机器人机构学第一章汇编

1、机器人工学张海洪上海大学(shn hi d xu)机自学院2010. 07.zh_ 新校区： 工程训练中心HC208延长(ynchng)路：机械楼辅楼211共四十九页2 第一章 绪论(xln)1.1 机器人的定义(dngy)、分类及发展概况1.1.1 机器人的定义机器人问世已有几十年，但没有一个统一的意见。原因之一是机器人还在发展，另一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学问题。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。美国机器人协会（RIA)：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，并具有编程能力的多功能操作机（Ma

2、nipulator）。美国家标准局：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。 共四十九页31987年国际标准化组织(ISO)对工业机器人的定义(dngy)：“工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能，能完成各种作业的可编程操作机。日本工业标准局：一种机械装置，在自动控制下，能够完成某些操作或者动作(dngzu)功能。英国：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。中国：我国科学家对机器人的定义是：“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，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自动化机器”

3、。 共四十九页4尽管各国定义不同，但基本上指明了作为“机器人”所具有(jyu)的二个共同点： 是一种自动机械装置，可以在无人参与下，自动完成多种操作或动作功能，即具有通用性。 可以再编程，程序流程可变，即具有柔性(适应性）。 机器人集中了机械工程、材料科学、电子技术、计算机技术、自动控制理论及人工智能等多学科的最新研究成果，代表了机电一体化的最高成就，是当代(dngdi)科学技术发展最活跃的领域之一。 机器人技术是集机械学、力学、电子学、 生物学、控制论、人工智能、系统工程等多种学科于一体的综合性很强的新技术。共四十九页51.1.2 机器人的发展(fzhn)历史 1920年，捷克作家卡雷尔卡佩

4、克发表了科幻剧本罗萨姆的万能机器人。卡佩克在剧本中把捷克语“Robota”写成了“Robot”，引起(ynq)了大家的广泛关注，被当成了机器人一词的起源。 1950年，美国作家埃萨克阿西莫夫在他的科幻小说I，Robot中首次使用了“Robotics” ，即“机器人学”。阿西莫夫提出了“机器人三原则”：1 机器人不应伤害人类,且在人类受到伤害时不可袖手旁观； 2 机器人应遵守人类的命令，与第一条违背的命令除外； 3 机器人应能保护自己，与第一条相抵触者除外。机器人学术界一直将这三原则作为机器人开发的准则，阿西莫夫因此被称为“机器人学之父”。共四十九页6 1954年，美国人George C. De

5、vol 提出了第一个工业(gngy)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(q mn)“Versatran”，即多用途搬运之意，并以“Industrial Robot”为商品广告投入市场。 共四十九页7 1967年， Unimation公司(n s)第一台喷涂用机器人出口到日本川崎重工业公司(n s)。 1968年，第一台智能机器人Shakey在斯坦

6、福研究所诞生。 1972年，IBM公司(n s)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。 1982年，Westinghouse公司兼并Unimation公司，随后又卖给了瑞士的Staubli公司。 1990年，Cincinnati Milacron公司被瑞士ABB公司兼并。共四十九页8日本、西欧各国、前苏联也相断引进或自行研制(ynzh)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

7、拓展，如航天、水下、排险、核工业等，机器人的感知技术(jsh)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。 随着机器人技术的发展形成了新学科 机器人学。建立 了相应学术组织，定期举办学术活动。 国际会议：ISIP、IEEEIROS、ICR&A 等。 国际杂志： Robtics Research 、 Robotica 、 Robotics and Automation 等。共四十九页9我国机器人技术起步(qb)较晚，70年代末，一些院校和企业，开始研制专用机械手，80年代初，开发小型的教育机器人

8、。1985年哈工大研制出国内第一台弧焊机器人（华宇号）。 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“机器人示范工程中心”和机器人国家开放实验室（沈阳自动化所、哈工大、合肥机械(jxi)所、上海交大、南开大学）。 我国也建立了机器人学的学术组织，定期举办学术活动。 学术会议：每两年左右去办一次大型全国性会议。 学术刊物： 机器人 、机器人技术与应用 等。共四十九页101.1.3 机器人的分类(fn li)机器人的种类(zhngli)很多。可以按驱动形式、用途、结构和智能水平等观点划分 、按驱动形式 气压驱动 液压驱动 电驱动 交流伺服驱动 直流伺服驱动 2、按用途划分（1）工

9、业机器人弧焊机器人点焊机器人搬运机器人装配机器人喷涂机器人抛光机器人共四十九页11（2）特种(tzhng)机器人空间机器人 水下机器人军用机器人教学机器人 服务机器人 医用机器人 排险救灾机器人 固定式移动式轮式履带式足式蛇行共四十九页123、按智能水平(shupng)划分分 类 名 称简 要 解 释人工操作装置有几个自由度，有操作员操纵，能实现若干预定的功能。固定顺序机器人按预定的不变顺序及条件，依次控制机器人的机械动作。可变顺序机器人按预定的顺序及条件，依次控制机器人的机械动作。但顺序和条件可作适当改变。示教再现型机器人通过手动或其它方式，先引导机器人动作，记录下工作程序，机器人则自动重复

10、进行作业。数控型机器人不必使机器人动作，通过数值、语言等为机器人提供运动程序，能进行可变程伺服控制。感知型机器人利用传感器获取的信息控制机器人的动作。机器人对环境有一定的适应性。智能机器人机器人具有感知和理解外部环境的能力，即使环境发生变化，也能够成功的完成任务。第一代第二代第三代共四十九页131.1.4 机器人技术(jsh)展望 进入90年代后,机器人数量增长速度下降,但由于人工智能、计算机科学、传感器技术的长足进步，使机器人技术研究在高水平上进行。未来机器人技术将有待于在以下几个方面发展。一、操作臂技术1 高速操作臂：机构，伺服驱动，动态控制方法；2 柔性操作臂：提高荷重比（3010），轻

11、质材料；3 冗余自由度臂；4 高精度、多自由度力控制：精密组装(z zhun)；5 微型操作臂。共四十九页14二、移动技术1、新型移动机构：适合非结构环境的移动机构；2、运动控制：建模、制导(zhdo)、导航、路径规划。三、感知技术(jsh)1、视觉：图像识别与处理；2、手眼协调；3、接触觉小型化；4、多信息融合。四、自主控制技术1、分布式计算机控制技术；2、人工智能技术。共四十九页1520公斤点焊机器人点焊机器人在工作中6公斤弧焊机器人工业机器人（一）弧焊机器人在工作中共四十九页16涂胶机器人龙门式喷漆机器人SCARA型装配机器人工业(gngy)机器人（二）搬运机器人码垛机器人喷漆机器人共四

12、十九页17“双鹰”水下机器人水下扫雷机器人“探索者号”水下机器人Spirit火星漫游车 Marshod 火星漫游车Canada Arm 太空机械臂特种(tzhng)机器人（一）共四十九页18美国“别动队”无人机法国“红隼”无人机微型无人机特种(tzhng)机器人（二）豹式排雷机器人“徘徊者”侦察机器人“手推车”机器人机器人助手共四十九页19特种(tzhng)机器人（三）足球机器人AIBO机器狗指挥机器人迎宾机器人导盲机器人跳舞机器人医疗机器人共四十九页20特种(tzhng)机器人（四）管内机器人隧道凿岩机器人大型喷浆机器人室外保安机器人德国排爆机器人消防机器人防暴机器人共四十九页21为什么要发

13、展(fzhn)机器人?理由之一：提高生产效率降低人的劳动强度。比如焊机器人提高生产效率，提高汽车焊接的质量(zhling)，降低工人的劳动强度 ；城市隧道盾构。理由之三：机器人做人做不了的事情。微小机器人、核电站、航天领域、深海等，比如人们对太空的认识，对原子分子进行搬迁的机器人 理由之二：机器人做人不愿意做或做不好的事。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 ；操作简单、劳动强度大、生产节奏快、人易疲劳的活。共四十九页22应用(yngyng)最多的是工业机器人-钢领工人、蓝领工人、白领工人应用工业机器人须考虑的因素1）任务估计(gj)2）技术因素、经济因素、人的因素3）使用机

14、器人的经验准则机器人的应用原则共四十九页231）应当从恶劣工种开始执行机器人计划2）生产率落后的部门应用(yngyng)机器人3）要估计长远需要4）使用费用与机器人成本不成正比5）力求简单实效-不一定强调通用性和技术的先进性6）确保人员和设备的安全-安全光栅7）不要期望卖主提供全套承包服务8）不要忘记机器人需要人-程序员和维修员弗农（vernon)准则(zhnz)共四十九页241.2 机器人的优缺点一、优点 能不知疲倦、不厌其烦的持续工作，不会有心理问题； 具有比人更高的精确度、速度，可以同时响应多个(du )激励； 可以在危险环境下工作，无需考虑生命保障或安全的需要； 无需舒适的环境，如照明

15、、空调、噪音隔离等； 其感知系统及其附属设备具有某些人类所不具有的能力；二、缺点 替代了工人，由此带来经济和社会问题； 缺乏应急能力； 灵活性、自适应能力还欠缺； 设备(shbi)费用开销较大。共四十九页251.3 机器人的组成、构型及性能(xngnng)要素1.3.1 机器人的组成(z chn) 机器人是一个机电一体化的设备。从控制观点来看，机器人系统可以分成四大部分：机器人执行机构、驱动装置、控制系统、感知反馈系统。 机 器 人执行机构驱动装置控制系统感知系统 基 座（固定或移动）手部腕部臂部腰部电驱动装置液压驱动装置气压驱动装置处理器关节伺服控制器内部传感器外部传感器共四十九页26一、执

16、行机构 包括：手部、腕部、臂部、腰部(yo b)和基座等。相当于人的肢体。二、驱动装置 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 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。四、控制系统 包括：处理器及关节伺服控制器等，进行任务及信息处理，并给出控制信号。相当于人的大脑和小脑。内部传感器（位形检测）控制系统驱动装置执行机构工作对象外部传感器（环境检测） 1处理器关节控制器共四十九页27工业(gngy)机器人组成机器人机械(jxi)本体机器人控制箱/机器人软件机器人控制器机器人组成共四十九页28工业(gngy

17、)机器人运动原理共四十九页29共四十九页30空间物体有六个自由度（三平动(pngdng)、三转动）如果机器人的用途约束(yush)了某些自由度，相应的机器人的自由度可以降低，由于要求机器人具有良好的通用性，所以一般而言机器人通常具有六个自由度。不能将末端执行动作当成一个自由度，如砖头的旋转运动，夹手的夹持动作等都不是一个单独的自由度，但是一个机动度机器人的自由度共四十九页311.3.2 机器人的构型 机器人的机械配置(pizh)形式即构型多种多样。最常见的构型是用其坐标特性来描述的。 一、工业(gngy)机器人 1、直角坐标型 (3P) 其运动是解耦的，控制简单。但运动灵活性较差，自身占据空间

18、最大。共四十九页322、圆柱(yunzh)坐标型 (R2P) 其运动耦合性较弱，控制也较简单，运动灵活性稍好。但自身占据空间也较大。圆柱坐标(zubio)型机器人模型Verstran 机器人Verstran 机器人共四十九页333、极坐标型（也称球面坐标型）(2RP) 其运动耦合性较强，控制也较复杂(fz)。但运动灵活性好。占自身据空间也较小。极坐标型机器人模型(mxng)Unimate 机器人共四十九页344、关节(gunji)坐标型 (3R) 其运动耦合性强，控制较复杂。但运动灵活性最好，自身占据空间最小。关节(gunji)型搬运机器人关节型焊接机器人关节型机器人模型共四十九页355、平面

19、关节型 (SCARA) 仅平面运动(yndng)有耦合性，控制较通用关节型简单。但运动(yndng)灵活性更好，铅垂平面刚性好。SCARA型装配(zhungpi)机器人共四十九页36仿生型 自由度一般较多，具有(jyu)更强的适应性和灵活性，但控制更复杂，成本更高，刚性较差。类人型机器人仿狗机器人蛇形(sh xn)机器人 二、特种机器人 共四十九页37六轮(liln)漫游机器人仿鱼机器人仿鸟机器人六足漫游(mnyu)机器人共四十九页381.3.3 机器人的性能(xngnng)要素 自由度数 衡量机器人适应性和灵活性的重要指标，一般等于机器人的关节数。机器人所需要的自由度数决定(judng)与其

20、作业任务。 负荷能力 机器人在满足其它性能要求的前提下，能够承载的负荷重量。 运动范围 机器人在其工作区域内可以达到的最大距离。它是机器人关节长度和其构型的函数。 精度 指机器人到达指定点的精确程度。它与机器人驱动器的分辨率及反馈装置有关。 重复精度 指机器人重复到达同样位置的精确程度。它不仅与机器人驱动器的分辨率及反馈装置有关，还与传动机构的精度及机器人的动态性能有关。共四十九页39 控制模式 引导或点到点示教模式；连续(linx)轨迹示教模式；软件编程模式；自主模式。 运动速度(sd) 单关节速度；合成速度。 其它动态特性 如稳定性、柔顺性等。共四十九页40机器人前沿(qinyn)-仿人机

21、器人共四十九页41机器人前沿(qinyn)-仿人机器人国防科大“先行者”哈工大双足步行(bxng)机器人共四十九页42机器人前沿(qinyn)-仿人机器人美国麻省理工学院研制(ynzh)出了仿人形机器人科戈（COG） “科戈”机器人的大脑是由16个摩托罗拉68332芯片构成的，“科戈”的大脑放在与之相邻的室内，通过电缆与之相连。“科戈”最多可用250个摩托罗拉芯片。布鲁克斯准备用数字信号处理器取代部分这种芯片，用以完成特殊任务。“科戈”的大脑与人类的大脑一样，能同时处理多项任务。尽管计算机的能力给人们留下了深刻的印象，但是如果“科戈”能达到两岁儿童的智力，就算是成功了 共四十九页43机器人前沿

22、(qinyn)-微机器人和微操作系统“细小工业管道机器人移动探测器集成系统”由上海大学研制，包含：20mm内径的垂直排列工业管道中的机器人机构和控制技术（包括螺旋轮移动机构、行星轮移动机构和压电片驱动移动机构等）、机器人管内位置检测技术、涡流检测和视频检测应用(yngyng)技术，在此基础上构成管内自动探测机器人系统。该系统可实现20mm管道内裂纹和缺陷的移动探测。 上海交通大学研制出一种呈正方形体，由12个蠕动元件组成的管内蠕动机器人，外形尺寸为353535mm3，体重19.5克（包括控制电路），步行速度为15 mm/分，共有12个自由度，由SMA（形状记忆合金）与偏置弹簧组成一个驱动源，共

23、12个驱动源。能实现管内上、下，左、右，前、后的全方位运动，能通过直管、曲率半径较大的弯管，以及L型、T型管。微小型机器人将来可能在细小管道检测及医疗方面发挥作用。 共四十九页44机器人前沿(qinyn)-机器人化的机器 在世界上比较有影响的赛事主要有两个，一个是由国际机器人足球联合会（FIRA）组织的微机器人世界杯Mirosot，另一个是由国际人工智能协会组织的机器人世界杯RoboCup。国际机器人足球联合会成立于1997年，总部设在韩国的大田，每年组织一次机器人足球世界杯，相伴而行的还要举行这一领域的学术研讨。由国际人工智能学会组织的机器人世界杯赛（RoboCup），它的比赛项目有三个：（1）小型机器人比赛（直径小于15cm），（2）中型机器人比赛（15cm(50cm)；（3）电脑模拟比赛。它要求参赛的机器人是自主式的，其复杂程度和制作成本(chngbn)较高。 机器人足球是一项具有体育竞技魅力的高技术项目。也可以看作是一种高技术的竞技项目。 机器人足球的高技术可以概括为12个字：“实时采集、实时控制、实时行动”。这3个“实时”是机器人足球的难点之所在，也是机器人足球的魅力之所在。 足球机器人小号机器人共四十九页45机器人前沿(qinyn)-服务机器人