機(jī)器人工學(xué)第一章

機(jī)器人工學(xué)第一章第1頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月第一章：概論一、機(jī)器人的概念

機(jī)器人學(xué)是一門新興的邊緣學(xué)科。它綜合了力學(xué)、機(jī)構(gòu)學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)學(xué)、自動(dòng)控制、傳感技術(shù)、電液驅(qū)動(dòng)技術(shù)、計(jì)算機(jī)、人工智能仿生學(xué)等學(xué)科的有關(guān)知識(shí)和最新成果，逐步形成了獨(dú)特的體系。

第2頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月機(jī)器人學(xué)是一門集中反映高新技術(shù)的新興學(xué)科機(jī)器人學(xué)是隨著機(jī)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(dòng)著機(jī)器人技術(shù)水平的提高，擴(kuò)大機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域，同時(shí)機(jī)器人學(xué)也極大地促進(jìn)了控制技術(shù)、人工智能、傳承技術(shù)、仿生學(xué)等學(xué)科的發(fā)展，所以機(jī)器人學(xué)是一門集中反映高新技術(shù)的新興學(xué)科第3頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月二、機(jī)器人的發(fā)展簡史

機(jī)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(jī)器人》中，該詞在捷克語里意味著苦力。機(jī)器人被當(dāng)作強(qiáng)壯的人造勞動(dòng)者，是一個(gè)具有人的外表、特征和功能的機(jī)器。第4頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月科學(xué)幻想小說和電影中的角色第5頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月真正的現(xiàn)代機(jī)器人是從二次大戰(zhàn)后發(fā)展起來的。一般認(rèn)為始于40年代中期。那時(shí)棕樹嶺和阿爾貢國家實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)和制造了主從機(jī)械手，用于搬動(dòng)放射性材料。第6頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月第一臺(tái)樣機(jī)問世

50年代初，隨著傳動(dòng)和控制技術(shù)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(xiǎn)和單調(diào)重復(fù)的工作中，需要有一種能為人代勞的自動(dòng)工具，因而對(duì)機(jī)器人產(chǎn)生了極大的興趣。1954年，美國開始投入力量進(jìn)行研究，兩年后，聯(lián)合控制公司捷足先登，第一臺(tái)樣機(jī)問世。1962年，該公司制成“尤尼邁特（Unimate）出售。第7頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月這種機(jī)器人外形有點(diǎn)像坦克炮塔，基座上有一個(gè)大機(jī)械臂，大臂可繞軸在基座上轉(zhuǎn)動(dòng)，大臂上又伸出一個(gè)小機(jī)械臂，它相對(duì)大臂可以伸出或縮回。小臂頂有一個(gè)腕子，可繞小臂轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)行俯仰和側(cè)搖。腕子前頭是手，操作器。這個(gè)機(jī)器人的功能和人手臂功能相似。第8頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月機(jī)器人在日本取得的進(jìn)展機(jī)器人在美國商品化和潛在的巨大價(jià)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(jìn)展特別引人注目。日本在1967年從美國引進(jìn)機(jī)器人技術(shù)后，不久即實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人國產(chǎn)化，而目前機(jī)器人的總擁有量及年產(chǎn)量均占世界首位。第9頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月歐洲機(jī)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(jī)器人技術(shù)列為80年代十大技術(shù)的第一項(xiàng)技術(shù)英國在1979年以前不重視機(jī)器人，而現(xiàn)在把機(jī)器人作為復(fù)興英國工業(yè)的重要措施。第10頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月總之，從世界上第一臺(tái)機(jī)器人問世到現(xiàn)在，不僅迅速發(fā)展成為一門新興的獨(dú)特科學(xué)技術(shù)——機(jī)器人技術(shù)，而且在世界范圍形成了一門新的產(chǎn)業(yè)——機(jī)器人工業(yè)，它在社會(huì)發(fā)展的進(jìn)程中將起極大的作用。第11頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月三、世界工業(yè)機(jī)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12頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月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13頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月3、用途分布

日本（1982年）

美國（1982年）

美國（1990年）

焊接25%35%23%搬運(yùn)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14頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月美國工業(yè)機(jī)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(jī)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15頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月用途1第16頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月用途2第17頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月用途3第18頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月用途４第19頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月用

途

５第20頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月用途6第21頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月四、機(jī)器人的定義

我國對(duì)工業(yè)機(jī)器人的定義為:“是一種能自動(dòng)定位控制，可重復(fù)編程的、多功能的、多自由度的操作機(jī)。能搬運(yùn)材料、零件或操持工具，用以完成各種作業(yè)。”（GB/T12643-90）第22頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月五、技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)1）、感覺功能2）、控制智能化3）、移動(dòng)功能的智能化4）、系統(tǒng)應(yīng)用與集成化5）、安全可靠性6）、微型化第23頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月六：機(jī)器人的分類1、根據(jù)輸入信息和示教形式分類

1）、手動(dòng)機(jī)械手2）、固定順序機(jī)器人3）、可變順序機(jī)器人4）、記憶再生式機(jī)器人5）、數(shù)字控制機(jī)器人6）、智能機(jī)器人第24頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月2、根據(jù)動(dòng)作形態(tài)分類1）、直角坐標(biāo)型機(jī)器人

第25頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月2）、圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人

第26頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月3）、球坐標(biāo)（極坐標(biāo)）型機(jī)器人

第27頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月4）、多關(guān)節(jié)型機(jī)器人

第28頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月5）、平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人

(SCARA)

第29頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月各種坐標(biāo)工業(yè)機(jī)器人的特征比較

坐標(biāo)型式

作業(yè)空間

慣性

定位精度

定向特性

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

占地面積

大小形狀直角坐標(biāo)小立方體較大容易控制好簡單大圓柱坐標(biāo)較大空心圓柱體較大較易控制較好較簡單較小球坐標(biāo)型大扇形截面旋轉(zhuǎn)體較小不易控制差較復(fù)雜較小多關(guān)節(jié)型大球體較小不易控制差復(fù)雜小第30頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月3、按驅(qū)動(dòng)方式分類

1）、氣壓驅(qū)動(dòng)式

2）、液壓式

3）、電機(jī)驅(qū)動(dòng)式

第31頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月4、按可搬重量的大小和動(dòng)作范圍分類

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

第32頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月5、根據(jù)機(jī)器人功能水平和技術(shù)先進(jìn)程度按代分類

第一代：機(jī)器人以固定程序，示教再現(xiàn)及可編程序?yàn)橹饕卣?；第二代：機(jī)器人帶有視覺和觸覺，采用自適應(yīng)控制；第三代：機(jī)器人稱為人工智能機(jī)器人。第33頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月七、機(jī)器人的組成機(jī)器人的結(jié)構(gòu)型式是多種多樣的，但歸納起來看，一個(gè)機(jī)器系統(tǒng)基本上是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)和傳感器系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)四部分組成。

第34頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月機(jī)器人各組成部分關(guān)系圖

行程速度檢測(cè)控制系統(tǒng)其它傳感器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作對(duì)象第35頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月1、執(zhí)行機(jī)構(gòu)

根據(jù)控制信息和指令，完成要求的動(dòng)作，執(zhí)行機(jī)構(gòu)一般采用機(jī)械，電磁，電液等機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件。

1）、手部

2）、腕部

3）、臂部

4）、立柱

5）、行走機(jī)構(gòu)

第36頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月2、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在控制信息作用下，提供動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成各種動(dòng)作功能。

第37頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月3、控制系統(tǒng)

指揮機(jī)器人按要求動(dòng)作的裝置。

該系統(tǒng)是通過對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)按照規(guī)定的要求進(jìn)行工作。

第38頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月4、檢測(cè)系統(tǒng)

其作用是通過各種檢測(cè)器，傳感器，檢測(cè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)情況，根據(jù)需要反饋給控制系統(tǒng)與設(shè)定值進(jìn)行比較后，對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，以保證其動(dòng)作符合設(shè)計(jì)要求。

第39頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月八、機(jī)器人基本機(jī)能

從機(jī)器人基本機(jī)能的構(gòu)成來看，可歸納為兩個(gè)方面，即:

控制機(jī)能

機(jī)械機(jī)能。

第40頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月1、控制機(jī)能

對(duì)于高級(jí)的智能機(jī)器人，其控制機(jī)能是指設(shè)計(jì)所賦予的某些似人的邏輯思維能力，對(duì)環(huán)境條件的反射能力，對(duì)工藝操作的自適應(yīng)能力等。對(duì)于一般的工業(yè)機(jī)器人，是指設(shè)計(jì)時(shí)所賦予的自動(dòng)或他動(dòng)的程序變換能力，按指令自動(dòng)實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作程序的能力等。

第41頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月控制機(jī)能控制機(jī)能指令機(jī)能

學(xué)習(xí)機(jī)能

記憶機(jī)能

重現(xiàn)機(jī)能

環(huán)境反射（感覺反饋）機(jī)能自適應(yīng)機(jī)能

邏輯判斷機(jī)能

第42頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月2、機(jī)械機(jī)能

它是指設(shè)計(jì)的賦給機(jī)器人似人或超過人生理?xiàng)l件的運(yùn)動(dòng)機(jī)能和物理機(jī)能。

第43頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月機(jī)械機(jī)能

機(jī)械機(jī)能運(yùn)動(dòng)機(jī)能

物理機(jī)能

抓取機(jī)能

定向機(jī)能

工藝操作機(jī)能

行走機(jī)能

定位機(jī)能

負(fù)重能力

速度

持續(xù)作功能力工作準(zhǔn)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44頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月九、機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)

1、提取重量

2、自由度和坐標(biāo)型式

3、運(yùn)動(dòng)行程

4、運(yùn)動(dòng)速度

5、位置精度

6、程序編制及存貯容量

第45頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月1、提取重量提取重量是用來表明機(jī)器人負(fù)荷能力的技術(shù)參數(shù)，這項(xiàng)參數(shù)與機(jī)器人的運(yùn)行速度有關(guān)，一般指其正常運(yùn)行時(shí)所能提取的工件重量。當(dāng)機(jī)器人運(yùn)行可調(diào)時(shí)，低速運(yùn)行所能提取工件的最大重量比高速運(yùn)行的大。為安全起見，亦有將高速時(shí)所能提取的工件重量作為指標(biāo)，此時(shí)則需說明運(yùn)行速度。第46頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月2、自由度數(shù)和坐標(biāo)型式機(jī)器人自由度數(shù)，是指手臂運(yùn)動(dòng)部件由固定端算起的單位動(dòng)作數(shù)之和，一般指臂部和腕部自由度之和，移動(dòng)自由度，是指臂部沿直角坐標(biāo)軸X、Y、Z三個(gè)方向進(jìn)行的前后、上下、左右的直線運(yùn)動(dòng)?；剞D(zhuǎn)自由度，是指臂部或腕部圍繞X、Y、Z軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。第47頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月3、運(yùn)動(dòng)行程運(yùn)動(dòng)行程（指直線距離或回轉(zhuǎn)角度），即臂部、腕部、整個(gè)機(jī)器人各自由度的變動(dòng)量。

根據(jù)運(yùn)動(dòng)行程，結(jié)合其運(yùn)動(dòng)型式，可計(jì)算出機(jī)器人的工作范圍。第48頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月4、運(yùn)動(dòng)速度運(yùn)動(dòng)速度是反映機(jī)器人性能的一項(xiàng)重要技術(shù)參數(shù)，它與機(jī)器人的提取重量、位置等參數(shù)都有密切的關(guān)系，同時(shí)也直接影響機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)周期。一般說的運(yùn)動(dòng)速度，是指其最大運(yùn)行速度。第49頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月5、位置精度位置精度是衡