機器人機構(gòu)學(xué)第一章1課件

機器人技術(shù)陶建國哈爾濱工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院2005.2.12004/2005學(xué)年春季學(xué)期教學(xué)日歷院系名稱：機電工程學(xué)院課程名稱：機器人技術(shù)總學(xué)時：36學(xué)分：2課程類別：XW授課起止周數(shù)：1~9適用學(xué)科、專業(yè)：機械設(shè)計及理論；機械制造及其自動化、機械電子工程等時間、地點方式時數(shù)教學(xué)(授

課

或

討

論)內(nèi)

容教材頁數(shù)及參考文獻范圍周序星期節(jié)次地點課堂講授課堂討論1二7~8D13√

2機器人的定義、分類及發(fā)展概況蔡自興<<機器人學(xué)>>蔣新松<<機器人學(xué)導(dǎo)論>>1四5~6D13√

2機器人的組成、構(gòu)型及性能要素蔡自興<<機器人學(xué)>>蔣新松<<機器人學(xué)導(dǎo)論>>2二7~8D13√

2機器人的驅(qū)動器與傳動系統(tǒng)，機器人的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)馬香峰<<工業(yè)機器人的操作機設(shè)計>>費仁元<<機器人機械設(shè)計和分析>>2四5~6D13√

2機器人的手部結(jié)構(gòu)，機器人的平衡機構(gòu)馬香峰<<工業(yè)機器人的操作機設(shè)計>>

費仁元<<機器人機械設(shè)計和分析>>3二7~8D13√

2并聯(lián)機器人的結(jié)構(gòu)，機器人的移動機構(gòu)柳洪義<<機器人技術(shù)基礎(chǔ)>>費仁元<<機器人機械設(shè)計和分析>>3四5~6D13√

2機器人的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)：位置與姿態(tài)描述，齊次坐標(biāo)變換付京孫<<機器人學(xué)>>蔡自興<<機器人學(xué)>>4二7~8D13√

2齊次變換矩陣及其幾何意義，習(xí)題舉例付京孫<<機器人學(xué)>>蔡自興<<機器人學(xué)>>22004/2005學(xué)年春季學(xué)期教學(xué)日歷4四5~6D13√

2機器人的結(jié)構(gòu)參數(shù)和坐標(biāo)系的建立，Denavit-Hartenberg矩陣付京孫<<機器人學(xué)>>蔡自興<<機器人學(xué)>>5二7~8D13√

2機器人運動學(xué)正解，機器人運動學(xué)逆解付京孫<<機器人學(xué)>>蔡自興<<機器人學(xué)>>5四5~6D13√

2機器人的微分運動及變換，機器人雅可比矩陣付京孫<<機器人學(xué)>>蔡自興<<機器人學(xué)>>6二7~8D13√

2機器人運動學(xué)習(xí)題舉例，并聯(lián)機器人運動學(xué)簡介付京孫<<機器人學(xué)>>，黃真<<并聯(lián)機器人機構(gòu)學(xué)理論及控制>>

6四5~6D13√

2機器人的工作空間，機器人靜態(tài)力學(xué)計算付京孫<<機器人學(xué)>>蔡自興<<機器人學(xué)>>7二7~8D13√

2機器人動力學(xué)研究內(nèi)容及建模方法，拉格朗日方程付京孫<<機器人學(xué)>>蔡自興<<機器人學(xué)>>7四5~6D13√

2拉格朗日方程的一般形式，牛頓—歐拉方程付京孫<<機器人學(xué)>>蔡自興<<機器人學(xué)>>8二7~8D13√

2剛性機器人動力學(xué)方程舉例，彈性機器人動力學(xué)簡介付京孫<<機器人學(xué)>>蔡自興<<機器人學(xué)>>8四5~6D13√

2機器人規(guī)劃的作用與任務(wù)，機器人的軌跡規(guī)劃付京孫<<機器人學(xué)>>蔡自興<<機器人學(xué)>>9二7~8D13√

2機器人控制與感覺技術(shù)簡介付京孫<<機器人學(xué)>>蔡自興<<機器人學(xué)>>9四5~6D13√

2機器人控制與感覺技術(shù)簡介，課程總結(jié)付京孫<<機器人學(xué)>>蔡自興<<機器人學(xué)>>3

第一章緒論1.1機器人的定義、分類及發(fā)展概況1.1.1機器人的定義

機器人問世已有幾十年，但沒有一個統(tǒng)一的意見。原因之一是機器人還在發(fā)展，另一原因主要是因為機器人涉及到了人的概念，成為一個難以回答的哲學(xué)問題。也許正是由于機器人定義的模糊，才給了人們充分的想象和創(chuàng)造空間。

美國機器人協(xié)會（RIA)：一種用于移動各種材料、零件、工具或?qū)Ｓ醚b置的，通過程序動作來執(zhí)行各種任務(wù)，并具有編程能力的多功能操作機（Manipulator）。美國家標(biāo)準(zhǔn)局：一種能夠進行編程并在自動控制下完成某些操作和移動作業(yè)任務(wù)或動作的機械裝置。

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1987年國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)對工業(yè)機器人的定義：“工業(yè)機器人是一種具有自動控制的操作和移動功能，能完成各種作業(yè)的可編程操作機。日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)局：一種機械裝置，在自動控制下，能夠完成某些操作或者動作功能。

英國：貌似人的自動機，具有智力的和順從于人的但不具有人格的機器。

中國：我國科學(xué)家對機器人的定義是：“機器人是一種自動化的機器，這種機器具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規(guī)劃能力、動作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動化機器”。5

盡管各國定義不同，但基本上指明了作為“機器人”所具有的二個共同點：是一種自動機械裝置，可以在無人參與下，自動完成多種操作或動作功能，即具有通用性。

可以再編程，程序流程可變，即具有柔性(適應(yīng)性）。

機器人集中了機械工程、材料科學(xué)、電子技術(shù)、計算機技術(shù)、自動控制理論及人工智能等多學(xué)科的最新研究成果，代表了機電一體化的最高成就，是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一。61967年，Unimation公司第一臺噴涂用機器人出口到日本川崎重工業(yè)公司。1968年，第一臺智能機器人Shakey在斯坦福研究所誕生。1972年，IBM公司開發(fā)出直角坐標(biāo)機器人。1973年，CincinnatiMilacron公司推出T3型機器人。1978年，第一臺PUMA機器人在Unimation公司誕生。1982年，Westinghouse公司兼并Unimation公司，隨后又賣給了瑞士的Staubli公司。1990年，CincinnatiMilacron公司被瑞士ABB公司兼并。9日本、西歐各國、前蘇聯(lián)也相斷引進或自行研制工業(yè)機器人。60～70年代是機器技術(shù)獲得巨大發(fā)展的階段。80年代，機器人在發(fā)達國家的工業(yè)中大量普及應(yīng)用，如焊接、噴漆、搬運、裝配。并向各個領(lǐng)域拓展，如航天、水下、排險、核工業(yè)等，機器人的感知技術(shù)得到相應(yīng)的發(fā)展，產(chǎn)生第二代機器人。90年代，機器人技術(shù)在發(fā)達國家應(yīng)用更為廣泛，如軍用、醫(yī)療、服務(wù)、娛樂等領(lǐng)域，并開始向智能型（第三代）機器人發(fā)展。隨著機器人技術(shù)的發(fā)展形成了新學(xué)科—機器人學(xué)。建立了相應(yīng)學(xué)術(shù)組織，定期舉辦學(xué)術(shù)活動。國際會議：ISIP、IEEE——IROS、ICR&A等。國際雜志：《RobticsResearch》、《Robotica》、《RoboticsandAutomation》等。10我國機器人技術(shù)起步較晚，70年代末，一些院校和企業(yè)，開始研制專用機械手，80年代初，開發(fā)小型的教育機器人。1985年哈工大研制出國內(nèi)第一臺弧焊機器人（華宇Ⅰ號）。

國家“863”計劃把機器人技術(shù)作為重點發(fā)展技術(shù)來支持。建立了“機器人示范工程中心”和機器人國家開放實驗室（沈陽自動化所、哈工大、合肥機械所、上海交大、南開大學(xué)）。

我國也建立了機器人學(xué)的學(xué)術(shù)組織，定期舉辦學(xué)術(shù)活動。學(xué)術(shù)會議：每兩年左右去辦一次大型全國性會議。學(xué)術(shù)刊物：《機器人

》、《機器人技術(shù)與應(yīng)用》等。111.1.3機器人的分類機器人的種類很多?？梢园打?qū)動形式、用途、結(jié)構(gòu)和智能水平等觀點劃分

１、按驅(qū)動形式

氣壓驅(qū)動

液壓驅(qū)動

電驅(qū)動

交流伺服驅(qū)動

直流伺服驅(qū)動

2、按用途劃分（1）工業(yè)機器人弧焊機器人點焊機器人搬運機器人裝配機器人噴涂機器人拋光機器人12（2）特種機器人空間機器人

水下機器人軍用機器人教學(xué)機器人

服務(wù)機器人

醫(yī)用機器人

排險救災(zāi)機器人

固定式移動式輪式履帶式足式蛇行133、按智能水平劃分分類名稱簡要解釋人工操作裝置有幾個自由度，有操作員操縱，能實現(xiàn)若干預(yù)定的功能。固定順序機器人按預(yù)定的不變順序及條件，依次控制機器人的機械動作。可變順序機器人按預(yù)定的順序及條件，依次控制機器人的機械動作。但順序和條件可作適當(dāng)改變。示教再現(xiàn)型機器人通過手動或其它方式，先引導(dǎo)機器人動作，記錄下工作程序，機器人則自動重復(fù)進行作業(yè)。數(shù)控型機器人不必使機器人動作，通過數(shù)值、語言等為機器人提供運動程序，能進行可變程伺服控制。感知型機器人利用傳感器獲取的信息控制機器人的動作。機器人對環(huán)境有一定的適應(yīng)性。智能機器人機器人具有感知和理解外部環(huán)境的能力，即使環(huán)境發(fā)生變化，也能夠成功的完成任務(wù)。第一代第二代第三代141.1.4機器人技術(shù)展望進入90年代后,機器人數(shù)量增長速度下降,但由于人工智能、計算機科學(xué)、傳感器技術(shù)的長足進步，使機器人技術(shù)研究在高水平上進行。未來機器人技術(shù)將有待于在以下幾個方面發(fā)展。一、操作臂技術(shù)1．

高速操作臂：機構(gòu)，伺服驅(qū)動，動態(tài)控制方法；2．

柔性操作臂：提高荷重比（＜30∶10），輕質(zhì)材料；3．

冗余自由度臂；4．

高精度、多自由度力控制：精密組裝；5．

微型操作臂。15二、移動技術(shù)1、新型移動機構(gòu)：適合非結(jié)構(gòu)環(huán)境的移動機構(gòu)；2、運動控制：建模、制導(dǎo)、導(dǎo)航、路徑規(guī)劃。三、感知技術(shù)1、視覺：圖像識別與處理；2、手眼協(xié)調(diào)；3、接觸覺小型化；4、多信息融合。四、自主控制技術(shù)1、分布式計算機控制技術(shù)；2、人工智能技術(shù)。1620公斤點焊機器人點焊機器人在工作中6公斤弧焊機器人工業(yè)機器人（一）弧焊機器人在工作中17涂膠機器人龍門式噴漆機器人SCARA型裝配機器人工業(yè)機器人（二）搬運機器人碼垛機器人噴漆機器人18“雙鷹”水下機器人水下掃雷機器人“探索者號”水下機器人Spirit火星漫游車Marshod火星漫游車CanadaArm太空機械臂特種機器人（一）19美國“別動隊”無人機法國“紅隼”無人機微型無人機特種機器人（二）豹式排雷機器人“徘徊者”偵察機器人“手推車”機器人機器人助手20特種機器人（三）足球機器人AIBO機器狗指揮機器人迎賓機器人導(dǎo)盲機器人跳舞機器人醫(yī)療機器人21特種機器人（四）管內(nèi)機器人隧道鑿巖機器人大型噴漿機器人室外保安機器人德國排爆機器人消防機器人防暴機器人2223二、移動技術(shù)1、新型移動機構(gòu)：適合非結(jié)構(gòu)環(huán)境的移動機構(gòu)；2、運動控制：建模、制導(dǎo)、導(dǎo)航、路徑規(guī)劃。三、感知技術(shù)1、視覺：圖像識別與處理；2、手眼協(xié)調(diào)；3、接觸覺小型化；4、多信息融合。四、自主控制技術(shù)1、分布式計算機控制技術(shù)；2、人工智能技術(shù)。241.2

機器人的優(yōu)缺點一、優(yōu)點能不知疲倦、不厭其煩的持續(xù)工作，不會有心理問題；具有比人更高的精確度、速度，可以同時相應(yīng)多個激勵；可以在危險環(huán)境下工作，無需考慮生命保障或安全的需要；無需舒適的環(huán)境，如照明、空調(diào)、噪音隔離等；其感知系統(tǒng)及其附屬設(shè)備具有某些人類所不具有的能力；二、缺點替代了工人，由此帶來經(jīng)濟和社會問題；缺乏應(yīng)急能力；靈活性、自適應(yīng)能力還欠缺；設(shè)備費用開銷較大。251.3

機器人的組成、構(gòu)型及性能要素1.3.1

機器人的組成機器人是一個機電一體化的設(shè)備。從控制觀點來看，機器人系統(tǒng)可以分成四大部分：機器人執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動裝置、控制系統(tǒng)、感知反饋系統(tǒng)。機器人執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動裝置控制系統(tǒng)感知系統(tǒng)基座（固定或移動）手部腕部臂部腰部電驅(qū)動裝置液壓驅(qū)動裝置氣壓驅(qū)動裝置處理器關(guān)節(jié)伺服控制器內(nèi)部傳感器外部傳感器26一、執(zhí)行機構(gòu)包括：手部、腕部、臂部、腰部和基座等。相當(dāng)于人的肢體。二、驅(qū)動裝置包括：驅(qū)動源、傳動機構(gòu)等。相當(dāng)于人的肌肉、筋絡(luò)。三、感知反饋系統(tǒng)包括：內(nèi)部信息傳感器，檢測位置、速度等信息；外部信息傳感器，檢測機器人所處的環(huán)境信息。相當(dāng)于人的感官和神經(jīng)。四、控制系統(tǒng)包括：處理器及關(guān)節(jié)伺服控制器等，進行任務(wù)及信息處理，并給出控制信號。相當(dāng)于人的大腦和小腦。內(nèi)部傳感器（位形檢測）控制系統(tǒng)驅(qū)動裝置執(zhí)行機構(gòu)工作對象外部傳感器（環(huán)境檢測）

1處理器關(guān)節(jié)控制器271.3.2

機器人的構(gòu)型機器人的機械配置形式即構(gòu)型多種多樣。最常見的構(gòu)型是用其坐標(biāo)特性來描述的。一、工業(yè)機器人

1、直角坐標(biāo)型(3P)其運動是解耦的，控制簡單。但運動靈活性較差，自身占據(jù)空間最大。282、圓柱坐標(biāo)型(R2P)其運動耦合性較弱，控制也較簡單，運動靈活性稍好。但自身占據(jù)空間也較大。圓柱坐標(biāo)型機器人模型Verstran機器人Verstran機器人293、極坐標(biāo)型（也稱球面坐標(biāo)型）(2RP)其運動耦合性較強，控制也較復(fù)雜。但運動靈活性好。占自身據(jù)空間也較小。極坐標(biāo)型機器人模型Unimate機器人304、