1 机器人技术概述

机器人机构分析与综合

（机器人学）时间：1～14周，周五晚

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机器人的定义第一章机器人概述

机器人一词的出现：1920年、捷克作家、

KarelCapek、《Rossum’sUniversalRobots》，“Robota”（奴隶）写成了“Robot”。小说在1924年和1927年的时候被纷纷传到了日本、法国和欧洲国家，机器人这个名词就向全世界铺展开来。

故事情节：带感情的机器人消灭了人类，一对男女机器人相爱，世界又起死回生。上世纪60年代，可实用机械的机器人被称为工业机器人上世纪80年代到现在，正越来越向智能化方向发展

因此，至今为止也没有一个统一的机器人的定义。机器人学是一门不断发展的科学，对机器人的定义也随其发展而变化。（2）日本工业机器人协会(JIRA)的定义：工业机器人是“一种装备有记忆装置和末端执行器(endeffector)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”。（1）美国机器人协会(RIA)的定义：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(manipulator)”。国际上，关于机器人的定义主要有以下几种：（3）美国国家标准局(NBS)的定义：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”。（4）国际标准化组织(ISO)的定义：“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”。（5）我国对机器人的定义。蒋新松院士曾建议把机器人定义为“一种拟人功能的机械电子装置”(amechantronicdevicetoimitatesomehumanfunctions)。普遍接受的机器人定义：是一种计算机控制的可以编程的自动机械电子装置，能感知环境，识别对象，理解指示命令，有记忆和学习功能，具有情感和逻辑判断思维，能自身进化，能计划其操作程序来完成任务。6公斤弧焊机器人工业机器人（一）弧焊机器人在工作中1.2机器人的发展及应用一、古代机器人

春秋后期，鲁班曾制造过一只木鸟，能在空中飞行“三日不下”。机器马车

西周时期，出现了能歌善舞的伶人，这是我国最早记载的机器人。

公元前2世纪，亚历山大时代的古希腊人发明了最原始的机器人──自动机。可以自己开门，还可以借助蒸汽唱歌。

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。每行一里，车上木人击鼓一下，每行十里击钟一下。

后汉三国时期，蜀国丞相诸葛亮成功地创造出了“木牛流马”。用其运送军粮，支援前方战争。写字机器人

1738年，法国天才技师杰克·戴·瓦克逊发明了一只机器鸭。它会嘎嘎叫，会游泳和喝水，还会进食和排泄。

19世纪中叶出现了科学幻想派和机械制作派。1886年《未来的夏娃》问世。在机械实物制造方面，1893年摩尔制造了“蒸汽人”，“蒸汽人”靠蒸汽驱动双腿沿圆周走动。

1773年，自动书写玩偶、自动演奏玩偶等被连续推出。现在保留下来的瑞士努萨蒂尔历史博物馆里的少女玩偶，还定期弹奏音乐供参观者欣赏。

1927年美国西屋公司工程师温兹利制造了第一个机器人“电报箱”。可以回答一些问题。二、现代机器人

1952年，第一台数控机床的诞生，为机器人的开发奠定了基础。

1954年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。主从机器人

1948年，美国原子能委员会的阿尔贡研究所开发了机械式的主从机械手。

1962年美国AMF公司推出的“VERSATRAN”和UNIMATION公司推出的“UNIMATE”是机器人产品最早的实用机型（示教再现）。

VERSATRANUNIMATE1965年，MIT的Roborts演示了第一个具有视觉传感器的、能识别与定位简单积木的机器人系统1970年在美国召开了第一届国际工业机器人学术会议1973年，辛辛那提·米拉克隆公司的理查德·豪恩制造了第一台由小型计算机控制的工业机器人1980年后，日本赢得了“机器人王国”的美称

70年代的萌芽期，80年代的开发期和90年代的适用化期。

1972年开始研制自己的工业机器人“七五”期间，完成了示教再现式工业机器人成套技术的开发，研制出了喷涂、点焊、弧焊和搬运机器人1986年国家高技术研究发展计划（863计划）开始实施上世纪90年代初期起，形成了一批机器人产业化基地我国工业机器人的发展：

日本和美国在20世纪60年代就已经开始进行机器人的研究，与他们相比较，我国还存在较大的差距，因此需要更多的人加入到发展机器人的事业中来。1.1.3机器人的分类机器人的种类很多。可以按驱动形式、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

电驱动

交流伺服驱动

直流伺服驱动

2、按用途划分（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（2）特种机器人空间机器人

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3、按智能水平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1.1.4机器人技术展望进入90年代后,机器人数量增长速度下降,但由于人工智能、计算机科学、传感器技术的长足进步，使机器人技术研究在高水平上进行。未来机器人技术将有待于在以下几个方面发展。一、操作臂技术1．

高速操作臂：机构，伺服驱动，动态控制方法；2．

柔性操作臂：提高荷重比（＜30∶10），轻质材料；3．

冗余自由度臂；4．

高精度、多自由度力控制：精密组装；5．

微型操作臂。二、移动技术1、新型移动机构：适合非结构环境的移动机构；2、运动控制：建模、制导、导航、路径规划。三、感知技术1、视觉：图像识别与处理；2、手眼协调；3、接触觉小型化；4、多信息融合。四、自主控制技术1、分布式计算机控制技术；2、人工智能技术。20公斤点焊机器人点焊机器人在工作中6公斤弧焊机器人工业机器人（一）弧焊机器人在工作中涂胶机器人龙门式喷漆机器人SCARA型装配机器人工业机器人（二）搬运机器人码垛机器人喷漆机器人“双鹰”水下机器人水下扫雷机器人“探索者号”水下机器人Spirit火星漫游车Marshod火星漫游车CanadaArm太空机械臂特种机器人（一）美国“别动队”无人机法国“红隼”无人机微型无人机特种机器人（二）豹式排雷机器人“徘徊者”侦察机器人“手推车”机器人机器人助手特种机器人（三）足球机器人AIBO机器狗指挥机器人迎宾机器人导盲机器人跳舞机器人医疗机器人特种机器人（四）管内机器人隧道凿岩机器人大型喷浆机器人室外保安机器人德国排爆机器人消防机器人防暴机器人

各种用途的机器人：水下机器人、空间机器人、空中机器人、地面机器人、微小型机器人等新的机器人名称：“软件机器人”、“网络机器人”、机器人化机器德国排爆机器人相扑机器人无人驾驶振动式压路机机器鱼“自由泳”“过龙门”在水中“戏球”自主地避开障碍物机器鱼我国研制的排爆机器人1.2

机器人的优缺点一、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；可以在危险环境下工作，无需考虑生命保障或安全的需要；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；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；设备费用开销较大。理由之三：机器人做人做不了的事情。比如人们对太空的认识，对原子分子进行搬迁的机器人,为什么要发展机器人?理由之二：机器人做人不愿意做或做不好的事。比如有毒的、高温的或危险的环境，汽车生产线上的焊接工作机器人汽车焊接生产线理由之一：提高生产效率降低人的劳动强度。比如焊机器人提高生产效率，提高汽车焊接的质量，降低工人的劳动强度

汽车装配机器人我们学习机器人课程的理由是什么为了利用机器人的技术或方法。机器人技术是集机械学、力学、电子学、生物学、控制论、人工智能、系统工程等多种学科于一体的综合性很强的新技术机器人的外型不一定像人1.3

机器人的组成、构型及性能要素1.3.1

机器人的组成机器人是一个机电一体化的设备。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。机器人执行机构驱动装置控制系统感知系统基座（固定或移动）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一、执行机构包括：手部、腕部、臂部、腰部和基座等。相当于人的肢体。二、驱动装置包括：驱动源、传动机构等。相当于人的肌肉、筋络。三、感知反馈系统包括：内部信息传感器，检测位置、速度等信息；外部信息传感器，检测机器人所处的环境信息。相当于人的感官和神经。四、控制系统包括：处理器及关节伺服控制器等，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。内部传感器（位形检测）控制系统驱动装置执行机构工作对象外部传感器（环境检测）

1处理器关节控制器1.3.2

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来描述的。一、工业机器人

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。2、圆柱坐标型(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。圆柱坐标型机器人模型Verstran机器人Verstran机器人3、极坐标型（也称球面坐标型）(2RP)

其运动耦合性较强，控制也较复杂。但运动灵活性好。占自身据空间也较小。极坐标型机器人模型Unimate机器人4、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，自身占据空间最小。关节型搬运机器人关节型焊接机器人关节型机器人模型5、平面关节型(SCARA)

仅平面运动有耦合性，控制较通用关节型简单。但运动灵活性更好，铅垂平面刚性好。SCARA型装配机器人仿生型自由度一般较多，具有更强的适应性和灵活性，但控制更复杂，成本更高，刚性较差。类人型机器人仿狗机器人蛇形机器人二、特种机器人

六轮漫游机器人仿鱼机器人仿鸟机器人六足漫游机器人1.3.3

机器人的性能要素

自由度数衡量机器人适应性和灵活性的重要指标，一般自由度数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。

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。

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。

控制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。

运动速度单关节速度；合成速度。

其它动态特性如稳定性、柔顺性等。1．机器人的体系结构(1)：

从体系结构来看，机器人分为三大部分六个系统，分别是：三大部分：机械部分（用于实现各种动作）、传感部分（用于感知内部和外部的信息）、控制部分（控制机器人完成各种动作）。

1.4、机器人的结构1．机器人的体系结构(2)：六个系统：

A．

驱动系统：提供机器人各部位、各关节动作的原动力。

B