第一讲_第1章绪论机器人.ppt

机器人工学 南通大学机械工程学院机械电子工程教研室 教学内容基于工业机器人 在机器人的结构与运动分析方面作较深入的讲解 故名 工学 兼顾介绍一般机器人 简单介绍大学生机器人大赛 一些实际的机器人研究项目 观察参与机器人实验 第一章绪论 1 机器人定义及其工作环境 2 机器人基本组成及技术参数 3 机器人的分类及应用 1机器人定义及工作环境 机器人 robot 一词来源于1920年捷克作家卡雷尔 查培克所编写的戏剧中塑造一个具有人的外形 特征和功能 愿为人服务的机器奴仆 robota 一 机器人的发展 定义及特点 1 机器人的由来与发展 1 幻想时期公元前3世纪 古希腊发明家戴达罗斯用青铜为克里特岛国王迈诺斯塑造了一个守卫宝岛的青铜卫士塔罗斯 我国东汉时期张衡发明的指南车 三国时期诸葛亮的木牛流马是世界上最早的机器人雏形 2 自动机械时期公元1768 1774年间 瑞士钟表匠德罗斯父子三人 设计制造出三个像真人一样大小的机器人 写字偶人 绘图偶人和弹风琴偶人 公元1893年 加拿大摩尔设计的行走机器人 安德罗丁 采用蒸汽作为动力 3 现代成形时期1954年 美国人乔治 德沃尔设计了第一台电子程序可编的工业机器人 并于1961年发表了该项机器人专利 1961年美国万能自动化 Unimation 公司的第一台机器人Unimate在美国通用汽车公司 GM 投入使用 这标志着第一代机器人的诞生 工业机器人是最早出现的一种机器人 顾名思义是在工业生产上应用的机器人 曾经 以日本为代表的汽车制造业需要大量劳力 为节省成本 适应大批量快速生产的要求 工业机器人得到迅猛发展 直至今天 1 日本成为机器人生产大国 美国为机器人研究大国2 机器人产业迅速发展3 机器人的应用遍及各领域4 机器人学兴起5 机器人向智能化发展 一些机器人的演示 我曾经做过的视觉伺服机器人 几个误区需要说明 1 当今机器人虽然得到了快速发展 但距离人的智能还有巨大差距 2 电影中呈现的高度智能机器人目前还远未实现 电影只是采用动画 电脑特技形式在画面上看上去如此 没有实物形式 3 目前的智能相对高的机器人主要还是设计者事先编制好程序 调试完毕的规定性动作或者使机器人在一定范围内能自主完成的某些动作 故而机器人智能发展仍然任重道远 国际上 关于机器人的定义主要有以下几种 1 英国简明牛津字典的定义 机器人是 貌似人的自动机 具有智力和顺从于人的但不具人格的机器 2 美国工业机器人协会 RIA 的定义 工业机器人是 一种用于进行搬运材料 零件 工具等可再编程的多功能机械手 或通过不同程序的调用来完成各种工作任务的特种装置 2 机器人的定义 3 日本工业机器人协会 JIRA 的定义 工业机器人是 一种装备有记忆装置和末端执行器 endeffector 的 能够转动并通过自动完成各种移动来代替人类劳动的通用机器 分两种情况来定义 工业机器人是 一种能够执行与人的上肢 手和臂 类似动作的多功能机器 智能机器人是 一种具有感觉和识别能力 并能够控制自身行为的机器 4 美国国家标准局 NBS 的定义 机器人是 一种能够进行编程并在自动控制下执行某些操作和移动作业任务的机械装置 5 国际标准化组织 ISO 的定义 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 以执行种种任务 目前没有统一的定义 6 关于我国机器人的定义 随着机器人技术的发展 我国也面临讨论和制订关于机器人技术的各项标准问题 其中包括对机器人的定义 蒋新松院士曾建议把机器人定义为 一种拟人功能的机械电子装置 amechantronicdevicetoimitatesomehumanfunctions 机器人的准确定义存在困难 而且其定义也随着时代在变化 这里简单地把具有下述性质的机器看作是机器人 代替人进行工作 工作的自主性 机器人能像人那样使用工具和机械 在一定程度上可以自主完成任务 3 机器人的基本特征 与一般的自动化设备相区别 有通用性 工作的适应性 既可简单地变换所进行的作业 又能按照工作状况的变化相应地进行工作 一般的玩具机器人不能说有通用性 与只具备某单一仿人能力的简单装置相区别 直接对外界做工作 不仅是像计算机那样进行计算 而且能依据计算结果对外界产生作用 实施一系列动作 与只具备 思考 能力的机器相区别 工业机器人最显著的特点 1 可编程 2 拟人化 3 通用性 4 机电一体化 1950美国科幻作家Assimov 提出 机器人三守则 1 机器人必须不危害人类 也不允许它眼看人将受害而袖手旁观 2 机器人必须绝对服从人类 除非这种服从有害于人类 3 机器人必须保护自身不受伤害 除非为了保护人类或是人类命令它作出牺牲 二 工业机器人与环境交互 1 与硬件环境的交互主要是与外部设备的通信 工作域中障碍和自由空间的描述 操作对象物的描述 2 与软件环境的交互主要是与生产单元监控计算机所提供的管理信息系统的通信 机器人所具备的功能不仅仅由其工作任务决定 还与其所处的环境有密切关系 不仅仅与已知外部环境进行交互 还需要对未知的环境或者变化作出自适应的调整 与环境交互涉及传感与控制技术 预先掌握机器人面临的环境变化设计好相应的机械结构与系统布局来应对 2机器人基本组成及技术参数 一 机器人基本组成 机器人系统不仅由机器人组成 还需要其他装置和系统连同机器人一起来共同完成必需的任务 在讲述前先看一些机器人的图片 工业机器人系统由三大部分六个子系统组成 三大部分是 机械部分 传感部分 控制部分 六个子系统是 驱动系统 机械结构系统 感受系统 机器人 环境交互系统 人机交互系统 控制系统 另一种结构表达 机械结构系统由如下部件构成 机身 机器人的主体支撑部分 上面有各种关节与机械臂或腿等其他结构部件相连 机械臂或移动车 机器人的主体部分 由连杆 活动关节以及其他结构部件构成 末端执行器 连接在机器人最后一个关节上的部件 一般用它来抓取物体 与其他机构连接并执行需要的任务 机器人制造商一般不设计或出售末端执行器 仅会提供一个简单的抓持器 而由用户自行设计所需的末端执行器 图1 3 机器人软件 1 操作系统 具有复杂传感系统的机器人一般需要操作系统来管理 图像处理系统本身也有个操作系统 2 机器人软件 它根据机器人的运动方程 机器人运动学分析 计算每一个关节的必要动作 然后将这些信息传送到控制器 C 是目前功能比较强大的开放性机器人软件编写语言 机器人产品自身的编程语言 3 例行程序集合和应用程序 它们是为了使用机器人外部设备而开发的 或者是为了执行特定任务而开发的 相当于子程序 4 接口程序 类似于计算机的驱动程序 通信用的接口程序等 软件设计的如何是机器人成败的关键 二 主要技术参数 1 自由度自由度是指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目 不应包括手爪 末端操作器 的开合自由度 与机械原理中的机构自由度的关系 在三维空间中描述一个物体的位置和姿态 简称位姿 需要六个自由度 但是 工业机器人的自由度是由不同的关节为满足用途而设计的 可能小于六个自由度 也可能大于六个自由度 以平面三自由度 四自由度为例另外讲解自由度 约束 冗余之间的关系 2 重复定位精度 工业机器人精度指定位精度和重复定位精度 定位精度是指机器人手部实际到达位置与目标位置之间的差异 重复定位精度是指机器人重复定位其手部于同一目标位置的能力 重复度 3 工作范围 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 安全工作区域 护拦 4 最大工作速度5 承载能力 指机器人在工作范围内的任何位姿 位置和姿态 上所能承受的最大质量 3机器人的分类及应用 一 按工业机器人的几何结构分类1 五种基本坐标式机器人 2 柱面坐标机器人 图1 8b 5 平面关节式机器人 图1 9 SCARA 选择性柔顺装配机器人臂 1 直角坐标机器人 图1 8a 3 球面坐标机器人 图1 8c 4 关节坐标机器人 图1 8d 一 机器人的分类 一般按照结构或功能 用途 分类 2 两种冗余自由度结构机器人 3 模块化结构机器人 工业机器人模块化的主要含义是机器人由一些可供选择的标准化模块拼装而成的 标准化模块是具有标准化接口的机械结构模块 驱动模块 控制模块 传感器模块 并已经系列化 模块化机器人的优点主要有 1 制造及应用上的灵活性和经济性 制造厂商能使用较大批量的先进制造技术生产易装配的不同规格的整件模块 以最经济的价格供应给用户 用户能根据生产作业的需要容易地选择或改变机器人的组成 可增减机器人自由度 2 用具有更好性能的模块来替代旧模块 使服役机器人容易地 经济地更新换代 4 并联机器人 二 按机器人的控制方式分类分为非伺服机器人和伺服机器人 1 非伺服机器人non servorobots如传统示教再现的工业机器人较多是这一类 2 伺服控制机器人servo controlledrobots 点位伺服控制PTP pointtopointcontrol 连续路径控制CP continuouspathcontrol 三 按机器人的智能程度分类 1 一般机器人 不具有智能 只具有一般编程能力操作功能 2 智能机器人 具有不同程度的智能 传感型机器人 具有利用传感信息 视觉 听觉 触觉 接近觉 力觉和红外 超生及激光等 进行传感信息处理 实现控制与操作的能力 能力风暴 交互型机器人 机器人通过计算机系统与操作员或程序员进行人 机对话 实现对机器人的控制与操作 自主型机器人 在设计制作之后 机器人无需人的干预 能够在各种环境下自动完成各项拟人任务 机器人足球 火星探索机器人 柔性加工系统 四 按机器人的用途分类 1 工业机器人 2 探索机器人 3 服务机器人 4 军事机器人 五 按机器人的移动性分类 1 固定式机器人 2 移动式机器人 按行走机构分轮式机器人履带式机器人步行机器人 又分为 单足 双足 四足 六足和八足 六 按机器人研究 开发和实用化的进程分类1 第一代机器人第一代机器人具有示教再现功能 或具有可编程的NC装置 但对外部信息不具备反馈能力 2 第二代机器人第二代机器人不仅具有内部传感器而且具有外部传感器 能获取外部环境信息 3 第三代机器人第三代机器人具有多种智能传感器 能感知和领会外部环境信息 包括具有理解像人下达的语言指令这样的能力 能进行学习 具有决策上的自治能力 二 工业机器人的应用领域及优点 一 工业机器人的应用领域三个方面 1 恶劣工作环境 危险工作场合