机器人技术概论PPT完整全套教学课件

机器人技术概论模块1机器人基础认知模块2机器人机械结构模块3机器人驱动系统模块4机器人控制系统模块5机器人感觉系统模块6机器人语言系统模块7机器人应用领域模块1机器人基础认知前言机器人技术是20世纪人类最伟大的发明之一，机器人自20世纪60年代初问世以来，经历了五六十年的发展，取得了长足进步。随着科学技术的不断发展，机器人发展也是日新月异，看过《变形金刚》《星球大战》的人们对机器人都不再陌生，影视作品中也对形态各异的机器人进行了非常多样的呈现，有些机器人已经开始走进我们现实的生活中，成为我们生活中不可或缺的一部分。目录机器人简史机器人概述机器人分类机器人发展趋势

单元1机器人简史《列子·汤问》中收录了“偃师献技”的科学幻想寓言故事，传说西周时期有位“偃师”（即现在的能工巧匠）向周穆王献上了自己制作的能歌善舞的“伶人”（即现在的歌舞或戏剧演员）。《墨子·鲁问》中又收录了“公输削鹊”的中华寓言故事，传说春秋战国时期我国著名木匠鲁班（在机械方面也是一位发明家）曾制造过一只木“鹊”，能在空中飞行“三日不下”。公元前2世纪，亚历山大时代的古希腊人发明了最原始的机器人——自动机，它是以水、空气和蒸汽压力为动力会动的雕像，它可以自己开门，还可以借助蒸汽唱歌。1900年前的汉代，大科学家张衡发明了记里鼓车。记里鼓车每行一里，车上木人击鼓一下，每行十里击钟一下。后汉三国时期，蜀国丞相诸葛亮成功地创造出了“木牛流马”（出自《三国志·蜀志·诸葛亮传》），并用其运送军粮，支援前方作战。一、机器人的诞生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。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。在当时的自动玩偶中，最杰出的要数瑞士的钟表匠杰克·道罗斯和他的儿子利·路易·道罗斯。1773年，他们连续推出了自动书写玩偶、自动演奏玩偶等，他们发明的自动玩偶是利用齿轮和发条原理制成的。如图1-1所示，它们有的拿着画笔绘画，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。一、机器人的诞生由于当时技术条件的限制，这些玩偶都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。纪中叶自动玩偶分为2个流派，即科学幻想派和机械制作派，并各自在文学艺术和近代技术中找到了自己的位置。1831年歌德发表的《浮士德》，塑造了人造人“荷蒙克鲁斯”。1870年霍夫曼出版了以自动玩偶为主角的作品《葛蓓莉娅》。1883年科洛迪的《木偶奇遇记》问世。1886年《未来的夏娃》问世。在机械制作方面，1893年摩尔制造了“蒸汽人”，“蒸汽人”靠蒸汽驱动双腿沿圆周走动。一、机器人的诞生由于当时技术条件的限制，这些玩偶都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。19世纪中叶自动玩偶分为2个流派，即科学幻想派和机械制作派，并各自在文学艺术和近代技术中找到了自己的位置。1831年歌德发表的《浮士德》，塑造了人造人“荷蒙克鲁斯”。1870年霍夫曼出版了以自动玩偶为主角的作品《葛蓓莉娅》。1883年科洛迪的《木偶奇遇记》问世。1886年《未来的夏娃》问世。在机械制作方面，1893年摩尔制造了“蒸汽人”，“蒸汽人”靠蒸汽驱动双腿沿圆周走动。一、机器人的诞生进入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，一些实用的机器人相继问世。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。一、机器人的诞生现代机器人的研究始于20世纪中期，其技术背景是计算机和自动化的发展，以及原子能的开发利用。自1946年第一台数字电子计算机问世以来，计算机取得了惊人的进步，向高速度、大容量、低价格的方向发展。大批量生产的迫切需求推动了自动化技术的进展，其结果之一便是1952年数控机床的诞生。与数控机床相关的控制、机械零件的研究又为机器人的开发奠定了基础。图1-2所示为机器人汽车焊接生产线。二、现代机器人因原子能实验室的恶劣环境要求，某些操作如处理放射性物质，需要由机械代替人处理。在这一需求背景下，美国原子能委员会的阿尔贡研究所于1947年开发了遥控机械手，1948年又开发了机械式的主从机械手。1954年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节，利用人手对机器人进行动作示教，机器人能实现动作的记录和再现，这就是现在的示教再现机器人。时至今日，示教再现依然是机器人领域的一种重要控制方式。1959年第一台可编程的工业机器人在美国诞生，开创了机器人发展的新纪元。二、现代机器人机器人产品最早的实用机型（示教再现控制方式）是1962年美国AMF公司推出的“Verstran”和Unimation公司推出的“Unimate”。这些工业机器人的控制方式与数控机床相似，但外形特征迥异，主要由类似人的手和臂组成。图1-3为ABB开发的协作机器人。1965年，美国麻省理工学院（MIT）演示了第一个具有视觉传感器的、能识别与定位简单积木的机器人系统。1967年日本成立了“人工手”研究会（现改名为仿生机构研究会），同年召开了日本首届机器人学术会。1970年在美国召开了第一届国际工业机器人学术会议。1970年以后，机器人的研究受到广泛关注，并得到迅速普及。二、现代机器人1973年，辛辛那提·米拉克隆公司的理查德·豪恩制造了第一台由小型计算机控制的工业机器人，它是液压驱动的，能提升的有效负载达45kg。到了1980年，工业机器人才真正在日本应用普及，故该年被日本国内称为“机器人元年”。随后，工业机器人在日本得到了巨大发展，日本也因此而赢得了“机器人王国”的美称。图1-4所示为日本研制的犬型机器人。随着计算机技术和人工智能技术的飞速发展，机器人在功能和技术上有了很大的提高。移动机器人，以及机器人视觉、触觉等技术就是典型代表，这些技术的发展，推动了机器人概念的延伸。二、现代机器人20世纪80年代，人们将具有感觉、思考、决策和动作能力的系统称为智能机器人，这是一个概括的、含义广泛的概念。这一概念不但指导了机器人技术的研究与应用，而且赋予了机器人技术向深、向广发展的巨大空间，水下机器人、空间机器人、空中机器人、地面机器人、微小型机器人等各种用途的机器人相继问世，许多梦想成为了现实。二、现代机器人图1-5所示为水下机器人。将机器人技术（如传感技术、智能技术、控制技术等）扩散和渗透到各个领域形成了各式各样的新机器——智能化机器，如仿生机器人、可重构机器人等。当前与信息技术的交互和融合又产生了“软件机器人”“网络机器人”等新名词，这也说明了机器人所具有的创新活力。“工欲善其事，必先利其器”，人类在认识自然、改造自然、推动社会进步的过程中，不断地创造出各种各样为人类服务的工具，其中许多具有划时代的意义。作为20世纪自动化领域的重大成就，机器人已经和人类社会的生产、生活密不可分。世间万物，人力是第一资源，这是任何其他物质不能替代的。我们完全有理由相信，像其他许多科学技术的发明发现一样，机器人也将成为人类的好助手、好朋友。二、现代机器人

单元2机器人概述1①机器人不应伤害人类；②机器人应遵守人类的命令，违背第一条命令的除外；③机器人应能保护自己，与第一条相抵触者除外。阿西莫夫：机器人三原则一是森政弘与合田周平提出的：“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个特性来描述机器人的形象。1967年两个有代表性的定义机器人是一种自动化的机器，所不同的是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。我国科学家对机器人的定义工业机器人是一种具有自动控制操作和移动功能的，能完成各种作业的可编程操作机。1987年国际标准化组织（ISO）324一、机器人的定义一、机器人的定义1可编程23拟人化通用性机器人具有智力或具有感觉与识别能力，可随工作环境变化的需要而再编程。机器人是模仿人或动物肢体动作的机器，能像人那样使用工具。因此，数控机床和汽车不是机器人。一般机器人在执行不同作业任务时，具有较好的通用性。二、机器人的特点二、机器人的特点二、机器人的特点二、机器人的特点

单元3机器人分类搬运机器人喷涂机器人焊接机器人特种机器人应用环境工业机器人服务机器人、水下机器人娱乐机器人、军用机器人农业机器人、机器人化机器等一、按应用环境分类装配机器人一、按应用环境分类一、按应用环境分类一、按应用环境分类二、按机械结构分类12分类串联机器人串联结构操作手是较早应用于工业领域的机器人。根据杆件之间联结的运动副的不同，串联机器人可分为直角坐标机器人、圆柱坐标机器人、关节型机器人。并联机器人并联机构（ParallelMechanism，简称PM），可以定义为动平台和定平台，通过至少两个独立的运动链相连接，机构具有两个或两个以上自由度，且以并联方式驱动的一种闭环机构。按机械结构和串联机器人相比较，并联机器人具有以下特点：（1）无累积误差，精度较高；（2）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，速度快，动态响应好；（3）结构紧凑，刚度高，承载能力大；（4）完全对称的并联机构具有较好的各向同性；（5）工作空间较小。在此输入你的内容二、按机械结构分类二、按机械结构分类程序输入型机器人无须示教示教再现型机器人示教方法通常有两种智能型机器人机器人将会变得“聪明”起来三、按控制方式分类三、按控制方式分类

单元4机器人发展趋势随着计算机视觉、人工智能等技术的发展，机器人将可以实现自主决策，可以预测即将发生的事情，并对未来变化的情境做出相应的行为，人机协作机器人也已经成为机器人发展的一大趋势，未来机器需要与人类一起工作，这种判断能力和自主决策就显得十分重要。机器人发展趋势12人工智能从多个方面赋予机器人全新的能力在智慧家庭应用场景中，新一代智能机器人可以从事很多专门的服务4“AI+机器人”同样蕴含着巨大的潜力3机器人正在进入越来越多的应用场景5中国机器人专家陈小平教授认为，中国在世界机器人版图上的地位已经变得越来越重要。6机器人已进入智能时代，目前以人为主的生产模式，将逐步被以智能机器人为主导的模式所取代。智能机器人技术的快速发展及应用将成为未来经济的重要推动力机器人发展趋势机器人发展趋势谢谢收看模块2机器人机械结构前言如果把机器人程序比作机器人的思想，电路比作机器人的神经，那么机器人的机械机构就是机器人的躯体。可想而知，如果没有躯体，机器人将无法实现规定的动作。可以说，机械机构是机器人的基础，只有在机械机构设计良好的情况下，电控部分才能发挥效应。如果机械结构有缺陷，通过电控部分虽然可以弥补一些不足，但是电控方面制作起来就会显得极其复杂。目录机械常识机器人机械结构组成机器人结构认知案例

单元1机械常识（一）假如组成机构的所有构件都在同一个平面或相互平行的平面内运动，则称为平面机构，否则称为空间机构。平面机构的概念低副高副其他运动副自由度和约束平面机构自由度的计算平面机构自由度计算需要注意的问题（1）复合铰链。（2）局部自由度。（3）虚约束。平面机构的自由度机构简图是用特定的构件和运动副符号表示机构的一种简化示意图，仅表示机构运动传递情况和结构特征。按一定的长度比例尺，用规定的简化画法表示构件和运动副，这样绘制的图形称为机构运动简图。平面机构简图和运动简图（三）（二）（四）一、机构认知一、机构认知一、机构认知一、机构认知一、机构认知一、机构认知一、机构认知一、机构认知一、机构认知一、机构认知一、机构认知一、机构认知一、机构认知(一)平面连杆机构(二)凸轮机构如图2-14所示为曲柄摇杆机构。如图2-15所示，凸轮机构是一种由凸轮（原动件）、推杆（从动件）和机架组成的传动机构。二、常见机构二、常见机构二、常见机构(一)带传动（a）摩擦型带传动（b）啮合型带传动(五)齿轮系由一系列齿轮所组成的齿轮传动系统。(二)链传动根据结构的不同，传动链又可分为滚子链、套筒链、弯板链和齿形链等。(三)齿轮传动齿轮传动按照两轮轴线的相对位置和齿向不同分类如图2-19。(四)蜗杆传动1.蜗杆传动的优点（1）传动比大，结构紧凑。（2）传动平稳，无噪声。（3）具有自锁性。2.蜗杆传动的缺点（1）蜗杆传动效率低。（2）造价较高。三、常见传动方式三、常见传动方式三、常见传动方式三、常见传动方式三、常见传动方式三、常见传动方式三、常见传动方式三、常见传动方式(一)(二)轴是机械中不可缺少的重要零件。轴的主要功能是支承旋转零件、传递转矩和运动。按轴受的载荷和功用的不同，轴可分为心轴、传动轴和转轴。按轴线形状的不同，轴可分为直轴、曲轴和挠性轴。轴毂连接常见的轴毂连接有键连接和销连接等。(三)轴承根据工作面摩擦性质的不同，轴承可分为滑动轴承和滚动轴承。联轴器、离合器和制动器1.联轴器2.离合器：（1）啮合式离合器（2）摩擦式离合器3.制动器（四）四、轴和轴承四、轴和轴承四、轴和轴承四、轴和轴承四、轴和轴承四、轴和轴承1回转体的静平衡23回转体的动平衡机械速度波动的调节由于制造等原因使回转体的质心不在回转轴线上，其产生的惯性力必然是不平衡的。因此，设计时需算出应加的平衡配重的大小和配置方位，使回转体回转时产生的惯性力和惯性力偶得以平衡，以此消除不良影响。各平行平面内的不平衡质量所产生的离心力就形成了空间力系。要使这个空间力系达到平衡就必须使其合力及合力偶矩均等于零。因此只在同一回转面内加平衡质量的静平衡方法并不能使其在回转时得到平衡。1.起动阶段2.稳定运转阶段3.停车阶段五、回转体的平衡和机器调速五、回转体的平衡和机器调速

单元2机器人机械结构组成一、移动机构12移动机构轮式移动机构1.两轮车2.三轮车3.四轮车4.全方位移动车5.其他特殊轮式机构足式移动机构1.双足式移动机构2.多足式移动机构是用于使机器人实现爬行、行走、滚动、飞行等功能的机构，主要分轮式移动机构、足式移动机构两大类。一、移动机构一、移动机构一、移动机构一、移动机构一、移动机构一、移动机构一、移动机构一、移动机构手臂机构臂由杆件及关节构成，关节则由内部装有电机等驱动器的运动副来实现。关节及其自由度的构成方法极大程度上影响着臂的运动范围和可操作性等指标。(一)臂部(二)手部手部是抓握对象并将机械臂的运动传递给对象的机构，又称末端执行器。如果能将机器人的手部设计得如人手一样具有通用性、灵活性，使用起来则较为理想。由于目前在机械和控制上存在诸多困难，且实际中机械人手在生产实际中随现场具体情况的不同而不同，因此这种万能手不具有普适性。手臂机构二、手臂机构二、手臂机构二、手臂机构二、手臂机构

单元3机器人结构认知案例(一)足部机构工业机器人大多固定在某一个位置，可以将其称为基座，有时为了增加机器人的工作范围，可以将机器人安装在机器人导轨上，如图2-48所示。(二)腰部机构如图2-49所示，工业机器人的一轴部位为机器人腰部，其位于机器人的底座之上，连接机器人的大臂，做回转运动，将机器人的手臂、手腕部件移动到空间内的相应位置。(三)手臂、手腕机构六轴串联工业机器人从外形上看很像人的手臂，如图250所示。大臂和小臂将机器人的手腕送到空间某个位置，当工具安装在工业机器人的末端，机器人通过调整手腕就可以调整工具的姿态。工业机器人机械结构如图2-47所示，通常将工业机器人分成串联式机器人和并联式机器人两类。一、工业机器人机械结构一、工业机器人机械结构一、工业机器人机械结构一、工业机器人机械结构++(一)移动机构CHLIRM03智能移动机器人底盘采用三个全向轮以电机直驱的方式进行控制，如图2-52~2-55所示。（二）躯干机构躯干机构采用铝型材立体镂空式支架，其中心放置三阶伸缩臂以及留有布线所需空间。(三)手臂机构1.夹爪机构2.伸缩臂部分二、智能移动机器人机械结构二、智能移动机器人机械结构二、智能移动机器人机械结构二、智能移动机器人机械结构二、智能移动机器人机械结构二、智能移动机器人机械结构二、智能移动机器人机械结构二、智能移动机器人机械结构谢谢收看模块3机器人驱动系统前言机器人一般是由控制系统、驱动系统、检测装置、执行机构以及机械部件等组成，驱动系统是机器人结构中的重要环节，如同人身上的肌肉，因此驱动器的选择和设计在研发机器人时至关重要。常见的驱动器主要有电驱动器、液压驱动器和气压驱动器。随着技术的发展，现在涌现出许多新型驱动器，像压电元件、超声波电动机、形状记忆元件、橡胶驱动器、静电驱动器、磁流体驱动器、流体驱动器、高分子驱动器和光学驱动器等。目录机器人驱动系统概述电机驱动系统液压驱动系统气压驱动系统

单元1机器人驱动系统概述驱动系统是向机械结构系统提供动力的装置。驱动系统就像人身上的肌肉，是控制系统和执行结构的中间环节，驱使执行机构运动的机构，按照控制系统发出的指令信号，借助于动力元件使机器人运动。驱动装置是驱使执行机构运动的机构，按照控制系统发出的指令信号，借助于动力元件使机器人进行动作。它输入的是电信号，输出的是线、角位移量。机器人使用的驱动装置主要是电力驱动装置，如步进电动机、伺服电动机等，也有采用液压、气动等驱动装置。一、机器人驱动系统定义机器人驱动系统如何组成？要使机器人运行起来，需给各个关节即每个运动自由度安置传动装置，机器人驱动系统为机器人提供机器人各部位、各关节动作的原动力。机器人驱动系统可以是液压传动、气动传动、电动传动，或者把它们结合起来应用的综合系统；可以是直接驱动或者是通过同步带、链条、轮系、谐波齿轮等机械传动机构进行间接驱动。而机器人中常用的电机分为有刷直流电机、无刷直流电机、永磁同步电机、步进电机等。类人机器人和小型机器人中，由于价格便宜，定位精度高，直流电机以及无刷直流电机非常常见。工业机器人中，因为对响应速度、位置精度有较高要求，所以用的最多的是伺服电机和步进电机。一、机器人驱动系统定义如图3-1所示为六轴串联工业机器人的典型的驱动系统部分组成。伺服电机作为原动机提供动力，减速机是原动机和工作机之间的独立的闭式传动装置，用来降低转速和增大转矩，以满足工作需要，在某些场合也用来增速，称为增速器。一、机器人驱动系统定义驱动系统的驱动方式主要有：电机驱动、液压驱动、气压驱动和新型驱动。电机驱动系统是指主要以电动机作为原动机为整个系统提供机械动力，将电能转换为机械能，通过机械传动机构，改变动力机的输出转矩，驱动执行机构工作，把动力机输出的运动转变为工作机所需的形式，如将旋转运动改变为直线运动，或反之，或者其他特殊作用，如有利于机器的控制、装配、安装、维护和安全等。二、机器人驱动类型驱动系统的驱动方式主要有：电机驱动、液压驱动、气压驱动和新型驱动。液压驱动系统的动力元件是液压泵，它们的作用是向系统提供压力油。液压驱动系统的动力元件是将原动机所输出的机械能转换成液体压力能的元件。传动方式为依靠液体的静压力传递能量。依靠叶轮与液体之间的流体动力作用传递能量的称为液力传动，液压驱动具有推力大、布置方便等优点。二、机器人驱动类型驱动系统的驱动方式主要有：电机驱动、液压驱动、气压驱动和新型驱动。气压驱动系统和液压驱动系统很相似，所不同的是，动力元件为空气压缩机，利用气体的压力传递能量，相较于液压驱动系统，输出力较小，但是工作介质是压缩空气，具有取材方便、用量不受限制、排气处理简单、不污染环境等优点。二、机器人驱动类型

单元2电机驱动系统电动机是将电能转化为机械能的装置（而基于电磁感应原理的发电机则正好相反）。电动机主要分为普通动力电动机和特种电机，普通动力电动机的主要任务是实现能量转换，特种电机注重的是它的高精度特性和快速响应。驱动用特种电机主要作为驱动机械或装备之用，如步进电机、伺服电机、直线电机、微型同步电机及永磁电动机等。伺服电机因为有其独特的优势，广泛地应用于驱动控制领域，下面以交流伺服电机系统为例介绍电机驱动系统的工作原理。一、电机驱动的原理交流伺服系统是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标（或给定值）任意变化的自动控制系统。伺服主要靠脉冲来定位，基本上可以这样理解，伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度，从而实现位移。一、电机驱动的原理如图3-2所示，伺服电机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样，和伺服电机接受的脉冲形成了呼应，或者叫闭环，如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，这样，就能够很精确地控制电机的转动，从而实现精确的定位，精度可以达到0.001mm。一、电机驱动的原理一、电机驱动的原理伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）。一、电机驱动的原理交流伺服系统主要由伺服控制模块、功率驱动模块、通信接口模块、反馈检测模块及配套的电动机组成。其采用数字信号处理器（DSP）作为控制核心，可以实现复杂的控制算法；采用以智能功率模块（IPM）为核心来设计驱动电路，内部集成了驱动电路及相应的过压、欠压、过流、过热等故障检测保护电路。一、电机驱动的原理伺服驱动器可以划分为功能独立的功率驱动模块和伺服控制模块两个模块。图3-3所示为伺服驱动器硬件结构原理图，其中内部虚线包围的部分是使用弱电的DSP控制模块。一、电机驱动的原理一、电机驱动的原理(一)伺服电机(二)交流伺服系统1.交流伺服电机（1）基本结构。（2）工作原理。2.直流伺服电机（1）基本结构。（2）基本工作原理。交流伺服系统按其指令信号与内部的控制形式可以分为模拟式伺服与数字式伺服两类。二、电机驱动的组成二、电机驱动的组成二、电机驱动的组成液压驱动可以获得很大的抓取能力，传动平稳，结构紧凑，防爆性好，动作也较灵敏，但对密封性要求高，不宜在高、低温现场工作。气压驱动的机器人结构简单，动作迅速，空气来源方便，价格低，但由于空气可压缩而使工作速度稳定性差，抓取力小。三、电机驱动的特点电机驱动系统相较于液压驱动和气压驱动而言，没有漏油、噪声等环境污染，效率比较高，但系统相对复杂，是目前使用最多的一种驱动方式，电源取用方便，响应快，信号检测、传递、处理方便，并可以采用多种灵活的控制方式。本模块主要以伺服电机为例讲解电机驱动系统，基本上伺服电机的优缺点可以概括电机驱动的优缺点。三、电机驱动的特点伺服电机在精度上实现了位置、速度和力矩的闭环控制，克服了步进电机失步的问题。高速性能好，抗过载能力强，能承受三倍于额定转矩的负载，对有瞬间负载波动和要求快速起动的场合特别适用；低速运行平稳，低速运行时不会产生类似于步进电机的“蠕行现象”，适用于有高速响应要求的场合，电机加减速的动态响应时间短，一般在几十毫秒之内，发热和噪音明显降低。三、电机驱动的特点以交流伺服电机为例，交流伺服电机速度控制特性良好，在整个速度区内可实现平滑控制，几乎无振荡，90%以上的高效率，发热少，高速控制，高精确度位置控制（取决于编码器精度），额定运行区域内可实现恒力矩、惯量低、低噪音，无电刷磨损，免维护（适用于无尘、易爆环境）。三、电机驱动的特点交流伺服电机的缺点是控制较复杂，驱动器参数需要现场调整PID参数确定，而且需要更多的连线来支持其运行工作。三、电机驱动的特点电机驱动的应用电机驱动系统因具有精度高、响应快等优点，应用范围越来越广，20世纪50年代末，美国在机械手和操作机的基础上，采用伺服机构和自动控制等技术，研制出有通用性的独立的工业用自动操作装置，并将其称为工业机器人；20世纪60年代初，美国研制成功两种工业机器人，并很快地在工业生产中得到应用。如图3-8所示，为某品牌国产工业六轴串联机器人，六个伺服电机分别驱动一至六轴的旋转，最终让机器人可以在空间中运动。伺服电机通过减速机降低转速提高转矩，将各个轴的角度反馈给控制系统，并让控制系统计算各个轴的目标偏转角度，最终控制机器人末端执行器在空间中的位置和姿态。电机驱动的应用四、电机驱动的应用四、电机驱动的应用电机驱动的应用1969年，美国通用汽车公司用21台工业机器人组成了焊接轿车车身的自动生产线。此后，各工业发达国家都很重视研制和应用工业机器人。由于工业机器人具有一定的通用性和适应性，能适应多品种中小批量的生产，20世纪70年代起，工业机器人常与数字控制机床结合在一起，成为柔性制造单元或柔性制造系统的组成部分。电机驱动的应用四、电机驱动的应用

单元3液压驱动系统在工程机械中液压传动应用非常广泛，工作结构形式各有不同，但是其工作原理基本相似。下面以液压工作台往复运动工作原理来简要分析、说明液压驱动系统的工作原理，具体如图3-9所示。一、液压驱动系统的原理一、液压驱动系统的原理图3-9中，液压泵3由电动机带动，从油箱1中吸油，然后将具有压力的油液输送到管路中，油液通过节流阀6和管道流至换向阀7。换向阀7有不同的工作位置，因此通路情况不同，工作台的工作情况也就不同。一、液压驱动系统的原理当换向阀阀芯处于图示位置时，通向液压缸的油路被堵死，液压缸不通压力油，所以工作台停止不动。当换向阀阀芯向右推，压力油流入液压缸8的右腔，与工作台10相连的活塞在液压缸的右腔压力油的推动下带动工作台向左移动；液压缸左腔的液压油通过换向阀7流回油箱。同理，如果将换向阀阀芯左推，压力油流入液压缸8的左腔，活塞带动工作台向右移动。因此，调整换向阀7的工作位置就能改变压力油的通路，使液压缸不断换向，以实现工作台的往复运动。一、液压驱动系统的原理根据加工要求的不同，工作台的移动速度可以根据节流阀6来调节，也就是利用改变节流阀开口的大小来调节通过节流阀的流量，以控制工作台的运动速度。一、液压驱动系统的原理工作台运动时，由于工作情况的不同，克服的阻力也不同，不同的阻力都是由液压泵输出油液的压强来克服系统的压力，可以由溢流阀5来调整。当系统中的油压升高到高于溢流阀调定的压力时，溢流阀就会打开，油液流回油箱，这时油压不再升高，维持定值。一、液压驱动系统的原理为了保持油液的清洁，设置了过滤器2，将油液中的杂质过滤掉，使系统能正常工作。通过以上分析，可以知道液压传动的工作原理是以油液作为工作介质，通过密封的容积变化来传递运动，通过油液内部的压力来传递动力。一、液压驱动系统的原理(二)执行元件1.活塞式液压缸（图3-13）2.柱塞式液压缸（图3-14）3.摆动式液压缸（图3-15）4.其他液压缸（图3-16）(一)动力元件1.齿轮式液压泵（图3-10）2.叶轮式液压泵（图3-11）3.柱塞式液压泵（图3-12）(三)控制元件1.单向阀（图3-17）2.液控单向阀（图3-18）3.换向阀（图3-19）4.其他阀(四)辅助元件辅助元件是动力元件、执行元件、控制元件以及组成部分以外的其他元件，如管道、管接头、漏油器、油箱、蓄能器等。二、液压驱动系统的组成二、液压驱动系统的组成二、液压驱动系统的组成二、液压驱动系统的组成二、液压驱动系统的组成二、液压驱动系统的组成二、液压驱动系统的组成二、液压驱动系统的组成二、液压驱动系统的组成二、液压驱动系统的组成(一)液压驱动系统的优点（1）推力大，布置方便。（2）重量轻、结构紧凑、惯性小。（3）可在大范围内实现无级调速。（4）传递运动均匀平稳，工作时速度在负载变化下较稳定。（5）液压装置易于实现过载保护。（6）容易实现自动化。（7）便于设计、制造和推广使用。三、液压驱动系统的特点(二)液压驱动系统的缺点（1）密封要求高。（2）液压传动对油温的变化比较敏感。（3）制造精度要求较高。（4）要求有单独的能源。（5）液压系统发生故障时检查和排除较为困难。三、液压驱动系统的特点液压驱动系统的应用自18世纪末英国制造世界上第一台水压机以来，液压传动技术已有二三百年的历史。但是直到20世纪30年代它才较普遍地用于起重机、机床及工程机械。当前液压技术正向迅速、高压、大功率、高效、低噪声、经久耐用、高度集成化的方向发展。我国的液压技术最初应用于机床和锻压设备上，后来又广泛用于拖拉机和工程机械，如装载机等设备上。现在，我国的液压元件随着从国外引进一些液压元件、生产技术及进行自行设计，现已形成了系列，并在各种机械设备上得到了广泛的使用。液压驱动系统的应用四、液压驱动系统的应用液压驱动系统的应用如图3-23所示为喷漆工业机器人，喷漆机器人一般采用液压驱动，主要是为了保证喷漆环境下的工作安全，严禁采用易产生电火花的电器设备。这种驱动具有速度快、防爆性能好等特点，可通过手把手示教或者点位示教，广泛应用于汽车、仪表等工艺生产部门。液压驱动系统的应用四、液压驱动系统的应用四、液压驱动系统的应用液压驱动系统的应用喷漆机器人主要由机器人本体、计算机和相应的控制系统组成，液压驱动的喷漆机器人还包括液压油源，如油泵、油箱和电机等。喷漆机器人多采用5或6自由度关节式结构，手臂有较大的运动空间，并可做复杂的轨迹运动，其腕部一般有2～3个自由度，可灵活运动。较先进的喷漆机器人腕部采用柔性手腕，既可向各个方向弯曲，又可转动，其动作类似人的手腕，能方便地通过较小的孔伸入工件内部，喷涂其内表面。液压驱动系统的应用四、液压驱动系统的应用

单元4气压驱动系统气压驱动系统与液压驱动系统颇为相似。气压驱动系统是以压缩空气为工作介质进行能量传递或信号传递及控制的。气压驱动系统中的压缩空气是由气源装置提供的。气源装置在气压驱动系统中的作用类似于液压系统中的液压泵，都是提供系统动力的，将压缩空气通往末端控制元件，使汽缸左端或者右端进入压缩空气，进而控制活塞杆缩回和推出。如图3-24所示为气动门控制。一、气压驱动系统的原理一、气压驱动系统的原理气动门的工作过程：由气源装置输出压缩空气作为气动系统的工作介质，在气动系统中提供动力。在图3-25（b）中，当按下按钮2后，按钮的左端接通回路，将压缩空气通往末端控制元件（方向控制阀1），使方向控制阀1的左端接通回路，这时，汽缸左端进入压缩空气，活塞杆伸出，气动门关闭。当松开按钮后，方向控制阀的右端接通回路，这时，汽缸右端进入压缩空气，活塞杆缩回，气动门打开。不难看出，在此过程中，按钮控制的是汽缸中气体的流动方向，而动力是由压缩空气作用在汽缸上产生的。一、气压驱动系统的原理(二)执行元件执行元件是把气体压力能转换成机械能以驱动工作机构的元件。执行元件包括汽缸和气动马达。(一)动力元件动力元件是将原动机所输出的机械能转换成气体压力能的元件。(三)控制元件控制元件包括压力、方向、流量控制阀，是对系统中气体的压力、流量、方向进行控制和调节的元件。(四)辅助元件辅助元件是动力元件、执行元件、控制元件三个组成部分以外的其他元件，如消声器、油雾器、空气过滤器等（图3-28）。二、气压驱动系统的组成二、气压驱动系统的组成二、气压驱动系统的组成二、气压驱动系统的组成（一）气压驱动系统的优点（1）工作介质是压缩空气，取材方便，用量不受限制，排气处理简单，不污染环境。（2）压缩空气为快速流动的工作介质，故可获得较高的工作速度。（3）纯气动控制，具有防火、防爆、耐潮的能力。（4）气动装置结构简单，安装维护容易。三、气压驱动系统的特点（5）输出力及工作速度调节方便，大小可无限变化。三、气压驱动系统的特点（二）气压驱动系统的缺点（1）空气具有可压缩性，不易实现准确定位和速度控制。（2）汽缸输出的力能满足许多应用场合，但其输出的力较小，输出力应限制在20～30kN之间。（3）排气噪声较大，现在这个问题已因吸声材料和消声器的发展基本得到了解决。三、气压驱动系统的特点（三）气动元件发展动向（1）高质量。（2）高精度。（3）高速度。（4）低功耗。（5）小型化。（6）轻量化。（7）无给油化。三、气压驱动系统的特点气压驱动系统的应用近年来，人们在研究与人类亲近的机器人和机械系统时，气压驱动的柔软性受到格外的关注。气动机器人已经取得了实质性的进展。如何构建柔软机构，积极地发挥气压柔软性的特点是今后气压驱动器应用的一个重要方向。如图3-30所示为EMARO手术辅助机器人，EMARO是主刀医生可通过头部动作自己来操作内窥镜的系统，无须助手（把持内窥镜的医生）的帮助。气压驱动系统的应用四、气压驱动系统的应用四、气压驱动系统的应用气压驱动系统的应用EMARO作为手术辅助机器人，首次采用了气压驱动方式。用自主的气压控制技术，实现了灵活的动作，在工作中“即使接触到人，也可以躲开其作用力”等，可保证手术安全性。与马达驱动的现有内窥镜夹持机器人相比，整个系统更加轻量小巧。气压驱动系统的应用四、气压驱动系统的应用谢谢收看模块4机器人控制系统前言如果用人来比喻机器人组成的话，那么控制系统相当于人的“大脑”，感知系统相当于人的“视觉与感觉器官”，驱动系统相当于人的“肌肉”，执行机构相当于人的“身躯和四肢”。如果没有大脑的控制，机器人的运动将会变得毫无规律，杂乱无章。控制系统是机器人的大脑，它的优劣决定了机器人的智能水平、工作柔性及灵活性，也决定了机器人使用的方便程度和系统的开放性。目录机器人控制系统概述机器人控制系统组成机器人控制系统案例

单元1机器人控制系统概述机器人控制系统的功能为接收来自传感器的检测信号，根据操作任务的要求，驱动机械臂中的各个电动机。就像我们人的活动需要依赖自身的关节一样，机器人的运动控制离不开传感器。机器人需要用传感器来检测各种状态，机器人的内部传感器信号被用来反映机械臂关节的实际运动状态，机器人的外部传感器信号被用来检测工作环境的变化，所以机器人的“神经”与“大脑”组合起来才能成一个完整的机器人控制系统。机器人控制系统概述机器人控制系统实际上包含了“任务规划”“动作规划”“轨迹规划”和基于模型的“伺服控制”等多个层次，如图4-1所示。机器人首先要通过人机接口获取操作者的指令，指令的形式多样化，可以是人的自然语言，也可以由人发出的专用的指令语言，或者是通过示教工具输入的示教指令，也或是键盘输入给机器人的指令语言以及计算机程序指令。机器人其次要对控制命令进行解释理解，把操作者的命令分解为机器人可以实现的“任务”，这是任务规划。然后机器人针对各个任务进行动作分解，这是动作规划。为了实现机器人的一系列动作，应该对机器人每个关节的运动进行设计，即机器人的轨迹规划。最底层是关节运动的伺服控制。机器人控制系统概述

单元2机器人控制系统组成(一)一般组成(二)结构对于大多数控制系统来说，机器人控制系统一般由四个部分组成：输入、输出、控制元件和算法。集中控制系统（CentralizedControlSystem）主从控制系统（MasterSlaveControlSystem）分散控制系统（DistributeControlSystem）一、硬件部分一、硬件部分(一)机器人专用操作系统(二)常见机器人编程软件VxWorksWindowsCE嵌入式LinuxμC/OSⅡDSP/BIOSROS开源机器人操作系统LabView工业机器人编程软件二、软件部分二、软件部分二、软件部分二、软件部分

单元3机器人控制系统案例图4-9所示为CHLIRM03智能移动机器人的核心控制器NIMyRIO。NIMyRIO以LabviewmyRIO为整个机器人的控制器的核心，通过程序的写入，将实际工作任务传输至NIMyRIO控制器进行分析和信号输出。机器人控制系统案例图4-9所示为CHLIRM03智能移动机器人的核心控制器NIMyRIO。NIMyRIO（NationalInstrumentsmyRIO美国国家仪器有限公司学生嵌入式设备）功能全面，适于运行控制系统。NIMyRIO控制器通过HUB拓展模块与环境感知系统和PCB线路板连接。HUB拓展模块与WIFI接收器通讯连接，HUB拓展模块能提供充足的信号接口，较好地通讯连接各种不同的配件。机器人控制系统案例图4-9所示为CHLIRM03智能移动机器人的核心控制器NIMyRIO。WIFI接收器能够让使用者有能力在远端获得通讯，同时还能够防止WIFI信号干扰，抗干扰能力强，能够更顺利地进行任务的达成。在CHLIRM03智能移动机器人系统中PCB线路板还与行进系统中的三个驱动电机、编码器、驱动机械臂伸缩运动的直流电机、夹取机构中的升降舵机、夹取舵机连接。机器人控制系统案例谢谢收看模块5机器人感觉系统前言传感器技术是现代科技的前沿技术，发展迅猛，它同计算机技术、通信技术一起被称为信息技术的三大支柱。机器人使用的传感器作为机器人信息获取的源头，技术也日趋成熟完善，这在一定程度上推动着机器人技术的发展。但即使是目前世界上智能程度最高的机器人，它对外部环境变化的适应能力也非常有限，还远远没有达到人们预期目标。机器人传感器及其信息融合技术的研究涉及人工智能、电子、机械、控制、计算机、信号处理等诸多领域的理论和技术，是一个国家高科技水平和工业自动化程度的重要体现。目录机器人传感技术机器人常用内部传感器机器人常用外部传感器

单元1机器人传感技术传感技术是关于从自然信源获取信息，并对之进行处理（变换）和识别的一门多学科交叉的现代科学与工程技术，它涉及传感器（又称换能器）、信息处理和识别的规划设计、开发、制/建造、测试、应用及评价改进等活动。机器人获取信息靠各类传感器，它们收集各种物理量、化学量或生物量。按照信息论的凸性定理，传感器的功能与品质决定了传感系统获取自然信息的信息量和信息质量，是高品质传感技术系统构造的第一个关键点。一、传感技术概述信息处理包括信号的预处理、后置处理、特征提取与选择等。识别的主要任务是对经过处理的信息进行辨识与分类。它利用被识别（或诊断）对象与特征信息间的关联关系模型对输入的特征信息集进行辨识、比较、分类和判断。因此，传感技术是遵循信息论和系统论的，它包含了众多的高新技术，被众多的产业广泛采用。它也是现代科学技术发展的基础条件，应该受到足够的重视。一、传感技术概述为了提高制造企业的生产率（或降低运行时间）和产品质量，降低产品成本，工业界对传感技术的基本要求，是能可靠地应用于现场，完成规定的功能。无论是国内还是国外，与计算机技术和数字控制技术相比，传感技术的发展都相对落后。我们从20世纪80年代起才开始重视和投资传感技术的研究开发或列为重点攻关项目，不少先进的成果仍停留在研究实验阶段，转化率比较低。一、传感技术概述我国从20世纪60年代开始传感技术的研究与开发，经过从“六五”到“九五”的国家攻关，传感器研究开发、设计、制造、可靠性改进等方面获得了长足的进步，初步形成了传感器研究、开发、生产和应用的体系。但从总体上讲，它还不能适应我国经济与科技的迅速发展，不少传感器、信号处理和识别系统仍然依赖进口。同时，我国传感技术产品的市场竞争力优势尚未形成，产品的改进与革新速度慢，生产与应用系统的创新与改进少。一、传感技术概述传感系统的组成传感器的特点包括微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化，它是实现自动检测和自动控制的首要环节。如图5-1所示，传感器一般由敏感元件、转换元件、测量电路、辅助电路等组成。其中敏感元件和转换元件可能合二为一，而有的传感器不需要辅助电源。传感器的存在和发展，让机器人有了触觉、味觉和嗅觉等感官，让机器人慢慢变得“活了起来”。传感器通常根据其基本感知功能分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类。敏感元件转换元件测量电路辅助电路等传感系统的组成二、传感系统的组成二、传感系统的组成机器人带有多种传感器，可以进行复杂的逻辑推理、判断及决策，在变化的内部状态与外部环境中，自主决定自身的行为。可以将传感器的功能与人类的感觉器官相比拟：光敏传感器→视觉；声敏传感器→听觉；气敏传感器→嗅觉；化学传感器→味觉；压敏、温敏、流体传感器→触觉。与常用的传感器相比，人类的感知能力好得多，但也有一些传感器比人的感知功能灵敏，例如，人类没有能力感知紫外线或红外线辐射，感觉不到电磁场、无色无味的气体等。三、传感技术的功能传感器可以代替人类（或动物）的感知器官，例如，温度传感器可代替人类的皮肤；光敏传感器可部分代替人类的眼睛；气敏传感器可部分代替人类的鼻子等。传感器可以作为人类（或动物）感知器官的延伸。例如，人类无法感知红外线、紫外线、磁场等物理量，传感器却能感知。传感器可以超越人类（或动物）感知器官。高灵敏度传感器可以感知人类（或动物）感觉器官感知的极限以外的物理量。例如，高灵敏度温度传感器可感知01℃的温度变化，而人类却无法感知。三、传感技术的功能近年来传感技术得到迅猛发展，同时技术也更为成熟、完善，这在一定程度上推动着机器人技术的发展。传感技术的革新和进步，势必会为机器人行业带来革新和进步。因为机器人很多功能都是依靠传感器来实现的。为了实现在复杂、动态及不确定性环境下机器人的自主性，或为了检测作业对象及环境或机器人与它们之间的关系，目前各国的科研人员逐渐将视觉、听觉、压觉、热觉、力觉传感器等多种不同功能的传感器合理地组合在一起，形成机器人的感知系统，为机器人提供更为详细的外界环境信息，进而促使机器人对外界环境变化做出实时、准确、灵活的行为响应。三、传感技术的功能机器人研究领域的学者们一方面研发机器人的各种外部传感器，研究多信息处理系统，使其具有更高的性能指标和更广的应用范围；另一方面，研究多传感器信息融合技术，为机器人的决策提供更准确、更全面的环境信息。三、传感技术的功能

单元2机器人常用内部传感器(一)接触式接触式旋转式速度传感器与运动物体直接接触。接触式旋转式速度传感器结构简单，使用方便，但是接触滚轮的直径是与运动物体始终接触着，滚轮的外周将磨损，从而影响滚轮的周长。(二)非接触式光电流速传感器光电风速传感器速度传感器一、速度传感器力觉传感器二、力觉传感器力觉传感器经常装于机器人关节处，通过检测弹性体变形来间接测量所受力。装于机器人关节处的力觉传感器常以固定的三坐标形式出现，有利于满足控制系统的要求。目前出现的六维力觉传感器可实现全力信息的测量，因其主要安装于腕关节处被称为腕力觉传感器。力觉传感器二、力觉传感器腕力觉传感器大部分采用应变电测原理，按其弹性体结构形式可分为两种，筒式和十字形腕力觉传感器。其中筒式具有结构简单、灵敏度高的特点；而十字形的传感器结构简单，坐标建立容易，但加工精度高。重力传感器三、重力传感器重力传感器是根据压电效应的原理来工作的。所谓的压电效应就是“对于不存在对称中心的异极晶体，加在晶体上的外力除了使晶体发生形变以外，还将改变晶体的极化状态，在晶体内部建立电场，这种由于机械力作用使介质发生极化的现象称为“正压电效应”。重力传感器三、重力传感器重力传感器就是利用了其内部的由于加速度造成的晶体变形这个特性。由于这个变形会产生电压，只要计算出产生电压和所施加的加速度之间的关系，就可以将加速度转化成电压输出。重力传感器三、重力传感器新型重力传感器技术，它采用弹性敏感元件制成悬臂式位移器，与采用弹性敏感元件制成的储能弹簧一起来驱动电触点，完成从重力变化到电信号的转换。目前绝大多数中高端智能手机和平板电脑内置了重力传感器。1.液体式倾斜角传感器2.垂直振子式倾斜角传感器四、其他内部传感器倾斜角传感器倾斜角传感器可测量重力的方向，应用于机器人末端执行器或移动机器人的姿态控制。四、其他内部传感器四、其他内部传感器(一)重力传感器在进入消费电子市场之前，实际上已被广泛应用于汽车电子领域，主要集中在车身操控、安全系统和导航，典型的应用如汽车安全气囊（Airbag）、ABS防抱死刹车系统、电子稳定程序（ESP）、电控悬挂系统等。重力感应器是由苹果公司率先开发的一种设备，现在将它运用在手机上面。(二)倾角传感器请数控机床的几何精度综合反映机床的关键零部件组装后的几何形状误差，而倾角传感器是控制数控机床几何精度的最佳选择。随着科技的发展、传感器技术的提高，在数控机床的几何精度检查中逐渐开始使用倾角传感器来进行平面度和垂直度的检查，倾角传感器不仅能够得知平面是否水平或垂直，还能定量地知道水平或垂直到什么程度，更好地为机床的几何精度进行检查。五、机器人内部传感器应用案例

单元3机器人常用外部传感器一、视觉传感器视觉传感器是整个机器视觉系统信息的直接来源，主要由一个或者两个图形传感器组成，有时还要配以光投射器及其他辅助设备。如图5-5所示，视觉传感器的主要功能是获取足够的机器视觉系统要处理的最原始图像。图像传感器可以使用激光扫描器、线阵和面阵CCD摄像机或者TV摄像机，也可以是最新出现的数字摄像机等。一、视觉传感器视觉传感器能从一整幅图像中捕获数以千计的像素。图像的清晰和细腻程度通常用分辨率来衡量，以像素数量表示。在捕获图像之后，视觉传感器将其与内存中存储的基准图像进行比较，以做出分析。例如，若视觉传感器被设定为辨别正确地插有八颗螺栓的机器部件，则传感器知道应该拒收只有七颗螺栓的部件，或者螺栓未对准的部件。此外，无论该机器部件位于视场中的哪个位置，无论该部件是否在360°范围内旋转，视觉传感器都能做出判断。二、霍尔传感器霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。薄片导体两端具有的电位差值称为霍尔电势U，其表达式为：U=kiB/d式中：k为霍尔系数；i为薄片中通过的电流；B为外加磁场的磁感应强度；d为薄片的厚度。二、霍尔传感器霍尔传感器的输入端是以磁感应强度B来表征的，当B值达到一定的程度时，霍尔传感器内部的触发器会翻转，霍尔传感器的输出电平状态也随之翻转。当霍尔传感器单独使用时，只能检测有磁性的物体。然而，当它与永久磁体以图5-6所示的结构形式联合使用时，可以用来检测所有的铁磁体。三、超声波传感器如图5-7所示，超声波传感器是将超声波信号转换成其他能量信号（通常是电信号）的传感器。超声波是振动频率高于20kHz的机械波。它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透性很大，对不透明固体同样有效。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。超声波传感器广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。三、超声波传感器常用的超声波传感器由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。小功率超声探头大多起到探测作用，它有许多不同的结构，可分直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）、双探头（一个探头发射、一个探头接收）等。三、超声波传感器超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，有横向振荡（横波）和纵向振荡（纵波）两种形式，在工业应用中主要采用纵向振荡。超声波可以在气体、液体及固体中传播，其传播速度不同。另外，它也有折射和反射现象，并且在传播过程中有衰减。利用超声波的特性，可做成各种超声传感器，配上不同的电路，制成各种超声测量仪器及装置，并在通讯、医疗、家电等各方面得到广泛应用。++视觉传感器a.在汽车组装厂，检验由机器人涂抹到车门边框的胶珠是否连续，是否有正确的宽度;b.在瓶装厂，校验瓶盖是否正确密封、装罐液位是否正确，以及在封盖之前有没有异物掉入瓶中;c.在包装生产线，确保在正确的位置粘贴正确的包装标签;d.在药品包装生产线，检验药片的泡罩式包装中是否有破损或缺失的药片;e.在金属冲压公司，以每分钟逾150片的速度检验冲压部件，比人工检验快13倍以上。霍尔传感器霍尔传感器（图5-9）在出租车计价器上的应用：通过安装在车轮上的霍尔传感器A44E检测到信号，送到单片机，经处理计算，送给显示单元，这样便完成了里程计算。其检测原理为单片机中断输入口作为信号的输入端，内部采用外部中断，车轮每转一圈（设车轮的周长是1m），霍尔开关检测到并输出信号，引起单片机的中断，对脉冲计数，当计数达到1000次时，也就是1km，单片机就控制将数额自动增加。超声波传感器超声波测量液位的基本原理是由超声探头发出的超声脉冲信号，在气体中传播，遇到空气与液体的界面后被反射，接收到回波信号后计算其超声波往返的传播时间，即可换算出距离或液位高度。超声波测量方法有很多其他方法不可比拟的优点，超声波传感器的优点是性能稳定、可靠性高、寿命长；响应时间短，可以方便地实现无滞后的实时测量。四、机器人外部传感器应用案例四、机器人外部传感器应用案例谢谢收看模块6机器人语言系统前言伴随着机器人技术的进步，机器人语言也得到了发展和完善，机器人语言已成为机器人技术的一个重要部分。机器人的功能实现除了依靠机器人硬件的支持外，有相当一部分是依赖机器人语言来完成的。早期的机器人由于功能单一，动作简单，可采用固定程序或示教方式来控制机器人的运行。随着机器人作业动作的多样化和作业环境的复杂化，依靠固定的程序或示教方式已满足不了需求，这就需要我们研究发展能适应作业和环境随时变化的机器人语言编程来完成机器人的工作。前言机器人的开发语言一般为C、C++、C++Builder、VB、VC、ROS、LabVIEW等语言，主要取决于执行机构（伺服系统）的开发语言。而机器人编程分为示教、动作级机器人编程语言、任务级编程语言三个级别。机器人编程语言分为专用操作语言（如VAL语言、AL语言、SLIM语言等）、应用已有计算机语言的机器人程序库（如Pascal语言、JARS语言、ARBASIC语言等）、应用新型通用语言的机器人程序库（如RAPID语言、AML语言、KAREL语言等）三种类型。目前主要应用的是SLIM语言。目录机器人语言概述机器人编程语言机器人编程控制案例

单元1机器人语言概述美国斯坦福大学于1973年研制出世界上第一种机器人语言——WAVE语言。WAVE是一种机器人动作语言，即语言功能以描述机器人的动作为主，兼以力和接触的控制，还能配合视觉传感器进行机器人的手、眼协调控制。在WAVE语言的基础上，1974年斯坦福大学人工智能实验室又开发出一种新的语言，称为AL语言。这种语言与高级计算机语言ALGOL结构相似，是一种编译形式的语言，带有一个指令编译器，能在实时机上控制，用户编写好的机器人语言源程序经编译器编译后对机器人进行任务分配和作业命令控制。AL语言不仅能描述手爪的动作，而且可以记忆作业环境和该环境内物体和物体之间的相对位置，实现多台机器人的协调控制。一、机器人语言简史1975年，IBM公司研制出ML语言，主要用于机器人的装配作业。随后该公司又研制出另一种语言——AUTOPASS语言，这是一种用于装配的更高级语言，它可以对几何模型类任务进行半自动编程。美国的Unimation公司于1979年推出了VAL语言，它是在BASIC语言基础上扩展的一种机器人语言，因此具有BASIC的内核与结构，编程简单，语句简练。VAL语言成功地用于PUMA和UNIMATE型机器人。1984年，Unimation公司又推出了在VAL基础上改进的机器人语言——VALⅡ语言。VALⅡ语言除了含有VAL语言的全部功能外，还增加了对传感器信息的读取，使得可以利用传感器信息进行运动控制。一、机器人语言简史20世纪80年代初，美国Automatix公司开发了RAIL语言，该语言可以利用传感器的信息进行零件作业的检测。同时，麦道公司研制了MCL语言，这是一种在数控自动编程语言——APT语言的基础上发展起来的一种机器人语言。MCL特别适用于由数控机床、机器人等组成的柔性加工单元的编程。机器人语言种类繁多，而且新的语言层出不穷。这是因为机器人的功能不断被拓展，这需要新的语言来配合其工作。另一方面，机器人语言多是针对某种类型的具体机器人而开发的，所以机器人语言的通用性很差，几乎一种新的机器人问世，就有一种新的机器人语言与之配套。一、机器人语言简史(一)BASIC/Pascal(五)Assembly(二)工业机器人编程语言(三)LISP(四)硬件描述语言（HDL）二、机器人流行编程语言(六)MATLAB(十)C、C++(七)C＃/.NET(八)Java(九)Python二、机器人流行编程语言

单元2机器人编程语言1动作级编程语言23对象级编程语言任务级编程语言是最低一级的机器人语言。它以机器人的运动描述为主，通常一条指令对应机器人的一个动作，表示从机器人一个位姿运动到另一个位姿。关节级编程末端执行器级编程是比动作级编程语言高一级的编程语言，它不需要描述机器人手爪的运动，只要由编程人员用程序的形式给出作业本身顺序过程的描述和环境模型的描述，即描述操作物与操作物之间的关系。通过编译程序机器人就能知道如何动作。是比前两类更高级的一种语言，也是最理想的机器人高级语言。这类语言不需要用机器人的动作来描述作业任务，也不需要描述机器人对象物的中间状态过程，只需要按照某种规则描述机器人对象物的初始状态和最终目标状态，机器人语言系统即可利用已有的环境信息、知识库和数据库自动进行推理、计算，从而自动生成机器人详细的动作、顺序和数据。一、机器人编程语言概述主要是由用户程序和系统程序组成的商用机器人公司提供给用户的编程接口一般都是自己开发的简单的示教编程语言系统，如KUKA、ABB等，机器人控制系统供应商提供给用户的一般是第二层语言平台。在这一平台层次，控制系统供应商可能提供了机器人运动学算法和核心的多轴联动插补算法，用户可以针对自己设计的产品应用，自由地进行二次开发。该层语言平台具有较好的开放性，但是用户的工作量也相应增加。这一层次的平台主要是针对机器人开发厂商的平台，如欧系一些机器人控制系统供应商提供的就是基于IEC61131标准的编程语言平台。二、机器人编程语言组成主要是由用户程序和系统程序组成的最底层的汇编语言级别的编程环境，我们一般不用太关注，这些是控制系统芯片硬件厂商的事。编程语言会通过编译软件写成程序，用户程序是不能直接和硬件来进行交互的，而操作系统是管理计算机硬件设备的，所以我们通过在操作系统上来运行程序，让操作系统去完成管理与配置内存、决定系统资源供需的优先次序、控制输入与输出、操作网络与管理文件系统等基本任务。二、机器人编程语言组成

单元3机器人编程控制案例ABB工业机器人各家工业机器人公司的编程语言都不相同，但是论其发展基本上同根同源，因此来自不同厂家的机器人语言看上去很像，但是在程序运行时，程序（机器人在执行操作时）的意义和命令机器人的方式，存在着许多语义的差别。工业机器人运动指令中“J”表示关节空间运动，“L”表示线性运动，“C”表示圆弧运动。关节运动指令对路径精度要求不高，线性运动能确保从起点到终点之间的路径始终保持为直线，圆弧运动指令能确保从起点到终点之间的路径始终保持为圆弧。下面以ABB工业机器人编程实例来说明运动指令的用法。ABB工业机器人的运动指令有MoveJ和MoveC等，通用的工业机器人搬运工作过程如图6-1所示，码垛物料块的拾取如图6-2所示。ABB工业机器人一、ABB工业机器人一、ABB工业机器人智能移动机器人CHLIRM03智能移动机器人以LabVIEWMyRIO为整个设备的核心控制器，通过LabVIEW编程，将实际工作任务传输至NIMyRIO控制器进行分析和信号输出。LabVIEW是功能强大而又灵活的仪器应用和分析软件，它使用图形化编程语言，有时又称G语言，创建成为虚拟仪器或VI的程序。用户与程序通过前面板进行交互。每个前面板有一个与之对应的框图，也就是VI的源代码。LabVIEW有很多内置函数，便于进行编程。在框图中，将部件连接起来显示数据流向。一款LabVIEW程序由一个或多个虚拟仪器组成。之所以称作虚拟仪器，是因为它们的外观和操作通常是模拟了实际的物理仪器。然而，在这些面板之后，它们有着类似于流行的编程语言，如C语言和B语言中的主程序、函数、子程序等。智能移动机器人二、智能移动机器人智能移动机器人一般每个VI都由三个主要部分组成，即前面板、框图和图标。前面板是VI的交互式用户界面，它模拟了物理仪器的前面板。前面板包含旋钮、按钮、图形及其他控件（输入控件）和显示控件（输出控件），而且通过编程，可以使用鼠标和键盘作为输入设备。如图6-3所示为VI的交互式用户界面。框图是VI的源代码，由LabVIEW的图形化编程即G语言构成。框图是实际可执行的程序。框图由低级VI、内置函数、常量和程序执行控制结构等构成，用连线将合适的对象连接起来定义它们之间的数据流。前面板上的对象对应框图上的终端，这样数据就可以从用户传递到程序，再回传给用户。图标是VI的图形表示，会在另外的VI框图中作为一个对象使用，连接器用于从其他框图中连线数据到当前VI。连接器定义了VI的输入和输出，类似于子程序的参数。智能移动机器人二、智能移动机器人二、智能移动机器人智能移动机器人如图6-4所示，在CHLIRM03智能移动机器人中，设置升降舵机、CCD舵机的初始值、最小值和最大值，以及电机的频率和占空比，就可以控制舵机运动，当给定某一个启动信号，就可以控制相应的舵机运动了。智能移动机器人二、智能移动机器人二、智能移动机器人谢谢收看模块7机器人应用领域前言机器人能够在一些特殊的危险环境下作业，能够替代人类从事水下、开采、矿山、太空等特种环境下的工作。从各个角度考虑，机器人的优势将会越来越突出，由工业领域逐渐扩大到非工业应用，种类越来越多，智能程度不断提高，应用领域将会越来越广泛。目录机器人在非工业领域的应用机器人在工业领域的应用

单元1机器人在非工业领域的应用机器人在生活中应用广泛，如扫地机器人、吸尘机器人、家政服务机器人、安保机器人等。如图7-1所示，家政服务机器人是指能够代替人完成家政服务工作的机器人，它包括行进装置、感知装置、接收装置、发送装置、控制装置、执行装置、存储装置、交互装置等。①感知装置是指可以在家庭居住环境内感知到一项或多项信息，如拍摄到周围的人脸、识别出说话的声音、检测到周围的障碍、测量出到指定位置的距离、检测出室内的温度、检测出火灾、检测出易燃气体、检测出时间、检测出是否碰撞到其他物品、检测出人体体温、辨识出方向。②接收装置接收通过无线遥控器、手机短信模块、互联网或无线网卡发出信号，并送给控制装置。一、生活应用机器人在生活中应用广泛，如扫地机器人、吸尘机器人、家政服务机器人、安保机器人等。如图7-1所示，家政服务机器人是指能够代替人完成家政服务工作的机器人，它包括行进装置、感知装置、接收装置、发送装置、控制装置、执行装置、存储装置、交互装置等。③发送装置通过无线遥控器、手机短信模块、互联网或无线网卡发出指令到执行装置，以及发送防盗监测、安全检查、病况监视信息并通知在外的家人。④控制装置是对接收到的信号和感知装置感知到的信息进行综合分析处理，发出指令控制执行装置完成相应的工作。一、生活应用机器人在生活中应用广泛，如扫地机器人、吸尘机器人、家政服务机器人、安保机器人等。如图7-1所示，家政服务机器人是指能够代替人完成家政服务工作的机器人，它包括行进装置、感知装置、接收装置、发送装置、控制装置、执行装置、存储装置、交互装置等。⑤执行装置是指可以完成一项或多项工作，如防盗监测、安全检查、物品搬运、家电控制、清洁卫生、家庭娱乐、病况监视、儿童教育、报时催醒、开支管理。⑥存储装置是存储感知装置感知的信息以及其他装置产生的相关数据的硬盘存储器。⑦交互装置通过触摸屏、液晶显示器、小键盘来与用