机器人基础课件(一机器人发展)

项目(xiàngmù)一、机器人系统：一、什么是机器人？二、机器人的发展历史，概念、分类。三、工业机器人的特点？四、工业机器人系统的构成？（本体(běntǐ)、控制器、辅助）五、大众机器人系统。（电器、机械）1精品资料我们(wǒmen)见过的机器人？？？2精品资料机器人（Robot）是自动执行工作的机器装置。直接(zhíjiē)接受人类指挥。运行预先编排的程序。根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。任务是协助或取代人类工作的工作，例如：生产业、建筑业，或是危险的工作环境。机器人整合了控制论、机械电子、计算机、材料和仿生学的产物。目前在工业、医学、农业、建筑业甚至军事等领域中均有重要用途。

一、什么(shénme)是机器人？应该说国际标准化组织(ISO)给出的机器人定义较为全面和准确，其定义涵盖如下内容：(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(肢体、感官等)的功能。(2)机器人具有通用性，工作种类多样，动作程序灵活易变。(3)机器人具有不同程度的智能性，如记忆、感知、推理、决策、学习等。(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人的

干预。3精品资料智能，指感觉和感知，包括记忆、运算、比较、鉴别、判断、决策、学习和逻辑推理等；机能(jīnéng)，指变通性、通用性或空间占有性等；物理能，指力、速度、连续运行能力、可靠性、联用性、寿命等。因此，可以说机器人是具有生物功能的三维空间坐标机器。1962年-1963年传感器的应用提高了机器人的可操作性。人们试着在机器人上安装各种各样的传感器，包括1961年恩斯特采用的触觉传感器，托莫维奇和博尼1962年在世界上最早的“灵巧手”上用到了压力传感器，而麦卡锡1963年则开始在机器人中加入视觉传感系统，并在1965年，帮助MIT推出了世界上第一个带有视觉传感器，能识别并定位积木的机器人二、机器人能力(nénglì)的评价标准：4精品资料三、中国(zhōnɡɡuó)历史上的机器人：指南车：传说远古时蚩尤与炎帝交战，蚩尤施法降雾，使人不辨方向，打败了炎帝。炎帝向黄帝求援，黄帝便制造出指南车，在雾中也能指示(zhǐshì)方向，于是就打败了蚩尤。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。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《墨经》记载，他曾制造过一只木鸟，能在空中飞行“三日不下”，体现了我国劳动人民的聪明智慧。5精品资料木牛流马：后汉(HòuHàn)三国时期，蜀国丞相诸葛亮成功地创造出了“木牛流马”，并用其运送军粮，支援前方战争。三、中国(zhōnɡɡuó)历史上的机器人：计里鼓车：1800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，车上木人击鼓一下，每行十里击钟一下。6精品资料现代机器人的研究始于20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。

自1946年第一台数字电子计算机问世以来，计算机取得了惊人的进步，向高速度、大容量、低价格(jiàgé)的方向发展。

大批量生产的迫切需求推动了自动化技术的进展，其结果之一便是1952年数控机床的诞生。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。

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。四、现代(xiàndài)机器人发展史7精品资料20世纪50年代以后，美国橡树岭国家实验室开始研究能搬运核原料的遥控操纵机械手。这是一种主从型控制系统，系统中加入(jiārù)力反馈，可使操作者获知施加力的大小，主、从机械手之间有防护墙隔开，操作者可通过观察窗或闭路电视对从机械手操作机进行有效的监视，主、从机械手系统的出现为机器人的产生以及近代机器人的设计与制造作了铺垫。四、现代(xiàndài)机器人发展史主从机械手8精品资料在此前后，美国的戴沃尔(Ceorge.G.Devol)设想了一种可控制的机械手。1954年，他依据这一想法设计制作了世界上第一台机器人实验装置，发表了“适用于重复作业的通用性工业机器人”一文，并获得了美国专利。1959年德沃尔与美国发明家约瑟夫·英格伯格联手制造(zhìzào)出第一台工业机器人。随后，成立了世界上第一家机器人制造(zhìzào)工厂——Unimation公司。由于英格伯格对工业机器人的研发和宣传，他也被称为“工业机器人之父”。五、现代(xiàndài)机器人发展史9精品资料这种机器人是将数控机床的伺服轴与遥控操纵器的连杆机构连接在一起(yīqǐ)，预先设定的机械手动作经编程输入后，系统就可以离开人的辅助而独立运行。这种机器人还可以接受示教而完成各种简单的重复动作。示教过程中，机械手可依次通过工作任务的各个位置，这些位置序列全部记录在存储器内。在任务的执行过程中，机器人的各个关节在伺服驱动下依次再现上述位置，故这种机器人的主要技术功能被称为可编程和示教-再现功能。五、现代(xiàndài)机器人发展史10精品资料机器人发展分成(fēnchénɡ)2条线路：工业机器人特种机器人五、现代(xiàndài)机器人发展史1954年第一台机器人诞生1967年日本成立了人工手研究会（现改名为仿生机构研究会），同年召开了日本首届机器人学术会。1970年在美国召开了第一届国际工业机器人学术会议。以后，机器人的研究得到迅速广泛的普及。1980年，工业机器人才真正在日本普及，故日本称该年为“机器人元年”。至2008年底，世界各地已经部署了100万台各种工业机器人。日本每万名工人拥有295台工业机器人，居世界之首。11精品资料五、现代(xiàndài)机器人发展史工业机器人：所谓工业机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。联合国标准化组织采纳了美国机器人协会给机器人下的定义：一种可编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可改变(gǎibiàn)和可编程动作的专门系统。工业机器人的发展主要体现在以下方面：（1）机器人机械结构：通过有限元分析、模态分析及仿真设计等现代设计方法的运用，机器人操作机已实现了优化设计。以德国KUKA公司为代表的机器人公司，已将机器人并联平行四边形结构改为开链结构，拓展了机器人的工作范围，加之轻质铝合金材料的应用，大大提高了机器人的性能。此外采用先进的RV减速器及交流伺服电机，使机器人操作机几乎成为免维护系统。

12精品资料（2）并联机器人：采用并联机构，利用机器人技术，实现高精度测量及加工，这是机器人技术向数控技术的拓展，为将来实现机器人和数控技术一体化奠定了基础。意大利COMAU公司，日本FANUC等公司已开发出了此类产品（3）控制系统：控制系统的性能进一步提高，已由过去控制标准的6轴机器人发展(fāzhǎn)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。人机界面更加友好，基于图形操作的界面也已问世。编程方式仍以示教编程为主，但在某些领域的离线编程已实现实用化。（4）传感系统：激光传感器、视觉传感器和力传感器在机器人系统中已得到成功应用，并实现了焊缝自动跟踪和自动化生产线上物体的自动定位以及精密装配作业等，大大提高了机器人的作业性能和对环境的适应性。日本KAWASAKI、YASKAWA、FANUC和瑞典ABB、德国KUKA、REIS等公司皆推出了此类产品。13精品资料

（5）网络通信功能：日本YASKAWA和德国KUKA公司的最新机器人控制器已实现了与Canbus、Profibus总线及一些网络的联接，使机器人由过去的独立应用向网络化应用迈进了一大步，也使机器人由过去的专用设备向标准化设备发展。

（6）可靠性：由于微电子技术(jìshù)的快速发展和大规模集成电路的应用，使机器人系统的可靠性有了很大提高。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，几冬天可以满足任何场合的需求。14精品资料特种(tèzhǒng)机器人：随着人类的活动领域不断扩大，机器人应用也从制造领域向非制造领域发展。像海洋开发、宇宙探测、采掘、建筑、医疗、农林业、服务、娱乐等行业都提出了自动化和机器人化的要求。这些行业与制造业相比，其主要(zhǔyào)特点是工作环境的非结构化和不确定性，因而对机器人的要求更高，需要机器人具有行走功能，对外感知能力以及局部的自主规划能力等，促进了机器人技术向智能化方向发展。（1）水下机器人：美国的AUSS、俄罗斯的MT-88、法国的“逆戟鲸”（Epaulard）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、以及大坝检查等方面，形成了有缆水下机器人（remoteoperatedvehicle）和无缆水下机器人（autonomousunderwatervehicle）两大类。15精品资料（2）空间机器人：空间机器人一直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Sojourner等。Sojourner是一辆自主移动车，重量为11.5kg，尺寸630~48mm，有6个车轮，它在火星上的成功(chénggōng)应用，引起了全球的广泛关注。Sojourner16精品资料（3）核工业用机器人：国外的研究主要集中在机构灵巧，动作准确可靠、反应快、重量轻、刚度好、便于装卸与维修的高性能伺服手，以及半自主和自主移动机器人。已完成的典型系统，如美国ORML基于机器人的放射性储罐清理系统、反应堆用双臂操作器，加拿来大研制成功的辐射监测与故障诊断系统，德国的C7灵巧手等。（4）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、行走系统、传感器及定位系统、控制系统、通信及遥控(yáokòng)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，各种采机器人及自动化系统正在研制中。成都核机器人武汉管道(guǎndào)机器人17精品资料（5）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。美国已开展临场感外科（telepresencesurgery）的研究，用于战场模拟、手术培训、解剖教学(jiāoxué)等。法、英、意、德等国家联合开展了图像引导型矫形外科（telematics）计划、袖珍机器人（biomed）计划以及用于外科手术的机电手术工具等项目的研究，并已取得一些卓有成效的结果。18精品资料（6）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，并已实际应有和。美国卡内基梅隆重大学、麻省理工学院等都在进行管道挖掘和埋设机器人、内墙安装机器人等型号的研制、并开展了传感器、移动技术和系统自动化施工方法等基础研究。英、德、法等国也在开展这方面的研究。

（7）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。如美国的Navlab自主导航车、SSV半自主地面战车，法国的自主式快速运动侦察车（DARDS），德国MV4爆炸物处理机器人等。目前美国ORNL正在研制和开发Abrams坦克、爱国者导弹装电池用机器人等各种用途的军用机器人。

可以预见，在21世纪各种先进的机器人系统将会进入人类生活的各个领域，成为人类良好的助手和亲密(qīnmì)的伙伴。19精品资料二、目前研究热点及发展趋势目前国际(guójì)机器人界都在加大科研力度，进行机器人共性技术的研究，并朝着智能化和多样化方向发展。主要研究内容集中在以下10个方面：

1．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，同时机构向着模块化、可重构方向发展。

2．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。

3．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。另一问题就是传感系统的实用化。

4．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。六、现代(xiàndài)机器人研究发展方向20精品资料5．机器人遥控及监控技术，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。

6．虚拟机器人技术：基于多传感器、多媒体和虚拟现实以及临场感技术，实现机器人的虚拟遥操作和人机交互。

7．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(lǐnɡyù)。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。

8．微型和微小机器人技术（micro/miniaturerobotics）:这是机器人研究的一个新的领域(lǐnɡyù)和重点发展方向。过去的研究在该领域(lǐnɡyù)几乎是空白，因此该领域(lǐnɡyù)研究的进展将会引起机器人技术的一场革命，并且对社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。

21精品资料9．软机器人技术（softrobotics）: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，机器人对人是友好的。

10．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(jīchǔ)研究。22精品资料二、机器人分类(fēnlèi)机器人的分类：机器人的分类方法很多，主要有以下几种。1、按机器手的几何结构。2、按机器人的控制(kòngzhì)方式。3、按机器人的信息输入方式。4、按机器人的智能程度。5、按机器人的用途。6、按机器人移动性。23精品资料1．按机械手的几何结构来：机器人机械手的机械配置形式多种多样。最常见的结构形式是用其坐标特性(tèxìng)来描述的。这些坐标结构包括笛卡儿坐标结构、柱面坐标结构、极坐标结构、球面坐标结构和关节式球面坐标结构等。这里简单介绍三种最常见的机器人：柱面坐标结构球面坐标结构关节式球面坐标结构。24精品资料（1）柱面坐标机器人。柱面坐标机器人主要由垂直柱子、水平手臂（或机械手）和底座构成。水平机械手装在垂直柱子上，能自由伸缩，并可沿垂直柱子上下运动。垂直柱子安装在底座上，并与水平机械手一起（作为一个部件）能在底座上移动。这样，这种机器人的工作(gōngzuò)包迹（区间）就形成一段圆柱面，如图1.6所示。因此，把这种机器人叫做柱面坐标机器人。25精品资料（2）球面坐标机器人。这种机器人如图1.7所示。它象坦克(tǎnkè)的炮塔一样。机械手能够作里外伸缩移动、在垂直平面上摆动以及绕底座在水平面上转动。因此，这种机器人的工作包迹形成球面的一部分，并被称为球面坐标机器人。26精品资料3）关节式球面坐标机器人。这种机器人主要由底座（或躯干）、上臂和前臂构成。上臂和前臂可在通过(tōngguò)底座的垂直平面上运动，如图1.8所示。在前臂和上臂间，机械手有个肘关节；而在上臂和底座间，有个肩关节。在水平平面上的旋转运动，既可由肩关节进行，也可以绕底座旋转来实现。这种机器人的工作包迹形成球面的大部分，称为关节式球面机器人。27精品资料2．按机器人的控制方式：按照控制方式可把机器人分为非伺服机器人和伺服控制机器人两种。（1）非伺服机器人（Non-servorobots）。非伺服机器人工作能力比较有限，它按照预先编好的程序顺序进行工作，使用位置开关、制动器、插销板和定序器来控制机器人机械手的运动。工作原理方块如下图所示，插销板用来预先规定机器人的工作顺序，而且往往是可调的。定序器是一种定序开关或步进装置，它能够按照预定的顺序接通驱动装置的能源。驱动装置接通能源后，就带动机器人的手臂、腕部和抓手等装置运动。当它们移动到由位置开关所规定的位置时，位置开关切换工作状态，送给定序器一个“工作任务（或规定运动）业已完成”的信号，并使终端制动器动作，切断(qiēduàn)驱动能源，使机械手停止运动。28精品资料2）伺服控制机器人（Servo-controlledrobots）。伺服控制机器人比非伺服机器人有更强的工作能力，因而价格较贵，而且在某些情况下不如简单的机器人可靠。图1.10表示伺服控制机器人的方块图。伺服系统的被控制量（即输出）可为机器人端部执行装置（或工具）的位置、速度、加速度和力等。通过反馈传感器取得的反馈信号与来自给定装置（如给定电位器）的综合信号，用比较器加以比较后，得到误差信号，经过放大后用以激发机器人的驱动装置，进而带动末端执行装置以一定规律运动，到达规定(guīdìng)的位置或速度等。显然，这就是一个反馈控制系统。29精品资料3．按机器人控制器的信息输入方式：

在采用这种分类法进行分类时，对于不同国家，也略有不同，但它们能够有统一的标准。这里主要介绍日本工业机器人协会（JIRA）、美国机器人协会（RIA）和法国工业机器人协会（AFRI）所采用的分类法。

（1）JIRA分类法

日本工业机器人协会把机器人分为六类：

第1类：手动操作手，是一种由操作人员直接进行操作的具有几个自由度的加工装置。

第2类：定序机器人，是按照预定的顺序、条件和位置，逐步地重复执行给定的作业任务的机械手，其预定信息（如工作步骤(bùzhòu)等）难以修改。

第3类：变序机器人，它与第2类一样，但其工作次序等信息易于修改。

第4类：复演式机器人，这种机器人能够按照记忆装置存储的信息来复现原先由人示教的动作。这些示教动作能够被自动地重复执行。

第5类：程控机器人，操作人员并不是对这种机器人进行手动示教，而是向机器人提供运动程序，使它执行给定的任务。其控制方式与数控机床一样。

30精品资料第6类：智能机器人，它能够采用传感信息来独立检测(jiǎncè)其工作环境或工作条件的变化，并借助其自我决策能力，成功地进行相应的工作，而不管其执行任务的环境条件发生了什么变化。（2）RIA分类法：

美国机器人协会把JIRA分类法中的后四种机器当作机器人。（3）AFRI分类法

法国工业机器人协会把机器人分为四种型号：

A型：第1类，手控或遥控加工设备。

B型：包括第2类和第3类，具有预编工作周期的自动加工设备。

C型：含第4类和第5类，程序可编和伺服机器人，具有点位或连续路径轨迹，称为第一代机器人。

D型：第6类，能获取一定的环境数据，称为第二代机器人。

31精品资料4．按机器人的智能程度分

（1）一般机器人，不具有智能，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，又可分为：

a．传感型机器人，具有利用传感信息（包括视觉、听觉、触觉、接近觉、力觉和红外、超声及激光等）进行(jìnxíng)传感信息处理，实现控制与操作。

b．交互型机器人，机器人通过计算机系统与操作员或程序员进行(jìnxíng)人-机对话，实现对机器人的控制与操作。

c．自立型机器人，在设计制作之后，机器人无需人的干预，能够在各种环境下自动完成各项拟人任务。

32精品资料5．按机器人的用途分

（1）工业机器人或产业机器人，应用在工农业生产中，主要应用在制造业部门(bùmén)，进行焊接、喷漆、装配、搬运、检验、农产品加工等作业。

（2）探索机器人，用于进行太空和海洋探索，也可用于地面和地下探险和探索。

（3）服务机器人，一种半自主或全自主工作的机器人，其所从事的服务工作可使人类生存得更好，使制造业以外的设备工作的更好。

（4）军事机器人，用于军事目的，或进攻性的，或防御性的。它又可分为空中军用机器人、海洋军用机器人和地面军用机器人。或简称为空军机器人、海军机器人和陆军机器人。

33精品资料6．按机器人移动(yídòng)性分

（1）固定式机器人，固定在某个底座上，整台机器人（或机械手）不能移动(yídòng)，只能移动(yídòng)各个关节。

（2）移动(yídòng)机器人，整个机器人可沿某个方向或任意方向移动(yídòng)。这种机器人又可分为辆式机器人、履带式机器人和步行机器人，其中后者又有单足、双足、四足、六足和八足行走机器人之分。34精品资料机器人指标：1、坐标形式。常用的坐标型式有直角坐标、圆柱坐标、球坐标、关节坐标等。

2、运动自由度数。自由度数表示机器人动作的灵活程度。通常是6个，也有少于或多于6个的。

3、各自由度的动作范围。指各关节的活动范围。各关节的基本动作范围决定了机器人操作机工作．空间的形状和大小。

4、各自由度的动作速度。指各关节的极限速度。

5、额定负载。指在规定性能(xìngnéng)范围内，在手腕机械接口处所能承受的最大负载允许值。

6、精度。主要包括位姿精度、位姿重复性、轨迹精度、轨迹重复性等。

35精品资料1、坐标形式。常用的坐标型式有直角坐标、圆柱(yu