机器人技术第一章.ppt

机器人技术,黑龙江工程学院 2013.08,机器人世界 欢迎来到,请欣赏现代机器人技术成果,请欣赏现代机器人技术成果,请欣赏现代机器人技术成果,机器人 Robot 一词起源于捷克小说家科雷尔的科幻小说罗萨姆的机器人万能公司，由Robota （捷克语“劳役”、“苦工”之意）和Robotink（波兰语“工人”之意）衍生而来，故有执行者、服务者之意。 随着计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能以及仿生学等学科的不断发展，机器人技术作为一种综合性的多学科交叉融合技术，已经逐渐成为未来世界的代名词，人们对于未来世界的想象和探索伴随着机器人技术的迅猛发展得以实现，对人类征服自然和世界起到了关键作用。,第一章 绪论,机器人的技术参数,参考坐标系,机器人的分类,机器人的应用,机器人概述,操作臂的机构与控制,第一章 绪论,第一节 机器人概述,机器人的产生与发展,第一章 绪论,人类的懒惰促使了机器人的出现,不想洗衣服,不想做饭,不想走路,？,？,？,第一节 机器人概述,机器人的产生与发展,第一章 绪论,个人应用,想象,工业应用,商业应用,古希腊的长篇叙事诗伊利亚特中的冶炼之神用黄金制造出的侍女，希腊神话阿鲁歌探险船中的青铜巨人泰洛斯，我国西周时流传巧匠偃师制作的歌舞机器人，以及许多科幻小说中都有机器人的身影。,第一节 机器人概述,机器人的产生与发展,第一章 绪论,1954年美国人乔治德沃尔制造出世界上第一台可编程的机器人 ； 1959年德沃尔与美国发明家约瑟夫英格伯格联手制造出第一台工业机器人。,个人应用,想象,工业应用,商业应用,第一节 机器人概述,机器人的产生与发展,第一章 绪论,世界上第一家机器人制造工厂Unimation公司制造的Unimate 与1962年美国AMF公司生产出的VERSTRAN成为真正商业化的工业机器人，并出口到世界各国，掀起了全世界对机器人和机器人研究的热潮,个人应用,想象,工业应用,商业应用,第一节 机器人概述,机器人的产生与发展,第一章 绪论,1998年丹麦乐高公司推出机器人（Mind-storms）套件，让机器人制造变得跟搭积木一样，相对简单又能任意拼装，使机器人开始走入个人世界。,个人应用,想象,工业应用,商业应用,人类对机器人的幻想与追求已有3000多年的历史 西周时期，我国的能工巧匠偃师研制出的歌舞艺人，是我国最早记载的机器人。 春秋后期，据墨经记载，鲁班曾制造过一只木鸟，能在空中飞行“三日不下” 。 公元前2世纪，古希腊人戴达罗斯发明了最原始的机器人太罗斯，它是以水、空气和蒸汽压力为动力的会动的青铜雕像，它可以自己开门，还可以借助蒸汽唱歌。 1800年前的汉代，大科学家张衡不仅发明了地动仪，而且发明了计里鼓车，计里鼓车每行一里，车上木人击鼓一下，每行十里击钟一下。 后汉三国时期，蜀国丞相诸葛亮成功地创造出了“木牛流马”，并用其在崎岖山路中运送军粮，支援前方战争。,古代机器人的发展历史,古代“机器人”现代机器人的雏形,古代机器人的发展历史,木牛流马,计里鼓车,古代机器人的发展历史,1662年，日本的竹田近江利用钟表技术发明了自动机器玩偶，并在大阪的道顿堀演出。 1738年，法国天才技师杰克戴瓦克逊发明了一只机器鸭，它会嘎嘎叫，会游泳和喝水，还会进食和排泄。 1773年，著名的瑞士钟表匠杰克道罗斯和他的儿子利路易道罗斯制造出自动书写玩偶、自动演奏玩偶等，他们创造的自动玩偶是利用齿轮和发条原理而制成的，它们有的拿着画笔和颜色绘画，有的拿着鹅毛蘸墨水写字，结构巧妙，服装华丽，在欧洲风靡一时。 1927年，美国西屋公司工程师温兹利制造了第一个机器人“电报箱”，并在纽约举行的世界博览会上展出，它是一个电动机器人，装有无线电发报机，可以回答一些问题，但该机器人不能走动。,进入20世纪之后，机器人已躁动于人类社会和经济的母胎之中。 1950年，美国著名的科学幻想小说家阿西莫夫在他的小说我是机器人中，提出了有名的“机器人三守则”： (1)机器人必须不危害人类，也不允许它眼看人将受害而袖手旁观； (2)机器人必须绝对服从于人类，除非这种服从有害于人类； (3)机器人必须保护自身不受伤害，除非为了保护人类或者是人类命令它作出牺牲; 这三条守则，给机器人社会赋以新的伦理性，并使机器人概念通俗化，更易于为人类社会所接受。,现代机器人研究的进展,现代机器人研究的进展,1954年，美国人George C. Devol 提出了第一个工业机器人方案，并在1956年获得美国专利。1960年，Conder公司购买专利并制造了样机。 1961年，Unimation公司（通用机械公司）成立，生产和销售了第一台工业机器“Unimate”，即万能自动之意。 1962年，A.M.F.（机械与铸造）公司，研制出一台数控自动通用机，取名“Versatran”，即多用途搬运之意，并以“Industrial Robot”为商品广告投入市场。 1967年， Unimation公司第一台喷涂用机器人出口到日本川崎重工业公司。 1968年，第一台智能机器人Shakey在斯坦福研究所诞生。 1972年，IBM公司开发出直角坐标机器人。 1973年，Cincinnati Milacron公司推出T3型机器人。 1978年，第一台PUMA机器人在Unimation公司诞生。 在此期间，日本、西欧各国、前苏联也相断引进或自行研制工业机器人。6070年代是机器技术获得巨大发展的阶段。 80年代，机器人在发达国家的工业中大量普及应用，如焊接、喷漆、搬运、装配。并向各个领域拓展，如航天、水下、排险、核工业等，机器人的感知技术得到相应的发展，产生第二代机器人。90年代，机器人技术在发达国家应用更为广泛，如军用、医疗、服务、娱乐等领域，并开始向智能型（第三代）机器人发展。,Unimation公司PUMA560机器人,国际标准化组织（ISO）采纳了美国机器人协会给“机器人”下的定义：“一种可以反复编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机；或者为了执行不同的任务而具有可改变的和可编程动作的专门系统”。 A reprogrammable and multifunctional manipulator，devised for the transport of materials，parts，tools or specialized systems；with varied and programmed movements，with the aim of carrying out varied tasks. *机器人外表不一定像人，或者根本不象人。像人的机器人是仿生类人机器人。制造机器人的目的是为了让机器人能具有人的劳动机能，来代替人的工作，减轻人的劳动负担。,机器人的定义,第一节 机器人概述,机器人的定义,第一章 绪论,第二节 机器人的应用,机器人应用,第一章 绪论,第二节 机器人的应用,第一章 绪论,民用机器人,第二节 机器人的应用,第一章 绪论,民用机器人,工业机器人,农业机器人,服务机器人,仿人机器人,汽车装配机器人,第二节 机器人的应用,第一章 绪论,民用机器人,工业机器人,农业机器人,服务机器人,仿人机器人,农业机器人指的是应用于农业生产的机器人的总称 。,第二节 机器人的应用,第一章 绪论,民用机器人,工业机器人,农业机器人,服务机器人,仿人机器人,蔬果采摘机器人,第二节 机器人的应用,第一章 绪论,民用机器人,工业机器人,农业机器人,服务机器人,仿人机器人,服务机器人是一种以自主或半自主方式运行，能为人类健康提供服务的机器人，或者是能对设备运行进行维护的一类机器人。,第二节 机器人的应用,第一章 绪论,民用机器人,工业机器人,农业机器人,服务机器人,仿人机器人,家务机器人,第二节 机器人的应用,第一章 绪论,民用机器人,工业机器人,农业机器人,服务机器人,仿人机器人,仿人机器人是指外表和人很相似的机器人。由于其具有人类的外形特征，更容易适应人类的生活环境及运载工具，具有广阔的应用前景。,第二节 机器人的应用,第一章 绪论,民用机器人,工业机器人,农业机器人,服务机器人,仿人机器人,舞蹈表演机器人,第二节 机器人的应用,第一章 绪论,军用机器人,水下军用机器人又称为水下无人潜器，分为遥控、半自主及自主型。为了争夺制海权，各国都在开发各种用途的水下机器人 。主要包括即水下有缆机器人ROV（Remote Operated Vehicle）和自治水下运载工具AUV（Autonomous Underwater Vehicle）,第二节 机器人的应用,第一章 绪论,军用机器人,AUV,ROV,1990年日本海洋科技中心 研制的“海沟号”缆控式无人潜水器（左）及其在大海中工作时的情况（右）,1995年8月我国沈阳自动化所机器人中心研制的CR-01型6000米水下无缆机器人（上）和正在下水的情况（右）,第二节 机器人的应用,第一章 绪论,军用机器人,水下军用机器人,地面军用机器人,空中军用机器人,空间机器人,地面军用机器人是指在地面上使用的机器人系统，它们不仅在和平时期可以帮助民警排除炸弹、完成要地保安任务，战场上可以代替士兵执行运输、扫雷、侦察和攻击等各种任务。,排雷机器人,第二节 机器人的应用,第一章 绪论,军用机器人,水下军用机器人,地面军用机器人,空中军用机器人,空间机器人,空中机器人又叫无人机，近年来在军用机器人家族中，无人机是科研活动最活跃、技术进步最大、研究及采购经费投入最多、实战经验最丰富的领域，无人机广泛应用于侦察、监视、预警、目标攻击等领域。,第二节 机器人的应用,第一章 绪论,军用机器人,水下军用机器人,地面军用机器人,空中军用机器人,空间机器人,在未来的空间活动中，将有大量的空间加工、空间生产、空间装配、空间科学实验和空间维修等工作要做，这些大量的工作是不可能仅仅只靠宇航员去完成，还必须充分利用空间机器人。,这是国际太空间使用的一种名为“特殊目的灵巧操作员”的机械臂,火星探测机器人,Lemur,美国航空航天局（NASA）研究的 “索杰纳”火星车,第三节 机器人的分类,第一章 绪论,第三节 机器人的分类,按发展时期分类,第一章 绪论,第一代机器人可以追溯到70年代，那时的机器人是由固定的、非程序控制的、无感应器的电子机械设备，主要以示教再现方式工作,第三节 机器人的分类,按发展时期分类,第一章 绪论,第二代机器人诞生于80年代，内置了感应器和由程序控制的控制器，通过反馈控制，使机器人能在一定程度上适应环境的变化。,第三节 机器人的分类,按发展时期分类,第一章 绪论,第三代机器人是90年代以来到迄今为止发明的机器人。这种机器人带有多种传感器，可以进行复杂的逻辑推理、判断及决策。,第三节 机器人的分类,按发展时期分类,第一章 绪论,第四代机器人还在研发中，预计具备人工智能、自我复制、自动组装和尺寸像纳米一样大小等特点。,第三节 机器人的分类,按智能水平划分,第三节 机器人的分类,按驱动方式分类,第一章 绪论,第三节 机器人的分类,按应用环境分类,第一章 绪论,第三节 机器人的分类,按控制方式分类,第一章 绪论,第四节 参考坐标系,第一章 绪论,第四节 参考坐标系,第一章 绪论,全局参考坐标系是一种通用的坐标系，由X，Y和Z轴所定义。其中机器人的所有运动都是通过沿三个主轴方向的同时运动产生的。这种坐标系下，不管机器人处于何种位姿，运动均由三个坐标轴表示而成。这一坐标系通常用来定义机器人相对于其他物体的运动、与机器人通信的其他部件以及机器人运动路径。,第四节 参考坐标系,第一章 绪论,关节参考坐标系是用来表示机器人每一个独立关节运动的坐标系。机器人的所有运动都可以分解为各个关节单独的运动，这样每个关节可以单独控制，每个关节的运动可以用单独的关节参考坐标系表示。,第四节 参考坐标系,第一章 绪论,工具参考坐标系是用来描述机器人末端执行器的位姿。工具坐标系是一个活动的坐标系，它随着机器人的运动而不断改变。,与工具坐标系相对应的是与操作臂固定底座相连的基坐标系。,第五节 机器人的技术参数,第一章 绪论,技术 参数,自由度,工作空间,分辨率、位姿准确度 和位姿重复性,额定速度与 额定负载,第五节 机器人的技术参数,第一章 绪论,自由度,机器人的自由度（Degree of Freedom, DOF）是指其末端执行器相对于参考坐标系能够独立运动的数目，但并不包括末端执行器的开合自由度。自由度是机器人的一个重要技术指标，它是由机器人的结构决定的，并直接影响到机器人是否能完成与目标作业相适应的动作。,书P.3自由度定义,四杆机构：1个自由度,第五节 机器人的技术参数,第一章 绪论,技术 参数,自由度,工作空间,分辨率、位姿准确度 和位姿重复性,额定速度与 额定负载,第五节 机器人的技术参数,第一章 绪论,工作空间,机器人的工作空间（Working Space）分为关节空间和操作空间。 操作空间：是指机器人末端参考点所能达到的所有空间区域。由于末端执行器的形状尺寸是多种多样的，为真实反映机器人的特征参数，工作空间是指不安装末端执行器时的工作区域。 关节空间：是指每个关节的运动范围。,书P.4工作空间定义：关节空间和操作空间,第五节 机器人的技术参数,第一章 绪论,技术 参数,自由度,工作空间,分辨率、位姿准确度 和位姿重复性,额定速度与 额定负载,第五节 机器人的技术参数,第一章 绪论,额定速度与 额定负载,机器人在保持运动平稳性和位置精度的前提下所能达到的最大速度称为额定速度（Rated Velocity）。 机器人在额定速度和规定性能范围内，末端执行器所能承受负载的允许值称为额定负载（Rated Load）。,第五节 机器人的技术参数,第一章 绪论,技术 参数,自由度,工作空间,分辨率、位姿准确度 和位姿重复性,额定速度与 额定负载,第五节 机器人的技术参数,第一章 绪论,分辨率、位姿准确度 和位姿重复性,机器人的分辨率由系统设计检测参数决定，并受到位置反馈检测单元性能的影响。 机器人的位姿准确度是指机器人多次执行同一位姿指令，其末端执行器在指定坐标系中实到位姿与指令位姿之间的偏差。 在相同的条件下，用同一方法操作机器人时，重复多次所测得的同一位姿散布的不一致程度称为位姿的重复性。,第六节 操作臂的机构与控制,第一章 绪论,1、位姿描述 书P.3+本书第二章 2、操作臂的运动学（正运动学和逆运动学）书P.3+本书第三章和第四章