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1、第一章第一章 概论概论基基础知知识内容要点内容要点什么是机器人什么是机器人机器人的分类机器人的分类什么是机器人学什么是机器人学机器人的发展历史机器人的发展历史机器人的优缺点机器人的优缺点机器人的组成部件机器人的组成部件机器人的自由度机器人的自由度机器人的关节机器人的关节机器人的坐标构型机器人的坐标构型机器人的性能指标机器人的性能指标机器人的工作空间机器人的工作空间机器人的应用机器人的应用其他机器人及应用其他机器人及应用机器人的社会问题机器人的社会问题第二讲第二讲 机器人基础机器人基础一、什么是机器人一、什么是机器人第二讲第二讲 机器人基础机器人基础常规的机器人操作手常规的机器人操作手牵引车上的
2、起重机牵引车上的起重机起重机与机械手的异同起重机与机械手的异同许多连杆通过关节依次连接，各关节由驱动许多连杆通过关节依次连接，各关节由驱动器驱动；器驱动；共同之处：共同之处：根本不同：根本不同：起重机是由人来控制驱动器；起重机是由人来控制驱动器；第二讲第二讲 机器人基础机器人基础“手手”能在空中运动，能承受一定的载荷；能在空中运动，能承受一定的载荷；都用一个中央控制器控制驱动器都用一个中央控制器控制驱动器机器人是由计算机编程控制，程序变了，机机器人是由计算机编程控制，程序变了，机器人的动作就会相应改变器人的动作就会相应改变机器人定义机器人定义ISO定义定义:A reprogrammable a
3、nd multifunctional manipulator,devised for the transport of materials,parts,tools or specialized systems,with varied and programmed movements,with the aim of carrying out varied tasks.定义的外延和内涵随机器人的发展而变化定义的外延和内涵随机器人的发展而变化第二讲第二讲 机器人基础机器人基础二、机器人分类二、机器人分类人工操作装置人工操作装置固定顺序机器人固定顺序机器人可变顺序机器人可变顺序机器人示教再现机器人示教
4、再现机器人数控机器人数控机器人智能机器人智能机器人JIRARIA第二讲第二讲 机器人基础机器人基础三、什么是机器人学三、什么是机器人学机器人学是人们设计和应用机器人的技术机器人学是人们设计和应用机器人的技术和知识。和知识。机器人系统不仅由机器人组成，还需要其机器人系统不仅由机器人组成，还需要其他装置和系统连同机器人一起来共同完成他装置和系统连同机器人一起来共同完成必需的任务。必需的任务。机器人学是一门交叉学科，它得益于机械机器人学是一门交叉学科，它得益于机械工程、电气与电子工程、计算机科学、生工程、电气与电子工程、计算机科学、生物学以及其他许多学科。物学以及其他许多学科。第二讲第二讲 机器人基
5、础机器人基础四、机器人的发展历史四、机器人的发展历史Karel Capek Rossams Universal RobotsIsaac Asimov 在在Im Robot中提出中提出“机器人机器人三原则三原则”和和“机器人学（机器人学（Robotics）”A robot must not harm a human being or,through inaction,allow one to come harm.A robot must always obey human beings unless that is conflict with the first law.A robot prot
6、ect itself from harm unless that is conflict with the first or second laws.第二讲第二讲 机器人基础机器人基础四、机器人的发展历史四、机器人的发展历史Geoorge Devol开发出第一台可编程机器人，能实现示教再开发出第一台可编程机器人，能实现示教再现编程方式，实现点到点的控制；现编程方式，实现点到点的控制；1958年，年，Engel Berger创建了创建了Unimation公司，并参与设公司，并参与设计了第一台计了第一台Unimate 机器人；机器人；同时，同时，AMF公司开始研制工业机器人公司开始研制工业机器人V
7、ersatran（Versatile Transfer）机器人；）机器人；1983年，年，Engel Berger将将Unimation公司卖给西屋公司，公司卖给西屋公司，创建创建TRC公司，开始研制服务机器人；公司，开始研制服务机器人；1968年，第一台智能机器人年，第一台智能机器人Shakey在斯坦福研究所在斯坦福研究所（SRI）诞生；）诞生；第二讲第二讲 机器人基础机器人基础五、机器人的优缺点五、机器人的优缺点 机器人和自动化技术在多数情况下可以提高生产率、安全性、效机器人和自动化技术在多数情况下可以提高生产率、安全性、效率、产品质量和产品的一致性；率、产品质量和产品的一致性；机器人可以
8、在危险的环境下工作，而无须考虑生命保障或安全的机器人可以在危险的环境下工作，而无须考虑生命保障或安全的需要；需要；机器人无需舒适的环境，例如考虑照明、空调、通风以及噪音隔机器人无需舒适的环境，例如考虑照明、空调、通风以及噪音隔离；离；机器人能不知疲倦和厌烦地持续工作，不会有心理问题，不需要机器人能不知疲倦和厌烦地持续工作，不会有心理问题，不需要医疗保险或假期；医疗保险或假期；机器人除了发生故障或磨损外，将始终如一地保持精度；机器人除了发生故障或磨损外，将始终如一地保持精度；机器人具有比人高得多的精确度。直线位移精度可达千分之几英机器人具有比人高得多的精确度。直线位移精度可达千分之几英寸（寸（1
9、in=2.54cm）；）；机器人其附属设备及传感器具有某些人类所不具备的能力；机器人其附属设备及传感器具有某些人类所不具备的能力；机器人可以同时响应多个激励或处理多项任务，而人类只能响应机器人可以同时响应多个激励或处理多项任务，而人类只能响应一个现行激励；一个现行激励；第二讲第二讲 机器人基础机器人基础 机器人替代了工人，由此带来经济和社会问题；机器人替代了工人，由此带来经济和社会问题；机器人缺乏应急能力，除非该紧急情况能够预知并已在系统中设机器人缺乏应急能力，除非该紧急情况能够预知并已在系统中设置了应对方案，否则不能很好地处理紧急情况。同时，还需要有安置了应对方案，否则不能很好地处理紧急情况
10、。同时，还需要有安全措施来确保机器人不会伤害操作人员以及与它一起工作的机器。全措施来确保机器人不会伤害操作人员以及与它一起工作的机器。机器人的能力在自由度、灵巧度、传感器能力、视觉系统和实时机器人的能力在自由度、灵巧度、传感器能力、视觉系统和实时响应方面具有局限性；响应方面具有局限性；机器人费用开销大，原因是：原始的设备费、安装费、需要周边机器人费用开销大，原因是：原始的设备费、安装费、需要周边设备、需要培训、需要编程。设备、需要培训、需要编程。第二讲第二讲 机器人基础机器人基础六、机器人的组成部件六、机器人的组成部件机械手机械手末端执行器末端执行器驱动器驱动器第二讲第二讲 机器人基础机器人基
11、础连接在机械手最后一个关节上，用来执行任务。是由公司工程连接在机械手最后一个关节上，用来执行任务。是由公司工程师或外面的顾问为某种用途而专门设计的。通常，其动作有机师或外面的顾问为某种用途而专门设计的。通常，其动作有机器人控制器直接控制。器人控制器直接控制。“肌肉肌肉”，常见的驱动器有伺服电机、步进电机、气缸及液压，常见的驱动器有伺服电机、步进电机、气缸及液压缸等，还有一些新型驱动器。它们由控制器控制。缸等，还有一些新型驱动器。它们由控制器控制。机器人的主体部分，由连杆、活动关节和其他结构部件构成。机器人的主体部分，由连杆、活动关节和其他结构部件构成。六、机器人的组成部件六、机器人的组成部件“
12、五官五官”，收集机器人内部状态的信息或用来与外部环境进行，收集机器人内部状态的信息或用来与外部环境进行通信。通信。“小脑小脑”，从计算机获取数据，控制驱动器的动作，并与传感，从计算机获取数据，控制驱动器的动作，并与传感器反馈信息一起协调机器人的运动。器反馈信息一起协调机器人的运动。“大脑大脑”，计算机器人关节的运动，确定每个关节应移动多少，计算机器人关节的运动，确定每个关节应移动多少和多远才能达到预定的速度和位置，并监督控制器和传感器。和多远才能达到预定的速度和位置，并监督控制器和传感器。机械手或移动车机械手或移动车末端执行器末端执行器驱动器驱动器传感器传感器控制器和处理器控制器和处理器第二讲
13、第二讲 机器人基础机器人基础六、机器人的组成部件六、机器人的组成部件操作系统：用来操作计算机操作系统：用来操作计算机机器人软件：根据机器人的运动方程计算每个关节的必要机器人软件：根据机器人的运动方程计算每个关节的必要动作，然后将这些信息传给控制器动作，然后将这些信息传给控制器例行程序集合和应用程序：为了使用机器人外部设备或为例行程序集合和应用程序：为了使用机器人外部设备或为了执行特定任务而开发了执行特定任务而开发机械手或移动车机械手或移动车末端执行器末端执行器驱动器驱动器传感器传感器控制器和处理器控制器和处理器软件软件第二讲第二讲 机器人基础机器人基础七、机器人的自由度七、机器人的自由度确定一
14、个刚体在空间的位置需要确定一个刚体在空间的位置需要3dof确定该刚体的姿态需要确定该刚体的姿态需要3dof因此，需要因此，需要6dof才能将物体放置到空间的才能将物体放置到空间的期望位姿；期望位姿；少自由度机器人会怎样？少自由度机器人会怎样？多自由度机器人会怎样？多自由度机器人会怎样？人的手臂和手各有几个自由度？人的手臂和手各有几个自由度？第二讲第二讲 机器人基础机器人基础七、机器人的自由度七、机器人的自由度末端执行器的动作计入机器人的自由度吗？末端执行器的动作计入机器人的自由度吗？自由度为自由度为1/2的含义是什么？的含义是什么？所有的机器人都是六个自由度吗？所有的机器人都是六个自由度吗？不
15、不该关节只能在它的运动极限处定位该关节只能在它的运动极限处定位或该关节限定为几个可能的取值或该关节限定为几个可能的取值许多都少于六个，比如插件机器人许多都少于六个，比如插件机器人第二讲第二讲 机器人基础机器人基础八、机器人关节八、机器人关节线性关节（线性关节（Prismatic joint）回回/旋转关节旋转关节(Rotary joint)球关节球关节(Spherical joint)由步进电机或由步进电机或伺服电机驱动伺服电机驱动由气缸、液由气缸、液压缸驱动压缸驱动第二讲第二讲 机器人基础机器人基础九、机器人的坐标与构形九、机器人的坐标与构形笛卡儿坐标笛卡儿坐标/直角坐标直角坐标/台架型台架
16、型（3P）圆柱坐标型（圆柱坐标型（R2P）极坐标、球坐标型（极坐标、球坐标型（2RP）平面型平面型多关节机器人多关节机器人十一、机器人的性能指标十一、机器人的性能指标负荷能力负荷能力机器人在满足其他性能要求的情况下，能机器人在满足其他性能要求的情况下，能够承载的负荷重量；够承载的负荷重量；机器人的负荷量与其自身的重量相比往往机器人的负荷量与其自身的重量相比往往非常小；非常小；比如：比如：M16i机器人自重机器人自重594磅，负荷量仅磅，负荷量仅为为35磅。磅。第二讲第二讲 机器人基础机器人基础十一、机器人的性能指标十一、机器人的性能指标运动范围运动范围机器人在其工作区域内可以达到的最大距机器人
17、在其工作区域内可以达到的最大距离；离；运动范围是机器人关节长度和其构型的函运动范围是机器人关节长度和其构型的函数。数。第二讲第二讲 机器人基础机器人基础十一、机器人的性能指标十一、机器人的性能指标精度（正确性）精度（正确性）指机器人到达指定点的精确程度；指机器人到达指定点的精确程度；与驱动器的分辨率以及反馈装置有关；与驱动器的分辨率以及反馈装置有关；大多数工业机器人具有大多数工业机器人具有0.001in或更高精度。或更高精度。第二讲第二讲 机器人基础机器人基础十一、机器人的性能指标十一、机器人的性能指标重复精度（变化性）重复精度（变化性）指如果动作重复多次，机器人到达同样位指如果动作重复多次，
18、机器人到达同样位置的精确程度；置的精确程度；重复精度比精度更为重要；重复精度比精度更为重要；大多数工业机器人的重复精度都在大多数工业机器人的重复精度都在0.001in以内。以内。第二讲第二讲 机器人基础机器人基础十二、机器人的工作空间十二、机器人的工作空间是指根据机器人的构型、连杆及腕关节的大小，机是指根据机器人的构型、连杆及腕关节的大小，机器人能到达的点的集合；器人能到达的点的集合；工作空间可用数学方法通过列方程来确定，也可凭工作空间可用数学方法通过列方程来确定，也可凭经验确定；经验确定；当机器人用做特殊用途时，必须研究其工作空间，当机器人用做特殊用途时，必须研究其工作空间，以确保机器人能到
19、达要求的点。以确保机器人能到达要求的点。第二讲第二讲 机器人基础机器人基础十二、机器人的工作空间十二、机器人的工作空间可达工作空间可达工作空间灵活工作空间灵活工作空间VS第二讲第二讲 机器人基础机器人基础十三、机器人的应用十三、机器人的应用机器加载机器加载取放操作取放操作焊接焊接喷漆喷漆检测检测抽样抽样装配操作装配操作机械制造机械制造监视监视医疗应用医疗应用帮助残疾人帮助残疾人危险环境危险环境水下、太空及远程水下、太空及远程第二讲第二讲 机器人基础机器人基础十四、其他机器人及应用十四、其他机器人及应用类人机器人类人机器人类昆虫和动物机器人类昆虫和动物机器人多数为科研目的而开发多数为科研目的而开
20、发为军事、医疗或娱乐而设计开发为军事、医疗或娱乐而设计开发 生命电子学生命电子学:设计和开发生动形象的机器设计和开发生动形象的机器人和机器的系统技术人和机器的系统技术 MEMS:微电子机械系统微电子机械系统第二讲第二讲 机器人基础机器人基础十五、机器人的社会问题十五、机器人的社会问题机器人的安全性机器人的安全性第二讲第二讲 机器人基础机器人基础工人失业带来的工人失业带来的社会和经济问题社会和经济问题机器人会消灭人类吗？机器人会消灭人类吗？小结小结什么是机器人什么是机器人机器人的分类机器人的分类什么是机器人学什么是机器人学机器人的发展历史机器人的发展历史机器人的优缺点机器人的优缺点机器人的组成部件机器人的组成部件机器人的自由度机器人的自由度机器人的关节机器人的关节机器人的坐标机器人的坐标机器人的性能指标机器人的性能指标机器人的工作空间机器人的工作空间机器人的应用机器人的应用其他机器人及应用其他机器人及应用机器人的社会问题机器人的社会问题第二讲第二讲 机器人基础机器人基础