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1、机器人原理及控制技术,Email：13730947691,Presented by Linfengyun, 09.2014 Mechanical and Electrical Engineering Institute, Qingdao University Prepared for Students of Engineering and Technology category,Principle and Control Techniques of Robot Manipulators,2018/9/19,机电学院-工业机器人,第一章 绪 论 第二章 机器人机械系统设计 第三章 机器人运动学
2、第四章 机器人静力计算及动力学分析 第五章 机器人控制 第六章 工业机器人感觉 第七章 机器人运动规划及编程,2018/9/19,机电学院-工业机器人,第一章 绪论,机器人集中了机械工程、材料科学、电子技术、计算机技术、自动控制理论及人工智能等多学科的最新研究成果，代表了机电一体化的最高成就，是当代科学技术发展最活跃的领域之一。,1.1 机器人概述 1.2 机器人分类 1.3 机器人基本组成及技术参数 1.4 本书教学要求,2018/9/19,机电学院-工业机器人, 1.1 机器人概述,机器人(robot)一词来源于1920年捷克作家卡雷尔查培克(Kapelcapek)所编写的戏剧中的人造劳动
3、者，在那里机器人被描写成像奴隶那样进行劳动的机器。后来作为一种虚构的机械出现在许多作品中，代替人们去完成某些工作。20世纪60年代出现了作为可实用机械的机器人。为了把这种机器人同虚构的机器人及玩具机器人加以区别，称其为工业机器人。,一、机器人定义,机器人问世已有几十年，但没有一个统一的定义。原因之一是机器人还在发展，另一原因主要是因为机器人涉及到了人的概念，成为一个难以回答的哲学问题。也许正是由于机器人定义的模糊，才给了人们充分的想象和创造空间。1987联合国标准化组织（ISO)采纳的美国机器人协会的“机器人”定义：“工业机器人是一种可以反复编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机；或
4、者为了执行不同的任务而具有可改变的和可编程动作的专门系统”。（A reprogrammable and multifunctional manipulator, devised for the transport of materials ,parts, tools or specialized systems with varied and programmed movements with the aim of carrying out varied tasks,2018/9/19,机电学院-工业机器人,日本工业机器人协会：机器人是一种带有存储器件和末端操作器的通用机械，它能够通过自动化的
5、动作替代人类劳动。 我国科学家对机器人的定义是：“机器人是一种自动化的机器，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”。 机器人具有三大特征： 1、拟人功能 2、可编程 3、通用性,2018/9/19,机电学院-工业机器人,1999年索尼爱宝机器狗玩具的出现，给人们很大的启示，使人们对机器人产生极大的兴趣。 “爱宝”可以理解大约180个声音指令，完成取东西、拍照等动作，甚至在电量即将耗尽之时，它还会自己去找充电器。“爱宝”的面部配备发光屏幕，可以灯光 组合来表达自己的情绪。更重要的是，工程师还能根据自己的需要对“爱宝”
6、进行编程，让它完成像足球比赛这样的特殊工作。,下面我们来看看功能更复杂的机器人,2000年启动的“阿西莫”机器人项目致力于开发出服务于人类日常生活的“类人”机器人。本田公司推出最新版本的“阿西莫”机器人。这些机器人服务员会自动实行分工，提供不间断服务。,图1 两台“阿西莫”机器人服务员为公司员工送茶。,图2 日本本田公司研制的“阿西莫”机器人在东京进行体操表演,四 揭开机器人之谜,1.机器人有三大特征：身体：是一种物理状态，具有一定的形态。 大脑：控制机器人的程序。主板上的微控制器。 动作：任何机器人都有一定的动作表现。 脚：轮子等。 皮肤：碰撞传感器 嘴巴：喇叭 耳朵：主板上的麦克风。2.判
7、断一个机器人是否是智能机器人我们可以根据下面三个基本特点：具有感知功能，即获取信息的功能。机器人通过“感知”系统可以获取外界环境信息，如声音、光线、物体温度等。 具有思考功能，即加工处理信息的功能。机器人通过“大脑”系统进行思考，它的思考过程就是对各种信息进行加工、处理、决策的过程。 具有行动功能，即输出信息的功能。机器人通过“执行”系统（执行器）来完成工作，如行走、发声等。,1954年 美国人乔治德沃尔制造出世界上第一台可编程的机器人，并注册了专利。这种机械手能按照不同的程序从事不同的工作，因此具有通用性和灵活性。 1959年 德沃尔与美国发明家约瑟夫英格伯格联手制造出第一台工业机器人。随后
8、，成立了世界上第一家机器人制造工厂Unimation公司。由于英格伯格对工业机器人的研发和宣传，被称为“工业机器人之父”。,二、机器人的发展历史,1962年 美国AMF公司生产出“VERSTRAN”（意思是万能搬运）,与Unimation公司生产的Unimate一样成为真正商业化的工业机器人，并出口到世界各国，掀起了全世界对机器人和机器人研究的热潮。1962年1963年 传感器的应用提高了机器人的可操作性。人们试着在机器人上安装各种各样的传感器，包括1961年恩斯特采用的触觉传感器，托莫维奇和博尼1962年在世界上最早的“灵巧手”上用到了压力传感器，而麦卡锡1963年则开始在机器人中加入视觉传
9、感系统，并在1965年，帮助MIT推出了世界上第一个带有视觉传感器，能识别并定位积木的机器人系统。,2018/9/19,机电学院-工业机器人,12,1968年 美国斯坦福研究所公布他们研发成功的机器人Shakey。它带有视觉传感器，能根据人的指令发现并抓取积木, Shakey可以算是世界第一台智能机器人，拉开了第三代机器人研发的序幕。 Shakey具备一定人工智能，能够自主进行感知、环境建模、行为规划并执行任务(如寻找木箱并将其推到指定位置)。它装备了电视摄像机、三角法测距仪、碰撞传感器、驱动电机以及编码器，并通过无线通讯系统由二台计算机控制。,2018/9/19,机电学院-工业机器人,196
10、9年 日本早稻田学加藤一郎实验室研发出第一台以双脚走路的机器人。加藤一郎长期致力于研究仿人机器人，被誉为“仿人机器人之父”。日本专家一向以研发仿人机器人和娱乐机器人的技术见长，后来更进一步，催生出本田公司的ASIMO和索尼公司的QRIO。,1973年 世界上第一次机器人和小型计算机携手合作，就诞生了美国Cincinnati Milacron公司的机器人T3。1978年 美国Unimation公司推出通用工业机 器人PUMA，这标志着工业机器人 技术已经完全成熟。PUMA至今仍 然工作在工厂第一线。 1984年 英格伯格再推机器人Helpmate，这种机器人能在医院里为病人送饭、送药、送邮件。同
11、年，他还预言：“我要让机器人擦地板，做饭，出去帮我洗车，检查安全”。,机器人最新进展,1998年,丹麦乐高公司推出机器人（Mind-storms）套件，让机器人制造变得跟搭积木一样，能任意拼装。 2002年,丹麦iRobot公司推出了吸尘器机器人Roomba，它能避开障碍，自动设计行进路线，还能在电量不足时，自动驶向充电座。Roomba是目前世界上销量最大、最商业化的家用机器人。,2006年,微软公司推出Microsoft Robotics Studio，机器人模块化、平台统一化的趋势越来越明显，比尔盖茨预言，家用机器人很快将席卷全球。,1997年，Honda推出人形机器人P3 1999年，S
12、ony推出机器狗Aibo，当即销售一空，从此娱乐机器人开始进入普通家庭。,2000年，Honda推出第二代人形机器人Asimo, Sony推出人形机器人Qiro,2018/9/19,机电学院-工业机器人,美国“水下龙虾”机器人，仿生水下机器人“水下龙虾”(Robolobster)于2007年8月17日在美国马萨诸塞州露面。它可查看海水变化，定位并排除水雷。,认识环境的多摩君Domo机器人,即使一个普通机器人也能记住具体的任务。但Domo机器人的不同之处在于，它除了具有认人的能力外，能感知周围环境并做出反应。它由美国麻省理工学院的亚伦-艾德辛格和杰夫-韦伯发明。人们触摸Domo的装有弹簧的机器手
13、，它就会抓住对方的手。另外，它还能把杯子放到柜台上。Domo机器人拥有转动灵活、像人眼一样的眼睛，可以观察周围事物。,22,麻省理工学院媒体试验室研发了一种新型机器人，名字为Nexi，代号MDS，意为可以移动，灵巧和社交。它可以或许最终将能够利用轮子移动，能够捡起物品，但它最显著特征是类人性，不过是爬行的，脸部可以表达让人惊奇的多种情绪。这个机器人比较复杂了。能不能简单一点？实用一点？能！请看：,移动社交机器人,北京通县农民吴玉禄与机器人“吴老五”能点烟端茶倒水，见到美女，还会殷勤地递上一束鲜花。,2018/9/19,机电学院-工业机器人,24,1、按机器人发展程度分类, 1.2、机器人的分类
14、,示教再现型机器人：,通过手动或其它方式，先引导机器人动作，记录下工作程序，机器人则自动重复进行作业。,感知型机器人：,利用传感器获取的信息控制机器人的动作。机器人对环境有一定的适应性。,智能机器人：,机器人具有与人类相似的情感。具有情感是机器人发展的最高层次。,情感型机器人：,机器人具有感知和理解外部环境的能力，即使环境发生变化，也能够成功的完成任务。,一、机器人的分类,2018/9/19,机电学院-工业机器人,25,2、按机器人控制方式分类, 2、机器人的分类,(1)操作机器人：是指人可在一定距离处直接操纵其进行作业的机器人，通常采用主从方式实现对机器人的遥控操作。,(2)程序机器人：按给
15、定的程序、条件、位置等信息进行作业，依次控制机器人的机械动作。,(3)示教再现型机器人：由人操纵机器人执行任务，并记录下这些动作，机器人进行作业时按照记录下的信息重复执行同样的动作。是机器人控制的主流方式。,(4)数控机器人：数控机器人按照编制的计算机程序进行作业。,(5)智能机器人：机器人具有感知和理解外部环境的能力，即使环境发生变化，也能够成功的完成任务。,2018/9/19,机电学院-工业机器人,26,3、按机器人应用领域分类, 2、机器人的分类,(1)产业用机器人：工业机器人、农业机器人、林业机器人和医疗机器人等。,(2)极限作业机器人：应用于人们难以进入的极限环境，如核电站、宇宙空间
16、、海底等这些特殊环境。,(3)服务型机器人：用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人， 包括 娱乐机器人、清洁机器人、助老机器人、烹 饪机器人、幕墙清洗机器人、康 复机器人、保安机器人等。,2018/9/19,机电学院-工业机器人,27,b. 特种机器人,a. 工业机器人,机器人,2018/9/19,机电学院-工业机器人,28, 2、机器人的分类,(1)串联机器人：串联机器人的杆件和关节是采用串联方式进行连接（开链式）。 (2)并联机器人：是指运动平台和基座间至少由两根活动连杆连接具有两个或两个以上自由度的闭环机构机器人。并联机构（Parallel Mechanism，简称PM），是由多个相同类型的运动链在运动平台和固定平台之间并联而成。,4、按机器人关节连接布置形式分类,并联机器人特点：a 无累积误差，精度较高；b 驱动装置可置于定平台上或接近定平台的位置， 这样运动部分重 量轻，速度高，动态响应好；c 结构紧凑，刚度高，承载能力大；d 完全对称的并联机构具有较好的各向同性；e 工作空间较小，控制复杂；并联机器人应用于产品包装、飞行员训练模拟及外科手术设备的精确定位。,
