第一章 机器人技术及其应用概述课件

机

器

人

技

术

基础第一章机器人技术及其应用概述参考教材：1、芮延年主编，机器人技术及其应用，化学工业出版社。2、郭洪红主编，工业机器人技术，西安电子科技大学出版社。3、刘极峰主编，机器人技术基础，高等教育出版社。4、郭洪红主编，工业机器人运用技术，科学出版社。第一章机器人技术及其应用概述第1章机器人概述第一章机器人技术及其应用概述理由之三：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

汽车装配机器人第一章机器人技术及其应用概述1.1.1

机器人的由来1.1

机器人学的发展

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。第一章机器人技术及其应用概述1950年，美国作家埃萨克·阿西莫夫在他的科幻小说《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，除非这种服从有害于人类；3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

。

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”。第一章机器人技术及其应用概述上世纪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。第一章机器人技术及其应用概述（2）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：1.1.2

机器人的定义（1）美国简明牛津字典的定义：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”。第一章机器人技术及其应用概述（4）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”。（3）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”。第一章机器人技术及其应用概述（5）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”。

参考各国的定义，即可认为：机器人1)是像人或人的上肢,并能模仿人的动作;2)具有智力或感觉与识别能力;3)是人造的机器或机械电子装置。第一章机器人技术及其应用概述1.1.3机器人的发展及应用1、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。

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。第一章机器人技术及其应用概述写字机器人

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。

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。

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。第一章机器人技术及其应用概述

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。

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。

第一章机器人技术及其应用概述2、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。

第一章机器人技术及其应用概述

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）。

VERSATRANUNIMATE第一章机器人技术及其应用概述1965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

第一章机器人技术及其应用概述

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、微小型机器人等德国排爆机器人相扑机器人无人驾驶振动式压路机第一章机器人技术及其应用概述机器鱼“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第一章机器人技术及其应用概述

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：第一章机器人技术及其应用概述

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。第一章机器人技术及其应用概述1.2机器人的特点、结构与分类1.2.1机器人的主要特点---通用性和适应性通用性（versatility）---可执行不同功能和完成不同任务的能力取决于其几何特征和机械能力一般自由度越多，通用性越强适应性（adaptivity）---主要指其对工作环境变化的适应能力需具有（1）传感与测量环境变化的能力（2）分析任务和执行操作规划的能力（3）自动执行指令能力第一章机器人技术及其应用概述1.2.2机器人系统的结构三大部分：机械部分、传感部分和控制部分。六个子系统：驱动系统、机械系统、感知系统、机器人—环境交互系统、人机交互系统和控制系统。第一章机器人技术及其应用概述1.2.2机器人系统的结构1.机械结构系统机械结构系统是机器人的主体部分，由基座、手臂、末端执行器三大件组成。如果基座具备行走机构便构成行走机器人。如果基座不具备行走及腰转机构，构成单机器人臂。手臂一般由上臂、下臂和手腕组成。

末端执行器连接在机械手的最后一个关节上。

第一章机器人技术及其应用概述1.2.2机器人系统的结构2.驱动系统驱动系统是使各种机械部件产生运动的装置。根据驱动源的不同，驱动系统可分为液压、气动和电动三种以及把它们结合起来应用的综合系统。

第一章机器人技术及其应用概述1.2.2机器人系统的结构3.控制系统控制系统的任务是根据机器人的作业指令程序以及从传感器反馈回来的信号支配机器人的执行机构去完成规定的运动和功能。机器人不具备信息反馈特征，为开环控制系统。若具备信息反馈特征，则为闭环控制系统。根据控制原理，控制系统又可分为程序控制系统、适应性控制系统和人工智能控制系统。根据控制运动的形式，控制系统还可分为点位控制和轨迹控制。第一章机器人技术及其应用概述1.2.2机器人系统的结构4.感知系统感知系统由内部传感器模块和外传感器模块组成，获取内部和外部环境状态中的有意义的信息，通过这些信息确定机械部件各部分的运行轨迹、速度、位置和外部环境状态，使机械部件的各部分按预定程序或者工作需要进行动作。

第一章机器人技术及其应用概述1.2.2机器人系统的结构5.机器人—环境交互系统机器人—环境交互系统是实现机器人与外部环境中的设备互相联系和协调的系统。

第一章机器人技术及其应用概述1.2.2机器人系统的结构6.人机交互系统人机交互系统是实现操作人员参与机器人控制并与机器人进行联系的装置。通常指输入和输出设备。

第一章机器人技术及其应用概述1.2.3机器人的分类1、按几何结构来分直角坐标机器人这一类机器人其手部空间位置的改变通过沿三个互相垂直的轴线的移动来实现，即沿着X轴的纵向移动，沿着Y轴的横向移动及沿着Z轴的升降。特点:该形式机器人的位置精度高，控制无耦合、简单，避障性好，但结构较庞大，动作范围小，灵活性差，难与其他机器人协调；移动轴的结构较复杂，且占地面积较大。

第一章机器人技术及其应用概述第一章机器人技术及其应用概述1.2.3机器人的分类圆柱坐标机器人这种机器人通过两个移动和—个转动实现手部空间位置的改变。特点：圆柱坐标型机器人的位置精度仅次于直角坐标型，控制简单，避障性好，但结构也较庞大，难与其他机器人协调工作，两个移动轴的设计较复杂。第一章机器人技术及其应用概述第一章机器人技术及其应用概述1.2.3机器人的分类球坐标机器人球坐标机器人采用球坐标系，用一个滑动关节和两个旋转关节来确定部件的位置，再用一个附加的旋转关节确定部件的姿态。特点：可以绕中心轴旋转，中心架附近的工作范围大，两个转动驱动装置容易密封，覆盖空间较大。但该坐标复杂，难于控制，且直线驱动装置仍存在密封和工作死区问题。球坐标机器人的工作范围呈球缺状。

第一章机器人技术及其应用概述第一章机器人技术及其应用概述1.2.3机器人的分类关节坐标机器人关节机器人的关节全部都是旋转的，类似于人的手臂，主要由立柱、前臂和后臂组成。

其结构最紧凑，灵活性大，占地面积最小，工作空间最大，能与其他机器人协调工作，避障性好，但位置精度较低，有平衡问题，控制存在耦合，故比较复杂，这种机器人目前应用得最多。第一章机器人技术及其应用概述第一章机器人技术及其应用概述1.2.3机器人的分类平面关节式机器人这种机器人可看作是关节坐标式机器人的特例，只有平行的肩关节和肘关节，关节轴线共面。第一章机器人技术及其应用概述1.2.3机器人的分类

2、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

38第一章机器人技术及其应用概述1.2.3机器人的分类3、按用途划分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（1）工业机器人第一章机器人技术及其应用概述（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40第一章机器人技术及其应用概述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41第一章机器人技术及其应用概述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42第一章机器人技术及其应用概述“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）43第一章机器人技术及其应用概述美国“别动队”无人机法国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44第一章机器人技术及其应用概述特种机器人（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45第一章机器人技术及其应用概述特种机器人（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46第一章机器人技术及其应用概述4、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47第一章机器人技术及其应用概述按机器人的性能指标分类机器人按照结构形态、负载能力和动作空间可类如下。⑴超大型机器人超大型机器人的负载能力为1000kg以上。⑵大型机器人大型机器人的负载能力为100—1000kg，作业空间为10m2以上。⑶中型机器人中型机器人的负载能力为10—100kg，作业空间为l一10m2。⑷小型机器人小型机器人的负载能力为0.1—10kg，作业空间为0.1一lm2。⑸超小型机器人超小型机器人的负载能力为0.1kg以下，作业空间为0.1