第一章 機器人概述課件

一機器人相關(guān)概述1.1機器人的定義、分類及發(fā)展概況1.1.1機器人的定義

美國機器人協(xié)會（RIA）的機器人定義：“機器人是用以搬運材料、零件、工具的可編程序的多功能操作器或是通過可改變程序動作來完成各種作業(yè)的特殊機械裝置?！比毡竟I(yè)機器人協(xié)會（JIRA）的定義：“工業(yè)機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器?！泵绹鴩覙?biāo)準局（NBS）的定義：“機器人是一種能夠進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)的機械裝置”。國際標(biāo)準化組織(ISO)的定義：“機器人是一種自動的、位置可控的、具有編程能力的多功能機械手，這種機械手具有幾個軸，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)。”1第一章機器人概述1）機器人的動作機構(gòu)具有類似與人或其它生物的某些器官的功能。2）是一種自動機械裝置，可以在無人參與下（獨立性），自動完成多種操作或動作功能，即具有通用性?？梢栽倬幊?，程序流程可變，即具有柔性(適應(yīng)性）。3）具有不同程度的智能性，如記憶、感知、推理、決策、學(xué)習(xí)。

一般認為機器人應(yīng)具有的共同點為：2第一章機器人概述1.1.2機器人的發(fā)展歷史1920年，捷克作家卡雷爾·卡佩克發(fā)表了科幻劇本《羅薩姆的萬能機器人》?？ㄅ蹇嗽趧”局邪呀菘苏Z“Robota”寫成了“Robot”，引起了大家的廣泛關(guān)注，被當(dāng)成了機器人一詞的起源。1950年，美國作家埃薩克·阿西莫夫在他的科幻小說《I，Robot》中首次使用了“Robotics”，即“機器人學(xué)”。阿西莫夫提出了“機器人三原則”：1機器人不應(yīng)傷害人類,且在人類受到傷害時不可袖手旁觀；2機器人應(yīng)遵守人類的命令，與第一條違背的命令除外；3機器人應(yīng)能保護自己，與第一條相抵觸者除外。

機器人學(xué)術(shù)界一直將這三原則作為機器人開發(fā)的準則，阿西莫夫因此被稱為“機器人學(xué)之父”。3第一章機器人概述

1954年，美國人GeorgeC.Devol提出了第一個工業(yè)機器人方案并在1956年獲得美國專利。1961年，Unimation公司（通用機械公司）成立，生產(chǎn)和銷售了第一臺工業(yè)機器“Unimate”，即萬能自動之意。

1962年，A.M.F.（機械與鑄造）公司，研制出一臺數(shù)控自動通用機，取名“Versatran”，即多用途搬運之意，并以“IndustrialRobot”為商品廣告投入市場。計算機控制的機器人，19741978年，第一臺PUMA機器人在Unimation公司誕生。

日本、西歐各國、前蘇聯(lián)也相斷引進或自行研制工業(yè)機器人。60～70年代是機器技術(shù)獲得巨大發(fā)展的階段。4第一章機器人概述80年代，機器人在發(fā)達國家的工業(yè)中大量普及應(yīng)用，如焊接、噴漆、搬運、裝配。并向各個領(lǐng)域拓展，如航天、水下、排險、核工業(yè)等，機器人的感知技術(shù)得到相應(yīng)的發(fā)展，產(chǎn)生第二代機器人。示教再現(xiàn)機器人，198290年代，機器人技術(shù)在發(fā)達國家應(yīng)用更為廣泛，如軍用、醫(yī)療、服務(wù)、娛樂等領(lǐng)域，并開始向智能型（第三代）機器人發(fā)展。多種機器人：工業(yè)機器人、移動機器人、擬人機器人、特種機器人等，具有視覺、語音等功能，具有一定智能。1998年：日本30萬臺，美國8萬臺，德國7萬臺5第一章機器人概述我國機器人技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀70年代后期開始研制“七五”“863”工業(yè)機器人（國產(chǎn)占1/4左右）特種機器人及智能機器人水下（1000米，6000米無纜）排險爬壁管道防核化偵查核工業(yè)用遙控移動自動導(dǎo)引小車（AGV）步行機（雙足，四足，六足）地面軍用智能車輛其它（靈巧手，智能手爪，七自由度機器人等）1999年“863”智能機器人主題產(chǎn)業(yè)化基地9個（哈工大、一汽、沈陽自動化所、北京自動化所、大連華錄、南開大學(xué)、上海交大、上海大學(xué)、兵工58所）6第一章機器人概述7第一章機器人概述1.1.3機器人的分類機器人的種類很多?？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)機器人弧焊機器人點焊機器人搬運機器人裝配機器人噴涂機器人拋光機器人8第一章機器人概述（2）特種機器人空間機器人

水下機器人軍用機器人教學(xué)機器人

服務(wù)機器人

醫(yī)用機器人

排險救災(zāi)機器人

固定式移動式輪式履帶式足式蛇行9第一章機器人概述3按幾何結(jié)構(gòu)分類：利用機構(gòu)特性分類。串聯(lián)機器人：各連桿為串聯(lián)并聯(lián)機器人：各連桿為并聯(lián)10第一章機器人概述4、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，能實現(xiàn)若干預(yù)定的功能。固定順序機器人按預(yù)定的不變順序及條件，依次控制機器人的機械動作?？勺冺樞驒C器人按預(yù)定的順序及條件，依次控制機器人的機械動作。但順序和條件可作適當(dāng)改變。示教再現(xiàn)型機器人通過手動或其它方式，先引導(dǎo)機器人動作，記錄下工作程序，機器人則自動重復(fù)進行作業(yè)。數(shù)控型機器人不必使機器人動作，通過數(shù)值、語言等為機器人提供運動程序，能進行可變程伺服控制。感知型機器人利用傳感器獲取的信息控制機器人的動作。機器人對環(huán)境有一定的適應(yīng)性。智能機器人機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11第一章機器人概述1.1.4機器人技術(shù)展望

進入90年代后,機器人數(shù)量增長速度下降,但由于人工智能、計算機科學(xué)、傳感器技術(shù)的長足進步，使機器人技術(shù)研究在高水平上進行。未來機器人技術(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。12第一章機器人概述二、移動技術(shù)1、新型移動機構(gòu)：適合非結(jié)構(gòu)環(huán)境的移動機構(gòu)；2、運動控制：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、分布式計算機控制技術(shù)；2、人工智能技術(shù)。13第一章機器人概述智能機器人技術(shù)材料感知仿生網(wǎng)絡(luò)微型智能交互前沿技術(shù)探索多機器人協(xié)調(diào)技術(shù)人－機器人和諧共存與交互網(wǎng)絡(luò)化與移動感知新型機構(gòu)與驅(qū)動仿生運動與智能控制微納操作技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)仿生與生物機器人極地科考機器人助老助殘家庭服務(wù)微制造機器人裝備核工業(yè)機器人油氣管道檢測電力檢測機器人系統(tǒng)集成應(yīng)用示范我國智能機器人當(dāng)前主要研究方向14第一章機器人概述20公斤點焊機器人點焊機器人在工作中6公斤弧焊機器人工業(yè)機器人（一）弧焊機器人在工作中15第一章機器人概述涂膠機器人龍門式噴漆機器人SCARA型裝配機器人工業(yè)機器人（二）搬運機器人碼垛機器人噴漆機器人16第一章機器人概述“雙鷹”水下機器人水下掃雷機器人“探索者號”水下機器人Spirit火星漫游車Marshod火星漫游車CanadaArm太空機械臂特種機器人（一）17第一章機器人概述美國“別動隊”無人機法國“紅隼”無人機微型無人機特種機器人（二）豹式排雷機器人“徘徊者”偵察機器人“手推車”機器人機器人助手18第一章機器人概述特種機器人（三）足球機器人AIBO機器狗指揮機器人迎賓機器人導(dǎo)盲機器人跳舞機器人醫(yī)療機器人19第一章機器人概述特種機器人（四）管內(nèi)機器人隧道鑿巖機器人大型噴漿機器人室外保安機器人德國排爆機器人消防機器人防暴機器人20第一章機器人概述工業(yè)機器人21第一章機器人概述1.3

機器人的組成、構(gòu)型及性能要素1.3.1

機器人的組成

機器人是一個機電一體化的設(shè)備。從控制觀點來看，機器人系統(tǒng)可以分成四大部分：機器人執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動裝置、控制系統(tǒng)、感知反饋系統(tǒng)。機器人執(zhí)行機構(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22第一章機器人概述一、執(zhí)行機構(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23第一章機器人概述Intelligenceandhuman-machineinterfaceLinuxPMACServoControllerMotionControllerMotionPlanningLocalControllerInternetRobotCameraMicrophoneScanner機器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的例子24第一章機器人概述1.3.3

機器人的性能要素

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

負荷能力機器人在滿足其它性能要求的前提下，能夠承載的負荷重量。

工作空間機器人在其工作區(qū)域內(nèi)可以達到的所有點的集合。它是機器人關(guān)節(jié)長度和其構(gòu)型的函數(shù)。

精度