工业机器人全书讲解绪论

工业机器人全书讲解绪论第1页/共120页2023年4月2日2学习本课程的意义机器人学是近50年来发展起来的综合性学科，它综合了机械、电子、计算机、自动控制、人工智能、仿生学等学科的最新研究成果，代表了机电一体化的最新成就。是一个国家科技水平和经济实力的象征。近十几年来，机器人技术的发展极为迅猛，各种用途的机器人纷纷面世，并广泛应用，尤其在机械制造业。工业机器人、数控技术(NC)和可编程控制器(PLC)是工业自动化的三大技术支柱和基本手段。第2页/共120页2023年4月2日3本课程主要学习内容机器人的基本概念、组成、分类工业机器人的机械系统设计工业机器人的驱动方法工业机器人运动学工业机器人的控制和感觉系统工业机器人的编程语言第3页/共120页2023年4月2日4参考教材吴振彪主编.工业机器人.华中科技大学出版社张铁等编.机器人学.华南理工大学出版社李允文主编.工业机械手设计.机械工业出版社熊有伦主编.机器人技术基础.华中理工大学出版社第4页/共120页2023年4月2日5作业1、工业机器人的定义及特点？2、工业机器人由哪几子系统组成？各自的作用是什么？3、什么是机器人的自由度？4、工业机器人的主要技术参数有哪些？第5页/共120页2023年4月2日6第一章绪论

ChapterⅠIntroduction1.1机器人名称的由来1.2机器人的发展历史1.3机器人的定义和分类1.4机器人的结构与控制方式1.5操纵机器人1.6智能机器人1.7机器人的应用1.8未来机器人的发展方向1.9我国机器人研究的简况1.10机器人的社会问题（争议）1.11工业机器人的组成和技术参数1.12工业机器人的分类及应用第6页/共120页2023年4月2日71.1机器人名称的由来

(About“Robot”)

机器人的英文名词是Robot，Robot一词最早出现在1920年捷克作家卡雷尔·卡佩克（KarelCapek）所写的一个剧本中，这个剧本的名字为《Rossum’sUniversalRobots》，中文意思是“罗萨姆的万能机器人”。 剧中的人造劳动者取名为Robota，捷克语的意思是“苦力”、“奴隶”。英语的Robot一词就是由此而来的，以后世界各国都用Robot作为机器人的代名词。第7页/共120页2023年4月2日81.2机器人的发展历史

(TheDevelopingHistoryofRobots)古代“机器人”——现代机器人的雏形

人类对机器人的幻想与追求已有3000多年的历史西周时期，我国的能工巧匠偃师研制出的歌舞艺人，是我国最早记载的机器人。春秋后期，据《墨经》记载，鲁班曾制造过一只木鸟，能在空中飞行“三日不下”。公元前2世纪，古希腊人发明了最原始的机器人──太罗斯，它是以水、空气和蒸汽压力为动力的会动的青铜雕像，它可以自己开门，还可以借助蒸汽唱歌。1800年前的汉代，大科学家张衡不仅发明了地动仪，而且发明了计里鼓车，计里鼓车每行一里，车上木人击鼓一下，每行十里击钟一下。第8页/共120页2023年4月2日9后汉三国时期，蜀国丞相诸葛亮成功地创造出了“木牛流马”，并用其在崎岖山路中运送军粮，支援前方战争。1662年，日本的竹田近江利用钟表技术发明了自动机器玩偶，并在大阪的道顿堀演出。1738年，法国天才技师杰克·戴·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。1773年，著名的瑞士钟表匠杰克·道罗斯和他的儿子利·路易·道罗斯制造出自动书写玩偶、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。1927年，美国西屋公司工程师温兹利制造了第一个机器人“电报箱”，并在纽约举行的世界博览会上展出，它是一个电动机器人，装有无线电发报机，可以回答一些问题，但该机器人不能走动。第9页/共120页2023年4月2日10现代机器人的发展历史二战期间（1938-1945）由于核工业和军事工业的发展，研制了“遥控操纵器”（Teleoperator）主要用于放射性材料的生产和处理过程。1947年，对这种较简单的机械装置进行了改进，采用电动伺服方式，使其从动部分能跟随主动部分运动，称为"主从机械手"（Master-SlaveManipulator）。1949-1953美国麻省理工学院开始研制数控铣床随着先进飞机制造的需要，美国麻省理工学院辐射实验室（MITRadiationLaboratory）开始研制数控铣床。1953年研制成功能按照模型轨迹做切削动作的多轴数控铣床。1954年

“可编程”“示教再现”机器人美国人GeorgeC.Devol设计制作了世界上第一台机器人实验装置，并发表了题为《适用于重复作业的通用性工业机器人》的文章。第10页/共120页2023年4月2日1160年代机器人产品正式问世，机器人技术开始形成1960年美国“联合控制公司”（ConsolidatedControl）根据Devol的专利技术，研制出第一台真正意义上的工业机器人，并成立了Unimation公司，开始定型生产名为Unimate的工业机器人。两年后，美国“机床与铸造公司”（AMF）也生产了另一种可编程工业机器人Versatran。70年代机器人技术发展成为专门学科机器人产业得到蓬勃发展，机器人技术发展成为专门学科，称之为机器人学（Robotics）。机器人的应用领域进一步扩大，不同的应用场所，导致了各种坐标系统、各种结构的机器人相继出现，大规模集成电路和计算机技术飞跃发展使机器人的控制性能大大提高，成本不断下降。第11页/共120页2023年4月2日1280年代开始进入智能机器人研究阶段80年代，不同结构、不同控制方法和不同用途的工业机器人在工业发达国家真正进入了实用化的普及阶段。随着传感技术和智能技术的发展，开始进入智能机器人研究阶段。机器人视觉、触觉、力觉、接近觉等项研究和应用，大大提高了机器人的适应能力，扩大了机器人的应用范围，促进了机器人的智能化进程。经历了50年的发展，机器人技术逐步形成了一门新的综合性学科—

机器人学（Robotics）它包括有基础研究和应用研究两个方面主要研究内容有：(1)机械手设计； (2)机器人运动学、动力学和控制；(3)轨迹设计和路径规划； (4)传感器(包括内部传感器和外部传感器)；(5)机器人视觉； (6)机器人语言；(7)装置与系统结构； (8)机器人智能等。第12页/共120页2023年4月2日131.3机器人的定义和分类

（DefinitionandClassifyingforRobots）1.3.1机器人的定义(DefinitionofRobots)

机器人问世已有几十年，机器人的定义仍然仁者见仁，智者见智，没有一个统一的意见。原因之一是机器人还在发展，新的机型，新的功能不断涌现。同时由于机器人涉及到了人的概念，成为一个难以回答的哲学问题。就像机器人一词最早诞生于科幻小说之中一样，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，才给了人们充分的想象和创造空间。随着机器人技术的飞速发展和信息时代的到来,机器人所涵盖的内容越来越丰富，机器人的定义也不断充实和创新。下面给出一些有代表性的定义。第13页/共120页2023年4月2日14国际和国外相关组织的定义国际标准化组织（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。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。美国机器人协会（RIA）的定义：机器人是一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置的，通过可编程序动作来执行种种任务的，并具有编程能力的多功能机械手。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。第14页/共120页2023年4月2日15有关学者的定义在1967年日本召开的第一届机器人学术会议上提出了两个有代表性的定义。森政弘与合田周平提出的定义：“机器人是一种具有移动性、个体性、智能性、通用性、半机械半人性、自动性、奴隶性等7个特征的柔性机器”。从这一定义出发，森政弘又提出了用自动性、智能性、个体性、半机械半人性、作业性、通用性、信息性、柔性、有限性、移动性等10个特性来表示机器人的形象。日本早稻田大学加藤一朗（日本机器人之父）教授认为：机器人是由能工作的手，能行动的脚和有意识的头脑组成的个体，同时具有非接触传感器（相当于耳、目）、接触传感器（相当于皮肤）、固有感及平衡感等感觉器官的能力。第15页/共120页2023年4月2日16也有一些组织和学者针对不同形式的机器人分别给出具体的解释和定义，而机器人则只作为一种总称。例如，日本工业机器人协会（JIRA）列举了6种型式的机器人：(1)手动操纵器：人操纵的机械手，缺乏独立性；(2)固定程序机器人：缺乏通用性；(3)可编程机器人：非伺服控制；(4)示教再现机器人：通用工业机器人；(5)数控机器人：由计算机控制的机器人；(6)智能机器人：具有智能行为的自律型机器人。第16页/共120页2023年4月2日17综合诸家的解释，概括各种机器人的性能，我们认为可以按以下特征来描述机器人：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(如肢体、感官等)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，是柔性加工主要组成部分；3.机器人具有不同程度的智能，如记忆、感知、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。第17页/共120页2023年4月2日181.3.2机器人的分类(ClassifyingofRobots)按照从低级→高级的发展程度可分为三类机器人第一代机器人（FirstGenerationRobots）：即可编程、示教再现工业机器人，已进入商品化、实用化。第二代机器人（SecondGenerationRobots）：装备有一定的传感装置，能获取作业环境、操作对象的简单信息，通过计算机处理、分析，能作出简单的推理，对动作进行反馈的机器人，通常称为低级智能机器人，由于信息处理系统的庞大与昂贵，第二代机器人目前只有少数可投入应用。第三代机器人（ThirdGenerationRobots）：具有高度适应性的自治机器人。它具有多种感知功能，可进行复杂的逻辑思维、判断决策，在作业环境中独立行动。第三代机器人又称作高级智能机器人，它与第五代计算机关系密切，目前还处于研究阶段。第18页/共120页2023年4月2日19第19页/共120页2023年4月2日20按照结构形态，负载能力和动作空间划分可分为超大型机器人：负载能力1000kg以上大型机器人：100-1000kg/10m2

以上中型机器人：10-100kg/1–10m2小型机器人：0.1-10kg/0.1-1m2超小型机器人：0.1kg以下/0.1m2

以下第20页/共120页2023年4月2日21按照开发内容和目的区分，可分为以下三类机器人工业机器人（IndustrialRobot）：如焊接、喷漆、装配机器人。操纵机器人（TeleoperatorRobot）：如主从手，遥控排险、水下作业机器人。智能机器人（IntelligentRobot）：如演奏、表演、下棋、探险机器人。特种机器人和微型机器人是目前机器人发展的一个重要方向特种机器人（SpecialRobots）：如航天飞机上的机械手在失重状态下的工作，海洋探测机器人、军用机器人、防核防化机器人、爬壁机器人、微小物体操作机器人等。微型机器人（Micro-robots）：体积小，如管道机器人、血管疏通机器人。微动机器人（Micro-movementrobots）：动作小、精度高，如细胞切割机器人、微操作和微装配机器人等。第21页/共120页2023年4月2日221.4机器人的结构与控制方式

(StructureandControlofRobots)1.4.1机器人的结构(TheStructureofRobot)简单地说，机器人主要由执行机构、驱动和传动装置、传感器和控制器四大部分构成（如图）。记忆、示教装置控制装置驱动传动装置传感器工业机器人系统结构第22页/共120页2023年4月2日23执行机构：机器人的足、腿、手、臂、腰及关节等，它是机器人运动和完成某项任务所必不可少的组成部分。驱动和传动装置：用来有效地驱动执行机构的装置，通常采用液压、电动和气动，有直接驱动和间接驱动二种方式。传感器：是机器人获取环境信息的工具，如视觉、听觉、嗅觉、触觉、力觉、滑觉和接近觉传感器等，它们的功能相当于人的眼、耳、鼻、皮肤及筋骨。控制器：是机器人的核心，它负责对机器人的运动和各种动作控制及对环境的识别。 现代工业机器人的控制器都是由计算机控制系统组成，控制方式主要有示教再现、可编程控制、遥控和自主控制等多种方式。第23页/共120页2023年4月2日24定义：所谓直接驱动就是将直接驱动旋转电机（DDR）或改接驱动直线电机（DDL）直接耦合或连接到从动负载上，从而实现与负载的刚性耦合。优点：由于取消了传动皮带和齿轮箱等部件，直接驱动的结构设计从根本上改变厂原有的旋转电机加丝杠结构，消除了机械传动带来的间隙、柔性及与之相关的系列问题，具有免维护、高刚度、无需润滑、定位精度高、速度平稳、运行安静等优点，大大提高了设备的生产率和可靠性。同时，由于装配紧凑、零部件少、安装和使用便捷，还能够帮助OEM厂商快速将产品推向市场。第24页/共120页2023年4月2日25日本三菱公司产MOVEMASTER-EX五自由度机器人

▲实验室中的MOVEMASTER-EX机器人实物照片▼MOVEMASTER-EX五自由度机器人结构图第25页/共120页2023年4月2日26美国UNIMATE公司产PUMA/560型六自由度机器人▲PUMA/560机器人（照片）▼PUMA/560六自由度机器人结构

第26页/共120页2023年4月2日271.4.2机器人的工作原理（ThePrincipleofRobot）

机器人的工作原理是一个比较复杂的问题。简单地说，机器人的原理就是模仿人的各种肢体动作、思维方式和控制决策能力。从控制的角度，机器人可以通过如下四种方式来达到这一目标。“示教再现”方式：它通过“示教盒”或人“手把手”两种方式教机械手如何动作，控制器将示教过程记忆下来，然后机器人就按照记忆周而复始地重复示教动作，如喷涂机器人。(teaching/playback)方式（简称T/P方式）第27页/共120页2023年4月2日28“可编程控制”方式：工作人员事先根据机器人的工作任务和运动轨迹编制控制程序，然后将控制程序输入给机器人的控制器，起动控制程序，机器人就按照程序所规定的动作一步一步地去完成，如果任务变更，只要修改或重新编写控制程序，非常灵活方便。大多数工业机器人都是按照前两种方式工作的。“遥控”方式：由人用有线或无线遥控器控制机器人在人难以到达或危险的场所完成某项任务。如防暴排险机器人、军用机器人、在有核辐射和化学污染环境工作的机器人等。“自主控制”方式：是机器人控制中最高级、最复杂的控制方式，它要求机器人在复杂的非结构化环境中具有识别环境和自主决策能力，也就是要具有人的某些智能行为。第28页/共120页2023年4月2日291.4.3控制(Control)示教－再现即分为示教－存储－再现-操作四步进行。示教：方式有两种：直接示教－手把手：操作人员直接带动机器人的手臂依次通过预定的轨迹，这时，顺序、位置和时间三种信息可以做到综合示教。再现时，依次读出存储的信息，重复示教的动作过程。间接示教－示教盒控制：操作人员通过操作示教盒上的按键，编制机器人的动作顺序，确定位置、设定速度或限时，三种信息的示教一般是分离进行的。在计算机控制下，用特定的语言编制示教程序，实际上是一种间接示教方式，位置信息往往需通过示教盒设定。存储：在必要的期限内保存示教信息。再现：根据需要，读出存储的示教信息向机器人发出重复动作的命令。操作：根据再现时所发出的一条条指令，驱使机器人的各个自由度产生相应的动作，最终使机器人手爪从空间一点移动到另一点。第29页/共120页2023年4月2日30控制信息顺序信息：各种动作单元（包括机械手和外围设备）按动作先后顺序的设定、检测等。位置信息：作业之间各点的坐标值，包括手爪在该点上的姿态，通常总称为位姿（POSE=positionandorientation）。时间信息：各顺序动作所需时间，即机器人完成各个动作的速度。位置控制点位控制－PTP（PointtoPoint）：只考虑起始点和目的点的位置，而不考虑两点之间的移动路径的控制方式，适用于上下料、点焊、搬运等；连续路径控制－CP（ContinuousPath）：不但要求机器人以一定的精度到达目标点，而且对其移动的轨迹形式有一定精度范围的要求。第30页/共120页2023年4月2日311.5

操纵机器人

(OperatingRobots)

操纵机器人实际上是一种人机系统，由人"操纵"代替"示教"。因此，人与机器人之间相互传递信息的问题就成为操纵机器人研究的重点。操纵机器人可分为两种类型：能力扩大式机器人：负重能力，动作范围放大数倍甚至数十倍，如空间机器人放置和回收卫星；遥控机器人：适用于特殊作业环境，如放射性物质，真空，有毒气体等隔离工作环境。又如高空、建筑、宇宙、海洋开发、火山探测、军事战场等人不能到达的环境。第31页/共120页2023年4月2日32主从式机器人与人协同动作第32页/共120页2023年4月2日331.6智能机器人

(IntelligentRobots)第三代智能机器人应具备以下四种机能：运动机能：施加于外部环境，相当于人的手、脚等动作机能；感知机能：获取外部环境信息的能力，如视觉、触觉、听觉、力觉、距离感、接近觉等；思维能力：认识、推理、判断能力；人－机对话机能：理解指示命令，输出内部状态，与人进行信息交换的能力。

智能机器人既不同于工业机器人的“示教－再现”，也不同于操纵机器人的“操纵”，而是一种“认知－适应"的工作方式。第33页/共120页2023年4月2日341.7机器人的应用

（TheApplicationsofRobots）

机器人的应用十分广泛，在许多领域机器人都得到了成功的应用或有着美好的应用前景。工业机器人

工业机器人是应用最为成功和广泛的机器人，它的应用涉及到工业生产的各个方面，如焊接、装配、喷漆等。海洋探测机器人可用于海底矿物资源和水文气象探测、海底地势勘查、打捞、救生、排险等。空间机器人在航天飞机上用来回收和维修人造卫星，在空间站、月球表面和火星上进行工作。军用机器人

有扫雷排雷机器人、侦察机器人、防核防化机器人等。第34页/共120页2023年4月2日35特种机器人

替代人在繁重、危险、恶劣环境下作业必不可少的工具，如消防（灭火）机器人、防暴机器人、盾构机器人等。微型机器人进入煤气、输油管道等狭窄场所进行工作，甚至进入人体的血管、肠胃。微操作机器人是机器人领域的一个重要研究方向，在国防、空间技术、生物医学工程、智能制造和微机电系统（MEMS）中有广泛的应用前景。娱乐机器人充当导游、做表演、甚至与人进行简单交流，如导游机器人、足球机器人、机器狗、机器猫、机器鱼等。服务机器人已经开始或在不久的将来进入人类家庭生活，如保健机器人，导盲机器人、垃圾清扫和擦玻璃机器人等。第35页/共120页2023年4月2日36

工业机器人汽车装配机器人

第36页/共120页2023年4月2日37汽车装配机器人第37页/共120页2023年4月2日38一汽红旗轿车机器人焊接线第38页/共120页2023年4月2日39弧焊机器人第39页/共120页2023年4月2日40点焊机器人铆接机器人

第40页/共120页2023年4月2日41

海洋探测机器人1990年日本海洋科技中心研制的“海沟号”缆控式无人潜水器（左）及其在大海中工作时的情况（右）

第41页/共120页2023年4月2日42CR-01型6000米水下无缆机器人1995年8月我国沈阳自动化所机器人中心研制的CR-01型6000米水下无缆机器人（上）和正在下水的情况（右）第42页/共120页2023年4月2日43

空间机器人美国航空航天局（NASA）研究的月球车在月球表面时的情形第43页/共120页2023年4月2日44美国航空航天局（NASA）研究的“索杰纳”火星车第44页/共120页2023年4月2日451997年7月4日17时07分，美国航空航天局（NASA）发射的火星探路者号宇宙飞船成功地在火星（Mars）表面着陆，“索杰纳”火星车在火星上成功地工作了250天。2003年6月先后升空的美国“勇气”（Spirit）号和“机遇”（Opportunity）号火星车经过1.2亿公里和半年多的长途飞行，分别于2004年1月3日和24日先后登陆火星，向地球传来大量清晰的火星图片。第45页/共120页2023年4月2日46日本研究的火星探测机器人第46页/共120页2023年4月2日47军用机器人英国研制的履带式“手推车”（上图）、“土拨鼠”（右图右）和“野牛”（右图左）排爆机器人在波黑及科索沃战争中用来探测及处理爆炸物机器警察第47页/共120页2023年4月2日48德国的排爆机器人我国沈阳自动化所研制的排爆机器人第48页/共120页2023年4月2日49工兵机器人美国将M60坦克的炮塔去掉后改装的豹式扫雷车第49页/共120页2023年4月2日50德国研制的Minebreaker2000机器人扫雷车

第50页/共120页2023年4月2日51保安机器人美国研制的MDARS-E型室外保安机器人MPR-800多用途机器人，可用于扫雷、灭火、核生化污染清除等多项危险工作第51页/共120页2023年4月2日52侦察机器人

美国研制的“徘徊者”侦察机器人由M113装甲运输车改装而成

美国国防高级研究计划局正在研制的只有2.54厘米大小昆虫机器人第52页/共120页2023年4月2日53水下扫雷机器人第53页/共120页2023年4月2日54瑞典博福斯公司研制的“双鹰”水下扫雷机器人

第54页/共120页2023年4月2日55美国罗克威尔公司及IS机器人公司研制的一种名叫

“水下自主行走装置”（ALUV）的水下扫雷机器蟹

第55页/共120页2023年4月2日56无人机

“暗星”无人机“别动队”无人机法国“红隼”无人机高空无人侦察机第56页/共120页2023年4月2日57鬼怪式无人机发射Brevel无人机只有15厘米的微型无人机第57页/共120页2023年4月2日58

特种机器人复合式直径6.14米盾构掘进机隧道凿岩机器人第58页/共120页2023年4月2日59自动无轨堆垛机

机器人化装载机自动摊铺机

第59页/共120页2023年4月2日60

移动机器人

法国国家科学研究中心和系统分析与结构实验室共同研制的HILARE2型移动机械手第60页/共120页2023年4月2日61法国蒙特皮里亚（Montpellier）微电子与

机器人实验室研制的LIRMM移动机器人

第61页/共120页2023年4月2日62

微型机器人工业管道机器人移动探测系统SMA六足微型机器人外观如同一只小甲虫，外形尺寸为25×30×30mm3，重20克，步行速度18mm/分，有12个自由度，SMA（形状记忆合金）作为驱动源。微小型机器人将来可能在细小管道检测及医疗方面发挥作用。第62页/共120页2023年4月2日63微型飞行器：被认为是未来战场上的重要侦察和攻击武器，能以可接受的成本执行某一有价值的任务。这种飞行器必须能够传输实时图像或执行其它功能，有足够小的尺寸（小于20厘米）、足够的巡航范围（如不小于5公里）和飞行时间（不小于15分钟）。

微型战术无人机：可用于战争危险估计、目标搜索、通信中继，监测化学、核或生物武器，侦察建筑物内部情况。可适用于城市、丛林等多种战争环境。因为其便于携带，操作简单，安全性好的优点，可以在部队中大量装备。第63页/共120页2023年4月2日64微操作机器人系统华中科技大学控制系智能与控制工程研究所研制的HUST-MR801型双手协调微操作机器人实验系统第64页/共120页2023年4月2日65

娱乐机器人机器人足球赛第65页/共120页2023年4月2日66机器人相扑大赛

相扑机器人第66页/共120页2023年4月2日67机器狗与机器昆虫

第67页/共120页2023年4月2日68小提琴机器人和吹笛机器人

吹笛机器人小提琴机器人第68页/共120页2023年4月2日69机器人乐队第69页/共120页2023年4月2日70舞蹈机器人和机器龟机器人舞蹈机器龟走迷宫第70页/共120页2023年4月2日71

服务机器人脑外科机器人辅助系统护士助手机器人第71页/共120页2023年4月2日72遥控操作手术（格林系统）第72页/共120页2023年4月2日73导盲机器人和智能轮椅智能轮椅导盲机器人第73页/共120页2023年4月2日74爬缆索机器人和清洗巨人爬缆索机器人:在高空缆索上自动完成检查、打磨、清洗、去静电、底涂和面涂及一系列的维护工作。清洗巨人：利用两套计算机和一个机器人控制器来控制飞机的清洗

，不仅减轻了工人的劳动强度，而且大大提高了工作效率。例如，人工清洗一架波音747飞机需要95个工时，而机器人清洗仅需12个工时。第74页/共120页2023年4月2日75高楼擦窗和壁面清洗机器人

第75页/共120页2023年4月2日76消防机器人和救援机器人第76页/共120页2023年4月2日77雕刻机器人和汽车加油机器人加油机器人：汽车驶入加油岛，前轮触发一个概略定位器，给出汽车的概略位置。机器人臂抓起相应的油枪，机器人臂伸出，机器人臂上装有一台微型摄像机，它找到油箱盖，利用一个吸气装置将其打开，然后机器人手爪拧开加油口密封盖，插入加油软管。加完油后，机器人盖上密封盖及油箱盖。与此同时，计算机已为用户结完帐。整个过程只需两、三分钟。雕刻机器人：电脑雕刻系统集扫描、编辑、排版、雕刻诸功能于一体，是CAD/CAM一体化的典型产品，能方便快捷地在各种材质上雕刻出逼真、精致、耐久的二维图形及三维立体浮雕。第77页/共120页2023年4月2日78导游机器人和礼仪机器人第78页/共120页2023年4月2日79

农业和林业机器人

摘西红柿机器人温室中的嫁接机器人第79页/共120页2023年4月2日80林木球果采集机器人

伐根机器人第80页/共120页2023年4月2日81

仿人形机器人本田公司机器人P2

本田公司机器人P3日本本田公司投入巨资，经过10多年的开发，于1997年研制出了在世界上居领先地位的双足步行机器人P3

，按研制时间先后，把双足步行机器人分别命名为P1、P2、P3等。P3的高度为160cm，体重130公斤。被称为二哥的机器人P2身高1.80米，体重120公斤，看起来笨头笨脑，但行动起来却很灵活，它们不仅能在平坦的地面上行走，还能够完成上台阶和用扳手拧螺钉等高难动作。第81页/共120页2023年4月2日82我国研究的仿人型机器人

哈尔滨工业大学双足步行机器人在爬楼梯国防科技大学研制“先行者”仿人型机器人第82页/共120页2023年4月2日83北航的多指灵巧手哈工大研究的多指灵巧手第83页/共120页2023年4月2日841.8未来机器人的发展方向

(TheFutureofRobots)目前的应用情况机器人的诞生是人类高新技术革命的结晶，经过短短四十多年的发展已取得了巨大成功，但是对于人类的理想来说这还仅仅是开始。据有关资料统计，1996年，全世界有机器人68万台，从1996年以来，世界机器人销售量的年增长率为13%，到2000年，全世界的机器人数量已达到130万台（1999年底销售机器人总台数已达到110万台）。第84页/共120页2023年4月2日85应用领域的进一步扩大机器人在制造业中的发展是成功的，正逐步涉足非制造业。随着人类改造大自然要求的提高，以及机器人适应特殊环境能力的增强，农业、林业、军事、海洋勘探、太空探索、生物医学工程等行业将是机器人崭露头角的新领域。深入日常生活在人们的日常生活中，各种服务机器人也将向我们走来，娱乐机器人将给我们的生活增添无限乐趣。清洁机器人将减轻我们繁重的家务。保健机器人可为老人和残疾人提供保健帮助，是人们强烈需求的对象。未来的机器人未来的机器人将像人一样，能听、能看、能说、能识别环境，具有记忆、推理和决策能力，在某些方面甚至有超过人的能力，如计算、速度、记忆、力量和适应恶劣环境的能力等。人类对机器人将逐渐实现语言、表情甚至意念等方式进行控制，机器人终将成为人类的忠实助手和亲密朋友。第85页/共120页2023年4月2日861.9

我国机器人研究的简况

(DevelopingofRobotsinChina)我国机器人研究始于70年代，并被列入“七五”期间实施的国家“863”高科技发展计划（512主题）。“863”计划的实施大大推动了我国机器人技术的发展，在短短30多年里，中国的机器人技术在世界上已占有一席之地，在制造业中陆续出现一些喷涂、焊接、搬运、装配机器人，但受市场和资金等因素的影响，截止到1998年我国机器人装机数量仅1200台，其中绝大部分是进口的，这与发达国家相比还存在很大差距。第86页/共120页2023年4月2日87在特种机器人方面，自第一台水下机器人在沈阳自动化所研制成功后，瑞康（RECON）一号、探索者一号相继下水，特别是“CR－01”6000米水下机器人，能完成在深水中摄像，进行海底地势勘察和水文测量，自动记录各种数据等工作。另外，工业机器人（沈阳新松机器人公司、哈工大）我国还在壁面爬行机器人（哈工大、北航）、遥控检查和排险机器人（沈阳自动化所）、自动驾驶机器人（清华大学、国防科技大学）、防核防化军用机器人（国防科技大学）、微操作机器人（哈工大、华中科技大学、南开大学）、医用机器人（哈工大、北航）的研究方面取得了较大的进展。目前我国机器人的发展正朝着实用化、智能化和特种机器人的方向发展。我们完全有理由相信，随着我国科学技术的飞速发展和知识经济时代的到来，我国机器人的研究水平和应用领域，将进入一个大的发展时期。第87页/共120页2023年4月2日881.10

机器人的社会问题（争议）1、造成工人失业，造成一系列的社会和经济问题，应该辨证看待。2、机器人能和人类友好相处吗？3、智能机器人的威胁（1）“深蓝”战胜卡斯帕罗夫（2）“人工大脑之父”雨果·德·加里斯教授清华放言50年后机器人将威胁人类（3）机器人设计三原则：为了防止机器人伤害人类，科幻作家阿西莫夫于1940年提出了“机器人三原则”：

①机器人不应伤害人类；

②机器人应遵守人类的命令，与第一条违背的命令除外；

③机器人应能保护自己，与第一条相抵触者除外。

这是给机器人赋予的伦理性纲领。机器人学术界一直将这三原则作为机器人开发的准则。第88页/共120页2023年4月2日891.11工业机器人的组成和技术参数1.11.1工业机器人的基本组成按照功能可将机器人分为六个子系统：1、机械结构系统机械结构系统由机身、手臂、末端操纵器三大件组成。如图所示，每一大件都有若干自由度，构成一个多自由度的机械系统。典型弧焊机器人第89页/共120页2023年4月2日902、驱动系统要使机器人运行起来，需要给各个关节即每个运动自由度安装传动装置，这就是驱动系统。相当于机械手的“肌肉”，驱动系统可以是液压传动、气压传动、电动传动，或者把它们结合起来的综合系统。常见的驱动器有伺服电机、步进电机、气缸、液压缸等。可以直接驱动关节，也可以通过同步带、链条、轮系、谐波齿轮等传动机构进行间接驱动。3、感受系统它由内部传感器模块和外部传感器模块组成。内部传感器模块负责收集机器人内部信息如各个关节和连杆的信息。如同人体肌腱内的中枢神经系统中的神经传感器。外部传感器负责获取外部环境信息。包括视觉系统、触觉传感器等。第90页/共120页2023年4月2日914、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，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、示教盒、信息显示屏、报警器等。如图所示。归结起来为两大类：指令给定装置和信息显示装置。5、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执行结构去完成规定的运动和功能。根据有无反馈可分为开环控制系统和闭环控制系统等。根据控制原理可分为顺序控制系统、自适应控制系统和智能控制系统。6、机器人－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。第91页/共120页2023年4月2日92机器人的基本组成第92页/共120页2023年4月2日931.11.2工业机器人的两个重要概念1、自由度自由度指机器人具有的独立运动的数目，不包括末端操作器的自由度（如手爪的开合）。分析T3机器人。在三维空间确定一个点的位置需要几个坐标？一个具有三个自由度的装置，在它的工作区域内可以将任意一点放到所期望的位置。确定一个刚体（一个三维物体，不是一个点）在空间的位置和姿态需要几个自由度？其中三个用于确定位置（x，y，z），三个用于确定姿态（绕x，y，z的旋转）。人的手臂（不包括手掌和手指）由三组关节组成——肩、肘和腕。试分析各自的自由度。第93页/共120页2023年4月2日94T3型工业机器人第94页/共120页2023年4月2日952、关节机器人的机械结构部分可以看作是由一些连杆通过关节组装起来的。由关节完成连杆之间的相对运动。通常有两种关节，即转动关节和移动关节。转动关节主要是电动驱动的，主要由步进电机或伺服电机驱动。移动关节主要由气缸、液压缸或者线性电驱动器驱动。第95页/共120页2023年4月2日961.11.3工业机器人的技术参数1、负荷能力负荷能力是指机器人在满足其它性能指标（速度和精度）要求的情况下，能够承载的负荷重量。机器人的负荷重量与其自身重量相比往往非常小。例如：MOTOMANUP6型通用工业机器人的自重130Kg，负荷能力为6Kg。2、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。由于末端执行器的形状和尺寸是多种多样的，为真实反映机器人的特征参数，故工作范围是指不安装末端执行器时的工作区域。工作范围的形状和大小是十分重要的，机器人在执行某作业时可能会因存在手部不能到达的作业死区(deadzone)而不能完成任务。第96页/共120页2023年4月2日97MOTOMANUP6型通用工业机器人工作区域最大动作范围S轴(回旋)±170°L轴(下臂倾动)+155°、–90°U轴(上臂倾动)+190°、–170°R轴(手臂横摆)±180°B轴(手腕俯仰)+225°、–45°T轴(手腕回旋)±360°第97页/共120页2023年4月2日983、精度

机器人的精度主要依存于机械误差、控制算法误差与分辨率系统误差。机械误差主要产生于传动误差、关节间隙与连杆机构的挠性。控制算法误差主要指算法能否得到直接解和算法在计算机内的运算字长所造成的BIT(比特)误差。4、重复精度（变化性）重复精度是指如果动作重复多次，机器人到达同样位置的精确程度，它可以用标准偏差这个统计量来表示。它比精度更为重要。大多数机器人的重复精度的范围在0.1mm以内。第98页/共120页2023年4月2日99(a)(b)(c)试分析各图中精度和重复精度第99页/共120页2023年4月2日1005、最大工作速度

厂家不同对最大工作速度规定的内容亦有不同，有的厂家定义为工业机器人主要自由度上最大的稳定速度；有的厂家定义为手臂末端最大的合成速度，通常在技术参数中加以说明。第100页/共120页2023年4月2日101机械结构垂直多关节型自由度数6载荷质量6kg重复定位精度±0.08mm本体质量130kg安装方式地面安装电源容量1.5kV·A最大动作范围S轴(回旋)±170°L轴(下臂倾动)+155°、–90°U轴(上臂倾动)+190°、–170°R轴(手臂横摆)±180°B轴(手腕俯仰)+225°、–45°T轴(手腕回旋)±360°表1MOTOMANUP6型通用工业机器人的技术参数第101页/共120页2023年4月2日102最大速度S轴2.44rad/s(140°/s)L轴2.79rad/s(160°/s)U轴2.97rad/s(170°/s)R轴5.85rad/s(335°/s)B轴5.85rad/s(335°/s)T轴8.37rad/s(500°/s)容许力矩R轴11.8N·m(1.2kgf·m)B轴9.8N·m(1.0kgf·m)T轴5.9N·m(0.6kgf·m)容许转动惯量R轴0.24

kg·m2B轴0.17kg·m2T轴0.06kg·m2标准涂色活动部位：淡灰色固定部位：深灰色电动机：黑色安装环境温度0～45

°C湿度(20～80)%RH(不能结露)振动4.9m/s2以下其他避免接触易燃及腐蚀性气体或液体；不可接近水、油、粉尘等；远离电气噪声源第102页/共120页2023年4月2日1031.12工业机器人的分类及应用1.12.1工业机器人的分类1、按机器人的基本结构分类机器人的机械结构部分可以看作是由一些连杆和关节组装起来的。连杆和关节按照不同的坐标形式组装，机器人可分为五种：。第103页/共120页2023年4月2日104（1）直角坐标式机器人直角坐标式机器人具有三个移动关节，能使手臂沿直角坐标系的X、Y、Z的三个坐标轴作直线移动。第104页/共120页2023年4月2日105主要用途：生产设备的上下料及高精度的装配和检测。占工业机器人总数的14％左右。结构：具有三个独立的自由度。优点：（1）结构简单（2）在XYZ三个坐标轴方向上运动没有耦合，容易编程控制缺点：（1）直线导轨面的防护比较困难，不能像转动关节的轴承那样密封得很好。（2）结构尺寸与有效工作范围相比显得庞大。起重机台架式直角坐标机器人第105页/共120页2023年4月2日106（2）圆柱坐标式机器人具有一个转动关节和两个移动关节，具有三个自由度：腰转、升降、手臂伸缩。构成圆柱形状的工作范围。第106页/共120页2023年4月2日107主要用途：有较强的通用性。

VERSATRAN机器人是该型机器人的典型代表优点：（1）比直角坐标式机器人增加了通用性，可用于装配、搬运、焊接等作业。（2）结构紧凑（3）两个直线运动可采用套筒式结构，手臂能够收回去，减少腰转时的转动惯量。VERSATRAN机器人第107页/共120页2023年4月2日108（3）球坐标式机器人具有两个转动关节和一个移动关节，具有三个自由度：腰转、俯仰、手臂伸缩，构成球形的工作范围。第108页/共120页2023年4月2日109应用广泛Unimate机器人是其典型代表。优点：（1）具有较大的工作范围。（2）结构紧凑缺点：设计和控制系统比较复杂。Unimate机器人第109页/共120页2023年4月2日110（4）关节坐标式机器人具有三个转动关节，其中两个关节轴线是平行的，具有三个自由度：腰转、肩关节、肘关节，构成较为复杂的工作范围。第110页/共120页2023年4月2日111应用广泛的拟人化机器人。占工业机器人总数的25％左右。优点：1）结构最紧凑，灵活性大，占地面积最小，工作空间最大2）能与其他机器人协调工作，避障性好。缺点：位置精度较低，控制存在耦合，故比较复杂。MOTOMANUP6型通用工业机器人第111页/共120页2023年4月2日112（5）关节坐标式机器人具有三个转动关节，其中两个关节轴线是平行的，具有三个自由度：腰转、肩关节、肘关节，构成较为复杂的工作范围。第112页/共120页2023年4月2日113（5）平面关节式机器人可以看作是关节坐标式机器人的特例，它只有平行的肩关节和肘关节，关节轴线共面。它是一种装配机器人，也叫作SCARA（selectivecompli