1 機(jī)器人技術(shù)概述

機(jī)器人機(jī)構(gòu)分析與綜合

（機(jī)器人學(xué)）時間：1～14周，周五晚

聯(lián)系方式：徐海波電話：82664319Email:hbxu@辦公室：西2樓東2051.1

機(jī)器人的定義第一章機(jī)器人概述

機(jī)器人一詞的出現(xiàn)：1920年、捷克作家、

KarelCapek、《Rossum’sUniversalRobots》，“Robota”（奴隸）寫成了“Robot”。小說在1924年和1927年的時候被紛紛傳到了日本、法國和歐洲國家，機(jī)器人這個名詞就向全世界鋪展開來。

故事情節(jié)：帶感情的機(jī)器人消滅了人類，一對男女機(jī)器人相愛，世界又起死回生。上世紀(jì)60年代，可實(shí)用機(jī)械的機(jī)器人被稱為工業(yè)機(jī)器人上世紀(jì)80年代到現(xiàn)在，正越來越向智能化方向發(fā)展

因此，至今為止也沒有一個統(tǒng)一的機(jī)器人的定義。機(jī)器人學(xué)是一門不斷發(fā)展的科學(xué)，對機(jī)器人的定義也隨其發(fā)展而變化。（2）日本工業(yè)機(jī)器人協(xié)會(JIRA)的定義：工業(yè)機(jī)器人是“一種裝備有記憶裝置和末端執(zhí)行器(endeffector)的，能夠轉(zhuǎn)動并通過自動完成各種移動來代替人類勞動的通用機(jī)器”。（1）美國機(jī)器人協(xié)會(RIA)的定義：機(jī)器人是“一種用于移動各種材料、零件、工具或?qū)Ｓ醚b置的，通過可編程序動作來執(zhí)行種種任務(wù)的，并具有編程能力的多功能機(jī)械手(manipulator)”。國際上，關(guān)于機(jī)器人的定義主要有以下幾種：（3）美國國家標(biāo)準(zhǔn)局(NBS)的定義：機(jī)器人是“一種能夠進(jìn)行編程并在自動控制下執(zhí)行某些操作和移動作業(yè)任務(wù)的機(jī)械裝置”。（4）國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)的定義：“機(jī)器人是一種自動的、位置可控的、具有編程能力的多功能機(jī)械手，這種機(jī)械手具有幾個軸，能夠借助于可編程序操作來處理各種材料、零件、工具和專用裝置，以執(zhí)行種種任務(wù)”。（5）我國對機(jī)器人的定義。蔣新松院士曾建議把機(jī)器人定義為“一種擬人功能的機(jī)械電子裝置”(amechantronicdevicetoimitatesomehumanfunctions)。普遍接受的機(jī)器人定義：是一種計算機(jī)控制的可以編程的自動機(jī)械電子裝置，能感知環(huán)境，識別對象，理解指示命令，有記憶和學(xué)習(xí)功能，具有情感和邏輯判斷思維，能自身進(jìn)化，能計劃其操作程序來完成任務(wù)。6公斤弧焊機(jī)器人工業(yè)機(jī)器人（一）弧焊機(jī)器人在工作中1.2機(jī)器人的發(fā)展及應(yīng)用一、古代機(jī)器人

春秋后期，魯班曾制造過一只木鳥，能在空中飛行“三日不下”。機(jī)器馬車

西周時期，出現(xiàn)了能歌善舞的伶人，這是我國最早記載的機(jī)器人。

公元前2世紀(jì)，亞歷山大時代的古希臘人發(fā)明了最原始的機(jī)器人──自動機(jī)。可以自己開門，還可以借助蒸汽唱歌。

漢代大科學(xué)家張衡不僅發(fā)明了地動儀，而且發(fā)明了計里鼓車。每行一里，車上木人擊鼓一下，每行十里擊鐘一下。

后漢三國時期，蜀國丞相諸葛亮成功地創(chuàng)造出了“木牛流馬”。用其運(yùn)送軍糧，支援前方戰(zhàn)爭。寫字機(jī)器人

1738年，法國天才技師杰克·戴·瓦克遜發(fā)明了一只機(jī)器鴨。它會嘎嘎叫，會游泳和喝水，還會進(jìn)食和排泄。

19世紀(jì)中葉出現(xiàn)了科學(xué)幻想派和機(jī)械制作派。1886年《未來的夏娃》問世。在機(jī)械實(shí)物制造方面，1893年摩爾制造了“蒸汽人”，“蒸汽人”靠蒸汽驅(qū)動雙腿沿圓周走動。

1773年，自動書寫玩偶、自動演奏玩偶等被連續(xù)推出?，F(xiàn)在保留下來的瑞士努薩蒂爾歷史博物館里的少女玩偶，還定期彈奏音樂供參觀者欣賞。

1927年美國西屋公司工程師溫茲利制造了第一個機(jī)器人“電報箱”?？梢曰卮鹨恍﹩栴}。二、現(xiàn)代機(jī)器人

1952年，第一臺數(shù)控機(jī)床的誕生，為機(jī)器人的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

1954年美國戴沃爾最早提出了工業(yè)機(jī)器人的概念，并申請了專利。主從機(jī)器人

1948年，美國原子能委員會的阿爾貢研究所開發(fā)了機(jī)械式的主從機(jī)械手。

1962年美國AMF公司推出的“VERSATRAN”和UNIMATION公司推出的“UNIMATE”是機(jī)器人產(chǎn)品最早的實(shí)用機(jī)型（示教再現(xiàn)）。

VERSATRANUNIMATE1965年，MIT的Roborts演示了第一個具有視覺傳感器的、能識別與定位簡單積木的機(jī)器人系統(tǒng)1970年在美國召開了第一屆國際工業(yè)機(jī)器人學(xué)術(shù)會議1973年，辛辛那提·米拉克隆公司的理查德·豪恩制造了第一臺由小型計算機(jī)控制的工業(yè)機(jī)器人1980年后，日本贏得了“機(jī)器人王國”的美稱

70年代的萌芽期，80年代的開發(fā)期和90年代的適用化期。

1972年開始研制自己的工業(yè)機(jī)器人“七五”期間，完成了示教再現(xiàn)式工業(yè)機(jī)器人成套技術(shù)的開發(fā)，研制出了噴涂、點(diǎn)焊、弧焊和搬運(yùn)機(jī)器人1986年國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）開始實(shí)施上世紀(jì)90年代初期起，形成了一批機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化基地我國工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展：

日本和美國在20世紀(jì)60年代就已經(jīng)開始進(jìn)行機(jī)器人的研究，與他們相比較，我國還存在較大的差距，因此需要更多的人加入到發(fā)展機(jī)器人的事業(yè)中來。1.1.3機(jī)器人的分類機(jī)器人的種類很多?？梢园打?qū)動形式、用途、結(jié)構(gòu)和智能水平等觀點(diǎn)劃分

１、按驅(qū)動形式

氣壓驅(qū)動

液壓驅(qū)動

電驅(qū)動

交流伺服驅(qū)動

直流伺服驅(qū)動

2、按用途劃分（1）工業(yè)機(jī)器人弧焊機(jī)器人點(diǎn)焊機(jī)器人搬運(yùn)機(jī)器人裝配機(jī)器人噴涂機(jī)器人拋光機(jī)器人（2）特種機(jī)器人空間機(jī)器人

水下機(jī)器人軍用機(jī)器人教學(xué)機(jī)器人

服務(wù)機(jī)器人

醫(yī)用機(jī)器人

排險救災(zāi)機(jī)器人

固定式移動式輪式履帶式足式蛇行3、按智能水平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(shí)現(xiàn)若干預(yù)定的功能。固定順序機(jī)器人按預(yù)定的不變順序及條件，依次控制機(jī)器人的機(jī)械動作。可變順序機(jī)器人按預(yù)定的順序及條件，依次控制機(jī)器人的機(jī)械動作。但順序和條件可作適當(dāng)改變。示教再現(xiàn)型機(jī)器人通過手動或其它方式，先引導(dǎo)機(jī)器人動作，記錄下工作程序，機(jī)器人則自動重復(fù)進(jìn)行作業(yè)。數(shù)控型機(jī)器人不必使機(jī)器人動作，通過數(shù)值、語言等為機(jī)器人提供運(yùn)動程序，能進(jìn)行可變程伺服控制。感知型機(jī)器人利用傳感器獲取的信息控制機(jī)器人的動作。機(jī)器人對環(huán)境有一定的適應(yīng)性。智能機(jī)器人機(jī)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1.1.4機(jī)器人技術(shù)展望進(jìn)入90年代后,機(jī)器人數(shù)量增長速度下降,但由于人工智能、計算機(jī)科學(xué)、傳感器技術(shù)的長足進(jìn)步，使機(jī)器人技術(shù)研究在高水平上進(jìn)行。未來機(jī)器人技術(shù)將有待于在以下幾個方面發(fā)展。一、操作臂技術(shù)1．

高速操作臂：機(jī)構(gòu)，伺服驅(qū)動，動態(tài)控制方法；2．

柔性操作臂：提高荷重比（＜30∶10），輕質(zhì)材料；3．

冗余自由度臂；4．

高精度、多自由度力控制：精密組裝；5．

微型操作臂。二、移動技術(shù)1、新型移動機(jī)構(gòu)：適合非結(jié)構(gòu)環(huán)境的移動機(jī)構(gòu)；2、運(yùn)動控制：建模、制導(dǎo)、導(dǎo)航、路徑規(guī)劃。三、感知技術(shù)1、視覺：圖像識別與處理；2、手眼協(xié)調(diào)；3、接觸覺小型化；4、多信息融合。四、自主控制技術(shù)1、分布式計算機(jī)控制技術(shù)；2、人工智能技術(shù)。20公斤點(diǎn)焊機(jī)器人點(diǎn)焊機(jī)器人在工作中6公斤弧焊機(jī)器人工業(yè)機(jī)器人（一）弧焊機(jī)器人在工作中涂膠機(jī)器人龍門式噴漆機(jī)器人SCARA型裝配機(jī)器人工業(yè)機(jī)器人（二）搬運(yùn)機(jī)器人碼垛機(jī)器人噴漆機(jī)器人“雙鷹”水下機(jī)器人水下掃雷機(jī)器人“探索者號”水下機(jī)器人Spirit火星漫游車Marshod火星漫游車CanadaArm太空機(jī)械臂特種機(jī)器人（一）美國“別動隊”無人機(jī)法國“紅隼”無人機(jī)微型無人機(jī)特種機(jī)器人（二）豹式排雷機(jī)器人“徘徊者”偵察機(jī)器人“手推車”機(jī)器人機(jī)器人助手特種機(jī)器人（三）足球機(jī)器人AIBO機(jī)器狗指揮機(jī)器人迎賓機(jī)器人導(dǎo)盲機(jī)器人跳舞機(jī)器人醫(yī)療機(jī)器人特種機(jī)器人（四）管內(nèi)機(jī)器人隧道鑿巖機(jī)器人大型噴漿機(jī)器人室外保安機(jī)器人德國排爆機(jī)器人消防機(jī)器人防暴機(jī)器人

各種用途的機(jī)器人：水下機(jī)器人、空間機(jī)器人、空中機(jī)器人、地面機(jī)器人、微小型機(jī)器人等新的機(jī)器人名稱：“軟件機(jī)器人”、“網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人”、機(jī)器人化機(jī)器德國排爆機(jī)器人相撲機(jī)器人無人駕駛振動式壓路機(jī)機(jī)器魚“自由泳”“過龍門”在水中“戲球”自主地避開障礙物機(jī)器魚我國研制的排爆機(jī)器人1.2

機(jī)器人的優(yōu)缺點(diǎn)一、優(yōu)點(diǎn)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；可以在危險環(huán)境下工作，無需考慮生命保障或安全的需要；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；二、缺點(diǎn)替代了工人，由此帶來經(jīng)濟(jì)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)備費(fèi)用開銷較大。理由之三：機(jī)器人做人做不了的事情。比如人們對太空的認(rèn)識，對原子分子進(jìn)行搬遷的機(jī)器人,為什么要發(fā)展機(jī)器人?理由之二：機(jī)器人做人不愿意做或做不好的事。比如有毒的、高溫的或危險的環(huán)境，汽車生產(chǎn)線上的焊接工作機(jī)器人汽車焊接生產(chǎn)線理由之一：提高生產(chǎn)效率降低人的勞動強(qiáng)度。比如焊機(jī)器人提高生產(chǎn)效率，提高汽車焊接的質(zhì)量，降低工人的勞動強(qiáng)度

汽車裝配機(jī)器人我們學(xué)習(xí)機(jī)器人課程的理由是什么為了利用機(jī)器人的技術(shù)或方法。機(jī)器人技術(shù)是集機(jī)械學(xué)、力學(xué)、電子學(xué)、生物學(xué)、控制論、人工智能、系統(tǒng)工程等多種學(xué)科于一體的綜合性很強(qiáng)的新技術(shù)機(jī)器人的外型不一定像人1.3

機(jī)器人的組成、構(gòu)型及性能要素1.3.1

機(jī)器人的組成機(jī)器人是一個機(jī)電一體化的設(shè)備。從控制觀點(diǎn)來看，機(jī)器人系統(tǒng)可以分成四大部分：機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動裝置、控制系統(tǒng)、感知反饋系統(tǒng)。機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動裝置控制系統(tǒng)感知系統(tǒng)基座（固定或移動）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一、執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括：手部、腕部、臂部、腰部和基座等。相當(dāng)于人的肢體。二、驅(qū)動裝置包括：驅(qū)動源、傳動機(jī)構(gòu)等。相當(dāng)于人的肌肉、筋絡(luò)。三、感知反饋系統(tǒng)包括：內(nèi)部信息傳感器，檢測位置、速度等信息；外部信息傳感器，檢測機(jī)器人所處的環(huán)境信息。相當(dāng)于人的感官和神經(jīng)。四、控制系統(tǒng)包括：處理器及關(guān)節(jié)伺服控制器等，進(jìn)行任務(wù)及信息處理，并給出控制信號。相當(dāng)于人的大腦和小腦。內(nèi)部傳感器（位形檢測）控制系統(tǒng)驅(qū)動裝置執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作對象外部傳感器（環(huán)境檢測）

1處理器關(guān)節(jié)控制器1.3.2

機(jī)器人的構(gòu)型機(jī)器人的機(jī)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(biāo)特性來描述的。一、工業(yè)機(jī)器人

1、直角坐標(biāo)型(3P)

其運(yùn)動是解耦的，控制簡單。但運(yùn)動靈活性較差，自身占據(jù)空間最大。2、圓柱坐標(biāo)型(R2P)

其運(yùn)動耦合性較弱，控制也較簡單，運(yùn)動靈活性稍好。但自身占據(jù)空間也較大。圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人模型Verstran機(jī)器人Verstran機(jī)器人3、極坐標(biāo)型（也稱球面坐標(biāo)型）(2RP)

其運(yùn)動耦合性較強(qiáng)，控制也較復(fù)雜。但運(yùn)動靈活性好。占自身據(jù)空間也較小。極坐標(biāo)型機(jī)器人模型Unimate機(jī)器人4、關(guān)節(jié)坐標(biāo)型(3R)

其運(yùn)動耦合性強(qiáng)，控制較復(fù)雜。但運(yùn)動靈活性最好，自身占據(jù)空間最小。關(guān)節(jié)型搬運(yùn)機(jī)器人關(guān)節(jié)型焊接機(jī)器人關(guān)節(jié)型機(jī)器人模型5、平面關(guān)節(jié)型(SCARA)

僅平面運(yùn)動有耦合性，控制較通用關(guān)節(jié)型簡單。但運(yùn)動靈活性更好，鉛垂平面剛性好。SCARA型裝配機(jī)器人仿生型自由度一般較多，具有更強(qiáng)的適應(yīng)性和靈活性，但控制更復(fù)雜，成本更高，剛性較差。類人型機(jī)器人仿狗機(jī)器人蛇形機(jī)器人二、特種機(jī)器人

六輪漫游機(jī)器人仿魚機(jī)器人仿鳥機(jī)器人六足漫游機(jī)器人1.3.3

機(jī)器人的性能要素

自由度數(shù)衡量機(jī)器人適應(yīng)性和靈活性的重要指標(biāo)，一般自由度數(shù)等于機(jī)器人的關(guān)節(jié)數(shù)。機(jī)器人所需要的自由度數(shù)決定與其作業(yè)任務(wù)。

負(fù)荷能力機(jī)器人在滿足其它性能要求的前提下，能夠承載的負(fù)荷重量。

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

精度指機(jī)器人到達(dá)指定點(diǎn)的精確程度。它與機(jī)器人驅(qū)動器的分辨率及反饋裝置有關(guān)。

重復(fù)精度指機(jī)器人重復(fù)到達(dá)同樣位置的精確程度。它不僅與機(jī)器人驅(qū)動器的分辨率及反饋裝置有關(guān)，還與傳動機(jī)構(gòu)的精度及機(jī)器人的動態(tài)性能有關(guān)。

控制模式引導(dǎo)或點(diǎn)到點(diǎn)示教模式；連續(xù)軌跡示教模式；軟件編程模式；自主模式。

運(yùn)動速度單關(guān)節(jié)速度；合成速度。

其它動態(tài)特性如穩(wěn)定性、柔順性等。1．機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)(1)：

從體系結(jié)構(gòu)來看，機(jī)器人分為三大部分六個系統(tǒng)，分別是：三大部分：機(jī)械部分（用于實(shí)現(xiàn)各種動作）、傳感部分（用于感知內(nèi)部和外部的信息）、控制部分（控制機(jī)器人完成各種動作）。

1.4、機(jī)器人的結(jié)構(gòu)1．機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)(2)：六個系統(tǒng)：

A．

驅(qū)動系統(tǒng)：提供機(jī)器人各部位、各關(guān)節(jié)動作的原動力。

B