機(jī)器人技術(shù) 第一章 緒論

機(jī)器人技術(shù)(jìshù)崔學(xué)政(xuézhènɡ)王新慶中國石油大學(xué)（華東）機(jī)電學(xué)院2013精品資料課程(kèchéng)簡介總學(xué)時(shí)數(shù)：36；授課(shòukè)起止周數(shù)：9~16本門課程主要講授機(jī)器人學(xué)的基本理論和相關(guān)技術(shù)，介紹機(jī)器人技術(shù)的現(xiàn)狀、應(yīng)用和發(fā)展趨勢；系統(tǒng)地講述機(jī)器人系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、本體設(shè)計(jì)、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)、機(jī)器人靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)、機(jī)器人的軌跡規(guī)劃等方面的基礎(chǔ)理論和方法，簡要講述機(jī)器人的傳感與反饋、機(jī)器人控制等方面的基本原理和應(yīng)用技術(shù)成績構(gòu)成：?精品資料主要(zhǔyào)參考文獻(xiàn)1、機(jī)器人學(xué)[美]付京遜等著，中國科學(xué)技術(shù)出版社，1989；2、機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論——分析、系統(tǒng)及應(yīng)用(yìngyòng)，[美]SaeedB.Niku著，孫福春等譯，電子工業(yè)出版社，2004；3、機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論[美]JohnJ.Craig著，贠超等譯，機(jī)械工業(yè)出版社，2006；4、機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)原理理論——理論、方法和算法[加]JorgeAngeles著，宋偉剛譯，機(jī)械工業(yè)出版社，2004；5、機(jī)器人學(xué)蔡自興，清華大學(xué)出版社，2000；6、并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)理論及控制黃真等著，機(jī)械工業(yè)出版社，1997精品資料精品資料5第一章緒論(xùlùn)1.1.1機(jī)器人的定義(dìngyì)問題：什么是機(jī)器人？如何定義？1.1機(jī)器人的定義、發(fā)展歷史及分類早期的機(jī)器人（與人相像嗎？）現(xiàn)在的機(jī)器人精品資料6美國機(jī)器人協(xié)會(huì)（RIA)：一種用于移動(dòng)各種材料、零件、工具或?qū)Ｓ醚b置的，通過程序動(dòng)作來執(zhí)行(zhíxíng)各種任務(wù)，并具有編程能力的多功能操作機(jī)。日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)局：一種機(jī)械裝置，在自動(dòng)控制下，能夠完成某些(mǒuxiē)操作或者動(dòng)作功能。

英國：貌似人的自動(dòng)機(jī)，具有智力的和順從于人的但不具有人格的機(jī)器。

中國：我國科學(xué)家對機(jī)器人的定義是：“機(jī)器人是一種自動(dòng)化的機(jī)器，這種機(jī)器具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規(guī)劃能力、動(dòng)作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動(dòng)化機(jī)器”。精品資料7二個(gè)共同點(diǎn)：一種自動(dòng)機(jī)械裝置，可以在無人參與(cānyù)下，自動(dòng)完成多種操作或動(dòng)作功能，即具有通用性?？梢栽倬幊?，程序流程可變，即具有柔性(適應(yīng)性）。機(jī)器人是20世紀(jì)人類偉大的發(fā)明，比爾?蓋茨預(yù)言：機(jī)器人即將重復(fù)PC機(jī)崛起的道路，徹底改變這個(gè)時(shí)代(shídài)的生活方式。機(jī)器人學(xué)集中了機(jī)械工程、材料科學(xué)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制理論及人工智能等多學(xué)科的最新研究成果，代表了機(jī)電一體化的最高成就，是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一。精品資料81.1.2機(jī)器人的發(fā)展(fāzhǎn)歷史1920年，捷克作家卡雷爾·卡佩克發(fā)表了科幻劇本《羅薩姆的萬能機(jī)器人》。卡佩克在劇本中把捷克語“Robota”寫成了“Robot”，被當(dāng)成(dānɡchénɡ)了機(jī)器人一詞的起源。1950年,美國作家埃薩克·阿西莫夫在科幻小說《I，Robot》中首次使用了“Robotics”，即“機(jī)器人學(xué)”。阿西莫夫提出了“機(jī)器人三原則”：1、機(jī)器人不應(yīng)傷害人類,且在人類受到傷害時(shí)不可袖手旁觀；2、機(jī)器人應(yīng)遵守人類的命令，與第一條違背的命令除外；3、機(jī)器人應(yīng)能保護(hù)自己，與第一條相抵觸者除外。

機(jī)器人學(xué)術(shù)界一直將這三原則作為機(jī)器人開發(fā)的準(zhǔn)則，阿西莫夫因此被稱為“機(jī)器人學(xué)之父”。精品資料91954年，美國人GeorgeC.Devol提出(tíchū)了第一個(gè)工業(yè)機(jī)器人方案并在1956年獲得美國專利。1961年，Unimation公司（通用機(jī)械公司），生產(chǎn)和銷售了第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人“Unimate”，即萬能自動(dòng)之意。1962年，A.M.F.（機(jī)械與鑄造）公司，研制(yánzhì)出一臺(tái)數(shù)控自動(dòng)通用機(jī)，取名“Versatran”，即多用途搬運(yùn)之意。精品資料101972年，IBM公司開發(fā)出直角坐標(biāo)機(jī)器人。1973年，CincinnatiMilacron公司推出T3型機(jī)器人。1978年，PUMA機(jī)器人在Unimation公司誕生；1981年，日本(rìběn)山梨大學(xué)牧野洋開發(fā)出了SCARA型機(jī)器人。精品資料111988年，CMU大學(xué)研制出可重構(gòu)模塊化機(jī)械手系統(tǒng)RMMS。1990年，CincinnatiMilacron公司被瑞士(ruìshì)ABB公司兼并。1996年，本田公司P2仿人機(jī)器人，2000年推出ASIMO。2008年，美國波士頓動(dòng)力公司研制出“大狗”(BigDog)；英國科學(xué)家研制了首個(gè)有生物腦的機(jī)器人“米特·戈登”(MeetGordon)精品資料60～70年代，示教再現(xiàn)(zàixiàn)型機(jī)器人為主，稱為第一代機(jī)器人。80年代，工業(yè)機(jī)器人大量應(yīng)用，如焊接、噴漆(pēnqī)、搬運(yùn)、裝配。日本被稱為“機(jī)器人王國”機(jī)器人的感知技術(shù)發(fā)展，產(chǎn)生第二代機(jī)器人（感知型機(jī)器人）。1290年代，智能型（第三代）機(jī)器人發(fā)展，如軍用、醫(yī)療、服務(wù)、娛樂等領(lǐng)域,仿生機(jī)器人也得到了快速發(fā)展。機(jī)器人學(xué)。建立了相應(yīng)學(xué)術(shù)組織，定期舉辦學(xué)術(shù)活動(dòng)。國際會(huì)議：ISIP、IEEE——IROS、ICR&A等。國際雜志：《RobticsResearch》、《Robotica》、

IEEEtransaction

on《RoboticsandAutomation》等。精品資料13我國機(jī)器人技術(shù)起步較晚，70年代末，研制專用機(jī)械手，80年代初，開發(fā)小型的教育機(jī)器人。1985年哈工大研制出國內(nèi)首臺(tái)弧焊機(jī)器人（華宇Ⅰ號(hào)），之后(zhīhòu)，又研制出國內(nèi)第一臺(tái)點(diǎn)焊焊機(jī)器人（華宇Ⅱ號(hào)）。進(jìn)入90年代后，國家“863”計(jì)劃支持。建立了“機(jī)器人示范工程中心”和機(jī)器人國家開放實(shí)驗(yàn)室（沈陽自動(dòng)化所、哈工大、合肥機(jī)械所、上海交大、南開大學(xué)）。產(chǎn)業(yè)化基地(jīdì)：哈爾濱博實(shí)自動(dòng)化設(shè)備公司、沈陽新松機(jī)器人自動(dòng)化股份公司、北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所機(jī)器人工程中心。

學(xué)術(shù)會(huì)議：每兩年左右去辦一次大型全國（國際）性會(huì)議。學(xué)術(shù)刊物：《機(jī)器人》、《機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用》等。精品資料141.1.3機(jī)器人的分類(fēnlèi)機(jī)器人的種類很多?？梢?kěyǐ)按驅(qū)動(dòng)形式、用途、結(jié)構(gòu)和智能水平等觀點(diǎn)劃分１、按驅(qū)動(dòng)形式

氣壓驅(qū)動(dòng)

液壓驅(qū)動(dòng)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)

交流伺服驅(qū)動(dòng)

直流伺服驅(qū)動(dòng)

2、按用途劃分（應(yīng)用領(lǐng)域）（1）工業(yè)機(jī)器人弧焊機(jī)器人點(diǎn)焊機(jī)器人搬運(yùn)機(jī)器人裝配機(jī)器人噴涂機(jī)器人拋光機(jī)器人精品資料15（2）特種(tèzhǒng)機(jī)器人空間機(jī)器人

水下機(jī)器人軍用機(jī)器人教學(xué)機(jī)器人

服務(wù)機(jī)器人

醫(yī)用機(jī)器人

排險(xiǎn)救災(zāi)機(jī)器人

固定式移動(dòng)式輪式履帶式足式蛇行精品資料163、按智能水平(shuǐpíng)劃分分類名稱簡要解釋人工操作裝置有幾個(gè)自由度，有操作員操縱，能實(shí)現(xiàn)若干預(yù)定的功能。固定順序機(jī)器人按預(yù)定的不變順序及條件，依次控制機(jī)器人的機(jī)械動(dòng)作。可變順序機(jī)器人按預(yù)定的順序及條件，依次控制機(jī)器人的機(jī)械動(dòng)作。但順序和條件可作適當(dāng)改變。示教再現(xiàn)型機(jī)器人通過手動(dòng)或其它方式，先引導(dǎo)機(jī)器人動(dòng)作，記錄下工作程序，機(jī)器人則自動(dòng)重復(fù)進(jìn)行作業(yè)。數(shù)控型機(jī)器人不必使機(jī)器人動(dòng)作，通過數(shù)值、語言等為機(jī)器人提供運(yùn)動(dòng)程序，能進(jìn)行可變程伺服控制。感知型機(jī)器人利用傳感器獲取的信息控制機(jī)器人的動(dòng)作。機(jī)器人對環(huán)境有一定的適應(yīng)性。智能機(jī)器人機(jī)器人具有感知和理解外部環(huán)境的能力，即使環(huán)境發(fā)生變化，也能夠成功的完成任務(wù)。第一代第二代第三代精品資料171.2

機(jī)器人的優(yōu)缺點(diǎn)二、缺點(diǎn)替代了工人，由此帶來經(jīng)濟(jì)和社會(huì)問題；缺乏應(yīng)急能力；靈活性、自適應(yīng)能力還欠缺；設(shè)備(shèbèi)費(fèi)用開銷較大。一、優(yōu)點(diǎn)能不知疲倦、不厭其煩的持續(xù)工作，不會(huì)有心理問題；具有比人更高的精確度、速度；可以同時(shí)相應(yīng)多個(gè)激勵(lì)或處理多項(xiàng)任務(wù)；可以在危險(xiǎn)環(huán)境下工作，無需考慮生命保障或安全需要；無需舒適的環(huán)境，如照明、空調(diào)、噪音隔離等；其感知系統(tǒng)及其附屬設(shè)備具有某些人類所不具有的能力。精品資料181.3機(jī)器人技術(shù)(jìshù)的發(fā)展趨勢機(jī)器人在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)、旅游業(yè)、醫(yī)療、公共安全、空間(kōngjiān)和海洋以及國防等諸多領(lǐng)域獲得越來越普遍的應(yīng)用。未來機(jī)器人技術(shù)將有待于在以下方面發(fā)展。一、機(jī)器人機(jī)構(gòu)新型機(jī)器人機(jī)構(gòu)：新型驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)，新型材料，柔性臂，冗余自由度臂，并聯(lián)機(jī)器人。

仿人與仿生機(jī)構(gòu)：緊湊型多自由度機(jī)構(gòu)，非結(jié)構(gòu)環(huán)境的特殊移動(dòng)機(jī)構(gòu)；

極限環(huán)境下的機(jī)器人機(jī)構(gòu)：如空間(kōngjiān)、水下等。

微型機(jī)構(gòu)：驅(qū)動(dòng)、元器件、零部件、制造工藝等。精品資料19二、感覺技術(shù)各種新型傳感器的開發(fā)及其小型化；主動(dòng)視覺與高速運(yùn)動(dòng)視覺；多傳感器系統(tǒng)(xìtǒng)與多信息融合；惡劣工況下的傳感技術(shù)；三、控制技術(shù)先進(jìn)控制理論；分組協(xié)調(diào)控制與群控；人機(jī)交互（虛擬現(xiàn)實(shí)、遙操作(cāozuò)和人機(jī)合作）；基于傳感信息的規(guī)劃與導(dǎo)航；機(jī)器智能（自主操作(cāozuò)、自主控制、自我學(xué)習(xí)）；多智能體系統(tǒng)。精品資料201.4機(jī)器人的組成、構(gòu)型及性能(xìngnéng)要素1.4.1機(jī)器人的組成(zǔchénɡ)

機(jī)器人是一個(gè)高度自動(dòng)化的機(jī)電一體化設(shè)備。從控制觀點(diǎn)來看，機(jī)器人系統(tǒng)可以分成四大部分：機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)裝置、控制系統(tǒng)、感知反饋系統(tǒng)。內(nèi)部傳感器（位形檢測）控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)裝置外部傳感器（環(huán)境檢測）處理器關(guān)節(jié)控制器感知反饋系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作對象精品資料21執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)預(yù)期的動(dòng)作或操作；相當(dāng)于人的肢體。驅(qū)動(dòng)裝置為執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力；相當(dāng)于人的肌肉、筋絡(luò)。感知反饋系統(tǒng)檢測執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置、速度等信息以及機(jī)器人所處的環(huán)境信息；相當(dāng)于人的感官(gǎnguān)和神經(jīng)?？刂葡到y(tǒng)進(jìn)行任務(wù)及信息處理，并給出控制信號(hào)；相當(dāng)于人的大腦和小腦。機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)裝置控制系統(tǒng)感知系統(tǒng)手部腕部臂部腰部電驅(qū)動(dòng)裝置液壓驅(qū)動(dòng)裝置氣壓驅(qū)動(dòng)裝置處理器關(guān)節(jié)伺服控制器內(nèi)部傳感器外部傳感器

基座（固定或移動(dòng)）精品資料221.4.2

機(jī)器人的構(gòu)型機(jī)器人的機(jī)械配置形式即構(gòu)型多種多樣。最常見的構(gòu)型是用其坐標(biāo)特性(tèxìng)來描述的。一、工業(yè)(gōngyè)機(jī)器人

1、直角坐標(biāo)型(3P)

其運(yùn)動(dòng)是解耦的，控制簡單。但運(yùn)動(dòng)靈活性較差，自身占據(jù)空間最大，工作空間外形為矩形。精品資料232、圓柱坐標(biāo)(zuòbiāo)型(R2P)其運(yùn)動(dòng)耦合性較弱，控制也較簡單，運(yùn)動(dòng)靈活性稍好。但自身占據(jù)空間也較大，工作空間外形為圓柱形。圓柱坐標(biāo)(zuòbiāo)型機(jī)器人模型Verstran機(jī)器人Verstran機(jī)器人精品資料243、極坐標(biāo)型（也稱球面坐標(biāo)型）(2RP)其運(yùn)動(dòng)耦合性較強(qiáng)，控制(kòngzhì)也較復(fù)雜。但運(yùn)動(dòng)靈活性好。占自身據(jù)空間也較小，工作空間外形為球形。極坐標(biāo)型機(jī)器人模型(móxíng)Unimate機(jī)器人精品資料254、關(guān)節(jié)坐標(biāo)型(3R)其運(yùn)動(dòng)耦合性強(qiáng)，控制較復(fù)雜。但運(yùn)動(dòng)靈活性最好，自身占據(jù)(zhànjù)空間最小，工作空間外形為復(fù)雜曲面。關(guān)節(jié)(guānjié)型搬運(yùn)機(jī)器人關(guān)節(jié)型焊接機(jī)器人關(guān)節(jié)型機(jī)器人模型精品資料265、平面關(guān)節(jié)型(SCARA)僅平面運(yùn)動(dòng)有耦合性，控制較通用(tōngyòng)關(guān)節(jié)型簡單。但運(yùn)動(dòng)靈活性更好，鉛垂平面剛性好，工作空間外形為圓柱形。SCARA型裝配(zhuāngpèi)機(jī)器人精品資料271、二自由度移動(dòng)機(jī)器人具有一個(gè)(yīɡè)移動(dòng)自由度和一個(gè)(yīɡè)轉(zhuǎn)向自由度的移動(dòng)機(jī)器人。

二、移動(dòng)機(jī)器人

B21robot精品資料282、三自由度移動(dòng)(yídòng)機(jī)器人具有二個(gè)方向移動(dòng)(yídòng)自由度和一個(gè)轉(zhuǎn)向自由度的移動(dòng)(yídòng)機(jī)器人，也稱為全方位移動(dòng)(yídòng)機(jī)器人。XR4000robot二自由度輪式移動(dòng)(yídòng)機(jī)構(gòu)

三自由度輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)

運(yùn)動(dòng)靈活性比較——精品資料1、仿生型根據(jù)所仿對象的運(yùn)動(dòng)特征而定。自由度一般較多，具有(jùyǒu)更強(qiáng)的適應(yīng)性和靈活性，但控制更復(fù)雜，成本更高ＡＳＩＭＯＪｕｓｔｉｎＮＡＳＡ機(jī)器人宇航員三、特種(tèzhǒng)機(jī)器人精品資料30Smartbird仿魚機(jī)器人BigdogＤＬＲＣＲＡＷＥＲ精品資料國內(nèi)五指(wǔzhǐ)靈巧手精品資料32四、機(jī)器人化工程機(jī)械高度(gāodù)自動(dòng)化的工程機(jī)械。大型(dàxíng)噴漿機(jī)器人機(jī)器人碼垛機(jī)精品資料TheDaVinciroboticsystemforlaparoscopicsurgery精品資料341.4.3機(jī)器人的性能(xìngnéng)要素自由度數(shù)衡量機(jī)器人適應(yīng)性和靈活性的重要指標(biāo)，一般等于機(jī)器人的關(guān)節(jié)數(shù)。機(jī)器人所需要的自由度數(shù)決定與其作業(yè)(zuòyè)任務(wù)。

負(fù)荷能力機(jī)器人在滿足其它性能要求的前提下，能夠承載的負(fù)荷重量。

運(yùn)動(dòng)范圍機(jī)器人在其工作區(qū)域內(nèi)可以達(dá)到的最大距離。它是機(jī)器人關(guān)節(jié)長度和其構(gòu)型的函數(shù)。

運(yùn)動(dòng)速度單關(guān)節(jié)速度；合成速度。

精度指機(jī)器人到達(dá)指定點(diǎn)的精確程度。它與機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器的分辨率及反饋裝置有關(guān)。必要時(shí)可進(jìn)行補(bǔ)償。精品資料35控制(kòngzhì)模式引導(dǎo)或點(diǎn)到點(diǎn)示教模式；連續(xù)軌跡示教模式；軟件編程模式；自主模式。其它動(dòng)態(tài)特性(tèxìng)如穩(wěn)定性、柔順性等。

重復(fù)精度指機(jī)器人重復(fù)到達(dá)同樣位置的精確程度。它不僅與機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器的分辨率及反饋裝置有關(guān)，還與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的精度及機(jī)器人的動(dòng)態(tài)性能有關(guān)。重復(fù)精度比精度更重要。主要參考文獻(xiàn)：（1）[美]付京遜等，機(jī)器人學(xué)，中國科學(xué)技術(shù)出版社，1989（2）孟慶鑫等，機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2006電子工業(yè)出版社，2004（3）蔡自興，機(jī)器人學(xué)，清華大學(xué)出版社，2000（4）[美]JohnJ.