机器人学绪论

1、机器人学任课教师：许允斗 讲师2013年11月20日教材：熊有伦等编著机器人学助教：金林茹12013-2014年秋机器人学课程研究项目说明书一、项目概览机器人学的课程研究项目是机器人学课程的一个重要组成部分。通过研究项目的实施，学生可以深入掌握课程的理论知识体系，提高综合应用已有知识解决问题的能力，更好地培养机械电子工程专业学生的专业技术能力和综合素质。学生自愿组成若干项目组，每个项目组约45个同学，完成1项课程研究项目。每个项目组选举1名负责人负责项目组成员之间的协调工作，以保证课程研究项目顺利进行。遇到问题，由负责人组织项目组成员共同解决，也可以提请指导老师帮忙。2二、课程研究项目名称及主

2、要研究内容以下共列出了16个研究项目名称，这些项目均来自实际生产生活中的机器人，每个项目组从中选取一个项目。如有特殊情况，个别项目组也可选择自己感兴趣的生产生活中的机器人作为研究对象，也可自行设计一个串联机器人进行研究。3451、参考资料：/_d269622815.htm2、参考资料：http:/www.kuka- /china/zh/products/industrial_robots/special/jet_robots/kr30_jet3、参考资料：/chanpin-4.asp4、参考资料：方建军. 移动式采摘机器人研究现状与进展. 农业工程学报，20（2），2004.5、参考资料：/_

3、d269623419.htm6、参考资料： /_d269623425.htm7、参考资料：http:/www.motoman.eu/?switchlang=true8、参考资料：/china/zh/products/industrial_robots/small_robots/kr5_scara_r3509、参考资料：/china/zh/products/industrial_robots/high/kr100_2_pa10-12、参考资料：http:/robot_arm_tutorial.shtml613、参考资料：http:/?bdclkid=ab-_JM6wEc51Y9mH1uqv8at

4、dJQ4K0gsDE87Z2mq-JooP14、参考资料：刘淑英 张明路 韩慧伶. 五自由度机械手动力学分析与仿真. 河北工业大学学报，38（2）2009.15、参考资料：李占坤 赵德安 姬伟 等. 基于工业PC机的果树采摘机器人控制系统设计. 机械设计与制造，6，2010.16、罗天洪 熊小辉. 六自由度重载装配机械手运动学分析及求解. 重庆交通大学学报(自然科学版), 28（6）, 2009.7每个项目组主要研究内容包括以下五个部分： （一）基于Solidworks、Pro/E等三维造型软件建立项目所研究的机器人的三维实体模型，并能实现各关节运动仿真；查阅国内外有关串联机器人的位置正反解分

5、析的方法，并撰写文献综述；通过比较分析，找到一种适合描述项目组所研究的串联机器人末端姿态的欧拉角方法；建立机器人机构的连杆坐标系并列出连杆参数，求解机器人机构的位置正反解。（二）查阅国内外有关串联机器人的运动雅克比矩阵求解的方法，并撰写文献综述；分别利用矢量积的方法和微分变换方法求解机器人机构的运动雅可比矩阵，并利用两者之间的关系验证求解结果的正确性，也可采用新方法求解运动雅克比矩阵。主要研究内容8（三）查阅国内外有关串联机器人的工作空间和奇异位形分析的方法，并撰写文献综述；基于求解的雅克比矩阵分析机器人机构的奇异位形；基于位置正反解和奇异位形求解机器人机构的工作空间。（四）基于Solidwo

6、rks等三维软件的仿真功能或其他仿真软件（如Adams动力学仿真软件）对机器人机构进行运动学和动力学仿真，主要目的是验证位置正反解、运动雅克比矩阵及奇异性等分析的正确性。（五）查阅国内外有关串联机器人的静力学和静刚度分析的方法，并撰写文献综述；分析机器人机构的静力学，求得各关节驱动力与外力之间的映射关系，并利用运动雅克比矩阵验证其正确性；分析机器人机构的静刚度，求得其刚度和柔度矩阵。9各项目组对上述每一部分内容的研究一定要系统、深入，查阅大量国内外相关文献，务必要有自己的想法，不能像做作业题那样直接代公式求解答案。注意10三、项目节点报告：为了保证课程研究项目的顺利开展，各项目组务必要严格按时

7、间节点完成指定的研究任务。根据项目研究内容安排3个重要节点，每个节点之前项目组各项目组必须基本完成指定的任务，提交节点报告（晚交一天扣本项所占分数的50，晚交两天本项所占分数为零，晚交三天以上课程研究项目总成绩为零）。节点1：12月6日之前各项目组完成研究内容（一）的研究，提交节点报告1；节点2：12月23日之前各项目组完成研究内容（二）和（三）的研究，提交节点报告2；节点3： 12月31日之前各项目组完成研究内容（四）和（五）的研究，提交节点报告3；11项目节点报告主要包括以下主要内容：项目组在提交节点报告后还需要对已经完成的研究内容进行深入、系统地研究。到最后项目组答辩及提交总的研究报告的

8、时候，需要在不同的章节深入、系统地阐述所有完成的研究内容。12四、课程研究项目上机与辅导为使同学们顺利完成课程研究项目，课程期间将在机械馆4楼机房安排2-3次课程研究项目上机与辅导课，各项目组在项目研究过程工程中如遇到问题或有其他疑问的均可在上机与辅导课时请指导老师进行辅导，同学们也可查询资料、学习建模及仿真软件和撰写节点报告等，具体时间另行通知。13五、项目演示汇报与答辩为了让老师和其他同学了解你们的工作和研究成果，所有项目组都必须做好演示汇报与答辩的准备，最后根据抽签决定哪几个项目组参加项目演示汇报与答辩。如果项目演示汇报与项目研究报告成绩（占课程研究项目总成绩的60%）想得优的项目组则必

9、须主动报名参加项目演示汇报与答辩，最后没参加演示汇报与答辩的项目组项目演示汇报与项目研究报告成绩一律不予评优。参加项目演示汇报与答辩的项目组的所有成员都要在台前汇报，在演示汇报与答辩前由指导老师指定一个主汇报人。每个项目的演示汇报时间不得超过12分钟。另外有3分钟的提问时间。每个项目组必须严格控制演示汇报时间，超过规定时间1分钟以上要相应扣分。项目组所有成员都要事先练习好，避免超时影响成绩。演示汇报的PPT文档要清楚地定义研究题目、研究项目的简要介绍、主要研究内容、主要研究结果、总结和结论等。14下面给出制作PPT文档的一些建议：注意：所有项目组要在1月6日前完成全部准备工作并提交项目演示汇报

10、的PPT电子文档，汇报期间全体同学都必须参加，否则视为缺考，最后该课程总成绩为零。15六、项目组研究报告项目组完成所有任务后，需撰写一份总的项目研究报告，1月10日之前提交项目研究报告电子版和纸质文档（晚交一天扣本项所占分数的50，晚交两天本项所占分数为零，晚交三天以上课程研究项目总成绩为零）。项目研究报告主要包括以下主要内容：16七、项目考核方式序号评定条目评定标准备注1项目组成员自评分（20分）由项目组成员相互打分，每组学生平均分不超过16分，最高分与最低分的分差不小于5分。重点考察学生在整个项目研究过程中的贡献大小。2项目节点报告（20分）共分3次节点，每次节点报告占6分或7分。3项目组

11、演示汇报与答辩（10分）根据PPT制作质量、项目汇报和答辩情况等给分，没有参加答辩的项目组主要根据PPT制作质量给分。4项目组总研究报告（50分）项目组总研究报告成绩由四部分组成：研究内容的多少占30%，共15分；研究的透彻程度占30%，共15分；结果分析的情况占20%，共10分；研究报告的撰写质量占20%，共10分。17八、参考资料的来源通过校园网在我校订阅的电子资料库（/grid2008/index/ZKCALD.htm）可以搜索到大量的有关机器人的参考资料。同学们也可到学校的图书馆阅览室（三楼）查找纸质期刊资料，凭校园一卡通也可到机械学院的计算机中心（机械馆4楼）上机查询，上班时间中心免

12、费对本院学生开放。18九、严禁剽窃抄袭行为若发现有剽窃抄袭行为的，研究项目成绩为零。剽窃抄袭行为主要指从参考资料中引用有关思想或结果，但没有在报告中指明该思想或结果的出处并且没有与你的思想或研究结果进行清晰的区分。直接或大量拷贝别人的研究结果当作自己的研究结果。19注：所有电子文档和纸质文档都用A4版面，上下左右边距都是2.5cm，字体为宋体、五号。附：机器人学课程成绩评分原则出勤率：5（缺课一次扣1分，缺课5次以上者该课程成绩为零）家庭作业：15（务必用A4纸书写或打印，雷同者作业成绩均为零）课程研究项目：8020绪 论21 1959年，世界上第一台工业机器人“尤尼梅特”在美国诞生。这一时期

13、的机器人属于 机器人简史第一代机器人示教再现型。“尤尼梅特”正在生产线上工作 22 属于 机器人，不仅具有感觉能力，而且还具有独立判断和行动的能力，并具有记忆、推理和决策的能力。第二代机器人第三代机器人 属于 的机器人，对外界环境具有一定的感知能力，并具有听觉、视觉和触觉等功能。智能型有感觉机器人简史23 机器人分为两大类：机器人分类工业机器人： 面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。特种机器人： 除工业机器人之外的、用于非制造业并服务于人 类的各种先进机器人。它包括：1、服务机器人2、水下机器人3、娱乐机器人4、军用机器人5、农业机器人6、仿人机器人24机器人组成机械本体机构驱动伺服单

14、元计算机控制系统传感系统输入/输出系统接口包括液压伺服驱动、电机伺服驱动、气动伺服驱动 位置、视觉、力觉、触觉、接近觉等各种类型传感器25机器人的最新进展（一）工业机器人的最新进展高速机器人世界上速度最快的工业机器人四自由度并联机器人 Adept Quattro可以在一分钟内处理240个部件 26（一）工业机器人的最新进展目前，美国研发出“写作机器人”， 30秒就能写一篇文章，发明者称5年内有望得普利策新闻奖。 写作机器人27据英国每日邮报8月12日报道，数十年来，打造出一架能够自动飞行的机器人飞机是很多科学家们的研究目标。日前，美国麻省理工学院的机器人技术研究小组宣布将这一梦想变为了现实，成

15、功研制出一架可以在不使用全球定位系统（GPS）的情况下完成自我导航的飞机。 （一）工业机器人的最新进展机器人飞机28（一）工业机器人的最新进展控制系统 已由过去控制标准的6轴机器人发展到现在能够控制21轴甚至27轴，并且实现了软件伺服和全数字控制。 传感系统 视觉传感器和六维力传感器等在机器人系统中已得到成功应用 。可靠性 过去机器人系统的可靠性MTBF一般为几千小时，而现在已达到5万小时。29（二）特种机器人的最新进展水下机器人 照片中，泰坦尼克号的船首和船锚清晰可见 美国“阿尔文”号载人潜水器潜到深海4500米拍摄到的泰坦尼克号残骸。302012年6月27日，中国第一台自行设计、自主集成研

16、制的载人深潜器“蛟龙”号7000米级海试最大下潜深度达7062米，创造了作业类载人潜水器新的世界纪录。 水下机器人 日本深海6500深潜器：6500米法国鹦鹉螺深潜器：6000米美国阿尔文深潜器：4500米31水下机器人 发展趋势 更深向深海发展 更远向远程发展 功能更强大向作业型及智能化方向发展 32此次的“悟”、“空”突出了连续快速反应的“一招鲜”，但在行动能力、信息感知和反馈能力方面却逊色于国外产品，“人工表情”等也停留在较初级水平。 人形机器人 浙江大学日前研制的仿人机器人“悟”和“空”正式亮相，据称这是目前世界上首个研制成功的、具有快速连续反应能力的仿人机器人。 33波士顿动力公司宣

17、称，PetMan机器人能够保持自身平衡，移动自如，保持稳定的步伐行走，并能暴露在化学武器或者放射性环境下进行各种防护服承压测试运动。同时，这款机器人还能模拟人类生理学特征，在必要情况下穿着防护服实现控制体温、湿度和出汗，从而提供真实的测试状态。 美国波士顿动力公司研制出最新军用设计的“PetMan”机器人，可对步行人体模型进行测试。人形机器人 34人形机器人 日本本田公司研制的仿人机器人ASIMO仍处于领先地位，是目前最先进的人工智能机器人。 它不仅能以10公里/小时的速度快跑，还能准确地用有5个手指头的手来倒水。35曾经有一位英国科学家预言，2050年，世界机器人制造界就能造出一支机器人足球

18、队，球队有能力打败英格兰队。人形机器人 那么，未来最先进的人工智能机器人是怎么样的？36医用机器人 受蠕虫启发而开发的“摄像胶囊”可爬进人体的消化系统进行检查。 爬行摄像胶囊游动摄像胶囊37“达芬奇”系统是世界上首套可以正式在医院手术室中使用的医用机器人手术器械，已获得欧洲认证和美国认证。医用机器人 38军用机器人 军用机器人是指用于执行军事任务的机器人，它是机器人发展与应用的一个重要方面。军用机器人是高技术战争的先导，是抢占21世纪人工智慧领域制高点和主动权的标志。美国多年来积极推进研究开发和使用军用机器人，在人工智能机器人、军用人工智能车辆、微型无人驾驶飞机、无人潜水器等领域的发展方面都处

19、于世界领先水平。 39军用机器人 美国军用机器人BigDog 的进化版AlphaDog的负重为400磅（约181公斤），超过BigDog 80磅（30公斤）。它能连续跑30公里，BigDog只有20公里。BigDog军用机器人AlphaDog军用机器人40军用机器人 据英国每日邮报3月6日报道，美国波士顿动力工程公司近日开发出了世界上跑得最快的机器人，它能用四条腿以时速28.3英里的速度奔跑，打破了有腿类机器人的速度记录。美国最新研制的“猎豹”机器人超过迄今人类跑得最快的奥运会冠军博尔特创造的百米时速27.78英里（约44.7公里），而“猎豹”的下一目标是达到真正猎豹的速度。 41军用机器人

20、无人机早就被美国人用于战场。在阿富汗打击“恐怖分子”并殃及大批平民的无人机，美国人已经尝试了“机器人”作战的“甜头”。美军RQ-4“全球鹰”无人机是目前世界上飞行时间最长、距离最远、高度最高的无人机，该机曾经创造且目前仍然保持着世界无人机领域的多项最高记录。RQ-4“全球鹰”无人机42军用机器人 X-47B无人机是美国研发的最新型的无人机，它将是 第一型实现航母起降的无人机，也是在30多年的时间 里，首款在航母上飞行的全新型隐形飞机。X-47B无人机43军用机器人 日前，美国国防高级研究计划局推出了软体硅胶机器人样机。这种机器人可以在30秒内根据周围环境完成变色，变色完成后不需要动力来维持色彩

21、。软体机器人具有远远高于传统刚性结构机器人的弹性，能够在狭小和有限空间内使用。 软硅胶结构使其具有较低的模具制造成本，造价不会超过$100。除了能改变颜色之外，还能够改变它的外形和温度，同时还能够在黑暗中发光。44本课题组并联机器人应用研究简介并联机器人简介定义并联机构可以定义为动、定平台间通过两个或以上的独立开环运动链相连接，且以并联方式驱动的具有两个或以上自由度的闭环机构。动平台定平台驱动分支45与串联机器人恰好优劣互补并联机器人简介刚度高，承载能力大，特别适用于重载机械微动精度高，可用于微动机器人或重载高精度的场合劣势工作空间较小，运动灵活性差优势46应用研究一：并联机床5UPS/PRP

22、U五轴联动并联机床通过控制5个UPS驱动分支的伸缩来改变动平台的位置和姿态，从而实现5坐标数控加工的进给运动。47球冠加工实验五角星加工实验应用研究一：并联机床可实现复杂曲面的加工48应用研究一：并联机床6PUS/UPU五轴联动冗余驱动并联机床49 已基本完成65m口径全方位可动大型射电望远镜天线副反射面调整系统研究，该射电天文望远镜是一台国内领先、亚洲最大、国际先进的全天线可转动的大型射电望远镜。它的建成可以很好地执行探月二期和三期工程的VLBI测定轨和定位。应用研究一：并联机床65m射电望远镜副反射面调整机构50应用研究一：并联机床65m射电望远镜副反射面调整机构实物图51应用研究一：并联

23、机床上海现场设备吊装52应用研究二：六维力传感器 预紧式大量程六维力传感器实物图结构特点：在Stewart结构的上、下平台之间,增设一个中间预紧支路，对传感器进行整体预紧，同时预紧各球面副。采用单向约束的球窝锥头式球面副代替传统球副；预紧式大量程六维力传感器53预紧式大量程六维力传感器标定平台应用研究二：六维力传感器54应用研究二：六维力传感器结构特点：双层预紧式六维力传感器双层预紧式六维力传感器实物图检测分支分为两层分布在中间平台两侧；预紧平台和底座之间通过套筒连接对传感器实施整体预紧。55双层预紧式六维力传感器标定装置应用研究二：六维力传感器56应用研究三：重型装备大型锻造操作机基础理论研究锻造操作机作为锻造液压机组的重要辅助设备，对锻件锻造质量和生产效率的提高起着至关重要的作用。国内近几年大型锻造操作机的需求越来越大，相关厂家已先后从国外引进了多台大型锻造操作机。德国的MEER公司锻造操作机（一重）德国的MEER公司锻造操作机（上重）57应用研究三：重型装备三维实体模型机构简图(专利号：201