机器人技术 第一章 绪论

1、机器人技术崔学政 王新庆中国石油大学（华东）机电学院2013课程简介课程简介 总学时数：总学时数：36 ；授课起止周数：；授课起止周数：9 16 本门课程主要讲授机器人学的基本理论和相关本门课程主要讲授机器人学的基本理论和相关技术，介绍机器人技术的现状、应用和发展趋势；技术，介绍机器人技术的现状、应用和发展趋势；系统地讲述机器人系统的体系结构、本体设计、机系统地讲述机器人系统的体系结构、本体设计、机器人运动学、机器人静力学和动力学、机器人的轨器人运动学、机器人静力学和动力学、机器人的轨迹规划等方面的基础理论和方法，简要讲述机器人迹规划等方面的基础理论和方法，简要讲述机器人的传感与反馈、机器人控

2、制等方面的基本原理和应的传感与反馈、机器人控制等方面的基本原理和应用技术用技术 成绩构成：成绩构成：?主要参考文献主要参考文献 1、机器人学、机器人学 美美 付京逊等著，中国科学技术出版社，付京逊等著，中国科学技术出版社，1989；2、机器人学导论、机器人学导论分析、系统及应用，分析、系统及应用， 美美 Saeed B. Niku著，孙福春等译，电子工业出版社，著，孙福春等译，电子工业出版社，2004；3、机器人学导论、机器人学导论 美美 John J. Craig著，著，贠贠超等译，机械工业出版社，超等译，机械工业出版社，2006；4、机器人机械系统原理理论、机器人机械系统原理理论理论、方法

3、和算法理论、方法和算法 加加 Jorge Angeles著，宋伟刚译，机械工业出版社，著，宋伟刚译，机械工业出版社，2004； 5、机器人学、机器人学 蔡自兴，清华大学出版社，蔡自兴，清华大学出版社，2000；6、并联机器人机构学理论及控制、并联机器人机构学理论及控制 黄真等著，机械工业出版社，黄真等著，机械工业出版社，19975& 第一章第一章 绪论绪论1.1.1 机器人的定义机器人的定义问题：什么是机器人？如何定义？1.1 1.1 机器人的定义、发展历史及分类机器人的定义、发展历史及分类早期的机器人（与人相像吗？）早期的机器人（与人相像吗？）现在的机器人现在的机器人6美国机器人协会（美国机

4、器人协会（RIA)：一种用于移动各种材料、零件、：一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置的，通过程序动作来执行各种任务，并工具或专用装置的，通过程序动作来执行各种任务，并具有具有编程能力的多功能操作机编程能力的多功能操作机。日本工业标准局：一种日本工业标准局：一种机械装置机械装置，在，在自动自动控制下，能够完控制下，能够完成某些操作或者动作功能。成某些操作或者动作功能。英国：貌似人的英国：貌似人的自动机自动机，具有智力的和顺从于人的但不具，具有智力的和顺从于人的但不具有人格的机器。有人格的机器。中国：我国科学家对机器人的定义是：中国：我国科学家对机器人的定义是：“机器人是一种机器人是一种自

5、自动化的机器动化的机器，这种机器具备一些与人或生物相似的，这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力智能能力，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高度灵活性的自动化机器”。 7二个共同点：二个共同点：1) 一种自动机械装置，可以在无人参与下，自动完成多种操一种自动机械装置，可以在无人参与下，自动完成多种操作或动作功能，即作或动作功能，即具有通用性。具有通用性。 2)2) 可以再编程，程序流程可变，即可以再编程，程序流程可变，即具有柔性具有柔性( (适应性）。适应性）。 机器人是机器人是2020世纪人类伟大的

6、发明，比尔世纪人类伟大的发明，比尔 盖茨预言：机器人盖茨预言：机器人即将重复即将重复PCPC机崛起的道路，彻底改变这个时代的生活方式。机崛起的道路，彻底改变这个时代的生活方式。 机器人学集中了机械工程、材料科学、电子技术、计算机机器人学集中了机械工程、材料科学、电子技术、计算机技术、自动控制理论及人工智能等多学科的最新研究成果，技术、自动控制理论及人工智能等多学科的最新研究成果，代表了机电一体化的最高成就，是当代科学技术发展最活跃代表了机电一体化的最高成就，是当代科学技术发展最活跃的领域之一。的领域之一。81.1.2 机器人的发展历史机器人的发展历史 1920 1920年，捷克作家卡雷尔年，捷

7、克作家卡雷尔卡佩克发表了科幻剧本卡佩克发表了科幻剧本罗萨姆罗萨姆的万能机器人的万能机器人。卡佩克在剧本中把捷克语。卡佩克在剧本中把捷克语 “Robota” 写成写成了了“Robot”，被当成了机器人一词的起源。，被当成了机器人一词的起源。 1950 1950年年, ,美国作家埃萨克美国作家埃萨克阿西莫夫在科幻小说阿西莫夫在科幻小说I，Robot中首次使用了中首次使用了“Robotics” ，即，即“机器人学机器人学”。阿西莫夫提出。阿西莫夫提出了了“机器人三原则机器人三原则”：1 1、机器人不应伤害人类、机器人不应伤害人类, ,且在人类受到伤害时不可袖手旁观；且在人类受到伤害时不可袖手旁观；

8、2 2、机器人应遵守人类的命令，与第一条违背的命令除外；、机器人应遵守人类的命令，与第一条违背的命令除外； 3 3、机器人应能保护自己，与第一条相抵触者除外。、机器人应能保护自己，与第一条相抵触者除外。 机器人学术界一直将这三原则作为机器人开发的准则，阿西机器人学术界一直将这三原则作为机器人开发的准则，阿西莫夫因此被称为莫夫因此被称为“机器人学之父机器人学之父”。9 1954年，美国人年，美国人George C. George C. DevolDevol 提出了第一个工业机器人提出了第一个工业机器人 方案并在方案并在19561956年获得美国专利。年获得美国专利。 1961年，年，Unimat

9、ion公司（通用机械公司），生产和销售了公司（通用机械公司），生产和销售了 第一台工业机器人第一台工业机器人“Unimate”，即万能自动之意。，即万能自动之意。 1962年，年，A.M.F.（机械与铸造）公司，研制出一台数控自动（机械与铸造）公司，研制出一台数控自动 通用机，取名通用机，取名“Versatran”，即多用途搬运之意。，即多用途搬运之意。10 1972年，年，IBM公司开发出直角坐标机器人。公司开发出直角坐标机器人。 1973年，年，Cincinnati Milacron公司推出公司推出T3型机器人。型机器人。 1978年，年，PUMA机器人在机器人在Unimation公司诞生

10、；公司诞生； 1981年，日本山梨大学牧野洋开发出了年，日本山梨大学牧野洋开发出了SCARA型机器人。型机器人。11 1988年，年，CMU大学研制出可重构模块化机械手系统大学研制出可重构模块化机械手系统RMMS。 1990年，年，Cincinnati Milacron公司被瑞士公司被瑞士ABB公司兼并。公司兼并。 1996年，本田公司年，本田公司P2仿人机器人，仿人机器人，2000年推出年推出ASIMO。 2008年，美国波士顿动力公司研制出年，美国波士顿动力公司研制出“大狗大狗”(BigDog)； 英国科学家研制了首个有生物脑的机器人英国科学家研制了首个有生物脑的机器人 “米特米特戈登戈登

11、 ”(Meet Gordon) 6070年代，示教再现型机器人为主，称为第一代机器人。年代，示教再现型机器人为主，称为第一代机器人。80年代，工业机器人大量应用，如焊接、喷漆、搬运、装配。日年代，工业机器人大量应用，如焊接、喷漆、搬运、装配。日 本被称为本被称为“机器人王国机器人王国”机器人的感知技术发展，产生第二代机器人（感知型机器人）。机器人的感知技术发展，产生第二代机器人（感知型机器人）。1290年代，智能型（第三代）机器人发展，如军用、医疗、服务、年代，智能型（第三代）机器人发展，如军用、医疗、服务、娱乐等领域娱乐等领域, 仿生机器人也得到了快速发展。仿生机器人也得到了快速发展。机器人

12、学。建立了相应学术组织，定期举办学术活动。机器人学。建立了相应学术组织，定期举办学术活动。 国际会议：国际会议：ISIP、IEEEIROS、ICR&A 等。等。 国际杂志：国际杂志： Robtics Research 、 Robotica 、 IEEE transaction on Robotics and Automation 等。等。13 我国机器人技术起步较晚，我国机器人技术起步较晚，70年代末，研制专用机械手，年代末，研制专用机械手，80年代初，开发小型的教育机器人。年代初，开发小型的教育机器人。1985年哈工大研制出国内首年哈工大研制出国内首台弧焊机器人（华宇台弧焊机器人（华宇号），

13、之后，又研制出国内第一台点焊号），之后，又研制出国内第一台点焊焊机器人（华宇焊机器人（华宇号）。号）。 进入进入9090年代后，国家年代后，国家“863”计划支持。建立了计划支持。建立了“机器人示机器人示范工程中心范工程中心”和机器人国家开放实验室（沈阳自动化所、哈和机器人国家开放实验室（沈阳自动化所、哈工大、合肥机械所、上海交大、南开大学）。工大、合肥机械所、上海交大、南开大学）。产业化基地：产业化基地： 哈尔滨博实自动化设备公司、沈阳新松机器人哈尔滨博实自动化设备公司、沈阳新松机器人自动化股份公司、北京机械工业自动化研究所机器人工程中自动化股份公司、北京机械工业自动化研究所机器人工程中心。

14、心。 学术会议：每两年左右去办一次大型全国（国际）性会议。学术会议：每两年左右去办一次大型全国（国际）性会议。 学术刊物：学术刊物： 机器人机器人 、机器人技术与应用机器人技术与应用 等。等。141.1.3 1.1.3 机器人的分类机器人的分类机器人的种类很多。可以按驱动形式、用途、结构和智能机器人的种类很多。可以按驱动形式、用途、结构和智能水平等观点划分水平等观点划分 、按驱动形式、按驱动形式 气压驱动气压驱动 液压驱动液压驱动 电机驱动电机驱动 交流伺服驱动交流伺服驱动 直流伺服驱动直流伺服驱动 2 2、按用途划分、按用途划分 （应用领域）（应用领域）（1 1）工业机器人）工业机器人弧焊机

15、器人弧焊机器人点焊机器人点焊机器人搬运机器人搬运机器人装配机器人装配机器人喷涂机器人喷涂机器人抛光机器人抛光机器人15（2 2）特种机器人）特种机器人空间机器人空间机器人 水下机器人水下机器人军用机器人军用机器人教学机器人教学机器人 服务机器人服务机器人 医用机器人医用机器人 排险救灾机器人排险救灾机器人 固定式固定式移动式移动式轮式轮式履带式履带式足式足式蛇行蛇行163 3、按智能水平划分、按智能水平划分分分 类类 名名 称称简简 要要 解解 释释人工操作装置人工操作装置有几个自由度，有操作员操纵，能实现若干预定的功能。固定顺序机器人固定顺序机器人按预定的不变顺序及条件，依次控制机器人的机械

16、动作。可变顺序机器人可变顺序机器人按预定的顺序及条件，依次控制机器人的机械动作。但顺序和条件可作适当改变。示教再现型机器人示教再现型机器人通过手动或其它方式，先引导机器人动作，记录下工作程序，机器人则自动重复进行作业。数控型机器人数控型机器人不必使机器人动作，通过数值、语言等为机器人提供运动程序，能进行可变程伺服控制。感知型机器人感知型机器人利用传感器获取的信息控制机器人的动作。机器人对环境有一定的适应性。智能机器人智能机器人机器人具有感知和理解外部环境的能力，即使环境发生变化，也能够成功的完成任务。第一代第一代第二代第二代第三代第三代171.21.2 机器人的优缺点机器人的优缺点二、缺点二、

17、缺点 替代了工人，由此带来经济和社会问题；替代了工人，由此带来经济和社会问题； 缺乏应急能力；缺乏应急能力； 灵活性、自适应能力还欠缺；灵活性、自适应能力还欠缺； 设备费用开销较大。设备费用开销较大。一、优点一、优点 能不知疲倦、不厌其烦的持续工作，不会有心理问题；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；具有比人更高的精确度、速度； 可以同时相应多个激励或处理多项任务；可以同时相应多个激励或处理多项任务； 可以在危险环境下工作，无需考虑生命保障或安全需要；可以在危险环境下工作，无需考虑生命保障或安全需要； 无需舒适的环境，如照明、空调、噪音隔离等；无需舒适

18、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。其感知系统及其附属设备具有某些人类所不具有的能力。181.31.3 机器人技术的发展趋势机器人技术的发展趋势 机器人在工业、农业、商业、旅游业、医疗、公共安全、机器人在工业、农业、商业、旅游业、医疗、公共安全、空间和海洋以及国防等诸多领域获得越来越普遍的应用。未来空间和海洋以及国防等诸多领域获得越来越普遍的应用。未来机器人技术将有待于在以下方面发展。机器人技术将有待于在以下方面发展。一、机器人机构一、机器人机构 新型机器人机构：新型驱动与传动，新型材料，柔性臂，冗新型机器人机构：新型驱动与传动，新型材料，柔性

19、臂，冗 余自由度臂，并联机器人。余自由度臂，并联机器人。 仿人与仿人与仿生机构：紧凑型多自由度机构，非结构环境的特殊仿生机构：紧凑型多自由度机构，非结构环境的特殊 移动机构；移动机构； 极限环境下的机器人机构：如空间、水下等。极限环境下的机器人机构：如空间、水下等。 微型机构：驱动、元器件、零部件、制造工艺等。微型机构：驱动、元器件、零部件、制造工艺等。19二、感觉技术二、感觉技术 各种新型传感器的开发及其小型化；各种新型传感器的开发及其小型化； 主动视觉与高速运动视觉；主动视觉与高速运动视觉； 多传感器系统与多信息融合；多传感器系统与多信息融合； 恶劣工况下的传感技术；恶劣工况下的传感技术；

20、三、控制技术三、控制技术 先进控制理论；先进控制理论； 分组协调控制与群控；分组协调控制与群控； 人机交互人机交互 （虚拟现实、遥操作和人机合作）（虚拟现实、遥操作和人机合作） ； 基于传感信息的规划与导航；基于传感信息的规划与导航； 机器智能（机器智能（自主操作、自主控制、自主操作、自主控制、自我学习自我学习）； 多智能体系统。多智能体系统。201.41.4 机器人的组成、构型及性能要素机器人的组成、构型及性能要素1.4.1 机器人的组成机器人的组成 机器人是一个高度自动化的机电一体化设备。从控制观点机器人是一个高度自动化的机电一体化设备。从控制观点来看，机器人系统可以分成四大部分：机器人执

21、行机构、来看，机器人系统可以分成四大部分：机器人执行机构、驱动装置、控制系统、感知反馈系统。驱动装置、控制系统、感知反馈系统。 内部传感器（位形检测）内部传感器（位形检测）控制系统控制系统驱动驱动装置装置外部传感器（环境检测）外部传感器（环境检测）处理器处理器关节控制器关节控制器感知反馈系统感知反馈系统执行执行机构机构工作对象工作对象21u 执行机构执行机构 实现预期的动作或操作实现预期的动作或操作；相当于人的肢体。；相当于人的肢体。u 驱动装置驱动装置 为执行机构提供动力；为执行机构提供动力；相当于人的肌肉、筋络。相当于人的肌肉、筋络。u 感知反馈系统感知反馈系统 检测执行机构位置、速度等信

22、息以及机器人检测执行机构位置、速度等信息以及机器人 所处的环境信息；相当于人的感官和神经。所处的环境信息；相当于人的感官和神经。u 控制系统控制系统 进行任务及信息处理，并给出控制信号；相当于进行任务及信息处理，并给出控制信号；相当于 人的大脑和小脑。人的大脑和小脑。机机 器器 人人执行机构执行机构驱动装置驱动装置控制系统控制系统感知系统感知系统手部手部腕部腕部臂部臂部腰部腰部电驱动装置电驱动装置液压驱动装置液压驱动装置气压驱动装置气压驱动装置处理器处理器关节伺服控制器关节伺服控制器内部传感器内部传感器外部传感器外部传感器 基基 座座（固定或移动固定或移动）221.4.2 机器人的构型机器人的

23、构型 机器人的机械配置形式即构型多种多样。最常见的构型是机器人的机械配置形式即构型多种多样。最常见的构型是用其坐标特性来描述的。用其坐标特性来描述的。 一、工业机器人一、工业机器人 1、直角坐标型、直角坐标型 (3P) 其运动是解耦的，控制简单。但运动灵活性较差，自其运动是解耦的，控制简单。但运动灵活性较差，自身占据空间最大，工作空间外形为矩形。身占据空间最大，工作空间外形为矩形。232、圆柱坐标型、圆柱坐标型 (R2P) 其运动耦合性较弱，控制也较简单，运动灵活性稍好。其运动耦合性较弱，控制也较简单，运动灵活性稍好。但自身占据空间也较大，工作空间外形为圆柱形。但自身占据空间也较大，工作空间外

24、形为圆柱形。圆柱坐标型机器人模型圆柱坐标型机器人模型Verstran 机器人机器人Verstran 机器人机器人243、极坐标型（也称球面坐标型）、极坐标型（也称球面坐标型）(2RP) 其运动耦合性较强，控制也较复杂。但运动灵活性好。其运动耦合性较强，控制也较复杂。但运动灵活性好。占自身据空间也较小，工作空间外形为球形。占自身据空间也较小，工作空间外形为球形。极坐标型机器人模型极坐标型机器人模型UnimateUnimate 机器人机器人254、关节坐标型、关节坐标型 (3R) 其运动耦合性强，控制较复杂。但运动灵活性最好，自其运动耦合性强，控制较复杂。但运动灵活性最好，自身占据空间最小，工作空

25、间外形为复杂曲面。身占据空间最小，工作空间外形为复杂曲面。关节型搬运机器人关节型搬运机器人关节型焊接机器人关节型焊接机器人关节型机器人模型关节型机器人模型265、平面关节型、平面关节型 (SCARA) 仅平面运动有耦合性，控制较通用关节型简单。但运动仅平面运动有耦合性，控制较通用关节型简单。但运动灵活性更好，铅垂平面刚性好，工作空间外形为圆柱形。灵活性更好，铅垂平面刚性好，工作空间外形为圆柱形。SCARA型装配机器人型装配机器人271、二自由度移动机器人、二自由度移动机器人 具有一个移动自由度和一个转向自由度的移动机器人。具有一个移动自由度和一个转向自由度的移动机器人。 二、移动机器人二、移动

26、机器人 B 21 robot282、三自由度移动机器人、三自由度移动机器人 具有二个方向移动自由度和一个转向自由度具有二个方向移动自由度和一个转向自由度的移动机器人，也称为全方位移动机器人。的移动机器人，也称为全方位移动机器人。XR 4000 robot 二自由度轮式移动机构二自由度轮式移动机构 三自由度轮式移动机构三自由度轮式移动机构 运动灵活性比较运动灵活性比较1、仿生型、仿生型 根据所仿对象的运动特征而定。自由度一般较多，具有根据所仿对象的运动特征而定。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，成本更高更强的适应性和灵活性，但控制更复杂，成本更高机器人宇航员机器人宇航员 三

27、、特种机器人三、特种机器人 30Smart bird仿鱼机器人仿鱼机器人Big dog国内五指灵巧手五指灵巧手32四、机器人化工程机械四、机器人化工程机械 高度自动化的工程机械。高度自动化的工程机械。大型喷浆大型喷浆机器人机器人机器人机器人码垛机码垛机nThe Da Vinci robotic system for laparoscopic surgery341.4.3 机器人的性能要素机器人的性能要素 自由度数自由度数 衡量机器人适应性和灵活性的重要指标，一般衡量机器人适应性和灵活性的重要指标，一般等于机器人的关节数。机器人所需要的自由度数决定与其等于机器人的关节数。机器人所需要的自由度数决

28、定与其作业任务。作业任务。 负荷能力负荷能力 机器人在满足其它性能要求的前提下，能够承机器人在满足其它性能要求的前提下，能够承载的负荷重量。载的负荷重量。 运动范围运动范围 机器人在其工作区域内可以达到的最大距离。机器人在其工作区域内可以达到的最大距离。它是机器人关节长度和其构型的函数。它是机器人关节长度和其构型的函数。 运动速度运动速度 单关节速度；合成速度。单关节速度；合成速度。 精度精度 指机器人到达指定点的精确程度。它与机器人驱动指机器人到达指定点的精确程度。它与机器人驱动器的分辨率及反馈装置有关。必要时可进行补偿。器的分辨率及反馈装置有关。必要时可进行补偿。35 控制模式控制模式 引

29、导或点到点示教模式；连续轨迹示教模式；软引导或点到点示教模式；连续轨迹示教模式；软 件编程模式；自主模式。件编程模式；自主模式。 其它动态特性其它动态特性 如稳定性、柔顺性等。如稳定性、柔顺性等。 重复精度重复精度 指机器人重复到达同样位置的精确程度。它不仅指机器人重复到达同样位置的精确程度。它不仅与机器人驱动器的分辨率及反馈装置有关，还与传动机构的与机器人驱动器的分辨率及反馈装置有关，还与传动机构的精度及机器人的动态性能有关。重复精度比精度更重要。精度及机器人的动态性能有关。重复精度比精度更重要。主要参考文献：主要参考文献：（1） 美美 付京逊等，机器人学，中国科学技术出版社，付京逊等，机器人学，中国科学技术出版社，1989（2） 孟庆鑫等，机器人技术基础，哈尔滨工业大学出版社，孟庆鑫等，机器人技术基础