機器人工學第一章

機器人工學第一章第一頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日第一章：概論一、機器人的概念

機器人學是一門新興的邊緣學科。它綜合了力學、機構學、機械設計學、自動控制、傳感技術、電液驅動技術、計算機、人工智能仿生學等學科的有關知識和最新成果，逐步形成了獨特的體系。

第二頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日機器人學是一門集中反映高新技術的新興學科機器人學是隨著機器人的發(fā)展而發(fā)展的，而它的發(fā)展與完善又不斷地推動著機器人技術水平的提高，擴大機器人的應用領域，同時機器人學也極大地促進了控制技術、人工智能、傳承技術、仿生學等學科的發(fā)展，所以機器人學是一門集中反映高新技術的新興學科第三頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日二、機器人的發(fā)展簡史

機器人，在美國和西方稱為“羅伯特”（Robot）。首先出現(xiàn)Robot一詞，是1920年捷克作家卡雷爾·查培克(KarelCapek)編寫的劇本，羅落姆的《萬能機器人》中，該詞在捷克語里意味著苦力。機器人被當作強壯的人造勞動者，是一個具有人的外表、特征和功能的機器。第四頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日科學幻想小說和電影中的角色第五頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日真正的現(xiàn)代機器人是從二次大戰(zhàn)后發(fā)展起來的。一般認為始于40年代中期。那時棕樹嶺和阿爾貢國家實驗室設計和制造了主從機械手，用于搬動放射性材料。第六頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日第一臺樣機問世

50年代初，隨著傳動和控制技術的發(fā)展。工業(yè)生產(chǎn)日益大規(guī)模和現(xiàn)代化，人們迫切感到在危險和單調(diào)重復的工作中，需要有一種能為人代勞的自動工具，因而對機器人產(chǎn)生了極大的興趣。1954年，美國開始投入力量進行研究，兩年后，聯(lián)合控制公司捷足先登，第一臺樣機問世。1962年，該公司制成“尤尼邁特（Unimate）出售。第七頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日這種機器人外形有點像坦克炮塔，基座上有一個大機械臂，大臂可繞軸在基座上轉動，大臂上又伸出一個小機械臂，它相對大臂可以伸出或縮回。小臂頂有一個腕子，可繞小臂轉動，進行俯仰和側搖。腕子前頭是手，操作器。這個機器人的功能和人手臂功能相似。第八頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日機器人在日本取得的進展機器人在美國商品化和潛在的巨大價值，引起了歐洲各國和日本的重視，相繼投入力量研制和生產(chǎn)，逐步形成高潮。其中，日本取得的進展特別引人注目。日本在1967年從美國引進機器人技術后，不久即實現(xiàn)了機器人國產(chǎn)化，而目前機器人的總擁有量及年產(chǎn)量均占世界首位。第九頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日歐洲機器人產(chǎn)業(yè)主要是80年代初期發(fā)展起來的。前聯(lián)邦德國把機器人技術列為80年代十大技術的第一項技術英國在1979年以前不重視機器人，而現(xiàn)在把機器人作為復興英國工業(yè)的重要措施。第十頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日總之，從世界上第一臺機器人問世到現(xiàn)在，不僅迅速發(fā)展成為一門新興的獨特科學技術——機器人技術，而且在世界范圍形成了一門新的產(chǎn)業(yè)——機器人工業(yè)，它在社會發(fā)展的進程中將起極大的作用。第十一頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日三、世界工業(yè)機器人的概況1、擁有量國家日本美國德國法國意大利英國1984646001300066003380270026231997420000770006900015600283009958200143340011480075000190009570014200第十二頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日2、銷售額

1980年總銷售額6.6億美元1990年總銷售額73億美元1993年總銷售額33億美元1994年總銷售額37億美元1995年總銷售額51億美元1997年總銷售額49億美元

第十三頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日3、用途分布

日本（1982年）

美國（1982年）

美國（1990年）

焊接25%35%23%搬運20%20%12%裝配20%2%12%裝卸8%15%19%噴繪3%10%6%鑄造3%15%11%其它22%3%17%第十四頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日美國工業(yè)機器人用于工業(yè)部門的分布金屬材料工業(yè)18%金屬制品工業(yè)15%機器制造業(yè)（不包括電氣）11%電氣制造業(yè)3%電子工業(yè)3%汽車43%宇航0.5%其它6.5%第十五頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日用途1第十六頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日用途2第十七頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日用途3第十八頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日用途４第十九頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日用

途

５第二十頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日用途6第二十一頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日四、機器人的定義

我國對工業(yè)機器人的定義為:“是一種能自動定位控制，可重復編程的、多功能的、多自由度的操作機。能搬運材料、零件或操持工具，用以完成各種作業(yè)?！保℅B/T12643-90）第二十二頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日五、技術發(fā)展趨勢1）、感覺功能2）、控制智能化3）、移動功能的智能化4）、系統(tǒng)應用與集成化5）、安全可靠性6）、微型化第二十三頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日六：機器人的分類1、根據(jù)輸入信息和示教形式分類

1）、手動機械手2）、固定順序機器人3）、可變順序機器人4）、記憶再生式機器人5）、數(shù)字控制機器人6）、智能機器人第二十四頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日2、根據(jù)動作形態(tài)分類1）、直角坐標型機器人

第二十五頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日2）、圓柱坐標型機器人

第二十六頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日3）、球坐標（極坐標）型機器人

第二十七頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日4）、多關節(jié)型機器人

第二十八頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日5）、平面關節(jié)型機器人

(SCARA)

第二十九頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日各種坐標工業(yè)機器人的特征比較

坐標型式

作業(yè)空間

慣性

定位精度

定向特性

結構特點

占地面積

大小形狀直角坐標小立方體較大容易控制好簡單大圓柱坐標較大空心圓柱體較大較易控制較好較簡單較小球坐標型大扇形截面旋轉體較小不易控制差較復雜較小多關節(jié)型大球體較小不易控制差復雜小第三十頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日3、按驅動方式分類

1）、氣壓驅動式

2）、液壓式

3）、電機驅動式

第三十一頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日4、按可搬重量的大小和動作范圍分類

1）、超大型機器人——可搬動1噸以上重量的機器人；2）、大型工業(yè)機器人——可搬動100kg—1噸重量的機器人，動作范圍為1m3；3)、中型機器人——可搬動10~100kg重量，動作范圍為1~10m3；4）、小型機器人——可搬動0.1~10kg重量，動作范圍為0.1~1m3；5)、超小型機器人——可搬動0.1kg以下重量。

第三十二頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日5、根據(jù)機器人功能水平和技術先進程度按代分類

第一代：機器人以固定程序，示教再現(xiàn)及可編程序為主要特征；第二代：機器人帶有視覺和觸覺，采用自適應控制；第三代：機器人稱為人工智能機器人。第三十三頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日七、機器人的組成機器人的結構型式是多種多樣的，但歸納起來看，一個機器系統(tǒng)基本上是由執(zhí)行機構、控制系統(tǒng)和傳感器系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)四部分組成。

第三十四頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日機器人各組成部分關系圖

行程速度檢測控制系統(tǒng)其它傳感器驅動系統(tǒng)執(zhí)行機構工作對象第三十五頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日1、執(zhí)行機構

根據(jù)控制信息和指令，完成要求的動作，執(zhí)行機構一般采用機械，電磁，電液等機械運動部件。

1）、手部

2）、腕部

3）、臂部

4）、立柱

5）、行走機構

第三十六頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日2、驅動系統(tǒng)在控制信息作用下，提供動力，驅動各執(zhí)行機構完成各種動作功能。

第三十七頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日3、控制系統(tǒng)

指揮機器人按要求動作的裝置。

該系統(tǒng)是通過對驅動系統(tǒng)的控制，使執(zhí)行機構按照規(guī)定的要求進行工作。

第三十八頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日4、檢測系統(tǒng)

其作用是通過各種檢測器，傳感器，檢測執(zhí)行機構的運動情況，根據(jù)需要反饋給控制系統(tǒng)與設定值進行比較后，對執(zhí)行機構進行調(diào)整，以保證其動作符合設計要求。

第三十九頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日八、機器人基本機能

從機器人基本機能的構成來看，可歸納為兩個方面，即:

控制機能

機械機能。

第四十頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日1、控制機能

對于高級的智能機器人，其控制機能是指設計所賦予的某些似人的邏輯思維能力，對環(huán)境條件的反射能力，對工藝操作的自適應能力等。對于一般的工業(yè)機器人，是指設計時所賦予的自動或他動的程序變換能力，按指令自動實現(xiàn)規(guī)定的動作程序的能力等。

第四十一頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日控制機能控制機能指令機能

學習機能

記憶機能

重現(xiàn)機能

環(huán)境反射（感覺反饋）機能自適應機能

邏輯判斷機能

第四十二頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日2、機械機能

它是指設計的賦給機器人似人或超過人生理條件的運動機能和物理機能。

第四十三頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日機械機能

機械機能運動機能

物理機能

抓取機能

定向機能

工藝操作機能

行走機能

定位機能

負重能力

速度

持續(xù)作功能力工作準確性工作穩(wěn)定性

抗熱、抗振、抗腐蝕能力防水、防塵、防火能力

第四十四頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日九、機器人的技術參數(shù)

1、提取重量

2、自由度和坐標型式

3、運動行程

4、運動速度

5、位置精度

6、程序編制及存貯容量

第四十五頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日1、提取重量提取重量是用來表明機器人負荷能力的技術參數(shù)，這項參數(shù)與機器人的運行速度有關，一般指其正常運行時所能提取的工件重量。當機器人運行可調(diào)時，低速運行所能提取工件的最大重量比高速運行的大。為安全起見，亦有將高速時所能提取的工件重量作為指標，此時則需說明運行速度。第四十六頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日2、自由度數(shù)和坐標型式機器人自由度數(shù)，是指手臂運動部件由固定端算起的單位動作數(shù)之和，一般指臂部和腕部自由度之和，移動自由度，是指臂部沿直角坐標軸X、Y、Z三個方向進行的前后、上下、左右的直線運動?；剞D自由度，是指臂部或腕部圍繞X、Y、Z軸的旋轉運動。第四十七頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日3、運動行程運動行程（指直線距離或回轉角度），即臂部、腕部、整個機器人各自由度的變動量。

根據(jù)運動行程，結合其運動型式，可計算出機器人的工作范圍。第四十八頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日4、運動速度運動速度是反映機器人性能的一項重要技術參數(shù)，它與機器人的提取重量、位置等參數(shù)都有密切的關系，同時也直接影響機器人的運動周期。一般說的運動速度，是指其最大運行速度。第四十九頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日5、位置精度位置精度是