机器人技术 第一章绪论

1、机器人技术机器人技术成都信息工程学院控制工程学院王国江前前 言言 课程性质课程性质: : 专业选修课程专业选修课程 课程目标：课程目标：本课程研究对象是分析解决机器人学中的主本课程研究对象是分析解决机器人学中的主要问题，具备使用、研究、设计机器人系统的必要理论要问题，具备使用、研究、设计机器人系统的必要理论知识和一定的分析计算及编程能力，培养学生从事多学知识和一定的分析计算及编程能力，培养学生从事多学科交叉渗透、综合运用的科学研究能力。科交叉渗透、综合运用的科学研究能力。 考核：考试成绩考核：考试成绩50%50%，平时成绩，平时成绩20%,20%,实践考核实践考核 30%30%。教材及主要参考

2、书教材及主要参考书教材：教材： 日日 白井良明，白井良明，机器人工程机器人工程，科学出版社。日本著名大学，科学出版社。日本著名大学面向面向2121世纪教育改革成果教材。简洁但内容丰富、涵盖面广、新世纪教育改革成果教材。简洁但内容丰富、涵盖面广、新知识多。知识多。http:/http:/教学参考书：教学参考书：n 美美 Saeed B.Niku, Saeed B.Niku, 机器人学导论机器人学导论分析、系统及应用，电子分析、系统及应用，电子工业出版社，工业出版社，2004.12004.1n蔡自兴，机器人学，清华大学出版社，蔡自兴，机器人学，清华大学出版社，2000. 92000. 9n谢存禧谢

3、存禧, ,机器人技术及其应用机器人技术及其应用, ,机械工业出版社，机械工业出版社，2005.82005.8n 美美R.R.西格沃特，自主移动机器人导论，西安交通大学出版社，西格沃特，自主移动机器人导论，西安交通大学出版社，2006.92006.9有关的文献期刊有关的文献期刊nIEEE Trans. on Automatic Control (AC), Man-Mach. System (MMS), System, Man and Cybernetics (SMC), Robotics Automation (RA)nIEEE Automatic Control Magazine nThe I

4、nternational Journal of Robotics Research nASME Journal on DSMC ( Dynamic Systems, Measurement and Control )nRobotic Todayn机器人机器人 中科院沈阳自动化所（沈阳）中科院沈阳自动化所（沈阳）n自动化学报自动化学报 中国自动化学会、中科院自动化所（北京）中国自动化学会、中科院自动化所（北京）n控制理论与应用控制理论与应用 华南理工大学（广州）华南理工大学（广州）n高技术通讯高技术通讯 中科院情报所（北京中科院情报所（北京）章节安排章节安排第一章第一章 绪论绪论 第二章第二章

5、机器人数学基础机器人数学基础 第三章第三章 机械手的运动机械手的运动 第四章第四章 机械手的控制机械手的控制第五章第五章 机器人的感觉机器人的感觉 第六章第六章 环境识别环境识别第七章第七章 移动和机构控制移动和机构控制第一章第一章 绪论绪论n机器人的定义机器人的定义n机器人的发展历史机器人的发展历史n机器人的分类机器人的分类n机器人的结构与控制方式机器人的结构与控制方式n机器人的应用机器人的应用 n美国机器人协会（美国机器人协会（RIARIA）的定义）的定义：机器人是一种用于移动各种材料、：机器人是一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置的，通过可编程序动作来执行种种任务的，零件、工具或专

6、用装置的，通过可编程序动作来执行种种任务的，并具有编程能力的多功能机械手。并具有编程能力的多功能机械手。 n日本工业机器人协会（日本工业机器人协会（JIRAJIRA）的定义）的定义：工业机器人是一种装备有：工业机器人是一种装备有记忆装置和末端执行器的，能够转动并通过自动完成各种移动来记忆装置和末端执行器的，能够转动并通过自动完成各种移动来代替人类劳动的通用机器。代替人类劳动的通用机器。n我国对机器人的定义：我国对机器人的定义：蒋新松院士曾建议把机器人定义为蒋新松院士曾建议把机器人定义为“一种一种拟人功能的机械电子装置拟人功能的机械电子装置”(a mechantronic device to i

7、mitate (a mechantronic device to imitate some human functions)some human functions)。机器人的定义机器人的定义 总结各种说法，概括各种机器人的定义，一般可以按以下特征来描总结各种说法，概括各种机器人的定义，一般可以按以下特征来描述机器人（国际标准化组织述机器人（国际标准化组织(ISO(ISO） ）：1. 机器人的动作机构具有类似于人或其他生物体某些器官机器人的动作机构具有类似于人或其他生物体某些器官 ( ( 如如 肢肢体、感官等体、感官等 ) ) 的功能；的功能；2. 2. 机器人具有通用性，工作种类多样，动作程

8、序灵活易变，是柔性机器人具有通用性，工作种类多样，动作程序灵活易变，是柔性加工主要组成部分；加工主要组成部分；3. 3. 机器人具有不同程度的智能，如记忆、感知、推理、决策、学习机器人具有不同程度的智能，如记忆、感知、推理、决策、学习等；等；4. 4. 机器人具有独立性，完整的机器人系统，在工作中可以不依赖于机器人具有独立性，完整的机器人系统，在工作中可以不依赖于人的干预。人的干预。机器人的定义机器人的定义机器人的发展历史机器人的发展历史n东汉、张衡发明的指南车东汉、张衡发明的指南车n1768-17741768-1774，瑞士钟表匠制作的木偶机器人，瑞士钟表匠制作的木偶机器人n19201920

9、捷克剧作家捷克剧作家Karel CapekKarel Capek首次提出首次提出RobotaRobota一词一词n19501950美国科幻作家美国科幻作家Assimov,Assimov,提出机器人三守则提出机器人三守则机器人的发展历史机器人的发展历史n上世纪四十年代，由于核工业和军事上世纪四十年代，由于核工业和军事工业的发展，研制了工业的发展，研制了 “ “遥控操纵器遥控操纵器” ” 主要用于放射性材料的生产和处理过主要用于放射性材料的生产和处理过程。程。n19541954年美国人年美国人George C. DevolGeorge C. Devol开发开发出世界上出世界上第一台电子可编程机器人

10、装第一台电子可编程机器人装置置。n19621962年美国研制出第一台真正意义上年美国研制出第一台真正意义上的工业机器人，并成立了的工业机器人，并成立了UnimationUnimation公司，开始定型生产名为公司，开始定型生产名为UnimateUnimate的的工业机器人工业机器人UNIMATEp 19651965年，年，MITMIT的的RobortsRoborts演示了第一个具有视觉传感器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的、能识别与定位简单积木的机器人系统 p 19701970年在美国召开了第一届国际工业机器人学术会议年在美国召开了第一届国际工业机器人学术会议p

11、 19781978年年 美国美国UnimationUnimation公司推出通用工业机器人公司推出通用工业机器人PUMAPUMA，这标志着工业机器人技术已经完全成熟。，这标志着工业机器人技术已经完全成熟。PUMAPUMA至今仍然至今仍然工作在工厂第一线。工作在工厂第一线。机器人的发展历史机器人的发展历史8080年代，机器人在发达国家的工业中大量普及应用，如焊年代，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、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，产生排险、核工业等，机器人的感知技术

12、得到相应的发展，产生第二代机器人。第二代机器人。9090年代，机器人技术在发达国家应用更为广泛，如军用、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）机器医疗、服务、娱乐等领域，并开始向智能型（第三代）机器人发展。人发展。 机器人的发展历史机器人的发展历史n经历了经历了4040多年的发展，随着机器人技术的发展形成了新学科多年的发展，随着机器人技术的发展形成了新学科 机器人学（机器人学（RoboticsRobotics）。）。q它包括有基础研究和应用研究两个方面它包括有基础研究和应用研究两个方面q主要研究内容有：主要研究内容有： (1) (1)

13、机械手设计；机械手设计； (2) (2) 机器人运动学、动力学和控制；机器人运动学、动力学和控制； (3) (3) 轨迹设计和路径规划轨迹设计和路径规划 (4) (4) 传感器；传感器； (5) (5) 机器人视觉；机器人视觉；(6) (6) 机器人语言；机器人语言； (7) (7) 装置与系统结构；装置与系统结构；(8) (8) 机器人智能等。机器人智能等。机器人的发展历史机器人的发展历史我国机器人技术起步较晚，我国机器人技术起步较晚，70年代末，一些院校和企业，开始研制专年代末，一些院校和企业，开始研制专用机械手，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。1

14、985年哈工大研制出国年哈工大研制出国内第一台弧焊机器人。随后，内第一台弧焊机器人。随后，在制造业中陆续出现一些喷涂、焊接、搬在制造业中陆续出现一些喷涂、焊接、搬运、装配机器人运、装配机器人国家国家“863”计划把机器人技术作为重点发展技术来支持。建立了计划把机器人技术作为重点发展技术来支持。建立了“机机器人示范工程中心器人示范工程中心”和机器人国家开放实验室（沈阳自动化所、哈工大、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、南开大学）。合肥机械所、上海交大、南开大学）。 在特种机器人方面，我国在水下机器人（沈阳自动化所）、壁面爬行在特种机器人方面，我国在水下机器人（沈

15、阳自动化所）、壁面爬行机器人（哈工大、北航）、遥控检查和排险机器人（沈阳自动化所）、机器人（哈工大、北航）、遥控检查和排险机器人（沈阳自动化所）、自动驾驶机器人（清华大学、国防科技大学）、防核防化军用机器人自动驾驶机器人（清华大学、国防科技大学）、防核防化军用机器人（国防科技大学）、微操作机器人（华中科技大学、南开大学）的研究（国防科技大学）、微操作机器人（华中科技大学、南开大学）的研究方面取得了较大的进展。方面取得了较大的进展。我国机器人研究的简况我国机器人研究的简况我国机器人研究的简况我国机器人研究的简况机器人的种类机器人的种类n按照从低级按照从低级高级的发展程度可分为三类机器人高级的发展

16、程度可分为三类机器人q第一代机器人第一代机器人（First Generation RobotsFirst Generation Robots）：即可编程、示教再）：即可编程、示教再现工业机器人，现工业机器人，它由人操纵机械手做一遍应当完成的动作或通过控它由人操纵机械手做一遍应当完成的动作或通过控制器发出指令让机械手臂动作，在动作过程中机器人会自动将这一制器发出指令让机械手臂动作，在动作过程中机器人会自动将这一过程存入记忆装置。当机器人工作时，能再现人教给它的动作，并过程存入记忆装置。当机器人工作时，能再现人教给它的动作，并能自动的执行。这类机器人不具有外界信息的反馈能力，很难适应能自动的执行。

17、这类机器人不具有外界信息的反馈能力，很难适应变化的环境。变化的环境。q第二代机器人第二代机器人（Second Generation RobotsSecond Generation Robots）：装备有一定的传感）：装备有一定的传感装置，能获取作业环境、操作对象的简单信息，通过计算机处理、装置，能获取作业环境、操作对象的简单信息，通过计算机处理、分析，能作出简单的推理，对动作进行反馈的机器人。（如分析，能作出简单的推理，对动作进行反馈的机器人。（如面包分面包分拣机器人拣机器人）q第三代机器人第三代机器人（Third Generation RobotsThird Generation Robot

18、s）：具有高度适应性的）：具有高度适应性的自治机器人。它具有多种感知功能，可进行复杂的逻辑思维、判断自治机器人。它具有多种感知功能，可进行复杂的逻辑思维、判断决策，在作业环境中独立行动。第三代机器人又称作高级智能机器决策，在作业环境中独立行动。第三代机器人又称作高级智能机器人，目前还处于研究阶段。人，目前还处于研究阶段。机器人的种类机器人的种类n根据机器人可以代替人的不同器官可分为：根据机器人可以代替人的不同器官可分为： 操作机器人：手操作机器人：手 移动机器人：腿（移动机器人：腿（智能吸尘器智能吸尘器、履带履带、蛇形蛇形） 视觉机器人：眼，等等视觉机器人：眼，等等n根据机器人的应用领域可分为

19、根据机器人的应用领域可分为 工业机器人：工业机器人：搬运搬运、焊接焊接、装配、喷漆、检测等、装配、喷漆、检测等 极限作业机器人：核电站、海底、宇宙空间等极限作业机器人：核电站、海底、宇宙空间等 福利机器人（助残机器人）福利机器人（助残机器人） 医疗机器人（医疗机器人（手术机器人手术机器人） 具有军事用途的机器人具有军事用途的机器人：防爆、无人飞机、无人战车等防爆、无人飞机、无人战车等 娱乐机器人娱乐机器人 弹奏乐器弹奏乐器、指挥、指挥、宠物宠物 (AIBO)、舞舞蹈、蹈、等等 服务机器人服务机器人 接待接待,导游（导游（视频视频1，视频视频2，视频视频3，4，5） 仿人机器人仿人机器人 滑板滑

20、板、 ASIMO 机器人的种类机器人的种类 根据机器人动作所基于的控制信息可分为：根据机器人动作所基于的控制信息可分为：n操纵机器人操纵机器人(遥控机器人遥控机器人) ：远距离遥：远距离遥控（太空、核电站、防暴控（太空、核电站、防暴) ;基于微观基于微观显微观察的机器人（纳米操作、细胞显微观察的机器人（纳米操作、细胞操作、手术机器人等）操作、手术机器人等）n程序机器人：按预定的程序进行工作程序机器人：按预定的程序进行工作（上、下料机器人）（上、下料机器人）n示教再现机器人：示教再现同盒式录示教再现机器人：示教再现同盒式录放机一样，把轨迹、动作进行示教再放机一样，把轨迹、动作进行示教再现。现。n

21、数值控制机器人：用计算机控制机器数值控制机器人：用计算机控制机器人的动作，轨迹规划是基于计算而非人的动作，轨迹规划是基于计算而非示教。示教。机器人的种类机器人的种类n智能机器人：不仅可以完成智能机器人：不仅可以完成预定的工作，还可以根据工预定的工作，还可以根据工作的状况进行相应的动作。作的状况进行相应的动作。n通常情况下，机器人的信息通常情况下，机器人的信息控制方式都不是一种，混合控制方式都不是一种，混合控制的情况比较普遍。（火控制的情况比较普遍。（火星探险车）星探险车） 机器人的结构与控制方式机器人的结构与控制方式机器人的结构机器人的结构 q简单地说，机器人主要由执行机构、驱动和简单地说，机

22、器人主要由执行机构、驱动和传动装置、传感器和控制器四大部分构成。传动装置、传感器和控制器四大部分构成。机机 器器 人人执行机构执行机构驱动装置驱动装置控制系统控制系统感知系统感知系统 基基 座座（固定或移动）（固定或移动）手部手部腕部腕部臂部臂部腰部腰部电驱动装置电驱动装置液压驱动装置液压驱动装置气压驱动装置气压驱动装置处理器处理器关节伺服控制器关节伺服控制器内部传感器内部传感器外部传感器外部传感器一、执行机构一、执行机构 包括：手部、腕部、臂部、腰部和基座等。相当于人的肢体。包括：手部、腕部、臂部、腰部和基座等。相当于人的肢体。二、驱动装置二、驱动装置 包括：驱动源、传动机构等。相当于人的肌

23、肉、筋络。包括：驱动源、传动机构等。相当于人的肌肉、筋络。三、感知反馈系统三、感知反馈系统 包括：内部信息传感器，检测位置、速度等信息；外部信息传感器，检测包括：内部信息传感器，检测位置、速度等信息；外部信息传感器，检测机器人所处的环境信息。相当于人的感官和神经。机器人所处的环境信息。相当于人的感官和神经。四、控制系统四、控制系统 包括：处理器及关节伺服控制器等，包括：处理器及关节伺服控制器等，负责对机器人的运动和各种动作控制负责对机器人的运动和各种动作控制及对环境的识别。及对环境的识别。机器人的结构机器人的结构记忆、示教 装置控制装置驱动装置传感器工业机器人系统结构美国UNIMATE公司产P

24、UMA/560型六自由度机器人 PUMA/560机器人 PUMA/560六自由度机器人结构 机器人的结构机器人的结构机器人的结构机器人的结构机器人的控制方式机器人的控制方式n“示教再现示教再现”方式方式 n“可编程控制可编程控制”方式方式 n“遥控遥控”方式方式n“自主控制自主控制”方式方式q控制信息控制信息n顺序信息顺序信息：各种动作单元（包括机械手和外围设备）按动作先后顺序的设定、：各种动作单元（包括机械手和外围设备）按动作先后顺序的设定、检测等。检测等。n位置信息：位置信息：作业之间各点的坐标值，包括手爪在该点上的姿态，通常总称为作业之间各点的坐标值，包括手爪在该点上的姿态，通常总称为位

25、姿（位姿（POSEPOSE）。）。n时间信息时间信息：各顺序动作所需时间，即机器人完成各个动作的速度。：各顺序动作所需时间，即机器人完成各个动作的速度。q位置控制位置控制n点位控制点位控制PTPPTP（Point to PointPoint to Point）：只考虑起始点和目的点的位置，而不考）：只考虑起始点和目的点的位置，而不考虑两点之间的移动路径的控制方式，适用于上下料、点焊、搬运等；虑两点之间的移动路径的控制方式，适用于上下料、点焊、搬运等；n连续路径控制连续路径控制CPCP（Continuous PathContinuous Path）：不但要求机器人以一定的精度到达）：不但要求机器

26、人以一定的精度到达目标点，而且对其移动的轨迹形式有一定精度范围的要求。目标点，而且对其移动的轨迹形式有一定精度范围的要求。q力的控制：力的控制：n末端操作器不但要接受运动控制，而且与控制对象之间存在力的作用。末端操作器不但要接受运动控制，而且与控制对象之间存在力的作用。机器人的控制机器人的控制 机器人的应用机器人的应用 机器人的应用十分广泛，在许多领域机器人都得到了成功的应用或有机器人的应用十分广泛，在许多领域机器人都得到了成功的应用或有着美好的应用前景。着美好的应用前景。q工业机器人工业机器人 工业机器人是应用最为成功和广泛的机器人，它的应用工业机器人是应用最为成功和广泛的机器人，它的应用涉

27、及到工业生产的各个方面，如焊接、装配、喷漆等。涉及到工业生产的各个方面，如焊接、装配、喷漆等。q海洋探测机器人海洋探测机器人 可用于海底矿物资源和水文气象探测、海底地势勘可用于海底矿物资源和水文气象探测、海底地势勘查、打捞、救生、排险等。查、打捞、救生、排险等。q空间机器人空间机器人 在航天飞机上用来回收和维修人造卫星，在空间站、月在航天飞机上用来回收和维修人造卫星，在空间站、月球表面和火星上进行工作。球表面和火星上进行工作。q军用机器人军用机器人 有扫雷排雷机器人、侦察机器人、防核防化机器人等。有扫雷排雷机器人、侦察机器人、防核防化机器人等。q特种机器人特种机器人 替代人在繁重、危险、恶劣环境下作业必不可少的工替代人在繁重、危险、恶劣环境下作业必不可少的工具，如消防（灭火）机器人、防暴机器人、盾构机器人等。具，如消防（灭火）机器人、防暴机器人、盾构机器人等。q微型机器人微型机器人 进入煤气、输油管道等狭窄场所进行工作，甚至进入进入煤气、输油管道等狭窄场所进行工作，甚至进入人体的血管、肠胃。人体的血管、肠胃。q微操作机器人微操作机器人 是机器人领域的一个重要研究方向，在国防、空间是机器人领域的一个重要研究方向，在国防、空间技术、生物医学工程、智能制造和微机电系统（技术、生物医学工程、智能制造和微机电系统（MEMSMEMS）中有广泛的）