工业机器人课程

工业机器人课程第1页/共43页机器人技术课程介绍1课程背景

为什么学？学了有什么用？2本课程的主要内容

学些什么内容？从那些方面着手学习？3课程考试

检验学习效果，成绩怎么给？第2页/共43页1课程背景“机器人”一词源于捷克语，意为强迫劳动力或奴隶。机器人的起源机器人起源于遥控操作器和数控机床

二战期间,为处理放射性材料研制出了遥控的主从式操作器(连杆机构)。1949年,由于研制新型飞机时零件加工的需要,美国空军发起了对数控铣床的研制。1953年,MIT研制出数控铣床(伺服技术与数字技术的结合)

。第3页/共43页1课程背景发展历程第一代：60年代初，美国Unimation公司成功研制第一台数控机械手，它是具有记忆存储能力的示教再现式机器人。第二代：70年代，出现了具有感觉传感器的机器人，具有一定的自适应能力。第三代：80年代，具有智能功能的机器人，具有灵活的思维功能。到了90年代，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展，机器人技术也得到了飞速发展。除了工业机器人水平不断提高之外，各种用于非制造业的先进机器人系统也有了长足的进展。第4页/共43页1课程背景发展历程名称特征说明第一代机器人（可编程及示教再现）按事先示教或编程的位置和姿态进行重复作业的机器人。（实用，主要用于搬运，喷漆，点焊等）第二代机器人（感知机器人）带有如视觉触觉等外部传感器，具有不同程度感知环境并自行修正程序的功能。可完成较为复杂的作业，如装配，检查等第三代机器人（智能机器人）除具有外部感觉感知功能，还具有一定决策和规划的能力，从而可适应环境的变化而自主地工作。第5页/共43页1课程背景应用优点安全机器人技术已经被开发用于处理核能和放射性化学制品的很多不同用途。重复和精度装配线工作已经成为机器人技术工业的一个中流砥柱。机器人被广泛地用于制造业，而且，在强调最小维护需求的空间探索中，使用机器人更具有吸引力。不愉快的事机器人执行很多乏味、不愉快但必需的任务，如焊接和看门工作第6页/共43页机器人技术的新进展下将按工业机器人和先进机器人两条技术发展路线介绍机器人的最新进展情况。1．工业机器人

（1）机器人操作机（2）并联机器人（3）控制系统（4）传感系统（5）网络通信功能（6）可靠性第7页/共43页机器人操作机通过有限元分析、模态分析及仿真设计等现代设计方法的运用，机器人操作机已实现了优化设计。以德国KUKA公司为代表的机器人公司，已将机器人并联平行四边形结构改为开链结构，拓展了机器人的工作范围，加之轻质铝合金材料的应用，大大提高了机器人的性能。此外采用先进的RV减速器及交流伺服电机，使机器人操作机几乎成为免维护系统。

第8页/共43页控制系统控制系统的性能进一步提高，已由过去控制标准的6轴机器人发展到现在能够控制21轴甚至27轴，并且实现了软件伺服和全数字控制。人机界面更加友好，基于图形操作的界面也已问世。编程方式仍以示教编程为主，但在某些领域的离线编程已实现实用化。第9页/共43页传感系统激光传感器、视觉传感器和力传感器在机器人系统中已得到成功应用，并实现了焊缝自动跟踪和自动化生产线上物体的自动定位以及精密装配作业等，大大提高了机器人的作业性能和对环境的适应性。日本KAWASAKI、YASKAWA、FANUC和瑞典ABB、德国KUKA、REIS等公司皆推出了此类产品。第10页/共43页网络通信功能日本YASKAWA和德国KUKA公司的最新机器人控制器已实现了与Canbus、Profibus总线及一些网络的联接，使机器人由过去的独立应用向网络化应用迈进了一大步，也使机器人由过去的专用设备向标准化设备发展。第11页/共43页可靠性由于微电子技术的快速发展和大规模集成电路的应用，使机器人系统的可靠性有了很大提高。过去机器人系统的可靠性MTBF一般为几千小时，而现在已达到5万小时，几乎可以满足任何场合的需求。第12页/共43页2.先进机器人近年来，人类的活动领域不断扩大，机器人应用也从制造领域向非制造领域发展。像海洋开发、宇宙探测、采掘、建筑、医疗、农林业、服务、娱乐等行业都提出了自动化和机器人化的要求。这些行业与制造业相比，其主要特点是工作环境的非结构化和不确定性，因而对机器人的要求更高，需要机器人具有行走功能，对外感知能力以及局部的自主规划能力等，是机器人技术的一个重要发展方向。第13页/共43页2.先进机器人（1）水下机器人（2）空间机器人（3）核工业用机器人（4）地下机器人（5）医用机器人（6）建筑机器人（7）军用机器人第14页/共43页1课程背景机器人装配生产线第15页/共43页1课程背景喷漆机器人第16页/共43页1课程背景焊接机器人鉚接机器人

第17页/共43页1课程背景毛刺清理机器人

第18页/共43页1课程背景码垛机器人第19页/共43页我国第一台机器人化机器-虚拟轴机床

（清华制造所）1课程背景第20页/共43页

扫雷轮式移动机器人无人移动侦察车1课程背景第21页/共43页水下机器人Rocky7(美国喷气动力实验室)(其简化型号“索杰纳”曾于1997年成功登陆火星）第22页/共43页农用采摘机器人第23页/共43页爬壁机器人

第24页/共43页导盲机器人灵巧手第25页/共43页电子宠物

AIBO第26页/共43页

四足机器人八足机器人第27页/共43页MIT研制的拟人机器人上肢英国的气囊驱动拟人机器人第28页/共43页PioneerHITBWR-ⅢTHBIP-Ⅰ

(国防科大2000)(哈工大1995)（清华）

第29页/共43页SonySDR-3XHondaASIMOMITM2

(2001)(2001)(2000)第30页/共43页1课程背景科幻作品中的机器人《终结者》《机械公敌》第31页/共43页1课程背景1950年，IsaacAsimov在科幻小说《IRobot》中，不仅描写了机器人机械方面的具体内容，而且描述了它在智能方面的内容，如机器人如何进行选择、决策等。并提出了有名的“机器人三原则”：机器人不可伤害人或眼看人将遇害而袖手旁观。机器人必须服从人的命令，但若命令的内容违反1时，则不受此约束。只要不违反上述两条，机器人必须自己保卫自己。第32页/共43页机器人研究涉及的理论基础涉及的学科领域机器人是一个多学科和技术交叉和结合的综合高技术领域。从某种意义上讲,一个国家机器人技术水平的高低反映了这个国家综合技术实力的高低。智能机器人是具有感知、思维和行动功能的机器，是机构学、测试技术、制造技术、自动控制、计算机、人工智能、微电子学、光学、通讯技术、传感技术、仿生学等多种学科和技术的综合成果。第33页/共43页涉及的理论基础基础理论（1）机器人分析和设计理论，包括运动学和动力学分析、运动规划、机器人优化设计等。（2）机器人仿生学，仿生运动和动力学、仿生机构学、仿生感知和控制理论、仿生器件设计和制造等（3）机器人系统理论，多机器人系统理论、机器人-人融合、以及机器人与其它机器系统的协调和交互。（4）微机器人学，微机器人的分析、设计、制造和控制等理论方法。第34页/共43页机器人的未来技术发展方向

提高机器人的智能化、机动性、可靠和安全性、以及与人类环境的完美的融入性。追求的主要目标是“融入人类的生活，和人类一起协同工作。从事一些人类无法从事的工作，以更大的灵活性给人类社会带来更多的价值”智能机器人的发展微型机器人发展新型机器人关键器件技术的发展机器人专项技术的发展第35页/共43页2本课程内容学习以下基本问题：（32学时）（1）了解机器人的基本概念，工业机器人的分类、组成、技术参数等。（3学时）（2）工业机器人机械系统设计（4学时）总体设计：系统分析、确定基本参数、运动形式、控制方案等；驱动设计：驱动方式、直线驱动机构、旋转驱动机构；机身和臂部设计：结构设计、驱动力与力矩计算；腕部设计：考虑自由度，灵活方便；手部设计：考虑功能；行走机构设计：车轮、履带、步行、其它。第36页/共43页2本课程内容解决以下基本问题：（3）要实现对工业机器人在空间运动轨迹的控制，就必须知道机器人手部在空间瞬间的位置和姿态，如何计算机器人手部在空间的位姿是实现对机器人控制首先需要解决的问题。这是机器人运动学的内容。（7学时）正向运动学：给出各关节变量值，如何得到手部在空间的位姿，主要用于设计验证仿真；反向运动学：在机器人实际控制中，问问往往相反，即需在已知手部到达目标位姿求出所需的关节变量值，以驱动各关节的电机旋转，使手部的位姿得到满足，这是实时控制的需要。第37页/共43页2本课程内容解决以下基本问题：（4）实际上运动学方程是在稳态下建立的，仅限于静态问题的讨论，未涉及机器人运动的力、速度、加速度等动态过程。（6学时）机器人动力学主要研究机器人运动和受力之间的关系:动力学正问题：根据各关节的驱动力（或力矩），求解机器人的运动类（关节位移、速度、加速度）问题，主要用于机器人的仿真；动力学逆问题：已知机器人的运动类关节位移、速度、加速度）问题，求解所需要的关节力（或力矩），这是机器人实时控制的需要。第38页/共43页2本课程内容解决以下基本问题：（5）工业机器控制方法（2学时）位置控制：使机器人各关节实现预先所规划的运动，保证机器人手部沿预定的轨迹运行；力控制：控制手部与作业对象之间的接触力；（6）工业机器人感觉系统（4学时）位置传感器（电位器式位移传感器）速度传感器（测速发电机）接近觉传感器（光点、超声传感器）接触觉传感器（力传感器）第39页/共43页2本课程内容解决以下基本问题：（7）工业机器轨迹规划（1学时）关节空间法：多项式插值（三次、五次）、抛物线过渡的线性插值；直角坐标空间法：轨迹的实时生成：（8）工业机器人应用实例及课程整理（1