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1、工工 业业 机机器器人人技技术术 祝尚臻祝尚臻祝尚臻祝尚臻沈阳工程学院沈阳工程学院沈阳工程学院沈阳工程学院 自动控制工程系自动控制工程系自动控制工程系自动控制工程系 2010.92010.92010.92010.9vv 绪论绪论绪论绪论 工业机器人机构（重点）工业机器人机构（重点）工业机器人机构（重点）工业机器人机构（重点）工业机器人的环境感觉技术（重点）工业机器人的环境感觉技术（重点）工业机器人的环境感觉技术（重点）工业机器人的环境感觉技术（重点）工业机器人控制（重点）工业机器人控制（重点）工业机器人控制（重点）工业机器人控制（重点）本本 课课 程程 主主 要要 内内 容：容：v 工业机器人
2、编程工业机器人编程 1.1机器人的定义机器人的定义第一章第一章 机器人概述机器人概述机器人一词的出现：机器人一词的出现：1920年、捷克作家、年、捷克作家、KarelCapek、RossumsUniversalRobots，“Robota”（奴隶）写成了（奴隶）写成了“Robot”。小说在小说在1924年和年和1927年的时候被纷纷传到了日本、法国年的时候被纷纷传到了日本、法国和欧洲国家，和欧洲国家，机器人这个名词机器人这个名词就向全世界铺展开来。就向全世界铺展开来。故事情节：故事情节：带感情带感情的机器人消灭了人类的机器人消灭了人类，一对男女机，一对男女机器人相爱器人相爱，世界又起死回生。，
3、世界又起死回生。上世纪上世纪60年代，可实用机械机器人被称为工业机器人年代，可实用机械机器人被称为工业机器人上世纪上世纪80年代到现在，正越来越向智能化方向发展年代到现在，正越来越向智能化方向发展因此，至今为止也没有一个统一的机器人的定义。因此，至今为止也没有一个统一的机器人的定义。因此，至今为止也没有一个统一的机器人的定义。因此，至今为止也没有一个统一的机器人的定义。机器人学是一门不断发展的科学，对机器人的定义也随其机器人学是一门不断发展的科学，对机器人的定义也随其机器人学是一门不断发展的科学，对机器人的定义也随其机器人学是一门不断发展的科学，对机器人的定义也随其发展而变化。发展而变化。发展
4、而变化。发展而变化。（2 2）日日日日本本本本工工工工业业业业机机机机器器器器人人人人协协协协会会会会(JIRA)(JIRA)的的的的定定定定义义义义：工工业业机机器器人人是是“一一种种装装备备有有记记忆忆装装置置和和末末端端执执行行器器(endeffector)的的，能能够够转转动动并并通通过过自动完成各种移动来代替人类劳动的通用机器自动完成各种移动来代替人类劳动的通用机器”。（1 1）美国机器人协会）美国机器人协会）美国机器人协会）美国机器人协会(RIA)(RIA)的定义：的定义：的定义：的定义：机器人是机器人是“一种用于移动各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
5、来执行种种材料、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，并具有编程能力的多功能机械手种任务的，并具有编程能力的多功能机械手(manipulator)”。国际上，关于机器人的定义主要有以下几种：国际上，关于机器人的定义主要有以下几种：（3 3）美国国家标准局）美国国家标准局(NBS)(NBS)的定义：的定义：机器人是机器人是“一种能够进行编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”。（4）国际标准化组织国际标准化组织(ISO)的定义：的定义：“机器人是一种自动的、位机器人是一种自动的、位置可控的、具有
6、编程能力的多功能机械手，这种机械手具有几个置可控的、具有编程能力的多功能机械手，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、工具和专轴，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，以执行种种任务用装置，以执行种种任务”。（5）我我国国对对机机器器人人的的定定义义。蒋蒋蒋蒋新新新新松松松松院院院院士士士士曾曾建建议议把把机机器器人人定定义义为为“一一种种拟拟人人功功能能的的机机械械电电子子装装置置”(a mechantronic device toimitatesomehumanfunctions)。参参考考各各国国的的定定义义，对对机机器器人人给给出出以以
7、下下定定义义：机机机机器器器器人人人人是是是是一一一一种种种种计计计计算算算算机机机机控控控控制制制制的的的的可可可可以以以以编编编编程程程程的的的的自自自自动动动动机机机机械械械械电电电电子子子子装装装装置置置置，能能能能感感感感知知知知环环环环境境境境，识识识识别别别别对对对对象象象象，理理理理解解解解指指指指示示示示命命命命令令令令，有有有有记记记记忆忆忆忆和和和和学学学学习习习习功功功功能能能能，具具具具有有有有情情情情感感感感和和和和逻逻逻逻辑辑辑辑判判判判断断断断思维，能自身进化，能计划其操作程序来完成任务。思维，能自身进化，能计划其操作程序来完成任务。思维，能自身进化，能计划其操
8、作程序来完成任务。思维，能自身进化，能计划其操作程序来完成任务。1.2机器人的发展及应用机器人的发展及应用一、古代机器人一、古代机器人一、古代机器人一、古代机器人春秋后期，春秋后期，鲁班曾制造过一只木鸟，鲁班曾制造过一只木鸟，能在空中飞行能在空中飞行“三日不下三日不下”。机器马车机器马车机器马车机器马车西周时期，西周时期，出现了能歌善舞的伶人，出现了能歌善舞的伶人，这是我国最早记载的机器人。这是我国最早记载的机器人。公元前公元前2世纪，世纪，亚历山大时代的古希腊亚历山大时代的古希腊人发明了最原始的机器人人发明了最原始的机器人自动机。可以自动机。可以自己开门，还可以借助蒸汽唱歌。自己开门，还可以
9、借助蒸汽唱歌。汉代大科学家张衡汉代大科学家张衡不仅发明了地动仪，而且发明了计里鼓不仅发明了地动仪，而且发明了计里鼓车。每行一里，车上木人击鼓一下，每行十里击钟一下。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，后汉三国时期，蜀国丞相诸葛亮成功地蜀国丞相诸葛亮成功地创造出了创造出了“木牛流马木牛流马”。用其运送军粮，支。用其运送军粮，支援前方战争。援前方战争。写字机器人写字机器人写字机器人写字机器人17381738年年，法国天才技师杰克，法国天才技师杰克戴戴瓦克逊瓦克逊发明了一只机器鸭。它会嘎嘎叫，会游泳和喝发明了一只机器鸭。它会嘎嘎叫，会游泳和喝水，还会进食和排泄。水，还会进
10、食和排泄。19 19世纪中叶世纪中叶出现了科学幻想派和机械制作派出现了科学幻想派和机械制作派 。18861886年未来年未来的夏娃问世。在机械实物制造方面，的夏娃问世。在机械实物制造方面，18931893年摩尔制造了年摩尔制造了“蒸汽蒸汽人人”，“蒸汽人蒸汽人”靠蒸汽驱动双腿沿圆周走动。靠蒸汽驱动双腿沿圆周走动。17731773年年，自动书写玩偶、自动演奏玩偶等被连续推出。现在，自动书写玩偶、自动演奏玩偶等被连续推出。现在保留下来的瑞士努萨蒂尔历史博物馆里的少女玩偶，还定期弹奏保留下来的瑞士努萨蒂尔历史博物馆里的少女玩偶，还定期弹奏音乐供参观者欣赏。音乐供参观者欣赏。1927 1927年年美国
11、西屋公司工程师温兹利制造了第一个机器人美国西屋公司工程师温兹利制造了第一个机器人“电电报箱报箱”。可以回答一些问题。可以回答一些问题。二、工业机器人二、工业机器人1952年年，第一台数控机床的诞生，为机器人的开发奠定了基，第一台数控机床的诞生，为机器人的开发奠定了基础。础。1954年年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。专利。主从机器人主从机器人主从机器人主从机器人1948年，年，美国原子能委员会美国原子能委员会的阿尔贡研究所开发了机械式的的阿尔贡研究所开发了机械式的主从机械手。主从机械手。1962年年美国美国AMF公司推出的公司推
12、出的“VERSATRAN”和和UNIMATION公司推公司推出的出的“UNIMATE”是机器人产品最早的是机器人产品最早的实用机型（示教再现）。实用机型（示教再现）。VERSATRANUNIMATEl1965年年，MIT的的Roborts演示了第一个具有视觉传感器的、能识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别与定位简单积木的机器人系统l1970年年在美国召开了第一届国际工业机器人学术会议在美国召开了第一届国际工业机器人学术会议l1973年年，辛辛那提，辛辛那提米拉克隆公司的理查德米拉克隆公司的理查德豪恩制造了第一豪恩制造了第一台由小型计算机控制的工业机器人台由小型计算
13、机控制的工业机器人l1980年后年后，日本赢得了，日本赢得了“机器人王国机器人王国”的美称的美称 工业机器人工业机器人汽车装配机器人 汽车装配机器人汽车装配机器人一汽红旗轿车机器人焊接线一汽红旗轿车机器人焊接线弧焊机器人弧焊机器人点焊机器人点焊机器人铆接机器人铆接机器人 70年代的萌芽期，年代的萌芽期，80年代的开发期和年代的开发期和90年代的适用化期。年代的适用化期。l1972年开始研制自己的工业机器人年开始研制自己的工业机器人l“七五七五”期间，完成了示教再现式工业机器人成套技术的开发，期间，完成了示教再现式工业机器人成套技术的开发，研制出了喷涂、点焊、弧焊和搬运机器人研制出了喷涂、点焊、
14、弧焊和搬运机器人l1986年国家高技术研究发展计划（年国家高技术研究发展计划（863计划）开始实施计划）开始实施l上世纪上世纪90年代初期起，形成了一批机器人产业化基地年代初期起，形成了一批机器人产业化基地我国工业机器人的发展：我国工业机器人的发展：日本和美国在日本和美国在日本和美国在日本和美国在2020世纪世纪世纪世纪6060年代就已经开始进行机器人年代就已经开始进行机器人年代就已经开始进行机器人年代就已经开始进行机器人的研究，与他们相比较，我国还存在较大的差距，因此的研究，与他们相比较，我国还存在较大的差距，因此的研究，与他们相比较，我国还存在较大的差距，因此的研究，与他们相比较，我国还存
15、在较大的差距，因此需要更多的人加入到发展机器人的事业中来。需要更多的人加入到发展机器人的事业中来。需要更多的人加入到发展机器人的事业中来。需要更多的人加入到发展机器人的事业中来。1机器人的体系结构机器人的体系结构(1)：从体系结构来看，机器人分为三大部分六个系统，分别是：三三大大部部分分：机械部分（用于实现各种动作）、传感部分（用于感知内部和外部的信息）、控制部分（控制机器人完成各种动作）。1.3 工业机器人基本组成及技术参数1机器人的体系结构机器人的体系结构(2)：六个系统：六个系统：六个系统：六个系统：A A 驱驱动动系系统统：提提供供机机器器人人各各部部位位、各各关关节节动动作作的的 原
16、动力。原动力。B B机械结构系统：机械结构系统：完成各种动作。完成各种动作。C C感受系统：感受系统：由内部传感器和外部传感器组成。由内部传感器和外部传感器组成。D D机机器器人人-环环境境交交互互系系统统：实实现现机机器器人人与与外外部部设设备的联系和协调并构成功能单元。备的联系和协调并构成功能单元。E E人人机机交交互互系系统统：是是人人与与机机器器人人联联系系和和协协调调的的单单元。元。F F控控制制系系统统：是是根根据据程程序序和和反反馈馈信信息息控控制制机机器器人人动作的中心。分为开环系统和闭环系统。动作的中心。分为开环系统和闭环系统。2机器人的机械结构：机器人的机械结构：工业机器人
17、一般有以下几部分构成：工业机器人一般有以下几部分构成：机机机机身身身身部部部部分分分分（基基基基座座座座）：如如同同机机床床的的床床身身结结构构一一样样，机机器器人人机机身身构构成成机机器器人人的的基基础础支支撑撑。有有的的机机身身底底部部安安装装有有机机器器人人行行走走机机构构；有有的的机机身身可可以以绕绕轴轴线线回回转转，构构成成机机器人的腰。器人的腰。手臂部分：手臂部分：手臂部分：手臂部分：分为大臂、小臂和手腕，完成各种动作。分为大臂、小臂和手腕，完成各种动作。末末末末端端端端操操操操作作作作器器器器：可可以以是是拟拟人人的的手手掌掌和和手手指指，也也可可以以是是各各种作业工具，如焊枪、
18、喷漆枪等。种作业工具，如焊枪、喷漆枪等。关关关关节节节节：分分为为滑滑动动关关节节和和转转动动关关节节。实实现现机机身身、手手臂臂各各部分、末端操作器之间的相对运动。部分、末端操作器之间的相对运动。机器人系统组成 图例1-1 工业机器人结构3 工业机器人的技术参数1.1.自由度自由度自由度是指机器人所具有的独自由度是指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目立坐标轴运动的数目,不应包括手爪不应包括手爪(末端操末端操作器作器)的开合自由度。的开合自由度。在三维空间中描述一个在三维空间中描述一个物体的位置和姿态物体的位置和姿态(简称位姿简称位姿)需要需要六个自由六个自由度度。但是但是,工业机器人的自由度
19、是根据其用途工业机器人的自由度是根据其用途而设计的而设计的,可能小于六个自由度可能小于六个自由度,也可能大于也可能大于六个自由度。六个自由度。图例1-2 PUMA562工业机器人2工作精度：工作精度：包括定位精度和重复定位精度。定定位位精精度度：指机器人实际到达的位置和设计的理想位置之间的差异。重重重重复复复复定定定定位位位位精精精精度度度度：指指机机器器人人重重复复到到达达某某一一目目标位置的差异程度。标位置的差异程度。3工作范围：工作范围：指机器人末端操作器所能到达的区域区域。4工作速度：工作速度：指机器人各个方向的移动速度或转动速度。这些速度可以相同，可以不同不同。5承载能力：承载能力：
20、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质量。44按工业机器人的结构分类按工业机器人的结构分类按工业机器人的结构分类按工业机器人的结构分类1 1五种基本坐标式机器人五种基本坐标式机器人五种基本坐标式机器人五种基本坐标式机器人1.1.直角坐标笛卡儿坐标台架型直角坐标笛卡儿坐标台架型(3P)(3P)这种机器人由三个线性关节组成,这三个关节用来确定末端操作器的位置,通常还带有附加的旋转关节，用来确定末端操作器的姿态。这种机器人在x、y、z轴上的运动是独立的,运动方程可独立处理,且方程是线性的,因此,很容易通过计算机控制实现;它可以两端支撑,对于给定的结构长度,刚性最大;它的精度和位置分辨率
21、不随工作场合而变化,容易达到高精度。但是,它的操作范围小,手臂收缩的同时又向相反的方向伸出,即妨碍工作,且占地面积大,运动速度低,密封性不好。图 1.24 直角坐标机器人的工作空间示意图 2.2.圆柱坐标型圆柱坐标型(R2P)(R2P)圆柱坐标机器人由两个滑动关节和一个旋转关节来确定部件的位置,再附加一个旋转关节来确定部件的姿态。这种机器人可以绕中心轴旋转一个角,工作范围可以扩大,且计算简单;直线部分可采用液压驱动,可输出较大的动力;能够伸入型腔式机器内部。但是，它的手臂可以到达的空间受到限制,不能到达近立柱或近地面的空间;直线驱动部分难以密封、防尘;后臂工作时,手臂后端会碰到工作范围内的其它
22、物体。圆柱坐标机器人的工作范围呈圆柱形状,如图1.25所示。图 1.25 圆柱坐标机器人的工作范围 3.3.球坐标型球坐标型(2RP)(2RP)球坐标机器人采用球坐标系,它用一个滑动关节和两个旋转关节来确定部件的位置,再用一个附加的旋转关节确定部件的姿态。这种机器人可以绕中心轴旋转,中心支架附近的工作范围大,两个转动驱动装置容易密封,覆盖工作空间较大。但该坐标复杂,难于控制,且直线驱动装置仍存在密封及工作死区的问题。球坐标机器人的工作范围呈球缺状,如图1.26所示。图 1.26 球坐标机器人的工作范围 4.4.关节坐标型关节坐标型/拟人型拟人型(3R)(3R)关节机器人的关节全都是旋转的,类似
23、于人的手臂,是工业机器人中最常见的结构。它的工作范围较为复杂,图1.19所示为PUMA机器人的工作范围。5.平面关节型平面关节型这种机器人可看做是关节坐标式机器人的特例,它只有平行的肩关节和肘关节,关节轴线共面。如SCARA(Selective Compliance Assembly Robot Arm)机器人有两个并联的旋转关节,可以使机器人在水平面上运动,此外,再用一个附加的滑动关节做垂直运动。SCARA机器人常用于装配作业,最显著的特点是它们在x-y平面上的运动具有较大的柔性,而沿z轴具有很强的刚性,所以,它具有选择性的柔性。这种机器人在装配作业中获得了较好的应用。平面关节机器人的工作空
24、间如图1.27所示。图 1.27 平面关节机器人的工作空间 1.3.4 1.3.4 工业机器人的参考坐标系工业机器人的参考坐标系机器人可以相对于不同的坐标系运动,在每一种坐标系中的运动都不相同。通常,机器人的运动在以下三种坐标系中完成(如下图所示)。机器人的全局参考坐标系、关节参考坐标系和工具参考坐标系 1.全局参考坐标系全局参考坐标系全局参考坐标系是一种通用坐标系,由x、y和z轴所定义。在此情况下,通过机器人各关节的同时运动来产生沿三个主轴方向的运动。在这种坐标系中,无论手臂在哪里,x轴的正向运动就总是在x轴的正方向。这一坐标系通常用来定义机器人相对于其他物体的运动、与机器人通信的其他部件以
25、及运动路径。2.2.关节参考坐标系关节参考坐标系关节参考坐标系用来描述机器人每一个独立关节的运动。假设希望将机器人的手运动到一个特定的位置,可以每次只运动一个关节,从而把手引导到期望的位置上。在这种情况下,每一个关节单独控制,从而每次只有一个关节运动。由于所用关节的类型(移动、旋转型)不同,因此,机器人手的动作也各不相同。例如,如果为旋转关节运动,则机器人手将绕着关节的轴旋转。3.工具参考坐标系工具参考坐标系工具参考坐标系描述机器人手相对于固连在手上的坐标系的运动。固连在手上的x、y和z轴定义了手相对于本地坐标系的运动。与通用的全局参考坐标系不同,本地的工具参考坐标系随机器人一起运动。假设机器
26、人手的指向如图1.28所示,相对于本地的工具参考坐标系x轴的正向运动意味着机器人手沿工具参考坐标系x轴方向运动。如果机器人的手指向别处,那么同样沿着工具参考坐标系x轴的运动将完全不同于前面的运动。如果x轴指向上,那么沿+x轴的运动便是向上的;反之,如果x轴指向下,那么沿+x轴的运动便是向下的。理由之三：理由之三：理由之三：理由之三：机器人做人做不了的事情。机器人做人做不了的事情。比如比如人们对太空的认识，对原子分子进行搬迁的人们对太空的认识，对原子分子进行搬迁的机器人机器人为什么要发展机器人为什么要发展机器人?理由之二：理由之二：理由之二：理由之二：机器人做人不愿意做或做不好的机器人做人不愿意
27、做或做不好的事。事。比如有毒的、高温的或危险的环境，汽比如有毒的、高温的或危险的环境，汽车生产线上的焊接工作车生产线上的焊接工作机器人汽车焊接生产线机器人汽车焊接生产线理由之一：理由之一：理由之一：理由之一：提高生产效率降低人的劳动强度。提高生产效率降低人的劳动强度。比如焊机器人提高生产效率，提高汽车焊接比如焊机器人提高生产效率，提高汽车焊接的质量，降低工人的劳动强度的质量，降低工人的劳动强度 汽车装配机器人汽车装配机器人 机器人的外型不一定像人机器人的外型不一定像人机器人的外型不一定像人机器人的外型不一定像人机器人技术是集机械学、力学、电子学、机器人技术是集机械学、力学、电子学、机器人技术是集机械学、力学、电子学、机器人技术是集机械学、力学、电子学、生物学、生物学、生物学、生物学、控制论、人工智能、系统工程等多种学科于一体的控制论、人工智能、系统工程等多种学科于一体的控制论、人工智能、系统工程等多种学科于一体的控制论、人工智能、系统工程等多种学科于一体的综合性很强的新技术综合性很强的新技术综合性很强的新技术综合性很强的新技术小结小结：作业：P20：1.1；1.6 Class is Class is over.over.Bye-bye!Bye-bye!演讲完毕，谢谢观看！