机器人原理及控制技术：第一章 绪论

1、机器人原理及控制技术Principle and Control Techniquesof Robot Manipulators 2022/8/28机电学院-工业机器人第一章 绪 论第二章 机器人机械系统设计第三章 机器人运动学第四章 机器人静力计算及动力学分析第五章 机器人控制第六章 工业机器人感觉第七章 机器人运动规划及编程2022/8/28机电学院-工业机器人第一章 绪论 机器人集中了机械工程、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，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。1.1 机器人概述 1.2 机器人分类 1.3 机器人基

2、本组成及技术参数 1.4 本书教学要求2022/8/28机电学院-工业机器人 1.1 机器人概述 机器人(robot)一词来源于1920年捷克作家卡雷尔查培克(Kapelcapek)所编写的戏剧中的人造劳动者，在那里机器人被描写成像奴隶那样进行劳动的机器。后来作为一种虚构的机械出现在许多作品中，代替人们去完成某些工作。20世纪60年代出现了作为可实用机械的机器人。为了把这种机器人同虚构的机器人及玩具机器人加以区别，称其为工业机器人。 一、机器人定义 机器人问世已有几十年，但没有一个统一的定义。原因之一是机器人还在发展，另一原因主要是因为机器人涉及到了人的概念，成为一个难以回答的哲学问题。也许正

3、是由于机器人定义的模糊，才给了人们充分的想象和创造空间。 1987联合国标准化组织（ISO)采纳的美国机器人协会的“机器人”定义：“工业机器人是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动作的专门系统”。（A reprogrammable and multifunctional manipulator, devised for the transport of materials ,parts, tools or specialized systems with varied and programmed movements wi

4、th the aim of carrying out varied tasks2022/8/28机电学院-工业机器人 日本工业机器人协会：机器人是一种带有存储器件和末端操作器的通用机械，它能够通过自动化的动作替代人类劳动。 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”。 机器人具有三大特征：1、拟人功能2、可编程3、通用性2022/8/28机电学院-工业机器人 1999年索尼爱宝机器狗玩具的出现，给人们很大的启示，使人们对机器人产生极大的兴趣。 “爱宝”可以理解大约

5、180个声音指令，完成取东西、拍照等动作，甚至在电量即将耗尽之时，它还会自己去找充电器。“爱宝”的面部配备发光屏幕，可以灯光 组合来表达自己的情绪。更重要的是，工程师还能根据自己的需要对“爱宝”进行编程，让它完成像足球比赛这样的特殊工作。 下面我们来看看功能更复杂的机器人 2000年启动的“阿西莫”机器人项目致力于开发出服务于人类日常生活的“类人”机器人。本田公司推出最新版本的“阿西莫”机器人。这些机器人服务员会自动实行分工，提供不间断服务。 图1 两台“阿西莫”机器人服务员为公司员工送茶。 图2 日本本田公司研制的“阿西莫”机器人在东京进行体操表演 四 揭开机器人之谜 1.机器人有三大特征：

6、身体：是一种物理状态，具有一定的形态。大脑：控制机器人的程序。主板上的微控制器。动作：任何机器人都有一定的动作表现。脚：轮子等。皮肤：碰撞传感器嘴巴：喇叭耳朵：主板上的麦克风。2.判断一个机器人是否是智能机器人我们可以根据下面三个基本特点：具有感知功能，即获取信息的功能。机器人通过“感知”系统可以获取外界环境信息，如声音、光线、物体温度等。具有思考功能，即加工处理信息的功能。机器人通过“大脑”系统进行思考，它的思考过程就是对各种信息进行加工、处理、决策的过程。具有行动功能，即输出信息的功能。机器人通过“执行”系统（执行器）来完成工作，如行走、发声等。1954年 美国人乔治德沃尔制造出世界上第一

7、台可编程的机器人，并注册了专利。这种机械手能按照不同的程序从事不同的工作，因此具有通用性和灵活性。1959年 德沃尔与美国发明家约瑟夫英格伯格联手制造出第一台工业机器人。随后，成立了世界上第一家机器人制造工厂Unimation公司。由于英格伯格对工业机器人的研发和宣传，被称为“工业机器人之父”。二、机器人的发展历史1962年 美国AMF公司生产出“VERSTRAN”（意思是万能搬运）,与Unimation公司生产的Unimate一样成为真正商业化的工业机器人，并出口到世界各国，掀起了全世界对机器人和机器人研究的热潮。1962年1963年 传感器的应用提高了机器人的可操作性。人们试着在机器人上安

8、装各种各样的传感器，包括1961年恩斯特采用的触觉传感器，托莫维奇和博尼1962年在世界上最早的“灵巧手”上用到了压力传感器，而麦卡锡1963年则开始在机器人中加入视觉传感系统，并在1965年，帮助MIT推出了世界上第一个带有视觉传感器，能识别并定位积木的机器人系统。2022/8/28机电学院-工业机器人121968年 美国斯坦福研究所公布他们研发成功的机器人Shakey。它带有视觉传感器，能根据人的指令发现并抓取积木, Shakey可以算是世界第一台智能机器人，拉开了第三代机器人研发的序幕。 Shakey具备一定人工智能，能够自主进行感知、环境建模、行为规划并执行任务(如寻找木箱并将其推到指

9、定位置)。它装备了电视摄像机、三角法测距仪、碰撞传感器、驱动电机以及编码器，并通过无线通讯系统由二台计算机控制。2022/8/28机电学院-工业机器人 1969年 日本早稻田学加藤一郎实验室研发出第一台以双脚走路的机器人。加藤一郎长期致力于研究仿人机器人，被誉为“仿人机器人之父”。日本专家一向以研发仿人机器人和娱乐机器人的技术见长，后来更进一步，催生出本田公司的ASIMO和索尼公司的QRIO。1973年世界上第一次机器人和小型计算机携手合作，就诞生了美国Cincinnati Milacron公司的机器人T3。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

10、已经完全成熟。PUMA至今仍然工作在工厂第一线。1984年英格伯格再推机器人Helpmate，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：“我要让机器人擦地板，做饭，出去帮我洗车，检查安全”。 机器人最新进展1998年,丹麦乐高公司推出机器人（Mind-storms）套件，让机器人制造变得跟搭积木一样，能任意拼装。2002年,丹麦iRobot公司推出了吸尘器机器人Roomba，它能避开障碍，自动设计行进路线，还能在电量不足时，自动驶向充电座。Roomba是目前世界上销量最大、最商业化的家用机器人。2006年,微软公司推出Microsoft Robotics Studio，机器

11、人模块化、平台统一化的趋势越来越明显，比尔盖茨预言，家用机器人很快将席卷全球。1997年，Honda推出人形机器人P31999年，Sony推出机器狗Aibo，当即销售一空，从此娱乐机器人开始进入普通家庭。2000年，Honda推出第二代人形机器人Asimo, Sony推出人形机器人Qiro2022/8/28机电学院-工业机器人 美国“水下龙虾”机器人，仿生水下机器人“水下龙虾”(Robolobster)于2007年8月17日在美国马萨诸塞州露面。它可查看海水变化，定位并排除水雷。认识环境的多摩君Domo机器人 即使一个普通机器人也能记住具体的任务。但Domo机器人的不同之处在于，它除了具有认人

12、的能力外，能感知周围环境并做出反应。它由美国麻省理工学院的亚伦-艾德辛格和杰夫-韦伯发明。人们触摸Domo的装有弹簧的机器手，它就会抓住对方的手。另外，它还能把杯子放到柜台上。Domo机器人拥有转动灵活、像人眼一样的眼睛，可以观察周围事物。 22麻省理工学院媒体试验室研发了一种新型机器人，名字为Nexi，代号MDS，意为可以移动，灵巧和社交。它可以或许最终将能够利用轮子移动，能够捡起物品，但它最显著特征是类人性，不过是爬行的，脸部可以表达让人惊奇的多种情绪。这个机器人比较复杂了。能不能简单一点？实用一点？能！请看： 移动社交机器人北京通县农民吴玉禄与机器人“吴老五”能点烟端茶倒水，见到美女，还

13、会殷勤地递上一束鲜花。 2022/8/28机电学院-工业机器人241、按机器人发展程度分类 1.2、机器人的分类第一代第二代示教再现型机器人：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。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：机器人具有与人类相似的情感。具有情感是机器人发展的最高层次。第三代第四代情感型机器人：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。一、机器人的分类2022/8/28机电学院-工业机器人252、按机器人控制方式分类 2、机器人的分类(1)操作机器人：是指人

14、可在一定距离处直接操纵其进行作 业的机器人，通常采用主从方式实现对机器人的遥控操作。(2)程序机器人：按给定的程序、条件、位置等信息进行作业，依次控制机器人的机械动作。(3)示教再现型机器人：由人操纵机器人执行任务，并记录下这些动作，机器人进行作业时按照记录下的信息重复执行同样的动作。是机器人控制的主流方式。(4)数控机器人：数控机器人按照编制的计算机程序进行作业。(5)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。2022/8/28机电学院-工业机器人263、按机器人应用领域分类 2、机器人的分类(1)产业用机器人：工业机器人、农业机器人、林业机器人

15、和 医疗机器人等。(2)极限作业机器人：应用于人们难以进入的极限环境，如 核电站、宇宙空间、海底等这些特殊环境。(3)服务型机器人：用于非制造业并服务于人类的各种先进机 器人， 包括 娱乐机器人、清洁机器人、助老机器人、烹 饪机器人、幕墙清洗机器人、康 复机器人、保安机器人等。2022/8/28机电学院-工业机器人27b. 特种机器人空间机器人 水下机器人军用机器人教学机器人 服务机器人 医用机器人 排险救灾机器人 固定式移动式轮式履带式足式蛇行弧焊机器人点焊机器人搬运机器人装配机器人喷涂机器人抛光机器人a. 工业机器人机器人 2022/8/28机电学院-工业机器人28 2、机器人的分类(1)

16、串联机器人：串联机器人的杆件和关节是采用串联方式进行连接（开链式）。(2)并联机器人：是指运动平台和基座间至少由两根活动连杆连接具有两个或两个以上自由度的闭环机构机器人。 并联机构（Parallel Mechanism，简称PM），是由多个相同类型的运动链在运动平台和固定平台之间并联而成。4、按机器人关节连接布置形式分类 并联机器人特点： a 无累积误差，精度较高；b 驱动装置可置于定平台上或接近定平台的位置，这样运动部分重 量轻，速度高，动态响应好；c 结构紧凑，刚度高，承载能力大；d 完全对称的并联机构具有较好的各向同性；e 工作空间较小，控制复杂； 并联机器人应用于产品包装、飞行员训练模

17、拟及外科手术设备的精确定位。 工业机器人在自动化生产领域早期的工业机器人在生产上主要用于机床上下料、点焊和喷漆。 随着柔性自动化的出现, 机器人在自动化生产领域扮演了更重要的角色。现举例如下: (1) 焊接机器人。汽车制造厂已广泛应用焊接机器人进行承重大梁和车身结构的焊接。 弧焊机器人需要六个自由度, 三个自由度用来控制焊具跟随焊缝的空间轨迹, 另三个自由度保持焊具与工件表面有正确的姿态关系, 这样才能保证良好的焊缝质量。 (2) 材料搬运机器人。材料搬运机器人可用来上下料、 码垛、卸货以及抓取零件定向等作业。一个简单抓放作业机器人只需较少的自由度; 一个给零件定向作业的机器人要求有更多的自由

18、度, 以增加其灵巧性。 (3) 检测。 零件制造过程中的检测以及成品检测都是保证产品质量的关键工序。检测主要有两个工作内容: 确认零件尺寸是否在允许的公差内; 控制零件按质量分类。装配机器人。4）装配。是一个比较复杂的作业过程, 不仅要检测装配作业过程中的误差, 而且要试图纠正这种误差。 因此, 装配机器人上应用有许多传感器,如接触传感器、 视觉传感器、接近传感器和听觉传感器等。 听觉传感器用来判断压入件或滑入件是否到位。 (5) 喷漆和喷涂。一般在三维表面进行喷漆和喷涂作业时， 至少要有五个自由度。由于可燃环境的存在, 驱动装置必须防燃防爆。在大件上作业时, 往往把机器人装在一个导轨上, 以

19、便行走。 综上所述, 工业机器人的应用给人类带来了许多好处, 如: (1) 减少劳动力费用; (2) 提高生产率; (3) 改进产品质量; (4) 增加制造过程的柔性; (5) 减少材料浪费; (6) 控制和加快库存的周转; (7) 降低生产成本; (8) 消除危险和恶劣的劳动岗位。 2022/8/28机电学院-工业机器人33 工业机器人是由机身、臂部、手腕和末端操作器（如手爪）组成。串联机器人由一系列连杆通过关节顺序串联而成。机器人两种关节是移动关节（Prismatic joint)和回转关节(Revolute joint)。机器人的机械结构部分可看成是由一些连杆通过关节组装起来的。一般工业

20、机器人为6个自由度，前三个称为手臂机构，用于改变手腕参考点的位置，称为定位机构；后三个称为手腕机构，通常这三个关节轴线相互垂直相交，用来改变末端操作器的姿态，称为定向机构。1 工业机器人的关节二、工业机器人的分类2022/8/28机电学院-工业机器人34 连杆和关节按不同坐标形式组装，机器人可分为五种；直角坐标形式，圆柱坐标形式，球坐标形式，关节坐标形式及平面关节坐标形式。直角坐标型机器人(Cartesian coordinates robot) 3个关节是移动关节（3P)，关节轴线相互垂直，作业范围为立方体状。其优点是刚度好，多做成龙门式或框架式结构，位置精度高、运动学求解简单、控制无耦合、

21、控制简单。但其结构较庞大，动作范围小、运动灵活性较差且占地面积较大。2 工业机器人的结构分类2022/8/28机电学院-工业机器人35 （2）圆柱坐标型机器人(Cylindrical coordiantes robot) 3个关节是移动关节，关节轴线相互垂直，作业范围为立方体状。其优点是刚度好，多做成龙门式或框架式结构，位置精度高、运动学求解简单、控制无耦合、控制简单。但其结构较庞大，动作范围小、运动灵活性较差且占地面积较大。2 工业机器人的结构分类2022/8/28机电学院-工业机器人36 （3）球坐标型机器人(Polar coordiantes robot) 具有1个移动关节和2个转动关节

22、，作业范围为空心球体状的。Unimate 机器人是该类机器人的典型代表。其优点是结构紧凑、动作灵活、占地面积小，但其结构复杂、定位精度低、运动直观性差。2 工业机器人的结构分类Unimate 机器人2022/8/28机电学院-工业机器人37 （4）关节坐标型机器人(Articulated robot) 由立柱、大臂和小臂组成。具有拟人的机械结构，即大臂与立柱构成肩关节，大臂与小臂构成肘关节，具有3个转动关节，作业范围为空心球体状。特点是作业范围大、动作直观性差，要得到高定位精度困难。该类机器人灵活性高，应用最为广泛。2 工业机器人的结构分类2022/8/28机电学院-工业机器人38 （5）SC

23、ARA型机器人 (selective compliance assembly robot arm),有3个转动关节，其轴线相互平行，可在平面内进行定位和定向。还有一个移动关节，用于完成手爪在垂直于平面方向上运动。特点是在垂直平面内具有很好的刚度，在水平面内具有较好的柔顺性，且动作灵活、速度快、定位精度高。Scara型机器人最适宜于平面定位，以及在垂直方向上进行装配，所以也称装配机器人。2 工业机器人的结构分类结构形式直角坐标式雕刻、搬运、装配关节坐标式喷涂、焊接平面关节式搬运、装配圆柱坐标式专用搬运球坐标式专用 不常用2022/8/28机电学院-工业机器人四、工业机器人主要生产公司1、瑞典AB

24、B Robotics公司公司 ABB公司是世界上最大的机器人制造公司。1974年，ABB公司研发了全球第一台全电控式工业机器人-IRB6，主要应用于工件的取放和物料的搬运。1975年，生产出第一台焊接机器人。到1980年兼并Trallfa喷漆机器人公司后，机器人产品趋于完备。至2002年，ABB公司销售的工业机器人已经突破10万台，是世界上第一个突破10万台的厂家。ABB公司制造的工业机器人广泛应用在焊接、装配、铸造、密封涂胶、材料处理、包装、喷漆、水切割等领域。2022/8/28机电学院-工业机器人2、日本安川电机公司 安川电机（Yaskawa Electric Co.），自1977安川电机年研制出第一台全电动工业机器人以来，已有28年的机器人研发生产的历史，旗下拥有