第一章(2)機(jī)器人基礎(chǔ)教學(xué)課件

機(jī)器人基礎(chǔ)

機(jī)器人是什么？機(jī)器人是如何工作的？機(jī)械專業(yè)學(xué)生對(duì)機(jī)器人要掌握哪些內(nèi)容？第一章緒論§1.1機(jī)器人的發(fā)展歷史

古代人們期望生產(chǎn)機(jī)器替代人類(lèi)勞動(dòng)。1921年，捷克作家KarelCapek在其科幻小說(shuō)《羅素姆的萬(wàn)能勞工（UniversalRobot）》首次使用機(jī)器人詞。Capek夢(mèng)想著有這樣的情況，即生物過(guò)程可以創(chuàng)造出類(lèi)人的機(jī)器，他們雖然缺乏感情和靈魂，但他們身體強(qiáng)壯并服從主人的命令，而且這些機(jī)器能夠快速而廉價(jià)地生產(chǎn)出來(lái)。

機(jī)器人市場(chǎng)很快發(fā)展起來(lái)，很多國(guó)家都想用成百上千的機(jī)器人士兵裝備軍隊(duì)，為他們賣(mài)命，即使傷亡也不足惜。最終機(jī)器人認(rèn)定自己已經(jīng)比人類(lèi)優(yōu)越，并試圖從人類(lèi)手中接管這個(gè)世界。這個(gè)故事中出現(xiàn)的名字rabota，即勞動(dòng)者，一直沿用到今天。

機(jī)器人主要基于大規(guī)模生產(chǎn)考慮主要有以下兩個(gè)原因：1、勞動(dòng)強(qiáng)度2、盡量使用機(jī)器人完成簡(jiǎn)單、重復(fù)的作業(yè)以降低成本。1950年，Asimov在其出版的《我，機(jī)器人》一書(shū)中，給機(jī)器人定下了三原則：

1、不傷害人類(lèi)；2、在原則一下服從人給出的命令；3、在與上兩個(gè)原則不矛盾的前提下保護(hù)自身

40年代末期美國(guó)阿爾貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室遙控機(jī)械手的發(fā)展用于操作放射性材料(遙控式、雙向主從式機(jī)械手)

1953年：MIT研制成功第一臺(tái)數(shù)控銑床

機(jī)械手+NC技術(shù)—>第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人的產(chǎn)生1954年：美國(guó)人George.C.Devol申請(qǐng)“可編程序的關(guān)節(jié)型搬運(yùn)裝置”發(fā)明專利1958年：約瑟夫恩格爾伯格購(gòu)買(mǎi)了德沃爾的專利，創(chuàng)造了世界上第一個(gè)制造機(jī)器人的公司—Unimation1959年：推出了第一臺(tái)示教再現(xiàn)式的(Teaching-Playback)PUMA機(jī)器人1961年：Unimation公司生產(chǎn)出第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人定名為Unimate，62年在GM公司應(yīng)用1967年：豐田和川崎重工引進(jìn)美國(guó)的Unimate和Versatran機(jī)器人1968年：通用汽車(chē)公司定購(gòu)68臺(tái)工業(yè)機(jī)器人1976年：CincinnctiMilacron公司進(jìn)入工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)，廣受歡迎1983機(jī)器人學(xué)無(wú)論是在工業(yè)生產(chǎn)還是在學(xué)術(shù)上都是一門(mén)受歡迎的學(xué)科，開(kāi)始列入教學(xué)計(jì)劃80年代日本機(jī)器人在世界占主要地位，占世界總產(chǎn)量的一半以上1994年底全世界工業(yè)機(jī)器人已發(fā)展到60萬(wàn)臺(tái)2001年底全世界實(shí)際裝備工業(yè)機(jī)器人102萬(wàn)臺(tái)有關(guān)機(jī)器人重要術(shù)語(yǔ)機(jī)器人（robot）：可編程的多功能操作裝置，通過(guò)可變的、預(yù)先編程的運(yùn)動(dòng)完成各種任務(wù)。遙控手（teleoperator）：遠(yuǎn)程操作控制進(jìn)行工作的機(jī)器人叫遙操作機(jī)器人。可行走機(jī)器人（mobilerobot）：機(jī)座可運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人。機(jī)器人學(xué)（robotics）：關(guān)于設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用機(jī)器人的一門(mén)學(xué)科。（a）Kuhnezug車(chē)載起重機(jī)；(b)FanucS-500機(jī)器人在卡車(chē)上執(zhí)行焊縫任務(wù)

機(jī)器人操作手與起重機(jī)進(jìn)行比較：相似之處（結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)、負(fù)載、控制器）具有許多連桿，這些連桿通過(guò)關(guān)節(jié)依次連接；這些關(guān)節(jié)由驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)（電機(jī)）；操作機(jī)的“手”都能在空中運(yùn)動(dòng)，達(dá)到工作空間的任何位置，并承載一定的負(fù)荷；都用一個(gè)中央控制器控制驅(qū)動(dòng)器。不同之處（控制源、名稱）起重機(jī)是由人來(lái)控制驅(qū)動(dòng)器機(jī)器人操作手是由計(jì)算機(jī)編程控制。動(dòng)作受計(jì)算機(jī)監(jiān)控的控制器所控制，該控制器本身也運(yùn)行某種類(lèi)型程序。程序改變，機(jī)器人動(dòng)作就會(huì)相應(yīng)改變。一個(gè)稱為機(jī)器人，一個(gè)稱為操作機(jī)。§1.2機(jī)器人的特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)及分類(lèi)

一、機(jī)器人的主要特點(diǎn)（通用性、適應(yīng)性）機(jī)器人的特點(diǎn)包括如下兩方面內(nèi)容：

1．通用性 機(jī)器人的通用性取決于它的幾何特性和機(jī)械能力。即指執(zhí)行不同功能完成同一任務(wù)的能力和完成多樣不同簡(jiǎn)單任務(wù)的能力。或者說(shuō)在機(jī)械結(jié)構(gòu)上允許機(jī)器人執(zhí)行不同的任務(wù)或以不同的方式完成同一任務(wù)。決定通用性有兩方面因素：一個(gè)是機(jī)器人自由度；另一個(gè)是末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)和操作能力。

2．適應(yīng)性 機(jī)器人的適應(yīng)性是指其對(duì)環(huán)境的自適應(yīng)能力，即要求所設(shè)計(jì)的機(jī)器人能夠自我執(zhí)行并適應(yīng)未經(jīng)完全指定的任務(wù)，而不管任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中是否發(fā)生了所沒(méi)有預(yù)計(jì)到的環(huán)境變化。這一能力要求機(jī)器人具有人工知覺(jué)，即能感知周?chē)h(huán)境。在這個(gè)層次上，機(jī)器人運(yùn)用它的下述能力：(1)使用傳感器感測(cè)環(huán)境的能力；(2)分析任務(wù)空間和執(zhí)行操作規(guī)劃的能力；(3)自動(dòng)指令模式的能力。

根據(jù)具體作業(yè)對(duì)象不同，機(jī)器人適應(yīng)性主要考慮三種適應(yīng)性：(1)點(diǎn)適應(yīng)性：即如何找到點(diǎn)的位置。(2)曲線適應(yīng)性：即如何利用傳感器得到的信息(或特殊結(jié)構(gòu)、材料等)沿曲面工作。(3)速度適應(yīng)性：選擇最佳運(yùn)動(dòng)速度。（與倒立擺類(lèi)似的兩輪機(jī)器人）二、機(jī)器人的結(jié)構(gòu)組成

四大組成部分?執(zhí)行機(jī)構(gòu)?驅(qū)動(dòng)單元?控制系統(tǒng)?智能系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)是機(jī)器人完成工作任務(wù)的機(jī)械實(shí)體一般為“機(jī)械手臂+末端操作器”

機(jī)械手臂manipulator：一般為由桿件機(jī)構(gòu)和關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)組成的空間開(kāi)鏈機(jī)構(gòu)常常進(jìn)一步細(xì)分為機(jī)座腰部臂部肩和肘腕部

末端操作器end-effector：按作業(yè)用途定（是機(jī)器人完成特定作業(yè)的關(guān)鍵裝置）驅(qū)動(dòng)單元

包括驅(qū)動(dòng)器、運(yùn)動(dòng)件和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)器：電機(jī)（步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)、DD電機(jī)）、氣缸、液壓缸、新型驅(qū)動(dòng)器。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)：諧波傳動(dòng)、螺旋傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、帶傳動(dòng)、繩傳動(dòng)、各種齒輪傳動(dòng)及液力傳動(dòng)。運(yùn)動(dòng)件：機(jī)器人本體上的各運(yùn)動(dòng)體?？刂葡到y(tǒng)

一般由控制計(jì)算機(jī)、驅(qū)動(dòng)裝置和伺服控制器（servocontroller）組成

控制計(jì)算機(jī)：根據(jù)作業(yè)要求接受編程發(fā)出指令控制協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)并根據(jù)環(huán)境信息協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)

伺服控制器：控制各關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)器使其按一定的速度加速度和軌跡要求進(jìn)行運(yùn)動(dòng)智能系統(tǒng)

正在發(fā)展中智能機(jī)器人除運(yùn)動(dòng)機(jī)能外還有如下三種機(jī)能

感知機(jī)能：獲取外部環(huán)境信息以便進(jìn)行自我行動(dòng)決策和監(jiān)視的機(jī)能，視覺(jué)傳感器是當(dāng)前發(fā)展的重點(diǎn)

思維機(jī)能：求解問(wèn)題的認(rèn)識(shí)推理和判斷機(jī)能——人工智能

人—機(jī)通信機(jī)能：理解指示命令輸出內(nèi)部狀態(tài)與人進(jìn)行信息交換的機(jī)能三、機(jī)器人的分類(lèi)

1、按機(jī)器人結(jié)構(gòu)形式

一般工業(yè)機(jī)器人為6個(gè)自由度前三個(gè)稱為手臂機(jī)構(gòu)后三個(gè)稱為手腕機(jī)構(gòu)。根據(jù)手臂機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)付不同形式的組合得到不同的機(jī)器人機(jī)構(gòu)形式。(1)直角坐標(biāo)式(Cartesian)符號(hào)表示PPP(2)圓柱坐標(biāo)式(Cylindrical)符號(hào)表示RPP

(3)球坐標(biāo)式(Spherical)符號(hào)表示RRP

(4)多關(guān)節(jié)式(Jointed)符號(hào)表示RRR

(5)SCARA(SelectiveComplianceAssemblyRobotArm)關(guān)節(jié)軸線全平行由日本山梨大學(xué)牧野洋教授首先提出

本課程案例教學(xué)機(jī)器人2、按機(jī)器人控制方式

(1)非伺服控制機(jī)器人：這種機(jī)器人按照事先編好的程序進(jìn)行工作，使用限位開(kāi)關(guān)、制動(dòng)器、插銷(xiāo)板和定序器控制機(jī)器人的工作。主要涉及“終點(diǎn)”、“抓放”或“開(kāi)關(guān)”式機(jī)器人，尤其是有限順序機(jī)器人。(2)伺服控制機(jī)器人：通過(guò)反饋傳感器取得的反饋信號(hào)與來(lái)自給定裝置的給定信號(hào)，用比較器加以比較后，得到誤差信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大后用以激發(fā)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)裝置，并帶動(dòng)末端執(zhí)行裝置以一定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)所要求的作業(yè)。

伺服控制分為點(diǎn)位伺服控制和連續(xù)軌跡伺服控制兩種。

點(diǎn)位伺服控制：機(jī)器人以最快和最直接的路徑（省時(shí)省力）從一個(gè)端點(diǎn)移到另一個(gè)端點(diǎn)。通常用于重點(diǎn)考慮終點(diǎn)位置，而對(duì)中間的路徑和速度不做主要限制的場(chǎng)合。實(shí)際工作路徑可能與示教時(shí)不一致。

連續(xù)軌跡伺服控制：機(jī)器人能夠平滑地跟蹤某個(gè)規(guī)定的路徑。3．按機(jī)器人的信息輸入方式日本工業(yè)機(jī)器人協(xié)會(huì)把機(jī)器人分為六類(lèi)：1)手動(dòng)操作手：由操作人員直接進(jìn)行操作的有幾個(gè)自由度的加工裝置；2)定序機(jī)器人：按預(yù)定的順序、條件和位置，逐步地重復(fù)執(zhí)行給定的作業(yè)任務(wù)，其預(yù)定信息難以修改；3)變序機(jī)器人：和第二類(lèi)一樣，但預(yù)定信息易于修改；4)示教式機(jī)器人：能夠按照記憶裝置存儲(chǔ)的信息復(fù)現(xiàn)事先由人示教的動(dòng)作，且這些示教的動(dòng)作能夠自動(dòng)重復(fù)地進(jìn)行；5)程控機(jī)器人：能夠通過(guò)提供的運(yùn)動(dòng)程序，執(zhí)行給定的任務(wù)；6)智能機(jī)器人：通過(guò)感知信息獨(dú)立檢測(cè)工作環(huán)境或工作條件的變化，借助機(jī)器人本身的自我決策能力，進(jìn)行相應(yīng)的工作。它不受工作環(huán)境或工作條件變化的影響。

美國(guó)只將后四種定義為機(jī)器人?！?.3機(jī)器人自由度、關(guān)節(jié)及坐標(biāo)系一、機(jī)器人的自由度確定點(diǎn)在空間位置—三個(gè)坐標(biāo)。確定剛體（三維物體，不是一個(gè)點(diǎn)）在空間位置—六個(gè)坐標(biāo)（三個(gè)確定空間位置，三個(gè)確定空間姿態(tài)）。需要六個(gè)自由度才能將物體放到空間任意指定位姿（即位置和姿態(tài)）。少于六個(gè)自由度，機(jī)器人的能力將受到相應(yīng)限制（自由度越少，限制越多）。

1）三自由度機(jī)器人只能沿X、Y、Z軸運(yùn)動(dòng)不能指定機(jī)械手姿態(tài)

2）五自由度機(jī)器人X、Y、Z移動(dòng)和繞X、Y的轉(zhuǎn)動(dòng)（焊接、磨削機(jī)器人，不要求Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)）

3）七自由度機(jī)器人解無(wú)窮多，要有附加決策程序使機(jī)器人從這些解中選擇一個(gè)。（檢驗(yàn)所有解，根據(jù)決策找出所求解，實(shí)際生產(chǎn)不用）

1將一個(gè)圓柱形零件放置在平板上，機(jī)器人應(yīng)具有幾個(gè)自由度？

思考題二、機(jī)器人的關(guān)節(jié)

1、直線移動(dòng)關(guān)節(jié)

2、轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)（驅(qū)動(dòng)方式）滑動(dòng)關(guān)節(jié)用P表示旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)用R表示球型關(guān)節(jié)用S表示機(jī)器人構(gòu)型通常可用一系列的P,R,S來(lái)描述

思考題三滑動(dòng)關(guān)節(jié)，三旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)怎樣表示？答案：3P3R三、機(jī)器人的坐標(biāo)

四、機(jī)器人的坐標(biāo)系

機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)中通常定義以下三種坐標(biāo)系：

1、全局參考坐標(biāo)系：此時(shí)，機(jī)器人是通過(guò)各關(guān)節(jié)的組合運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生沿X、Y、Z三個(gè)坐標(biāo)軸直線運(yùn)動(dòng)和繞他們的轉(zhuǎn)動(dòng)。

2、關(guān)節(jié)參考坐標(biāo)系：此時(shí)，機(jī)器人是通過(guò)各關(guān)節(jié)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生期望運(yùn)動(dòng)。

3、工具參考坐標(biāo)系：是一個(gè)活動(dòng)坐標(biāo)系，隨機(jī)器人手運(yùn)動(dòng)而隨之運(yùn)動(dòng)，在機(jī)器人控制中，它便于對(duì)機(jī)器人靠近、離開(kāi)物體或安裝零件進(jìn)行編程?！?.4SCARA教學(xué)機(jī)器人

SCARA教學(xué)機(jī)器人為平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人，具有3個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，其軸線相互平行，可在平面內(nèi)進(jìn)行定位和定向。另一個(gè)關(guān)節(jié)是移動(dòng)關(guān)節(jié)，用于完成末端件在垂直平面的運(yùn)動(dòng)。

一、機(jī)器人特點(diǎn)1.機(jī)構(gòu)采用平面關(guān)節(jié)型（SCARA）結(jié)構(gòu)，按工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)計(jì)，速度快、柔性好；2.采用交流伺服電機(jī)和諧波減速器等，模塊化結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)單、緊湊；3.控制系統(tǒng)采用Windows系列操作系統(tǒng)，二次開(kāi)發(fā)方便、快捷，適于教學(xué)實(shí)驗(yàn)；4.提供通用機(jī)器人語(yǔ)言編程系統(tǒng)，可通過(guò)圖形示教自動(dòng)生成機(jī)器人語(yǔ)言等程序；5.內(nèi)容涵蓋機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、機(jī)器人軌跡規(guī)劃等。二、機(jī)器人參數(shù)結(jié)構(gòu)形式平面關(guān)節(jié)式（SCARA型）負(fù)載能力1kg運(yùn)動(dòng)精度（脈沖當(dāng)量/轉(zhuǎn)）關(guān)節(jié)110000關(guān)節(jié)210000關(guān)節(jié)31600pulse/mm關(guān)節(jié)43200未端重復(fù)定位精度±0.1mm每軸最大運(yùn)動(dòng)范圍關(guān)節(jié)10~270°關(guān)節(jié)20~200°關(guān)節(jié)30~60mm關(guān)節(jié)40~345°每軸最大運(yùn)動(dòng)速度關(guān)節(jié)10.5rad/S關(guān)節(jié)20.5rad/S關(guān)節(jié)36mm/S關(guān)節(jié)43.14rda/S最大展開(kāi)半徑335mm高度480mm本體重量≤25Kg幾何尺寸關(guān)節(jié)1（長(zhǎng)度）200mm關(guān)節(jié)2（長(zhǎng)度）135mm關(guān)節(jié)3（行程）60mm控制方式PTP/CP操作方式示教再現(xiàn)供電電源二相220U、50HZ安裝要求安裝方式水平安裝安裝環(huán)境溫度：0~45℃濕度：20~80％RH（不能結(jié)露）震動(dòng)：0.5G以下避免接觸易燃腐蝕性液體或氣體，遠(yuǎn)離電氣噪聲源機(jī)器人控制技術(shù)課程主要內(nèi)容：物體空間位置的表示；機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)正、逆解；機(jī)器人作業(yè)的靜力學(xué)分析及力控制技術(shù)；機(jī)器人作業(yè)路徑規(guī)劃及驅(qū)動(dòng)、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；機(jī)器人智能及感知系統(tǒng)；機(jī)器人控制技術(shù)課程任務(wù)：使