機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)及應(yīng)用概論

機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)及應(yīng)用Fundamentalsandapplicationsofrobotics概論21.1工業(yè)機(jī)器人的定義1.2工業(yè)機(jī)器人的特點(diǎn)1.3工業(yè)機(jī)器人的組成1.4工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)1.5工業(yè)機(jī)器人的分類1.6工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域1.7工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r1.8機(jī)器人學(xué)的基本內(nèi)容

目錄3美國、英國、日本等國機(jī)器人工業(yè)協(xié)會：工業(yè)機(jī)器人是用來進(jìn)行搬運(yùn)材料、零件、工具等可編程的多功能機(jī)械手，或通過不同程序的調(diào)用來完成各種工作任務(wù)的特種裝置；國際化標(biāo)準(zhǔn)組織(ISO)：工業(yè)機(jī)器人是一種具有自動控制的操作和移動功能，能夠完成各種作業(yè)的可編程操作機(jī)。工業(yè)機(jī)器人是一種在三維空間中具有較多自由度的，并能實(shí)現(xiàn)諸多擬人動作和功能的機(jī)器。1.1工業(yè)機(jī)器人的定義4擬人化可編程通用性機(jī)電一體化1.2工業(yè)機(jī)器人的特點(diǎn)5機(jī)械部分驅(qū)動系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)傳感部分感受系統(tǒng)機(jī)器人-環(huán)境交互系統(tǒng)信息處理及控制部分控制系統(tǒng)人-機(jī)器人交互系統(tǒng)1.3工業(yè)機(jī)器人的組成6功能：使各種機(jī)械部件產(chǎn)生運(yùn)動驅(qū)動方式液壓方式氣壓方式電動方式綜合方式新型驅(qū)動方式同機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的連接直接連接間接連接：同步帶、鏈條、齒輪系、諧波齒輪1.3工業(yè)機(jī)器人的組成1.3.1驅(qū)動系統(tǒng)7機(jī)器人的基本組成組成：機(jī)身、手臂、末端操作器。機(jī)身：具備行走機(jī)構(gòu)，構(gòu)成行走機(jī)器人（移動式機(jī)器人）；不具備行走及腰轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，構(gòu)成單臂機(jī)器人（固定式機(jī)器人）。手臂：上臂（大臂）、下臂（小臂）、手腕末端操作器：手爪、噴槍、焊槍、激光頭。1.3工業(yè)機(jī)器人的組成1.3.2機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)8功能：獲取內(nèi)部和外部環(huán)境狀態(tài)中的有用信息。分類：內(nèi)部傳感器：檢測機(jī)器人各部分的狀態(tài)；外部傳感器：獲取外部環(huán)境的相關(guān)信息。外部傳感器觸覺傳感器：接近覺、接觸覺、壓覺、滑覺、力覺視覺傳感器聽覺傳感器嗅覺傳感器味覺傳感器內(nèi)部傳感器位置傳感器速度傳感器加速度傳感器姿態(tài)傳感器1.3工業(yè)機(jī)器人的組成1.3.3感受系統(tǒng)9可實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人與外部環(huán)境中的設(shè)備相互聯(lián)系和協(xié)調(diào)的系統(tǒng)。1.3工業(yè)機(jī)器人的組成1.3.4機(jī)器人-環(huán)境交互系統(tǒng)10功能：根據(jù)機(jī)器人的作業(yè)指令程序以及從傳感器反饋回來的信號支配機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)去完成規(guī)定的運(yùn)動和功能?？刂品绞剑狐c(diǎn)位控制連續(xù)軌跡控制1.3工業(yè)機(jī)器人的組成1.3.5控制系統(tǒng)11功能：可使操作人員參與機(jī)器人控制并與機(jī)器人進(jìn)行聯(lián)系。組成：指令給定裝置信息顯示裝置1.3工業(yè)機(jī)器人的組成1.3.6人-機(jī)器人交互系統(tǒng)12自由度工作范圍承載能力最大工作速度定位精度與重復(fù)定位精度分辨率1.4工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)13自由度是指機(jī)器人所具有的獨(dú)立坐標(biāo)軸運(yùn)動的數(shù)目，不包括手爪(末端執(zhí)行器)的開合自由度；機(jī)器人的自由度越多，就越能接近人手的動作機(jī)能，通用性就越好；但結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，對機(jī)器人的整體要求就越高；自由度的選擇與生產(chǎn)要求有關(guān)。1.4工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)1.4.1自由度14工作范圍是指機(jī)器人手臂末端或手腕中心所能到達(dá)的所有點(diǎn)的集合；由于末端執(zhí)行器的形狀和尺寸是多種多樣的，為真實(shí)反映機(jī)器人的特征參數(shù)，所以工作范圍是指不安裝末端執(zhí)行器時的工作區(qū)域。

機(jī)器人的工作范圍1.4工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)1.4.2工作范圍15承載能力是指機(jī)器人在工作范圍內(nèi)的任何位姿上所能承受的最大質(zhì)量；承載能力不僅指負(fù)載質(zhì)量，且包括機(jī)器人末端執(zhí)行器的質(zhì)量；承載能力不僅決定于負(fù)載的質(zhì)量，且與機(jī)器人運(yùn)行的速度和加速度的大小和方向有關(guān)；為安全起見，承載能力這一技術(shù)指標(biāo)是指高速運(yùn)行時的承載能力。1.4工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)1.4.3承載能力16廠家不同對最大工作速度規(guī)定的內(nèi)容亦有不同，有的廠家定義為工業(yè)機(jī)器人主要自由度上最大的穩(wěn)定速度；有的廠家定義為手臂末端最大的合成速度，通常在技術(shù)參數(shù)中加以說明；工作速度愈高，工作效率愈高；但工作速度愈高，就要花費(fèi)更多的時間去升速或降速，或者對工業(yè)機(jī)器人最大加速度變化率及最大減速度變化率的要求更高。1.4工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)1.4.4最大工作速度17定位精度：機(jī)器人手部實(shí)際到達(dá)位置與目標(biāo)位置之間的偏差；重復(fù)定位精度：在相同條件下，重復(fù)多次所測的同一位姿的不一致程度。定位精度與重復(fù)定位精度1.4工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)1.4.5定位精度與重復(fù)定位精度18分辨率是指機(jī)器人各軸所能實(shí)現(xiàn)的最小移動距離或最小轉(zhuǎn)動角度。1.4工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)1.4.6分辨率19按坐標(biāo)形式按可移動性按機(jī)構(gòu)原型按是否具有冗余自由度按驅(qū)動方式按控制方式按智能程度1.5工業(yè)機(jī)器人的分類20直角坐標(biāo)型機(jī)器人圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人球坐標(biāo)型機(jī)器人關(guān)節(jié)坐標(biāo)型機(jī)器人平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人1.5工業(yè)機(jī)器人的分類1.5.1按坐標(biāo)形式21直角坐標(biāo)型機(jī)器人直角坐標(biāo)型機(jī)器人手部空間位置的改變通過沿三個互相垂直的軸線的移動來實(shí)現(xiàn)；位置精度高，控制無耦合、簡單，避障性好；但結(jié)構(gòu)較龐大，動作范圍小，靈活性差，難與其他機(jī)器人協(xié)調(diào)，移動軸的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，且占地面積較大。1.5工業(yè)機(jī)器人的分類圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人通過兩個移動和一個轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)手部空間位置的改變；位置精度僅次于直角坐標(biāo)型，控制簡單，避障性好，難與其他機(jī)器人協(xié)調(diào)工作，兩個移動軸的設(shè)計(jì)較復(fù)雜。1.5工業(yè)機(jī)器人的分類圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人23球坐標(biāo)（極坐標(biāo)）型機(jī)器人手臂的運(yùn)動由一個直線運(yùn)動和兩個轉(zhuǎn)動所組成；占地面積較小，結(jié)構(gòu)緊湊，位置精度尚可，能與其他機(jī)器人協(xié)調(diào)工作，重量較輕，但避障性差，有平衡問題，位置誤差與臂長有關(guān)。球坐標(biāo)型機(jī)器人1.5工業(yè)機(jī)器人的分類24關(guān)節(jié)坐標(biāo)型機(jī)器人關(guān)節(jié)坐標(biāo)型機(jī)器人機(jī)器人的運(yùn)動由前、后臂的俯仰及立柱的回轉(zhuǎn)構(gòu)成；結(jié)構(gòu)最緊湊，靈活性大，占地面積最小，工作空間最大，能與其他機(jī)器人協(xié)調(diào)工作，避障性好，但位置精度較低，有平衡問題，控制存在耦合，故比較復(fù)雜，這種機(jī)器人目前應(yīng)用得最多。1.5工業(yè)機(jī)器人的分類25平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人可看成關(guān)節(jié)坐標(biāo)機(jī)器人的特例，只有平行的肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)軸線共垂面；在垂直平面內(nèi)具有很好的剛性，在水平面內(nèi)具有較好的柔順性。

1.5工業(yè)機(jī)器人的分類26固定式機(jī)器人移動式機(jī)器人輪式履帶式足式（步行式）：單足、雙足、四足、六足和八足1.5工業(yè)機(jī)器人的分類1.5.2按可移動性27串聯(lián)式機(jī)器人：以開環(huán)機(jī)構(gòu)為機(jī)器人的機(jī)構(gòu)原型。ABB串聯(lián)機(jī)器人1.5工業(yè)機(jī)器人的分類1.5.3按機(jī)構(gòu)原型28并聯(lián)式機(jī)器人：以閉環(huán)機(jī)構(gòu)為機(jī)器人的機(jī)構(gòu)原型。并聯(lián)式機(jī)器人與串聯(lián)式機(jī)器人相比，活動空間較小，手部不夠靈活；但其具有剛度大等優(yōu)點(diǎn)，特殊于應(yīng)用領(lǐng)域，與串聯(lián)機(jī)器人形成互補(bǔ)，是機(jī)器人的拓展。ABB并聯(lián)機(jī)器人并聯(lián)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域：大扭矩螺栓連接；金屬切削加工機(jī)床；測量機(jī)構(gòu)和其他機(jī)構(gòu)的誤差補(bǔ)償器；微動機(jī)構(gòu)或微型機(jī)構(gòu)，如手術(shù)機(jī)器人。1.5工業(yè)機(jī)器人的分類1.5.3按機(jī)構(gòu)原型29冗余自由度機(jī)器人冗余自由度機(jī)器人擁有比它的末端操作器到達(dá)所要求的位置和方向所需要的自由度更多的自由度。冗余自由度機(jī)器人具有比非冗余自由度機(jī)器人更好的性能：后者在外部環(huán)境中有障礙物時受到非常大的限制，而前者則能很好地完成任務(wù)。非冗余自由度機(jī)器人冗余自由度機(jī)器人1.5工業(yè)機(jī)器人的分類1.5.4按是否具有冗余自由度30氣壓驅(qū)動式機(jī)器人：優(yōu)點(diǎn)是空氣來源方便，動作迅速，結(jié)構(gòu)簡單，造價低；缺點(diǎn)是空氣具有可壓縮性，致使工作速度的穩(wěn)定性較差。適宜抓舉力要求較小的場合。液壓驅(qū)動式機(jī)器人：具有強(qiáng)大抓舉能力，結(jié)構(gòu)緊湊，傳動平穩(wěn)且動作靈敏的優(yōu)點(diǎn)；缺點(diǎn)是對密封要求高，不宜在高溫或低溫下工作，制造精度及成本要求高。電動驅(qū)動式機(jī)器人：利用電動機(jī)產(chǎn)生的力或力矩驅(qū)動機(jī)器人，獲得所需的位置、速度、加速度。其具有無環(huán)境污染，易于控制，運(yùn)動精度高，成本低，驅(qū)動效率高等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用最為廣泛。新型驅(qū)動方式機(jī)器人：靜電驅(qū)動式、壓電驅(qū)動式、形狀記憶合金驅(qū)動式、人工肌肉驅(qū)動式、光驅(qū)動式等。1.5工業(yè)機(jī)器人的分類1.5.5按驅(qū)動方式31點(diǎn)位控制機(jī)器人：從一個點(diǎn)位目標(biāo)移向另一個點(diǎn)位目標(biāo)，只在目標(biāo)點(diǎn)上完成操作。用于點(diǎn)焊、搬運(yùn)機(jī)器人；連續(xù)軌跡控制機(jī)器人：能夠平滑地跟隨某個規(guī)定的路徑。用于弧焊、噴漆、去毛刺、檢測機(jī)器人。1.5工業(yè)機(jī)器人的分類1.5.6按控制方式32第一代機(jī)器人：只能以示教-再現(xiàn)方式工作，對外部信息不具備反饋能力。手把手示教：機(jī)器人根據(jù)人的操作方式記住一連串運(yùn)動，工作時自動重復(fù)這些運(yùn)動，從而完成給定位置的噴涂工作；通過控制面板示教：操作人員利用控制面板上的開關(guān)或鍵盤控制機(jī)器人運(yùn)動，機(jī)器人自動記錄下每一步并重復(fù)。第二代機(jī)器人：不僅具有內(nèi)部傳感器而且具有外部傳感器，能獲取外部環(huán)境信息。第三代機(jī)器人：是智能機(jī)器人，具有多種感知功能，可進(jìn)行復(fù)雜的邏輯推理、判斷及決策，在作業(yè)環(huán)境中能獨(dú)立行動，具有發(fā)現(xiàn)問題且能自主地解決問題的能力。

1.5工業(yè)機(jī)器人的分類1.5.7按智能程度33自動化生產(chǎn)領(lǐng)域：人可以做得到，讓機(jī)器人代替人去做；惡劣工作環(huán)境，危險工作場合：人可以做得到，但非常危險，讓機(jī)器人代替人去做；特殊作業(yè)場合：人不能做到，讓機(jī)器人代替人去做。1.6工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域34加工機(jī)器人裝配機(jī)器人焊接機(jī)器人搬運(yùn)機(jī)器人噴漆機(jī)器人檢測機(jī)器人其他：密封和粘接、清砂和拋光、熔模鑄造和壓鑄、鍛造1.6工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域1.6.1自動化生產(chǎn)領(lǐng)域35加工機(jī)器人沖壓機(jī)器人1.6工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域36焊接機(jī)器人1.6工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域焊接機(jī)器人37噴漆機(jī)器人1.6工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域噴漆機(jī)器人38拋光機(jī)器人1.6工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域拋光機(jī)器人39不同技術(shù)、學(xué)科交叉、融合下的共融機(jī)器人移動式混聯(lián)加工機(jī)器人1.6工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域40不同技術(shù)、學(xué)科交叉、融合下的共融機(jī)器人雙機(jī)鏡像銑加工機(jī)器人1.6工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域41不同技術(shù)、學(xué)科交叉、融合下的共融機(jī)器人自適應(yīng)磨拋機(jī)器人1.6工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域42美國1961年：Unimation公司研制出世界上第一臺機(jī)器人—Unimate機(jī)器人。用于壓鑄作業(yè)，五軸液壓驅(qū)動。1961年：AMF公司研制出Versatran機(jī)器人。用于物料運(yùn)輸，液壓驅(qū)動。Unimate機(jī)器人Versatran機(jī)器人1.7工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r43美國1962年：斯坦福(Stanford)操作手問世。1974年：辛辛那提·米拉克龍(CincinnatiMilacron)公司研制成功第一臺計(jì)算機(jī)控制的機(jī)器人未來工具(TheTomorrowtool)。斯坦福(Stanford)操作手問世機(jī)器人未來工具(TheTomorrowtool)1.7工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r44美國1978年：

Unimation公司開發(fā)出用于用于裝配的可編程萬能機(jī)器人—PUMA機(jī)器人(ProgrammableUniversalManipulatorforAssembly)。PUMA機(jī)器人1967~1974年：

因?yàn)槊绹畬C(jī)器人的發(fā)展不夠重視，且機(jī)器人處于發(fā)展初期，價格昂貴，實(shí)用性不強(qiáng)，所以發(fā)展緩慢。此后：鑒于機(jī)器人技術(shù)發(fā)展、經(jīng)濟(jì)潛力和日本在工業(yè)機(jī)器人方面取得的成就，美國意識到問題的緊迫性并多方面采取措施，其機(jī)器人技術(shù)得以迅猛發(fā)展。ABB公司1.7工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r45日本1967年：東京機(jī)械貿(mào)易公司首次從美國引進(jìn)Versatran機(jī)器人。1968年：川崎重工業(yè)公司從美國引進(jìn)Unimate機(jī)器人，并對其進(jìn)行改進(jìn)，增加了視覺功能，使其成為一種具有智能的機(jī)器人。20世紀(jì)70年代：為日本機(jī)器人的迅速發(fā)展時期，日本在機(jī)器人在產(chǎn)品開發(fā)和應(yīng)用兩個方面超過美國，成為當(dāng)今世界第一的“機(jī)器人王國”。1.7工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r46日本1979年：山梨大學(xué)牧野洋教授研制成功平面關(guān)節(jié)型SCARA(SelectiveComplianceAssemblyRobotArm)機(jī)器人。適合于垂直方向裝配作業(yè)。德國：KUKA公司平面關(guān)節(jié)型SCARA機(jī)器人1.7工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r47我國：

70年代萌芽期、80年代開發(fā)期、90年代實(shí)用化期。70年代萌芽期

1972年開始研制工業(yè)機(jī)器人，數(shù)十家研究院所和高校分別開發(fā)了固定程序、液壓伺服型通用機(jī)器人，并開始了機(jī)構(gòu)學(xué)、控制與應(yīng)用方面的研究；80年代開發(fā)期

將機(jī)器人發(fā)展計(jì)劃列入國家攻關(guān)計(jì)劃和“863”高技術(shù)計(jì)劃中，進(jìn)行了工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)技術(shù)、基礎(chǔ)元器件的開發(fā)研究工作，研制出了噴涂、弧焊、點(diǎn)焊和搬運(yùn)機(jī)器人整機(jī)，且性能指標(biāo)達(dá)到80年代初國外同類產(chǎn)品的水平；90年代實(shí)用化期

由于市場競爭加劇，一些企業(yè)認(rèn)識到必須要用機(jī)器人等自動化設(shè)備來改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，從而使機(jī)器人走向產(chǎn)業(yè)化。1.7工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r48機(jī)器人空間機(jī)構(gòu)學(xué)機(jī)器人運(yùn)動學(xué)機(jī)器人靜力學(xué)機(jī)器人動力學(xué)機(jī)器人傳感技術(shù)機(jī)器人控制技術(shù)