(新)機器人技術及應用(090901)

1、2021-6-1 機器人技術及應用 Robot Technology and Application 機電工程學院 2009年9月5日 主講人： 梁 輝 機電工程學院機電工程學院 2021-6-1 第一講 緒 論 o 說點什么 o 機器人的發(fā)展及概念 o 機器人的應用 o 關于我們的課程的一些問題 o 本講的回顧及下一講簡介 機電工程學院機電工程學院 2021-6-1 0.說點什么 o 什么是機器人？ o 為什么發(fā)展機器人？ o 我們?yōu)槭裁匆獙W習機器人技術？ 機電工程學院機電工程學院 2021-6-1 0.說點什么 o 什么是機器人 機電工程學院機電工程學院 2021-6-1 0.說點什么 o

2、 什么是機器人 機電工程學院機電工程學院 2021-6-1 0.說點什么 o 為什么發(fā)展機器人 機電工程學院機電工程學院 2021-6-1 0.說點什么 o 為什么發(fā)展機器人 n做人不愿意做的做人不愿意做的 n做人不好做的做人不好做的 n做人不能做的做人不能做的 機電工程學院機電工程學院 2021-6-1 0.說點什么 o 我們?yōu)槭裁匆獙W習機器人技術？ o 機器人技術要學習些什么？ 機電工程學院機電工程學院 2021-6-1 1.1 機器人的發(fā)展及概念 o 機器人的發(fā)展歷史 o 機器人的定義 o 機器人學的基本概念 機電工程學院機電工程學院 2021-6-1 1.1.1 機器人的發(fā)展歷史 o

3、機器人概念 機器人的英文名詞是Robot，Robot一詞 是捷克作家卡雷爾卡佩克在1920年所寫的 一個劇本“羅薩姆的萬能機器人” Rossums Universal Robots 中的一個人 造勞動者的名字Robota，捷克語的意思是 “苦力”、“奴隸”。英語的Robot一詞就 是由此而來的，以后世界各國都用Robot作 為機器人的代名詞。 機電工程學院機電工程學院 2021-6-1 1.1.1 機器人的發(fā)展歷史 o 古代“機器人”現代機器人的雛形 n西周時期西周時期，我國的能工巧匠偃師研制出的歌舞藝人，是 我國最早記載的機器人。 n春秋后期春秋后期，據墨經記載，魯班曾制造過一只木鳥， 能在

4、空中飛行“三日不下” 。 n公元前公元前2 2世紀世紀，古希臘人發(fā)明了最原始的機器人太羅 斯，它是以水、空氣和蒸汽壓力為動力的會動的青銅雕 像，它可以自己開門，還可以借助蒸汽唱歌。 n18001800年前的漢代年前的漢代，大科學家張衡不僅發(fā)明了地動儀，而 且發(fā)明了計里鼓車，計里鼓車每行一里，車上木人擊鼓 一下，每行十里擊鐘一下。 機電工程學院機電工程學院 2021-6-1 1.1.1 機器人的發(fā)展歷史 傳說中魯班的木鳥 記里鼓車復原圖 機電工程學院機電工程學院 2021-6-1 1.1.1 機器人的發(fā)展歷史 o古代古代“機器人機器人”現代機器人的雛形現代機器人的雛形 n后漢三國時期后漢三國時期

5、，蜀國丞相諸葛亮成功地創(chuàng)造出了“木牛流馬”， 并用其在崎嶇山路中運送軍糧，支援前方戰(zhàn)爭。 n16621662年年，日本的竹田近江利用鐘表技術發(fā)明了自動機器玩偶， 并在大阪的道頓堀演出。 n17731773年年，著名的瑞士鐘表匠杰克道羅斯和他的兒子利路 易道羅斯制造出自動書寫玩偶、自動演奏玩偶等，他們創(chuàng)造 的自動玩偶是利用齒輪和發(fā)條原理而制成的，它們有的拿著畫 筆和顏色繪畫，有的拿著鵝毛蘸墨水寫字，結構巧妙，服裝華 麗，在歐洲風靡一時。 n19271927年年，美國西屋公司工程師溫茲利制造了第一個機器人“電 報箱”，并在紐約舉行的世界博覽會上展出，它是一個電動機 器人，裝有無線電發(fā)報機，可以回答

6、一些問題，但該機器人不 能走動。 機電工程學院機電工程學院 2021-6-1 1.1.1 機器人的發(fā)展歷史 木牛流馬說 寫字玩偶 西屋機器人 機電工程學院機電工程學院 2021-6-1 1.1.1 機器人的發(fā)展歷史 o現代機器人的發(fā)展歷史現代機器人的發(fā)展歷史 o二戰(zhàn)期間（1938-1945） n由于核工業(yè)和軍事工業(yè)的發(fā)展，研制了 “遙控操縱器”（Teleoperator） 主要用 于放射性材料的生產和處理過程。 n1947年，對這種較簡單的機械裝置進行了改進，采用電動伺服方式，使其從動部 分能跟隨主動部分運動，稱為主從機械手（Master-Slave Manipulator）。 o1949-1

7、953 美國麻省理工學院開始研制數控銑床 n隨著先進飛機制造的需要，美國麻省理工學院輻射實驗室（MIT Radiation Laboratory）開始研制數控銑床。 n1953年研制成功能按照模型軌跡做切削動作的多軸數控銑床。 o1954年 可編程、示教再現機器人 n美國人George C. Devol設計制作了世界上第一臺機器人實驗裝置，并發(fā)表了題為 適用于重復作業(yè)的通用性工業(yè)機器人的文章。 機電工程學院機電工程學院 2021-6-1 1.1.1 機器人的發(fā)展歷史 o60年代 機器人產品正式問世，機器人技術開始形成 n1958年美國“聯合控制公司”（Consolidated Control）

8、研制出第一臺 真正意義上的工業(yè)機器人，并成立了Unimation公司，開始生產工業(yè)機 器人。 n美國“機床與鑄造公司”（AMF）也生產了另一種可編程工業(yè)機器人 Versatran。 o70年代 機器人技術發(fā)展成為專門學科 n機器人技術成為專門學科，稱之為機器人學（Robotics）。 n機器人的應用領域進一步擴大，各種坐標系統、各種結構的機器人相繼出 現。 機電工程學院機電工程學院 2021-6-1 1.1.1 機器人的發(fā)展歷史 o 80年代 開始進入智能機器人研究階段 n80年代，不同結構、不同控制方法和不同用途的工業(yè)機 器人在工業(yè)發(fā)達國家真正進入了實用化的普及階段。 n隨著傳感技術和智能技

9、術的發(fā)展，開始進入智能機器人 研究階段。 n機器人視覺、觸覺、力覺、接近覺等項研究和應用，大 大提高了機器人的適應能力，擴大了機器人的應用范圍， 促進了機器人的智能化進程。 o 經歷了40多年的發(fā)展，機器人技術逐步形成了一 門新的綜合性學科 機器人學（Robotics） 機電工程學院機電工程學院 2021-6-1 1.1.1 機器人的發(fā)展歷史 o making_of_bmw_e46.flv 機電工程學院機電工程學院 2021-6-1 1.1.2 機器人的定義 o國際標準化組織（國際標準化組織（ISO）的定義：）的定義：機器人是一種自動的、位置可控的、具有 編程能力的多功能機械手，這種機械手具有

10、幾個軸，能夠借助可編程序操作來 處理各種材料、零件、工具和專用裝置，以執(zhí)行種種任務。 o美國國家標準局（美國國家標準局（NBS）的定義：）的定義：機器人是一種能夠進行編程并在自動控制 下執(zhí)行某些操作和移動作業(yè)任務的機械裝置。 o美國機器人協會（美國機器人協會（RIA）的定義：）的定義：機器人是一種用于移動各種材料、零件、 工具或專用裝置的，通過可編程序動作來執(zhí)行種種任務的，并具有編程能力的 多功能機械手。 o日本工業(yè)機器人協會（日本工業(yè)機器人協會（JIRA）的定義：）的定義：工業(yè)機器人是一種裝備有記憶裝置和 末端執(zhí)行器的，能夠轉動并通過自動完成各種移動來代替人類勞動的通用機器。 機電工程學院機

11、電工程學院 2021-6-1 1.1.2 機器人的定義 o森政弘與合田周平森政弘與合田周平提出的定義：“機器人是一種具有移動性、 個體性、智能性、通用性、半機械半人性、自動性、奴隸性等7 個特征的柔性機器”。從這一定義出發(fā)，森政弘又提出了用自 動性、智能性、個體性、半機械半人性、作業(yè)性、通用性、信 息性、柔性、有限性、移動性等10個特性來表示機器人的形象。 o日本早稻田大學加藤一朗加藤一朗（日本機器人之父） 教授認為：機器 人是由能工作的手，能行動的腳和有意識的頭腦組成的個體， 同時具有非接觸傳感器（相當于耳、目）、接觸傳感器（相當 于皮膚）、固有感及平衡感等感覺器官的能力。 機電工程學院機電

12、工程學院 2021-6-1 1.1.2 機器人的定義 o概括各種機器人的性能，可以按以下特征來描述機器人： 1. 機器人的動作機構具有類似于人或其他生物體某些器官 ( 如 肢體、感官等 ) 的功能； 2. 機器人具有通用性，工作種類多樣，動作程序靈活易變， 是柔性加工主要組成部分； 3. 機器人具有不同程度的智能，如記憶、感知、推理、決 策、學習等； 4. 機器人具有獨立性，完整的機器人系統，在工作中可以 不依賴于人的干預 機電工程學院機電工程學院 2021-6-1 1.1.3機器人學的基本概念 o機器人學 n機器人基礎理論與方法。（如運動學和動力學、運動規(guī)劃等） n機器人設計理論與技術。（如

13、機器人機構分析、結構設計與優(yōu)化等） n機器人仿生學。（如機器人結構特性與功能仿生等） n機器人系統理論與技術。（機器人語言、人機交互等） n機器人操作和移動理論與技術。（機器人裝配、移動、步態(tài)等） n微機器人技術。（微機器人設計、制造與控制等） o機器人三定律 n機器人必須不危害人類，也不允許它眼看人類將受害而袖手旁觀。 n機器人必須覺得服從人類，除非這與第一原則矛盾。 n機器人必須保護自身不受傷害，除非這與第一或第二原則矛盾。 機電工程學院機電工程學院 2021-6-1 1.1.3機器人學的基本概念 o 自由度 n機器人所具有的獨立坐標軸的運動數目。 o 工作空間 n機器人手臂末端執(zhí)行器或手

14、腕中心所能達到的所有空間 點的集合也叫工作區(qū)域。 o 定位精度與重復定位精度 n定位精度：實際到達位置與目標位置的差異 n重復定位精度：重復定位到同一目標位置的能力 機電工程學院機電工程學院 2021-6-1 1.2 機器人的應用 o 機器人的分類 o 機器人的應用介紹 o 并聯結構機器人介紹 機電工程學院機電工程學院 2021-6-1 1.2.1機器人的分類 o按照由低級高級的發(fā)展程度可分為三類機器人 n第一代機器人第一代機器人（First Generation Robots）：即可編程、示 教再現工業(yè)機器人機器人，已進入商品化、實用化。 n第二代機器人第二代機器人（Second Gener

15、ation Robots）：裝備有一 定的傳感裝置，能獲取作業(yè)環(huán)境、操作對象的簡單信息，通過 計算機處理、分析，能作出簡單的推理，對動作進行反饋的機 器人，通常稱為低級智能機器人，由于信息處理系統的龐大與 昂貴，第二代機器人目前只有少數可投入應用 n第三代機器人第三代機器人（Third Generation Robots）：具有高度適 應性的自治機器人。它具有多種感知功能，可進行復雜的邏輯 思維、判斷決策，在作業(yè)環(huán)境中獨立行動。第三代機器人又稱 作高級智能機器人，目前還處于研究階段 機電工程學院機電工程學院 2021-6-1 1.2.1機器人的分類 o 按照結構形態(tài)，負載能力和動作范圍劃分可

16、分為： n 超大型機器人：負載能力 1000 kg 以上。 n 大型機器人：100-1000 kg / 10 m 以上 n 中型機器人：10-100 kg / 1 10 m n 小型機器人：0.1-10 kg / 0.1-1 m n 超小型機器人：0.1 kg 以下 / 0.1 m以下 機電工程學院機電工程學院 2021-6-1 1.2.1機器人的分類 o 按照應用和目的劃分可分為： n 工業(yè)機器人 n 極限機器人 n 服務機器人 n 類人機器人 機電工程學院機電工程學院 2021-6-1 1.2.2 機器人的應用介紹 o 工業(yè)機器人 o 極限機器人 o 服務機器人 o 類人機器人 機電工程學

17、院機電工程學院 2021-6-1 1.2.2 機器人的應用介紹 o 工業(yè)機器人（焊接，裝配，搬運） 汽車裝配機器人 機電工程學院機電工程學院 2021-6-1 1.2.2 機器人的應用介紹 o 工業(yè)機器人（焊接，裝配，搬運） 焊接機器人 機電工程學院機電工程學院 2021-6-1 1.2.2 機器人的應用介紹 o 工業(yè)機器人（焊接，裝配，搬運） Motoman_Robotic_Applications.flv 機電工程學院機電工程學院 2021-6-1 1.2.2 機器人的應用介紹 o 極限作業(yè)機器人 海洋探測機器人 機電工程學院機電工程學院 2021-6-1 1.2.2 機器人的應用介紹 o

18、 極限作業(yè)機器人 空間探測機器人 機電工程學院機電工程學院 2021-6-1 1.2.2 機器人的應用介紹 o 極限作業(yè)機器人 moon.flv 空間探測機器人 機電工程學院機電工程學院 2021-6-1 1.2.2 機器人的應用介紹 o 極限作業(yè)機器人 德國的排爆機器人沈陽自動化所的排爆機器人 機電工程學院機電工程學院 2021-6-1 1.2.2 機器人的應用介紹 o 極限作業(yè)機器人 “暗星暗星”無人機無人機 “別動隊別動隊”無人無人 機機 法國法國“紅隼紅隼”無人無人 機機 高空無人偵察機高空無人偵察機 無無 人人 機機 機電工程學院機電工程學院 2021-6-1 1.2.2 機器人的應

19、用介紹 o 極限作業(yè)機器人 微型飛行器微型飛行器 機電工程學院機電工程學院 2021-6-1 1.2.2 機器人的應用介紹 o 極限作業(yè)機器人 Future_Weapons-_Global_Hawk_- _UAV.flv Chinese_unmanned_aerial_vehicles_.flv UAV_-_Casper_250.flv 機電工程學院機電工程學院 2021-6-1 1.2.2 機器人的應用介紹 o 極限作業(yè)機器人 微操作機器人探測系統 機電工程學院機電工程學院 2021-6-1 1.2.2 機器人的應用介紹 o 極限作業(yè)機器人 復合式盾構掘進機 隧道鑿巖機器人 機電工程學院機電

20、工程學院 2021-6-1 1.2.2 機器人的應用介紹 o 娛樂機器人 足球機器人 四足運動機器人 機電工程學院機電工程學院 2021-6-1 1.2.2 機器人的應用介紹 o 娛樂機器人 音樂機器人舞蹈機器人 機電工程學院機電工程學院 2021-6-1 1.2.2 機器人的應用介紹 o 娛樂機器人 禮儀機器人 機電工程學院機電工程學院 2021-6-1 1.2.2 機器人的應用介紹 o 娛樂機器人 Robocup.flv 機器人大賽 機電工程學院機電工程學院 2021-6-1 1.2.2 機器人的應用介紹 o 類人機器人 Sony公司仿人機器人 本田公司仿人機器人 機電工程學院機電工程學院

21、 2021-6-1 1.2.2 機器人的應用介紹 o 類人機器人 Sony公司仿人機器人 機電工程學院機電工程學院 2021-6-1 1.2.2 機器人的應用介紹 o 類人機器人 機電工程學院機電工程學院 2021-6-1 1.2.2 機器人的應用介紹 o 類人機器人 北理工 “匯童”機器人 機電工程學院機電工程學院 2021-6-1 1.2.2 機器人的應用介紹 o 高性能機器人研究前沿 Big_Dog.flv 機電工程學院機電工程學院 2021-6-1 1.2.3 并聯機器人介紹 o 并聯機器人 并聯結構機器人 串聯結構機器人 機電工程學院機電工程學院 2021-6-1 1.2.3 并聯機器人介紹 o 并聯機器人 并聯結構飛行模擬器 機電工程學院機電工程學院 2021-6-1 1.2