机器人工学第一章

机器人工学第一章第1页，课件共51页，创作于2023年2月第一章：概论一、机器人的概念

机器人学是一门新兴的边缘学科。它综合了力学、机构学、机械设计学、自动控制、传感技术、电液驱动技术、计算机、人工智能仿生学等学科的有关知识和最新成果，逐步形成了独特的体系。

第2页，课件共51页，创作于2023年2月机器人学是一门集中反映高新技术的新兴学科机器人学是随着机器人的发展而发展的，而它的发展与完善又不断地推动着机器人技术水平的提高，扩大机器人的应用领域，同时机器人学也极大地促进了控制技术、人工智能、传承技术、仿生学等学科的发展，所以机器人学是一门集中反映高新技术的新兴学科第3页，课件共51页，创作于2023年2月二、机器人的发展简史

机器人，在美国和西方称为“罗伯特”（Robot）。首先出现Robot一词，是1920年捷克作家卡雷尔·查培克(KarelCapek)编写的剧本，罗落姆的《万能机器人》中，该词在捷克语里意味着苦力。机器人被当作强壮的人造劳动者，是一个具有人的外表、特征和功能的机器。第4页，课件共51页，创作于2023年2月科学幻想小说和电影中的角色第5页，课件共51页，创作于2023年2月真正的现代机器人是从二次大战后发展起来的。一般认为始于40年代中期。那时棕树岭和阿尔贡国家实验室设计和制造了主从机械手，用于搬动放射性材料。第6页，课件共51页，创作于2023年2月第一台样机问世

50年代初，随着传动和控制技术的发展。工业生产日益大规模和现代化，人们迫切感到在危险和单调重复的工作中，需要有一种能为人代劳的自动工具，因而对机器人产生了极大的兴趣。1954年，美国开始投入力量进行研究，两年后，联合控制公司捷足先登，第一台样机问世。1962年，该公司制成“尤尼迈特（Unimate）出售。第7页，课件共51页，创作于2023年2月这种机器人外形有点像坦克炮塔，基座上有一个大机械臂，大臂可绕轴在基座上转动，大臂上又伸出一个小机械臂，它相对大臂可以伸出或缩回。小臂顶有一个腕子，可绕小臂转动，进行俯仰和侧摇。腕子前头是手，操作器。这个机器人的功能和人手臂功能相似。第8页，课件共51页，创作于2023年2月机器人在日本取得的进展机器人在美国商品化和潜在的巨大价值，引起了欧洲各国和日本的重视，相继投入力量研制和生产，逐步形成高潮。其中，日本取得的进展特别引人注目。日本在1967年从美国引进机器人技术后，不久即实现了机器人国产化，而目前机器人的总拥有量及年产量均占世界首位。第9页，课件共51页，创作于2023年2月欧洲机器人产业主要是80年代初期发展起来的。前联邦德国把机器人技术列为80年代十大技术的第一项技术英国在1979年以前不重视机器人，而现在把机器人作为复兴英国工业的重要措施。第10页，课件共51页，创作于2023年2月总之，从世界上第一台机器人问世到现在，不仅迅速发展成为一门新兴的独特科学技术——机器人技术，而且在世界范围形成了一门新的产业——机器人工业，它在社会发展的进程中将起极大的作用。第11页，课件共51页，创作于2023年2月三、世界工业机器人的概况1、拥有量国家日本美国德国法国意大利英国1984646001300066003380270026231997420000770006900015600283009958200143340011480075000190009570014200第12页，课件共51页，创作于2023年2月2、销售额

1980年总销售额6.6亿美元1990年总销售额73亿美元1993年总销售额33亿美元1994年总销售额37亿美元1995年总销售额51亿美元1997年总销售额49亿美元

第13页，课件共51页，创作于2023年2月3、用途分布

日本（1982年）

美国（1982年）

美国（1990年）

焊接25%35%23%搬运20%20%12%装配20%2%12%装卸8%15%19%喷绘3%10%6%铸造3%15%11%其它22%3%17%第14页，课件共51页，创作于2023年2月美国工业机器人用于工业部门的分布金属材料工业18%金属制品工业15%机器制造业（不包括电气）11%电气制造业3%电子工业3%汽车43%宇航0.5%其它6.5%第15页，课件共51页，创作于2023年2月用途1第16页，课件共51页，创作于2023年2月用途2第17页，课件共51页，创作于2023年2月用途3第18页，课件共51页，创作于2023年2月用途４第19页，课件共51页，创作于2023年2月用

途

５第20页，课件共51页，创作于2023年2月用途6第21页，课件共51页，创作于2023年2月四、机器人的定义

我国对工业机器人的定义为:“是一种能自动定位控制，可重复编程的、多功能的、多自由度的操作机。能搬运材料、零件或操持工具，用以完成各种作业。”（GB/T12643-90）第22页，课件共51页，创作于2023年2月五、技术发展趋势1）、感觉功能2）、控制智能化3）、移动功能的智能化4）、系统应用与集成化5）、安全可靠性6）、微型化第23页，课件共51页，创作于2023年2月六：机器人的分类1、根据输入信息和示教形式分类

1）、手动机械手2）、固定顺序机器人3）、可变顺序机器人4）、记忆再生式机器人5）、数字控制机器人6）、智能机器人第24页，课件共51页，创作于2023年2月2、根据动作形态分类1）、直角坐标型机器人

第25页，课件共51页，创作于2023年2月2）、圆柱坐标型机器人

第26页，课件共51页，创作于2023年2月3）、球坐标（极坐标）型机器人

第27页，课件共51页，创作于2023年2月4）、多关节型机器人

第28页，课件共51页，创作于2023年2月5）、平面关节型机器人

(SCARA)

第29页，课件共51页，创作于2023年2月各种坐标工业机器人的特征比较

坐标型式

作业空间

惯性

定位精度

定向特性

结构特点

占地面积

大小形状直角坐标小立方体较大容易控制好简单大圆柱坐标较大空心圆柱体较大较易控制较好较简单较小球坐标型大扇形截面旋转体较小不易控制差较复杂较小多关节型大球体较小不易控制差复杂小第30页，课件共51页，创作于2023年2月3、按驱动方式分类

1）、气压驱动式

2）、液压式

3）、电机驱动式

第31页，课件共51页，创作于2023年2月4、按可搬重量的大小和动作范围分类

1）、超大型机器人——可搬动1吨以上重量的机器人；2）、大型工业机器人——可搬动100kg—1吨重量的机器人，动作范围为1m3；3)、中型机器人——可搬动10~100kg重量，动作范围为1~10m3；4）、小型机器人——可搬动0.1~10kg重量，动作范围为0.1~1m3；5)、超小型机器人——可搬动0.1kg以下重量。

第32页，课件共51页，创作于2023年2月5、根据机器人功能水平和技术先进程度按代分类

第一代：机器人以固定程序，示教再现及可编程序为主要特征；第二代：机器人带有视觉和触觉，采用自适应控制；第三代：机器人称为人工智能机器人。第33页，课件共51页，创作于2023年2月七、机器人的组成机器人的结构型式是多种多样的，但归纳起来看，一个机器系统基本上是由执行机构、控制系统和传感器系统、驱动系统四部分组成。

第34页，课件共51页，创作于2023年2月机器人各组成部分关系图

行程速度检测控制系统其它传感器驱动系统执行机构工作对象第35页，课件共51页，创作于2023年2月1、执行机构

根据控制信息和指令，完成要求的动作，执行机构一般采用机械，电磁，电液等机械运动部件。

1）、手部

2）、腕部

3）、臂部

4）、立柱

5）、行走机构

第36页，课件共51页，创作于2023年2月2、驱动系统在控制信息作用下，提供动力，驱动各执行机构完成各种动作功能。

第37页，课件共51页，创作于2023年2月3、控制系统

指挥机器人按要求动作的装置。

该系统是通过对驱动系统的控制，使执行机构按照规定的要求进行工作。

第38页，课件共51页，创作于2023年2月4、检测系统

其作用是通过各种检测器，传感器，检测执行机构的运动情况，根据需要反馈给控制系统与设定值进行比较后，对执行机构进行调整，以保证其动作符合设计要求。

第39页，课件共51页，创作于2023年2月八、机器人基本机能

从机器人基本机能的构成来看，可归纳为两个方面，即:

控制机能

机械机能。

第40页，课件共51页，创作于2023年2月1、控制机能

对于高级的智能机器人，其控制机能是指设计所赋予的某些似人的逻辑思维能力，对环境条件的反射能力，对工艺操作的自适应能力等。对于一般的工业机器人，是指设计时所赋予的自动或他动的程序变换能力，按指令自动实现规定的动作程序的能力等。

第41页，课件共51页，创作于2023年2月控制机能控制机能指令机能

学习机能

记忆机能

重现机能

环境反射（感觉反馈）机能自适应机能

逻辑判断机能

第42页，课件共51页，创作于2023年2月2、机械机能

它是指设计的赋给机器人似人或超过人生理条件的运动机能和物理机能。

第43页，课件共51页，创作于2023年2月机械机能

机械机能运动机能

物理机能

抓取机能

定向机能

工艺操作机能

行走机能

定位机能

负重能力

速度

持续作功能力工作准确性工作稳定性

抗热、抗振、抗腐蚀能力防水、防尘、防火能力

第44页，课件共51页，创作于2023年2月九、机器人的技术参数

1、提取重量

2、自由度和坐标型式

3、运动行程

4、运动速度

5、位置精度

6、程序编制及存贮容量

第45页，课件共51页，创作于2023年2月1、提取重量提取重量是用来表明机器人负荷能力的技术参数，这项参数与机器人的运行速度有关，一般指其正常运行时所能提取的工件重量。当机器人运行可调时，低速运行所能提取工件的最大重量比高速运行的大。为安全起见，亦有将高速时所能提取的工件重量作为指标，此时则需说明运行速度。第46页，课件共51页，创作于2023年2月2、自由度数和坐标型式机器人自由度数，是指手臂运动部件由固定端算起的单位动作数之和，一般指臂部和腕部自由度之和，移动自由度，是指臂部沿直角坐标轴X、Y、Z三个方向进行的前后、上下、左右的直线运动。回转自由度，是指臂部或腕部围绕X、Y、Z轴的旋转运动。第47页，课件共51页，创作于2023年2月3、运动行程运动行程（指直线距离或回转角度），即臂部、腕部、整个机器人各自由度的变动量。

根据运动行程，结合其运动型式，可计算出机器人的工作范围。第48页，课件共51页，创作于2023年2月4、运动速度运动速度是反映机器人性能的一项重要技术参数，它与机器人的提取重量、位置等参数都有密切的关系，同时也直接影响机器人的运动周期。一般说的运动速度，是指其最大运行速度。第49页，课件共51页，创作于2023年2月5、位置精度位置精度是衡