機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)

機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)第1頁，共36頁，2023年，2月20日，星期五22004/2005

學(xué)年春季學(xué)期教學(xué)日歷

院系名稱：機(jī)電工程學(xué)院課程名稱：機(jī)器人技術(shù)總學(xué)時(shí)：36學(xué)分：2課程類別：XW

授課起止周數(shù)：

1~9

適用學(xué)科、專業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)及理論；機(jī)械制造及其自動(dòng)化、機(jī)械電子工程等時(shí)間、地點(diǎn)方式時(shí)數(shù)教學(xué)

(授

課

或

討

論

)內(nèi)

容教材頁數(shù)及參考文獻(xiàn)范圍周序星期節(jié)次地點(diǎn)課堂講授課堂討論1二7~8D13√

2機(jī)器人的定義、分類及發(fā)展概況蔡自興<<機(jī)器人學(xué)>>蔣新松<<機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論>>1四5~6D13√

2機(jī)器人的組成、構(gòu)型及性能要素蔡自興<<機(jī)器人學(xué)>>蔣新松<<機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論>>2二7~8D13√

2機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)器與傳動(dòng)系統(tǒng)，機(jī)器人的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)馬香峰<<工業(yè)機(jī)器人的操作機(jī)設(shè)計(jì)>>費(fèi)仁元<<機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)和分析>>2四5~6D13√

2機(jī)器人的手部結(jié)構(gòu)，機(jī)器人的平衡機(jī)構(gòu)馬香峰<<工業(yè)機(jī)器人的操作機(jī)設(shè)計(jì)>>

費(fèi)仁元<<機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)和分析>>3二7~8D13√

2并聯(lián)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)柳洪義<<機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)>>費(fèi)仁元<<機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)和分析>>3四5~6D13√

2機(jī)器人的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)：位置與姿態(tài)描述，齊次坐標(biāo)變換付京孫<<機(jī)器人學(xué)>>蔡自興<<機(jī)器人學(xué)>>4二7~8D13√

2齊次變換矩陣及其幾何意義，習(xí)題舉例付京孫<<機(jī)器人學(xué)>>蔡自興<<機(jī)器人學(xué)>>第2頁，共36頁，2023年，2月20日，星期五32004/2005

學(xué)年春季學(xué)期教學(xué)日歷4四5~6D13√

2機(jī)器人的結(jié)構(gòu)參數(shù)和坐標(biāo)系的建立，Denavit-Hartenberg矩陣付京孫<<機(jī)器人學(xué)>>蔡自興<<機(jī)器人學(xué)>>5二7~8D13√

2機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)正解，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解付京孫<<機(jī)器人學(xué)>>蔡自興<<機(jī)器人學(xué)>>5四5~6D13√

2機(jī)器人的微分運(yùn)動(dòng)及變換，機(jī)器人雅可比矩陣付京孫<<機(jī)器人學(xué)>>蔡自興<<機(jī)器人學(xué)>>6二7~8D13√

2機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)題舉例，并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)簡(jiǎn)介付京孫<<機(jī)器人學(xué)>>，黃真<<并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)理論及控制>>

6四5~6D13√

2機(jī)器人的工作空間，機(jī)器人靜態(tài)力學(xué)計(jì)算付京孫<<機(jī)器人學(xué)>>蔡自興<<機(jī)器人學(xué)>>7二7~8D13√

2機(jī)器人動(dòng)力學(xué)研究?jī)?nèi)容及建模方法，拉格朗日方程付京孫<<機(jī)器人學(xué)>>蔡自興<<機(jī)器人學(xué)>>7四5~6D13√

2拉格朗日方程的一般形式，牛頓—?dú)W拉方程付京孫<<機(jī)器人學(xué)>>蔡自興<<機(jī)器人學(xué)>>8二7~8D13√

2剛性機(jī)器人動(dòng)力學(xué)方程舉例，彈性機(jī)器人動(dòng)力學(xué)簡(jiǎn)介付京孫<<機(jī)器人學(xué)>>蔡自興<<機(jī)器人學(xué)>>8四5~6D13√

2機(jī)器人規(guī)劃的作用與任務(wù)，機(jī)器人的軌跡規(guī)劃付京孫<<機(jī)器人學(xué)>>蔡自興<<機(jī)器人學(xué)>>9二7~8D13√

2機(jī)器人控制與感覺技術(shù)簡(jiǎn)介付京孫<<機(jī)器人學(xué)>>蔡自興<<機(jī)器人學(xué)>>9四5~6D13√

2機(jī)器人控制與感覺技術(shù)簡(jiǎn)介，課程總結(jié)付京孫<<機(jī)器人學(xué)>>蔡自興<<機(jī)器人學(xué)>>第3頁，共36頁，2023年，2月20日，星期五4

第一章緒論1.1機(jī)器人的定義、分類及發(fā)展概況1.1.1機(jī)器人的定義

機(jī)器人問世已有幾十年，但沒有一個(gè)統(tǒng)一的意見。原因之一是機(jī)器人還在發(fā)展，另一原因主要是因?yàn)闄C(jī)器人涉及到了人的概念，成為一個(gè)難以回答的哲學(xué)問題。也許正是由于機(jī)器人定義的模糊，才給了人們充分的想象和創(chuàng)造空間。

美國(guó)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)行各種任務(wù)，并具有編程能力的多功能操作機(jī)（Manipulator）。美國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局：一種能夠進(jìn)行編程并在自動(dòng)控制下完成某些操作和移動(dòng)作業(yè)任務(wù)或動(dòng)作的機(jī)械裝置。

第4頁，共36頁，2023年，2月20日，星期五5

1987年國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)對(duì)工業(yè)機(jī)器人的定義：“工業(yè)機(jī)器人是一種具有自動(dòng)控制的操作和移動(dòng)功能，能完成各種作業(yè)的可編程操作機(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，能夠完成某些操作或者動(dòng)作功能。

英國(guó)：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(guó)：我國(guó)科學(xué)家對(duì)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”。第5頁，共36頁，2023年，2月20日，星期五6

盡管各國(guó)定義不同，但基本上指明了作為“機(jī)器人”所具有的二個(gè)共同點(diǎn)：是一種自動(dòng)機(jī)械裝置，可以在無人參與下，自動(dòng)完成多種操作或動(dòng)作功能，即具有通用性。

可以再編程，程序流程可變，即具有柔性(適應(yīng)性）。

機(jī)器人集中了機(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。第6頁，共36頁，2023年，2月20日，星期五71.1.2機(jī)器人的發(fā)展歷史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》?？ㄅ蹇嗽趧”局邪呀菘苏Z“Robota”寫成了“Robot”，引起了大家的廣泛關(guān)注，被當(dāng)成了機(jī)器人一詞的起源。1950年，美國(guó)作家埃薩克·阿西莫夫在他的科幻小說《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”。第7頁，共36頁，2023年，2月20日，星期五81954年，美國(guó)人GeorgeC.Devol提出了第一個(gè)工業(yè)機(jī)器人方案并在1956年獲得美國(guó)專利。

1960年，Conder公司購(gòu)買專利并制造了樣機(jī)。

1961年，Unimation公司（通用機(jī)械公司）成立，生產(chǎn)和銷售了第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器“Unimate”，即萬能自動(dòng)之意。1962年，A.M.F.（機(jī)械與鑄造）公司，研制出一臺(tái)數(shù)控自動(dòng)通用機(jī)，取名“Versatran”，即多用途搬運(yùn)之意，并以“IndustrialRobot”為商品廣告投入市場(chǎng)。

第8頁，共36頁，2023年，2月20日，星期五91967年，Unimation公司第一臺(tái)噴涂用機(jī)器人出口到日本川崎重工業(yè)公司。1968年，第一臺(tái)智能機(jī)器人Shakey在斯坦福研究所誕生。

1972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，第一臺(tái)PUMA機(jī)器人在Unimation公司誕生。1982年，Westinghouse公司兼并Unimation公司，隨后又賣給了瑞士的Staubli公司。

1990年，CincinnatiMilacron公司被瑞士ABB公司兼并。第9頁，共36頁，2023年，2月20日，星期五10日本、西歐各國(guó)、前蘇聯(lián)也相斷引進(jìn)或自行研制工業(yè)機(jī)器人。60～70年代是機(jī)器技術(shù)獲得巨大發(fā)展的階段。80年代，機(jī)器人在發(fā)達(dá)國(guó)家的工業(yè)中大量普及應(yīng)用，如焊接、噴漆、搬運(yùn)、裝配。并向各個(gè)領(lǐng)域拓展，如航天、水下、排險(xiǎn)、核工業(yè)等，機(jī)器人的感知技術(shù)得到相應(yīng)的發(fā)展，產(chǎn)生第二代機(jī)器人。90年代，機(jī)器人技術(shù)在發(fā)達(dá)國(guó)家應(yīng)用更為廣泛，如軍用、醫(yī)療、服務(wù)、娛樂等領(lǐng)域，并開始向智能型（第三代）機(jī)器人發(fā)展。

隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展形成了新學(xué)科—

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(guó)際會(huì)議：ISIP、IEEE——IROS、ICR&A等。國(guó)際雜志：《RobticsResearch》、《Robotica》、《RoboticsandAutomation》等。第10頁，共36頁，2023年，2月20日，星期五11我國(guó)機(jī)器人技術(shù)起步較晚，70年代末，一些院校和企業(yè)，開始研制專用機(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(guó)內(nèi)第一臺(tái)弧焊機(jī)器人（華宇Ⅰ號(hào)）。

國(guó)家“863”計(jì)劃把機(jī)器人技術(shù)作為重點(diǎn)發(fā)展技術(shù)來支持。建立了“機(jī)器人示范工程中心”和機(jī)器人國(guó)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)）。

我國(guó)也建立了機(jī)器人學(xué)的學(xué)術(shù)組織，定期舉辦學(xué)術(shù)活動(dòng)。學(xué)術(shù)會(huì)議：每?jī)赡曜笥胰マk一次大型全國(guó)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。第11頁，共36頁，2023年，2月20日，星期五121.1.3機(jī)器人的分類機(jī)器人的種類很多?？梢园打?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（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)器人第12頁，共36頁，2023年，2月20日，星期五13（2）特種機(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第13頁，共36頁，2023年，2月20日，星期五143、按智能水平劃分分類名稱簡(jiǎn)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?？勺冺樞驒C(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(duì)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第14頁，共36頁，2023年，2月20日，星期五151.1.4機(jī)器人技術(shù)展望

進(jìn)入90年代后,機(jī)器人數(shù)量增長(zhǎng)速度下降,但由于人工智能、計(jì)算機(jī)科學(xué)、傳感器技術(shù)的長(zhǎng)足進(jìn)步，使機(jī)器人技術(shù)研究在高水平上進(jìn)行。未來機(jī)器人技術(shù)將有待于在以下幾個(gè)方面發(fā)展。一、操作臂技術(shù)1．

高速操作臂：機(jī)構(gòu)，伺服驅(qū)動(dòng)，動(dòng)態(tài)控制方法；2．

柔性操作臂：提高荷重比（＜30∶10），輕質(zhì)材料；3．

冗余自由度臂；4．

高精度、多自由度力控制：精密組裝；5．

微型操作臂。第15頁，共36頁，2023年，2月20日，星期五16二、移動(dòng)技術(shù)1、新型移動(dòng)機(jī)構(gòu)：適合非結(jié)構(gòu)環(huán)境的移動(dòng)機(jī)構(gòu)；2、運(yùn)動(dòng)控制：建模、制導(dǎo)、導(dǎo)航、路徑規(guī)劃。三、感知技術(shù)1、視覺：圖像識(shí)別與處理；2、手眼協(xié)調(diào)；3、接觸覺小型化；4、多信息融合。四、自主控制技術(shù)1、分布式計(jì)算機(jī)控制技術(shù)；2、人工智能技術(shù)。第16頁，共36頁，2023年，2月20日，星期五1720公斤點(diǎn)焊機(jī)器人點(diǎn)焊機(jī)器人在工作中6公斤弧焊機(jī)器人工業(yè)機(jī)器人（一）弧焊機(jī)器人在工作中第17頁，共36頁，2023年，2月20日，星期五18涂膠機(jī)器人龍門式噴漆機(jī)器人SCARA型裝配機(jī)器人工業(yè)機(jī)器人（二）搬運(yùn)機(jī)器人碼垛機(jī)器人噴漆機(jī)器人第18頁，共36頁，2023年，2月20日，星期五19“雙鷹”水下機(jī)器人水下掃雷機(jī)器人“探索者號(hào)”水下機(jī)器人Spirit火星漫游車Marshod火星漫游車CanadaArm太空機(jī)械臂特種機(jī)器人（一）第19頁，共36頁，2023年，2月20日，星期五20美國(guó)“別動(dòng)隊(duì)”無人機(jī)法國(guó)“紅隼”無人機(jī)微型無人機(jī)特種機(jī)器人（二）豹式排雷機(jī)器人“徘徊者”偵察機(jī)器人“手推車”機(jī)器人機(jī)器人助手第20頁，共36頁，2023年，2月20日，星期五21特種機(jī)器人（三）足球機(jī)器人AIBO機(jī)器狗指揮機(jī)器人迎賓機(jī)器人導(dǎo)盲機(jī)器人跳舞機(jī)器人醫(yī)療機(jī)器人第21頁，共36頁，2023年，2月20日，星期五22特種機(jī)器人（四）管內(nèi)機(jī)器人隧道鑿巖機(jī)器人大型噴漿機(jī)器人室外保安機(jī)器人德國(guó)排爆機(jī)器人消防機(jī)器人防暴機(jī)器人第22頁，共36頁，2023年，2月20日，星期五23第23頁，共36頁，2023年，2月20日，星期五24二、移動(dòng)技術(shù)1、新型移動(dòng)機(jī)構(gòu)：適合非結(jié)構(gòu)環(huán)境的移動(dòng)機(jī)構(gòu)；2、運(yùn)動(dòng)控制：建模、制導(dǎo)、導(dǎo)航、路徑規(guī)劃。三、感知技術(shù)1、視覺：圖像識(shí)別與處理；2、手眼協(xié)調(diào)；3、接觸覺小型化；4、多信息融合。四、自主控制技術(shù)1、分布式計(jì)算機(jī)控制技術(shù)；2、人工智能技術(shù)。第24頁，共36頁，2023年，2月20日，星期五251.2

機(jī)器人的優(yōu)缺點(diǎn)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)；可以在危險(xiǎn)環(huán)境下工作，無需考慮生命保障或安全的需要；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；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)備費(fèi)用開銷較大。第25頁，共36頁，2023年，2月20日，星期五261.3

機(jī)器人的組成、構(gòu)型及性能要素1.3.1

機(jī)器人的組成

機(jī)器人是一個(gè)機(jī)電一體化的設(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)。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)

基座（固定或移動(dòng)）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第26頁，共36頁，2023年，2月20日，星期五27一、執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括：手部、腕部、臂部、腰部和基座等。相當(dāng)于人的肢體。二、驅(qū)動(dòng)裝置包括：驅(qū)動(dòng)源、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等。相當(dāng)于人的肌肉、筋絡(luò)。三、感知反饋系統(tǒng)包括：內(nèi)部信息傳感器，檢測(cè)位置、速度等信息；外部信息傳感器，檢測(cè)機(jī)器人所處的環(huán)境信息。相當(dāng)于人的感官和神經(jīng)。四、控制系統(tǒng)包括：處理器及關(guān)節(jié)伺服控制器等，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。內(nèi)部傳感器（位形檢測(cè)）控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)裝置執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作對(duì)象外部傳感器（環(huán)境檢測(cè)）

1處理器關(guān)節(jié)控制器第27頁，共36頁，2023年，2月20日，星期五281.3.2

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)特性來描述的。

一、工業(yè)機(jī)器人

1、直角坐標(biāo)型(3P)

其運(yùn)動(dòng)是解耦的，控制簡(jiǎn)單。但運(yùn)動(dòng)靈活性較差，自身占據(jù)空間最大。第28頁，共36頁，2023年，2月20日，星期五292、圓柱坐標(biāo)型(R2P)

其運(yùn)動(dòng)耦合性較弱，控制也較簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)靈活性稍好。但自身占據(jù)空間也較大。圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人模型Verstran機(jī)器人Verstran機(jī)器人第29頁，共36頁，2023年，2月20日，星期五303、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)，控制也較復(fù)雜。但運(yùn)動(dòng)靈活性好。占自身據(jù)空間也較小。極坐標(biāo)型機(jī)器人模型Unimate機(jī)器人第30頁，共36頁，20