机器人第一章讲义

第一章概述第一章概述 1 1机器人的由来与发展机器人的由来与发展 一 机器人的由来一 机器人的由来 机器人机器人 robot 一词来自 一词来自 1920 年捷克作家卡雷尔年捷克作家卡雷尔 查培克的剧本查培克的剧本 罗萨姆的万能罗萨姆的万能 机器人机器人 剧中叙述了一个叫罗萨姆的公司把机器人它的名字叫罗伯特 也就是我们英文它的名字叫罗伯特 也就是我们英文 中的中的 Robot 作为人类生产的工业品推向市场 让它充当劳动力代替人类劳动的故事 引起了 人们的广泛关注 后来 这个故事就被当成了机器人的起源 机器人学机器人学 robotics 出自出自 1942 年美国科幻作家年美国科幻作家 Jsaac Asimov 的科幻小说的科幻小说 Runaround 1942 年 科学家兼作家年 科学家兼作家 Isaac Asimov 首次提出了机器人三大定律 首次提出了机器人三大定律 第一 机器人必须不危害人类 也不允许它眼看人将受危害而袖手旁观 第一 机器人必须不危害人类 也不允许它眼看人将受危害而袖手旁观 第二 机器人必须绝对服从人类 除非这与第一原则矛盾 第二 机器人必须绝对服从人类 除非这与第一原则矛盾 第三 机器人必须保护自身不受伤害 除非这与第一或第二原则相矛盾 第三 机器人必须保护自身不受伤害 除非这与第一或第二原则相矛盾 机器人一词虽出现得较晚 然而这一概念在人类的想象中却早已出现 人类希望制造 一种像人一样的机器 以便替人类完成各种工作 西周时期 我国的能工巧匠偃师就研制出了能歌善舞的伶人 西周时期 我国的能工巧匠偃师就研制出了能歌善舞的伶人 这是我国最早记载的具 备有机器人概念的文字资料 春秋后期 鲁班曾制造过一只木鸟 能在空中飞行春秋后期 鲁班曾制造过一只木鸟 能在空中飞行 三日不下三日不下 体现了我国劳动人民的 聪明智慧 东汉时代 著名科学家张衡不仅发明了地动仪 计里鼓车 而且发明了指南车 这些东汉时代 著名科学家张衡不仅发明了地动仪 计里鼓车 而且发明了指南车 这些 发明都是具有机器人构想的装置 发明都是具有机器人构想的装置 据记载 指南车行驶于前方 车厢正中间有个平放着的 大齿轮 即一个四十八齿的轮子 大齿轮中央有一平台 金童仙子立于此台上 左手拢于 胸前 右手平平举起 指向正南方 当车向左或向右转弯时 金童仙子也徐徐地转身 但 右手所指的方向却始终不变 张衡指南车是一种装有特殊的差速齿轮装置和指向器的单辕 双轮车 关于记里鼓车 计里鼓车每行一里 车上木人击鼓一下 每行十里击钟一下 原理是 车轱辘直径三尺二寸 张衡当时计算出的圆周率为 3 1466 车轱辘转一周 所走路程是一丈 也就是民间说的两步 自上古以来 里程就有明确的规定 三百步为一 里 也就是一百五十丈 车轱辘转动一百五十圈就是一里 附在车轱辘内壁上的是动力齿 轮 车轱辘转 它也转 动力轮再拨动大轮 转够一百五十圈时 就拨动一偏心轮 启动 旋风轮 就动着了小木人 它顺着旋风轮走下来 三国时期 诸葛亮成功地制造了木牛流马 用其运送粮草 并用其中的机关三国时期 诸葛亮成功地制造了木牛流马 用其运送粮草 并用其中的机关 牛舌牛舌 头头 巧胜司马懿 被后人传为佳话 巧胜司马懿 被后人传为佳话 木牛流马虽已失传 但其明显具有机器人的功能和结 构 木牛流马是什么样子 自古以来 说什么的都有 可是没有一种说法比较符合原状 我想其中的原因 在于搞历史的不通机械 而搞机械的又没有考证这些的习惯 1738 年 法国天才技师杰克年 法国天才技师杰克 戴戴 瓦克逊发明了一只机器鸭 瓦克逊发明了一只机器鸭 它会嘎嘎叫 会游泳和 喝水 还会进食和排泄 瓦克逊的本意是想把生物的功能加以机械化而进行医学上的分析 1773 年 瑞士的钟表匠杰克年 瑞士的钟表匠杰克 道罗斯和他的儿子利道罗斯和他的儿子利 路易路易 道罗斯连续推出了自动书写道罗斯连续推出了自动书写 玩偶 自动演奏玩偶等 玩偶 自动演奏玩偶等 他们创造的自动玩偶是利用齿轮和发条原理而制成的 它们有的 拿着画笔和颜色绘画 有的拿着鹅毛蘸墨水写字 结构巧妙 服装华丽 在欧洲风靡一时 由于当时技术条件的限制 这些玩偶其实是身高一米的巨型玩具 现在保留下来的最早的 机器人是瑞士努萨蒂尔历史博物馆里的少女玩偶 它制作于二百年前 两只手的十个手指 可以按动风琴的琴键而弹奏音乐 现在还定期演奏供参观者欣赏 展示了古代人的智慧 进入 20 世纪后 机器人的研究与开发得到了更多人的关心与支持 一些适用化的机 器人相继问世 1948 年 美国橡树岭国家实验室研制出能搬运核原料的遥控操纵机械手 年 美国橡树岭国家实验室研制出能搬运核原料的遥控操纵机械手 这是一种 主从型控制系统 系统中加入力反馈 可使操作者获知施加力的大小 主 从机械手之间 有防护墙隔开 操作者可通过观察窗或闭路电视对从机械手操作机进行有效的监视 主 从机械手系统的出现为机器人的产生以及近代机器人的设计与制造作了铺垫 1954 年 美国人设计了世界上第一台电子可编程机器人实验装置 发表了年 美国人设计了世界上第一台电子可编程机器人实验装置 发表了 适用于重适用于重 复作业的通用性工业机器人复作业的通用性工业机器人 一文 并获得了美国专利 一文 并获得了美国专利 1962 年 美国通用公司在汽车生产线上使用全球第一台机器人年 美国通用公司在汽车生产线上使用全球第一台机器人 Unimate 这种机器人 这种机器人 目前还在使用 目前还在使用 第一台现代工业机器人由 George Devol and Joe Engleberger 创造 被称为 机器人之父 二 机器人学的进展二 机器人学的进展 简单历史回顾 简单历史回顾 1962 年美国通用公司第一机器人 60 70 年代发展停滞的 对机器人的认识不充 分 发展慢 70 80 年代 机器人产业得到蓬勃发展 机器人技术发展成为专门学科 称为机器人年代 机器人产业得到蓬勃发展 机器人技术发展成为专门学科 称为机器人 学 学 随着工业的发展 对机器人的认识也多 机器人的应用领域进一步扩大 在汽车行业 家电行业都开始用机器人 大规模集成电路和计算机的飞速发展使机器人的控制性能大大 提高 成本不断下降 进入高度发展 80 90 年代 年代 进入饱和 在工业界发展进入缓慢 但是机器人学在发展 目标投向其 他行业 寻找出路 服务 医疗 90 现在现在 又进入快速发展期 水下探测 沉船 飞机 下水都是人 危险 现在可以 使用机器人 目前发展概况 目前发展概况 1 日本成为机器人生产大国 美国成为研究大国 日本成为机器人生产大国 美国成为研究大国 目前 对全球机器人技术发展最有影响的国家应该是美国和日本 美国在机器人技 术的综合研究水平上仍处于领先地位 而日本生产的机器人在数量 种类方面则居世界首 位 日本生产的三菱 安川等工业机器人 占全球 60 以上 美国是研究大国 第一台机 器人就是美国开始的的 把 Unimate 机器人技术卖给日本以后 日本大量生产 美国仍作 自己的研究 现在几乎说有的高级机器人都是美国研制出来的 日本在 60 年代末正处于经济高度发展时期 日本的劳动力本来就紧张 而高速度的 经济发展更加剧了劳动力严重不足的困难 为此 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 正是由于日本当时劳动力显著不足 机器人在企业里受到了 救世主 般的欢迎 日本 政府在经济上采取了积极的扶植政策 鼓励发展和推广应用机器人 从而更进一步激发了 企业家从事机器人产业的积极性 经过短短的十几年 到 80 年代中期 已一跃而为 机器 人王国 其机器人的产量在国际上跃居首位 机器人也没有辜负人们的期望 它在解决 劳动力不足 提高生产率 改进产品质量和降低生产成本方面 发挥着越来越显著的作用 成为日本保持经济增长速度和产品竞争能力的一支不可缺少的队伍 日本在汽车 电子行业大量使用机器人生产 使日本汽车及电子产品产量猛增 质量 日益提高 而制造成本则大为降低 从而使日本生产的汽车能够以价廉的绝对优势进军号 称 汽车王国 的美国市场 并且向机器人诞生国出口日本产的实用型机器人 此时 日 本价廉物美的家用电器产品也充斥了美国市场 这使 山姆大叔 后悔不已 2 机器人技术的发展推动了机器人学的建立 许多国家成立了机器人协会 美国 机器人技术的发展推动了机器人学的建立 许多国家成立了机器人协会 美国 日本 英国 瑞典等国家设立了机器人学学位 日本 英国 瑞典等国家设立了机器人学学位 3 20 世纪 70 年代以来 许多大学开设了机器人课程 开展了机器人学的研究工作 许多大学开设了机器人课程 开展了机器人学的研究工作 如美国的 MIT RPI 伦斯勒理工学院 Stanford 斯坦福大学 等大学都是研究机器 人学的著名学府 随着机器人学的发展 相关的国际学术交流活动也日渐增多 目前最有 影响的国际会议是 IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers 美国电 气和电子工程师协会是一个国际性的电子技术与信息科学工程师的协会 是世界上最大的 专业技术组织之一 每年举行的机器人学及自动化国际会议 我国的研究现状 我国的研究现状 日本在 20 世纪 60 年代和美国都在开始进行机器人的研究 我们国家机器人的研究 在 20 世纪 70 年代后期 当时我们在国家北京举办一个日本的工业自动化产品展览会 在 这个会上有两个产品 一个是数控机床 一个是工业机器人 这个时候 我们国家的许多 学者 看到了这样一个方向 开始进行了机器人的研究 但是这时候研究 基本上还局限 于理论的探讨阶段 那么真正进行机器人研究的时候 是在 1986 年我们国家成立了 863 计划 863 计划即国家高技术研究发展计划 这个计划是以政府为主导 以一些有限的领域 为研究目标的一个基础研究的国家性计划 后 就将机器人技术作为一个重要的发展的 主题 国家投入将近几个亿的资金开始进行了机器人研究 使得我们国家在机器人这一领 域得到很快地 迅速地发展 目前主要单位像中科院沈阳自动化所 原机械部的北京自动化所 像哈尔滨工业大学 北京航空航天大学 清华大学 还包括中科院北京自动化所等等的一些单位都做了非常重 要的研究工作 也取得了很多的成果 而且目前这几年来看 我们国家在高校里边 有很 多单位从事机器人研究 很多研究生和博士生都在从事机器人方面的研究 目前我们国家 比较有代表性的研究 有工业机器人 水下机器人 空间机器人 核工业的机器人 都在 国际上应该处于领先水平 总体上我们国家与发达国家相比 还存在很大的差距 主要表 现在 我们国家在机器人的产业化方面 目前还没有固定的成熟的产品 但是在上述这些 水下 空间 核工业 一些特殊机器人方面 我们取得了很多有特色的研究成就 造成现状的原因 造成现状的原因 1 机器人投资理论 机器人投资理论 1 个劳力一年几千 现在几万 买机器人 15 万 喷漆 三班倒 每一个人 1 万 5 要 3 年时间收回成本 机器人产品质量可以保证 不会随心情变化 人 天天高兴 也不能保证质量 比如宁螺钉 机器人的力一样 也不会罢工 劳动力成本降 低 2 机器人产业迅速发展 机器人产业迅速发展 工业机器人在工业领域运用很多 3 应用范围遍及各个领域 应用范围遍及各个领域 医疗 脑科手术 脑溢血 开颅 现在使用机器人以后 就不会开颅了 通过立体定向装置 通过 CT 扫描 确定学块在什么位置 在头皮上转一 个小孔 吸出来就可以 大家在电视里边看到 一个机械手 大概有手指这样粗细的一 个机械手 通过插入腹脏以后 人在屏幕上操作这个机器手 同时对它用激光的方法对病 灶进行激光的治疗 这样的话 人就不用很大幅度地破坏人的身体 这实际对人的一种解 放 是非常好一种机器人 医疗机器人它也很复杂 一方面它完全自动去完成各种工作 是有困难的 一般来说都是人来参与探测 美国火星探路者 月球探测 海洋探测 海底 光缆 火山探测 4 机器人学兴起 机器人学兴起 现在几乎所有的技术学科 都是先有技术 再研究理论 工业机 器人也是先应用到工业领域 然后我们才开始研究机器人的特点 基本理论 如何提高它 的控制精度 运动学 可以干些什么事 美国研究水平最高 全球研究最好的两个研究所 都在美国 我们国家机器人学国家重点实验室 一个是科学院的沈阳自动化所 我国机器 人学领域著名科学家蒋新松院士1989 1997 年曾任实验室主任 近二十年来 实验 室在机器人学基础理论与方法研究方面与国际先进水平同步发展 并在机器人技术前 沿探索和示范应用等方面取得一批有重要影响的科研成果 充分显示出实验室具有解 决国家重大科技问题的能力 5 机器人向智能化发展 机器人向智能化发展 目前机器人研究的重点 包括控制的智能 对人类与自然 的理解 思维方式的模仿 所有的机械设备都在追求智能化 智能化 由原来的示教再现 发展成目前局部感知功能的第二代机器人 最终的目标 是不断地随着其它学科和先进技 术的发展 使机器人内涵不断丰富 最终实现智能机器人这样一个主流 1 2 机器人的定义机器人的定义 刚才讲了机器人的发展历史 虽然机器人已被广发使用 越来越受到人们的重视 到 底什么是机器人 每个国家的说法都不一样 机器人这一名词还没有一个统一 严格 准 确的定义 原因之一是机器人还在发展 新的机型 新的功能不断出现 同时 由于机器 人涉及了人的概念 成为一个难以回答的哲学问题 就像机器人一词最早诞生在科幻小说 之中一样 人们对机器人充满了幻想 也许正是由于机器人定义的模糊 才给人们充分的 想象和创造的空间 下面给出一些具有代表性的定义 1 美国机器人协会 美国机器人协会 RIA 的定义 机器人是的定义 机器人是 一种用于移动各种材料 零件 工具一种用于移动各种材料 零件 工具 或专用的装置 通过可编程序动作来执行各种任务的 并具有编程能力的多功能机械手 或专用的装置 通过可编程序动作来执行各种任务的 并具有编程能力的多功能机械手 2 日本工业机器人协会 日本工业机器人协会 JIRA 的定义 工业机器人是的定义 工业机器人是 一种装备有记忆装置和末端一种装备有记忆装置和末端 执行器执行器 end effector 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 把机器人的定义分为两类 工业机器人和智能机器人 工业机器人 能够完成人的上肢功能的电子装置 智能机器人 能够模仿人的大脑功能的机器人 美国 计算机下象棋 3 我国对机器人的定义 蒋新松院士曾建议把机器人定义为 我国对机器人的定义 蒋新松院士曾建议把机器人定义为 一种拟人功能的机械一种拟人功能的机械 电子装置电子装置 a mechantronic device to imitate some human functions 97 年去世 他成立年去世 他成立 的公司 和产品都是新松牌 的公司 和产品都是新松牌 4 国际标准化组织国际标准化组织 ISO 的定义 的定义 应该说国际标准化组织 ISO 给出的机器人定义较为全面和准确 其定义涵盖如下内容 1 机器人的动作机构具有类似于人或其他生物体某些器官机器人的动作机构具有类似于人或其他生物体某些器官 肢体 感官等肢体 感官等 的功能 的功能 2 机器人具有通用性 工作种类多样 动作程序灵活易变 机器人具有通用性 工作种类多样 动作程序灵活易变 机床 车床 机器人不一 样 同一个机器人可以干不同的事 人手可以写字 弹琴等 机器人的通用性不是漫无边 际的是受结构制约的 3 机器人具有不同程度的智能性 机器人具有不同程度的智能性 如记忆 感知 对温度敏感的机器人有温度传感器 推理 决策 学习等 4 机器人具有独立性 完整的机器人系统在工作中可以不依赖于人的干预 机器人具有独立性 完整的机器人系统在工作中可以不依赖于人的干预 共同属性 共同属性 1 像人或人的一部分 并模仿人的动作 像人或人的一部分 并模仿人的动作 2 具有智能或感觉与识别能力 具有智能或感觉与识别能力 3 是人制造的机器或机械电子装置 是人制造的机器或机械电子装置 1 3 机器人技术的研究领域与学科范围机器人技术的研究领域与学科范围 研究领域研究领域 经过数十年的发展 机器人技术已经发展成为一门新的综合性交叉科 学 机器 人学 robotics 它包括基础研究与应用研究两方面的内容 其主要研究领域有 机械手 设计 机器人运动学与动力学 机器人轨迹规划 机器人驱动技术 机器人传感 器 机器人视觉 机器人控制语言与离线编程 机器人本体结构 机器人控制系 统 智能机器人等 学科范围学科范围 机器人学所涉及的学科范围主要有 力学 主要包括工程力学 弹塑性力学 结构 力学等 机器人拓扑学 主要包括结构拓扑学即拓扑结构类型综合与优选 机械学 电子学与微电子学 控制论 计算机 生物学 人工智能 系统工程等 这些多学科领域知识的交叉和融入是机器人技术得以发展 拓宽和延伸的基础 也是学习 和运用机器人技术的基础 随着机器人技术不断向新的领域拓展 其学科范围亦将更加宽 阔 1 4 机器人的分类机器人的分类 机器人的分类方法很多 也相当负杂 几乎没有一种分类可以满意的将各类机器人都 包括在内 目前 多数的机器人是按照不同的功能 目的 用途 规模 结构 坐标 驱 动方式等进行分类 1 按开发内容和目的机器人可分为三大类 按开发内容和目的机器人可分为三大类 1 工业机器人 工业机器人 industrial robot 工业机器人是在工业生产中使用的机器人的总 称 主要用于完成工业生产中的某些作业 依据具体应用目的的不同 又常常以其主要用 途命名 焊接机器人焊接机器人是到现在为止应用最多的工业机器人 包括点焊 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 和弧焊机器 人 像我们汽车的后桥 进行焊接的时候 它连续焊接 所以它的特点是连续轨迹控制 所以它要求的轨迹精度要求非常高 用于实现自动化焊接作业 装配机器人装配机器人比较多地用 于电子部件或电器的装配 喷涂机器人喷涂机器人代替人进行各种喷涂作业 搬运 上料 下料及码搬运 上料 下料及码 垛机器人垛机器人是根据工况要求的速度和精度 将物品从一处运到另一处 应该说 应该说 并不是只有 机器人可以完成这些工作 很多工作都可以用专门的机器完成 工业机器人的优点工业机器人的优点在于它可以通过更改程序 方便迅速地改变工作内容或方式 以满 足生产要求的变化 例如改变焊缝轨迹及喷涂位置 变更装配部件或位置等 随着对工业 生产线越来越高的柔性要求 对各种工业机器人的需求也越来越广泛 2 操纵型机器人 操纵型机器人 teleoperator robot 操纵型机器人主要用于非工业生产的各种作 业 又可分为服务机器人与特种作业机器人等 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 刚才谈的汽车制造属于是制造业 但服务行业包 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 那么这里边 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 的基本的一个特点 在美国 他们研制的像大型客机这种清洗工作 如果人来做的话十分繁重 那么大一 个机体来清洗的话 工作量是很大 而且也很不方便 那么他们采用这种机器人来实现像 飞机的这些清洗的工作 包括一些国家开发像高层建筑的清洗机器人 这也都是服务行业 的机器人 还包括像家庭使用的 还有一些宾馆和一些公共场合使用的这种清洁机器人 对地面来进行清扫 还包括网球场上能够自动地把撒下的球 集中收集起来 这种机器人 也都是存在的 另一个方面的服务机器人应用 在汽车加油机器人这块也很有意思 包括我们现在的 一些加油站 都是用自动的计量装置 实现了有的这种自动计量 但是还仍然用人去操作 但可以看到在一些美国的高速公路上 汽车流量很大 包括夜间都要对汽车进行加油 工 作也很烦琐 所以现在很多国家在开发这种自动的加油机器人 它可以自动的计量 自动 的把汽车油嘴放到汽车油箱里边去 这也都是服务机器人的一种体现 除以上服务机器人外 还有一些其他种类的特种作业机器人 如水下机器人 代替 人在水下危险的环境中作业 人类借助潜水器具潜入到大海之中探秘已有很长的历史 人 类已可以利用深海潜水器具潜入深海 然而 由于危险很大 所以人类积极寻找可以代替 人类进行危险作业的技术 水下机器人变成了十分受关注的发展方向 空间机器人是指在 大气层和大气层外从事各种作业的机器人 3 智能机器人 智能机器人 intelligent robot 智能机器人具有多种由内 外部传感器组成的感 觉系统 不仅可以感知内部关节的运行速度 力的大小等参数 还可以通过外部传感器 如 视觉传感器 触觉传感器等 对外部环境信息进行感知 提取 处理并做出适当的决策 自主完成某项任务 目前 智能机器人尚处于研究和发展阶段 智能机器人的发展方向大致有两种 一种是类人型智能机器人 这是人类梦想的机器 人 另一种外形并不像人 但具有机器智能 2002 年 日本本田公司在东京展示了最新研制的 Asimo 智能机器人 完全拟人化 设计 机器人高 1 2 米 不仅可以行走 爬楼梯 识别各种声音 还能通过头部的照相机 捕捉到的画面和事先设计好的程序识别人类的各种手势以及不同的脸型 ASIMO 并不是 为了表演而诞生 它拟人的动作行为完全可以完成一些人类无法去做的事情 本田继续研 发它 意愿也在于它能够为进入家庭 为人类服务 2 按机器人的结构形式分类按机器人的结构形式分类 按结构形式机器人可分为关节型机器人和非关节型机器人两大类 3 按坐标形式分类按坐标形式分类 通常关节机器人依据坐标形式的不同可分为直角坐标型 圆柱坐标型 球坐标型以及 关节坐标型 直角坐标型机器人 直角坐标型机器人 这一类机器人其手部空间位置的改变通过沿三个互相垂直的轴线 的移动来实现 即沿着 X 轴的纵向移动 沿着 Y 轴的横向移动及沿着 Z 轴的升降 该形 式机器人的位置精度高 控制无耦合 简单 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 圆柱坐标型机器人 圆柱坐标型机器人 这种机器人通过两个移动和 个转动实现手部空间位置的改变 VERSATRAN 机器人手臂的运动系由垂直立柱平面内的伸缩和沿立柱的升降两个直线运动 及手臂绕立柱的转动复合而成 圆柱坐标型机器人的位置精度仅次于直角坐标型 控制简 单 避障性好 但结构也较庞大 难与其他机器人协调工作 两个移动轴的设计较复杂 球坐标型机器人 球坐标型机器人 这类机器人手臂的运动由一个直线运动和两个转动所组成 如图 所示 即沿手臂方向 X 的伸缩 绕 Y 轴的俯仰和绕 Z 轴的回转 UNIMATE 机器人是其 典型代表 这类机器人占地面积较小 结构紧凑 位置精度尚可 能与其他机器人协调工 作 重量较轻 但避障性差 有平衡问题 位置误差与臂长有关 关节坐标型机器人 关节坐标型机器人 关节坐标型机器人主要由立柱 前臂和后臂组成 PUMA 机器 人是其代表 机器人的运动由前 后臂的俯仰及立柱的回转构成 其结构最紧凑 灵活性 大 占地面积最小 工作空间最大 能与其他机器人协调工作 避障性好 但位置精度较 低 有平衡问题 控制存在耦合 故比较复杂 这种机器人目前应用得最多 4 按驱动方式分类按驱动方式分类 气力驱动式 气力驱动式 机器人以压缩空气来驱动执行机构 这种驱动方式的优点是空气来源方 便 动作迅速 结构简单 造价低 缺点是空气具有可压缩性 致使工作速度的稳定性较 差 因气源压力一般只有 60 MPa 左右 故此类机器人适宜抓举力要求较小的场合 液力驱动式 液力驱动式 相对于气力驱动 液力驱动的机器人具有大得多的抓举能力 可高达上 百千克 液力驱动式机器人结构紧凑 传动平稳且动作灵敏 但对密封的要求较高 且不 宜在高温或低温的场合工作 要求的制造精度较高 成本较高 电力驱动式 电力驱动式 目前越来越多的机器人采用电力驱动式 这不仅是因为电动机品种众多 可供选择 更因为可以运用多种灵活的控制方法 电力驱动是利用各种电动机产生的力或 力矩 直接或经过减速机构驱动机器人 以获得所需的位置 速度 加速度 电力驱动具 有无环境污染 易于控制 运动精度高 成本低 驱动效率高等优点 其应用最为广泛 电力驱动可分为步进电动机驱动 直流伺服电动机驱动 无刷伺服电动机驱动等 新型驱动方式 新型驱动方式 伴随着机器人技术的发展 出现了利用新的工作原理制造的新型驱动 器 如静电驱动器 压电驱动器 形状记忆合金驱动器 人工肌肉及光驱动器等 1 5 机器人的组成与技术参数机器人的组成与技术参数 一 机器人的基本组成一 机器人的基本组成 作为一个系统机器人 一般由三部分 六个子系统组成 如图所示 这三部分是机械 部分 传感部分 控制部分 六个子系统是驱动系统 机械系统 感知系统 人机交互系 统 机器人 环境交互系统 控制系统等 1 驱动系统驱动系统 驱动系统主要指驱动机械系统的驱动装置 根据驱动源的不同 驱动系统可分为电动 液压 气动三种以及把它们结合起来应用的综合系统 驱动系统可以与机械系统直接相连 也可通过同步带 链条 齿轮 谐波传动装置等与机械系统间接相连 图机器人的基本组成 2 机械系统机械系统 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 工业机器人的机械结构系统由机身 手臂 末端执行器三大件组成 每 一大件都有若干自由度 构成一个多自由度的机械系统 若机身具备行走机构便构成行走 机器人 若机身不具备行走及腰转机构 则构成单机器人臂 single robot arm 手臂一般由 上臂 下臂和手腕组成 末端执行器是直接装在手腕上的一个重要部件 它可以是两手指 或多手指的手爪 也可以是喷漆枪 焊枪等作业工具 3 感知系统感知系统 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 智能传感器的使用提高了机器人的机动性 适应性和智能化水平 人类的感知 系统对感知外部世界的信息是极其灵巧的 然而对于一些特殊的信息 传感器比人类的感 知系统更有效 4 控制系统控制系统 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 假如工业机器人不具备信息反馈特征 则为开环控 制系统 若具备信息反馈特征 则为闭环控制系统 控制系统根据控制原理可分为程序控制系统 适应性控制系统和人工智能控制系统 根据控制运动的形式可分为点位控制和轨迹控制 5 机器人机器人 环境交互系统环境交互系统 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 工业机器人可与外部设备集成为一个功能单元 如加工制造单元 焊接单元 装配 单元等 当然 也可以是多台机器人 多台机床或设备及多个零件存储装置等集成为一个 执行复杂任务的功能单元 6 人机交互系统人机交互系统 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 例如 计算 机的标准终端 指令控制台 信息显示板及危险信号报警器等 归纳起来人机交互系统可 分为两大类 指令给定装置和信息显示装置 二 机器人的主要技术参数二 机器人的主要技术参数 机器人的技术参数反映了机器人可胜任的工作 具有的最高操作性能等情况 是选择 设计 应用机器人所必须考虑的问题 机器人的主要技术参数一般有自由度 分辨率 精 度 重复定位精度 工作范围 承载能力及最大速度等 1 自由度自由度 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 例如 A4020 装配 机器人具有 4 个自由度 可以在印制电路板上接插电子器件 PUMA 562 机器人具有 6 个 自由度 可以进行复杂空间曲线的弧焊作业 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 PUMA 700 机器人执行印制电路板上接插电子器件的作业时就成为冗余度机器人 利 用冗余的自由度可以增加机器人的灵活性 躲避障碍物和改善动力性能 2 分辨率分辨率 在机器人学中 精度常常容易和分辨率 重复定位精度相混淆 机器人的分辨率由系 统设计检测参数决定 并受到位置反馈检测单元性能的影响 分辨率分为编程分辨率与控制分辨率 统称为系统分辨率 编程分辨率是指程序中可以设定的最小距离单位 又称基准分辨率 例如 当电动机 旋转 0 1 机器人腕点即手臂尖端点移动的直线距离为 0 01 mm 时 其基准分辨率为 0 01 mm 控制分辨率是位置反馈回路能够检测到的最小位移量 例如 若每周 转 1 000 个脉冲的 增量式编码盘与电动机同轴安装 则电动机每旋转0 36 360 1 000 r min 编码盘就发出一个 脉冲 0 36 以下的角度变化无