《机器人综述14328精编版》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机器人综述14328精编版（53页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、机器人综述,2014.3.28,1,机器人综述,一、机器人由来、定义,二、机器人结构,三、机器人分类与应用,四、机器人技术及发展趋势,2,一、机器人由来、定义,由来 机器人是众所周知的一种高新技术产品，然而，“机 器人”一词最早并不是一个技术名词。 “机器人”一词，首次出现在1920年捷克作家卡雷 尔卡佩克发表的科幻剧罗萨姆的万能机器人 中，意为“强制性劳动”或“奴隶”。 1959年，美国英格伯格和德沃尔制造出第一台工业机 器人。英格伯格被称为“工业机器人之父”。,3,定义 机器人至今还没有一个统一、严格、准确的定 义，不同国家、不同领域对机器人的定义随基本原 则大体一致。 简言之，机器人是靠
2、自身动力和控制能力来实 现各种功能的一种机器。 机器人技术不断发展，其内涵也在不断扩展。,4,一些有代表性的定义： 国际标准化组织（ISO）：机器人是一种自动的、位置可控的、具 有编程能力的多功能机械手，可具有几个轴，能够借助可编程序操 作处理各种材料、零件、工具盒专用装置，以执行种种任务。 美国机器人协会（RIA）：机器人是一种用于移动各种材料、零 件、工具或专用的装置，可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。 日本工业机器人协会：工业机器人是一种装备有记忆装置和末端执 行器的、能够转动并通过自动完成各种移动来代替人类劳动的通用 机械。,5,二、机器人结构,机器人
3、系统框图,6,机器人组成 机器人涉及到机械、电子、自动控制、计算机、人工智能、传感器、通讯与网络等多个学科和领域，是多种高新技术发展成果的综合集成。 机器人是典型的机电一体化产品，一般由机械本体、控制系统、传感器、驱动器等四部分组成。 机械本体 机械本体，是机器人实施作 业的执行机构，可在确定的环境 中执行控制系统指定的操作。 典型工业机器人的机械本体 一般由手部（末端执行器）、腕 部、臂部、腰部和基座构成。机 械手多采用关节式机械结构，一 般具有6个自由度，其中3个用来 确定末端执行器的位置，另外3个 则用来确定末端执行装置的方向 （姿势）。,7,控制系统 控制系统是机器人的指挥中枢，相当于
4、人的大脑功能，负责对作业指令、内外环境信息进行处理，并依据预定的本体模型、环境模型和控制程序做出决策，产生相应的控制信号，通过驱动器驱动执行机构的各个关节完成特定的作业。 从控制系统构成看：有开环控制系统和闭环控制系统之分 从控制方式看：可分程序控制系统、适应性控制系统和智能控制系统,8,传感器 传感器是机器人的感测系统，相当于人的感觉器官，是机器人系统的重要组成部分，包括内部和外部两大类传感器。 内部传感器主要用来检测机器人本身的状态，为机器人的运动控制提供必要的本体状态信息，多为检测位置和角度的传感器。 外部传感器用来感知机器人所处的工作环境或工作状况信息。具体有物体识别传感器、物体探伤传
5、感器、接近觉传感器、距离传感器、力觉传感器，听觉传感器等。,9,驱动器 驱动器是机器人的动力系统，一般由驱动装置和传动机构组成。 因驱动方式不同，驱动装置可分成电动、液动和气动三种类型。 驱动装置中的电动机、液压缸、气缸可以与执行机构直接相连，也可以通过传动机构与执行机构相连。 驱动装置主要是电力驱动装置，如步进电机、伺服电机等。 传动机构通常有齿轮传动、链传动、螺旋传动、带传动等几种。,10,电动机驱动,电动机驱动分为普通交流电动机驱动，交、直流伺服电动机和步进电动机驱动。 普通交、直流电动机驱动： 需要加减速装置，输出力矩大，但控制性能差，惯性大，适用于、重型机器人。 伺服电动机和步进电动
6、机： 输出力矩相对小，控制性能好，可实现速度和位置的精确控制，适用于中小型机器人。 交、直流伺服电动机一般用于闭环控制系统，而步进电动机则主要用于开换控制系统。,11,机器人对关节驱动电机的主要要求 1.响应快速性 2.起动转矩大，惯量小 3.控制特性的连续性和直线性 4.调速范围宽 5.体积小、质量小、轴向尺寸短 6.能经受苛刻运行条件，可频繁正反向和 加减速运行，并能在短时间内承受过载,12,一些驱动装置,液压马达,液压缸,气动回转马达,气泵,交流伺服电机,步进电机,直流伺服电机与驱动放大器,13,机器人主要技术参数,自由度 工作空间 工作速度 工作载荷 控制方式 驱动方式 精度、重复精度
7、和分辨率,14,自由度,自由度越多，越接近人手的动作机能；同时，结构越复杂，对机器人整体要求就越高，这是机器人设计中的一个矛盾。 工业机器人一般多为个自由度。,右图为五自由度机器人，臂部在xO1y面内有三个独立运升降(L1)、伸缩(L2)、和转动(1)，腕部在xO1y面内有一个独立的运动转动(2)。机器人手部位置需要一个独立变量手部绕自身轴线O3C的旋转3。,五自由度机器人简图,15,2工作空间,机器人的工作空间是指机器人手臂或手部安装点所能达到的所有空间区域，不包括手部本身所能达到的区域。 机器人所具有的自由度数目及其组合不同，则其运动图形不同；而自由度的变化量(即直线运动的距离和回转角度的
8、大小)则决定着运动图形的大小。,16,3工作速度,工作速度是指机器人在工作载荷条件下、匀速运动过程中，机械接口中心或工具中心点在单位时间内所移动的距离或转动的角度。 运动循环包括加速度起动，等速运行和减速制动三个过程。为了保证定位精度，加减速过程往往占去较长时间。 分配动作时间除考虑工艺动作要求外，还要考虑惯性和行程大小、驱动和控制方式、定位和精度要求。,17,4工作载荷,机器人在规定的性能范围内，机械接口处能承受的最大负载量(包括手部)。用质量、力矩、惯性矩来表示。 负载大小主要考虑机器人各运动轴上的受力和力矩。为安全考虑，规定在高速运行时所能抓取的工件重量作为承载能力指标。 目前使用的工业
9、机器人，其承载能力范围较大，最大可达9KN。,18,5控制方式,5控制方式,机器人用于控制轴的方式，是伺服还是非伺服，伺服控制方式是实现连续轨迹还是点到点的运动。,驱动方式是指关节执行器的动力源形式。,6驱动方式,19,7精度、重复精度和分辨率,精度：指机器人手部实际到达位置与所需要到达理 想位置之间的差距。 重复精度：在相同的运动位置命令下，机器人连续 若干次运动轨迹之间的误差度量。 分辨率：指机器人每根轴能够实现的最小移动距离 或最小转动角度。分辨率反映了实际需要 的运动位置和命令所能够设定的位置之间 的差距。,20,三、机器人分类与应用,1912年，美国科幻巨匠阿西莫夫提出“机器人三定律
10、”： 1、机器人不危害人类，不允许看人受害而袖手旁观； 2、机器人应服从人的命令，但不得违反第一原则； 3、机器人应保护自己，但不得违反第一、二原则。 在21世纪，各种先进的机器人系统将会进入人类生产、生活的各个领域，成为人类良好的助手和亲密的伙伴。,世界各国主要行业对机器人的需求分布,21,经过几十年的发展，机器人的技术水平不断提高，应用范围越来越广，从早期的焊接、装配等工业应用，逐步向军事、空间、水下、农业、建筑、服务和娱乐等领域不断扩展，结构形式也多种多样。因此，机器人的分类也出现了多种方法、多种标准。 这里主要介绍以下几种分类法 按机器人技术发展水平可分三代 第一代机器人 “示教再现”
11、型机器人，能够按照人类预先示教的轨迹、行为、顺序和速度重复作业（未采用传感器）。 第二代机器人 感知机器人，采用了传感器，可感知环境状况，具有初步感觉和反馈控制能力（初步智能）。 第三代机器人 “智能机器人”，具有发现问题，并且能自主地解决问题的能力， “电脑化”是其重要标志。,22,按机器人结构坐标系特点方式分类 (1)直角坐标机器人； (2)圆柱坐标机器人； (3)极坐标机器人； (4)多关节机器人。,23,（1）直角坐标机器人,直角坐标机器人结构如图所示，它在x,y,z轴上的运动是独立的。,24,（2）圆柱坐标机器人,圆柱坐标机器人的结构如右图所示，R、和x为坐标系的三个坐标，其中R、是
12、手臂的径向长度，是手臂的角位置，x是垂直方向上手臂的位置。如果机器人手臂的径向坐标R保持不变，机器人手臂的运动将形成一个圆柱表面。,25,（3）极坐标机器人,极坐标机器人又称为球坐标型机器人，其结构如右图所示，R， 和为坐标系的坐标。其中是绕手臂支撑底座垂直的转动角， 是手臂在铅垂面内的摆动角。这种机器人运动所形成的轨迹表面是半球面。,26,（4）多关节机器人,如右图所示，它是以其各相邻运动部件之间的相对角位移作为坐标系的。、和为坐标系的坐标，其中是绕底座铅垂轴的转角， 是过底座的水平线与第一臂之间的夹角， 是第二臂相对于第一臂的转角。这种机器人手臂可以达到球形体积内绝大部分位置，所能达到区域
13、的形状取决于两个臂的长度比例。,27,按机器人的应用环境可分两大类 工业机器人 特种机器人 工业机器人 所谓工业机器人就是面向工业领域的多关节机械 手或多自由度机器人。 工业机器人在工业领域中主要从事工件上下 料、焊接、装配、喷涂、检验、铸造、锻压、热处理、 金属切削加工等工作。 工业机器人可分焊接、切割、装配、喷漆、码垛、 搬运等等多种机器人,28,工业机器人,组装分装机器人（安川）,弧焊机器人（安川）,组装分装机器人（安川）,29,特种机器人 除工业机器人之外的、用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人 特种机器人又可分为 （1）农业机器人 （2）服务机器人 （3）军用机器人 （4）探索机
14、器人（水下、空间机器人等）,30,（1）农业机器人 应用主要集中在耕种、施肥、喷药、蔬菜嫁接、苗木移栽、收获、灌溉、养殖和各种辅助操作等方面,采摘机器人,喷洒机器人,耕种机器人,31,（2）服务机器人 为人类日常生活提供各种便利和服 务的机器人 目前主要应用在清洁、餐饮、执 勤、救援、娱乐、教育、医疗等等场 合。,32,智能吸尘器,餐饮服务机器人,油烟管道清洗机器人,33,娱乐机器人,手术机器人,护理机器人,矿用救灾蛇形机器人,34,智能排爆机器人,美国“魔爪”军用机器人,捕食者无人机,（3）军用机器人,四足军用机器人,35,水下机器人,空间机器人（ 玉兔号 ）,（4）探索机器人,36,四、机
15、器人技术及发展趋势,国内机器人技术发展 我国目前已基本掌握了机器人的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出多种类型机器人。 1995年5月，我国第一台高性能精密装配智能型机器人“精密一号”在上海交通大学诞生，标志着我国已具有开发第二代工业机器人的技术水平。 1997年6月18日，我国6000米无缆水下机器人试验应用成功，标志着我国水下机器人技术已达到世界先进水平。 2006年，我国又研制成功世界最大潜深载人潜水器“海极一号”，可潜深7000米，可达到世界99.8%的海底，比世界上另外5台同类产品深500米。 2008年11月25日，国内首台家用网络智能机器人塔米（Tami）在北京亮相。 我国机器人最新研究动向 （1）工业机器人及机器人自动化 （2）智能服务机器人 （3）医疗机器人 （4）纳米机器人 （5）空间机器人,37,我国机器人市场 中国市场是未来全球最大的机器人市场，近年来增长迅猛。 国际机器人巨头纷纷抢滩中国市场，以ABB、库卡、安川电机、 发那科四大家族为代表的国外机器人企业占据中国机器人市场90%以上的市场份额。 中国工业机器人市场高速增长，汽车行业仍然是国内最大机器人 应用领域
