机器人_第1章_绪论

1、机器人技术概论机器人技术概论1课程指南课程指南p课程名称：课程名称：p机器人技术概论机器人技术概论/ Review of Robotics Technologyp32学时，学时，2学分学分p行课安排：为第行课安排：为第1周周 - 第第16周周p课堂学习：教师主讲课堂学习：教师主讲+学生演讲方式。学生演讲方式。p完成课外作业，整理成报告。完成课外作业，整理成报告。p考核及成绩评定方式：考核及成绩评定方式：p（1）出勤，占总成绩的）出勤，占总成绩的30；（；（2）课堂演讲和作业，占总成）课堂演讲和作业，占总成绩绩20；（；（3）考试，占总成绩）考试，占总成绩50。p教教 材：材：PPT课件、自编讲

2、义、课件、自编讲义、机器人学基础机器人学基础2参考文献参考文献蔡自兴蔡自兴 机器人学基础机器人学基础 机械工业出版社机械工业出版社蔡自兴蔡自兴机器人学机器人学清华大学出版社清华大学出版社熊有伦熊有伦 机器人技术基础机器人技术基础 华中科技大学出版社华中科技大学出版社(美美)John J.Craig 机器人学导论机器人学导论机械工业出版社机械工业出版社(日日)白井良明白井良明 机器人工程机器人工程科学出版社科学出版社秦志刚秦志刚 AVR单片机与小型机器人制作单片机与小型机器人制作电子工业出电子工业出版社版社3v 机器人的数学基础机器人的数学基础v 机器人运动学机器人运动学v 机器人动力学机器人动

3、力学课程内容课程内容v 机器人的感觉机器人的感觉v 机器人的控制机器人的控制 4课程概述课程概述在机器人研究中，我们通常在三维空间中研究物体的位置。这些物体可用两个非常重要的特性来描述：位置和姿态。我们会首先研究如何用数学数学的方法表示和计算这些参量。这些数学知识为研究机器人的运动学、动力学和控制建模提供必备的数学工具。运动学运动学研究物体的运动，而不考虑引起这种运动的力。主要从几何学的观点来处理手指位置与关节变量的关系。在运动学中，我们研究位置r、速度 、加速度 和位置变量对于时间和其它变量的高阶微分。其中，正运动学方程描述各个关节变量在工具坐标系与基坐标系间的函数关系；逆运动学通过给定工具

4、坐标系的位置和姿态，计算各个关节变量。rr5机器人与外界环境相互作用时，在接触的地方要产生力机器人与外界环境相互作用时，在接触的地方要产生力 和力和力矩矩 ，统称为操作力矢量，统称为操作力矢量F 。n个关节的驱动力（或力矩）组成个关节的驱动力（或力矩）组成的的n维矢量，称为关节力矢量维矢量，称为关节力矢量 。静力学静力学研究在静态平衡状态研究在静态平衡状态下，操作力向关节力映射存在着的线性关系。即在机器人的下，操作力向关节力映射存在着的线性关系。即在机器人的手爪接触环境时，在静止状态下处理手爪力手爪接触环境时，在静止状态下处理手爪力F与驱动力与驱动力的关的关系系动力学动力学研究机器人各关节变量

5、对时间的一阶导数、二阶导数研究机器人各关节变量对时间的一阶导数、二阶导数与各执行器驱动力或力矩之间的关系，即考虑在机器人的动与各执行器驱动力或力矩之间的关系，即考虑在机器人的动作中，关节驱动力作中，关节驱动力会产生怎样的关节位置会产生怎样的关节位置、关节速度、关节速度 、关节加速度关节加速度 。对于动力学来说，除了与连杆长度有关之外，还与各连杆的对于动力学来说，除了与连杆长度有关之外，还与各连杆的质量，绕质量中心的惯性矩，连杆的质量中心与关节轴的距质量，绕质量中心的惯性矩，连杆的质量中心与关节轴的距离有关。离有关。67机器人的机器人的感觉感觉主要介绍产生机器人的力觉、视觉、触觉主要介绍产生机器

6、人的力觉、视觉、触觉、接近觉等相关的传感器。、接近觉等相关的传感器。机器人的机器人的控制控制在前面的基础上设计位置控制系统，讨论在前面的基础上设计位置控制系统，讨论控制算法及给机器人编程等。控制算法及给机器人编程等。8第一章第一章 机器人基本知识机器人基本知识一 机器人的概念二 机器人的发展三 机器人的应用四 机器人的分类五 工业机器人常用术语9一、机器人的概念什么是机器人？一般的理解：机器人是具有一些类似人的功能的机械电子装置或者叫自机器人是具有一些类似人的功能的机械电子装置或者叫自动化装置，它是个机器。动化装置，它是个机器。特点：有类人的功能。作业功能；感知功能；行走功能；能完成各种动作有

7、类人的功能。作业功能；感知功能；行走功能；能完成各种动作.根据人的编程能自动的工作。通过编程改变它的工作、动作、工作的对根据人的编程能自动的工作。通过编程改变它的工作、动作、工作的对象和工作的一些要求。象和工作的一些要求。是人造的机器或机械电子装置，仍然是个机器是人造的机器或机械电子装置，仍然是个机器 上世纪上世纪60年代，可实用机械机器人被年代，可实用机械机器人被称为工业机器人；上世纪称为工业机器人；上世纪80年代到现在，正越来越向智能化方向发展。年代到现在，正越来越向智能化方向发展。因此，因此，10一、机器人的概念机器人的定义：国际上对机器人的定义很多机器人的定义：国际上对机器人的定义很多

8、 The Webster dictionary (Webster, 1993) : “An automatic device that performs functions normally ascribed to humans or a machine in the form of a human.” 一个自动化设备，它一个自动化设备，它能执行通常由人执行的任务；或一个人型的机器能执行通常由人执行的任务；或一个人型的机器 美国机器人学会（美国机器人学会（The Robot Institute of America，1979) : “A reprogrammable, multifunctio

9、nal manipulator designed to move materials, parts, tools, or specialized devices through various programmed motions for the performance of a variety of tasks.” 一一个可再编程的多功能操作器，用来移动材料、零部件、工具等；或个可再编程的多功能操作器，用来移动材料、零部件、工具等；或一个通过编程用于完成各种任务的专用设备。一个通过编程用于完成各种任务的专用设备。 ISO，1987：工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能，能完成各种作工

10、业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能，能完成各种作业的可编程操作机。业的可编程操作机。11从完整的更为深远的机器人定义来看，应该更强调机器人智能，因此，机器从完整的更为深远的机器人定义来看，应该更强调机器人智能，因此，机器人的定义是能够感知环境，能够有学习、情感和对外界一种逻辑判断思维的人的定义是能够感知环境，能够有学习、情感和对外界一种逻辑判断思维的机器。机器。一、机器人的概念12131414机器人系统的结构机器人系统的结构一个机器人系统，一般由机械手、环境、任务和控制器四个互相一个机器人系统，一般由机械手、环境、任务和控制器四个互相作用的部分组成作用的部分组成图 机器人系统的基本结构

11、1515机器人系统的结构机器人系统的结构机械手机械手环境环境环境即指机器人所处的周围环境。环境不仅由几何条件（可达空间）所决定，而且由环境和它所包含的每个事物的全部自然特性所决定的。 图1.2 机械手的几何结构简图 1616机器人系统的结构机器人系统的结构任务任务任务定义为环境的两种状态（初始状态和目标状态）间的差别。 控制器控制器机器人接收来自传感器的信号，对之进行数据处理，并按照预存信息、机器人的状态及其环境情况等，产生出控制信号去驱动机器人的各个关节。 17机器鱼机器鱼“自由泳自由泳”“过龙门过龙门”在水中在水中“戏球戏球 ”自主地避开障碍物自主地避开障碍物我我国国研研制制的的排排爆爆机

12、机器器人人18一、机器人的概念机器人的外型不一定像人机器人的外型不一定像人机器人技术是集机械学、力学、电子学、机器人技术是集机械学、力学、电子学、 生物生物学、控制论、人工智能、系统工程等多种学科于学、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一体的综合性很强的新技术19二、机器人的发展19541954年，美国人年，美国人G.Devol G.Devol 和和J.EnglebergerJ.Engleberger设设计了一台可编程的机器人计了一台可编程的机器人19611961年，他们生产了世界上第一台工业机器人年，他们生产了世界上第一台工业机器人“Unimates”“Unima

13、tes”，并获得了专利并获得了专利19621962年，年，Engleberger Engleberger 成立了成立了UnimationUnimation公司公司，他被称为，他被称为“机器人之父机器人之父”日本从上世纪日本从上世纪7070年代中后期开始开发工业机器年代中后期开始开发工业机器人，人，1515年后就成为产量最多、应用最广的世界年后就成为产量最多、应用最广的世界工业机器人工业机器人“王国王国”。 Unimates 机器人20二、机器人的发展1978年 美国Unimation公司推出通用工业机器人PUMA，这标志着工业机器人技术已经完全成熟。PUMA至今仍然工作在工厂第一线。21198

14、4年年 英格伯格再推机器人英格伯格再推机器人Helpmate，这种机器人能在医院里，这种机器人能在医院里为病人送饭、送药、送邮件。同年，他还预言：为病人送饭、送药、送邮件。同年，他还预言：“我要让机器人我要让机器人擦地板，做饭，出去帮我洗车，检查安全擦地板，做饭，出去帮我洗车，检查安全”。1998年年 丹麦乐高公司推出机器人丹麦乐高公司推出机器人(Mind-storms)套件，让机器人套件，让机器人制造变得跟搭积木一样，相对简单又能任意拼装，使机器人开始制造变得跟搭积木一样，相对简单又能任意拼装，使机器人开始走入个人世界。走入个人世界。1999年年 日本索尼公司推出犬型机器人爱宝日本索尼公司推

15、出犬型机器人爱宝(AIBO)，当即销售一，当即销售一空，从此娱乐机器人成为目前机器人迈进普通家庭的途径之一。空，从此娱乐机器人成为目前机器人迈进普通家庭的途径之一。2002年年 丹麦丹麦iRobot公司推出了吸尘器机器人公司推出了吸尘器机器人Roomba，它能避，它能避开障碍，自动设计行进路线，还能在电量不足时，自动驶向充电开障碍，自动设计行进路线，还能在电量不足时，自动驶向充电座。座。Roomba是目前世界上销量最大、最商业化的家用机器人。是目前世界上销量最大、最商业化的家用机器人。2006年年 6月，微软公司推出月，微软公司推出Microsoft Robotics Studio，机器，机器

16、人模块化、平台统一化的趋势越来越明显，比尔人模块化、平台统一化的趋势越来越明显，比尔盖茨预言，家盖茨预言，家用机器人很快将席卷全球用机器人很快将席卷全球22二、机器人的发展主要机器人厂家主要机器人厂家日本：日本：MotomanMotoman、OTCOTC、PanasonicPanasonic、FANUCFANUC等等美国：美国：AdeptAdept等等欧洲：奥地利欧洲：奥地利IGMIGM、德国德国CLOOSCLOOS、KUKAKUKA、瑞典瑞典ABBABB韩国：韩国：HYUNDAIHYUNDAI沈阳新松沈阳新松 首钢莫托曼首钢莫托曼 上海上海ABBABBFANUC23为什么要发展机器人？为什么

17、要发展机器人？简单说，机器人有三个方面是我们必要去发展的理由：简单说，机器人有三个方面是我们必要去发展的理由：一个是机器人一个是机器人做人不愿意做的事做人不愿意做的事，把人从有毒的、有害的、高温，把人从有毒的、有害的、高温的或危险的，这样的环境中解放出来，的或危险的，这样的环境中解放出来，机器人可以机器人可以做人做不好的事做人做不好的事，比方说在汽车生产线上工人天天拿，比方说在汽车生产线上工人天天拿着一百多公斤的焊钳，一天焊几千个点，做重复性的劳动，一方着一百多公斤的焊钳，一天焊几千个点，做重复性的劳动，一方面他很累，但是产品的质量仍然很低；面他很累，但是产品的质量仍然很低；另一方面另一方面机

18、器人做人做不了的事机器人做人做不了的事，这也是非常重要的机器人发展，这也是非常重要的机器人发展的一个理由，比方说人们对太空的认识，人上不去的时候，叫机的一个理由，比方说人们对太空的认识，人上不去的时候，叫机器人上天，上月球，以及到海洋，进入到人体的小机器人，以及器人上天，上月球，以及到海洋，进入到人体的小机器人，以及在微观环境下，对原子分子进行搬迁的机器人，都是人们不可达在微观环境下，对原子分子进行搬迁的机器人，都是人们不可达的工作。上述方面的三个问题，也就是说机器人发展的三个理由的工作。上述方面的三个问题，也就是说机器人发展的三个理由。 24机器人发展的三个阶段机器人发展的三个阶段u第一代机

19、器人，也叫示教再现型机器人，它是通过一个计算机第一代机器人，也叫示教再现型机器人，它是通过一个计算机，来控制一个多自由度的一个机械，通过示教存储程序和信息，来控制一个多自由度的一个机械，通过示教存储程序和信息，工作时把信息读取出来，然后发出指令，机器人可以重复的根据工作时把信息读取出来，然后发出指令，机器人可以重复的根据人当时示教的结果，再现出这种动作，比方说汽车的点焊机器人人当时示教的结果，再现出这种动作，比方说汽车的点焊机器人，它只要把这个点焊的过程示教完以后，它总是重复这样一种工，它只要把这个点焊的过程示教完以后，它总是重复这样一种工作，它对于外界的环境没有感知，这个力操作力的大小，这个

20、工作，它对于外界的环境没有感知，这个力操作力的大小，这个工件存在不存在，焊的好与坏，它并不知道，第一代机器人存在这件存在不存在，焊的好与坏，它并不知道，第一代机器人存在这种缺陷。种缺陷。u在在20世纪世纪70年代后期，人们开始研究第二代机器人，叫带感年代后期，人们开始研究第二代机器人，叫带感觉的机器人，这种带感觉的机器人是类似人在某种功能的感觉，觉的机器人，这种带感觉的机器人是类似人在某种功能的感觉，比如说力觉、触觉、滑觉、视觉、听觉和人进行相类比，有了各比如说力觉、触觉、滑觉、视觉、听觉和人进行相类比，有了各种各样的感觉，比方说在机器人抓一个物体的时候，它实际上力种各样的感觉，比方说在机器人

21、抓一个物体的时候，它实际上力的大小能感觉出来，它能够通过视觉，能够去感受和识别它的形的大小能感觉出来，它能够通过视觉，能够去感受和识别它的形状、大小、颜色。抓一个鸡蛋，它能通过一个触觉，知道它的力状、大小、颜色。抓一个鸡蛋，它能通过一个触觉，知道它的力的大小和滑动的情况。的大小和滑动的情况。25第三代机器人，是机器人学中一个理想的所追求的最高级第三代机器人，是机器人学中一个理想的所追求的最高级的阶段，叫智能机器人，只要告诉它做什么，不用告诉它的阶段，叫智能机器人，只要告诉它做什么，不用告诉它怎么去做，它就能完成运动，感知思维和人机通讯的这种怎么去做，它就能完成运动，感知思维和人机通讯的这种功能

22、和机能，这个目前的发展还是相对的只是在局部有这功能和机能，这个目前的发展还是相对的只是在局部有这种智能的概念和含义，但真正完整意义的这种智能机器人种智能的概念和含义，但真正完整意义的这种智能机器人实际上并没有存在，而只是随着我们不断的科学技术的发实际上并没有存在，而只是随着我们不断的科学技术的发展，智能的概念越来越丰富，它内涵越来越宽。展，智能的概念越来越丰富，它内涵越来越宽。26三、机器人的应用20002000年，统计数据表明，全世界工业机器人总量为年，统计数据表明，全世界工业机器人总量为757,000757,000台，其中台，其中 日本，日本，402,200402,200台台 美国，美国，

23、 92,900 92,900台台 德国，德国， 81,200 81,200台台 新加坡，新加坡，5,3005,300台台 台湾，台湾， 6,400 6,400台台这些机器人中这些机器人中4545为焊接机器人（点焊、弧焊）为焊接机器人（点焊、弧焊）我国大陆地区工业机器人用户我国大陆地区工业机器人用户700700多家，拥有工业机器人约多家，拥有工业机器人约35003500台，其中台，其中焊接机器人约焊接机器人约10001000台。台。我国机器人应用发展较快，我国机器人应用发展较快，19961996年我国焊接机器人仅为年我国焊接机器人仅为500500台，目前以每台，目前以每年年3030以上的速度增长

24、。以上的速度增长。27三、机器人的应用目前为止，工业机器人是最成熟，应用最广泛的一类机器人。目前为止，工业机器人是最成熟，应用最广泛的一类机器人。点焊机器人，主要是针对汽车生产线，提高生产效率，提高汽车点焊机器人，主要是针对汽车生产线，提高生产效率，提高汽车焊接的质量，降低工人的劳动强度的一种机器人。它的特点是通焊接的质量，降低工人的劳动强度的一种机器人。它的特点是通过机器人对两个钢板进行点焊的时候，需要承载一个很大的焊钳过机器人对两个钢板进行点焊的时候，需要承载一个很大的焊钳，一般在几十公斤以上，它的速度要求在每秒钟一米五到两米的，一般在几十公斤以上，它的速度要求在每秒钟一米五到两米的高速运

25、动，一般有五到六个自由度，负载三十到一百二十公斤，高速运动，一般有五到六个自由度，负载三十到一百二十公斤，工作的空间为两米左右球形的工作空间。工作的空间为两米左右球形的工作空间。28第二类是服务机器人，随着工业化的发展，尤其近十年以来，机第二类是服务机器人，随着工业化的发展，尤其近十年以来，机器人的发展的应用领域在不断拓宽，目前一个很重要的特征，大器人的发展的应用领域在不断拓宽，目前一个很重要的特征，大家都知道，机器人已经从制造业逐渐转向了非制造业和服务行业家都知道，机器人已经从制造业逐渐转向了非制造业和服务行业，汽车制造属于是制造业，但服务行业包括清洁、加油、救护、，汽车制造属于是制造业，但

26、服务行业包括清洁、加油、救护、抢险、救灾这些等等，都属于非制造行业和服务行业，这里边跟抢险、救灾这些等等，都属于非制造行业和服务行业，这里边跟工业机器人相比，它有一个很重要的不同，它主要是一个移动平工业机器人相比，它有一个很重要的不同，它主要是一个移动平台，它能够移动、去运动，上面有一些手臂进行操作，同时还装台，它能够移动、去运动，上面有一些手臂进行操作，同时还装有一些像力觉传感器和视觉传感器、超声测距传感器等等。它对有一些像力觉传感器和视觉传感器、超声测距传感器等等。它对周边的环境进行识别，来判断它的运动，完成某种工作，这是服周边的环境进行识别，来判断它的运动，完成某种工作，这是服务机器人的

27、基本的一个特点。务机器人的基本的一个特点。29四、机器人的分类机器人分类方法很多机器人分类方法很多按照技术水平划分：按照技术水平划分： 第一代：示教再现型，具有记忆能力。目前，绝大部分应用中的工业第一代：示教再现型，具有记忆能力。目前，绝大部分应用中的工业机器人均属于这一类。缺点是操作人员的水平影响工作质量。机器人均属于这一类。缺点是操作人员的水平影响工作质量。 第二代：初步智能机器人，对外界有反馈能力。部分已经应用到生产第二代：初步智能机器人，对外界有反馈能力。部分已经应用到生产中。中。 第三代：智能机器人，具有高度的适应性，有自行学习、推理、决策第三代：智能机器人，具有高度的适应性，有自行

28、学习、推理、决策等功能，处在研究阶段。等功能，处在研究阶段。30四、机器人的分类按照机械手的几何结构按照机械手的几何结构划分：划分： 柱面坐标型柱面坐标型 关节球面坐标型关节球面坐标型 球面坐标型球面坐标型 全关节型全关节型3131 按机器人的控制方式分按机器人的控制方式分非伺服机器人（非伺服机器人（Non-servo robotsNon-servo robots） 图 有限顺序机器人方块图1.2.4 机器人的分类四、机器人的分类3232伺服控制机器人（伺服控制机器人（Servo-controlled robotsServo-controlled robots） 图 伺服控制机器人方块图33四

29、、机器人的分类按驱动方式划分：按驱动方式划分： 气压驱动（压缩空气）气压驱动（压缩空气） 液压驱动（重型机器人，如搬运、点焊机器人）液压驱动（重型机器人，如搬运、点焊机器人） 电驱动（电动机），应用最多电驱动（电动机），应用最多34四、机器人的分类按照应用领域划分：按照应用领域划分：工业机器人，面向工业领域的多关节机械手或多自由度工业机器人，面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。机器人。特种机器人，用于非制造业的各种机器人，服务机器人特种机器人，用于非制造业的各种机器人，服务机器人、水下机器人、农业机器人、军用机器人等、水下机器人、农业机器人、军用机器人等35四、机器人的分类华宇华宇I

30、I型弧焊机器人型弧焊机器人36四、机器人的分类弧焊机器人弧焊机器人 点焊机器人点焊机器人37四、机器人的分类伐根机器人伐根机器人 摘果机器人摘果机器人38四、机器人的分类擦玻璃机器人擦玻璃机器人 无人潜水器无人潜水器39四、机器人的分类排爆机器人排爆机器人 外科手术机器人外科手术机器人40四、机器人的分类双足仿人机器人双足仿人机器人 球机器人球机器人41关节（关节（Joint）：即运动副，允许机器人手臂各零件之间发生：即运动副，允许机器人手臂各零件之间发生相对运动的机构。相对运动的机构。五、工业机器人常用术语连杆连杆（Link）：）：机器人手臂上被相邻机器人手臂上被相邻两关节分开的部分。两关节

31、分开的部分。42自由度（自由度（Degree of freedom） ：或者称坐标轴数，是指描述：或者称坐标轴数，是指描述物体运动所需要的独立坐标数。手指的开、合，以及手指关物体运动所需要的独立坐标数。手指的开、合，以及手指关节的自由度一般不包括在内。节的自由度一般不包括在内。刚度（刚度（Stiffness）：）：机身或臂部在外力作用下抵抗变形的能机身或臂部在外力作用下抵抗变形的能力。它是用外力和在外力作用方向上的变形量（位移）之比力。它是用外力和在外力作用方向上的变形量（位移）之比来度量。来度量。43自由度的概念是相对独立运动的部件的个数，就相当于我们人体自由度的概念是相对独立运动的部件的个数，就相当于我们人体，腰是一个回转的自由度，我们大臂可以抬起来，小臂可以弯曲，腰是一个回转的自由度，我们大臂可以抬起来，小臂可以弯曲，这是三个自由度，同时腕部还有一个调整姿态来使用的三个自，这是三个自由度，同时腕部还有一个调整姿态来使用的三个自由度，所以一般的机器人有六个自由度，就能把空间的三个位置由度，所以一般的机器人