第1章机器人概论

1、 机器人及其控制原理机器人及其机器人及其控制原理控制原理机电工程学院机电工程学院机械与电子工程系机械与电子工程系 机器人及其控制原理 联系信息联系信息教师教师：祁广利祁广利单位：单位：机电工程学院机电系机电工程学院机电系办公室：办公室：2B-408电话：电话：-mail： 机器人及其控制原理第第1 1章章 机器人概论机器人概论第第2 2章章 机器人运动学机器人运动学第第3 3章章 机器人动力学机器人动力学第第4 4章章 机器人控制技术机器人控制技术课 程 内 容 机器人及其控制原理1.2 机器人的组成与分类机器人的组成与分类1.3 机器人的操作机机器人的操作机1.1

2、机器人的起源与发展机器人的起源与发展第第1章章 机器人概论机器人概论 机器人及其控制原理1.1 1.1 机器人的起源与发展机器人的起源与发展古代机器人古代机器人 西周时期，我国的能工巧匠偃师就研制出了能歌善舞的西周时期，我国的能工巧匠偃师就研制出了能歌善舞的伶人，这是我国最早记载的机器人。伶人，这是我国最早记载的机器人。 春秋后期，我国著名的木匠鲁班，在机械方面也是一位春秋后期，我国著名的木匠鲁班，在机械方面也是一位发明家，据发明家，据墨经墨经记载，他曾制造过一只木鸟，能在记载，他曾制造过一只木鸟，能在空中飞行空中飞行“三日不下三日不下”，体现了我国劳动人民的聪明智，体现了我国劳动人民的聪明智

3、慧。慧。 18001800年前的汉代，大科学家张衡不仅发明了地动仪，而年前的汉代，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。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后汉三国时期，蜀国丞相诸葛亮成功地创造出了“木牛木牛流马流马”，并用其运送军粮，支援前方战争。，并用其运送军粮，支援前方战争。 机器人及其控制原理1.1 1.1 机器人的起源与发展机器人的起源与发展古代机器人古代机器人 公元前公元前2 2世纪，亚历山大时代的古希腊人发明了最原始的世纪，亚历山大时代

4、的古希腊人发明了最原始的机器人机器人自动机。它是以水、空气和蒸汽压力为动力的自动机。它是以水、空气和蒸汽压力为动力的会动的雕像，它可以自己开门，还可以借助蒸汽唱歌。会动的雕像，它可以自己开门，还可以借助蒸汽唱歌。 16621662年，日本的竹田近江利用钟表技术发明了自动机器玩年，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。偶，并在大阪的道顿堀演出。 17381738年，法国天才技师杰克年，法国天才技师杰克戴戴瓦克逊发明了一只机器鸭，瓦克逊发明了一只机器鸭，它会嘎嘎叫，会游泳和喝水。它会嘎嘎叫，会游泳和喝水。 17731773年，瑞士的钟表匠杰克年，瑞士的钟表匠杰克道罗斯

5、和他的儿子利道罗斯和他的儿子利路易路易道道罗斯连续推出了自动书写玩偶、自动演奏玩偶等，现在保罗斯连续推出了自动书写玩偶、自动演奏玩偶等，现在保留下来的最早的机器人是瑞士努萨蒂尔历史博物馆里留下来的最早的机器人是瑞士努萨蒂尔历史博物馆里制作制作于二百年前的少女玩偶，现在还定期演奏供参观者欣赏。于二百年前的少女玩偶，现在还定期演奏供参观者欣赏。 机器人及其控制原理古代机器人古代机器人1.1 1.1 机器人的起源与发展机器人的起源与发展 1919世纪中叶自动玩偶分为世纪中叶自动玩偶分为2 2个流派，即科学幻想派和机械个流派，即科学幻想派和机械制作派，并各自在文学艺术和近代技术中找到了自己的位制作派，

6、并各自在文学艺术和近代技术中找到了自己的位置。置。 科学幻想派：科学幻想派： 1831 1831年歌德发表了浮士德，塑造了人造人年歌德发表了浮士德，塑造了人造人“荷蒙荷蒙克鲁斯克鲁斯”；18701870年霍夫曼出版了以自动玩偶为主角的作品年霍夫曼出版了以自动玩偶为主角的作品葛蓓莉娅；葛蓓莉娅；18831883年科洛迪的木偶奇遇记问世；年科洛迪的木偶奇遇记问世；18861886年未来的夏娃问世。年未来的夏娃问世。 机械制作派：机械制作派： 1893 1893年摩尔制造了年摩尔制造了“蒸汽人蒸汽人”，“蒸汽人蒸汽人”靠蒸汽驱靠蒸汽驱动双腿沿圆周走动。动双腿沿圆周走动。 机器人及其控制原理古代机器人

7、古代机器人1.1 1.1 机器人的起源与发展机器人的起源与发展 进入进入2020世纪后，一些适用化的机器人相继问世。世纪后，一些适用化的机器人相继问世。 1927 1927年美国西屋公司工程师温兹利制造了第一个机器年美国西屋公司工程师温兹利制造了第一个机器人人“电报箱电报箱”，并在纽约举行的世界博览会上展出。它是，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，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。但该机器人不能走动。 随后第一台工业机器人（可编程、圆坐标）在美国诞随后第一台工业机器人（可编程、圆坐标）在美国诞生，开创了

8、机器人发展的新纪元。生，开创了机器人发展的新纪元。 机器人及其控制原理现代机器人现代机器人 现代机器人的研究始于现代机器人的研究始于2020世纪中期，其技术背景是计算世纪中期，其技术背景是计算机和自动化的发展，以及原子能的开发利用。机和自动化的发展，以及原子能的开发利用。 自自19461946年第一台年第一台数字电子计算机数字电子计算机问世以来，计算机取得了问世以来，计算机取得了惊人的进步，向高速度、大容量、低价格的方向发展。惊人的进步，向高速度、大容量、低价格的方向发展。 另一方面，原子能实验室的恶劣环境要求某些操作机械代另一方面，原子能实验室的恶劣环境要求某些操作机械代替人处理放射性物质。

9、在这一需求背景下，美国原子能委替人处理放射性物质。在这一需求背景下，美国原子能委员会的阿尔贡研究所于员会的阿尔贡研究所于19471947年开发了年开发了遥控机械手遥控机械手，19481948年年又开发了机械式的又开发了机械式的主从机械手主从机械手。 大批量工业化生产的迫切需求推动了自动化大批量工业化生产的迫切需求推动了自动化技术的进展，技术的进展，其结果之一便是其结果之一便是19521952年数控机床年数控机床的诞生。与数控机床相关的诞生。与数控机床相关的控制、机械零件的研究又为机器人的开发奠定了基础。的控制、机械零件的研究又为机器人的开发奠定了基础。1.1 1.1 机器人的起源与发展机器人的

10、起源与发展 机器人及其控制原理现代机器人现代机器人1.1 1.1 机器人的起源与发展机器人的起源与发展 19541954年，美国人年，美国人George C. Devol George C. Devol 提出了第一个工业机器提出了第一个工业机器人方案并在人方案并在19561956年获得美国专利。年获得美国专利。 19601960年，年，ConderConder公司购买专利并制造了样机。公司购买专利并制造了样机。 19611961年，年，UnimationUnimation公司（通用机械公司）成立，生产和公司（通用机械公司）成立，生产和销售了第一台工业机器销售了第一台工业机器“Unimate”U

11、nimate”，即万能自动之意。，即万能自动之意。 19621962年，年，A.M.F.A.M.F.（机械与铸造）公司，研制出一台数控自（机械与铸造）公司，研制出一台数控自动通用机，取名动通用机，取名“Versatran”Versatran”，即多用途搬运之意，并，即多用途搬运之意，并以以“Industrial Robot”Industrial Robot”为商品广告投入市场。为商品广告投入市场。 19651965年，年，MITMIT的的RobortsRoborts演示了第一个具有视觉传感器的、演示了第一个具有视觉传感器的、能识别与定位简单积木的机器人系统。能识别与定位简单积木的机器人系统。

12、机器人及其控制原理现代机器人现代机器人1.1 1.1 机器人的起源与发展机器人的起源与发展 19671967年，年，UnimationUnimation公司第一台喷涂用机器人出口到日本公司第一台喷涂用机器人出口到日本川崎重工业公司。同年，日本成立了人工手研究会（现改川崎重工业公司。同年，日本成立了人工手研究会（现改名为仿生机构研究会），并召开了日本首届机器人学术会。名为仿生机构研究会），并召开了日本首届机器人学术会。 19681968年，第一台智能机器人年，第一台智能机器人ShakeyShakey在斯坦福研究所诞生。在斯坦福研究所诞生。 19701970年在美国召开了第一届国际工业机器人学术会

13、议。此年在美国召开了第一届国际工业机器人学术会议。此后，机器人的研究得到迅速广泛的普及。后，机器人的研究得到迅速广泛的普及。 19721972年，年，IBMIBM公司开发出直角坐标机器人。公司开发出直角坐标机器人。 19731973年，年，Cincinnati MilacronCincinnati Milacron（辛辛那提（辛辛那提米拉克隆）公米拉克隆）公司的理查德司的理查德豪恩制造了第一台由小型计算机控制的工业机豪恩制造了第一台由小型计算机控制的工业机器人器人T3T3型机器人，它是液压驱动的，能提升的有效负载型机器人，它是液压驱动的，能提升的有效负载达达4545公斤。公斤。 机器人及其控制

14、原理现代机器人现代机器人1.1 1.1 机器人的起源与发展机器人的起源与发展 19781978年，第一台年，第一台PUMAPUMA机器人在机器人在UnimationUnimation公司诞生。公司诞生。 19801980年，工业机器人才真正在日本普及，故称该年年，工业机器人才真正在日本普及，故称该年为为“机器人元年机器人元年”。 随着计算机技术和人工智能技术的飞速发展，使机器人随着计算机技术和人工智能技术的飞速发展，使机器人在功能和技术层次上有了很大的提高，移动机器人和机在功能和技术层次上有了很大的提高，移动机器人和机器人的视觉和触觉等技术就是典型的代表。器人的视觉和触觉等技术就是典型的代表。

15、 机器人及其控制原理现代机器人现代机器人1.1 1.1 机器人的起源与发展机器人的起源与发展 现在，将具有感觉、思考、决策和动作能力的系统称为现在，将具有感觉、思考、决策和动作能力的系统称为智能机器人智能机器人，这是一个概括的、含义广泛的概念。这一，这是一个概括的、含义广泛的概念。这一概念不但指导了机器人技术的研究和应用，而且又赋予概念不但指导了机器人技术的研究和应用，而且又赋予了机器人技术向深广发展的巨大空间，水下机器人、空了机器人技术向深广发展的巨大空间，水下机器人、空间机器人、空中机器人、地面机器人、微小型机器人等间机器人、空中机器人、地面机器人、微小型机器人等各种用途的机器人相继问世，

16、许多梦想成为了现实。将各种用途的机器人相继问世，许多梦想成为了现实。将机器人的技术（如传感技术、智能技术、控制技术等）机器人的技术（如传感技术、智能技术、控制技术等）扩散和渗透到各个领域形成了各式各样的新机器扩散和渗透到各个领域形成了各式各样的新机器机机器人化机器。当前与信息技术的交互和融合又产生了器人化机器。当前与信息技术的交互和融合又产生了“软件机器人软件机器人”、“网络机器人网络机器人”的名称，这也说明了的名称，这也说明了机器人所具有的创新活力。机器人所具有的创新活力。 机器人及其控制原理现代机器人现代机器人1.1 1.1 机器人的起源与发展机器人的起源与发展 20世纪世纪6070年代是

17、机器技术获得巨大发展的阶段。日年代是机器技术获得巨大发展的阶段。日本、西欧各国、前苏联也相断引进或自行研制工业机器人。本、西欧各国、前苏联也相断引进或自行研制工业机器人。 20世纪世纪80年代，机器人在发达国家的工业中大量普及应年代，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。发展，产生第二代机器人。机器人发展历程：机器人发展历程： 20世纪世纪90年代，机器人技术在发达国家

18、应用更为广泛，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。代）机器人发展。 机器人及其控制原理现代机器人现代机器人1.1 1.1 机器人的起源与发展机器人的起源与发展随着机器人技术的发展形成了新学科随着机器人技术的发展形成了新学科 机器人学机器人学。建立了相应学术组织，定期举办学术活动。建立了相应学术组织，定期举办学术活动。 国际会议：国际会议：ISIP、IEEEIROS、ICR&A 等。等。 国际杂志：国际杂志： Robtics Research Robotica Ro

19、botics and Automation 等。等。 机器人及其控制原理现代机器人现代机器人1.1 1.1 机器人的起源与发展机器人的起源与发展 我国机器人技术起步于我国机器人技术起步于70年代末，一些院校和企业开始年代末，一些院校和企业开始研制专用机械手。研制专用机械手。80年代初，开发小型的教育机器人。年代初，开发小型的教育机器人。1985年哈工大研制出国内第一台弧焊机器人（华宇年哈工大研制出国内第一台弧焊机器人（华宇号）。号）。 国家国家“863”计划把机器人技术作为重点发展技术来支计划把机器人技术作为重点发展技术来支持。建立了持。建立了“机器人示范工程中心机器人示范工程中心”和机器人国

20、家开放实验和机器人国家开放实验室（沈阳自动化所、哈工大、合肥机械所、上海交大、南开室（沈阳自动化所、哈工大、合肥机械所、上海交大、南开大学）。大学）。 我国也建立了机器人学的学术组织，定期举办学术活动。我国也建立了机器人学的学术组织，定期举办学术活动。 学术会议：每两年左右去办一次大型全国性会议。学术会议：每两年左右去办一次大型全国性会议。 学术刊物：学术刊物： 机器人机器人 、机器人技术与应用、机器人技术与应用 等。等。 机器人及其控制原理1 1、机器人的定义、机器人的定义1.1 1.1 机器人的起源与发展机器人的起源与发展 在科技界，科学家会给每一个科技术语一个明确的定在科技界，科学家会给

21、每一个科技术语一个明确的定义，但机器人问世已有几十年，机器人的定义仍然仁者见义，但机器人问世已有几十年，机器人的定义仍然仁者见仁，智者见智，没有一个统一的意见。原因之一是机器人仁，智者见智，没有一个统一的意见。原因之一是机器人还在发展，新的机型，新的功能不断涌现。根本原因主要还在发展，新的机型，新的功能不断涌现。根本原因主要是因为机器人涉及到了人的概念，成为一个难以回答的哲是因为机器人涉及到了人的概念，成为一个难以回答的哲学问题。学问题。也许正是由于机器人定义的模糊，才给了人们充也许正是由于机器人定义的模糊，才给了人们充分的想象和创造空间。分的想象和创造空间。 机器人及其控制原理1 1、机器人

22、的定义、机器人的定义1.1 1.1 机器人的起源与发展机器人的起源与发展 1886年法国作家利尔亚当在他的小说年法国作家利尔亚当在他的小说未来夏娃未来夏娃中将中将外表像人的机器起名为外表像人的机器起名为“安德罗丁安德罗丁”（android），它由），它由4部分组成：部分组成：（1）生命系统（平衡、步行、发声、身体摆动、感觉、）生命系统（平衡、步行、发声、身体摆动、感觉、表情、调节运动等）；表情、调节运动等）；（2）造型解质（关节能自由运动的金属覆盖体，一种）造型解质（关节能自由运动的金属覆盖体，一种盔甲）；盔甲）；（3）人造肌肉（在上述盔甲上有肉体、静脉、性别等）人造肌肉（在上述盔甲上有肉体、

23、静脉、性别等身体的各种形态）；身体的各种形态）；（4）人造皮肤（含有肤色、机理、轮廓、头发、视觉、）人造皮肤（含有肤色、机理、轮廓、头发、视觉、牙齿、手爪等）。牙齿、手爪等）。 机器人及其控制原理1 1、机器人的定义、机器人的定义1.1 1.1 机器人的起源与发展机器人的起源与发展 1920年捷克剧作家年捷克剧作家KarelCapek（卡雷尔（卡雷尔卡佩克）的剧本卡佩克）的剧本Rossums Universal Robota（罗萨姆的万能机器（罗萨姆的万能机器人）最早出现了人）最早出现了“机器人机器人”一词。一词。 在剧本中，卡佩克把在剧本中，卡佩克把“Robota”写成了写成了“Robot”

24、，捷克语捷克语“Robota”是奴隶、仆人的意思是奴隶、仆人的意思。“Robot”被当被当成了机器人一词的起源。成了机器人一词的起源。 该剧预告了机器人的发展对人类社会的悲该剧预告了机器人的发展对人类社会的悲剧性影响，剧性影响，引起了大家的广泛关注。引起了大家的广泛关注。 机器人及其控制原理1 1、机器人的定义、机器人的定义1.1 1.1 机器人的起源与发展机器人的起源与发展 1950年，美国著名科幻小说家年，美国著名科幻小说家IsaacAsimov（伊塞克（伊塞克亚亚西莫夫）在他的小说我是个机器人中首次使用了西莫夫）在他的小说我是个机器人中首次使用了“Robotics”一词，意思是研究机器人

25、技术的一门学问，一词，意思是研究机器人技术的一门学问，译作译作“机器人学机器人学”。他还提出了有名的。他还提出了有名的“机器人三原机器人三原则则”： （1）机器人不可伤害人；）机器人不可伤害人； （2）机器人必须服从人给它的与原则不矛盾的指令；）机器人必须服从人给它的与原则不矛盾的指令； （3）在与前两个原则不矛盾的情况下，机器人可维护自）在与前两个原则不矛盾的情况下，机器人可维护自身不受伤害。身不受伤害。 这三条原则，给机器人赋以新的社会伦理性，并使这三条原则，给机器人赋以新的社会伦理性，并使机器人的概念通俗化，更易于为人类社会所接受。至今，机器人的概念通俗化，更易于为人类社会所接受。至今，

26、它仍为机器人研究人员、设计制造厂家和机器人用户，它仍为机器人研究人员、设计制造厂家和机器人用户，提供了十分有意义的指导方针。提供了十分有意义的指导方针。 机器人及其控制原理1 1、机器人的定义、机器人的定义1.1 1.1 机器人的起源与发展机器人的起源与发展 目前，对机器人的定义主目前，对机器人的定义主要是指工业机器人：要是指工业机器人： 美国机器人协会美国机器人协会（RIA)：一种用于移动各种材料、零件、一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置的，通过程序动作来执行各种任务，并工具或专用装置的，通过程序动作来执行各种任务，并具有编程能力的多功能操作机具有编程能力的多功能操作机（Manipu

27、lator）。 美国家标准局：美国家标准局：一种能够进行编程并在自动控制下完成一种能够进行编程并在自动控制下完成某些操作和移动作业任务或动作的机械装置。某些操作和移动作业任务或动作的机械装置。 机器人及其控制原理1 1、机器人的定义、机器人的定义1.1 1.1 机器人的起源与发展机器人的起源与发展国际标准化组国际标准化组织织(ISO)1987年对年对工业机器人的定义：工业机器人的定义：“工工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能，能完成各业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能，能完成各种作业的可编程操作机。种作业的可编程操作机。日本工业标准局：日本工业标准局：一种机械装置，在自动控制下

28、，能够完一种机械装置，在自动控制下，能够完成某些操作或者动作功能。成某些操作或者动作功能。英国：英国：貌似人的自动机，具有智力的和顺从于人的但不具貌似人的自动机，具有智力的和顺从于人的但不具有人格的机器。有人格的机器。 机器人及其控制原理1 1、机器人的定义、机器人的定义1.1 1.1 机器人的起源与发展机器人的起源与发展 在我国，国家标准在我国，国家标准GB/T12643-90GB/T12643-90对工业机器人的定义是：对工业机器人的定义是：“工业机器人是一种能自动定位控制，可重复编程的、工业机器人是一种能自动定位控制，可重复编程的、多功能的、多自由度的操作机。能搬运材料、零件或操多功能的

29、、多自由度的操作机。能搬运材料、零件或操持工具，用以完成各种作业。持工具，用以完成各种作业。” 定义中的操作机是指定义中的操作机是指“具有和人手臂相似的动作功能，具有和人手臂相似的动作功能，可在空间抓放物体或进行其他操作的机械装置。可在空间抓放物体或进行其他操作的机械装置。” 中国：中国：我国科学家对机器人的定义是：我国科学家对机器人的定义是：“机器人是一种自机器人是一种自动化的机器，这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，动化的机器，这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的

30、自动化机器高度灵活性的自动化机器”。 机器人及其控制原理2 2、机器人的应用、机器人的应用1.1 1.1 机器人的起源与发展机器人的起源与发展 最早的工业机器人是应用在汽车制造业中，常用于焊接、最早的工业机器人是应用在汽车制造业中，常用于焊接、喷漆、搬运和上下料。世界工业机器人应用领域如图：喷漆、搬运和上下料。世界工业机器人应用领域如图： 机器人及其控制原理2 2、机器人的应用、机器人的应用1.1 1.1 机器人的起源与发展机器人的起源与发展2005年亚洲地区各主要行业对工业机器人需求比例图：年亚洲地区各主要行业对工业机器人需求比例图： 机器人及其控制原理2 2、机器人的应用、机器人的应用 2

31、001-2005年欧洲地区汽车工业对工业机器人需求占所年欧洲地区汽车工业对工业机器人需求占所有工业对工业机器人需求比例变化图：有工业对工业机器人需求比例变化图： 1.1 1.1 机器人的起源与发展机器人的起源与发展 机器人及其控制原理2 2、机器人的应用、机器人的应用 2004-2005年美洲地区各主要行业对工业机器人需求情年美洲地区各主要行业对工业机器人需求情况变化图：况变化图： 1.1 1.1 机器人的起源与发展机器人的起源与发展 机器人及其控制原理2 2、机器人的应用、机器人的应用1.1 1.1 机器人的起源与发展机器人的起源与发展工农业生产工农业生产服务行业服务行业海空探海空探索索军事

32、领域军事领域 仿人形机器人仿人形机器人 随着机器人技术的发展，其应用领域也在不断的随着机器人技术的发展，其应用领域也在不断的扩大，主要表现在以下几个方面：扩大，主要表现在以下几个方面： 机器人及其控制原理2 2、机器人的应用、机器人的应用1.1 1.1 机器人的起源与发展机器人的起源与发展 工业中的制造业是最先使用机器人的领域，如第一台机工业中的制造业是最先使用机器人的领域，如第一台机器人就配备在汽车生产线上。器人就配备在汽车生产线上。 柔性制造系统柔性制造系统FMS，它是由机器人和加工中心组成的它是由机器人和加工中心组成的一个自适应生产系统，是工厂自动化的最小构成单元。一个自适应生产系统，是

33、工厂自动化的最小构成单元。 现在的机器人在工业上主要应用在汽车工业、机电工业、现在的机器人在工业上主要应用在汽车工业、机电工业、通用机械工业、建筑业、金属加工业、铸造业以及其它通用机械工业、建筑业、金属加工业、铸造业以及其它重型工业和轻工业领域。重型工业和轻工业领域。 在农业方面，已经把机器人用于水果和蔬菜的嫁接、收在农业方面，已经把机器人用于水果和蔬菜的嫁接、收获、检验与分类以及像喷洒农药、施肥、剪羊毛、挤牛获、检验与分类以及像喷洒农药、施肥、剪羊毛、挤牛奶等这样的工作上。奶等这样的工作上。 机器人及其控制原理2 2、机器人的应用、机器人的应用1.1 1.1 机器人的起源与发展机器人的起源与

34、发展20公斤点焊机器人公斤点焊机器人点焊机器人在工作中点焊机器人在工作中 机器人及其控制原理2 2、机器人的应用、机器人的应用1.1 1.1 机器人的起源与发展机器人的起源与发展6公斤弧焊机器人公斤弧焊机器人弧焊机器人在工作中弧焊机器人在工作中 机器人及其控制原理2 2、机器人的应用、机器人的应用1.1 1.1 机器人的起源与发展机器人的起源与发展机器人在装配生产线上机器人在装配生产线上 机器人及其控制原理2 2、机器人的应用、机器人的应用1.1 1.1 机器人的起源与发展机器人的起源与发展搬运机器人工作视频搬运机器人工作视频 机器人及其控制原理2 2、机器人的应用、机器人的应用1.1 1.1

35、 机器人的起源与发展机器人的起源与发展日本：稻田插秧机器人日本：稻田插秧机器人 机器人及其控制原理2 2、机器人的应用、机器人的应用1.1 1.1 机器人的起源与发展机器人的起源与发展插秧机器人视频插秧机器人视频 机器人及其控制原理2 2、机器人的应用、机器人的应用1.1 1.1 机器人的起源与发展机器人的起源与发展树树木木护护理理机机器器人人 机器人及其控制原理2 2、机器人的应用、机器人的应用1.1 1.1 机器人的起源与发展机器人的起源与发展 服务行业：服务行业：服务行业应用的机器人是与人类最接近的机服务行业应用的机器人是与人类最接近的机器人，是用来协助人或代替人去做一些日常生活的事情器

36、人，是用来协助人或代替人去做一些日常生活的事情或与人类有密切关系的事情。例如家用机器人、医用机或与人类有密切关系的事情。例如家用机器人、医用机器人、导盲机器人、娱乐机器人等。器人、导盲机器人、娱乐机器人等。 吹笛子机器人吹笛子机器人拉小提琴机器人拉小提琴机器人 机器人及其控制原理2 2、机器人的应用、机器人的应用1.1 1.1 机器人的起源与发展机器人的起源与发展导盲机器人导盲机器人跳舞机器人跳舞机器人 机器人及其控制原理2 2、机器人的应用、机器人的应用1.1 1.1 机器人的起源与发展机器人的起源与发展医疗机器人医疗机器人指挥机器人指挥机器人 机器人及其控制原理2 2、机器人的应用、机器人

37、的应用1.1 1.1 机器人的起源与发展机器人的起源与发展sony公司：公司：AIBO机器狗机器狗 机器人及其控制原理2 2、机器人的应用、机器人的应用1.1 1.1 机器人的起源与发展机器人的起源与发展清洗墙壁的机器人清洗墙壁的机器人 机器人及其控制原理2 2、机器人的应用、机器人的应用1.1 1.1 机器人的起源与发展机器人的起源与发展做家务的机器人做家务的机器人 机器人及其控制原理2 2、机器人的应用、机器人的应用1.1 1.1 机器人的起源与发展机器人的起源与发展跳舞的机器人跳舞的机器人 机器人及其控制原理2 2、机器人的应用、机器人的应用1.1 1.1 机器人的起源与发展机器人的起源

38、与发展 海空探索：海空探索：机器人除了在工农业、服务行业上广泛应用机器人除了在工农业、服务行业上广泛应用外，还用于进行海空探索，即在恶劣或不适于人类工作外，还用于进行海空探索，即在恶劣或不适于人类工作的环境中执行任务。例如，在水下（海洋）、太空以及的环境中执行任务。例如，在水下（海洋）、太空以及在放射性、有毒或高温等环境中进行作业。在放射性、有毒或高温等环境中进行作业。 “探索者号探索者号”水下机器人水下机器人 机器人及其控制原理2 2、机器人的应用、机器人的应用1.1 1.1 机器人的起源与发展机器人的起源与发展火星探测机器人火星探测机器人 机器人及其控制原理2 2、机器人的应用、机器人的应

39、用1.1 1.1 机器人的起源与发展机器人的起源与发展火星探测机器人火星探测机器人 机器人及其控制原理2 2、机器人的应用、机器人的应用1.1 1.1 机器人的起源与发展机器人的起源与发展美国美国“别动队别动队”无人机无人机法国法国“红隼红隼”无人机无人机 机器人及其控制原理2 2、机器人的应用、机器人的应用1.1 1.1 机器人的起源与发展机器人的起源与发展微型无人机微型无人机 机器人及其控制原理2 2、机器人的应用、机器人的应用1.1 1.1 机器人的起源与发展机器人的起源与发展 军事领域：军事领域：同任何其它先进技术一样，机器人技术也可同任何其它先进技术一样，机器人技术也可用于军事目的。

40、开发最早，应用也较为普遍的是地面军用于军事目的。开发最早，应用也较为普遍的是地面军用机器人，海洋军用机器人和太空军用机器人近年来也用机器人，海洋军用机器人和太空军用机器人近年来也得到了极大的发展。得到了极大的发展。 地面军用机器人地面军用机器人 机器人及其控制原理2 2、机器人的应用、机器人的应用1.1 1.1 机器人的起源与发展机器人的起源与发展防爆、侦查机器人防爆、侦查机器人 机器人及其控制原理2 2、机器人的应用、机器人的应用1.1 1.1 机器人的起源与发展机器人的起源与发展各种军事机器人各种军事机器人 机器人及其控制原理2 2、机器人的应用、机器人的应用1.1 1.1 机器人的起源与

41、发展机器人的起源与发展军用运输机器人军用运输机器人 机器人及其控制原理2 2、机器人的应用、机器人的应用1.1 1.1 机器人的起源与发展机器人的起源与发展 仿人形机器人：仿人形机器人：仿人形机器人是指具有人类外观特征、仿人形机器人是指具有人类外观特征、可模拟人类行走与其基本操作功能的机器人。可模拟人类行走与其基本操作功能的机器人。 19971997年中国国务院年中国国务院总理李鹏前往日本本田总理李鹏前往日本本田公司总部参观时，机器公司总部参观时，机器人人P3P3接待了李鹏总理。接待了李鹏总理。 机器人及其控制原理2 2、机器人的应用、机器人的应用1.1 1.1 机器人的起源与发展机器人的起源

42、与发展SONYSONY公司的公司的QRIOQRIO机器人。机器人。 机器人及其控制原理2 2、机器人的应用、机器人的应用1.1 1.1 机器人的起源与发展机器人的起源与发展长沙国防科技大学研制成功了先行者人形机器人。长沙国防科技大学研制成功了先行者人形机器人。 机器人及其控制原理2 2、机器人的应用、机器人的应用1.1 1.1 机器人的起源与发展机器人的起源与发展 北京航空航天大学北京航空航天大学研制成的多指灵巧手。研制成的多指灵巧手。 机器人及其控制原理1 1、机器人的组成、机器人的组成1.2 1.2 机器人的组成与分类机器人的组成与分类操作机操作机驱动装置驱动装置控制系统控制系统 机器人及

43、其控制原理1 1、机器人的组成、机器人的组成1.2 1.2 机器人的组成与分类机器人的组成与分类操作机：操作机：它是机器它是机器人的机械本体，它人的机械本体，它具有和人手臂相似具有和人手臂相似的功能，是可在空的功能，是可在空间产生动作或进行间产生动作或进行其他操作的机械装其他操作的机械装置。置。 机器人及其控制原理1 1、机器人的组成、机器人的组成1.2 1.2 机器人的组成与分类机器人的组成与分类 机器人的操作机器人的操作机就是通过机就是通过活动关活动关节（转动关节或移节（转动关节或移动关节）动关节）连接在一连接在一起的空间开链机构起的空间开链机构，主要由，主要由手部、腕手部、腕部、臂部部、

44、臂部和和机座机座构构成。成。 1-手部 2-腕部 3-臂部 4-机座 机器人及其控制原理1 1、机器人的组成、机器人的组成1.2 1.2 机器人的组成与分类机器人的组成与分类驱动装置：驱动装置：是用来是用来驱动机器人的操作驱动机器人的操作机工作的动力装置。机工作的动力装置。根据根据动力源不同分动力源不同分为为电动、液动电动、液动和和气气动驱动器动驱动器三种，其三种，其对应的执行元件通对应的执行元件通过传动机构与机器过传动机构与机器人操作机的各个活人操作机的各个活动关节相连。动关节相连。 机器人及其控制原理1 1、机器人的组成、机器人的组成1.2 1.2 机器人的组成与分类机器人的组成与分类 电

45、动驱动器电动驱动器是利用电能来实现旋转运动的驱动器，常是利用电能来实现旋转运动的驱动器，常见主要有：见主要有： 步进电机（步进电机（stepping motor)stepping motor) 直流（直流（DCDC）伺服电机）伺服电机 交流（交流（ACAC）伺服电机）伺服电机 直接驱动（直接驱动（Direct DriveDirect Drive）电机）电机 转动型转动型DDDD电机电机 直线型直线型DDDD电机电机 平面型平面型DDDD电机电机 机器人及其控制原理1 1、机器人的组成、机器人的组成1.2 1.2 机器人的组成与分类机器人的组成与分类 液动驱动器液动驱动器主要由液压源、驱动器、伺

46、服阀、传感器、主要由液压源、驱动器、伺服阀、传感器、控制器等构成。液压传动的特点是转矩与惯性比大，单位控制器等构成。液压传动的特点是转矩与惯性比大，单位重量的输出功率高。重量的输出功率高。控制器控制器伺服放大器伺服放大器位置传感器位置传感器+ 机器人及其控制原理1 1、机器人的组成、机器人的组成1.2 1.2 机器人的组成与分类机器人的组成与分类 气动驱动器气动驱动器由气压发生装置、执行元件、控制元件和由气压发生装置、执行元件、控制元件和辅助元件四个部分组成。辅助元件四个部分组成。气压发生装置气压发生装置控制元件控制元件执行元件执行元件辅助元件辅助元件 机器人及其控制原理1 1、机器人的组成、

47、机器人的组成1.2 1.2 机器人的组成与分类机器人的组成与分类控制系统：控制系统：是控制机是控制机器人按要求动作的装器人按要求动作的装置。控制系统的作用置。控制系统的作用是根据用户的指令对是根据用户的指令对机器人操作机进行操机器人操作机进行操作和控制，完成作业作和控制，完成作业的各种动作。现在的的各种动作。现在的机器人都采用计算机机器人都采用计算机两级伺服控制。两级伺服控制。 机器人及其控制原理1 1、机器人的组成、机器人的组成1.2 1.2 机器人的组成与分类机器人的组成与分类 机器人的控制系统主要是由控制器（处理器）、机器人的控制系统主要是由控制器（处理器）、传感传感器、控制软件等构成。

48、器、控制软件等构成。 硬件包括硬件包括控制器、传感器控制器、传感器。 软件包括软件包括编制的各种控制算法的程序编制的各种控制算法的程序。内部传感器（位形检测）内部传感器（位形检测）驱动驱动装置装置执行执行机构机构工作对象工作对象外部传感器（环境检测）外部传感器（环境检测）处理器处理器关节控制器关节控制器 机器人及其控制原理2 2、机器人的分类、机器人的分类1.2 1.2 机器人的组成与分类机器人的组成与分类12345按机器人发展时期分类按机器人发展时期分类按机器人几何结构分类按机器人几何结构分类按机器人驱动方式分类按机器人驱动方式分类按机器人应用环境分类按机器人应用环境分类按机器人控制方式分类

49、按机器人控制方式分类 机器人及其控制原理2 2、机器人的分类、机器人的分类1.2 1.2 机器人的组成与分类机器人的组成与分类按机器人发展时期分类按机器人发展时期分类1第一代机器人第一代机器人可以追溯到可以追溯到7070年代，那年代，那时的机器人是由固定的、非程序控制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，主要的、无感应器的电子机械设备，主要以示教再现方式工作以示教再现方式工作 机器人及其控制原理2 2、机器人的分类、机器人的分类1.2 1.2 机器人的组成与分类机器人的组成与分类按机器人发展时期分类按机器人发展时期分类1第二代机器人第二代机器人诞生于诞生于8080年代，内

50、置了年代，内置了感应器和由程序控制的控制器，通过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反馈控制，使机器人能在一定程度上适应环境的变化。适应环境的变化。 机器人及其控制原理2 2、机器人的分类、机器人的分类1.2 1.2 机器人的组成与分类机器人的组成与分类按机器人发展时期分类按机器人发展时期分类1第三代机器人第三代机器人即智能机器人。这种机即智能机器人。这种机器人带有多种传感器，可以进行复杂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。在作业环的逻辑推理、判断及决策。在作业环境中能自我决策，独立工作，目前还境中能自我决策，独立工作，目前还处于实验阶段。处于实

51、验阶段。 机器人及其控制原理2 2、机器人的分类、机器人的分类1.2 1.2 机器人的组成与分类机器人的组成与分类按机器人几何结构分类按机器人几何结构分类2直角坐标式直角坐标式 直角坐标形式的机直角坐标形式的机器人手臂是通过沿器人手臂是通过沿x-y-z三个互相垂直的直角坐三个互相垂直的直角坐标的移动来实现手部空标的移动来实现手部空间位置的改变间位置的改变。（PPP） 机器人及其控制原理2 2、机器人的分类、机器人的分类1.2 1.2 机器人的组成与分类机器人的组成与分类按机器人几何结构分类按机器人几何结构分类2圆柱坐标式圆柱坐标式 圆柱坐标形式的机圆柱坐标形式的机器人手臂是通过一个转器人手臂是

52、通过一个转动和两个移动来实现手动和两个移动来实现手部空间位置的改变。部空间位置的改变。（RPP） 机器人及其控制原理2 2、机器人的分类、机器人的分类1.2 1.2 机器人的组成与分类机器人的组成与分类按机器人几何结构分类按机器人几何结构分类2球坐标式球坐标式 球坐标式又称为极球坐标式又称为极坐标式，这种坐标形式的坐标式，这种坐标形式的机器人手臂是通过两个转机器人手臂是通过两个转动和一个移动来实现手部动和一个移动来实现手部空间位置的改变空间位置的改变。（RRP） 机器人及其控制原理2 2、机器人的分类、机器人的分类1.2 1.2 机器人的组成与分类机器人的组成与分类按机器人几何结构分类按机器人

53、几何结构分类2关节坐标式关节坐标式 关节坐标式又称回转坐关节坐标式又称回转坐标式，机器人手部空间位置标式，机器人手部空间位置的改变是通过手臂的三个转的改变是通过手臂的三个转动来实现的，又分为垂直关动来实现的，又分为垂直关节坐标和水平（平面）关节节坐标和水平（平面）关节坐标式。坐标式。（RRR） 机器人及其控制原理2 2、机器人的分类、机器人的分类1.2 1.2 机器人的组成与分类机器人的组成与分类按机器人驱动方式分类按机器人驱动方式分类3电力驱动电力驱动液压驱动液压驱动气压驱动气压驱动新型驱动新型驱动 机器人及其控制原理2 2、机器人的分类、机器人的分类1.2 1.2 机器人的组成与分类机器人

54、的组成与分类按机器人应用环境分类按机器人应用环境分类4工业机器人工业机器人特种机器人特种机器人 机器人及其控制原理2 2、机器人的分类、机器人的分类1.2 1.2 机器人的组成与分类机器人的组成与分类按机器人控制方式分类按机器人控制方式分类5 点位控制点位控制（PTP，Point to Point） 采用点位控制时，只要求机器人的手部处于正确的空采用点位控制时，只要求机器人的手部处于正确的空间目标点上，而不管从一目标点到另一目标点的移动路径。间目标点上，而不管从一目标点到另一目标点的移动路径。这种控制方式简单，适用于上下料、点焊、卸运及在电路这种控制方式简单，适用于上下料、点焊、卸运及在电路板

55、上插接元器件等工作。板上插接元器件等工作。 连续轨迹控制连续轨迹控制（CP，Continuous Path） 连续轨迹控制方式不仅要求机器人手部要以一定的精连续轨迹控制方式不仅要求机器人手部要以一定的精度到达空间目标点处，而且对运动的轨迹也有一定的精度度到达空间目标点处，而且对运动的轨迹也有一定的精度要求。这种控制方式常用于电弧焊、喷漆等工作。要求。这种控制方式常用于电弧焊、喷漆等工作。 机器人及其控制原理1.3 1.3 机器人的操作机机器人的操作机 机器人的操作机器人的操作机就是通过机就是通过活动关活动关节（转动关节或移节（转动关节或移动关节）动关节）连接在一连接在一起的空间开链机构起的空间

56、开链机构，主要由，主要由手部、腕手部、腕部、臂部部、臂部和和机座机座构构成。成。 1-手部 2-腕部 3-臂部 4-机座 机器人及其控制原理1.3 1.3 机器人的操作机机器人的操作机手部的作用与分类手部的作用与分类换接器换接器1 1、手部、手部 机器人及其控制原理1.3 1.3 机器人的操作机机器人的操作机1 1、手部、手部 手部的作用与分类手部的作用与分类 作用作用：机器人的手部又称为：机器人的手部又称为末端执行器末端执行器，它是机器人，它是机器人 直接用于抓取和握紧（或吸附）工件或操持专直接用于抓取和握紧（或吸附）工件或操持专 用工具（如喷枪、扳手、砂轮、焊枪等）进行用工具（如喷枪、扳手

57、、砂轮、焊枪等）进行 操作的部件，它具有模仿人手动作的功能，并操作的部件，它具有模仿人手动作的功能，并 安装于机器人手臂的最前端。安装于机器人手臂的最前端。 分类分类： 机械夹持式手机械夹持式手 吸附式手吸附式手 专用手专用手 灵巧手灵巧手 机器人及其控制原理1.3 1.3 机器人的操作机机器人的操作机1 1、手部、手部机械夹持式手机械夹持式手（1 1）组成）组成 机械夹持式手机械夹持式手由由手指手指（或手爪）、（或手爪）、传动机构传动机构、驱动机驱动机构构及及连接与支承元连接与支承元件件组成，它通过手组成，它通过手指的开、合动作实指的开、合动作实现对物体的夹持操现对物体的夹持操作。作。 1-

58、手指手指 2-传动机构传动机构 3-驱动机构驱动机构 4-支承元件支承元件 5-工件工件 机器人及其控制原理1.3 1.3 机器人的操作机机器人的操作机1 1、手部、手部机械夹持式手机械夹持式手（1 1）组成）组成 有时，手指的形有时，手指的形状与表面形式取决于状与表面形式取决于工件及操作要求。工件及操作要求。 机器人及其控制原理1.3 1.3 机器人的操作机机器人的操作机1 1、手部、手部机械夹持式手机械夹持式手（2 2）分类）分类 按手爪的运动方式分为按手爪的运动方式分为回转型回转型和和平移型平移型。 按夹持工件的方式分为按夹持工件的方式分为外夹式外夹式和和内撑式内撑式。 按驱动方式分为电

59、动、液动、气动和弹性力驱动。按驱动方式分为电动、液动、气动和弹性力驱动。 机器人及其控制原理1.3 1.3 机器人的操作机机器人的操作机1 1、手部、手部机械夹持式手机械夹持式手（3 3）典型结构）典型结构 弹性力手弹性力手 弹性力手的特点弹性力手的特点是其夹持工件的抓力是其夹持工件的抓力是由弹性元件提供的，是由弹性元件提供的，不需要专门的驱动装不需要专门的驱动装置，在抓取工件时需置，在抓取工件时需要一定的压入力，而要一定的压入力，而在取下时，则需要一在取下时，则需要一定的拉力。定的拉力。 机器人及其控制原理1.3 1.3 机器人的操作机机器人的操作机1 1、手部、手部机械夹持式手机械夹持式手

60、（3 3）典型结构）典型结构 回转型手回转型手 a.a.楔块杠杆式楔块杠杆式 楔块杠杆式回转型手当驱动楔块杠杆式回转型手当驱动器推动楔块前进时，通过楔块的器推动楔块前进时，通过楔块的斜面与杠杆作用，使手爪产生夹斜面与杠杆作用，使手爪产生夹紧动作和夹紧力，当楔块后退时，紧动作和夹紧力，当楔块后退时，靠弹簧的拉力使手爪松开。靠弹簧的拉力使手爪松开。 机器人及其控制原理1.3 1.3 机器人的操作机机器人的操作机1 1、手部、手部机械夹持式手机械夹持式手（3 3）典型结构）典型结构 回转型手回转型手 b.b.滑槽杠杆式滑槽杠杆式 滑槽杠杆式回转型手滑槽杠杆式回转型手当驱动器推动中心杆向上当驱动器推动中心杆向