机器人技术第一章概论剖析.

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1、机器人技术,主讲：吴海彬,第一讲,福州大学机械工程及自动化学院,Saeed B. NikuIntroduction to RoboticsAnalysis, Systems, Applications,主要参考文献,本课程的教学要求,基本掌握机器人技术领域的发展现状，对机器人的类型、概念和相关技术有一定深度的认识。 掌握机器人学科的基础理论，主要包括机器人位置运动学分析、微分运动学分析、拉格朗日动力学分析和简单的轨迹规划。 熟悉机器人领域的传感器、电子设计、微控制器及电机等相关知识。 简单了解机器视觉、智能机器人等相关技术。,关于考试,考试的目的在于考核学时对机器人技术领域基本概念、知识和技能

2、的掌握程度。 考试以机器人学科基本理论知识为重点，即机器人基本概念、位置运动学、微分运动学、简单动力学分析、多项式插值和抛物线过渡线性插值的轨迹规划，还有传感器、电机等基本知识。 考核形式：开卷、闭卷或大作业可选择。,本课程主要内容,第一章：概论 第二章：机器人位置运动学 第三章：微分运动学 第四章：动力学分析和力 第五章：轨迹规划 第六章：控制与驱动器 第七章：传感器与图像处理,第一章 机器人基础知识,机器人的发展历史、定义及机器人学 机器人的分类 机器人的组成 机器人的自由度和关节 机器人坐标架构及参考坐标系 机器人编程模式和机器人语言 机器人性能指标 机器人工作空间 机器人的应用及优缺点

3、,机器人名称的由来 ( About “Robot” ),机器人的英文名词是Robot，Robot一词最早出现在1920年捷克作家卡雷尔卡佩克（Karel Capek）所写的一个剧本中，这个剧本的名字为 Rossums Universal Robots ，中文意思是“罗萨姆的万能机器人”。 剧中的人造劳动者取名为Robota，捷克语的意思是“苦力”、“奴隶”。英语的Robot一词就是由此而来的，以后世界各国都用Robot作为机器人的代名词。,机器人的发展历史 ( The Developing History of Robots ),古代“机器人”现代机器人的雏形 人类对机器人的幻想与追求已有30

4、00多年的历史 西周时期，我国的能工巧匠偃师研制出的歌舞艺人，是我国最早记载的机器人。 春秋后期，据墨经记载，鲁班曾制造过一只木鸟，能在空中飞行“三日不下” 。 公元前2世纪，古希腊人发明了最原始的机器人太罗斯，它是以水、空气和蒸汽压力为动力的会动的青铜雕像，它可以自己开门，还可以借助蒸汽唱歌。,1954年 “可编程”“示教再现”机器人 美国人George C. Devol设计制作了世界上第一台机器人实验装置，并发表了题为适用于重复作业的通用性工业机器人的文章。,60年代 机器人产品正式问世，机器人技术开始形成,现代机器人的发展历史,两年后，美国“机床与铸造公司”（AMF）也生产了另一种可编程

5、工业机器人Versatran。,1960年美国“联合控制公司”（Consolidated Control）根据Devol的专利技术，研制出第一台真正意义上的工业机器人，并成立了Unimation公司，开始定型生产名为Unimate的工业机器人。,70年代 机器人技术发展成为专门学科 机器人产业得到蓬勃发展，机器人技术发展成为专门学科，称之为机器人学（Robotics）。,现代机器人的发展历史,机器人的应用领域进一步扩大，不同的应用场所，导致了各种坐标系统、各种结构的机器人相继出现，大规模集成电路和计算机技术飞跃发展使机器人的控制性能大大提高，成本不断下降。,80年代 开始进入智能机器人研究阶段

6、 80年代，不同结构、不同控制方法和不同用途的工业机器人在工业发达国家真正进入了实用化的普及阶段。 随着传感技术和智能技术的发展，开始进入智能机器人研究阶段。 机器人视觉、触觉、力觉、接近觉等项研究和应用，大大提高了机器人的适应能力，扩大了机器人的应用范围，促进了机器人的智能化进程。,现代机器人的发展历史,经历了40多年的发展，机器人技术逐步形成了一门新的综合性学科 机器人学（Robotics）,现代机器人的发展历史,（1） 机械手设计,（2） 机器人运动学、动力学和控制；,（3） 轨迹设计和路径规划；,（4） 传感器(包括内部传感器和外部传感器,（5） 机器人视觉；,（6） 机器人语言；,（

7、7）装置与系统结构；,（8） 机器人智能等。,它包括有基础研究和应用研究两个方面，主要研究内容有：,第一章 概论,什么是机器人：,机器人的定义及机器人学,是一个在三维空间中具有较多自由度，并能实现诸多拟人动作和功能的机器。通俗讲：机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，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。,机器人与操作机（如起重机）的区别：,机器人由计算机编程控制，机器人的动作取决于程序具有通用性； 操作机由人工操纵。,机器人特点：可编程、拟人化、通用性、机电一体化,机器人学： 是人们设计和应用机器人的技术和知识；

8、是一门学科，而且是交叉学科； 得益于精密机械、电子与电气技术、计算机科学、控制理论以及人机工程学等多学科的发展。,机器人的定义及机器人学,第一章 概论,国内机器人学主要研究机构： 哈尔滨工业大学机器人研究所 中科院沈阳自动化研究所 北京航空航天大学机器人研究所,机器人的定义及机器人学,第一章 概论,我国从应用环境上把机器人分为两类： 工业机器人 特种机器人 国际上的机器人学者，从应用环境出发将机器人也分为两类： 制造环境下的工业机器人 非制造环境下的服务与仿人型机器人,机器人的定义及机器人学,第一章 概论,工业机器人：面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。如：机械手。,特种机器人：除工业

9、机器人之外的、用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人。 包括：服务机器人、水下机器人、微操作机器人、 娱乐机器人、军用机器人、农业机器人、机器人化机器等。,机器人的定义及机器人学,第一章 概论,竞走机器人,人形机器人,机器人的定义及机器人学,第一章 概论,机器爬虫,机械手,机器人的定义及机器人学,第一章 概论,机械手也称机器人,轮式驱动机器人,机器人的分类,按控制方式分类,第一章 概论,人工操作机器人 固定顺序机器人 可变顺序机器人 示教再现机器人 数控机器人 智能机器人,美国机器人学会认可,按机械结构分类,按坐标形式分类，见机器人坐标架构部分 按驱动源分类：气动、液压和电动,四大能力,记忆

10、能力 语言理解 图像识别 推理判断,机器人的组成,第一章 概论,机器人的结构 ( The Structure of Robot ) 简单地说，机器人主要由执行机构、驱动和传动装置、传感器和控制器四大部分构成（如图）。,机器人结构,关节舵机原理,机器人的组成,第一章 概论,工业机器人是机电一体化的系统，它由以下几个部分组成： 1、执行机构 2、机械本体 3、控制系统 4、检测系统,机器人的组成,第一章 概论,机器人的组成,第一章 概论,执行机构可以抓起工件，并按规定的运动速度、运动轨迹、把工件送到指定位置处，放下工件。通常执行机构有以下几个部分： （1）手部 手部是工业机器人用来握持工件或工具的

11、部位，直接与工件或工具接触。有些工业机器人直接将工具（如电焊枪、油漆喷枪、容器等）固定在手部，它就不再另外安装手部了。 （2）腕部 腕部是将手部和臂部连接在一起的部件。它的作用是调整手部的方位和姿态，并可扩大臂部的活动范围。 （3）臂部 臂部支承着腕部和手部，使手部活动的范围扩大。 无论是手部、腕部或是臂部都有许多轴孔，孔内有轴、轴和孔之间形成一个关节，机器人有一个关节就有了一个自由度。,执行机构,机器人的组成,第一章 概论,驱动系统装在机械本体内，驱动机构的作用是向执行元件提供动力。根据不同的动力源，驱动系统的传动方式也分为液压式、气动式、电动式和机械式四种。,驱动系统,机器人的组成,第一章

12、 概论,控制系统是工业机器人的指挥中心。他控制工业机器人按规定的程序动作。控制系统还可存储各种指令（如动作顺序、运动轨迹、运动速度以及动作的时间节奏等），同时还向各个执行元件发出指令。,控制系统,机器人的组成,第一章 概论,检测系统主要用来检测自己的执行系统所处的位置、姿势，并将这些情况及时反馈给控制系统，控制系统根据这个反馈信息在发出调整动作的信号，使执行机构进一步动作，从而使执行系统一一定的精度到达规定的位置和姿势。,检测系统,机器人的工作机理,第一章 概论,运动学控制实例,机器人的自由度和关节,物体的位姿,第一章 概论,位置：x, y, z 姿态：,机器人的自由度,是指机器人所具有的独立

13、坐标轴运动的数目。,注意：,机器人的自由度不包括手抓； 大于六个自由度的机器人系统没有唯一解；,思考：手臂有几个自由度？,机器人的自由度,机器人的自由度和关节,第一章 概论,许多工业机器人的自由度都少于6个，一般为3.5、4或5个； 0.5个自由度表示这个关节只能在有限点定位，如气缸驱动，只能全部伸出或收缩。,分析：完成电路板插件的机器人最少要几个自由度？,机器人的关节,滑动关节（Prismatic）气缸、液压缸、电机； 转动关节（Rotate）电机（伺服、步进、直流）,机器人的自由度和关节,第一章 概论,实例,算自由度只算到腕关节； 转动自由度的转角范围各不相同；,日本三菱公司产MOVEMA

14、STER-EX 五自由度机器人, 实验室中的MOVEMASTER-EX机器人实物照片, MOVEMASTER-EX 五自由度机器人结构图, PUMA/560六自由度机器人结构, PUMA/560机器人,美国UNIMATE公司产PUMA/560型六自由度机器人,机器人坐标架构及参考坐标系,直角坐标型（3P） 圆柱坐标型（R2P） 球坐标型（2RP） 链型（3R） 平面关节型,第一章 概论,机器人坐标形式：,机器人参考坐标系,机器人坐标架构及参考坐标系,第一章 概论,全局参考坐标系(操作空间) 关节参考坐标系(关节空间) 工具参考坐标系(在手腕）,机器人编程模式和机器人语言,机器人编程模式,第一章

15、 概论,硬件逻辑结构 示教模式（目标点示教、连续轨迹示教） 软件模式,机器人语言,机器人语言的种类可能与机器人的种类一样多。每一个生产商都会设计他们自己的机器人语言。许多机器人语言以常用语言如Basic、C和Fortran为基础派生出来的，也有一些机器人语言是独特设计的，与其它语言无直接联系。,高级语言的执行方式有两种：解释和编译。 机器人语言也存在不同级别：机器级语言、点到点级语言、基本动作级语言、结构化程序级语言、面向任务级语言。,如 Move Pi; Open; Close; Break,关键是编译器,机器人性能指标,自由度及范围 定位精度和重复定位精度 定位精度： 重复定位精度： 运动

16、范围 负载能力 最大工作速度,第一章 概论,正确性,变化性,机器人工作空间,第一章 概论,机器人的控制方式,机器人的工作原理是一个比较复杂的问题。简单地说，机器人的原理就是模仿人的各种肢体动作、思维方式和控制决策能力。从控制的角度，机器人可以通过如下四种方式来达到这一目标。 “示教再现”方式：它通过“示教盒”或人“手把手”两种方式教机械手如何动作，控制器将示教过程记忆下来，然后机器人就按照记忆周而复始地重复示教动作，如喷涂机器人。,“可编程控制”方式：工作人员事先根据机器人的工作任务和运动轨迹编制控制程序，然后将控制程序输入给机器人的控制器，起动控制程序，机器人就按照程序所规定的动作一步一步地去完成，如果任务变更，只要修改或重新编写控制程序，非常灵活方便。大多数工业机器人都是按照前两种方式工作的。 “遥控”方式：由人用有线或无线遥控器控制机器人在人难以到达或危险的场所完成某项任务。如防暴排险机器人、军用机器人、在有核辐射和化学污染环境工作的机器人等。 “自主控制”方式：是机器人控制中最高级、最复杂的控制方式，它要求机器人在复