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1、第1章 机器人基础知识教学目标工业机器人技术与应用（机械工业出版社 “十三五” 规划教材 屈金星主编）1.理解机器人的定义和分类2.掌握机器人的组成和技术参数3.了解机器人的应用和发展目录页 PAGE OF CONTENT1.1引言引言1.2机器人的定义与特点机器人的定义与特点1.3机器人的分类机器人的分类1.4机器人的基本组成机器人的基本组成1.5机器人的技术参数机器人的技术参数1.6机器人的应用机器人的应用1.7机器人的发展机器人的发展引言引言1.1机器人，尤其是工业机器人是一个复杂的机器人，尤其是工业机器人是一个复杂的系统工程系统工程，不是买来就能用的，不是买来就能用的，需要对其进行编程
2、，把机器人本体与控制软件、应用软件、周边设备等集需要对其进行编程，把机器人本体与控制软件、应用软件、周边设备等集成起来，它们通常集成为一个系统，该系统作为一个整体来完成生产作业成起来，它们通常集成为一个系统，该系统作为一个整体来完成生产作业任务。任务。1.2机器人的定义与特点机器人的定义与特点通常机器人由计算机或者类似装置来控制，机器人的动作受通常机器人由计算机或者类似装置来控制，机器人的动作受控制器控制器所控制所控制，该控制器运行由用户根据作业性质所编写的某种类型的，该控制器运行由用户根据作业性质所编写的某种类型的程序程序。因此，如。因此，如果程序改变了，机器人的动作就会相应改变。果程序改变
3、了，机器人的动作就会相应改变。简单的操作机除非一直由操作人员操作，否则是无法实现这一点的。简单的操作机除非一直由操作人员操作，否则是无法实现这一点的。挖掘机臂与工业机器人1.2机器人的定义与特点机器人的定义与特点1.美国机器人协会（美国机器人协会（RIA）的定义）的定义一、机器人一、机器人的定义的定义机器人是机器人是“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，并具有动作来执行种种任务的，并具有编程能力编程能力的的多功能机械手多功能机械手（manipulator）”。2.日本工业机器人协会（日本工业机
4、器人协会（JIRA）的定义）的定义机器人是机器人是“一种装备有记忆装置和末端执行器（一种装备有记忆装置和末端执行器（end effector）的，能够转动并）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过自动完成各种移动来代替人类劳动的通用机器通用机器”。3.美国国家标准局（美国国家标准局（NBS）的定义）的定义机器人是机器人是“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的机械装置”，这也是一种比较广义的工业机器人的定义。，这也是一种比较广义的工业机器人的定义。1.2机器人的定义与特点机器人的定义与特点4.
5、国际标准化组织（国际标准化组织（ISO）的定义）的定义一、机器人一、机器人的定义的定义“机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的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多功能机械手，这种，这种机械手具有几个轴，能够借助于可编程序操作来处理各种材料、零件、工具机械手具有几个轴，能够借助于可编程序操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行种种任务和专用装置，以执行种种任务”。我国我国科学家对机器人的科学家对机器人的定义：定义：“机器人是一种机器人是一种自动化的机器自动化的机器，所不同的是这，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的种机器具备一些与人或生物相似的智能能
6、力智能能力，如感知能力、规划能力、动作，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”。机器人共同点机器人共同点为：为：（1）普遍认为机器人的外形像人或像人的上肢，并能模仿人的动作；）普遍认为机器人的外形像人或像人的上肢，并能模仿人的动作；（2）机器人具有一定的智力、感觉与识别性；）机器人具有一定的智力、感觉与识别性；（3）机器人是人造的机器或机械电子装置；）机器人是人造的机器或机械电子装置；1.2机器人的定义与特点机器人的定义与特点1.通用性通用性二二、机器人的特点机器人的特点机器人机器人具有执行不同功能和完成多样
7、简单任务的实际具有执行不同功能和完成多样简单任务的实际能力能力（1）机构可变（自由度数量）机构可变（自由度数量）（2）程序可变）程序可变2.适应性适应性机器人在工作中可以不依赖于人的干预，能够运用传感器感测环境，分析任机器人在工作中可以不依赖于人的干预，能够运用传感器感测环境，分析任务空间和执行操作规划，自主执行事先未经完全指定的任务务空间和执行操作规划，自主执行事先未经完全指定的任务。（1）自动化）自动化（2）智能化）智能化1.3机器人的分类机器人的分类1.按照控制方式分类按照控制方式分类（1）人工）人工操作操作装置装置（2）固定）固定顺序顺序机器人机器人（3）可变）可变顺序机器人顺序机器人
8、（4）示教）示教再现（再现（playback）机器人）机器人（5）数控）数控机器人机器人（6）智能机器人）智能机器人1.3机器人的分类机器人的分类2.按照坐标形式分类按照坐标形式分类（1）直角坐标型机器人直角坐标型机器人特点：直角坐标型机器人特点：直角坐标型机器人的位置的位置精度高，控制无耦合、简单，避精度高，控制无耦合、简单，避障性好，但结构较庞大，无法调障性好，但结构较庞大，无法调节工具姿态，灵活性差，难与其节工具姿态，灵活性差，难与其他机器人协调，移动轴的结构较他机器人协调，移动轴的结构较复杂，且占地面积较大。复杂，且占地面积较大。1.3机器人的分类机器人的分类2.按照坐标形式分类按照坐
9、标形式分类（2）圆柱坐标型机器人）圆柱坐标型机器人特点：圆柱坐标型机器人的特点：圆柱坐标型机器人的位置精度仅次于直角坐标型位置精度仅次于直角坐标型，控制简单，避障性好，但，控制简单，避障性好，但结构也较庞大，难与其他机结构也较庞大，难与其他机器人协调工作，两个移动轴器人协调工作，两个移动轴的设计较复杂。的设计较复杂。1.3机器人的分类机器人的分类2.按照坐标形式分类按照坐标形式分类（3）球坐标型机器人）球坐标型机器人特点：占地面积较小，结构紧特点：占地面积较小，结构紧凑，位置精度尚可，能与其他凑，位置精度尚可，能与其他机器人协调工作，重量较轻，机器人协调工作，重量较轻，但避障性差，有平衡问题，
10、位但避障性差，有平衡问题，位置误差与臂长有关。置误差与臂长有关。1.3机器人的分类机器人的分类2.按照坐标形式分类按照坐标形式分类（4）关节坐标型机器人）关节坐标型机器人特点：垂直关节坐标型机器人的特点：垂直关节坐标型机器人的运动由前、后臂的俯仰及立柱的运动由前、后臂的俯仰及立柱的回转构成，其结构最紧凑，灵活回转构成，其结构最紧凑，灵活性大，占地面积最小，工作空间性大，占地面积最小，工作空间最大，能与其他机器人协调工作最大，能与其他机器人协调工作，避障性好，是目前应用最多的，避障性好，是目前应用最多的一类机器人，但位置精度较低，一类机器人，但位置精度较低，有平衡问题，控制存在耦合，故有平衡问题
11、，控制存在耦合，故比较比较复杂。复杂。1.3机器人的分类机器人的分类3.按照应用环境分类按照应用环境分类（1）工业机器人）工业机器人在在工业领域内应用的机器人称为工业机器人。通常将工业机器人的定义为工业领域内应用的机器人称为工业机器人。通常将工业机器人的定义为一种能模拟人的手、臂的部分动作，按照预定的程序、轨迹及其他要求，一种能模拟人的手、臂的部分动作，按照预定的程序、轨迹及其他要求，实现抓取、搬运工件或操作工的自动化装置实现抓取、搬运工件或操作工的自动化装置。工业机器人工业机器人的优点在于的优点在于它可以通过它可以通过更改程序更改程序，方便迅速地改变工作内方便迅速地改变工作内容或方式，以满足
12、生产容或方式，以满足生产要求的要求的变化变化。1.3机器人的分类机器人的分类3.按照应用环境分类按照应用环境分类（2）服务机器人）服务机器人和工业机器人相比，服务机器人在结构和工作形式上都有很大不同，服务和工业机器人相比，服务机器人在结构和工作形式上都有很大不同，服务机器人一般具有可移动性，在移动平台上搭载有一些手臂进行操作，同时机器人一般具有可移动性，在移动平台上搭载有一些手臂进行操作，同时还装有一些力觉传感器和视觉传感器、超声测距传感器等等还装有一些力觉传感器和视觉传感器、超声测距传感器等等。它对周边的环境进行识别它对周边的环境进行识别，来判断它的运动，完成，来判断它的运动，完成某种工作，
13、这是服务机器某种工作，这是服务机器人的基本的一个特点。人的基本的一个特点。达芬奇微创手术机器人1.3机器人的分类机器人的分类3.按照应用环境分类按照应用环境分类（3）特种机器人）特种机器人特种机器人主要是指在人们难以进入的核电站、海底、宇宙空间进行作业的特种机器人主要是指在人们难以进入的核电站、海底、宇宙空间进行作业的机器人，也包括军用、建筑、农业机器人等。机器人，也包括军用、建筑、农业机器人等。Spirit火星漫游车火星漫游车 Canada Arm 太空机械臂太空机械臂水下滑翔机水下滑翔机1.3机器人的分类机器人的分类3.按照应用环境分类按照应用环境分类（4）智能机器人）智能机器人智能机器人
14、具有多种由内、外部传感智能机器人具有多种由内、外部传感器组成的感觉系统，不仅可以感知内器组成的感觉系统，不仅可以感知内部关节的运行速度、力的大小等参数部关节的运行速度、力的大小等参数，还可以通过外部传感器，还可以通过外部传感器(如视觉传感如视觉传感器、触觉传感器等器、触觉传感器等)，对外部环境信息，对外部环境信息进行感知、提取、处理并做出适当的进行感知、提取、处理并做出适当的决策，自主完成某项任务。决策，自主完成某项任务。1.4机器人机器人的基本组成的基本组成以工业机器人为例，一个工业机器人系统，一般由三部分、六个子系统以工业机器人为例，一个工业机器人系统，一般由三部分、六个子系统组成。组成。
15、1.4机器人机器人的基本组成的基本组成1.驱动系统驱动系统驱动系统主要指驱动机械系统的驱动装置。根据驱动源的不同，驱动系驱动系统主要指驱动机械系统的驱动装置。根据驱动源的不同，驱动系统可分为统可分为电动、液压、气动电动、液压、气动三种以及把它们结合起来应用的综合系统。三种以及把它们结合起来应用的综合系统。驱动系统可以与机械系统直接相连，也可通过同步带、链条、齿轮、谐驱动系统可以与机械系统直接相连，也可通过同步带、链条、齿轮、谐波传动装置等与机械系统间接相连。波传动装置等与机械系统间接相连。1.4机器人机器人的基本组成的基本组成2.机械系统机械系统工业机器人的工业机器人的机械结构系统机械结构系统
16、由由机身、机身、臂部臂部、腕部、手部、腕部、手部（末端执行器（末端执行器）四部分）四部分组成组成。1.4机器人机器人的基本组成的基本组成3.感知系统感知系统感知系统由内部传感器模块感知系统由内部传感器模块和外传感器模块组成，获取和外传感器模块组成，获取内部和外部环境状态中的有内部和外部环境状态中的有意义的信息。智能传感器的意义的信息。智能传感器的使用提高了机器人的机动性使用提高了机器人的机动性、适应性和智能化水平。、适应性和智能化水平。 1.4机器人机器人的基本组成的基本组成4.机器人机器人-环境交互系统环境交互系统工业机器人工业机器人-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
17、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。协调的系统。1.4机器人机器人的基本组成的基本组成5.控制系统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的执行机构完成规定的运动和功能。号支配机器人的执行机构完成规定的运动和功能。控制系统根据控制原理可分为控制系统根据控制原理可分为程序控制系统、适应性控制系程序控制系统、适应性控制系统和人工智能控制系统统和人工智能控制系统；根据；根据控制运动的形式可分为控制运动的形式可分为点位控点位控制和轨迹控制制和轨迹控制。1.4机器人
18、机器人的基本组成的基本组成6.人机交互系统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并与机器人进行联系的装置，例人机交互系统是使操作人员参与机器人控制并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、信息显示板及危险信号报警器等如，计算机的标准终端、指令控制台、信息显示板及危险信号报警器等。人机交互人机交互系统可系统可分为两大类：指分为两大类：指令给定装置和信令给定装置和信息显示装置。息显示装置。1.5机器人机器人的技术参数的技术参数机器人的技术参数反映了机器人可胜任的工作、具有的最高操作性能等情况机器人的技术参数反映了机器人可胜任的工作、具有的最高操作性能等情况，是选择、
19、设计、应用机器人所必须考虑的问题。，是选择、设计、应用机器人所必须考虑的问题。1.自由度自由度机器人自由度机器人自由度，也称，也称坐标轴坐标轴数数，是指，是指机器人所具有的独立坐机器人所具有的独立坐标轴运动的数目，标轴运动的数目，不包括手爪不包括手爪(末端执行器末端执行器)的自由度的自由度。1.5机器人机器人的技术参数的技术参数2.工作空间工作空间工作空间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，也叫工工作空间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，也叫工作区域作区域。找到对应结构类型机器人的工作空间图1.5机器人机器人的技术参数的技术参数3.承载能力承载能力承载能力是指
20、机器人在工作范围内的任何位姿上所能承受的最大质量。承承载能力是指机器人在工作范围内的任何位姿上所能承受的最大质量。承载能力不仅决定于负载的质量，且与机器人运行的载能力不仅决定于负载的质量，且与机器人运行的速度和加速度速度和加速度的大小和的大小和方向有关。为安全起见，承载能力这一技术指标是指方向有关。为安全起见，承载能力这一技术指标是指高速运行时高速运行时的承载能的承载能力力。承载能力。承载能力不仅包括不仅包括负载质量负载质量，还包括机器人，还包括机器人末端执行器的质量末端执行器的质量。4.精度精度精度是一个位置量相对于参考系的绝对度量，指机器人手部或参考点精度是一个位置量相对于参考系的绝对度量
21、，指机器人手部或参考点实际到实际到达位置与理论位置达位置与理论位置之间的之间的差距差距。机器人的精度主要依存于。机器人的精度主要依存于机械误差、控制算机械误差、控制算法误差与分辨率系统误差法误差与分辨率系统误差。1.5机器人机器人的技术参数的技术参数5.重复定位精度重复定位精度重复定位精度是关于精度重复定位精度是关于精度的统计数据，是指在相同的统计数据，是指在相同的运动位置指令下，机器的运动位置指令下，机器人连续若干次人连续若干次相同运动轨相同运动轨迹迹间的度量间的度量。要求工业机要求工业机器人的重复定位精度高于器人的重复定位精度高于绝对定位精度绝对定位精度。a）重复定位精度的测定）重复定位精
22、度的测定 b）合理的精度，良好的重复定位精度）合理的精度，良好的重复定位精度c）良好的精度，很差的重复定位精度）良好的精度，很差的重复定位精度 d）很差的精度，良好的重复定位精度）很差的精度，良好的重复定位精度1.5机器人机器人的技术参数的技术参数6.最大工作速度最大工作速度工作速度愈高，工作效率愈高。然而工作速度愈高就要花费更多的时间去工作速度愈高，工作效率愈高。然而工作速度愈高就要花费更多的时间去升速或降速，或者对工业机器人最大加速度变化率及最大减速度变化率的升速或降速，或者对工业机器人最大加速度变化率及最大减速度变化率的要求更高。要求更高。7.其他参数其他参数对于一个完整的机器人的技术参
23、数和描述还包括控制方式、驱动方式、安对于一个完整的机器人的技术参数和描述还包括控制方式、驱动方式、安装方式、动力源容量、本体质量、环境参数及安全注意事项等。装方式、动力源容量、本体质量、环境参数及安全注意事项等。1.6机器人的应用机器人的应用1.机器人搬运领域机器人搬运领域2.机器人码垛领域机器人码垛领域3.机器人喷涂领域机器人喷涂领域4.机器人焊接领域机器人焊接领域5.机器人装配领域机器人装配领域6.机器人机器人激光加工激光加工7.机器人真空机器人真空作业作业8.机器人洁净机器人洁净作业作业搬运领域码垛领域喷涂领域焊接领域装配领域激光领域真空领域1.7机器人机器人的发展的发展1.机器人的历史
24、机器人的历史1954年美国戴沃尔最早提出工业机器人概念，并申请了专利。年美国戴沃尔最早提出工业机器人概念，并申请了专利。1.7机器人机器人的发展的发展1.机器人的历史机器人的历史1959年英格伯格和德沃尔设计出了世界上第一台真正实用的工业机器人，名叫年英格伯格和德沃尔设计出了世界上第一台真正实用的工业机器人，名叫“尤尼梅特尤尼梅特” 。1961年英格伯格和德沃尔筹办了世界上第一家专门生产机器人年英格伯格和德沃尔筹办了世界上第一家专门生产机器人的工厂的工厂尤尼梅特公司。英格伯格也被人们称为尤尼梅特公司。英格伯格也被人们称为“工业机器人之父工业机器人之父”。1.7机器人机器人的发展的发展1.机器人
25、的历史机器人的历史最早的工业机器人于最早的工业机器人于20世纪世纪60年代出现并应用到工业生产中，当时的工业机年代出现并应用到工业生产中，当时的工业机器人主要采用液压驱动。器人主要采用液压驱动。1.7机器人机器人的发展的发展1.机器人的历史机器人的历史20世纪世纪70年代工业机器人得到了一定的发展，出现了由小型计算机控制并由年代工业机器人得到了一定的发展，出现了由小型计算机控制并由电机驱动的工业机器人。电机驱动的工业机器人。1.7机器人机器人的发展的发展1.机器人的历史机器人的历史20世纪世纪80年代工业机器人的相关技术已经趋于成熟，机器人的外形和功能已年代工业机器人的相关技术已经趋于成熟，机
26、器人的外形和功能已经与目前广泛应用的工业机器人基本相同。经与目前广泛应用的工业机器人基本相同。1.7机器人机器人的发展的发展1.机器人的历史机器人的历史20世纪世纪90年代工业年代工业机器人已广泛应用机器人已广泛应用于生产中，出现了于生产中，出现了Delta机器人产品，机器人产品，机器人仍以机器人仍以在线示在线示教教为主。为主。1.7机器人机器人的发展的发展1.机器人的历史机器人的历史1.7机器人机器人的发展的发展2.工业机器人四大家族工业机器人四大家族（1）瑞士）瑞士ABB公司公司（2）德国）德国KUKA（库卡）公司（库卡）公司（3）日本）日本FANUC（发那科）公司（发那科）公司（4）日本
27、安川电机公司）日本安川电机公司ABB机器人库卡机器人发那科机器人安川机器人1.8思考思考与习题与习题一、填空题1. 一台真正意义上的机器人，应该具备三种基本功能： 、 和 。2. 按照坐标形式分类，工业机器人可分为 、 、 和关节坐标型。3. 工业机器人四大家族企业分别为 、 、 和 。二、判断题1. 数控机床可编程并且能加工多种机械零件，因此数控机床也是一种工业机器人。（ ）2. 直角坐标机器人具有结构紧凑、灵活、占地空间小等优点，是目前工业机器人大多采用的结构形式。（ ）3. 工业机器人的自由度越高其运动灵活性越好，承载能力越强。（ ）4. 为了提高机器人的工作效率，要求机器人的最大工作速度越大越好。（ ）1.8思考思考与习题与习题三、简答题1简述工业机器人的定义，说明机器人的主要特点是什么?2简述下面几个术语的含义：自由度，重复定位精度，工作空间和承载能力。3简述机器人的组成。4简述机器人的发展历史。5查阅资料，谈谈国外和国内工业机器人应用技术现状。