1 機器人技術概述

機器人機構分析與綜合

（機器人學）時間：1～14周，周五晚

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機器人的定義第一章機器人概述

機器人一詞的出現(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)：帶感情的機器人消滅了人類，一對男女機器人相愛，世界又起死回生。上世紀60年代，可實用機械的機器人被稱為工業(yè)機器人上世紀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)一的機器人的定義。機器人學是一門不斷發(fā)展的科學，對機器人的定義也隨其發(fā)展而變化。（2）日本工業(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，能夠轉動并通過自動完成各種移動來代替人類勞動的通用機器”。（1）美國機器人協(xié)會(RIA)的定義：機器人是“一種用于移動各種材料、零件、工具或專用裝置的，通過可編程序動作來執(zhí)行種種任務的，并具有編程能力的多功能機械手(manipulator)”。國際上，關于機器人的定義主要有以下幾種：（3）美國國家標準局(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)任務的機械裝置”。（4）國際標準化組織(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”。（5）我國對機器人的定義。蔣新松院士曾建議把機器人定義為“一種擬人功能的機械電子裝置”(amechantronicdevicetoimitatesomehumanfunctions)。普遍接受的機器人定義：是一種計算機控制的可以編程的自動機械電子裝置，能感知環(huán)境，識別對象，理解指示命令，有記憶和學習功能，具有情感和邏輯判斷思維，能自身進化，能計劃其操作程序來完成任務。6公斤弧焊機器人工業(yè)機器人（一）弧焊機器人在工作中1.2機器人的發(fā)展及應用一、古代機器人

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器人。

公元前2世紀，亞歷山大時代的古希臘人發(fā)明了最原始的機器人──自動機?？梢宰约洪_門，還可以借助蒸汽唱歌。

漢代大科學家張衡不僅發(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”。用其運送軍糧，支援前方戰(zhàn)爭。寫字機器人

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

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

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器人“電報箱”?？梢曰卮鹨恍﹩栴}。二、現(xiàn)代機器人

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

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

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

1962年美國AMF公司推出的“VERSATRAN”和UNIMATION公司推出的“UNIMATE”是機器人產品最早的實用機型（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器人系統(tǒng)1970年在美國召開了第一屆國際工業(yè)機器人學術會議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控制的工業(yè)機器人1980年后，日本贏得了“機器人王國”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)機器人“七五”期間，完成了示教再現(xiàn)式工業(yè)機器人成套技術的開發(fā)，研制出了噴涂、點焊、弧焊和搬運機器人1986年國家高技術研究發(fā)展計劃（863計劃）開始實施上世紀90年代初期起，形成了一批機器人產業(yè)化基地我國工業(yè)機器人的發(fā)展：

日本和美國在20世紀60年代就已經開始進行機器人的研究，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)展機器人的事業(yè)中來。1.1.3機器人的分類機器人的種類很多?？梢园打寗有问健⒂猛?、結構和智能水平等觀點劃分

１、按驅動形式

氣壓驅動

液壓驅動

電驅動

交流伺服驅動

直流伺服驅動

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（2）特種機器人空間機器人

水下機器人軍用機器人教學機器人

服務機器人

醫(yī)用機器人

排險救災機器人

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，能實現(xiàn)若干預定的功能。固定順序機器人按預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改變。示教再現(xiàn)型機器人通過手動或其它方式，先引導機器人動作，記錄下工作程序，機器人則自動重復進行作業(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。第一代第二代第三代1.1.4機器人技術展望進入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、傳感器技術的長足進步，使機器人技術研究在高水平上進行。未來機器人技術將有待于在以下幾個方面發(fā)展。一、操作臂技術1．

高速操作臂：機構，伺服驅動，動態(tài)控制方法；2．

柔性操作臂：提高荷重比（＜30∶10），輕質材料；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1、新型移動機構：適合非結構環(huán)境的移動機構；2、運動控制：建模、制導、導航、路徑規(guī)劃。三、感知技術1、視覺：圖像識別與處理；2、手眼協(xié)調；3、接觸覺小型化；4、多信息融合。四、自主控制技術1、分布式計算機控制技術；2、人工智能技術。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“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）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盲機器人跳舞機器人醫(yī)療機器人特種機器人（四）管內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

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

機器人的優(yōu)缺點一、優(yōu)點能不知疲倦、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、噪音隔離等；其感知系統(tǒng)及其附屬設備具有某些人類所不具有的能力；二、缺點替代了工人，由此帶來經濟和社會問題；缺乏應急能力；靈活性、自適應能力還欠缺；設備費用開銷較大。理由之三：機器人做人做不了的事情。比如人們對太空的認識，對原子分子進行搬遷的機器人,為什么要發(fā)展機器人?理由之二：機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，汽車生產線上的焊接工作機器人汽車焊接生產線理由之一：提高生產效率降低人的勞動強度。比如焊機器人提高生產效率，提高汽車焊接的質量，降低工人的勞動強度

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

機器人的組成、構型及性能要素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、驅動裝置、控制系統(tǒng)、感知反饋系統(tǒng)。機器人執(zhí)行機構驅動裝置控制系統(tǒng)感知系統(tǒng)基座（固定或移動）手部腕部臂部腰部電驅動裝置液壓驅動裝置氣壓驅動裝置處理器關節(jié)伺服控制器內部傳感器外部傳感器一、執(zhí)行機構包括：手部、腕部、臂部、腰部和基座等。相當于人的肢體。二、驅動裝置包括：驅動源、傳動機構等。相當于人的肌肉、筋絡。三、感知反饋系統(tǒng)包括：內部信息傳感器，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。相當于人的感官和神經。四、控制系統(tǒng)包括：處理器及關節(jié)伺服控制器等，進行任務及信息處理，并給出控制信號。相當于人的大腦和小腦。內部傳感器（位形檢測）控制系統(tǒng)驅動裝置執(zhí)行機構工作對象外部傳感器（環(huán)境檢測）

1處理器關節(jié)控制器1.3.2

機器人的構型機器人的機械配置形式即構型多種多樣。最常見的構型是用其坐標特性來描述的。一、工業(yè)機器人

1、直角坐標型(3P)

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

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

其運動耦合性較強，控制也較復雜。但運動靈活性好。占自身據空間也較小。極坐標型機器人模型Unimate機器人4、關節(jié)坐標型(3R)

其運動耦合性強，控制較復雜。但運動靈活性最好，自身占據空間最小。關節(jié)型搬運機器人關節(jié)型焊接機器人關節(jié)型機器人模型5、平面關節(jié)型(SCARA)

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

六輪漫游機器人仿魚機器人仿鳥機器人六足漫游機器人1.3.3

機器人的性能要素

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

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。

運動范圍機器人在其工作區(qū)域內可以達到的最大距離。它是機器人關節(jié)長度和其構型的函數(shù)。

精度指機器人到達指定點的精確程度。它與機器人驅動器的分辨率及反饋裝置有關。

重復精度指機器人重復到達同樣位置的精確程度。它不僅與機器人驅動器的分辨率及反饋裝置有關，還與傳動機構的精度及機器人的動態(tài)性能有關。

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

運動速度單關節(jié)速度；合成速度。

其它動態(tài)特性如穩(wěn)定性、柔順性等。1．機器人的體系結構(1)：

從體系結構來看，機器人分為三大部分六個系統(tǒng)，分別是：三大部分：機械部分（用于實現(xiàn)各種動作）、傳感部分（用于感知內部和外部的信息）、控制部分（控制機器人完成各種動作）。

1.4、機器人的結構1．機器人的體系結構(2)：六個系統(tǒng)：

A．

驅動系統(tǒng)：提供機器人各部位、各關節(jié)動作的原動力。

B