第一章 機器人技術及其應用概述課件

機

器

人

技

術

基礎第一章機器人技術及其應用概述參考教材：1、芮延年主編，機器人技術及其應用，化學工業(yè)出版社。2、郭洪紅主編，工業(yè)機器人技術，西安電子科技大學出版社。3、劉極峰主編，機器人技術基礎，高等教育出版社。4、郭洪紅主編，工業(yè)機器人運用技術，科學出版社。第一章機器人技術及其應用概述第1章機器人概述第一章機器人技術及其應用概述理由之三：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(chǎn)線上的焊接工作機器人汽車焊接生產(chǎn)線理由之一：提高生產(chǎn)效率降低人的勞動強度。比如焊機器人提高生產(chǎn)效率，提高汽車焊接的質(zhì)量，降低工人的勞動強度

汽車裝配機器人第一章機器人技術及其應用概述1.1.1

機器人的由來1.1

機器人學的發(fā)展

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。第一章機器人技術及其應用概述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”。阿西莫夫提出了“機器人三原則”：1機器人不應傷害人類,且在人類受到傷害時不可袖手旁觀；2機器人應遵守人類的命令，除非這種服從有害于人類；3機器人必須保護自身不受傷害，除非為了保護人類或者是人類命令它作出犧牲

。

機器人學術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“機器人學之父”。第一章機器人技術及其應用概述上世紀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。第一章機器人技術及其應用概述（2）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?qū)Ｓ醚b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：1.1.2

機器人的定義（1）美國簡明牛津字典的定義：機器人是“貌似人的自動機,具有智力的和順從于人的但不具人格的機器”。第一章機器人技術及其應用概述（4）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”。（3）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”。第一章機器人技術及其應用概述（5）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”。

參考各國的定義，即可認為：機器人1)是像人或人的上肢,并能模仿人的動作;2)具有智力或感覺與識別能力;3)是人造的機器或機械電子裝置。第一章機器人技術及其應用概述1.1.3機器人的發(fā)展及應用1、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。

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。第一章機器人技術及其應用概述寫字機器人

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。

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。

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。第一章機器人技術及其應用概述

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(qū)動雙腿沿圓周走動。

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”，可以回答一些問題。

第一章機器人技術及其應用概述2、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。

第一章機器人技術及其應用概述

1962年美國AMF公司推出的“VERSATRAN”和UNIMATION公司推出的“UNIMATE”是機器人產(chǎn)品最早的實用機型（示教再現(xiàn)）。

VERSATRANUNIMATE第一章機器人技術及其應用概述1965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

第一章機器人技術及其應用概述

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、微小型機器人等德國排爆機器人相撲機器人無人駕駛振動式壓路機第一章機器人技術及其應用概述機器魚“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第一章機器人技術及其應用概述

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(chǎn)業(yè)化基地我國工業(yè)機器人的發(fā)展：第一章機器人技術及其應用概述

日本和美國在20世紀60年代就已經(jīng)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。第一章機器人技術及其應用概述1.2機器人的特點、結構與分類1.2.1機器人的主要特點---通用性和適應性通用性（versatility）---可執(zhí)行不同功能和完成不同任務的能力取決于其幾何特征和機械能力一般自由度越多，通用性越強適應性（adaptivity）---主要指其對工作環(huán)境變化的適應能力需具有（1）傳感與測量環(huán)境變化的能力（2）分析任務和執(zhí)行操作規(guī)劃的能力（3）自動執(zhí)行指令能力第一章機器人技術及其應用概述1.2.2機器人系統(tǒng)的結構三大部分：機械部分、傳感部分和控制部分。六個子系統(tǒng)：驅(qū)動系統(tǒng)、機械系統(tǒng)、感知系統(tǒng)、機器人—環(huán)境交互系統(tǒng)、人機交互系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。第一章機器人技術及其應用概述1.2.2機器人系統(tǒng)的結構1.機械結構系統(tǒng)機械結構系統(tǒng)是機器人的主體部分，由基座、手臂、末端執(zhí)行器三大件組成。如果基座具備行走機構便構成行走機器人。如果基座不具備行走及腰轉(zhuǎn)機構，構成單機器人臂。手臂一般由上臂、下臂和手腕組成。

末端執(zhí)行器連接在機械手的最后一個關節(jié)上。

第一章機器人技術及其應用概述1.2.2機器人系統(tǒng)的結構2.驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)是使各種機械部件產(chǎn)生運動的裝置。根據(jù)驅(qū)動源的不同，驅(qū)動系統(tǒng)可分為液壓、氣動和電動三種以及把它們結合起來應用的綜合系統(tǒng)。

第一章機器人技術及其應用概述1.2.2機器人系統(tǒng)的結構3.控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)的任務是根據(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)行機構去完成規(guī)定的運動和功能。機器人不具備信息反饋特征，為開環(huán)控制系統(tǒng)。若具備信息反饋特征，則為閉環(huán)控制系統(tǒng)。根據(jù)控制原理，控制系統(tǒng)又可分為程序控制系統(tǒng)、適應性控制系統(tǒng)和人工智能控制系統(tǒng)。根據(jù)控制運動的形式，控制系統(tǒng)還可分為點位控制和軌跡控制。第一章機器人技術及其應用概述1.2.2機器人系統(tǒng)的結構4.感知系統(tǒng)感知系統(tǒng)由內(nèi)部傳感器模塊和外傳感器模塊組成，獲取內(nèi)部和外部環(huán)境狀態(tài)中的有意義的信息，通過這些信息確定機械部件各部分的運行軌跡、速度、位置和外部環(huán)境狀態(tài)，使機械部件的各部分按預定程序或者工作需要進行動作。

第一章機器人技術及其應用概述1.2.2機器人系統(tǒng)的結構5.機器人—環(huán)境交互系統(tǒng)機器人—環(huán)境交互系統(tǒng)是實現(xiàn)機器人與外部環(huán)境中的設備互相聯(lián)系和協(xié)調(diào)的系統(tǒng)。

第一章機器人技術及其應用概述1.2.2機器人系統(tǒng)的結構6.人機交互系統(tǒng)人機交互系統(tǒng)是實現(xiàn)操作人員參與機器人控制并與機器人進行聯(lián)系的裝置。通常指輸入和輸出設備。

第一章機器人技術及其應用概述1.2.3機器人的分類1、按幾何結構來分直角坐標機器人這一類機器人其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)，即沿著X軸的縱向移動，沿著Y軸的橫向移動及沿著Z軸的升降。特點:該形式機器人的位置精度高，控制無耦合、簡單，避障性好，但結構較龐大，動作范圍小，靈活性差，難與其他機器人協(xié)調(diào)；移動軸的結構較復雜，且占地面積較大。

第一章機器人技術及其應用概述第一章機器人技術及其應用概述1.2.3機器人的分類圓柱坐標機器人這種機器人通過兩個移動和—個轉(zhuǎn)動實現(xiàn)手部空間位置的改變。特點：圓柱坐標型機器人的位置精度僅次于直角坐標型，控制簡單，避障性好，但結構也較龐大，難與其他機器人協(xié)調(diào)工作，兩個移動軸的設計較復雜。第一章機器人技術及其應用概述第一章機器人技術及其應用概述1.2.3機器人的分類球坐標機器人球坐標機器人采用球坐標系，用一個滑動關節(jié)和兩個旋轉(zhuǎn)關節(jié)來確定部件的位置，再用一個附加的旋轉(zhuǎn)關節(jié)確定部件的姿態(tài)。特點：可以繞中心軸旋轉(zhuǎn)，中心架附近的工作范圍大，兩個轉(zhuǎn)動驅(qū)動裝置容易密封，覆蓋空間較大。但該坐標復雜，難于控制，且直線驅(qū)動裝置仍存在密封和工作死區(qū)問題。球坐標機器人的工作范圍呈球缺狀。

第一章機器人技術及其應用概述第一章機器人技術及其應用概述1.2.3機器人的分類關節(jié)坐標機器人關節(jié)機器人的關節(jié)全部都是旋轉(zhuǎn)的，類似于人的手臂，主要由立柱、前臂和后臂組成。

其結構最緊湊，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，故比較復雜，這種機器人目前應用得最多。第一章機器人技術及其應用概述第一章機器人技術及其應用概述1.2.3機器人的分類平面關節(jié)式機器人這種機器人可看作是關節(jié)坐標式機器人的特例，只有平行的肩關節(jié)和肘關節(jié)，關節(jié)軸線共面。第一章機器人技術及其應用概述1.2.3機器人的分類

2、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

38第一章機器人技術及其應用概述1.2.3機器人的分類3、按用途劃分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（1）工業(yè)機器人第一章機器人技術及其應用概述（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40第一章機器人技術及其應用概述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41第一章機器人技術及其應用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42第一章機器人技術及其應用概述“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）43第一章機器人技術及其應用概述美國“別動隊”無人機法國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44第一章機器人技術及其應用概述特種機器人（三）足球機器人AIBO機器狗指揮機器人迎賓機器人導盲機器人跳舞機器人醫(yī)療機器人45第一章機器人技術及其應用概述特種機器人（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46第一章機器人技術及其應用概述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。可變順序機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47第一章機器人技術及其應用概述按機器人的性能指標分類機器人按照結構形態(tài)、負載能力和動作空間可類如下。⑴超大型機器人超大型機器人的負載能力為1000kg以上。⑵大型機器人大型機器人的負載能力為100—1000kg，作業(yè)空間為10m2以上。⑶中型機器人中型機器人的負載能力為10—100kg，作業(yè)空間為l一10m2。⑷小型機器人小型機器人的負載能力為0.1—10kg，作業(yè)空間為0.1一lm2。⑸超小型機器人超小型機器人的負載能力為0.1kg以下，作業(yè)空間為0.1