现代机械加工新技术

1、 现代机械加工新技术(jsh)第四章 制造自动化技术第二节机器人技术大家可以回顾和机器人相关(xinggun)的电影？机器人瓦力、机械公敌（我，机器人）、变形金刚、钢铁侠。共九十二页目前机器人研究(ynji)热点及发展趋势 工业(gngy)机器人概述二 一 三四机器人结构机器人技术概述共九十二页人形(rn xn)机器人：武术 短片 迪斯尼 短片 跳舞 短片 跑步 短片共九十二页模拟(mn)登月机器人：短片共九十二页一、 机器人概述(i sh)(一)机器人的出现和定义 机器人一词的出现：1920年、捷克作家、 Karel Capek、Rossums Universal Robots，“Robot

2、a”（奴隶）写成了“Robot ” 故事情节：带感情 的机器人消灭了人类 ，一对男女机器人相爱 ，世界又起死回生(q s hu shng)。 小说在1924年和1927年的时候被纷纷传到了日本、法国和欧洲国家，机器人这个名词就向全世界铺展开来。上世纪60年代，可实用机械的机器人被称为工业机器人上世纪80年代到现在，正越来越向智能化方向发展 共九十二页 机器人学是一门(y mn)不断发展的科学，对机器人的定义也随其发展而变化。 因此，至今为止也没有一个统一的机器人的定义。 国际上，关于机器人的定义主要有以下几种： （1）美国机器人协会(RIA)的定义：机器人是“一种用于移动各种材料、零件、工具或

3、专用装置的，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(manipulator)”。共九十二页（2）日本工业机器人协会(JIRA)的定义：工业机器人是“一种装备有记忆(jy)装置和末端执行器(end effector)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”。（3）美国国家标准局(NBS)的定义：机器人是“一种能够进行编程并在自动控制下执行某些操作和移动作业任务的机械装置”。共九十二页 （4） 国际标准化组织(ISO)的定义：“机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能机械手，这种机械手具有几个轴，能够借助于可编程序操作来处理各种材料、零件、工

4、具和专用装置，以执行种种任务”。 （5）我国对机器人的定义。蒋新松院士曾建议把机器人定义为“一种拟人功能(gngnng)的机械电子装置”(a mechantronic device to imitate some human functions)。 参考各国的定义，对机器人给出以下定义：机器人是一种计算机控制的可以编程的自动机械电子装置，能感知环境，识别对象，理解指示命令，有记忆和学习功能，具有情感和逻辑判断思维，能自身进化，能计划其操作程序来完成任务。共九十二页(二） 机器人的发展及应用1.古代机器人 西周时期，出现了能歌善舞的伶人，这是我国最早记载的机器人 春秋后期，鲁班曾制造过一只木鸟，

5、能在空中飞行“三日不下”。 公元前2世纪，亚历山大时代的古希腊人发明了最原始的机器人自动机。可以自己开门，还可以借助(jizh)蒸汽唱歌。机器(j q)马车共九十二页 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。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”。用其运送军粮，支援前方(qinfng)战争。 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，自动书写玩偶、自动演奏玩偶等被连续推出。现在保留下来的瑞士努萨蒂尔历史博物馆里的少女玩偶，还定期弹奏音乐供参观者欣赏。共

6、九十二页 19世纪中叶出现了科学幻想派和机械制作派 。1886年未来的夏娃问世。在机械实物制造方面，1893年摩尔制造了“蒸汽人”，“蒸汽人”靠蒸汽驱动双腿沿圆周走动。 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”。可以回答一些问题。 2. 现代机器人 1948年，美国原子能委员会的阿尔贡研究所开发了机械式的主从机械手。 1952年，第一台数控机床的诞生，为机器人的开发奠定了基础。 1954年美国戴沃尔最早提出(t ch)了工业机器人的概念，并申请了专利。共九十二页 1962年美国AMF公司(n s)推出的“VERSATRAN”和UNIMATION公司推出的“UNIMATE”

7、是机器人产品最早的实用机型VERSATRANUNIMATE共九十二页3. 我国工业机器人的发展：70年代的萌芽期，80年代的开发期和90年代的适用化期。 1972年开始研制自己的工业机器人 “七五”期间，完成了示教再现式工业机器人成套技术的开发，研制出了喷涂、点焊、弧焊和搬运机器人1986年国家高技术研究发展计划（863计划）开始实施(shsh)，上世纪90年代初期起，形成了一批机器人产业化基地日本和美国在20世纪60年代就已经开始进行机器人的研究，与他们相比较，我国还存在较大的差距，因此需要更多的人加入到发展机器人的事业中来。共九十二页（三 ）缤纷多彩的机器人世界1、机器人按用途分为服务机器

8、人 水下机器人 农林业机器人机器(j q)人化机器(j q)仿人形机器人微型机器人和微操作系统军用机器人 娱乐机器人 生物机器人共九十二页1）服务机器人 脑外科机器人，口腔修复(xif)机器人，进入血管的机器人，遥控操作手术，智能轮椅,爬缆索机器人，高楼擦窗和壁面清洗机器人，球罐焊接、检测机器人，清洗巨人，消防机器人，雕刻机器人，智能汽车，汽车加油机器人，导游机器人短片(dun pin)1 短片2共九十二页口腔(kuqing)修复机器人 脑外科机器人辅助(fzh)系统 共九十二页导游(do yu)机器人导盲机器人吸尘机器人短片(dun pin)导盲机器人共九十二页爬缆索(ln su)机器人高楼

9、擦窗共九十二页清洗(qngx)巨人 清洗(qngx)机器人 爬壁机器人短片爬楼梯机器人短片军用攀爬机器人共九十二页消防(xiofng)机器人 救援(jiyun)机器人 救援机器人短片共九十二页雕刻(diok)机器人 智能(zh nn)汽车 共九十二页汽车(qch)加油机器人 MDARS-E型室外(sh wi)保安机器人 共九十二页 2）水下(shu xi)机器人海洋的诱惑水下7000米无缆自治(zzh)机器人海上打捞水下7000米无缆自治机器人 “海沟号”无人潜水器在大海中 共九十二页3）农林业机器人 嫁接机器人林木球果(qigu)采集机器人伐根机器人林木球果(qigu)采集机器人 伐根机器人

10、 共九十二页摘西红柿机器人 嫁接(jiji)机器人在温室中 共九十二页4）机器(j q)人化机器(j q) 共九十二页机器(j q)人化机器(j q) 盾构机器人共九十二页5）仿人形(rn xn)机器人 日本(r bn)的仿人形机器人“科戈”机器人我国的仿人形机器人研究索尼的机器人 本田 浙大乒乓球机器人短片共九十二页6）微型(wixng)机器人和微操作系统 细小工业管道机器人移动(ydng)探测系统无损伤医用微型机器人SMA微小型机器人微型飞行器面向生物工程的机器人微操作系统共九十二页全光学生物(shngw)微操作系统 SMA六足微笑(wixio)型机器人 共九十二页7) 军用(jnyng)

11、机器人 地面(dmin)军用机器人军用昆虫机器人 MPR-800多用途机器人可用于扫雷、灭火、核生化污染清除等多项危险工作 美国军用运输机器人共九十二页英国(yn u)的“手推车”机器人 “土拨鼠”（右）和“野牛(yni)”（左）排爆机器人 军用武装机器人短片共九十二页德国的排爆机器人 我国研制(ynzh)的排爆机器人 共九十二页遥控(yokng)扫雷车Minebreacker 2000扫雷(so li)车 “徘徊者”侦察机器人共九十二页空中(kngzhng)军用机器人暗星无人机共九十二页鬼怪式无人机微星无人机共九十二页空间(kngjin)机器人水下军用机器人水下军用机器人“双鹰”水下(shu

12、 xi)机器人共九十二页约翰逊太空站设计出的智能(zh nn)机器人的头和躯干 在美国休斯顿的约翰逊太空站(JSC)，航天工作人员将与机器人一起共同协作完成任务。在智能机器人的帮助下，提高宇航员以及其它太空设备在国际空间站以外地点(ddin)工作的效率，或者是将来在其他星球上工作的效率 运用这类机器人，宇航员可以就在太空舱里面来远距离遥控机器人，来共同完成任务 共九十二页国产(guchn)月球车高1.5米、翼展长达2米、重120公斤 距离地面指挥中心超过38万公里，每一次通讯要传输2.6秒钟；在月球上，它要承受127至零下183的巨大温差；强烈的电磁辐射可能破坏(phui)电子遥控系统。 内置

13、CCD相机能辨清前方3米以内的地形地貌，通过计算机建立三维立体地图后，自动判断、规划和改变前进路线。如果遇到超过30度的斜坡、大于25厘米的石块或直径大于2米的撞击坑时，它能安全避让。共九十二页共九十二页8)娱乐(yl)机器人 精彩有趣的机器人足球赛风靡日本的机器人相扑赛活灵活现的机器人动物园以假乱真(y ji lun zhn)的“帕瓦罗蒂”好看好玩的机器小狗维妙维肖的机器人“演奏家”寓教于乐的“能力风暴”机器人足球赛 共九十二页一名日本东北大学学生(xu sheng)与一个会跳舞的智能机器人跳华尔兹舞 智能(zh nn)机器人能够根据舞伴作用在它的手臂和背上的力量大小判断舞伴的下一个动作 共

14、九十二页用计算机产生具有(jyu)一定规律的电信号编码，通过植入大白鼠脑内的数根微电极将这些电信号施加到具有(jyu)特定功能的神经核团，从而使大白鼠在神经核团的控制下实现左转、右转、前进等特定动作。 插着微电极的大白鼠在研究人员发出计算机指令后，正确地完成了连续(linx)“左转”、“右转”和“前进”的任务 9)生物机器人共九十二页10）工业(gngy)机器人直角坐标型PPP关节型RRR圆柱坐标(zubio)型RPP球坐标型RRP平面关节型RRP搬运机器人：短片1短片2共九十二页工业机器人的应用点焊、弧焊、装配、喷漆、切割、搬运(bnyn)、包装码垛等一汽大众激光(jgung)焊接机器人 码

15、垛机器人：短片1短片2共九十二页广州本田(bn tin)焊接车间广州本田(bn tin)涂装车间喷涂机器人焊接机器人共九十二页11）特种(tzhng)机器人 水下机器人：美国的AUSS、俄罗斯的MT-88、法国的EPAVLARD等水下机器人已用于海洋石油开采，海底勘查、救捞作业、管道敷设和检查、电缆敷设和维护、以及大坝检查等 空间机器人：空间机器人一直(yzh)是先进机器人的重要研究领域。目前美、俄、加拿大等国已研制出各种空间机器人。如美国NASA的空间机器人Sojanor等 象鼻机器人短片共九十二页 地下机器人：地下机器人主要包括采掘机器人和地下管道检修机器人两在类。主要研究内容为：机械结构

16、、行走系统、传感器及定位系统、控制系统、通信及遥控技术。目前日、美、德等发达国家已研制出了地下管道和石油、天然气等大型管道检修用的机器人医用机器人：医用机器人的主要研究内容包括：医疗外科手术的规划与仿真、机器人辅助外科手术、最小损伤外科、临场感外科手术等。美国已开展(kizhn)临场感外科（telepresence surgery）的研究，用于战场模拟、手术培训、解剖教学等共九十二页建筑机器人：日本已研制出20多种建筑机器人。如高层建筑抹灰机器人、预制件安装机器人、室内装修机器人、地面抛光机器人、擦玻璃机器人等 军用机器人：近年来，美、英、法、德等国已研制出第二代军用智能机器人。其特点是采用自

17、主控制方式，能完成侦察、作战和后勤支援等任务，在战场上具有看、嗅和角摸能力，能够 自动跟踪地形(dxng)和选择道路，并且具有自动搜索、识别和消灭敌方目标的功能。 共九十二页 日本一公司设计的抢险(qingxin)救生机器人“T-52 Enryu”。这台巨型机器人(可通过摇控操作，也可以近距离操作)能够扒开各中堆积物并使用自己的“双手”推倒坚固的墙壁 共九十二页2. 按机器人的智能程度(chngd)分（1）一般机器人：只具有一般编程能力和操作功能（2）智能机器人：具有不同程度的智能 传感型机器人 交互型机器人 自主型机器人共九十二页3. 为什么要发展机器人? 理由之一：提高生产效率降低人的劳动

18、强度。比如焊机器人提高生产效率，提高汽车焊接的质量，降低工人的劳动强度 理由之二：机器人做人不愿意做或做不好(b ho)的事。比如有毒的、高温的或危险的环境，汽车生产线上的焊接工作 理由之三：机器人做人做不了的事情。比如人们对太空的认识，对原子分子进行搬迁的机器人 机器人汽车焊接生产线汽车装配机器人共九十二页二 、机器人的结构(jigu)1. 相关术语及性能指标 关节（Joint）：即运动副，允许机器人手臂各零件之间发生(fshng)相对运动的机构。 连杆（Link）：机器人手臂上被相邻两关节分开的部分。共九十二页定位精度（Positioning accuracy）： 指机器人末端参考点实际到

19、达的位置与所需要到达的理想(lxing)位置之间的差距。重复性（Repeatability）或重复精度： 在相同的位置(wi zhi)指令下，机器人连续重复若干次其位置(wi zhi)的分散情况。它是衡量一列误差值的密集程度，即重复度。oo共九十二页工作空间（Working space）：机器人手腕参考点或末端(m dun)操作器安装点（不包括末端(m dun)操作器）所能到达的所有空间区域，一般不包括末端(m dun)操作器本身所能到达的区域。共九十二页2 .工业机器人的结构（1） 机构运动简图（a）表示手指（末端执行器）；（b）表示垂直(chuzh)、升降运动；（c）表示水平伸缩运动；（d

20、）表示回转运动；（e）表示俯仰运动。注意：不同的书上，运动简图的符号表示可能不一样。机器人空间多姿态变换运动(yndng)视频共九十二页直角坐标式圆柱坐标式球坐标式共九十二页关节(gunji)坐标式（a）直接驱动型（b）平行连杆型（c）偏置型（d）平面型共九十二页123456123456机器人视觉定位抓取运动(yndng)视频共九十二页（2 ）工业(gngy)机器人手部(手爪)结构1）滑槽杠杆(gnggn)式手部共九十二页2）齿轮齿条式手部3）滑块杠杆式手部4）斜楔杠杆(gnggn)式共九十二页5）移动型连杆式手部6）齿轮齿条式手部7）内涨斜块式手部8）连杆杠杆式手部共九十二页手指(shuzh

21、)类型：共九十二页电磁式吸盘(xpn)气吸式吸盘常见(chn jin)的另两种手部:滚动轴承座圈钢板齿轮多孔钢板双吸头吸盘多吸头吸盘吸取瓦楞板双吸头吸盘双吸头架式吸盘多吸头板式吸盘共九十二页( 3 )工业(gngy)机器人腕部结构腕部影响(yngxing)手部的姿态（方位）共九十二页(4 )工业(gngy)机器人臂部结构臂部确定手部的位置共九十二页3. 移动机器人1) 车轮(ch ln)型两轮(lin ln)型三轮型四轮型共九十二页救援机器人2)履带式共九十二页3)步行(bxng)式共九十二页4)其它(qt)移动方式军用昆虫机器人爬缆索机器人水下6000米无缆自治机器人蛇形机器人共九十二页三、

22、目前(mqin)机器人研究热点及发展趋势 工业机器人操作机结构的优化设计技术：探索新的高强度轻质材料，进一步提高负载/自重比，同时机构向着模块机器人控制技术：重点研究开放式，模块化控制系统，人机界面更加友好，语言、图形编程界面正在(zhngzi)研制之中。机器人控制器的标准化和网络化，以及基于PC机网络式控制器已成为研究热点。编程技术除进一步提高在线编程的可操作性之外，离线编程的实用化将成为研究重点。共九十二页 多传感系统：为进一步提高机器人的智能和适应性，多种传感器的使用是其问题解决的关键。其研究热点在于有效可行的多传感器融合算法，特别是在非线性及非平稳、非正态分布的情形下的多传感器融合算法

23、。另一问题就是传感系统的实用化。 机器人的结构灵巧，控制系统愈来愈小，二者正朝着一体化方向发展。机器人遥控及监控(jin kn)技术，机器人半自主和自主技术，多机器人和操作者之间的协调控制，通过网络建立大范围内的机器人遥控系统，在有时延的情况下，建立预先显示进行遥控等。共九十二页虚拟机器人技术(jsh)：基于多传感器、多媒体和虚拟现实以及临场感技术(jsh)，实现机器人的虚拟遥操作和人机交互微型和微小机器人技术（micro/miniature robotics）:这是机器人研究的一个新的领域和重点发展方向。过去的研究在该领域几乎是空白，因此该领域研究的进展将会引起机器人技术的一场革命，并且对社

24、会进步和人类活动的各个方面产生不可估量的影响，微小型机器人技术的研究主要集中在系统结构、运动方式、控制方法、传感技术、通信技术以及行走技术等方面。共九十二页 多智能体（multi-agent）调控制技术：这是目前机器人研究的一个崭新领域。主要对多智能体的群体体系结构、相互间的通信与磋商机理，感知与学习方法，建模和规划、群体行为控制等方面进行研究。 软机器人技术（soft robotics）:主要用于医疗、护理、休闲和娱乐场合。传统机器人设计未考虑与人紧密(jnm)共处，因此其结构材料多为金属或硬性材料，软机器人技术要求其结构、控制方式和所用传感系统在机器人意外地与环境或人碰撞时是安全的，机器人

25、对人是友好的。 仿人和仿生技术：这是机器人技术发展的最高境界，目前仅在某些方面进行一些基础研究。共九十二页四、 工业(gngy)机器人概述 1. 工业机器人的定义及组成 1）工业机器人定义 综合各国对工业机器人(Industrial Robot)的定义，其在“可编程”、 “计算机控制”和“机械装置”三方面的共同点是： 工业机器人，是一种可以搬运物料、零件、工具或完成多种操作功能的专用机械装置；由计算机进行控制，是无人参与的自主自动化控制系统；它是可编程、具有柔性的自动化系统，可以允许进行人机联系。 可以通俗地理解为“机器人是技术系统的一种类别，它能以其动作复现(f xin)人的动作和职能；它与

26、传统的自动机(或自动系统)的区别在于有更大的万能性和多目的用途，可以反复调整以执行不同的功能。 共九十二页2）工业(gngy)机器人的组成共九十二页 工业机器人一般都由手部、腕部、臂部、机身、驱动系统和控制系统组成。 手部。又称抓取机构或夹持器或终端效应器，用以直接抓取工件或工具。在手部可安装某些专用工具，如焊枪、喷枪、电钻、电动螺钉（母）拧紧器，这些可视为专用的特殊手部。工业机器人所用手部有机械式、真空、磁力及粘附式手爪。腕部。是连接手部与留部的部件，用以支承和调整末端(m dun)执行器(手部)的姿态，确定物件的姿态(方向)。臂部。是支撑腕部的部件，由操作机的动力关节和连接杆件等构成。用以

27、承受工件和工具的负荷，改变它们的空间位置并将它们送至预定购位置。共九十二页 机身。又称为立柱，是支撑(zh chng)臂部的部件，用以扩大臂部的活动范围机身及行走机构。是支撑整个工业机器人的基础件，用以确定或改变整台机器人的位置。 以上手部、腕部、臂部、机身、机座及行走机构等构成了机器人本体，又称操作机。驱动系统。是工业机器人的动力源，又称为移动器，由驱动器、减速器及检测元件等组成。控制系统。是控制工业机器人按预定要求进行动作的位置，也是由人操作启动共九十二页2 .工业机器人的运动轴系和自由度 1）工业机器人的运动铀系 机器人执行机构的运动轴系通常分为四类：直角坐标系(图413a)、圆柱坐标系

28、(两个直线(zhxin)和一个回转坐标轴) (图413b)，球坐标系(个直线和两个回转坐标轴) (图413c)、关节系（三个回转坐标轴) (图413d)。共九十二页 与运动轴系相对应，工业机器人操作机可分为(fn wi)四种坐标型式的操作机，其特点如下：直角坐标型操作机。在空间三个相互垂直的方向x、Y、z上作移动运动，运动独立，其控制简单、易达到高精度，但操作灵活性差，运动速度较低，操作范围较小。圆柱坐标型操作机。这类操作机在水平转台上装有立柱，水平臂可沿立柱上下运动并且在水平方向伸缩，其操作范围较大，运动速度较高，但随着水平臂沿水平方向仲长，基线位移分辨精度越来越低。 共九十二页球坐标型操作

29、(cozu)机。又称极坐标型操作(cozu)机，工作臂不仅可绕垂直轴旋转，还可绕水平轴作俯仰运动，且能沿手臂轴线作伸缩运动，其操作(cozu)比圆柱坐标型更为灵活，但旋转关节反映在末端执行器上的线位移分辨力是一个变量。 关节型操作机。其由多个关节联结的机座、大臂、小臂和手腕等构成可在垂直于机座的平面内运动，也可实现绕垂直轴的转动，其操作灵活性最好，运动速度较高、操作范围大，但精度受手臂位姿的影响，实现高精度运动较困难。ADT-MR-401-600 多关节四轴机器人搬运(bnyn)应用视频共九十二页 2）工业机器人的自由度 为了使工业机器人能够按必要的动作顺序运动，需要六个基本运动轴即所谓六个自

30、由度。这六个自由度用来模仿人手臂的各种功能动作，并非所有的机器人都需要具备全部六个自由度。这六个基本运动中三个是腕部的，三个是臀部和机身，以图下图所示的球坐标机器人为例，说明(shumng)如下；共九十二页垂直俯仰运动。整个臂部围绕(wiro)一个水平轴的支点(肩关节)在垂直方向上作俯仰运动。 径向往复移动。臂部的伸缩运动，对于关节机器人来说，是用前臂绕肘关节的回转来完成的。 往复旋转运动。围绕垂直轴的旋转运动(工业机器人臂部的左右旋转)。ADT-MR-401-600 多关节(gunji)四轴机器人搬运与点胶视频共九十二页3. 工业机器人的技术地位1）制造业的角度 工业机器人是现代制造业的基础

31、设备，它属于自动化制造系统的物理层次。机器人的过去、现在和未来都与制造业发展密切相关。 以1993年日本工业机器人按行业分布的统计资料为例，用于制造业的机器人占日本机器人总数的96，根据国际机器人联合会(IFR)报告资料，日本机器人密度最高，1997年在制造业中每万名工人占有机器人的数量(shling)为277台，1997年日本新装机器人台数为42696台，I 997年末现役工业机器人台数为412961台，汽车工业、机电工业是机器人的主要用户，焊接是机器人的最大应用领域。机器人作为高技术的一个重要分支，己引起世人关注，1997年世界机器人销售额已达48亿美元，未来几年世界机器人平均年增长率将达9。共九十二页2）对于我国的意义 我国经济(jngj)持续快速发展和制造业巨大市场为机器人在我国发展提供广阔前景，机器人的发展特别与汽车制造业、