工业机器人第一章

工业机器人绪论课程简介

《工业机器人》是一门高度交叉的前沿学科，机器人技术是集力学、机械学、生物学、人类学、计算机科学与工程、控制论与控制工程学、电子工程学、人工智能、社会学等多学科知识之大成，是一项综合性很强的新技术。通过该课程的学习，使得学生基本熟悉这门技术以及其发展状况，为今后从事光机电一体化与系统设计、制造的研究工作打下基础。第一章绪论绪论本章主要内容

机器人的概念机器人的发展历史机器人的分类工业机器人的组成与技术参数机器人的应用及技术发展趋势绪论本章主要内容

重点掌握：1、工业机器人的定义（国标）。2、工业机器人的分类。3、工业机器人的坐标系、自由度和工作空间。绪论大家对机器人是怎么理解的？

绪论1.1机器人的概述“机器人”是存在于多种语言和文字的新造词，它体现了人类长期以来的一种愿望，即创造出一种像人一样的机器或人造人，以便能够代替人去进行各种工作。在科技界，科学家会给每一个科技术语一个明确的定义，但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。

绪论1.1机器人的概述“机器人”一词最早诞生于科幻小说。1886年法国作家利尔亚当在他的小说《未来夏娃》中将外表像人的机器起名为“安德罗丁”(android)，它由4部分组成：生命系统(平衡、步行、发声、摆动、感觉、表情、调节运动等)造型介质(关节能自由运动的金属覆盖体)人造肌肉(在上述盔甲上有肉体、静脉、性别等身体的各种形态)人造皮肤(含有肤色、机理、轮廓、头发、视觉、牙齿、手爪等)

绪论1.1机器人的概述

1920年捷克作家卡雷尔·卡佩克发表了科幻剧本《罗萨姆的万能机器人》。在剧本中，构想了RUR机器人卡佩克把捷克语“Robota”写成了“Robot”，“Robota”是奴隶的意思。

绪论1.1机器人的概述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。这在一些以机器人为题材的科幻影视作品中经常会出现，如:《I，Robot》，《变人》等。绪论1.1.1机器人的定义目前，对机器人的定义主要有以下几种：日本工业机器人协会(JIRA)：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代替人类劳动。日本著名学者加藤一郎：具有脑、手、脚等要素的个体；具有非接触传感器和接触传感器；具有用于平衡和定位的传感器。美国机器人工业协会(RIA)：一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置，通过可编程序动作来执行各种任务并具有编程能力的多功能机械手——主要指工业机器人。绪论1.1.1机器人的定义我国科学家对机器人的定义是：

一种自动化的机器，所不同的是这种机器人具备一些与人和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。绪论1.1.1机器人的定义一般来说，机器人应该具有以下三大特征：机器人拟人功能可编程通用性模仿人或动物肢体动作可随工作环境变化需要而再编程可执行不同作业任务绪论1.1.2机器人的发展历史西周时期，我国的能工巧匠偃师就研制出了能歌善舞的伶人，这是我国最早记载的机器人。古代机器人春秋后期，我国著名的木匠鲁班，在机械方面也是一位发明家，据《墨经》记载，他曾制造过一只木鸟，能在空中飞行“三日不下”，体现了我国劳动人民的聪明智慧。绪论1.1.2机器人的发展历史1800年前的汉代，大科学家张衡不仅发明了地动仪，而且发明了指南车，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。古代机器人后汉三国时期，蜀国丞相诸葛亮成功地创造出了“木牛流马”。绪论1.1.2机器人的发展历史古代机器人木牛流马/指南车计里鼓车绪论1.1.2机器人的发展历史古代机器人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。1662年，日本的竹田近江利用钟表技术发明了自动机器玩偶。绪论1.1.2机器人的发展历史古代机器人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。自动演奏玩偶1954年第一台可编程机械手1959年第一台工业机器人，第一家机器人制造工厂1968年第一台智能机器人(带有视觉传感器)绪论1.1.2机器人的发展历史现代机器人1969年第一台双脚行走仿生机器人1973年第一台由小型计算机控制的工业机器人1979年通用工业机器人PUMA——工业机器人技术完全成熟绪论1.1.2机器人的发展历史现代机器人1980年日本“机器人元年”，工业机器人在日本开始普及1984年第一台医用服务机器人——Helpmate1998年机器人套件Mind-stroms——机器人模块化绪论1.1.2机器人的发展历史现代机器人1999年索尼公司推出宠物机器人——AIBO2002年目前最成功的家用机器人——Roomba2006年MicrosoftRoboticsStudio机器人——模块化、平台化绪论1.1.2机器人的发展历史现代机器人绪论1.2.1机器人的分类(1)按机器人的发展程度分类第一代第二代第三代第四代只能示教操作，无感知能力绪论1.2.1机器人的分类(1)按机器人的发展程度分类第一代第二代第三代第四代具有一定感知能力绪论1.2.1机器人的分类(1)按机器人的发展程度分类第一代第二代第三代第四代具有多种感知功能，并能实现逻辑推理、判断和决策等智能操作绪论1.2.1机器人的分类(1)按机器人的发展程度分类第一代第二代第三代第四代具有人类式的情感，是机器人发展的最高层次绪论1.2.1机器人的分类(2)按机器人的控制方式分类操作机器人：需要人在一定距离内直接进行实时操作程序机器人：依据预先给定的程序进行自动作业示教-再现机器人：记录人工操作动作，并重复执行——主流方法数控机器人：根据计算机程序进行作业智能机器人：能够感知外部环境变化，实时做出判断、调整，完成作业绪论1.2.1机器人的分类(3)按机器人的应用领域分类机器人应用领域产业用机器人极限作业机器人服务型机器人绪论1.2.1机器人的分类(4)按机器人的关节连接布置形式分类串联机器人：杆件和关节是通过串联方式进行连接的，是一种开链式结构。其优点在于：工作空间较大、工作空间内精度一致性较高、对装配精度要求较低。串联机器人绪论1.2.1机器人的分类(4)按机器人的关节连接布置形式分类并联机器人：杆件和关节是通过并联方式进行连接的，是一种闭链式结构。其优点在于：结构刚度较高、运动精度较高、响应速度快。并联机器人绪论1.2.2工业机器人的分类本课程中涉及的工业机器人主要指串联结构的机器人，其机身、臂部、手腕和末端操作器通常通过关节顺序串联而成。最常用的两种关节运动副为移动关节(用P表示)和旋转关节(用R表示)，每一个关节均为单自由度主动运动副，由一个驱动器驱动。刚体在三维空间中存在6个自由度，若机器人需要完成任一空间作业，就需要至少6个自由度。其中臂部3个关节用于改变手腕参考点位置，称为定位机构；手腕3个关节用于改变末端操作器姿态，称为定向机构。绪论1.2.2机器人的分类P副和R副的平面图形符号可表征为：P副R副绕x轴绕y轴绕z轴绪论1.2.2机器人的分类

工业机器人臂部3个关节的类型决定了操作臂工作空间的形式，根据P副和R副的不同组合，可以将工业机器人按工作空间坐标形式的不同分为以下五种情况：(1)直角坐标型机器人(2)圆柱坐标型机器人(3)球坐标型机器人(4)关节坐标型机器人(5)SCARA型机器人绪论1.2.2机器人的分类直角坐标型机器人关节形式：三个关节均为P副。结构特点：刚度好、位置精度高、运动学求解简单、结构庞大等。工作空间绪论1.2.2机器人的分类(2)圆柱坐标型机器人关节形式：两个P副和一个R副。结构特点：位置精度高、结构简单、占地面积小。工作空间绪论1.2.2机器人的分类(3)球坐标型机器人关节形式：一个P副和两个R副。结构特点：结构紧凑、动作灵活、占地面积小；结构复杂、精度低工作空间绪论1.2.2机器人的分类(4)关节坐标型机器人关节形式：三个关节均为R副。结构特点：工作范围大、动作灵活；获取高定位精度较难。工作空间绪论1.2.2机器人的分类(5)SCARA型机器人关节形式：三个轴线相互平行的R副和一个P副结构特点：垂直平面内刚度高、水平面内动作灵活、速度和精度高绪论1.3工业机器人的组成与技术参数

工业机器人主要包括：机器人机械系统、驱动系统、控制系统和感知系统。绪论1.3工业机器人的组成与技术参数机械系统：包括机身、臂部、手腕、末端操作器、行走机构等——机器人的身体驱动系统：主要有电气驱动、液压驱动和气压驱动三种类型——机器人的肌肉控制系统：计算机控制软件和硬件组成——机器人的大脑感知系统：内部传感器和外部传感器——机器人的五官绪论什么是自由度？平面运动和空间运动的自由构件个具有几个自由度？我们把机构中各构件所具有的独立运动的数目(或确定构件位置的独立参变量的数目)称为机构的自由度。平面运动的自由构件具有3个自由度；空间运动的自由构件具有6个自由度。绪论1.3工业机器人的组成与技术参数

衡量工业机器人工作性能的技术参数主要包括：自由度、定位精度及重复定位精度、工作空间、最大工作速度、承载能力等。自由度指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目(不包括末端操作器的开合自由度)，是衡量机器人动作灵活程度的参数，自由度越多越灵活，但结构和控制难度增大。

大于6个自由度的成为冗余自由度，可改善机器人避让障碍物的能力；少于6个自由度的成为欠自由度。一般工业机器人的自由度为3~6。绪论1.3工业机器人的组成与技术参数

衡量工业机器人工作性能的技术参数主要包括：自由度、定位精度及重复定位精度、工作空间、最大工作速度、承载能力等。定位精度指末端操作器的实际位置和理想的目标位置之间存在的偏差。

重复定位精度指在同一环境、条件、目标动作和指令下机器人重复若干次运动，其位置的分散情况。是衡量示教-再现工作方式工业机器人水平的重要指标。定位精度及重复定位精度绪论1.3工业机器人的组成与技术参数

衡量工业机器人工作性能的技术参数主要包括：自由度、定位精度及重复定位精度、工作空间、最大工作速度、承载能力等。即机器人的工作范围，是机器人末端操作器或手腕中心所能达到的所有点的集合。与机器人的尺寸和总体结构形式有关。工作空间指主自由度上的最大稳定速度或末端操作器的最大合成速度。最大工作速度越高，工作效率越高。最大工作速度绪论1.3工业机器人的组成与技术参数

衡量工业机器人工作性能的技术参数主要包括：自由度、定位精度及重复定位精度、工作空间、最大工作速度、承载能力等。指机器人在工作范围内任何位姿上所能承受的最大质量，取决于负载的质量、运行速度和加速度的大小和方向。承载能力绪论1.4机器人的应用及技术发展趋势工业机器人已广泛应用于汽车及汽车零部件制造业、机械加工行业、电子电气行业、橡胶及塑料工业、食品工业、木材与家具制造业等领域中。工业领域的应用绪论1.4机器人的应用及技术发展趋势工业领域的应用搬运机器人装配机器人绪论1.4机器人的应用及技术发展趋势水下机器人美国“阿尔文号”载人潜水器:最大潜水深度4511米，下潜速度18－30米／分中国研制的7000米载人潜水器，将成为世