机器人学-机器人的概述

机器人的概述绪论

Monday,January8,2024机器人的概述绪论

机器人的定义及发展工业机器人的分类机器人的技术参数✔机器人的定义1920年捷克斯洛伐克作家卡雷尔·恰佩克在他的科幻小说《罗萨姆的机器人万能公司》中，根据Robota(捷克文，原意为“劳役、苦工”)和Robotnik(波兰文，原意为“工人”)，创造出“机器人”这个词。

1942年，美国科学幻想小说家阿西摩夫Asimov在小说《我是机器人》中，提出了“机器人三守则”:机器人必须不危害人类，也不允许它眼看人将受害而袖手旁观；机器人必须绝对服从于人类，除非这种服从有害于人类；机器人必须保护自身不受伤害，除非为了保护人类或者是人类命令它作出牺牲。你认为什么是机器人？机器人的定义

定义一

机器人是“貌似人的自动机，具有智力的和顺从于人的但不具人格的机器”。——英国简明牛津字典

定义二

机器人是“一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置的，通过可编程序动作来执行种种任务的，并具有编程能力的多功能机械手”。

——美国机器人协会（RIA）机器人的定义定义三

工业机器人是“一种装备有记忆装置和末端执行器的，能够转动并通过自动完成各种移动来代替人类劳动的通用机器”。

——日本工业机器人协会（JIRA）定义四

机器人是“一种能够进行编程并在自动控制下执行某些操作和移动作业任务的机械装置”。

——美国国家标准局（NBS）机器人的定义定义五

机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能机械手，这种机械手具有几个轴，能够借助于可编程序操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行种种任务。

——国际标准组织（ISO）定义六机器人是一种自动化的机器，所不同的是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。——中国机器人的定义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国际标准化组织（ISO）定义涵盖如下内容:机器人（Robot）一词是1920年由捷克作家KarelCapek在他的讽刺剧《罗莎姆的万能机器人》中首先提出的。剧中描述了一个与人类相似，但能不知疲倦工作的机器奴仆Robot。从那时起，Robot一词就被沿用下来，中文译成机器人。1942年美国科幻作家IsaacAsimov在他的科幻小说《我是机器人》中提出了“机器人三定律”。虽然这只是科幻小说里的创造，但后来成为学术界默认的研发原则。机器人的发展历史（RobotHistory）现代机器人工业史上的几个标志性事件1954年：美国人戴沃尔（G.C.Devol）制造出世界上第一台可编程的机械手，并注册了专利。1962年：美国AMF公司生产出万能搬运（Verstran），与Unimation公司生产的万能伙伴（Unimate）一样成为真正商业化的工业机器人。1959年：戴沃尔与美国发明家英格伯格（Engerberge）联手制造出第一台工业机器人。成立了世界上第一家机器人制造工厂—Unimation公司。由此英格伯格被称为“工业机器人之父”。1967年：日本川崎重工公司引进---Unimate日本丰田公司引进-------Versatran日本从此开始了对机器人的研究和制造热潮。在20世纪60年代后期，喷漆弧焊机器人问世并逐步开始应用于工业生产。1973年：世界上第一次机器人和小型计算机携手合作，就诞生了美国CincinnatiMilacron公司的机器人T3。机器人T31979年美国Unimation公司推出通用工业机器人PUMA，这标志着工业机器人技术已经完全成熟。PUMA至今仍然工作在工厂第一线，许多机器人技术的研究都以该机器人为模型和对象。1979年：日本山梨大学牧野洋发明了平面关节型SCARA

SelectiveComplianceAssemblyRobotArm，中文译名:选择顺应性装配机器手臂，在此后的装配作业中得到了广泛应用。1980年：日本定为机器人普及元年，赢得了“机器人王国”的美称。1996年：本田公司推出仿人型机器人P2，使双足行走机器人的研究达到了一个新的水平。随后许多国际著名企业争相研制代表自己公司形象的仿人型机器人，以展示公司的科研实力。1999年：日本索尼公司推出机器人狗爱宝(AIBO)，当即销售一空，从此娱乐机器人成为目前机器人迈进普通家庭的途径之一。2002年：美国iRobot公司推出了吸尘器机器人Roomba，是目前世界上销量最大、最商业化的家用机器人。2006年：微软公司推出MicrosoftRoboticsStudio，机器人模块化、平台统一化的趋势越来越明显，比尔·盖茨预言，家用机器人很快将席卷全球。

我国工业机器人的发展状况

我国工业机器人起步于20世纪70年代初期,经过30多年的发展,大致经历了3个阶段:70年代的萌芽期,80年代的开发期和90年代的适用化期。

20世纪70年代是世界科技发展的一个里程碑:人类登上了月球,实现了金星、火星的软着陆。我国也发射了人造卫星。世界范围内工业机器人的应用掀起了一个高潮,尤其在日本发展更为迅猛,它补充了日益短缺的劳动力。在这种背景下,我国于1972年开始研制自己的工业机器人。

我国工业机器人的发展状况

我国工业机器人起步于20世纪70年代初期,经过30多年的发展,大致经历了3个阶段:70年代的萌芽期,80年代的开发期和90年代的适用化期。

20世纪70年代是世界科技发展的一个里程碑:人类登上了月球,实现了金星、火星的软着陆。我国也发射了人造卫星。世界范围内工业机器人的应用掀起了一个高潮,尤其在日本发展更为迅猛,它补充了日益短缺的劳动力。在这种背景下,我国于1972年开始研制自己的工业机器人。1987年6月,中国第一届国际机器人展览会在北京举办。北京机床所、上海机器人研究所、中科院沈阳自动化所、北京自动化所等数十家展品。

20世纪90年代初期起,我国的国民经济进入实现两个根本转变时期,掀起了新一轮的经济体制改革和技术进步热潮。我国的工业机器人又在实践中迈进了一大步,先后研制出了点焊、弧焊、装配、喷漆、切割、搬运、包装、码垛等各种用途的工业机器人,并实施了一批机器人应用工程,形成了一批机器人产业化基地,为我国机器人产业的腾飞奠定了基础。国内外主要的工业机器人生产厂商

日本的FANUC（发那科）、Yaskawa（安川）、KAWASAKI（川崎）、EPSON（爱普生）等瑞典的ABBRobotics德国的KUKARoboter美国的AdeptTechnology、AmericanRobot、S-TRobotics等意大利COMAU（柯马）英国的AutoTechRobotics以色列的RobogroupTek公司丹麦UNIVERSALROBOTS（优傲机器人）……新松机器人埃斯顿新时达博实埃夫特李群……机器人的概述绪论

机器人的定义及发展机器人的分类机器人的技术参数✔第一代:仅具有简单的传感器，顺序控制第二代:装有各种类型的传感器，80年代第三代:智能型机器人(如自律行走机器人)，90年代第四代：情感型机器人，21世纪社会需求是机器人发展的动力；科技进步是机器人发展的支柱。机器人的分类产业用Robot服务机器人ServerRobot农业用Robot无人收割机、水果收获机林业用Robot自动剪枝机、除草机工业用Robot焊接、喷漆、装配、检测等看护Robot急救用Robot清扫Robot家庭用Robot娱乐Robot人类共存型Robot(EvolvingTogether:Man&Robots）特殊环境Robot原子炉的检修、深海打捞、防暴、宇宙探测按用途分类而我们要学习的是工业机器人（IndustrialRobot：IR）即在工业自动化生产线，无人制造车间等应用的机器人。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。

机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。没有机器人，人将变为机器；有了机器人，人仍然是主人。工业机器人的分类

机器人手臂是由杆件和运动副构成的。工业机器人手臂的关节常为单自由度主动运动副，即每一个关节均由一个驱动器驱动。

运动副由平移副P（Prismaticpair）、回转副和旋转副R（Revolute）两种。回转副杆件绕中心作360°以上的旋转运动,旋转副做360°以下。按坐标形式来分：按照P和R的不同组合，可以有直角坐标型、圆柱坐标型、极坐标型、关节型和SCARA型五种机器人。1.直角坐标式（Cartesiancoordinates）三个移动关节，3P。作业领域：立方体。特点：结构简单，定位精度高，运动直观，但占地面积大，惯性大，

灵活性差。因稳定性好，适用于大负荷搬送。直角坐标机器人的工作空间示意图

美国BROWN-SHARPE三坐标测量机2.圆柱坐标式（Cylindricalcoordinates）一个转动关节1R和两个移动2P关节。作业领域：圆柱体特点：结构简单，运动直观，占地面积小，价廉，应用广泛。（Versatran)圆柱坐标机器人的工作范围

3.极坐标式（Polarcoordinates）一个转动，一个俯仰，2R，一个移动关节1P，作业领域：球体。特点：动作灵活，占地面积小，但结构复杂，定位精度低，运动直观性差。(Unimate）又称为球坐标机器人球坐标机器人的工作范围

4.关节坐标式（Articulatedcoordinates）由立柱，大臂，小臂组成。大臂与立柱为肩关节，大臂与小臂肘关节。1个转动，2个俯仰，3R。作业领域：球体。特点：工作范围大，动作灵活，能抓取靠近机身的物体，应用广泛。垂直多关节图

1.18PUMA机器人工作范围

(a)顶视图;(b)侧视图5.SCARA型（SelectiveComplianceAssemblyRobotArm）具有平行的肩关节和肘关节，且关节轴线共面。一般有4个自由度。特点：在垂直平面内具有很好的刚度，在水平面内具有较好的柔顺性。

动作灵活，速度快，定位精度高，常用于装配。Adept1型SCARA型机器人运动速度可达10m/s，比一般关节型机器人快数倍。水平多关节

平面关节机器人的工作空间

6.并联机器人机器人由基板、电机罩、旋转轴、主机械臂、副机械臂、抓具中心等组成。串联机器人就像人的一个手拿东西，而并联机器人就相当于两个手一起端东西。串联机器人研究得较为成熟，具有结构简单，成本低，控制简单等优点，已成功应用于很多领域，如各种机床，装配车间等。并联机器人的研究与串联机器人相比起步较晚，还有很多理论问题没有解决。但由于并联机器人具有刚度大，承载能力强，精度高，末端件惯性小等优点，在高速，大承载能力的场合，与串联机器人相比具有明显优势。已有很多成功应用的案例。比如运动模拟器，delta机器人等。MobileRobot总结：机器人的结构形式由用途决定，即由所完成工作的性质选取。机器人的概述绪论

机器人的定义及发展工业机器人的分类机器人的技术参数✔工业机器人的技术参数(specifications)

1.自由度(DegreeofFreedom：DOF)

具有的独立坐标轴运动的数目。一般以沿轴线的移动和绕轴转动的独立运动数来表示（末端执行器的动作不包括在内）。位置和姿态：6个自由度，X,Y,Z和绕3轴的转动，完成定位和定向

自由度是表示机器人动作灵活程度的参数，自由度越多越灵活。工业机器人的自由度一般在3～6个之间。冗余与非冗余机器人对于完成三维空间任务的机器人，其自由度≤6，该机器人为非冗余机器人；

其自由度＞6，该机器人为冗余机器人。

冗余机器人是一个相对的概念：只要机器人的自由度数＞机器人所需完成任务操作空间的维数。

一个机器人有4个自由度，让其在一个平面内完成任务，请问该机器人是否冗余？图所示的机器人，臂部在xO1y面内有三个独立运——升降(L1)、伸缩(L2)、和转动(Φ1)，腕部在xO1y面内有一个独立的运动——转动(Φ2)。机器人手部位置需要一个独立变量——手部绕自身轴线O3C的旋转Φ3。2.精度：定位精度和重复定位精度重复定位精度：重复定位于同一目标的能力，机器人连续重复运动若干次，位置的分散情况，是一个统计值平均值。定位精度：实际位置与目标位置的差异工业机器人的精度一般用重复定位精度来表示

手臂末端or手腕中心所能到达的所有点的集合。不包括手爪或工具本身所能到达的区域。3.工作范围