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1、1机机机机 器器器器 人人人人学学学学 ( (RRoobboot ti iccs s ) )第二讲第二讲 机器人学基本概念机器人学基本概念 Research Institute of Robotics and Automation(RIRA), Hebei University of Technology2机机机机 器器器器 人人人人学学学学 ( (RRoobboot ti iccs s ) )第二讲第二讲 机器人学基本概念机器人学基本概念u机器人学机器人学u机器人偿还期理论机器人偿还期理论u机器人系统结构机器人系统结构u工业机器人的主要技术参数工业机器人的主要技术参数u机器人自由度、图形符号
2、与典型机器人的自由度布置形式机器人自由度、图形符号与典型机器人的自由度布置形式u机械误差、精度、定位精度（空间分辨度）与重复定位精度机械误差、精度、定位精度（空间分辨度）与重复定位精度u主从控制与示教再现主从控制与示教再现u机器人机械系统与其它机械系统的区别机器人机械系统与其它机械系统的区别u机器人的控制系统与一般自动化控制系统的区别机器人的控制系统与一般自动化控制系统的区别u人工智能的争论及其对机器人学的影响人工智能的争论及其对机器人学的影响 Research Institute of Robotics and Automation(RIRA), Hebei University of Te
3、chnology3机机机机 器器器器 人人人人学学学学 ( (RRoobboot ti iccs s ) )机器人学基本概念机器人学基本概念-机器人学机器人学u机器人学是一个多学科的交叉的高技术领域机器人学是一个多学科的交叉的高技术领域, ,包含包含机器人理论和和机器人技术机器人理论和和机器人技术。u机器人理论：机器人理论： （1 1）机器人基础理论与方法机器人基础理论与方法：机构分析与综合、运动学和动力学建模、作业与：机构分析与综合、运动学和动力学建模、作业与运动规划、优化设计、控制和智能。运动规划、优化设计、控制和智能。 （2 2）机器人仿生学机器人仿生学：仿生运动和动力学、仿生机构学、仿
4、生感知和控制理：仿生运动和动力学、仿生机构学、仿生感知和控制理论、仿生器件设计和制造。论、仿生器件设计和制造。 （3 3）机器人系统理论机器人系统理论：多机器人系统理论（例如）、机器人人融合、：多机器人系统理论（例如）、机器人人融合、系统协调和交互。系统协调和交互。（）（）微机器人学微机器人学：微机器人分析、设计和控制理论等。：微机器人分析、设计和控制理论等。（）（）移动操作机器人理论移动操作机器人理论：复杂多链空间机器人机构学、步态规划与稳定性、：复杂多链空间机器人机构学、步态规划与稳定性、多链协调与控制。多链协调与控制。u机器人技术：机器人技术：（1 1）机器人结构设计与制造技术。机器人结
5、构设计与制造技术。（）（）操作和执行技术；操作和执行技术；（）（）检测与传感技术；检测与传感技术；（）（）智能技术；智能技术；（）（）实验和评价技术；实验和评价技术；（）（）人机交互和融合技术；人机交互和融合技术；（）（）技术规范和标准。技术规范和标准。 Research Institute of Robotics and Automation(RIRA), Hebei University of Technology4机机机机 器器器器 人人人人学学学学 ( (RRoobboot ti iccs s ) )机器人学基本概念机器人学基本概念-机器人偿还期理论机器人偿还期理论u以机器人及其辅助设
6、备的以机器人及其辅助设备的初期总投资为一方面初期总投资为一方面，以每年所，以每年所节省的节省的劳动费（包括工资和津贴）加上材料费再减去年维修费为另一方劳动费（包括工资和津贴）加上材料费再减去年维修费为另一方面面，计算出应用机器人能够在多少年内收回成本。，计算出应用机器人能够在多少年内收回成本。简化公式：简化公式：（）（）u偿还期（年）偿还期（年）u机器人及其辅助设备的初期总投资机器人及其辅助设备的初期总投资u每年所节省的劳动费（包括工资和津贴）每年所节省的劳动费（包括工资和津贴）u全年维修费全年维修费 Research Institute of Robotics and Automation(
7、RIRA), Hebei University of Technology5机机机机 器器器器 人人人人学学学学 ( (RRoobboot ti iccs s ) )机器人学基本概念机器人学基本概念-机器人偿还期理论机器人偿还期理论u详细计算公式：详细计算公式：（）（）（）（）（）（）u机器人售价机器人售价u附属设备费用附属设备费用u工程及安装费用工程及安装费用u税务信贷税务信贷u材料费用材料费用u操作维修费用操作维修费用u年运行小时数（天，单班）年运行小时数（天，单班）u公司税率公司税率u年折旧年折旧u对于单班、双班和三班，一般时间是年，年，年对于单班、双班和三班，一般时间是年，年，年u与国
8、别区域有关与国别区域有关 Research Institute of Robotics and Automation(RIRA), Hebei University of Technology6机机机机 器器器器 人人人人学学学学 ( (RRoobboot ti iccs s ) )机器人学基本概念机器人学基本概念-机器人系统结构机器人系统结构三大部分六个子系统组成三大部分六个子系统组成 Research Institute of Robotics and Automation(RIRA), Hebei University of Technology7机机机机 器器器器 人人人人学学学学 (
9、 (RRoobboot ti iccs s ) )机器人学基本概念机器人学基本概念-机器人系统结构机器人系统结构 Research Institute of Robotics and Automation(RIRA), Hebei University of Technology8机机机机 器器器器 人人人人学学学学 ( (RRoobboot ti iccs s ) )机器人学基本概念机器人学基本概念-工业机器人的主要技术参数工业机器人的主要技术参数工业机器人的技术参数是工业机器人的技术参数是各工业机器人制造商在产品供货时所提供各工业机器人制造商在产品供货时所提供的技术数据的技术数据。 尽管各
10、厂商提供的技术参数不完全一样，工业机器人的结构、尽管各厂商提供的技术参数不完全一样，工业机器人的结构、用途等有所不同，用途等有所不同， 且用户的要求也不同，且用户的要求也不同， 但工业机器人的主要技术但工业机器人的主要技术参数一般包括：参数一般包括： 自由度（自由度（Degrees of Freedom） 精度（精度（Accuracy） 工作范围（工作范围（Work Space） 速度（速度（Speed） 承载能力（承载能力（Payload） Research Institute of Robotics and Automation(RIRA), Hebei University of Tec
11、hnology9机机机机 器器器器 人人人人学学学学 ( (RRoobboot ti iccs s ) )机器人学基本概念机器人学基本概念-工业机器人的主要技术参数工业机器人的主要技术参数Kawasaki Robotics(USA), Inc: FS06L Research Institute of Robotics and Automation(RIRA), Hebei University of Technology10机机机机 器器器器 人人人人学学学学 ( (RRoobboot ti iccs s ) )机器人学基本概念机器人学基本概念-工业机器人的主要技术参数工业机器人的主要技术参数
12、 Research Institute of Robotics and Automation(RIRA), Hebei University of Technology11机机机机 器器器器 人人人人学学学学 ( (RRoobboot ti iccs s ) )机器人学基本概念机器人学基本概念-机器人自由度、图形符号与典机器人自由度、图形符号与典型机器人的自由度布置形式型机器人的自由度布置形式u机器人的自由度是指机器人所具机器人的自由度是指机器人所具有的独立坐标轴的运动数目，一有的独立坐标轴的运动数目，一般不包括手爪的开合。（独立驱般不包括手爪的开合。（独立驱动数目）一般个，多了叫冗余动数目）
13、一般个，多了叫冗余 Research Institute of Robotics and Automation(RIRA), Hebei University of Technology12机机机机 器器器器 人人人人学学学学 ( (RRoobboot ti iccs s ) )机器人学基本概念机器人学基本概念-机械误差、精度、定位精度机械误差、精度、定位精度（空间分辨度）与重复定位精度（空间分辨度）与重复定位精度定位精度定位精度（Positioning Accuracy）：）：是指机器人的手部实际指定位置与目标位是指机器人的手部实际指定位置与目标位置之差置之差。 重复定位精度重复定位精度（R
14、epeatability Accuracy）：）：是指机器人重复定位其手部于同一是指机器人重复定位其手部于同一目标位置的能力目标位置的能力，可以用标准偏差这个统计量来表示，它是衡量一列误差值的，可以用标准偏差这个统计量来表示，它是衡量一列误差值的密集度（重复度）密集度（重复度） Research Institute of Robotics and Automation(RIRA), Hebei University of Technology13机机机机 器器器器 人人人人学学学学 ( (RRoobboot ti iccs s ) )机器人学基本概念机器人学基本概念-机械误差、精度、定位精度机
15、械误差、精度、定位精度（空间分辨度）与重复定位精度（空间分辨度）与重复定位精度5分5分 Research Institute of Robotics and Automation(RIRA), Hebei University of Technology14机机机机 器器器器 人人人人学学学学 ( (RRoobboot ti iccs s ) )机器人学基本概念机器人学基本概念-主从控制与示教再现主从控制与示教再现u主计算机负责管理和运动解算，从计算机负责驱动控制的系统。主计算机负责管理和运动解算，从计算机负责驱动控制的系统。u“示教再现示教再现”方式：它通过方式：它通过“示教盒示教盒”或人或
16、人“手把手手把手”两种方式教机械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。复始地重复示教动作，如喷涂机器人。eacheachand and laybacklayback示教再现示教再现 即分为示教存储再现即分为示教存储再现- -操作四步进行。操作四步进行。示教示教：方式有两种：方式有两种：(1) 直接示教手把手；直接示教手把手；(2) 间接示教示教盒控制。间接示教示教盒控制。存储存储：保存示教信息。：保存示教信息。再现再现：根据需要，读出存储的示教信息向机器人发出重
17、复动作的命令。：根据需要，读出存储的示教信息向机器人发出重复动作的命令。 Research Institute of Robotics and Automation(RIRA), Hebei University of Technology15机机机机 器器器器 人人人人学学学学 ( (RRoobboot ti iccs s ) )机器人学基本概念机器人学基本概念-机器人机械系统与其它机械系机器人机械系统与其它机械系统的区别统的区别u机器人速度高、精度高、控制范围广，一般速度控制比在：以上。u工业机器人不仅高速运动中突然停止时位置精度高，而且还要精密跟踪时变的速度与空间轨迹，对加速度和力也要进
18、行高精度的控制。u机构多为串联结构，因此刚性差且具有多个固有振动频率。u负载以及各构件对各个回转轴的转动惯量，随着机器人的位形而变，其变化幅度很大，一般可达倍。u摩擦、传动间隙、检测精度等对机器人的高速、高精度的运动制约严重。u传统的单体控制方式不能满足要求。 Research Institute of Robotics and Automation(RIRA), Hebei University of Technology16机机机机 器器器器 人人人人学学学学 ( (RRoobboot ti iccs s ) )机器人学基本概念机器人学基本概念-机器人的控制系统与一般自动机器人的控制系统与
19、一般自动化控制系统的区别化控制系统的区别u(1) 机器人的控制与机构运动学及动力学密切相关。 经常要求正向运动学和反向运动学的解, 还要考虑惯性力、 外力(包括重力)、哥氏力及向心力的影响。 u(2) 简单机器人至少要有35个自由度, 比较复杂的机器人有十几个甚至几十个自由度。每个自由度包含一个伺服机构, 它们必须协调 组成一个多变量控制系统。 u(3) 机器人的协调控制以及“智能”, 只能由计算机来完成。 因此, 机器人控制系统必须是一个计算机控制系统。u(4) 描述机器人状态和运动的数学模型是一个非线性模型, 随着状态的变化,参数也在变化, 变量间存在耦合。因此还要利用速度甚至加速度闭环。
20、u(5) 机器人的动作往往可以通过不同的方式和路径来完成, 因此存在一个“最优”的问题。 根据传感器和模式识别的方法获得的工况, 自动选择最佳的控制规律。 Research Institute of Robotics and Automation(RIRA), Hebei University of Technology17机机机机 器器器器 人人人人学学学学 ( (RRoobboot ti iccs s ) )机器人学基本概念机器人学基本概念-人工智能的争论及其对机器人人工智能的争论及其对机器人学的影响学的影响u人工智能的主要学派：人工智能的主要学派：u符号主义（符号主义（symbolici
21、sm),symbolicism),又称逻辑主义，心理学派或计算机学又称逻辑主义，心理学派或计算机学派：物理符号系统假设和有限合理性原理。派：物理符号系统假设和有限合理性原理。（数理逻辑，认知基（数理逻辑，认知基元是符号，功能模拟）元是符号，功能模拟）u联结主义（联结主义（connectionism),connectionism),又称仿生学派或生理学派：神经网又称仿生学派或生理学派：神经网络和学习算法。络和学习算法。（仿生和人脑的研究，认知基元是神经元，结构（仿生和人脑的研究，认知基元是神经元，结构模拟）模拟）u行为主义（行为主义（actionism),actionism),又称进化主义或控制论学派：控制论和又称进化主义或控制论学派：控制论和感知动作型控制系统。感知动作型控制系统。（控制论，感知动作的进化，行为模（控制论，感知动作的进化，行为模拟）拟）u争论一直存在，研究并存，无明确定义。携手共存的时期。争论一直存在，研究并存，无明确定义。携手共存的时期。u（也许本质是一样的，只是从不同角度观察和表达不同而已）（也许本质是一样的，只是从不同角度观察和表达不同而已） Research Institute of Robotics and Automation(RIRA), Hebei University of Technology
