機器人技術(shù)基礎(chǔ)及應(yīng)用概論

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

目錄3美國、英國、日本等國機器人工業(yè)協(xié)會：工業(yè)機器人是用來進(jìn)行搬運材料、零件、工具等可編程的多功能機械手，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。工業(yè)機器人是一種在三維空間中具有較多自由度的，并能實現(xiàn)諸多擬人動作和功能的機器。1.1工業(yè)機器人的定義4擬人化可編程通用性機電一體化1.2工業(yè)機器人的特點5機械部分驅(qū)動系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)傳感部分感受系統(tǒng)機器人-環(huán)境交互系統(tǒng)信息處理及控制部分控制系統(tǒng)人-機器人交互系統(tǒng)1.3工業(yè)機器人的組成6功能：使各種機械部件產(chǎn)生運動驅(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)機器人的組成1.3.1驅(qū)動系統(tǒng)7機器人的基本組成組成：機身、手臂、末端操作器。機身：具備行走機構(gòu)，構(gòu)成行走機器人（移動式機器人）；不具備行走及腰轉(zhuǎn)機構(gòu)，構(gòu)成單臂機器人（固定式機器人）。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)機器人的組成1.3.2機械結(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)機器人的組成1.3.3感受系統(tǒng)9可實現(xiàn)工業(yè)機器人與外部環(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)機器人的組成1.3.4機器人-環(huán)境交互系統(tǒng)10功能：根據(jù)機器人的作業(yè)指令程序以及從傳感器反饋回來的信號支配機器人的執(zhí)行機構(gòu)去完成規(guī)定的運動和功能。控制方式：點位控制連續(xù)軌跡控制1.3工業(yè)機器人的組成1.3.5控制系統(tǒng)11功能：可使操作人員參與機器人控制并與機器人進(jìn)行聯(lián)系。組成：指令給定裝置信息顯示裝置1.3工業(yè)機器人的組成1.3.6人-機器人交互系統(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)機器人的技術(shù)參數(shù)13自由度是指機器人所具有的獨立坐標(biāo)軸運動的數(shù)目，不包括手爪(末端執(zhí)行器)的開合自由度；機器人的自由度越多，就越能接近人手的動作機能，通用性就越好；但結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，對機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)機器人的技術(shù)參數(shù)1.4.1自由度14工作范圍是指機器人手臂末端或手腕中心所能到達(dá)的所有點的集合；由于末端執(zhí)行器的形狀和尺寸是多種多樣的，為真實反映機器人的特征參數(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。

機器人的工作范圍1.4工業(yè)機器人的技術(shù)參數(shù)1.4.2工作范圍15承載能力是指機器人在工作范圍內(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，且與機器人運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)是指高速運行時的承載能力。1.4工業(yè)機器人的技術(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，就要花費更多的時間去升速或降速，或者對工業(yè)機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)機器人的技術(shù)參數(shù)1.4.4最大工作速度17定位精度：機器人手部實際到達(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分辨率是指機器人各軸所能實現(xiàn)的最小移動距離或最小轉(zhuǎn)動角度。1.4工業(yè)機器人的技術(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)機器人的分類20直角坐標(biāo)型機器人圓柱坐標(biāo)型機器人球坐標(biāo)型機器人關(guān)節(jié)坐標(biāo)型機器人平面關(guān)節(jié)型機器人1.5工業(yè)機器人的分類1.5.1按坐標(biāo)形式21直角坐標(biāo)型機器人直角坐標(biāo)型機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)機器人的分類圓柱坐標(biāo)型機器人通過兩個移動和一個轉(zhuǎn)動實現(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，難與其他機器人協(xié)調(diào)工作，兩個移動軸的設(shè)計較復(fù)雜。1.5工業(yè)機器人的分類圓柱坐標(biāo)型機器人23球坐標(biāo)（極坐標(biāo)）型機器人手臂的運動由一個直線運動和兩個轉(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)型機器人1.5工業(yè)機器人的分類24關(guān)節(jié)坐標(biāo)型機器人關(guān)節(jié)坐標(biāo)型機器人機器人的運動由前、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，這種機器人目前應(yīng)用得最多。1.5工業(yè)機器人的分類25平面關(guān)節(jié)型機器人平面關(guān)節(jié)型機器人可看成關(guān)節(jié)坐標(biāo)機器人的特例，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)機器人的分類26固定式機器人移動式機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)機器人的分類1.5.2按可移動性27串聯(lián)式機器人：以開環(huán)機構(gòu)為機器人的機構(gòu)原型。ABB串聯(lián)機器人1.5工業(yè)機器人的分類1.5.3按機構(gòu)原型28并聯(lián)式機器人：以閉環(huán)機構(gòu)為機器人的機構(gòu)原型。并聯(lián)式機器人與串聯(lián)式機器人相比，活動空間較小，手部不夠靈活；但其具有剛度大等優(yōu)點，特殊于應(yīng)用領(lǐng)域，與串聯(lián)機器人形成互補，是機器人的拓展。ABB并聯(lián)機器人并聯(lián)機器人的應(yīng)用領(lǐng)域：大扭矩螺栓連接；金屬切削加工機床；測量機構(gòu)和其他機構(gòu)的誤差補償器；微動機構(gòu)或微型機構(gòu)，如手術(shù)機器人。1.5工業(yè)機器人的分類1.5.3按機構(gòu)原型29冗余自由度機器人冗余自由度機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。冗余自由度機器人具有比非冗余自由度機器人更好的性能：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)。非冗余自由度機器人冗余自由度機器人1.5工業(yè)機器人的分類1.5.4按是否具有冗余自由度30氣壓驅(qū)動式機器人：優(yōu)點是空氣來源方便，動作迅速，結(jié)構(gòu)簡單，造價低；缺點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)動式機器人：具有強大抓舉能力，結(jié)構(gòu)緊湊，傳動平穩(wěn)且動作靈敏的優(yōu)點；缺點是對密封要求高，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)動式機器人：利用電動機產(chǎn)生的力或力矩驅(qū)動機器人，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，運動精度高，成本低，驅(qū)動效率高等優(yōu)點，應(yīng)用最為廣泛。新型驅(qū)動方式機器人：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)機器人的分類1.5.5按驅(qū)動方式31點位控制機器人：從一個點位目標(biāo)移向另一個點位目標(biāo)，只在目標(biāo)點上完成操作。用于點焊、搬運機器人；連續(xù)軌跡控制機器人：能夠平滑地跟隨某個規(guī)定的路徑。用于弧焊、噴漆、去毛刺、檢測機器人。1.5工業(yè)機器人的分類1.5.6按控制方式32第一代機器人：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：機器人根據(jù)人的操作方式記住一連串運動，工作時自動重復(fù)這些運動，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)或鍵盤控制機器人運動，機器人自動記錄下每一步并重復(fù)。第二代機器人：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。第三代機器人：是智能機器人，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，讓機器人代替人去做；特殊作業(yè)場合：人不能做到，讓機器人代替人去做。1.6工業(yè)機器人的應(yīng)用領(lǐng)域34加工機器人裝配機器人焊接機器人搬運機器人噴漆機器人檢測機器人其他：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加工機器人沖壓機器人1.6工業(yè)機器人的應(yīng)用領(lǐng)域36焊接機器人1.6工業(yè)機器人的應(yīng)用領(lǐng)域焊接機器人37噴漆機器人1.6工業(yè)機器人的應(yīng)用領(lǐng)域噴漆機器人38拋光機器人1.6工業(yè)機器人的應(yīng)用領(lǐng)域拋光機器人39不同技術(shù)、學(xué)科交叉、融合下的共融機器人移動式混聯(lián)加工機器人1.6工業(yè)機器人的應(yīng)用領(lǐng)域40不同技術(shù)、學(xué)科交叉、融合下的共融機器人雙機鏡像銑加工機器人1.6工業(yè)機器人的應(yīng)用領(lǐng)域41不同技術(shù)、學(xué)科交叉、融合下的共融機器人自適應(yīng)磨拋機器人1.6工業(yè)機器人的應(yīng)用領(lǐng)域42美國1961年：Unimation公司研制出世界上第一臺機器人—Unimate機器人。用于壓鑄作業(yè)，五軸液壓驅(qū)動。1961年：AMF公司研制出Versatran機器人。用于物料運輸，液壓驅(qū)動。Unimate機器人Versatran機器人1.7工業(yè)機器人的發(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算機控制的機器人未來工具(TheTomorrowtool)。斯坦福(Stanford)操作手問世機器人未來工具(TheTomorrowtool)1.7工業(yè)機器人的發(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器人—PUMA機器人(ProgrammableUniversalManipulatorforAssembly)。PUMA機器人1967~1974年：

因為美國政府對機器人的發(fā)展不夠重視，且機器人處于發(fā)展初期，價格昂貴，實用性不強，所以發(fā)展緩慢。此后：鑒于機器人技術(shù)發(fā)展、經(jīng)濟潛力和日本在工業(yè)機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，其機器人技術(shù)得以迅猛發(fā)展。ABB公司1.7工業(yè)機器人的發(fā)展?fàn)顩r45日本1967年：東京機械貿(mào)易公司首次從美國引進(jìn)Versatran機器人。1968年：川崎重工業(yè)公司從美國引進(jìn)Unimate機器人，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器人。20世紀(jì)70年代：為日本機器人的迅速發(fā)展時期，日本在機器人在產(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“機器人王國”。1.7工業(yè)機器人的發(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機器人1.7工業(yè)機器人的發(fā)展?fàn)顩r47我國：

70年代萌芽期、80年代開發(fā)期、90年代實用化期。70年代萌芽期

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

將機器人發(fā)展計劃列入國家攻關(guān)計劃和“863”高技術(shù)計劃中，進(jìn)行了工業(yè)機器人基礎(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、點焊和搬運機器人整機，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)識到必須要用機器人等自動化設(shè)備來改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，從而使機器人走向產(chǎn)業(yè)化。1.7工業(yè)機器人的發(fā)展?fàn)顩r48機器人空間機構(gòu)學(xué)機器人運動學(xué)機器人靜力學(xué)機器人動力學(xué)機器人傳感技術(shù)機器人控制技術(shù)