机器人导论绪论

机器人导论 机械工程学院周渝斌 参考文献 蔡自兴 机器人学 清华大学出版社方建军何广平 智能机器人 化学工业出版社 机器人是什么 机器人是如何工作的 学生对机器人要掌握哪些内容 第一章绪论 1 1 1机器人名称的由来 About Robot 1921年 捷克作家KarelCapek科幻小说 罗素姆的万能劳工 UniversalRobot 剧中的人造劳动者取名为Robota 捷克语的意思是 苦力 奴隶 英语的Robot一词就是由此而来的 以后世界各国都用Robot作为机器人的代名词 第一节机器人的概念 机器人主要基于大规模生产考虑主要有以下两个原因 1 劳动强度2 尽量使用机器人完成简单 重复的作业以降低成本 1950年 Asimov在其出版的 我 机器人 一书中 给机器人定下了三原则 1 不伤害人类 2 在原则一下服从人给出的命令 3 在与上两个原则不矛盾的前提下保护自身 1 1 2机器人的定义 美国家标准局 NBS 一种能够进行编程并在自动控制下完成某些操作和移动作业任务或动作的机械装置 国际标准化组织 ISO 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 以执行各种任务 日本工业标准局 一种机械装置 在自动控制下 能够完成某些操作或者动作功能 英国 貌似人的自动机 具有智力的和顺从于人的但不具有人格的机器 中国 我国科学家对机器人的定义是 机器人是一种自动化的机器 这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力 如感知能力 规划能力 动作能力和协同能力 是一种具有高度灵活性的自动化机器 1 1 2机器人的定义 美国机器人协会 RIA 一种可以反复编程和多功能的 用来搬运材料 零件 工具的操作机 或者为了执行不同的任务而具有可改变的和可编程的动作的专门系统 Manipulator 机器人 所具有的二个共同点 是一种自动机械装置 可以在无人参与下 自动完成多种操作或动作功能 即具有通用性 可以再编程 程序流程可变 即具有柔性 适应性 1 1 3机器人的主要特点 1 通用性机器人的通用性取决于它的几何特性和机械能力 即指执行不同功能完成同一任务的能力和完成多样不同简单任务的能力 或者说在机械结构上允许机器人执行不同的任务或以不同的方式完成同一任务 决定通用性有两方面因素 一个是机器人自由度 另一个是末端执行器的结构和操作能力 2 适应性机器人的适应性是指其对环境的自适应能力 即要求所设计的机器人能够自我执行并适应未经完全指定的任务 而不管任务执行过程中是否发生了所没有预计到的环境变化 这一能力要求机器人具有人工知觉 即能感知周围环境 1 1 4机器人技术的发展进程 1920年捷克作家KarelCapek在科幻作品中引入了机器人慨念 1946年美国研制出了第一台计算机 1952年美国研制出了第一台数控机床 1954年麻省理工学院研制出了可编程机器人 这种机器人的主要技术功能就是 可编程 及 示教再现 1968年斯坦福研究所研制出了智能机器人 由传感器组成感觉系统 可作适当决策 自主完成一些任务 智能机器人目前正处于发展阶段 美国是机器人的诞生地 比起号称 机器人王国 的日本起步至少要早五六年 经过30多年的发展 美国现已成为世界上的机器人强国之一 基础雄厚 技术先进 80年代中后期 随着各大厂家应用机器人的技术日臻成熟 第一代机器人的技术性能越来越满足不了实际需要 美国开始生产带有视觉 力觉的第二代机器人 并很快占领了美国60 的机器人市场 尽管美国在机器人发展史上走过一条重视理论研究 忽视应用开发研究的曲折道路 但是美国的机器人技术在国际上仍一直处于领先地位 其技术全面 先进 适应性也很强 具体表现在 1 性能可靠 功能全面 精确度高 2 机器人语言研究发展较快 语言类型多 应用广 水平高居世界之首 3 智能技术发展快 其视觉 触觉等人工智能技术已在航天 汽车工业中广泛应用 4 高智能 高难度的军用机器人 太空机器人等发展迅速 主要用于扫雷 布雷 侦察 站岗及太空探测方面 英国1967年英国HallAutomation公司研制出自己的机器人RAMP 从70年代末开始 英国政府转而采取支持态度 推行并实施了一系列支持机器人发展的政策和措施 法国不仅在机器人拥有量上居于世界前列 而且在机器人应用水平和应用范围上处于世界先进水平 德国工业机器人的总数占世界第三位 仅次于日本和美国 始终坚持技术应用和社会需求相结合的原则 德国看到了机器人等先进自动化技术对工业生产的作用 提出了1985年以后要向高级的 带感觉的智能型机器人转移的目标 经过近十年的努力 其智能机器人的研究和应用方面在世界上处于公认的领先地位 俄罗斯早在前苏联第九个五年计划 1970年 1975年 开始时 就把发展机器人列入国家科学技术发展纲领之中 到1975年 已研制出30个型号的120台机器人 经过20年的努力 前苏联的机器人在数量 质量水平上均处于世界前列地位 我国已在 七五 计划中把机器人列人国家重点科研规划内容 拨巨款在沈阳建立了全国第一个机器人研究示范工程 全面展开了机器人基础理论与基础元器件研究 十几年来 相继研制出示教再现型的搬运 点焊 弧焊 喷漆 装配等门类齐全的工业机器人及水下作业 军用和特种机器人 目前 示教再现型机器人技术已基本成熟 并在工厂中推广应用 我国自行生产的机器人喷漆流水线在长春第一汽车厂及东风汽车厂投入运行 日本在1967年由川崎重工业公司从美国Unimation公司引进机器人及其技术 建立起生产车间 并于1968年试制出第一台川崎的 尤尼曼特 机器人 按照日本产业机器人工业会常务理事米本完二的说法 日本机器人的发展经过了60年代的摇篮期 70年代的实用期 到80年代进人普及提高期 并正式把1980年定为 产业机器人的普及元年 开始在各个领域内广泛推广使用机器人 本田的ASIMO SONY的SDR 3X都是类人型智能机器人 可两腿行走 但行走时落地的一条腿总是伸不直 另一条腿落地时身体有点下蹲 看上去总是小心翼翼地 机器人动作不自然 人们总感觉它是异类 目前日本京都大学研制的机器人CHROINO在行走技术上略胜一筹 CHROINO身高35cm 有14个电动机驱动 重1kg 外表由塑料制成 它行走时 落地的一条腿膝盖绷得很直 跨步的一条腿膝盖自然弯曲 而且可以用一条腿站立 表演金鸡独立 CHROINO改正了不自然的步行姿势 让人更感到可爱 第二节机器人的分类 一 按发展程度分类1 第一代机器人 示教再现机器人 对环境没有感知能力 通过人进行遥控操作或按人事先编好的程序对机器人进行控制 使其自动重复完成某种操作 主要由夹持器 手臂 驱动器 控制器组成 控制方式较简单 用在线编程 即通过示教存贮信息 工作时读出这些信息 向执行机构发出指令 执行机构按指令再现示教的操作 2 第二代机器人 感觉型机器人 安装了简单的内 外传感器 感知其自身的速度 位置 应力 应变等物理参数 并通过闭环系统进行调整 通过视觉 力觉传感器感知外部环境 具有对一些外界信息进行反馈的能力 如力觉 触觉 视觉等 3 第三代机器人 智能机器人 具有多种感知功能 可进行复杂的逻辑思维 判断决策 在作业环境中独立行动 它是利用通过各种传感器 测量器等来获取环境的信息 然后利用智能技术进行识别 理解 推理并最后作出规划决策 能自主行动实现预定目标的高级机器人 二 按性能指标分类 如负载能力和作业空间 超大型机器人 大型机器人 中型机器人 小型机器人 超小型机器人 三 按开发内容和目的分类工业机器人 操纵型机器人 智能机器人 四 按结构型式分类关节型机器人 非关节型机器人 按应用分类工业机器人IndustrialRobot极限作业机器人娱乐机器人服务机器人工业机器人是指在工业中应用的一种能进行自动控制的 可重复编程的 多功能的 多自由度的 多用途的操作机 能搬运材料 工件或操持工具 用以完成各种作业 且这种操作机可以固定在一个地方 也可以在往复运动的小车上 类人机器人 水下机器人 自由度一般较多 具有更强的适应性和灵活性 但控制更复杂 成本更高 刚性较差 类人型机器人 仿狗机器人 蛇形机器人 特种机器人 六轮漫游机器人 仿鱼机器人 仿鸟机器人 六足漫游机器人 军用机器人 军用机器人 空间机器人 工业用机器人 服务机器人 无人飞机 娱乐机器人 弧焊机器人 点焊机器人 喷漆机器人 铆接机器人 直角坐标机器人 军用侦察机器人 火星车机器人 排雷机器人 灭火机器人 机器狗 墙壁清洗机器人 管内移动机器人 国防科大研制的我国第一台类人型机器人 先行者 国防科大研制的12关节空间运动型两足步行机器人 北航研制的三指灵巧手 轮 足混合式火星探测机器人 第三节一般工业机器人的基本组成与控制方式 一 工业机器人的应用领域及优点1 恶劣的工作环境及危险工作燃料自动交换机 2 特殊作于场合和极限作业航天飞机上的操作手臂 2 特殊作于场合和极限作业在狭小容器内进行检查修护等作业 3 自动化工作领域 焊接机器人焊接作业包括点焊和弧焊 是使用工业机器人最多的作业类型之一 喷涂机器人喷涂作业由于工作环境恶劣 特别是对人体有害 故发达国家大量使用了喷涂机器人 挪威生产的TRALLFA机器人是目前世界上用得最多的喷涂机器人 3 自动化工作领域 搬运机器人搬运物料的作业包括为机床上 下料 为自动生产线转运工件 搬运机器人和数控机床一起组成柔性加工系统 一条柔性生产线可配置几台至十几台搬运机器人 典型的搬运机器人有T3和FUNAC 装配机器人装配机器人用于装配作业是随着视觉系统的发展而发展起来的 PUMA700机器人是一种典型的装配用关节型机器人 机器人的优缺点 一 优点能不知疲倦 不厌其烦的持续工作 不会有心理问题 具有比人更高的精确度 速度 可以同时响应多个激励 可以在危险环境下工作 无需考虑生命保障或安全的需要 无需舒适的环境 如照明 空调 噪音隔离等 其感知系统及其附属设备具有某些人类所不具有的能力 二 缺点替代了工人 由此带来经济和社会问题 缺乏应急能力 灵活性 自适应能力还欠缺 设备费用开销较大 二 工业机器人的基本组成部件三大部分六个子系统机械部分 控制部分 传感部分 驱动系统主要指驱动机械系统的驱动装置 机械系统又称操作机或执行机构系统 它由一系列连杆 关节或其他形式的运动副所组成 机械系统通常包括机座 立柱 腰关节 臂关节 腕关节和手爪等 构成一个多自由度的机械系统 感知系统由内部传感器模块和外部传感器模块组成 获取内部和外部环境状态中有意义的信息 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完成规定的运动和功能 工业机器人 环境交互系统是实现工业机器人与外部环境中的设备相互联系和协调的系统 人机交互系统是使操作人员参与机器人控制并与机器人进行联系的装置 机器人的自由度1 刚体的自由度自由度 物体能够对坐标系进行独立运动的数目 任何空间刚体具有6个自由度 即可任意运动 2 机器人的自由度机器人靠末端执行器工作 末端执行器具有6个自由度 即可保证其灵活运动 3个位置 3个姿态自由度 3 自由度与机动性一般自由度越多 机器人越灵巧 三 工业机器人的技术参数 自由度是指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目 不包括手爪 末端执行器 的开合自由度 在三维空间中描述一个物体的位置和姿态 简称位姿 需要6个自由度 工业机器人的自由度是根据其用途而设计的 可能小于也可能大于6个自由度 从运动学的观点看 完成某一特定作业时具有多余自由度的机器人称为冗余自由度机器人 亦称冗余度机器人 滑动关节用P表示旋转关节用R表示球形关节用S表示机器人构型可以用系列的RPS来表示三滑动关节三旋转关节怎样表示 机器人的定位精度 机器人手部实际到达位置与目标的差异 精度主要依存于机械误差 控制算法误差与分辨率系统误差 分辨率和精度的区别 中心位置 重复定位精度是指各次不同位置平均值的偏差 是一种统计结果 反应机器人执行机构的稳定性 若重复定位精度为 0 2mm 则指所有的动作位置停止点均在以A为中心的左右0 2mm以内 工作范围是指机器人手臂末端或手腕中心所能到达的所有点的集合 也叫做工作区域 通常不包含末端机构死区 最大工作速度厂家不同对最大工作速度规定的内容亦有不同 有的厂家定义为工业机器人主要自由度上最大的稳定速度 有的厂家定义为手臂末端最大的合成速度 通常在技术参数中加以说明 高速对机构和材料的要求较高 承载能力承载能力是指机器人在工作范围内的任何位姿上所能承受的最大质量 承载能力不仅决定于负载的质量 且与机器人运行的速度和加速度的大小和方向有关 为安全起见 承载能力这一技术指标是指高速运行时的承载能力 通常 承载能力不仅指负载质量 且包括机器人末端执行器的质量 四工业机器人的坐标 1 直角坐标形式 3P型 又称笛卡儿 台架型坐标 是最简单的坐标形式 有3个自由度 通过3个相互垂直的轴线位移来改变手部的空间位置 该形式机器人的位置精度高 控制无耦合 简单 空间轨迹易于求解 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 直角坐标型机器人 2 圆柱坐标形式 R2P 圆柱坐标型机器人 有3个自由度 通过两个移动和一个转动关节实现手部空间位置的变化 圆柱坐标型机器人的位置精度仅次于