机器人技术 第一章 绪论

机器人技术(jìshù)崔学政(xuézhènɡ)王新庆中国石油大学（华东）机电学院2013精品资料课程(kèchéng)简介总学时数：36；授课(shòukè)起止周数：9~16本门课程主要讲授机器人学的基本理论和相关技术，介绍机器人技术的现状、应用和发展趋势；系统地讲述机器人系统的体系结构、本体设计、机器人运动学、机器人静力学和动力学、机器人的轨迹规划等方面的基础理论和方法，简要讲述机器人的传感与反馈、机器人控制等方面的基本原理和应用技术成绩构成：?精品资料主要(zhǔyào)参考文献1、机器人学[美]付京逊等著，中国科学技术出版社，1989；2、机器人学导论——分析、系统及应用(yìngyòng)，[美]SaeedB.Niku著，孙福春等译，电子工业出版社，2004；3、机器人学导论[美]JohnJ.Craig著，贠超等译，机械工业出版社，2006；4、机器人机械系统原理理论——理论、方法和算法[加]JorgeAngeles著，宋伟刚译，机械工业出版社，2004；5、机器人学蔡自兴，清华大学出版社，2000；6、并联机器人机构学理论及控制黄真等著，机械工业出版社，1997精品资料精品资料5第一章绪论(xùlùn)1.1.1机器人的定义(dìngyì)问题：什么是机器人？如何定义？1.1机器人的定义、发展历史及分类早期的机器人（与人相像吗？）现在的机器人精品资料6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(zhíxíng)各种任务，并具有编程能力的多功能操作机。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(mǒuxiē)操作或者动作功能。

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”。精品资料7二个共同点：一种自动机械装置，可以在无人参与(cānyù)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）。机器人是20世纪人类伟大的发明，比尔•盖茨预言：机器人即将重复PC机崛起的道路，彻底改变这个时代(shídài)的生活方式。机器人学集中了机械工程、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，是当代科学技术发展最活跃的领域之一。精品资料81.1.2机器人的发展(fāzhǎn)历史1920年，捷克作家卡雷尔·卡佩克发表了科幻剧本《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”，被当成(dānɡchénɡ)了机器人一词的起源。1950年,美国作家埃萨克·阿西莫夫在科幻小说《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”。精品资料91954年，美国人GeorgeC.Devol提出(tíchū)了第一个工业机器人方案并在1956年获得美国专利。1961年，Unimation公司（通用机械公司），生产和销售了第一台工业机器人“Unimate”，即万能自动之意。1962年，A.M.F.（机械与铸造）公司，研制(yánzhì)出一台数控自动通用机，取名“Versatran”，即多用途搬运之意。精品资料101972年，IBM公司开发出直角坐标机器人。1973年，CincinnatiMilacron公司推出T3型机器人。1978年，PUMA机器人在Unimation公司诞生；1981年，日本(rìběn)山梨大学牧野洋开发出了SCARA型机器人。精品资料111988年，CMU大学研制出可重构模块化机械手系统RMMS。1990年，CincinnatiMilacron公司被瑞士(ruìshì)ABB公司兼并。1996年，本田公司P2仿人机器人，2000年推出ASIMO。2008年，美国波士顿动力公司研制出“大狗”(BigDog)；英国科学家研制了首个有生物脑的机器人“米特·戈登”(MeetGordon)精品资料60～70年代，示教再现(zàixiàn)型机器人为主，称为第一代机器人。80年代，工业机器人大量应用，如焊接、喷漆(pēnqī)、搬运、装配。日本被称为“机器人王国”机器人的感知技术发展，产生第二代机器人（感知型机器人）。1290年代，智能型（第三代）机器人发展，如军用、医疗、服务、娱乐等领域,仿生机器人也得到了快速发展。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、IEEE——IROS、ICR&A等。国际杂志：《RobticsResearch》、《Robotica》、

IEEEtransaction

on《RoboticsandAutomation》等。精品资料13我国机器人技术起步较晚，70年代末，研制专用机械手，80年代初，开发小型的教育机器人。1985年哈工大研制出国内首台弧焊机器人（华宇Ⅰ号），之后(zhīhòu)，又研制出国内第一台点焊焊机器人（华宇Ⅱ号）。进入90年代后，国家“863”计划支持。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、合肥机械所、上海交大、南开大学）。产业化基地(jīdì)：哈尔滨博实自动化设备公司、沈阳新松机器人自动化股份公司、北京机械工业自动化研究所机器人工程中心。

学术会议：每两年左右去办一次大型全国（国际）性会议。学术刊物：《机器人》、《机器人技术与应用》等。精品资料141.1.3机器人的分类(fēnlèi)机器人的种类很多。可以(kěyǐ)按驱动形式、用途、结构和智能水平等观点划分１、按驱动形式

气压驱动

液压驱动

电机驱动

交流伺服驱动

直流伺服驱动

2、按用途划分（应用领域）（1）工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精品资料15（2）特种(tèzhǒng)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精品资料163、按智能水平(shuǐpíng)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精品资料171.2

机器人的优缺点二、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(shèbèi)费用开销较大。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；可以同时相应多个激励或处理多项任务；可以在危险环境下工作，无需考虑生命保障或安全需要；无需舒适的环境，如照明、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。精品资料181.3机器人技术(jìshù)的发展趋势机器人在工业、农业、商业、旅游业、医疗、公共安全、空间(kōngjiān)和海洋以及国防等诸多领域获得越来越普遍的应用。未来机器人技术将有待于在以下方面发展。一、机器人机构新型机器人机构：新型驱动与传动，新型材料，柔性臂，冗余自由度臂，并联机器人。

仿人与仿生机构：紧凑型多自由度机构，非结构环境的特殊移动机构；

极限环境下的机器人机构：如空间(kōngjiān)、水下等。

微型机构：驱动、元器件、零部件、制造工艺等。精品资料19二、感觉技术各种新型传感器的开发及其小型化；主动视觉与高速运动视觉；多传感器系统(xìtǒng)与多信息融合；恶劣工况下的传感技术；三、控制技术先进控制理论；分组协调控制与群控；人机交互（虚拟现实、遥操作(cāozuò)和人机合作）；基于传感信息的规划与导航；机器智能（自主操作(cāozuò)、自主控制、自我学习）；多智能体系统。精品资料201.4机器人的组成、构型及性能(xìngnéng)要素1.4.1机器人的组成(zǔchénɡ)

机器人是一个高度自动化的机电一体化设备。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。内部传感器（位形检测）控制系统驱动装置外部传感器（环境检测）处理器关节控制器感知反馈系统执行机构工作对象精品资料21执行机构实现预期的动作或操作；相当于人的肢体。驱动装置为执行机构提供动力；相当于人的肌肉、筋络。感知反馈系统检测执行机构位置、速度等信息以及机器人所处的环境信息；相当于人的感官(gǎnguān)和神经。控制系统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。机器人执行机构驱动装置控制系统感知系统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

基座（固定或移动）精品资料221.4.2

机器人的构型机器人的机械配置形式即构型多种多样。最常见的构型是用其坐标特性(tèxìng)来描述的。一、工业(gōngyè)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，自身占据空间最大，工作空间外形为矩形。精品资料232、圆柱坐标(zuòbiāo)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，工作空间外形为圆柱形。圆柱坐标(zuòbiāo)型机器人模型Verstran机器人Verstran机器人精品资料243、极坐标型（也称球面坐标型）(2RP)其运动耦合性较强，控制(kòngzhì)也较复杂。但运动灵活性好。占自身据空间也较小，工作空间外形为球形。极坐标型机器人模型(móxíng)Unimate机器人精品资料254、关节坐标型(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(zhànjù)空间最小，工作空间外形为复杂曲面。关节(guānjié)型搬运机器人关节型焊接机器人关节型机器人模型精品资料265、平面关节型(SCARA)仅平面运动有耦合性，控制较通用(tōngyòng)关节型简单。但运动灵活性更好，铅垂平面刚性好，工作空间外形为圆柱形。SCARA型装配(zhuāngpèi)机器人精品资料271、二自由度移动机器人具有一个(yīɡè)移动自由度和一个(yīɡè)转向自由度的移动机器人。

二、移动机器人

B21robot精品资料282、三自由度移动(yídòng)机器人具有二个方向移动(yídòng)自由度和一个转向自由度的移动(yídòng)机器人，也称为全方位移动(yídòng)机器人。XR4000robot二自由度轮式移动(yídòng)机构

三自由度轮式移动机构

运动灵活性比较——精品资料1、仿生型根据所仿对象的运动特征而定。自由度一般较多，具有(jùyǒu)更强的适应性和灵活性，但控制更复杂，成本更高ＡＳＩＭＯＪｕｓｔｉｎＮＡＳＡ机器人宇航员三、特种(tèzhǒng)机器人精品资料30Smartbird仿鱼机器人BigdogＤＬＲＣＲＡＷＥＲ精品资料国内五指(wǔzhǐ)灵巧手精品资料32四、机器人化工程机械高度(gāodù)自动化的工程机械。大型(dàxíng)喷浆机器人机器人码垛机精品资料TheDaVinciroboticsystemforlaparoscopicsurgery精品资料341.4.3机器人的性能(xìngnéng)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与其作业(zuòyè)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。

运动速度单关节速度；合成速度。

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。必要时可进行补偿。精品资料35控制(kòngzhì)模式引导或点到点示教模式；连续轨迹示教模式；软件编程模式；自主模式。其它动态特性(tèxìng)如稳定性、柔顺性等。

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。重复精度比精度更重要。主要参考文献：（1）[美]付京逊等，机器人学，中国科学技术出版社，1989（2）孟庆鑫等，机器人技术基础，哈尔滨工业大学出版社，2006电子工业出版社，2004（3）蔡自兴，机器人学，清华大学出版社，2000（4）[美]JohnJ.