工业机器人第一章.ppt

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1、工工业机器人机器人l 绪论课程程简介介 工业机器人工业机器人是一门高度交叉的前沿学科，机器人技术是集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

2、工作打下基础一体化与系统设计、制造的研究工作打下基础。第一章第一章 绪论l 绪论本章主要内容本章主要内容 l机器人的概念机器人的概念l机器人的发展历史机器人的发展历史l机器人的分类机器人的分类l工业机器人的组成与技术参数工业机器人的组成与技术参数l机器人的应用及技术发展趋势机器人的应用及技术发展趋势l 绪论本章主要内容本章主要内容 重点掌握：重点掌握：1、工业机器人的定义（国标）。、工业机器人的定义（国标）。2、工业机器人的分类。、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。、工业机器人的坐标系、自由度和工作空间。l 绪论大家大家对机器人是怎么理解的？机器人是怎么理解的？l 绪

3、论1.1 机器人的概述机器人的概述 “机机器器人人”是是存存在在于于多多种种语语言言和和文文字字的的新新造造词词，它它体体现现了了人人类类长长期期以以来来的的一一种种愿愿望望，即即创创造造出出一一种种像像人人一一样样的的机机器器或或人人造造人人，以以便能够便能够代替人去进行各种工作代替人去进行各种工作。在在科科技技界界，科科学学家家会会给给每每一一个个科科技技术术语语一一个个明明确确的的定定义义，但但机机器器人人问问世世已已有有几几十十年年，机机器器人人的的定定义义仍仍然然仁仁者者见见仁仁，智智者者见见智智，没没有有一一个个统统一一的的意意见见。原原因因之之一一是是机机器器人人还还在在发发展展

4、，新新的的机机型型，新的功能不断涌现。新的功能不断涌现。l 绪论1.1 机器人的概述机器人的概述 “机机器器人人”一一词词最最早早诞诞生生于于科科幻幻小小说说。1886年年法法国国作作家家利利尔尔亚亚当当在在他他的的小小说说未未来来夏夏娃娃中中将将外外表表像像人人的的机机器器起起名名为为“安安德德罗罗丁丁”(android)，它由，它由4部分组成：部分组成：l生生命命系系统统(平平衡衡、步步行行、发发声声、摆摆动动、感感觉觉、表表情情、调调节节运运动动等等)l造型介质造型介质(关节能自由运动的金属覆盖体关节能自由运动的金属覆盖体)l人人造造肌肌肉肉(在在上上述述盔盔甲甲上上有有肉肉体体、静静脉

5、脉、性性别别等等身身体体的的各各种种形形态态)l人人造造皮皮肤肤(含含有有肤肤色色、机机理理、轮轮廓廓、头头发发、视视觉觉、牙牙齿齿、手手爪爪等等)l 绪论1.1 机器人的概述机器人的概述 1920年年捷捷克克作作家家卡卡雷雷尔尔卡卡佩佩克克发发表表了了科科幻幻剧剧本本罗罗萨萨姆姆的的万万能能机机器器人人。在在剧剧本本中中，构构想想了了RUR机机器器人人卡卡佩佩 克克 把把 捷捷 克克 语语“Robota”写写 成成 了了“Robot”，“Robota”是是奴隶奴隶的意思。的意思。l 绪论1.1 机器人的概述机器人的概述 为为了了防防止止机机器器人人伤伤害害人人类类，科科幻幻作作家家阿阿西西莫

6、莫夫夫于于1940年年提提出出了了“机器人三原则机器人三原则”：(1)机器人不应伤害人类；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。机器人应能保护自己，与第一条相抵触者除外。这这在在一一些些以以机机器器人人为为题题材材的的科科幻幻影影视视作作品品中中经经常常会会出出现现，如如:I，Robot，变人变人等。等。l 绪论机器人的定机器人的定义 目前，对机器人的定义主要有以下几种：目前，对机器人的定义主要有以下几种：日日本本工工业业机机器器人人协协会会(JIRA)：一一种种带

7、带有有存存储储器器件件和和末末端端操操作作器器的的通用机械通用机械，它能够通过自动化的动作，它能够通过自动化的动作代替人类劳动代替人类劳动。日日本本著著名名学学者者加加藤藤一一郎郎：具具有有脑脑、手手、脚脚等等要要素素的的个个体体；具具有有非接触传感器非接触传感器和和接触传感器接触传感器；具有用于；具有用于平衡平衡和和定位定位的的传感器传感器。美美国国机机器器人人工工业业协协会会(RIA)：一一种种用用于于移移动动各各种种材材料料、零零件件、工工具具或或专专用用装装置置，通通过过可可编编程程序序动动作作来来执执行行各各种种任任务务并并具具有有编编程程能能力的多功能机械手力的多功能机械手主要指主

8、要指工业机器人工业机器人。l 绪论机器人的定机器人的定义 我国科学家对机器人的定义是：我国科学家对机器人的定义是：一一种种自自动动化化的的机机器器，所所不不同同的的是是这这种种机机器器人人具具备备一一些些与与人人和和生生物物相相似似的的智智能能能能力力，如如感感知知能能力力、规规划划能能力力、动动作作能能力力和和协协同同能能力，是一种具有力，是一种具有高度灵活性高度灵活性的自动化机器。的自动化机器。l 绪论机器人的定机器人的定义 一般来说，机器人应该具有以下三大特征：一般来说，机器人应该具有以下三大特征：模仿人或动物肢体动作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随工作环境变化需要而

9、再编程可执行不同作业任务可执行不同作业任务l 绪论1.1.2 机器人的机器人的发展展历史史l西西周周时时期期，我我国国的的能能工工巧巧匠匠偃偃师师就就研研制制出出了了能能歌歌善善舞舞的的伶伶人人，这是我国最早记载的机器人。这是我国最早记载的机器人。古代机器人古代机器人l春春秋秋后后期期，我我国国著著名名的的木木匠匠鲁鲁班班，在在机机械械方方面面也也是是一一位位发发明明家家，据据墨墨经经记记载载，他他曾曾制制造造过过一一只只木木鸟鸟，能能在在空空中中飞飞行行“三三日日不下不下”，体现了我国劳动人民的聪明智慧。，体现了我国劳动人民的聪明智慧。l 绪论1.1.2 机器人的机器人的发展展历史史l180

10、0年年前前的的汉汉代代，大大科科学学家家张张衡衡不不仅仅发发明明了了地地动动仪仪，而而且且发发明明了了指指南南车车，计计里里鼓鼓车车。计计里里鼓鼓车车每每行行一一里里，车车上上木木人人击击鼓鼓一一下下，每行十里击钟一下。每行十里击钟一下。古代机器人古代机器人l后汉三国时期，蜀国丞相诸葛亮成功地创造出了后汉三国时期，蜀国丞相诸葛亮成功地创造出了“木牛流马木牛流马”。l 绪论1.1.2 机器人的机器人的发展展历史史古代机器人古代机器人木牛流马木牛流马/指南车指南车计里鼓车计里鼓车l 绪论1.1.2 机器人的机器人的发展展历史史古代机器人古代机器人l1738年年，法法国国天天才才技技师师杰杰克克戴戴

11、瓦瓦克克逊逊发发明明了了一一只只机机器器鸭鸭，它它会会嘎嘎嘎嘎叫叫，会会游游泳泳和和喝喝水水，还还会会进进食食和排泄。和排泄。l1662年，日本的竹田近江利用钟表技术发明了年，日本的竹田近江利用钟表技术发明了自动机器玩偶自动机器玩偶。l 绪论1.1.2 机器人的机器人的发展展历史史古代机器人古代机器人l在在当当时时的的自自动动玩玩偶偶中中，最最杰杰出出的的要要数数瑞瑞士士的的钟钟表表匠匠杰杰克克道道罗罗斯斯和和他他的的儿儿子子利利路路易易道道罗罗斯斯。1773年年，他他们们连连续续推推出出了了自动书写玩偶自动书写玩偶、自动演奏玩偶自动演奏玩偶等。等。自动演奏玩偶自动演奏玩偶l 绪论1.1.2

12、机器人的机器人的发展展历史史现代机器人现代机器人l 绪论1.1.2 机器人的机器人的发展展历史史现代机器人现代机器人l 绪论1.1.2 机器人的机器人的发展展历史史现代机器人现代机器人l 绪论1.1.2 机器人的机器人的发展展历史史现代机器人现代机器人l 绪论1.2.1 机器人的分机器人的分类(1)按机器人的按机器人的发展程度发展程度分类分类只能只能示教示教操作，操作，无感知能力无感知能力l 绪论1.2.1 机器人的分机器人的分类(1)按机器人的按机器人的发展程度发展程度分类分类具有具有一定感知能力一定感知能力l 绪论1.2.1 机器人的分机器人的分类(1)按机器人的按机器人的发展程度发展程度

13、分类分类具有具有多种感知功能多种感知功能，并，并能实现能实现逻辑推理逻辑推理、判断判断和和决策决策等智能操作等智能操作l 绪论1.2.1 机器人的分机器人的分类(1)按机器人的按机器人的发展程度发展程度分类分类具有具有人类式的情人类式的情感感，是机器人发，是机器人发展的展的最高层次最高层次l 绪论1.2.1 机器人的分机器人的分类(2)按机器人的按机器人的控制方式控制方式分类分类操作机器人：需要人在一定距离内操作机器人：需要人在一定距离内直接直接进行进行实时实时操作操作程序机器人：依据程序机器人：依据预先给定的程序预先给定的程序进行自动作业进行自动作业示教示教-再现机器人：记录人工操作动作，并

14、再现机器人：记录人工操作动作，并重复重复执行执行主流方法主流方法数控机器人：根据数控机器人：根据计算机程序计算机程序进行作业进行作业智能机器人：能够智能机器人：能够感知外部环境变化感知外部环境变化，实时做出，实时做出判断判断、调整调整，完成，完成作业作业l 绪论1.2.1 机器人的分机器人的分类(3)按机器人的按机器人的应用领域应用领域分类分类l 绪论1.2.1 机器人的分机器人的分类(4)按机器人的按机器人的关节连接布置形式关节连接布置形式分类分类串联机器人：杆件和关节是通过串联机器人：杆件和关节是通过串联串联方式方式进行连接的，是一种进行连接的，是一种开链式开链式结构。结构。其优点在于：其

15、优点在于：工作空间较大、工作空工作空间较大、工作空间内精度一致性较高、对装配精度要间内精度一致性较高、对装配精度要求较低求较低。串联机器人串联机器人l 绪论1.2.1 机器人的分机器人的分类(4)按机器人的按机器人的关节连接布置形式关节连接布置形式分类分类并联机器人：杆件和关节是通过并联机器人：杆件和关节是通过并联并联方式方式进行连接的，是一种进行连接的，是一种闭链式闭链式结构。结构。其优点在于：其优点在于：结构刚度较高、运动精结构刚度较高、运动精度较高、响应速度快度较高、响应速度快。并联机器人并联机器人l 绪论1.2.2 工工业机器人的分机器人的分类 本本课课程程中中涉涉及及的的工工业业机机

16、器器人人主主要要指指串串联联结结构构的的机机器器人人，其其机机身身、臂臂部部、手手腕腕和和末末端端操操作作器器通通常常通通过过关关节节顺顺序序串串联联而而成成。最最常常用用的的两两种种关关节节运运动动副副为为移移动动关关节节(用用P表表示示)和和旋旋转转关关节节(用用R表表示示)，每一个关节均为，每一个关节均为单自由度单自由度主动运动副，由一个驱动器驱动。主动运动副，由一个驱动器驱动。刚刚体体在在三三维维空空间间中中存存在在6个个自自由由度度，若若机机器器人人需需要要完完成成任任一一空空间间作作业业，就就需需要要至至少少6个个自自由由度度。其其中中臂臂部部3个个关关节节用用于于改改变变手手腕腕

17、参参考考点点位位置置，称称为为定定位位机机构构；手手腕腕3个个关关节节用用于于改改变变末末端端操操作作器器姿姿态态，称为，称为定向机构定向机构。l 绪论1.2.2 机器人的分机器人的分类 P副和副和R副的平面图形符号可表征为：副的平面图形符号可表征为：P副副R副副绕绕x轴轴绕绕y轴轴绕绕z轴轴l 绪论1.2.2 机器人的分机器人的分类 工工业业机机器器人人臂臂部部3个个关关节节的的类类型型决决定定了了操操作作臂臂工工作作空空间间的的形形式式，根根据据P副副和和R副副的的不不同同组组合合，可可以以将将工工业业机机器器人人按按工工作作空空间间坐坐标标形式形式的不同分为以下五种情况：的不同分为以下五

18、种情况：(1)直角坐标型机器人直角坐标型机器人 (2)圆柱坐标型机器人圆柱坐标型机器人 (3)球坐标型机器人球坐标型机器人 (4)关节坐标型机器人关节坐标型机器人 (5)SCARA型机器人型机器人l 绪论1.2.2 机器人的分机器人的分类(1)直角坐标型机器人直角坐标型机器人l关节形式：关节形式：三个关节均为三个关节均为P副副。l结结构构特特点点：刚刚度度好好、位位置置精精度度高高、运运动动学学求求解解简简单单、结结构构庞庞大大等。等。工作空间工作空间l 绪论1.2.2 机器人的分机器人的分类(2)圆柱坐标型机器人圆柱坐标型机器人l关节形式：关节形式：两个两个P副和一个副和一个R副副。l结构特

19、点：位置精度高、结构简单、占地面积小。结构特点：位置精度高、结构简单、占地面积小。工作空间工作空间l 绪论1.2.2 机器人的分机器人的分类(3)球坐标型机器人球坐标型机器人l关节形式：关节形式：一个一个P副和两个副和两个R副副。l结结构构特特点点：结结构构紧紧凑凑、动动作作灵灵活活、占占地地面面积积小小；结结构构复复杂杂、精精度度低低工作空间工作空间l 绪论1.2.2 机器人的分机器人的分类(4)关节坐标型机器人关节坐标型机器人l关节形式：关节形式：三个关节均为三个关节均为R副副。l结构特点：工作范围大、动作灵活；获取高定位精度较难。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

20、间工作空间l 绪论1.2.2 机器人的分机器人的分类(5)SCARA型机器人型机器人l关节形式：关节形式：三个轴线相互平行的三个轴线相互平行的R副和一个副和一个P副副l结结构构特特点点：垂垂直直平平面面内内刚刚度度高高、水水平平面面内内动动作作灵灵活活、速速度度和和精精度度高高l 绪论1.3 工工业机器人的机器人的组成与技成与技术参数参数 工工业业机机器器人人主主要要包包括括：机机器器人人机机械械系系统统、驱驱动动系系统统、控控制制系系统统和和感知系统感知系统。l 绪论1.3 工工业机器人的机器人的组成与技成与技术参数参数机械系统：包括机身、臂部、手腕、末端操作器、行走机构机械系统：包括机身、

21、臂部、手腕、末端操作器、行走机构等等机器人的身体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机器人的肌肉控制系统：计算机控制软件和硬件组成控制系统：计算机控制软件和硬件组成机器人的大脑机器人的大脑感知系统：内部传感器和外部传感器感知系统：内部传感器和外部传感器机器人的五官机器人的五官l 绪论什么是自由度？平面运什么是自由度？平面运动和空和空间运运动的自由构件个具有几个自由的自由构件个具有几个自由度？度？我我们们把把机机构构中中各各构构件件所所具具有有的的独独立立运运动动的的数数目目(或或确确定定构构件件位位置置

22、的的独独立立参参变变量量的的数数目目)称称为为机机构构的的自自由由度度。平平面面运运动动的的自自由由构构件件具具有有3 3个个自由度；空间运动的自由构件具有自由度；空间运动的自由构件具有6 6个自由度。个自由度。l 绪论1.3 工工业机器人的机器人的组成与技成与技术参数参数 衡衡量量工工业业机机器器人人工工作作性性能能的的技技术术参参数数主主要要包包括括：自自由由度度、定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。等。自由度自由度 指指机机器器人人所所具具有有的的独独立立坐坐标标轴轴运运动动的的数数目目(不不包包括括末末端端

23、操操作作器器的的开开合合自自由由度度)，是是衡衡量量机机器器人人动动作作灵灵活活程程度度的的参参数数，自自由由度度越越多多越灵活，但结构和控制难度增大。越灵活，但结构和控制难度增大。大大于于6个个自自由由度度的的成成为为冗冗余余自自由由度度，可可改改善善机机器器人人避避让让障障碍碍物物的的能能力力；少少于于6个个自自由由度度的的成成为为欠欠自自由由度度。一一般般工工业业机机器器人人的的自自由由度为度为36。l 绪论1.3 工工业机器人的机器人的组成与技成与技术参数参数 衡衡量量工工业业机机器器人人工工作作性性能能的的技技术术参参数数主主要要包包括括：自自由由度度、定定位精度及重复定位精度、工作

24、空间、最大工作速度、承载能力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。等。定定位位精精度度指指末末端端操操作作器器的的实实际际位位置置和和理理想想的的目目标标位位置置之之间间存存在的偏差。在的偏差。重重复复定定位位精精度度指指在在同同一一环环境境、条条件件、目目标标动动作作和和指指令令下下机机器器人人重重复复若若干干次次运运动动，其其位位置置的的分分散散情情况况。是是衡衡量量示示教教-再再现现工工作作方方式工业机器人水平的重要指标。式工业机器人水平的重要指标。定位精度及重复定位精度定位精度及重复定位精度l 绪论1.3 工工业机器人的机器人的组成与技成与技术参数参数 衡衡量量工工

25、业业机机器器人人工工作作性性能能的的技技术术参参数数主主要要包包括括：自自由由度度、定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。等。即即机机器器人人的的工工作作范范围围，是是机机器器人人末末端端操操作作器器或或手手腕腕中中心心所所能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。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。工作空间工作空间 指指主主自自由由度度上上的的最最大大稳稳定定速速度度或或末末端端操操作作器器的的最最大大合合成成速速度度。最大工作速度越高，工作效率越高。最大工作速度越高，工作效率越高

26、。最大工作速度最大工作速度l 绪论1.3 工工业机器人的机器人的组成与技成与技术参数参数 衡衡量量工工业业机机器器人人工工作作性性能能的的技技术术参参数数主主要要包包括括：自自由由度度、定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。等。指指机机器器人人在在工工作作范范围围内内任任何何位位姿姿上上所所能能承承受受的的最最大大质质量量，取取决于决于负载的质量负载的质量、运行速度和加速度的大小和方向运行速度和加速度的大小和方向。承载能力承载能力l 绪论1.4 机器人的机器人的应用及技用及技术发展展趋势 工工业业机机器器人人已已广广

27、泛泛应应用用于于汽汽车车及及汽汽车车零零部部件件制制造造业业、机机械械加加工工行行业业、电电子子电电气气行行业业、橡橡胶胶及及塑塑料料工工业业、食食品品工工业业、木木材材与与家家具具制制造造业业等等领域中。领域中。工业领域的应用工业领域的应用l 绪论1.4 机器人的机器人的应用及技用及技术发展展趋势工业领域的应用工业领域的应用搬运机器人搬运机器人装配机器人装配机器人l 绪论1.4 机器人的机器人的应用及技用及技术发展展趋势水下机器人水下机器人美美国国“阿阿尔尔文文号号”载载人人潜潜水水器器:最最大大潜潜水水深深度度4511米米，下下潜速度潜速度1830米分米分中中国国研研制制的的7000米米载

28、载人人潜潜水水器器，将将成成为为世世界界下下潜潜最最深深的的载载人人潜潜水水器器，可可到到达达世世界界99.8%的洋底的洋底l 绪论1.4 机器人的机器人的应用及技用及技术发展展趋势空间机器人空间机器人日本火星探测机器人日本火星探测机器人 美国美国“索杰纳索杰纳”火星探测机器人火星探测机器人l 绪论1.4 机器人的机器人的应用及技用及技术发展展趋势军用机器人军用机器人美美国国特特种种武武器侦查系统器侦查系统中国反恐防爆机器人中国反恐防爆机器人l 绪论1.4 机器人的机器人的应用及技用及技术发展展趋势运输机器人运输机器人美国美国“大狗大狗”运输机器人运输机器人l 绪论1.4 机器人的机器人的应用

29、及技用及技术发展展趋势行走机器人行走机器人会骑车的机器人会骑车的机器人(日本日本)双双足足行行走走机机器器人人l 绪论1.4 机器人的机器人的应用及技用及技术发展展趋势 目前国际机器人界都在加大科研力度，进行机器人共性目前国际机器人界都在加大科研力度，进行机器人共性技术的研究，并朝着技术的研究，并朝着智能化智能化和和多样化多样化方向发展。主要研究内方向发展。主要研究内容集中在以下容集中在以下10个方面：个方面：1工业机器人操作机结构的优化设计技术工业机器人操作机结构的优化设计技术 2机器人控制技术机器人控制技术 3多传感系统多传感系统 4机器人的结构灵巧，控制系统愈来愈小机器人的结构灵巧，控制

30、系统愈来愈小5机器人遥控及监控技术机器人遥控及监控技术l 绪论1.4 机器人的机器人的应用及技用及技术发展展趋势 目前国际机器人界都在加大科研力度，进行机器人共性目前国际机器人界都在加大科研力度，进行机器人共性技术的研究，并朝着技术的研究，并朝着智能化智能化和和多样化多样化方向发展。主要研究内方向发展。主要研究内容集中在以下容集中在以下10个方面：个方面：6虚拟机器人技术虚拟机器人技术 7多智能体多智能体(multi-agent)协调控制技术协调控制技术 8微型和微小机器人技术微型和微小机器人技术(micro/miniature robotics)9软机器人技术软机器人技术(soft robotics)10仿人和仿生技术仿人和仿生技术 l 绪论l 绪论日本科技日本科技 能能“捕捉捕捉”猎物的蜘蛛机器人物的蜘蛛机器人