第一章 機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用概述課件

機(jī)

器

人

技

術(shù)

基礎(chǔ)第一章機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用概述參考教材：1、芮延年主編，機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用，化學(xué)工業(yè)出版社。2、郭洪紅主編，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)，西安電子科技大學(xué)出版社。3、劉極峰主編，機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)，高等教育出版社。4、郭洪紅主編，工業(yè)機(jī)器人運用技術(shù)，科學(xué)出版社。第一章機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用概述第1章機(jī)器人概述第一章機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用概述理由之三：機(jī)器人做人做不了的事情。比如人們對太空的認(rèn)識，對原子分子進(jìn)行搬遷的機(jī)器人為什么要發(fā)展機(jī)器人?理由之二：機(jī)器人做人不愿意做或做不好的事。比如有毒的、高溫的或危險的環(huán)境，汽車生產(chǎn)線上的焊接工作機(jī)器人汽車焊接生產(chǎn)線理由之一：提高生產(chǎn)效率降低人的勞動強度。比如焊機(jī)器人提高生產(chǎn)效率，提高汽車焊接的質(zhì)量，降低工人的勞動強度

汽車裝配機(jī)器人第一章機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用概述1.1.1

機(jī)器人的由來1.1

機(jī)器人學(xué)的發(fā)展

機(jī)器人一詞的出現(xiàn)：1920年、捷克作家

KarelCapek《Rossum’sUniversalRobots》，“Robota”（奴隸）寫成了“Robot”。小說在1924年和1927年的時候被紛紛傳到了日本、法國和歐洲國家，機(jī)器人這個名詞就向全世界鋪展開來。第一章機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用概述1950年，美國作家埃薩克·阿西莫夫在他的科幻小說《I，Robot》中首次使用了“Robotics”，即“機(jī)器人學(xué)”。阿西莫夫提出了“機(jī)器人三原則”：1機(jī)器人不應(yīng)傷害人類,且在人類受到傷害時不可袖手旁觀；2機(jī)器人應(yīng)遵守人類的命令，除非這種服從有害于人類；3機(jī)器人必須保護(hù)自身不受傷害，除非為了保護(hù)人類或者是人類命令它作出犧牲

。

機(jī)器人學(xué)術(shù)界一直將這三原則作為機(jī)器人開發(fā)的準(zhǔn)則，阿西莫夫因此被稱為“機(jī)器人學(xué)之父”。第一章機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用概述上世紀(jì)60年代，可實用機(jī)械的機(jī)器人被稱為工業(yè)機(jī)器人上世紀(jì)80年代到現(xiàn)在，正越來越向智能化方向發(fā)展

因此，至今為止也沒有一個統(tǒng)一的機(jī)器人的定義。機(jī)器人學(xué)是一門不斷發(fā)展的科學(xué)，對機(jī)器人的定義也隨其發(fā)展而變化。第一章機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用概述（2）美國機(jī)器人協(xié)會(RIA)的定義：機(jī)器人是“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(jī)械手(manipulator)”。國際上，關(guān)于機(jī)器人的定義主要有以下幾種：1.1.2

機(jī)器人的定義（1）美國簡明牛津字典的定義：機(jī)器人是“貌似人的自動機(jī),具有智力的和順從于人的但不具人格的機(jī)器”。第一章機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用概述（4）美國國家標(biāo)準(zhǔn)局(NBS)的定義：機(jī)器人是“一種能夠進(jìn)行編程并在自動控制下執(zhí)行某些操作和移動作業(yè)任務(wù)的機(jī)械裝置”。（3）日本工業(yè)機(jī)器人協(xié)會(JIRA)的定義：工業(yè)機(jī)器人是“一種裝備有記憶裝置和末端執(zhí)行器的，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(jī)器”。第一章機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用概述（5）國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)的定義：“機(jī)器人是一種自動的、位置可控的、具有編程能力的多功能機(jī)械手，這種機(jī)械手具有幾個軸，能夠借助于可編程序操作來處理各種材料、零件、工具和專用裝置，以執(zhí)行種種任務(wù)”。

參考各國的定義，即可認(rèn)為：機(jī)器人1)是像人或人的上肢,并能模仿人的動作;2)具有智力或感覺與識別能力;3)是人造的機(jī)器或機(jī)械電子裝置。第一章機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用概述1.1.3機(jī)器人的發(fā)展及應(yīng)用1、古代機(jī)器人

春秋后期，魯班曾制造過一只木鳥，能在空中飛行“三日不下”。機(jī)器馬車

西周時期，出現(xiàn)了能歌善舞的伶人，這是我國最早記載的機(jī)器人。

漢代大科學(xué)家張衡不僅發(fā)明了地動儀，而且發(fā)明了計里鼓車。每行一里，車上木人擊鼓一下，每行十里，擊鐘一下。

后漢三國時期，蜀國丞相諸葛亮成功地創(chuàng)造出了“木牛流馬”。用其運送軍糧，支援前方戰(zhàn)爭。第一章機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用概述寫字機(jī)器人

1738年，法國天才技師杰克·戴·瓦克遜發(fā)明了一只機(jī)器鴨。它會嘎嘎叫，會游泳和喝水，還會進(jìn)食和排泄。

公元前2世紀(jì)，亞歷山大時代的古希臘人發(fā)明了最原始的機(jī)器人──自動機(jī)?？梢宰约洪_門，還可以借助蒸汽唱歌。

1773年，自動書寫玩偶、自動演奏玩偶等被連續(xù)推出?，F(xiàn)在保留下來的瑞士努薩蒂爾歷史博物館里的少女玩偶，還定期彈奏音樂供參觀者欣賞。第一章機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用概述

19世紀(jì)中葉出現(xiàn)了科學(xué)幻想派和機(jī)械制作派。1886年《未來的夏娃》問世。在機(jī)械實物制造方面，1893年摩爾制造了“蒸汽人”，“蒸汽人”靠蒸汽驅(qū)動雙腿沿圓周走動。

1927年美國西屋公司工程師溫茲利制造了第一個機(jī)器人“電報箱”，可以回答一些問題。

第一章機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用概述2、現(xiàn)代機(jī)器人

1952年，第一臺數(shù)控機(jī)床的誕生，為機(jī)器人的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

1954年，美國戴沃爾最早提出了工業(yè)機(jī)器人的概念，并申請了專利。主從機(jī)器人

1948年，美國原子能委員會的阿爾貢研究所開發(fā)了機(jī)械式的主從機(jī)械手。

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1962年美國AMF公司推出的“VERSATRAN”和UNIMATION公司推出的“UNIMATE”是機(jī)器人產(chǎn)品最早的實用機(jī)型（示教再現(xiàn)）。

VERSATRANUNIMATE第一章機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用概述1965年，MIT的Roborts演示了第一個具有視覺傳感器的、能識別與定位簡單積木的機(jī)器人系統(tǒng)1970年在美國召開了第一屆國際工業(yè)機(jī)器人學(xué)術(shù)會議1973年，辛辛那提·米拉克隆公司的理查德·豪恩制造了第一臺由小型計算機(jī)控制的工業(yè)機(jī)器人1980年后，日本贏得了“機(jī)器人王國”的美稱

第一章機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用概述

各種用途的機(jī)器人：水下機(jī)器人、空間機(jī)器人、空中機(jī)器人、地面機(jī)器人、微小型機(jī)器人等德國排爆機(jī)器人相撲機(jī)器人無人駕駛振動式壓路機(jī)第一章機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用概述機(jī)器魚“自由泳”“過龍門”在水中“戲球”自主地避開障礙物機(jī)器魚我國研制的排爆機(jī)器人第一章機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用概述

70年代的萌芽期，80年代的開發(fā)期和90年代的適用化期。

1972年開始研制自己的工業(yè)機(jī)器人“七五”期間，完成了示教再現(xiàn)式工業(yè)機(jī)器人成套技術(shù)的開發(fā)，研制出了噴涂、點焊、弧焊和搬運機(jī)器人1986年國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）開始實施上世紀(jì)90年代初期起，形成了一批機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化基地我國工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展：第一章機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用概述

日本和美國在20世紀(jì)60年代就已經(jīng)開始進(jìn)行機(jī)器人的研究，與他們相比較，我國還存在較大的差距，因此需要更多的人加入到發(fā)展機(jī)器人的事業(yè)中來。第一章機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用概述1.2機(jī)器人的特點、結(jié)構(gòu)與分類1.2.1機(jī)器人的主要特點---通用性和適應(yīng)性通用性（versatility）---可執(zhí)行不同功能和完成不同任務(wù)的能力取決于其幾何特征和機(jī)械能力一般自由度越多，通用性越強適應(yīng)性（adaptivity）---主要指其對工作環(huán)境變化的適應(yīng)能力需具有（1）傳感與測量環(huán)境變化的能力（2）分析任務(wù)和執(zhí)行操作規(guī)劃的能力（3）自動執(zhí)行指令能力第一章機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用概述1.2.2機(jī)器人系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)三大部分：機(jī)械部分、傳感部分和控制部分。六個子系統(tǒng)：驅(qū)動系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、感知系統(tǒng)、機(jī)器人—環(huán)境交互系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。第一章機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用概述1.2.2機(jī)器人系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)1.機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)是機(jī)器人的主體部分，由基座、手臂、末端執(zhí)行器三大件組成。如果基座具備行走機(jī)構(gòu)便構(gòu)成行走機(jī)器人。如果基座不具備行走及腰轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，構(gòu)成單機(jī)器人臂。手臂一般由上臂、下臂和手腕組成。

末端執(zhí)行器連接在機(jī)械手的最后一個關(guān)節(jié)上。

第一章機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用概述1.2.2機(jī)器人系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)2.驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)是使各種機(jī)械部件產(chǎn)生運動的裝置。根據(jù)驅(qū)動源的不同，驅(qū)動系統(tǒng)可分為液壓、氣動和電動三種以及把它們結(jié)合起來應(yīng)用的綜合系統(tǒng)。

第一章機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用概述1.2.2機(jī)器人系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)3.控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)的任務(wù)是根據(jù)機(jī)器人的作業(yè)指令程序以及從傳感器反饋回來的信號支配機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)去完成規(guī)定的運動和功能。機(jī)器人不具備信息反饋特征，為開環(huán)控制系統(tǒng)。若具備信息反饋特征，則為閉環(huán)控制系統(tǒng)。根據(jù)控制原理，控制系統(tǒng)又可分為程序控制系統(tǒng)、適應(yīng)性控制系統(tǒng)和人工智能控制系統(tǒng)。根據(jù)控制運動的形式，控制系統(tǒng)還可分為點位控制和軌跡控制。第一章機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用概述1.2.2機(jī)器人系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)4.感知系統(tǒng)感知系統(tǒng)由內(nèi)部傳感器模塊和外傳感器模塊組成，獲取內(nèi)部和外部環(huán)境狀態(tài)中的有意義的信息，通過這些信息確定機(jī)械部件各部分的運行軌跡、速度、位置和外部環(huán)境狀態(tài)，使機(jī)械部件的各部分按預(yù)定程序或者工作需要進(jìn)行動作。

第一章機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用概述1.2.2機(jī)器人系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)5.機(jī)器人—環(huán)境交互系統(tǒng)機(jī)器人—環(huán)境交互系統(tǒng)是實現(xiàn)機(jī)器人與外部環(huán)境中的設(shè)備互相聯(lián)系和協(xié)調(diào)的系統(tǒng)。

第一章機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用概述1.2.2機(jī)器人系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)6.人機(jī)交互系統(tǒng)人機(jī)交互系統(tǒng)是實現(xiàn)操作人員參與機(jī)器人控制并與機(jī)器人進(jìn)行聯(lián)系的裝置。通常指輸入和輸出設(shè)備。

第一章機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用概述1.2.3機(jī)器人的分類1、按幾何結(jié)構(gòu)來分直角坐標(biāo)機(jī)器人這一類機(jī)器人其手部空間位置的改變通過沿三個互相垂直的軸線的移動來實現(xiàn)，即沿著X軸的縱向移動，沿著Y軸的橫向移動及沿著Z軸的升降。特點:該形式機(jī)器人的位置精度高，控制無耦合、簡單，避障性好，但結(jié)構(gòu)較龐大，動作范圍小，靈活性差，難與其他機(jī)器人協(xié)調(diào)；移動軸的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，且占地面積較大。

第一章機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用概述第一章機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用概述1.2.3機(jī)器人的分類圓柱坐標(biāo)機(jī)器人這種機(jī)器人通過兩個移動和—個轉(zhuǎn)動實現(xiàn)手部空間位置的改變。特點：圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人的位置精度僅次于直角坐標(biāo)型，控制簡單，避障性好，但結(jié)構(gòu)也較龐大，難與其他機(jī)器人協(xié)調(diào)工作，兩個移動軸的設(shè)計較復(fù)雜。第一章機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用概述第一章機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用概述1.2.3機(jī)器人的分類球坐標(biāo)機(jī)器人球坐標(biāo)機(jī)器人采用球坐標(biāo)系，用一個滑動關(guān)節(jié)和兩個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)來確定部件的位置，再用一個附加的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)確定部件的姿態(tài)。特點：可以繞中心軸旋轉(zhuǎn)，中心架附近的工作范圍大，兩個轉(zhuǎn)動驅(qū)動裝置容易密封，覆蓋空間較大。但該坐標(biāo)復(fù)雜，難于控制，且直線驅(qū)動裝置仍存在密封和工作死區(qū)問題。球坐標(biāo)機(jī)器人的工作范圍呈球缺狀。

第一章機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用概述第一章機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用概述1.2.3機(jī)器人的分類關(guān)節(jié)坐標(biāo)機(jī)器人關(guān)節(jié)機(jī)器人的關(guān)節(jié)全部都是旋轉(zhuǎn)的，類似于人的手臂，主要由立柱、前臂和后臂組成。

其結(jié)構(gòu)最緊湊，靈活性大，占地面積最小，工作空間最大，能與其他機(jī)器人協(xié)調(diào)工作，避障性好，但位置精度較低，有平衡問題，控制存在耦合，故比較復(fù)雜，這種機(jī)器人目前應(yīng)用得最多。第一章機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用概述第一章機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用概述1.2.3機(jī)器人的分類平面關(guān)節(jié)式機(jī)器人這種機(jī)器人可看作是關(guān)節(jié)坐標(biāo)式機(jī)器人的特例，只有平行的肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)軸線共面。第一章機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用概述1.2.3機(jī)器人的分類

2、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

38第一章機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用概述1.2.3機(jī)器人的分類3、按用途劃分弧焊機(jī)器人點焊機(jī)器人搬運機(jī)器人裝配機(jī)器人噴涂機(jī)器人拋光機(jī)器人（1）工業(yè)機(jī)器人第一章機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用概述（2）特種機(jī)器人空間機(jī)器人

水下機(jī)器人軍用機(jī)器人教學(xué)機(jī)器人

服務(wù)機(jī)器人

醫(yī)用機(jī)器人

排險救災(zāi)機(jī)器人

固定式移動式輪式履帶式足式蛇行40第一章機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用概述20公斤點焊機(jī)器人點焊機(jī)器人在工作中6公斤弧焊機(jī)器人工業(yè)機(jī)器人（一）弧焊機(jī)器人在工作中41第一章機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用概述涂膠機(jī)器人龍門式噴漆機(jī)器人SCARA型裝配機(jī)器人工業(yè)機(jī)器人（二）搬運機(jī)器人碼垛機(jī)器人噴漆機(jī)器人42第一章機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用概述“雙鷹”水下機(jī)器人水下掃雷機(jī)器人“探索者號”水下機(jī)器人Spirit火星漫游車Marshod火星漫游車CanadaArm太空機(jī)械臂特種機(jī)器人（一）43第一章機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用概述美國“別動隊”無人機(jī)法國無人機(jī)微型無人機(jī)特種機(jī)器人（二）豹式排雷機(jī)器人“徘徊者”偵察機(jī)器人“手推車”機(jī)器人機(jī)器人助手44第一章機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用概述特種機(jī)器人（三）足球機(jī)器人AIBO機(jī)器狗指揮機(jī)器人迎賓機(jī)器人導(dǎo)盲機(jī)器人跳舞機(jī)器人醫(yī)療機(jī)器人45第一章機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用概述特種機(jī)器人（四）管內(nèi)機(jī)器人隧道鑿巖機(jī)器人大型噴漿機(jī)器人室外保安機(jī)器人德國排爆機(jī)器人消防機(jī)器人防暴機(jī)器人46第一章機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用概述4、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(jī)器人按預(yù)定的不變順序及條件，依次控制機(jī)器人的機(jī)械動作?？勺冺樞驒C(jī)器人按預(yù)定的順序及條件，依次控制機(jī)器人的機(jī)械動作。但順序和條件可作適當(dāng)改變。示教再現(xiàn)型機(jī)器人通過手動或其它方式，先引導(dǎo)機(jī)器人動作，記錄下工作程序，機(jī)器人則自動重復(fù)進(jìn)行作業(yè)。數(shù)控型機(jī)器人不必使機(jī)器人動作，通過數(shù)值、語言等為機(jī)器人提供運動程序，能進(jìn)行可變程伺服控制。感知型機(jī)器人利用傳感器獲取的信息控制機(jī)器人的動作。機(jī)器人對環(huán)境有一定的適應(yīng)性。智能機(jī)器人機(jī)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47第一章機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用概述按機(jī)器人的性能指標(biāo)分類機(jī)器人按照結(jié)構(gòu)形態(tài)、負(fù)載能力和動作空間可類如下。⑴超大型機(jī)器人超大型機(jī)器人的負(fù)載能力為1000kg以上。⑵大型機(jī)器人大型機(jī)器人的負(fù)載能力為100—1000kg，作業(yè)空間為10m2以上。⑶中型機(jī)器人中型機(jī)器人的負(fù)載能力為10—100kg，作業(yè)空間為l一10m2。⑷小型機(jī)器人小型機(jī)器人的負(fù)載能力為0.1—10kg，作業(yè)空間為0.1一lm2。⑸超小型機(jī)器人超小型機(jī)器人的負(fù)載能力為0.1kg以下，作業(yè)空間為0.1