器人工程中心。

學術(shù)會議：每兩年左右去辦一次大型全國（國際）性會議。學術(shù)刊物：《機器人》、《機器人技術(shù)與應(yīng)用》等。精品資料141.1.3機器人的分類(fēnlèi)機器人的種類很多。可以(kěyǐ)按驅(qū)動形式、用途、結(jié)構(gòu)和智能水平等觀點劃分１、按驅(qū)動形式

氣壓驅(qū)動

液壓驅(qū)動

電機驅(qū)動

交流伺服驅(qū)動

直流伺服驅(qū)動

2、按用途劃分（應(yīng)用領(lǐng)域）（1）工業(yè)機器人弧焊機器人點焊機器人搬運機器人裝配機器人噴涂機器人拋光機器人精品資料15（2）特種(tèzhǒng)機器人空間機器人

水下機器人軍用機器人教學機器人

服務(wù)機器人

醫(yī)用機器人

排險救災(zāi)機器人

固定式移動式輪式履帶式足式蛇行精品資料163、按智能水平(shuǐpíng)劃分分類名稱簡要解釋人工操作裝置有幾個自由度，有操作員操縱，能實現(xiàn)若干預定的功能。固定順序機器人按預定的不變順序及條件，依次控制機器人的機械動作?？勺冺樞驒C器人按預定的順序及條件，依次控制機器人的機械動作。但順序和條件可作適當改變。示教再現(xiàn)型機器人通過手動或其它方式，先引導機器人動作，記錄下工作程序，機器人則自動重復進行作業(yè)。數(shù)控型機器人不必使機器人動作，通過數(shù)值、語言等為機器人提供運動程序，能進行可變程伺服控制。感知型機器人利用傳感器獲取的信息控制機器人的動作。機器人對環(huán)境有一定的適應(yīng)性。智能機器人機器人具有感知和理解外部環(huán)境的能力，即使環(huán)境發(fā)生變化，也能夠成功的完成任務(wù)。第一代第二代第三代精品資料171.2

機器人的優(yōu)缺點二、缺點替代了工人，由此帶來經(jīng)濟和社會問題；缺乏應(yīng)急能力；靈活性、自適應(yīng)能力還欠缺；設(shè)備(shèbèi)費用開銷較大。一、優(yōu)點能不知疲倦、不厭其煩的持續(xù)工作，不會有心理問題；具有比人更高的精確度、速度；可以同時相應(yīng)多個激勵或處理多項任務(wù)；可以在危險環(huán)境下工作，無需考慮生命保障或安全需要；無需舒適的環(huán)境，如照明、空調(diào)、噪音隔離等；其感知系統(tǒng)及其附屬設(shè)備具有某些人類所不具有的能力。精品資料181.3機器人技術(shù)(jìshù)的發(fā)展趨勢機器人在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)、旅游業(yè)、醫(yī)療、公共安全、空間(kōngjiān)和海洋以及國防等諸多領(lǐng)域獲得越來越普遍的應(yīng)用。未來機器人技術(shù)將有待于在以下方面發(fā)展。一、機器人機構(gòu)新型機器人機構(gòu)：新型驅(qū)動與傳動，新型材料，柔性臂，冗余自由度臂，并聯(lián)機器人。

仿人與仿生機構(gòu)：緊湊型多自由度機構(gòu)，非結(jié)構(gòu)環(huán)境的特殊移動機構(gòu)；

極限環(huán)境下的機器人機構(gòu)：如空間(kōngjiān)、水下等。

微型機構(gòu)：驅(qū)動、元器件、零部件、制造工藝等。精品資料19二、感覺技術(shù)各種新型傳感器的開發(fā)及其小型化；主動視覺與高速運動視覺；多傳感器系統(tǒng)(xìtǒng)與多信息融合；惡劣工況下的傳感技術(shù)；三、控制技術(shù)先進控制理論；分組協(xié)調(diào)控制與群控；人機交互（虛擬現(xiàn)實、遙操作(cāozuò)和人機合作）；基于傳感信息的規(guī)劃與導航；機器智能（自主操作(cāozuò)、自主控制、自我學習）；多智能體系統(tǒng)。精品資料201.4機器人的組成、構(gòu)型及性能(xìngnéng)要素1.4.1機器人的組成(zǔchénɡ)

機器人是一個高度自動化的機電一體化設(shè)備。從控制觀點來看，機器人系統(tǒng)可以分成四大部分：機器人執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動裝置、控制系統(tǒng)、感知反饋系統(tǒng)。內(nèi)部傳感器（位形檢測）控制系統(tǒng)驅(qū)動裝置外部傳感器（環(huán)境檢測）處理器關(guān)節(jié)控制器感知反饋系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)工作對象精品資料21執(zhí)行機構(gòu)實現(xiàn)預期的動作或操作；相當于人的肢體。驅(qū)動裝置為執(zhí)行機構(gòu)提供動力；相當于人的肌肉、筋絡(luò)。感知反饋系統(tǒng)檢測執(zhí)行機構(gòu)位置、速度等信息以及機器人所處的環(huán)境信息；相當于人的感官(gǎnguān)和神經(jīng)?？刂葡到y(tǒng)進行任務(wù)及信息處理，并給出控制信號；相當于人的大腦和小腦。機器人執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動裝置控制系統(tǒng)感知系統(tǒng)手部腕部臂部腰部電驅(qū)動裝置液壓驅(qū)動裝置氣壓驅(qū)動裝置處理器關(guān)節(jié)伺服控制器內(nèi)部傳感器外部傳感器

基座（固定或移動）精品資料221.4.2

機器人的構(gòu)型機器人的機械配置形式即構(gòu)型多種多樣。最常見的構(gòu)型是用其坐標特性(tèxìng)來描述的。一、工業(yè)(gōngyè)機器人

1、直角坐標型(3P)

其運動是解耦的，控制簡單。但運動靈活性較差，自身占據(jù)空間最大，工作空間外形為矩形。精品資料232、圓柱坐標(zuòbiāo)型(R2P)其運動耦合性較弱，控制也較簡單，運動靈活性稍好。但自身占據(jù)空間也較大，工作空間外形為圓柱形。圓柱坐標(zuòbiāo)型機器人模型Verstran機器人Verstran機器人精品資料243、極坐標型（也稱球面坐標型）(2RP)其運動耦合性較強，控制(kòngzhì)也較復雜。但運動靈活性好。占自身據(jù)空間也較小，工作空間外形為球形。極坐標型機器人模型(móxíng)Unimate機器人精品資料254、關(guān)節(jié)坐標型(3R)其運動耦合性強，控制較復雜。但運動靈活性最好，自身占據(jù)(zhànjù)空間最小，工作空間外形為復雜曲面。關(guān)節(jié)(guānjié)型搬運機器人關(guān)節(jié)型焊接機器人關(guān)節(jié)型機器人模型精品資料265、平面關(guān)節(jié)型(SCARA)僅平面運動有耦合性，控制較通用(tōngyòng)關(guān)節(jié)型簡單。但運動靈活性更好，鉛垂平面剛性好，工作空間外形為圓柱形。SCARA型裝配(zhuāngpèi)機器人精品資料271、二自由度移動機器人具有一個(yīɡè)移動自由度和一個(yīɡè)轉(zhuǎn)向自由度的移動機器人。

二、移動機器人

B21robot精品資料282、三自由度移動(yídòng)機器人具有二個方向移動(yídòng)自由度和一個轉(zhuǎn)向自由度的移動(yídòng)機器人，也稱為全方位移動(yídòng)機器人。XR4000robot二自由度輪式移動(yídòng)機構(gòu)

三自由度輪式移動機構(gòu)

運動靈活性比較——精品資料1、仿生型根據(jù)所仿對象的運動特征而定。自由度一般較多，具有(jùyǒu)更強的適應(yīng)性和靈活性，但控制更復雜，成本更高ＡＳＩＭＯＪｕｓｔｉｎＮＡＳＡ機器人宇航員三、特種(tèzhǒng)機器人精品資料30Smartbird仿魚機器人BigdogＤＬＲＣＲＡＷＥＲ精品資料國內(nèi)五指(wǔzhǐ)靈巧手精品資料32四、機器人化工程機械高度(gāodù)自動化的工程機械。大型(dàxíng)噴漿機器人機器人碼垛機精品資料TheDaVinciroboticsystemforlaparoscopicsurgery精品資料341.4.3機器人的性能(xìngnéng)要素自由度數(shù)衡量機器人適應(yīng)性和靈活性的重要指標，一般等于機器人的關(guān)節(jié)數(shù)。機器人所需要的自由度數(shù)決定與其作業(yè)(zuòyè)任務(wù)。

負荷能力機器人在滿足其它性能要求的前提下，能夠承載的負荷重量。

運動范圍機器人在其工作區(qū)域內(nèi)可以達到的最大距離。它是機器人關(guān)節(jié)長度和其構(gòu)型的函數(shù)。

運動速度單關(guān)節(jié)速度；合成速度。

精度指機器人到達指定點的精確程度。它與機器人驅(qū)動器的分辨率及反饋裝置有關(guān)。必要時可進行補償。精品資料35控制(kòngzhì)模式引導或點到點示教模式；連續(xù)軌跡示教模式；軟件編程模式；自主模式。其它動態(tài)特性(tèxìng)如穩(wěn)定性、柔順性等。

重復精度指機器人重復到達同樣位置的精確程度。它不僅與機器人驅(qū)動器的分辨率及反饋裝置有關(guān)，還與傳動機構(gòu)的精度及機器人的動態(tài)性能有關(guān)。重復精度比精度更重要。主要參考文獻：（1）[美]付京遜等，機器人學，中國科學技術(shù)出版社，1989（2）孟慶鑫等，機器人技術(shù)基礎(chǔ)，哈爾濱工業(yè)大學出版社，2006電子工業(yè)出版社，2004（3）蔡自興，機器人學，清華大學出版社，2000（4）[美]JohnJ.