智能制造裝備與集成 課件 03 智能制造關(guān)鍵技術(shù)、04 機器人技術(shù)及智能生產(chǎn)中的應(yīng)用

高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成智能制造裝備與集成INTELLIGENTMANUFACTURINGEQUIPMENTANDINTEGRATION高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成3.1智能制造的技術(shù)體系3.2工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)3.3大數(shù)據(jù)3.4云計算3.5人工智能3.6虛擬現(xiàn)實第三章智能制造關(guān)鍵技術(shù)高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成3.1智能制造的技術(shù)體系

智能制造技術(shù)：在數(shù)字化、自動化裝置及系統(tǒng)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，將人工智能引入到制造過程中，形成以存儲、計算、邏輯、推理為特征的機器智能所驅(qū)動的產(chǎn)品制造技術(shù)。智能制造技術(shù)是現(xiàn)代制造技術(shù)、人工智能技術(shù)與計算機科學(xué)發(fā)展的必然結(jié)果，也是三者結(jié)合的產(chǎn)物。3.1.1智能制造技術(shù)的發(fā)展高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成3.1.2智能制造技術(shù)的特征智能制造技術(shù)是智能技術(shù)與制造技術(shù)不斷融合、發(fā)展和應(yīng)用的結(jié)果。其主要特征如下：智能感知；智能決策；智能學(xué)習(xí)；智能診斷；智能優(yōu)化。高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成3.1.3智能制造的關(guān)鍵技術(shù)智能制造的關(guān)鍵技術(shù)主要分為：計算機技術(shù)、信息技術(shù)、工業(yè)電子技術(shù)、工業(yè)制造技術(shù)。計算機技術(shù)在軟件方面的應(yīng)用是實現(xiàn)智能制造的核心與基礎(chǔ)，這些軟件主要有計算機輔助設(shè)計(CAD)、計算機輔助制造(CAM)、計算機輔助工藝(CAPP)、制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)等。信息技術(shù)是智能制造的基礎(chǔ)與支撐，新一代信息技術(shù)包括人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、虛擬現(xiàn)實技術(shù)等。高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成工業(yè)電子技術(shù)集成了傳感、計算和通信三大技術(shù)，為智能制造構(gòu)建了一個智能化、網(wǎng)絡(luò)化的信息物理系統(tǒng)。它包括現(xiàn)代傳感技術(shù)、射頻識別技術(shù)、制造物聯(lián)技術(shù)，以及現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的定時定位技術(shù)等。工業(yè)制造技術(shù)是實現(xiàn)制造業(yè)快速、高效、高質(zhì)量生產(chǎn)的關(guān)鍵。主要包括高端數(shù)控加工技術(shù)、機器人技術(shù)、滿足極限工作環(huán)境與特殊工作需求的智能材料生產(chǎn)技術(shù)、基于3D打印的智能成型技術(shù)等。高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成3.2工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)3.2.1物聯(lián)網(wǎng)概述物聯(lián)網(wǎng)(InternetofThings，IoT),可以認(rèn)為是指通過信息傳感設(shè)備，將物體與互聯(lián)網(wǎng)之間相互鏈接，進行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、追蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)的三個主要特征：全面感知可靠傳遞智能處理高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成按功能可將物聯(lián)網(wǎng)分為三層:感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。從物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)技術(shù)來看，它主要包括兩方面的內(nèi)容:現(xiàn)代傳感器技術(shù)，將所有物品通過相應(yīng)的傳感器和射頻識別(RadioFrequencyIdentification,RFID)將感知的各種信息變成可以識別的電信號;網(wǎng)絡(luò)連接技術(shù)，在此技術(shù)基礎(chǔ)上擴展網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，延伸到所有可能的物體和物體之間的通信和信息交換。高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成3.2.2現(xiàn)代傳感技術(shù)1.基本概念

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WirelessSensorNetwork，WSN)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量微型而又廉價的傳感器節(jié)點通過無線通信方式組成的一個多跳的具有自組織特性的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是將覆蓋區(qū)域中的感知對象的信息進行感知、采集和處理，并最終發(fā)送給觀測者，WSN結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。圖3-1WSN結(jié)構(gòu)

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傳感器(Sensor)是由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成的一種監(jiān)測裝置,它可以感受到被監(jiān)測對象的溫度、濕度等信息，并按照一定規(guī)律變換為電信號或者其他所需形式輸出，以滿足信息的傳遞、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。傳感器、感知對象和觀測者共同構(gòu)成了WSN的三個必不可少的要素。WSN因具有低成本、低功耗、自組網(wǎng)、分布式監(jiān)測、不需要固定通信設(shè)施支持等五大優(yōu)點，可廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成2.發(fā)展歷史從1978年開始，WSN歷經(jīng)多年的發(fā)展主要經(jīng)歷了以下四個階段:第一階段:也稱第一代傳感器網(wǎng)絡(luò)，初步實現(xiàn)了信息的單向傳遞。第二階段:也稱第二代傳感器網(wǎng)絡(luò)，相對于第一代監(jiān)測系統(tǒng)有了顯著的綜合能力。第三階段:也稱第三代傳感器網(wǎng)絡(luò)，傳感器網(wǎng)絡(luò)進入到局部監(jiān)測的階段。第四階段:也稱第四代傳感器網(wǎng)絡(luò)，即WSN階段，目前正處于研究開發(fā)和快速增長期。高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成3.應(yīng)用領(lǐng)域

WSN由于其具有高監(jiān)測精度、高容錯性、覆蓋區(qū)域大、可遠(yuǎn)程監(jiān)控等優(yōu)點。因此被廣泛應(yīng)用于以下幾個方面：軍事領(lǐng)域環(huán)境監(jiān)測和預(yù)報精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)智能交通醫(yī)療護理工業(yè)方面的應(yīng)用空間探索高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成3.2.3射頻識別技術(shù)1.基本概念

射頻識別技術(shù)(RFID)是一項利用射頻信號通過空間耦合(交變磁場或電磁場)實現(xiàn)無接觸信息傳遞，并通過所傳遞的信息達(dá)到識別目的的技術(shù)。

目前，RFID技術(shù)最廣泛的應(yīng)用是各類RFID標(biāo)簽和卡的讀寫和管理。2.RFID的組成

典型的RFID系統(tǒng)由RFID標(biāo)簽(Tag)、RFID閱讀器(Reader)、天線(Antenna)、計算機四部分組成，如圖3-2所示。高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成圖3-2RFID系統(tǒng)圖

RFID標(biāo)簽是RFID系統(tǒng)真正的數(shù)據(jù)載體，用以標(biāo)識目標(biāo)對象。RFID閱讀器是讀取(或?qū)懭?標(biāo)簽信息的設(shè)備。天線是將RFID標(biāo)簽的數(shù)據(jù)信息傳遞給閱讀器的設(shè)備。計算機用作后臺控制系統(tǒng)。通常將電子標(biāo)簽、閱讀器和天線三者稱為前端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成3.RFID的分類RFID系統(tǒng)按電子標(biāo)簽的供電方式可以按照有源標(biāo)簽、無源標(biāo)簽和半有源標(biāo)簽來劃分。RFID系統(tǒng)按電子標(biāo)簽的工作方式可分為主動式、半主動式和被動式三種。RFID系統(tǒng)按工作頻率可以分為低頻(LF)、高頻(HF)、超高頻(UHF)和微波(MF)四種。表3-1為RFID使用頻段對照表。高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成表3-1RFID使用頻段對照表

技術(shù)簡單較高通信速度通信速率低受金屬材料影響車輛防盜超高速（UHF）433MHz技術(shù)復(fù)雜高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成4.RFID的基本工作原理

電子標(biāo)簽進入磁場后，如果接收到閱讀器發(fā)出的特殊射頻信號，就能憑借感應(yīng)電流所獲得的能量發(fā)送出存儲在芯片中的產(chǎn)品信息(即無源標(biāo)簽或被動標(biāo)簽)，或者主動發(fā)送某一頻率的信號(即有源標(biāo)簽或主動標(biāo)簽)，閱讀器讀取信息并解碼后，送至中央信息系統(tǒng)進行有關(guān)數(shù)據(jù)處理。

發(fā)生在閱讀器和電子標(biāo)簽之間的射頻信號的耦合類型有兩種,分別是電感耦合方式(磁耦合)和電磁反向散射耦合方式(電磁場耦合)兩大類。高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成5.RFID的特征通過電磁耦合方式實現(xiàn)的非接觸自動識別技術(shù)。需要利用無線電頻率資源，并且須遵守?zé)o線電頻率使用的眾多規(guī)范。由于存放的識別信息是數(shù)字化的，因此通過編碼技術(shù)可以方便實現(xiàn)多種應(yīng)用。可以方便地進行組合建網(wǎng)，以完成多種規(guī)模的系統(tǒng)應(yīng)用。涉及計算機、無線數(shù)字通信、集成電路、電磁場等眾多學(xué)科。高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成3.2.4機器視覺技術(shù)1.機器視覺的定義

機器視覺是指用計算機實現(xiàn)人的視覺功能，也就是用計算機來實現(xiàn)對客觀的三維世界的識別，從客觀事物的圖像中提取信息，進行處理并加以理解，最終用于實際檢測、測量和控制。

優(yōu)點是測量快速、準(zhǔn)確、可靠，產(chǎn)品生產(chǎn)的安全性高，工人的勞動強度低，可實現(xiàn)高效、安全生產(chǎn)和自動化管理。高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成2.機器視覺系統(tǒng)的構(gòu)成

機器視覺系統(tǒng)主要由圖像采集單元、圖像信息處理與識別單元、結(jié)果顯示單元和視覺系統(tǒng)控制單元組成。視覺系統(tǒng)控制單元根據(jù)判定結(jié)論控制現(xiàn)場設(shè)備，實現(xiàn)對目標(biāo)對象的相應(yīng)控制操作。圖像采集單元獲取被測目標(biāo)對象的圖像信息，并傳送給圖像信息處理與識別單元。圖像信息處理與識別單元提取出目標(biāo)對象的相關(guān)特征，并將其判定結(jié)論提供給視覺系統(tǒng)控制單元。高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成3.2.5網(wǎng)絡(luò)連接技術(shù)

無線網(wǎng)絡(luò)指可以不通過電纜或電線，而是利用無線電技術(shù)、紅外等傳輸技術(shù)將數(shù)據(jù)從一個設(shè)備傳輸?shù)搅硪粋€設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)。1.Wi-Fi

Wi-Fi是WLAN的主要技術(shù)之一，網(wǎng)絡(luò)總體架構(gòu)主要由無線接入網(wǎng)、數(shù)據(jù)網(wǎng)和支持網(wǎng)構(gòu)成。Wi-Fi與有線接入技術(shù)相比，其特點和優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：覆蓋范圍廣、傳輸速率快；建設(shè)方便；投資經(jīng)濟性；健康安全。高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成2.ZigBee

ZigBee

是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)傳輸速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)。

ZigBee

的技術(shù)特點：低功耗；低成本；短時延；網(wǎng)絡(luò)容量大；數(shù)據(jù)傳輸可靠；安全性高。Wi-Fi技術(shù)與ZigBee技術(shù)性能比較見表3-2。表3-2Wi-Fi技術(shù)與ZigBee技術(shù)性能比較

高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成3.2.6物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)作為一項前沿技術(shù)，已經(jīng)逐步融入生產(chǎn)生活的多個應(yīng)用場景。近年來，物聯(lián)網(wǎng)開始廣泛應(yīng)用于交通、物流、家居、醫(yī)療健康等領(lǐng)域。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在日常生活中的應(yīng)用案例如下：應(yīng)用RFID技術(shù)于電子收費系統(tǒng)應(yīng)用WSN技術(shù)于智能家居高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成3.3大數(shù)據(jù)3.3.1大數(shù)據(jù)概述1.基本概念

大數(shù)據(jù)技術(shù)是一系列面向海量數(shù)據(jù)進行采集、存儲、計算與分析，并從中提取信息和知識的技術(shù)總稱。方面特征容量(Volume)數(shù)據(jù)量巨大，來源多渠道種類(Variety)數(shù)據(jù)類型的多樣性速度(Velocity)獲得數(shù)據(jù)的速度價值(Value)合理運用大數(shù)據(jù)，以低成本創(chuàng)造高價值表3-2Wi-Fi技術(shù)與ZigBee技術(shù)性能比較

大數(shù)據(jù)指具有4V特征，即Volume(數(shù)據(jù)量大)Variety(類型復(fù)雜)、Velocity(速度快)和Value(價值)的數(shù)據(jù)集合。大數(shù)據(jù)的特征如表3-3所示。高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成2.發(fā)展歷史萌芽階段(20世紀(jì)90年代末至21世紀(jì)初)：作為一個設(shè)想或概念出現(xiàn)。發(fā)展階段(21世紀(jì)初至2012)：在Hadoop基礎(chǔ)之上、用于大規(guī)模數(shù)據(jù)分析和挖掘的工具產(chǎn)品相繼出現(xiàn)，大數(shù)據(jù)技術(shù)生態(tài)逐漸形成。應(yīng)用階段(2012年至今)：大數(shù)據(jù)迎來了全面興盛的時期，底層技術(shù)基本成熟，成為支撐型的信息技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施。目前大數(shù)據(jù)已在制造業(yè)，金融行業(yè)利、互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)等領(lǐng)域深入應(yīng)用。而且我國大數(shù)據(jù)技術(shù)整體發(fā)展屬于“全球第一梯隊”。高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成3.3.2數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理數(shù)據(jù)采集是從傳感器、社交網(wǎng)絡(luò)、移動互聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代信息傳遞方式中收集、獲取數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)預(yù)處理是通過對原始數(shù)據(jù)進行清洗、集成、轉(zhuǎn)換等一系列操作，填補遺漏、消除重復(fù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成分類、統(tǒng)一、適合挖掘的形式，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量。1.數(shù)據(jù)采集的常用方法系統(tǒng)日志采集方法網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集方法數(shù)據(jù)庫采集系統(tǒng)高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成2.數(shù)據(jù)清洗數(shù)據(jù)清洗是做好數(shù)據(jù)分析并以此做出數(shù)據(jù)判斷的基礎(chǔ)工作，其主要任務(wù)是通過識別缺失值、異常數(shù)據(jù)、不一致數(shù)據(jù)和重復(fù)數(shù)據(jù)。3.數(shù)據(jù)變換數(shù)據(jù)變換是將數(shù)據(jù)從一種格式或結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為另一種格式或結(jié)構(gòu)的過程，將數(shù)據(jù)進行規(guī)范化處理，這對于數(shù)據(jù)集成和數(shù)據(jù)管理等活動具有至關(guān)重要的作用。

數(shù)據(jù)變換的方法一般包括規(guī)范化和函數(shù)變換。高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成3.3.3數(shù)據(jù)存儲與管理數(shù)據(jù)規(guī)模的飛速增大，非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的存儲需求顯著增多。以適當(dāng)?shù)姆绞浇M織和管理數(shù)據(jù)不僅使得大規(guī)模的數(shù)據(jù)存儲成為可能，也利于后續(xù)的訪問和部署。3.3.4數(shù)據(jù)存儲與管理1.數(shù)據(jù)挖掘的定義數(shù)據(jù)挖掘又譯為資料探勘、數(shù)據(jù)采礦，是利用各種分析工具在海量數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)模型和數(shù)據(jù)之間關(guān)系的過程。其具有如下特征：1)是交叉復(fù)合領(lǐng)域

2)不追求處理方法，只是為了獲取知識3)是一種探索性的活動4)數(shù)據(jù)挖掘是有目的的活動高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成2.數(shù)據(jù)挖掘與分析的常見方法1)聚類分析

2)關(guān)聯(lián)規(guī)則

3)決策樹

4)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)3.3.5數(shù)據(jù)可視化1.數(shù)據(jù)可視化的定義數(shù)據(jù)可視化旨在借助于圖形化手段，清晰有效地傳達(dá)與溝通信息。其與信息圖形、信息可視化、科學(xué)可視化以及統(tǒng)計圖形密切相關(guān)。2.數(shù)據(jù)可視化的常見方法1)地理空間數(shù)據(jù)可視化

2)時間數(shù)據(jù)可視化

3)多維方法數(shù)據(jù)可視化

4)層次化數(shù)據(jù)可視化

5)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)可視化高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成3.3.6大數(shù)據(jù)的應(yīng)用大數(shù)據(jù)在各行各業(yè)特別是公共服務(wù)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，也會對社會各個領(lǐng)域產(chǎn)生深刻的影響，如今各行各業(yè)開始高度關(guān)注大數(shù)據(jù)的研究和應(yīng)用。在云計算技術(shù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲技術(shù)的助力下，大數(shù)據(jù)已經(jīng)成為當(dāng)前學(xué)術(shù)界、工業(yè)界的熱點和焦點。相關(guān)案例：案例1:株洲冶煉集團智能工廠案例2:海爾集團基于社群生態(tài)的客戶需求挖掘和市場創(chuàng)造高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成3.4云計算3.4.1云計算概述1.基本概念云計算是一種通過網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一組織和靈活調(diào)用各種ICT信息資源，實現(xiàn)大規(guī)模計算的信息處理方式。2.發(fā)展歷史形成階段(2006-2010年)。云計算的商業(yè)模式得到業(yè)界和大眾的廣泛認(rèn)可。發(fā)展階段(2010-2015年)。云計算功能日趨完善、種類日趨多樣。應(yīng)用階段(2015年至今)。云計算的應(yīng)用逐漸向傳統(tǒng)行業(yè)拓展。高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成未來，云計算將呈現(xiàn)布局邊緣化、技術(shù)精細(xì)化、應(yīng)用產(chǎn)業(yè)化的特點，并成為新的基礎(chǔ)設(shè)施。具體表現(xiàn)：云布局從中心走向邊緣。云技術(shù)從粗放走向精細(xì)。云應(yīng)用從消費領(lǐng)域走向工業(yè)領(lǐng)域。隨著發(fā)展，云計算的應(yīng)用開始從醫(yī)療、金融、礦誦T物流向時在政務(wù)云基等傳統(tǒng)行業(yè)滲透。高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成3.4.2虛擬化技術(shù)虛擬化技術(shù)是將一臺計算機虛擬為多臺邏輯計算機，每個邏輯計算機可運行不同的操作系統(tǒng)，并且應(yīng)用程序都可以在相互獨立的空間內(nèi)運行而互不影響，如圖3-14所示。圖3-14虛擬化示意圖

云計算對于資源的關(guān)鍵要求包括兩個方面:一是資源的整合；二是統(tǒng)一資源的匯聚。虛擬化正是一種解決上述要求的核心技術(shù)。高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成虛擬化作為一種資源管理技術(shù)，將計算機的各種實體資源，如服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)、內(nèi)存及存儲等，予以抽象、轉(zhuǎn)換后呈現(xiàn)出來，打破實體結(jié)構(gòu)間的不可切割的障礙，使用戶可以比原本的組態(tài)更好的方式來應(yīng)用這些資源。虛擬化技術(shù)的特點見表3-4。表3-4虛擬化技術(shù)的特點

封裝硬件獨立高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成虛擬化技術(shù)主要針對硬件和軟件。硬件虛擬化主要包括計算能力、存儲能力和網(wǎng)絡(luò)能力的虛擬化;軟件虛擬化一類關(guān)鍵性技術(shù)就是桌面虛擬化。計算虛擬化是向客戶端操作系統(tǒng)提供一個虛擬日獨立的服務(wù)器硬件環(huán)境，，以提高資源利用率和靈活性。存儲虛擬化就是對硬件存儲資源進行抽象化，使存儲與網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)用等管理分離，提升資源利用率。網(wǎng)絡(luò)虛擬化是對物理網(wǎng)絡(luò)及其組件(比如交換機、端口以及路電器)進行抽象，并從中分離網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)流量的一種方式。桌面虛擬化是將用戶的桌面環(huán)境與其他的終端設(shè)備解耦合。高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成3.4.3分布式技術(shù)分布式是計算機系統(tǒng)特別是云化的計算機系統(tǒng)的核心思想之一，分布式系統(tǒng)也是分布式計算和分布式存儲的支撐主體。1.分布式系統(tǒng)分布式，就是一件事分給多臺機器干，所有機器一起合作完成任務(wù)。分布式系統(tǒng)通常定義為一組通過網(wǎng)絡(luò)進行通信、為了完成共同的任務(wù)而協(xié)調(diào)工作的計算機節(jié)點組成的系統(tǒng)。高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成2.分布式存儲/數(shù)據(jù)管理分布式存儲，利用多臺服務(wù)器分擔(dān)存儲負(fù)荷，提高了系統(tǒng)的可靠性、存取效率和可擴展性。分布式存儲系統(tǒng)=對數(shù)據(jù)進行管理的技術(shù)主要包括以下兩部分:分布式文件系統(tǒng)設(shè)計基于客戶機/服務(wù)器模式，存儲在其中的數(shù)據(jù)被分為很多塊，這些塊分布于通過網(wǎng)絡(luò)連接的不同的服務(wù)器中，供多個用戶進行讀/寫和刪除等操作。分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)通常使用較小的計算機系統(tǒng)，每臺計算機可單獨放在一個地方，每臺計算機中都可能有數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的一份完整拷貝副本，共同組成一個完整的、全局的邏輯上集中、物理上分布的大型數(shù)據(jù)庫。高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成3.4.4并行計算技術(shù)并行計算是將一個任務(wù)分解成若干個小任務(wù)并協(xié)同執(zhí)行以完成求解的過程。并行計算處理問題一般分為三步：將工作分離成離散獨立部分，有助于同時解決。同時并及時地執(zhí)行多個程序指令。將處理完的結(jié)果返回主機，經(jīng)一定處理后顯示輸出并行計算須滿足以下幾個基本條件:并行計算機。應(yīng)用問題必須具有并行度。并行編程。高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成3.4.5云計算的應(yīng)用分在“互聯(lián)網(wǎng)+”政策和產(chǎn)業(yè)背景下，我國云計算產(chǎn)業(yè)逐步進入成熟和產(chǎn)業(yè)發(fā)展加速階段，落地的應(yīng)用突飛猛進，云計算產(chǎn)業(yè)鏈和生態(tài)逐步形成和完善。經(jīng)過近十年的快速發(fā)展，我國云計算產(chǎn)業(yè)已成為信息產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的著力點，云計算市場保持了并將繼續(xù)保持高速增長態(tài)勢。有關(guān)云計算的案例如下：案例1:12306火車票購票系統(tǒng)案例2:華為云計算高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成3.5人工智能現(xiàn)階段人工智能的應(yīng)用場景不斷擴展:在移動互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，可應(yīng)用于生物識別技術(shù)；在智能制造領(lǐng)域，可實現(xiàn)智能制造的新模式、新手段、新業(yè)態(tài);在電力領(lǐng)域，可以保障電網(wǎng)安全、穩(wěn)定、高效運行。3.5.1人工智能概述人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是最早被提出的人工智能技術(shù)也是沿用至今應(yīng)用最為廣泛的技術(shù)，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拓展的深度學(xué)習(xí)技術(shù)是目前最為先進的學(xué)習(xí)算法。高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成人工智能可以被定義為計算機科學(xué)的一個分支，致力于智能行為的自動化。其存在兩個比較明顯的發(fā)展方向，即強人工智能和弱人工智能。弱人工智能是指通過人類編寫好的算法或者軟件智能化地去解決和計算某些問題。強人工智能是指通過對生物行頭或大腦的研究和模仿，以期達(dá)到對意識、情感、理智三位一體的人工智能建模。智能制造的關(guān)鍵技術(shù)中，涉及的人工智能技術(shù)主要包括模式識別、機器學(xué)習(xí)和智能算法。高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成3.5.2模式識別模式識別是人工智能的基礎(chǔ)技術(shù)，是通過計算機用數(shù)學(xué)技術(shù)方法對物理量及其變化過程進行描述與分類的一門技術(shù)，通常用來對圖像、文字、照片以及聲音等信息進行識別、處理和分類?；痉椒ǚ譃榻y(tǒng)計模式識別和句法模式識別。統(tǒng)計模式識別首先是將被識別對象數(shù)字化，轉(zhuǎn)換為適于計算機處理的數(shù)字信息。句法模式識別則用符號描述圖像特征。將統(tǒng)計模式識別或句法模式識別與機器學(xué)習(xí)中的其他技術(shù)相結(jié)合，衍生出應(yīng)用廣泛的熱門技術(shù)，如聲紋識別技術(shù)、指紋識別技術(shù)及數(shù)字水印技術(shù)等。高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成3.5.3機器學(xué)習(xí)機器學(xué)習(xí)是基于已有數(shù)據(jù)、知識或經(jīng)驗來設(shè)計模型或發(fā)現(xiàn)新知識的一個研究領(lǐng)域。深度學(xué)習(xí)與機器學(xué)習(xí)的區(qū)別如圖3-21所示。圖3-21機器學(xué)習(xí)與深度學(xué)習(xí)

高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成1.機器學(xué)習(xí)方法機器學(xué)習(xí)分為監(jiān)督學(xué)習(xí)、無監(jiān)督學(xué)習(xí)、半監(jiān)督學(xué)習(xí)和強化學(xué)習(xí)。監(jiān)督學(xué)習(xí)監(jiān)督學(xué)習(xí)從給定的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集中學(xué)習(xí)出一個函數(shù)(模型參數(shù))，當(dāng)新的數(shù)據(jù)到來時，可以根據(jù)這個函數(shù)預(yù)測結(jié)果。無監(jiān)督學(xué)習(xí)在無監(jiān)督學(xué)習(xí)中,數(shù)據(jù)并不被特別標(biāo)識,學(xué)習(xí)模型是為了推斷出數(shù)據(jù)的一些內(nèi)在結(jié)構(gòu)。高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成半監(jiān)督學(xué)習(xí)輸入數(shù)據(jù)部分被標(biāo)識，部分沒有被標(biāo)識，這種學(xué)習(xí)模型可以用來進行預(yù)測，但是首先需要學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)的內(nèi)在結(jié)構(gòu)以便合理地組織數(shù)據(jù)來進行預(yù)測。強化學(xué)習(xí)輸入數(shù)據(jù)作為對模型的反饋，不像監(jiān)督型那樣，輸入數(shù)據(jù)僅僅是作為一個檢查模型對錯的方式。2.機器學(xué)習(xí)算法分類1)回歸算法

2)基于實例的算法

3)決策樹算法4)貝葉斯算法5)基于核的算法6)聚類算法7)降低維度算法高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成3.5.4智能算法智能計算也有人稱之為“軟計算”，是人們受白然(生物界)規(guī)律的啟迪，根據(jù)其原理，模仿求解問題的算法。1.人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法“人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”是在對人腦組織結(jié)構(gòu)和運行機制的認(rèn)識理解基礎(chǔ)之上模擬其結(jié)構(gòu)和智能行為的一種工程系統(tǒng)。2.遺傳算法遺傳算法(GeneticAlgorithms)是基于生物進化理論的原理發(fā)展起來的一種廣為應(yīng)用的、高效的隨機搜索與優(yōu)化的方法。其主要特點是群體搜索策略和群體中個體之間的信息交換，搜索不依賴于梯度信息。高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成3.模擬退火算法模擬退火算法:由初始解i和控制參數(shù)初值t開始，對當(dāng)前解重復(fù)“產(chǎn)生新解?計算目標(biāo)函數(shù)差?接受或舍棄”的迭代，并逐步衰減t值，算法終止時的當(dāng)前解即為所得近似最優(yōu)解。4.群集智能技術(shù)通過對社會性昆蟲的模擬產(chǎn)生了一系列對于傳統(tǒng)問題的新的解決方法，所謂群集智能，指的是“無智能的主體通過合作表現(xiàn)出智能行為的特性”。高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成3.5.5人工智能的應(yīng)用人工智能正在給各行業(yè)帶來變革與重構(gòu)，一方面，將人工智能技術(shù)應(yīng)用到現(xiàn)有的產(chǎn)品中可以創(chuàng)新產(chǎn)品并發(fā)展新的應(yīng)用場景;另一方面，人工智能技術(shù)的發(fā)展正在顛覆傳統(tǒng)行業(yè)人工智能對人工的替代趨勢不可逆轉(zhuǎn)。如何實現(xiàn)人工智能產(chǎn)業(yè)自身的創(chuàng)新并應(yīng)用到集體場景中，將會是各行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵點。相關(guān)案例如下：案例1:利用人工智能技術(shù)輔助診斷新冠肺炎案例2:百度機器翻譯高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成3.6虛擬現(xiàn)實虛擬現(xiàn)實(VR)指本來沒有的事物和環(huán)境，通過各種技術(shù)虛擬出來，讓你感覺就如同置身于真實世界中一樣。VR技術(shù)的主要特征是:用戶能夠進入到一個由計算機系統(tǒng)生成的交互式的三維虛擬環(huán)境可以與之進行交互。通過參與者與仿直環(huán)境的相互作用，并利用人類本身對所接觸中事物的感知和認(rèn)知能力，幫助啟發(fā)參與者的思維，全方位地獲取事物的各種空間信息和邏輯信息。高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成3.6.1虛擬現(xiàn)實概述VR技術(shù)的發(fā)展大致分為三個階段:20世紀(jì)50年代到70年代，是VR技術(shù)的探索階；20世紀(jì)80年代初期到80年代中期，是VR技術(shù)系統(tǒng)化、從實驗室走向?qū)嵱玫碾A段；20世紀(jì)80年代末期到21世紀(jì)初，是VR技術(shù)高速發(fā)展的階段。在應(yīng)用方面，十年來，國內(nèi)外對此項技術(shù)的應(yīng)用更加廣泛在軍事、航空航天、科技開發(fā)、商業(yè)、醫(yī)療、教育、娛樂等多個領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。VR系統(tǒng)的目標(biāo)是由計算機生成虛擬世界，用戶能與之進行視覺、聽覺、觸覺、嗅覺等全方位交互。高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成3.6.2環(huán)境建模技術(shù)虛擬環(huán)境建模的目的是獲取實際環(huán)境的三維數(shù)據(jù)，并根據(jù)應(yīng)用的需要，利用獲取的三維數(shù)據(jù)建立相應(yīng)的虛擬環(huán)境模型。VR系統(tǒng)中環(huán)境的建模技術(shù)主要特點表現(xiàn)在以下3個方面:虛擬環(huán)境中可以有很多物體；虛擬環(huán)境中有些物體有自己的行為；虛擬環(huán)境中的物體必須有良好的操縱性能。環(huán)境建模一般主要是三維視覺建模。三維視覺建模又可細(xì)分為幾何建模、物理建模、行為建模等。高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成3.6.3實時三維圖形繪制技術(shù)實時三維圖形繪制技術(shù)指利用計算機為用戶提供一個能從任意視點及方向?qū)崟r觀察維場景的手段,它要求當(dāng)用戶的視點改變時,圖形顯示速度也必須跟上視點的改變速度,否則就會產(chǎn)生遲滯現(xiàn)象。1.基于幾何圖形的實時繪制技術(shù)用于降低場景的復(fù)雜度，以提高三維場景的動態(tài)顯示速度的常用方法有預(yù)測計算、脫機計算、場景分塊、可見消隱、細(xì)節(jié)層次模型等，其中細(xì)節(jié)層次模型應(yīng)用較為普遍。高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成2.基于圖像的實時繪制技術(shù)基于圖像的繪制技術(shù)(lmageBasedRendering，IBR)是采用一些預(yù)先生成的場景畫面對接近于視點或視線方向的畫面進行變換、插值與變形，從而快速得到當(dāng)前視點處的場景畫面。目前，基于圖像的繪制技術(shù)主要有以下兩種：全景技術(shù)。圖像的插值及視圖變換技術(shù)。此外，其他的還有基于分層表示及全視函數(shù)等方法。高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成3.6.4三維虛擬聲音顯示技術(shù)三維虛擬聲音定位技術(shù)的主要特征如下：全向三維定位特性三維實時跟蹤特性沉浸感與交互性3.6.5虛擬現(xiàn)實的應(yīng)用案例:虛擬現(xiàn)實在智慧博物館中的應(yīng)用高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成智能制造裝備與集成INTELLIGENTMANUFACTURINGEQUIPMENTANDINTEGRATION高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成4.1工業(yè)機器人現(xiàn)狀4.2工業(yè)機器人技術(shù)4.3工業(yè)機器人操作4.4工業(yè)機器人案例應(yīng)用第四章機器人技術(shù)及智能生產(chǎn)中的應(yīng)用

高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成4.1工業(yè)機器人現(xiàn)狀國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T12643-90定義工業(yè)機器人為：一種能自動控制、可重復(fù)編程、多功能、多自由度的操作機，能搬運材料、工件或操持工具，用以完成各種作業(yè)。美國機器人協(xié)會(RIA)曾把機器人定義為一種用于移動各種材料、零件、工具或?qū)Ｓ醚b置的，通過可編程序動作來執(zhí)行種種任務(wù)的，并具有編程能力的多功能機械手。日本工業(yè)機器人協(xié)會(JIRA)把工業(yè)機器人定義為一種裝備有記憶裝置和末端執(zhí)行器(endeffector)的，能夠轉(zhuǎn)動并通過自動完成各種移動來代替人類勞動的通用機器。機器人的概念：高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成4.1.1工業(yè)機器人分類工業(yè)機器人按照機械結(jié)構(gòu)方式可以分為串聯(lián)機器人和并聯(lián)機器人兩大類。1.串聯(lián)機器人串聯(lián)機器人是一種開式運動鏈機器人，它是由一系列連桿通過轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)或移動關(guān)節(jié)串聯(lián)形成的，一個軸的運動會改變另一個軸的坐標(biāo)狀態(tài)。2.并聯(lián)機器人并聯(lián)機器人是一種封閉式運動鏈機器人，一般由上下運動平臺和兩條或者兩條以上運動支鏈構(gòu)成，一個軸的運動不會改變另一個軸的坐標(biāo)狀態(tài)。高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成1、

串聯(lián)機器人根據(jù)自由度數(shù)不同，目前市場上串聯(lián)機器人主要分為6-DOF串聯(lián)機器人和4-DOF串聯(lián)機器人。6-DOF串聯(lián)機器人主要結(jié)構(gòu)形式為6關(guān)節(jié)機械臂。該機器人可以實現(xiàn)末端6個維度的運動，分別為：沿X、Y、Z軸的平移和繞X、Y、Z軸的旋轉(zhuǎn)。4-DOF串聯(lián)機器人主要結(jié)構(gòu)形式為SCARA機器人。該種機器人可以實現(xiàn)末端4個維度的運動，分別為：沿X、Y、Z軸的平移和繞Z軸的旋轉(zhuǎn)。6-DOF串聯(lián)機械臂4-DOF串聯(lián)機械臂圖4-1串聯(lián)機器人高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成2、

并聯(lián)機器人根據(jù)自由度數(shù)不同，并聯(lián)機器人同樣可以分為6-DOF串聯(lián)機器人和4-DOF串聯(lián)機器人。6-DOF并聯(lián)機器人主要結(jié)構(gòu)形式如圖所示，可以實現(xiàn)上運動平臺6個維度的運動，分別為：沿X、Y、Z軸的平移和繞X、Y、Z軸的旋轉(zhuǎn)。4-DOF并聯(lián)機器人主要結(jié)構(gòu)形式為DELTA機器人，如圖4-2（b）所示?？梢詫崿F(xiàn)下運動平臺4個維度的運動，分別為：沿X、Y、Z軸的平移和繞Z軸的6-DOF并聯(lián)機械臂4-DOF并聯(lián)機械臂圖4-2并聯(lián)機器人高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成串聯(lián)和并聯(lián)機器人的特點：類別串聯(lián)機器人并聯(lián)機器人工作空間大小剛度較高高負(fù)載能力大較大位置精度誤差累計誤差平均化速度較低較高加速度較低較高慣量大小承載力單桿限制多桿積累運動學(xué)正解容易困難運動學(xué)反解困難容易奇異性問題不多較多由于串聯(lián)與并聯(lián)機器人各自特點的不同，主要應(yīng)用的行業(yè)領(lǐng)域也有所不同。串聯(lián)機器人由于結(jié)構(gòu)串聯(lián)，導(dǎo)致機構(gòu)的運動性能相互疊加，運動誤差依次累計，所以串聯(lián)機器人的運動速度、加速度及精度較并聯(lián)機器人都較低。但是串聯(lián)結(jié)構(gòu)會帶來工作空間大、工作空間內(nèi)運動靈活的優(yōu)勢，加上合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，串聯(lián)機器人可以實現(xiàn)掛載較重的負(fù)載，所以串聯(lián)機器人廣泛應(yīng)用于搬運、焊接、噴涂等領(lǐng)域，市場占有率較高。表4-1串聯(lián)機器人與并聯(lián)機器人的區(qū)別高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成3、

混聯(lián)機器人隨著技術(shù)的發(fā)展，近代衍生出一種新的機器人結(jié)構(gòu)，將串聯(lián)型機器人和并聯(lián)型機器人的優(yōu)點相結(jié)合，組成混聯(lián)機器人。混聯(lián)機器人在操作空間內(nèi)擁有靈活多角度的操作，又兼具高速高精度的特性，剛度高，承載能力強。右圖為天津大學(xué)研發(fā)的6自由度的混聯(lián)機器人，主要應(yīng)用于航空航天特種加工領(lǐng)域。圖4-3混聯(lián)機器人高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成4.1.2工業(yè)機器人組成從工作原理角度出發(fā)，工業(yè)機器人整個系統(tǒng)主要執(zhí)行機構(gòu)、控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)由四部分組成。各組成部分相互配合形成閉環(huán)控制系統(tǒng)，工作原理如圖所示。圖4-4機器人工作原理圖高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成4.1.3工業(yè)機器人技術(shù)指標(biāo)工業(yè)機器人主要技術(shù)參數(shù)包括：自由度、重復(fù)定位精度、工作范圍、最大工作速度和承載能力等。自由度：自由度是衡量機器人動作靈活性的重要指標(biāo)。工作精度：機器人的工作精度主要指絕對定位精度和重復(fù)定位精度。它是衡量機器人工作精細(xì)程度的重要指標(biāo)。工作范圍：工作范圍又稱為工作空間、工作行程，它是衡量機器人作業(yè)空間能力的重要指標(biāo)。額定負(fù)載：額定負(fù)載是指機器人在作業(yè)空間內(nèi)所能承受的最大負(fù)載。它是衡量機器人作業(yè)負(fù)載能力的重要指標(biāo)。最大工作速度：最大工作速度指在各軸聯(lián)動情況下，機器人手腕中心所能達(dá)到的最大線速度。它是衡量機器人工作效率的重要指標(biāo)。高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成4.2工業(yè)機器人技術(shù)4.2.1空間描述

1.位置描述圖4-5點相對于坐標(biāo)系的位置矢量

高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成2.姿態(tài)描述4.2.1空間描述圖4-6目標(biāo)坐標(biāo)系相對于參考坐標(biāo)系的姿態(tài)

描述空間中的點，不僅需要描述該點位置，經(jīng)常還需要描述空間中點的姿態(tài)。為了描述姿態(tài)，通常在該點固定一個坐標(biāo)系來描述該點的方向指向，并且給出此坐標(biāo)系相對于參考坐標(biāo)系的表達(dá)。高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成4.2.1空間變換1.平移變換平移變換指物體在空間中保持姿態(tài)不變的運動，則圖可表示為：

圖4-7平移映射高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成4.2.1空間變換2.旋轉(zhuǎn)變換平移變換指物體在空間中保持位置不變的運動，則圖可表示為：

圖4-8旋轉(zhuǎn)映射高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成4.2.1空間變換3.平移+旋轉(zhuǎn)的復(fù)合變換既有平移變換，又有旋轉(zhuǎn)變換，則圖可表示為：

圖4-9一般情況下的矢量變換高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成4.2.1變換矩陣1.齊次變換矩陣為了可以用矩陣更方便的表示，將復(fù)合變換公式改寫成：

紅色矩陣為4X4矩陣，被稱為齊次變換矩陣，可以描述坐標(biāo)系{B}相對于{A}的位姿變換，即：

高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成4.2.1變換矩陣2.平移矩陣

沿x軸平移d的距離，記為：沿y軸平移d的距離，記為：沿z軸平移d的距離，記為：高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成4.2.1變換矩陣3.旋轉(zhuǎn)矩陣

高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成4.2.2運動學(xué)1.正運動學(xué)正向運動學(xué)，在給定所有關(guān)節(jié)的角度值和所有連桿幾何參數(shù)下，求解機器人末端TCP相對于基座的位置和姿態(tài)。D-H參數(shù)方法是建立串聯(lián)型機器人數(shù)學(xué)模型的一種基本方法。通過規(guī)定連桿間坐標(biāo)系建立的規(guī)則，通過這個規(guī)則可以實現(xiàn)連桿坐標(biāo)系之間進行有序的變換，進而完成整個機器人的運動學(xué)方程。D-H參數(shù)包含四個參數(shù)：

高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成改進型D-H參數(shù)法：改進型D-H參數(shù)的約定：

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圖4-10D-H參數(shù)連桿示意圖高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成

高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成對于串聯(lián)型機械臂可以得到后一個關(guān)節(jié)相對于前一個關(guān)節(jié)的位姿變換矩陣，依次相乘，即可得機器人末端TCP的笛卡爾值與各關(guān)節(jié)值之間的關(guān)系：

高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成4.2.2運動學(xué)2.逆運動學(xué)逆向運動學(xué)，在給定機器人末端TCP相對于基座的位置和姿態(tài)，以及所有連桿的幾何參數(shù)的情況下，求取所有關(guān)節(jié)的位置。一般情況下，對于六自由度串聯(lián)機器人，可以發(fā)現(xiàn)串聯(lián)機器人的逆向運動學(xué)問題需要求解非線性方程組。有3個方程與其齊次變換矩陣中的位置矢量有關(guān)，另外3個與旋轉(zhuǎn)矩陣有關(guān)。由于旋轉(zhuǎn)矩陣的獨立性問題，這3個方程不能來自相同的行或列，導(dǎo)致非線性方程組可能無解或者存在多解。對于一個存在的解，末端的期望位置和姿態(tài)一定位于機器人工作空間。對于確實存在解的情況，這些解常常不能表示為閉式解，所以需要采用數(shù)值方法。高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成1）閉式解閉式解方法分為代數(shù)法和幾何法。代數(shù)法涉及辨別含有關(guān)節(jié)變量的有效方程，并將其處理成可解的形式。

一種常用的策略是簡化為單變量超越方程，如：

高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成1）閉式解另一種特別有用的策略，是簡化為具有如下形式的一對方程：

高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成2）數(shù)值解最常用的數(shù)值解方法分為符號消元法、延拓法和迭代法。符號消元法符號消元法涉及從非線性方程系統(tǒng)刪除變量的解析操作，以便將其化簡為含有較少方程的方程組。Raghavan和Roth采用析配消元法，將通用六自由度旋轉(zhuǎn)式串聯(lián)機器人的逆向運動學(xué)問題化簡為一個16階多項式，并求取所有可能的解。延拓法延拓法涉及解的路徑跟蹤。延拓法從具有已知解的起始系統(tǒng)開始，隨起始系統(tǒng)到目標(biāo)系統(tǒng)的變換，跟蹤到求解的目標(biāo)系統(tǒng)。這些技術(shù)已用于逆向運動學(xué)問題，其多項式系統(tǒng)的特殊性可用于求取所有可能的解。高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成2、數(shù)值解迭代法迭代法基于初始猜測，大部分迭代法能夠收斂于一個單解。因此，初始猜測的質(zhì)量對求解時間具有很大的影響。Newton-Raphson法提供了一種對原始方程進行一階近似的基本方法。優(yōu)化方法將逆向運動學(xué)問題形式化為非線性優(yōu)化問題，并采用搜索技術(shù)從初始猜測移動到解。求解運動率控制將上述問題轉(zhuǎn)化為一個微分方程，而且是一種修正的預(yù)測—矯正算法可用于對關(guān)節(jié)速度的積分。高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成4.3工業(yè)機器人操作4.3.1機器人的組成機器人構(gòu)成主要包括四部分：機器人本體、機器人電控柜、示教器以及供電電纜（機器人本體與機器人電控柜之間的電纜），如下圖所示。機器人本體機器人控制柜示教器供電電纜圖4-11機器人組成高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成4.3.2機器人示教操作示教器由兩部分組成：觸屏顯示界面與按鍵操作界面。詳細(xì)操作請參考書籍手冊。圖4-13觸屏顯示界面圖4-14按鍵操作界面高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成4.3.3機器人坐標(biāo)系機器人系統(tǒng)通常包括以下幾個坐標(biāo)系：關(guān)節(jié)坐標(biāo)系A(chǔ)CS、機器人坐標(biāo)系KCS、世界坐標(biāo)系、WCS、工具坐標(biāo)系TCS和工件坐標(biāo)系PCS。1.關(guān)節(jié)坐標(biāo)系A(chǔ)CSAxisCoordinateSystem，簡稱為ACS。關(guān)節(jié)坐標(biāo)系是以各軸機械零點為原點所建立的純旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系。機器人的各個關(guān)節(jié)可以獨立的旋轉(zhuǎn)，也可以一起聯(lián)動。高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成2.機器人坐標(biāo)系KCSKinematicCoordinateSystem，簡稱為KCS，如圖所示。機器人坐標(biāo)系是用來對機器人進行正逆向運動學(xué)建模的坐標(biāo)系，它是機器人的基礎(chǔ)笛卡爾坐標(biāo)系，也可以稱為機器人基礎(chǔ)坐標(biāo)系（BaseCoordinateSystem—BCS）或運動學(xué)坐標(biāo)系，機器人工具末端TCP在該坐標(biāo)系下可以進行沿坐標(biāo)系X軸、Y軸、Z軸的移動運動，以及繞坐標(biāo)系軸X軸、Y軸、Z軸的旋轉(zhuǎn)運動。圖4-15機器人坐標(biāo)系高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成3.世界坐標(biāo)系WCSWordCoordinateSystem，簡稱為WCS，如圖所示。世界坐標(biāo)系也是空間笛卡爾坐標(biāo)系統(tǒng)。世界坐標(biāo)系是其它笛卡爾坐標(biāo)系（機器人運動學(xué)坐標(biāo)系KCS和工件坐標(biāo)系PCS）的參考坐標(biāo)系統(tǒng)，運動學(xué)坐標(biāo)系KCS和工件坐標(biāo)系PCS的建立都是參照世界坐標(biāo)系WCS來建立的。在默認(rèn)沒有示教配置世界坐標(biāo)系的情況下，世界坐標(biāo)系到機器人運動學(xué)坐標(biāo)系之間沒有位置的偏置和姿態(tài)的變換，所以世界坐標(biāo)系WCS和機器人運動學(xué)坐標(biāo)系KCS重合。機器人工具末端在世界坐標(biāo)系下可以進行沿坐標(biāo)系X軸、Y軸、Z軸的移動運動，以及繞坐標(biāo)系軸X軸、Y軸、Z軸的旋轉(zhuǎn)運動。圖4-16世界坐標(biāo)系高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成4.工具坐標(biāo)系TCSToolCoordinateSystem，簡稱為TCS，如圖所示。工具坐標(biāo)系把機器人腕部法蘭盤所持工具的有效方向作為Z軸，并把工具坐標(biāo)系的原點定義在工具的尖端點（或中心點）TCP（TOOLCENTERPOINT）。當(dāng)機器人沒有安裝工具的時候，工具坐標(biāo)系建立在機器人法蘭盤端面中心點上，Z軸方向垂直于法蘭盤端面指向法蘭面的前方。當(dāng)機器人運動時，隨著工具尖端點TCP的運動，工具坐標(biāo)系也隨之運動。用戶可以選擇在工具坐標(biāo)系TCS下進行示教運動。TCS坐標(biāo)系下的示教運動包括沿工具坐標(biāo)系的X軸、Y軸、Z軸的移動運動，以及繞工具坐標(biāo)系軸X軸、Y軸、Z軸的旋轉(zhuǎn)運動。圖4-17工具坐標(biāo)系高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成5.工件坐標(biāo)系PCSPieceCoordinateSystem，簡稱為PCS，如圖所示。工件坐標(biāo)系PCS是建立在世界坐標(biāo)系WCS下的一個笛卡爾坐標(biāo)系。工件坐標(biāo)系主要是方便用戶在一個應(yīng)用中切換世界坐標(biāo)系WCS下的多個相同的工件。另外，示教工件坐標(biāo)系后，機器人工具末端TCP在工件坐標(biāo)系下的移動運動和旋轉(zhuǎn)運動能夠減輕示教工作的難度。圖4-18工件坐標(biāo)系高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成4.3.4機器人編程語言機器人編程語言可以分為以下幾大類指令：運動指令、邏輯控制指令、IO指令及其它輔助指令等。1.常用運動指令關(guān)節(jié)插補指令MOVJ：用關(guān)節(jié)插補的方式移動至目標(biāo)位置。直接插補指令

MOVL：用直線插補的方式移動至目標(biāo)位置。圓弧插補指令

MOVC：用圓弧插補的方式移動至中間位置、目標(biāo)位置。不規(guī)則圓弧插補指令MOVS：用不規(guī)則圓弧插補的方式移動至目標(biāo)位置。高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成2.邏輯控制指令跳轉(zhuǎn)指令JUMP：跳轉(zhuǎn)到某一行。。調(diào)用子程序指令CALL：調(diào)用子程序。。延時指令TIMER：延時設(shè)定時間。判斷指令I(lǐng)F…ELSE…：如果判斷要素1與判斷要素2相等執(zhí)行程序1，否則執(zhí)行程序2。循環(huán)指令WHILE：當(dāng)判斷要素1等于判斷要素2時，