机器人工学第一章.ppt

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1、机器人工学 李居峰第一页，编辑于星期日：十点 十分。第一章：概论 一、机器人的概念 机器人学是一门新兴的边缘学科。它综合了力学、机构学、机械设计学、自动控制、传感技术、电液驱动技术、计算机、人工智能仿生学等学科的有关知识和最新成果，逐步形成了独特的体系。第二页，编辑于星期日：十点 十分。机器人学是一门集中反映高新技术的新兴学科 机器人学是随着机器人的发展而发展的，而它的发展与完善又不断地推动着机器人技术水平的提高，扩大机器人的应用领域，同时机器人学也极大地促进了控制技术、人工智能、传承技术、仿生学等学科的发展，所以机器人学是一门集中反映高新技术的新兴学科第三页，编辑于星期日：十点 十分。二、机

2、器人的发展简史 机器人，在美国和西方称为“罗伯特”（Robot）。首先出现Robot一词，是1920年捷克作家卡雷尔查培克(Karel Capek)编写的剧本，罗落姆的万能机器人中，该词在捷克语里意味着苦力。机器人被当作强壮的人造劳动者，是一个具有人的外表、特征和功能的机器。第四页，编辑于星期日：十点 十分。科学幻想小说和电影中的角色 第五页，编辑于星期日：十点 十分。真正的现代机器人是从二次大战后发展起来的。一般认为始于40年代中期。那时棕树岭和阿尔贡国家实验室设计和制造了主从机械手，用于搬动放射性材料。第六页，编辑于星期日：十点 十分。第一台样机问世50年代初，随着传动和控制技术的发展。工

3、业生产日益大规模和现代化，人们迫切感到在危险和单调重复的工作中，需要有一种能为人代劳的自动工具，因而对机器人产生了极大的兴趣。1954年，美国开始投入力量进行研究，两年后，联合控制公司捷足先登，第一台样机问世。1962年，该公司制成“尤尼迈特（Unimate）出售。第七页，编辑于星期日：十点 十分。这种机器人外形有点像坦克炮塔，基座上有一个大机械臂，大臂可绕轴在基座上转动，大臂上又伸出一个小机械臂，它相对大臂可以伸出或缩回。小臂顶有一个腕子，可绕小臂转动，进行俯仰和侧摇。腕子前头是手，操作器。这个机器人的功能和人手臂功能相似。第八页，编辑于星期日：十点 十分。机器人在日本取得的进展 机器人在美

4、国商品化和潜在的巨大价值，引起了欧洲各国和日本的重视，相继投入力量研制和生产，逐步形成高潮。其中，日本取得的进展特别引人注目。日本在1967年从美国引进机器人技术后，不久即实现了机器人国产化，而目前机器人的总拥有量及年产量均占世界首位。第九页，编辑于星期日：十点 十分。欧洲机器人产业 主要是80年代初期发展起来的。前联邦德国把机器人技术列为80年代十大技术的第一项技术 英国在1979年以前不重视机器人，而现在把机器人作为复兴英国工业的重要措施。第十页，编辑于星期日：十点 十分。总之，从世界上第一台机器人问世到现在，不仅迅速发展成为一门新兴的独特科学技术机器人技术，而且在世界范围形成了一门新的产

5、业机器人工业，它在社会发展的进程中将起极大的作用。第十一页，编辑于星期日：十点 十分。三、世界工业机器人的概况 1、拥有量 国家 日本 美国 德国 法国 意大利 英国1984 64600 13000 6600 3380 2700 26231997 420000 77000 69000 1560028300 99582001 433400 114800 75000 1900095700 14200第十二页，编辑于星期日：十点 十分。2、销售额 1980年总销售额6.6亿美元 1990年总销售额73亿美元 1993年总销售额33亿美元 1994年总销售额37亿美元 1995年总销售额51亿美元 1

6、997年总销售额49亿美元 第十三页，编辑于星期日：十点 十分。3、用途分布 日本（1982年）美国（1982年）美国（1990年）焊 接 25%35%23%搬 运 20%20%12%装 配 20%2%12%装 卸 8%15%19%喷 绘 3%10%6%铸 造 3%15%11%其 它 22%3%17%第十四页，编辑于星期日：十点 十分。美国工业机器人用于工业部门的分布 金属材料工业18%金属制品工业15%机器制造业（不包括电气）11%电气制造业3%电子工业3%汽车43%宇航0.5%其它6.5%第十五页，编辑于星期日：十点 十分。用途1第十六页，编辑于星期日：十点 十分。用途2第十七页，编辑于星

7、期日：十点 十分。用途3第十八页，编辑于星期日：十点 十分。用途第十九页，编辑于星期日：十点 十分。用途第二十页，编辑于星期日：十点 十分。用途6第二十一页，编辑于星期日：十点 十分。四、机器人的定义 我国对工业机器人的定义为:“是一种能自动定位控制，可重复编程的、多功能的、多自由度的操作机。能搬运材料、零件或操持工具，用以完成各种作业。”（GB/T 12643-90）第二十二页，编辑于星期日：十点 十分。五、技术发展趋势 1）、感觉功能 2）、控制智能化 3）、移动功能的智能化 4）、系统应用与集成化 5）、安全可靠性 6）、微型化 第二十三页，编辑于星期日：十点 十分。六：机器人的分类 1

8、、根据输入信息和示教形式分类 1）、手动机械手 2）、固定顺序机器人 3）、可变顺序机器人 4）、记忆再生式机器人 5）、数字控制机器人 6）、智能机器人 第二十四页，编辑于星期日：十点 十分。2、根据动作形态分类 1）、直角坐标型机器人 第二十五页，编辑于星期日：十点 十分。2）、圆柱坐标型机器人 第二十六页，编辑于星期日：十点 十分。3）、球坐标（极坐标）型机器人 第二十七页，编辑于星期日：十点 十分。4）、多关节型机器人 第二十八页，编辑于星期日：十点 十分。5）、平面关节型机器人(SCARA)第二十九页，编辑于星期日：十点 十分。各种坐标工业机器人的特征比较 坐标型式 作业空间 惯性

9、定位精度 定向特性 结构特点 占地面积 大小 形状直角坐标小 立方体较大 容易控制好 简单 大圆柱坐标较大 空心圆柱体较大 较易控制较好 较简单较小球坐标型大 扇形截面旋转体较小 不易控制差 较复杂较小多关节型大 球体较小 不易控制差 复杂 小第三十页，编辑于星期日：十点 十分。3、按驱动方式分类 1）、气压驱动式 2）、液压式 3）、电机驱动式 第三十一页，编辑于星期日：十点 十分。4、按可搬重量的大小和动作范围分类 1）、超大型机器人可搬动1吨以上重量的机器人；2）、大型工业机器人可搬动100kg1吨重量的机器人，动作范围为1m3；3)、中型机器人可搬动10100kg重量，动作范围为110

10、m3；4）、小型机器人可搬动0.110kg重量，动作范围为0.11m3；5)、超小型机器人可搬动0.1kg以下重量。第三十二页，编辑于星期日：十点 十分。5、根据机器人功能水平和技术先进程度按代分类 第一代：机器人以固定程序，示教再现及可编程序为主要特征；第二代：机器人带有视觉和触觉，采用自适应控制；第三代：机器人称为人工智能机器人。第三十三页，编辑于星期日：十点 十分。七、机器人的组成机器人的结构型式是多种多样的，但归纳起来看，一个机器系统基本上是由执行机构、控制系统和传感器系统、驱动系统四部分组成。第三十四页，编辑于星期日：十点 十分。机器人各组成部分关系图 行程速度检测控制系统其它传感器

11、驱动系统执行机构工作对象第三十五页，编辑于星期日：十点 十分。1、执行机构 根据控制信息和指令，完成要求的动作，执行机构一般采用机械，电磁，电液等机械运动部件。1）、手部 2）、腕部 3）、臂部 4）、立柱 5）、行走机构 第三十六页，编辑于星期日：十点 十分。2、驱动系统在控制信息作用下，提供动力，驱动各执行机构完成各种动作功能。第三十七页，编辑于星期日：十点 十分。3、控制系统 指挥机器人按要求动作的装置。该系统是通过对驱动系统的控制，使执行机构按照规定的要求进行工作。第三十八页，编辑于星期日：十点 十分。4、检测系统 其作用是通过各种检测器，传感器，检测执行机构的运动情况，根据需要反馈给

12、控制系统与设定值进行比较后，对执行机构进行调整，以保证其动作符合设计要求。第三十九页，编辑于星期日：十点 十分。八、机器人基本机能 从机器人基本机能的构成来看，可归纳为两个方面，即:控制机能 机械机能。第四十页，编辑于星期日：十点 十分。1、控制机能 对于高级的智能机器人，其控制机能是指设计所赋予的某些似人的逻辑思维能力，对环境条件的反射能力，对工艺操作的自适应能力等。对于一般的工业机器人，是指设计时所赋予的自动或他动的程序变换能力，按指令自动实现规定的动作程序的能力等。第四十一页，编辑于星期日：十点 十分。控制机能控 制 机 能指令机能 学习机能 记忆机能 重现机能 环境反射（感觉反馈）机能

13、自适应机能 逻辑判断机能 第四十二页，编辑于星期日：十点 十分。2、机械机能 它是指设计的赋给机器人似人或超 过人生理条件的运动机能和物理机能。第四十三页，编辑于星期日：十点 十分。机械机能 机 械 机 能运动机能 物理机能 抓取机能 定向机能 工艺操作机能 行走机能 定位机能 负重能力 速度 持续作功能力工作准确性工作 稳 定性 抗 热、抗振、抗腐 蚀 能力防水、防 尘、防火能力 第四十四页，编辑于星期日：十点 十分。九、机器人的技术参数 1、提取重量 2、自由度和坐标型式 3、运动行程 4、运动速度 5、位置精度 6、程序编制及存贮容量 第四十五页，编辑于星期日：十点 十分。1、提取重量

14、提取重量是用来表明机器人负荷能力的技术参数，这项参数与机器人的运行速度有关，一般指其正常运行时所能提取的工件重量。当机器人运行可调时，低速运行所能提取工件的最大重量比高速运行的大。为安全起见，亦有将高速时所能提取的工件重量作为指标，此时则需说明运行速度。第四十六页，编辑于星期日：十点 十分。2、自由度数和坐标型式 机器人自由度数，是指手臂运动部件由固定端算起的单位动作数之和，一般指臂部和腕部自由度之和，移动自由度，是指臂部沿直角坐标轴X、Y、Z三个方向进行的前后、上下、左右的直线运动。回转自由度，是指臂部或腕部围绕X、Y、Z轴的旋转运动。第四十七页，编辑于星期日：十点 十分。3、运动行程 运动

15、行程（指直线距离或回转角度），即臂部、腕部、整个机器人各自由度的变动量。根据运动行程，结合其运动型式，可计算出机器人的工作范围。第四十八页，编辑于星期日：十点 十分。4、运动速度 运动速度是反映机器人性能的一项重要技术参数，它与机器人的提取重量、位置等参数都有密切的关系，同时也直接影响机器人的运动周期。一般说的运动速度，是指其最大运行速度。第四十九页，编辑于星期日：十点 十分。5、位置精度 位置精度是衡量工业机器人工作质量的又一项重要指标。位置精度包括位置设定精度和重复定位精度两种，一般所说的位置精度是指重复定位精度。位置精度的高低取决于位置控制方式以及机器人运动部件本身的精度和刚度，而且与提取重量，运行速度等也有密切关系。第五十页，编辑于星期日：十点 十分。6、程序编制及存贮容量 这个技术参数只用来说明机器人的控制方式，即程序编制和存贮方法，存贮容量（包括程序数和位置信息量）的大小，表明机器人作业能力的复杂程度及改变程序时的适应能力和通用程度。第五十一页，编辑于星期日：十点 十分。