1、機(jī)器人技術(shù) 1 機(jī)器人簡(jiǎn)介,機(jī)器人技術(shù),機(jī)器人技術(shù),一、機(jī)器人簡(jiǎn)介 二、機(jī)器人硬件系統(tǒng) 三、機(jī)器人相關(guān)技術(shù) 四、機(jī)器人坐標(biāo)系統(tǒng) 五、示教再現(xiàn)式編程 六、案例實(shí)現(xiàn),機(jī)器人技術(shù),機(jī)器人技術(shù),1.1 機(jī)器人的定義,美國(guó)機(jī)器人協(xié)會(huì)（RIA）的機(jī)器人定義：“機(jī)器人是用以搬運(yùn)材料、零件、工具的可編程序的多功能操作器或是通過(guò)可改變程序動(dòng)作來(lái)完成各種作業(yè)的特殊機(jī)械裝置。” 日本工業(yè)機(jī)器人協(xié)會(huì)（JIRA）的定義：“工業(yè)機(jī)器人是一種裝備有記憶裝置和末端執(zhí)行器（ end effector）的，能夠轉(zhuǎn)動(dòng)并通過(guò)自動(dòng)完成各種移動(dòng)來(lái)代替人類(lèi)勞動(dòng)的通用機(jī)器?！?1、機(jī)器人簡(jiǎn)介,機(jī)器人技術(shù),1.1 機(jī)器人的定義,美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局

2、（NBS ）的定義：“機(jī)器人是一種能夠進(jìn)行編程并在自動(dòng)控制下執(zhí)行某些操作和移動(dòng)作業(yè)任務(wù)的機(jī)械裝置”。 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)的定義：“機(jī)器人是一種自動(dòng)的、位置可控的、具有編程能力的多功能機(jī)械手，這種機(jī)械手具有幾個(gè)軸，能夠借助于可編程序操作來(lái)處理各種材料、零件、工具和專(zhuān)用裝置，以執(zhí)行種種任務(wù)?！?1、機(jī)器人簡(jiǎn)介,機(jī)器人技術(shù),1.1 機(jī)器人的定義,1、機(jī)器人簡(jiǎn)介,在我國(guó)1989年的國(guó)標(biāo)草案中，工業(yè)機(jī)器人被定義為：一種自動(dòng)定位控制，可重復(fù)編程的多功能的，多自由度的操作機(jī)。操作機(jī)被定義為：具有和人手臂相似的動(dòng)作功能，可在空間抓取物體或進(jìn)行其他操作的機(jī)械裝置。,機(jī)器人技術(shù),1）機(jī)器人的動(dòng)作機(jī)構(gòu)具有類(lèi)似

3、與人或其它生物的某些器官的功能。 2）是一種自動(dòng)機(jī)械裝置，可以在無(wú)人參與下（獨(dú)立性），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）。 3）具有不同程度的智能性，如記憶、感知、推理、決策、學(xué)習(xí)。,一般認(rèn)為機(jī)器人應(yīng)具有的共同點(diǎn)為：,1、機(jī)器人簡(jiǎn)介,機(jī)器人技術(shù),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(wàn)能機(jī)器人?？ㄅ蹇嗽趧”局邪呀菘苏Z(yǔ)“Robota”寫(xiě)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(shuō)I，Robot中首次使用了“Robotics” ，

4、即“機(jī)器人學(xué)”。,1、機(jī)器人簡(jiǎn)介,機(jī)器人技術(shù),8,金手指考試網(wǎng) 2016年金手指駕駛員考試科目一 科目四 元貝駕考網(wǎng) 科目一科目四仿真考試題C1,Grammar,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(lèi),且在人類(lèi)受到傷害時(shí)不可袖手旁觀(guān)； 2 機(jī)器人應(yīng)遵守人類(lèi)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(kāi)發(fā)的準(zhǔn)則，阿西莫夫因此被稱(chēng)為“機(jī)器人學(xué)之父”。,1.2 機(jī)器人的發(fā)展歷史,1、機(jī)器人簡(jiǎn)介,機(jī)器人技術(shù),機(jī)器人技術(shù),1954年美國(guó)George Devol最早提出了工業(yè)機(jī)器人的思想，發(fā)明了一種可編程序的關(guān)節(jié)型

5、搬運(yùn)裝置，該裝置的要點(diǎn)是借助于伺服技術(shù)控制機(jī)器人的關(guān)節(jié)，利用人手對(duì)機(jī)器人進(jìn)行示教，機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)動(dòng)作的記錄和再現(xiàn)，這就是所謂的示教再現(xiàn)機(jī)器人。在此基礎(chǔ)上，1958年美國(guó)的CONSOLIDATEEL公司制造了第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人。,1、機(jī)器人簡(jiǎn)介,1.2 機(jī)器人的發(fā)展歷史,1961年，Unimation公司（通用機(jī)械公司）成立，生產(chǎn)和銷(xiāo)售了第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器“Unimate”，即萬(wàn)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“Industrial Robot”為商品廣告投入市場(chǎng)。 計(jì)算機(jī)控制的機(jī)器人，1974 197

6、8年，第一臺(tái)PUMA機(jī)器人在Unimation公司誕生。,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。6070年代是機(jī)器技術(shù)獲得巨大發(fā)展的階段。,1、機(jī)器人簡(jiǎn)介,1.2 機(jī)器人的發(fā)展歷史,機(jī)器人技術(shù),機(jī)器人技術(shù),1962年美國(guó)AMF公司推出的“VERSTRAN型”和“UNIMATION”公司推出的“UNIMATE”型機(jī)器人，這些工業(yè)機(jī)器人就是早期機(jī)器人的雛形。70年代后，焊接、噴漆機(jī)器人相繼在工業(yè)中得到應(yīng)用和推廣。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、人工智能的發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)也得到了迅速發(fā)展，出現(xiàn)了更為先進(jìn)的可配視覺(jué)、觸覺(jué)的機(jī)器人。,1、機(jī)器人簡(jiǎn)介,1.2 機(jī)器人的發(fā)展歷史,80年代，機(jī)器人在

7、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。 示教再現(xiàn)式機(jī)器人，1982,1、機(jī)器人簡(jiǎn)介,1.2 機(jī)器人的發(fā)展歷史,機(jī)器人技術(shù),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(lè)等領(lǐng)域，并開(kāi)始向智能型（第三代）機(jī)器人發(fā)展。 多種機(jī)器人：工業(yè)機(jī)器人、移動(dòng)機(jī)器人、擬人機(jī)器人、特種機(jī)器人等，具有視覺(jué)、語(yǔ)音等功能，具有一定智能。 1998年：日本30萬(wàn)臺(tái)，美國(guó)8萬(wàn)臺(tái)，德國(guó)7萬(wàn)臺(tái),1、機(jī)器人簡(jiǎn)介,1.2 機(jī)器人的發(fā)展歷史,機(jī)器人技術(shù),機(jī)器人技術(shù),二十世紀(jì)末期，世界各國(guó)的工業(yè)尤其

8、是制造業(yè)為達(dá)到提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，增加生產(chǎn)產(chǎn)量，主要依靠機(jī)器人，而不是增加就業(yè)人數(shù)。據(jù)國(guó)際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)（IFR）1995年統(tǒng)計(jì)，機(jī)器人的銷(xiāo)售增長(zhǎng)較快，1995年比1994年增長(zhǎng)了22%。1995年到1998年世界機(jī)器人銷(xiāo)售的平均增長(zhǎng)率為19%，到2000年，世界機(jī)器人的安裝總數(shù)增加到了100萬(wàn)臺(tái)。從應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)看，機(jī)器人主要集中在制造業(yè)的焊接、裝配、機(jī)加工、電子、精密機(jī)械等領(lǐng)域。,1、機(jī)器人簡(jiǎn)介,1.2 機(jī)器人的發(fā)展歷史,機(jī)器人技術(shù),隨著機(jī)器人的普及應(yīng)用，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)也取得較快發(fā)展。21世紀(jì)的制造業(yè)已進(jìn)入一個(gè)新的階段，由面向市場(chǎng)多變生產(chǎn)轉(zhuǎn)向面向顧客生產(chǎn)，敏捷制造企業(yè)（AGIENT ENTERPRI

9、SE）將是未來(lái)企業(yè)的主導(dǎo)模式，以機(jī)器人為核心的可重組的加工和裝配系統(tǒng)，已成為工業(yè)機(jī)器人和敏捷制造業(yè)的重要發(fā)展方向。,1、機(jī)器人簡(jiǎn)介,1.2 機(jī)器人的發(fā)展歷史,70年代后期開(kāi)始研制 “七五” “863” 工業(yè)機(jī)器人（國(guó)產(chǎn)占1/4左右） 特種機(jī)器人及智能機(jī)器人 水下（1000米，6000米無(wú)纜） 排險(xiǎn) 爬壁 管道 防核化偵查 核工業(yè)用遙控移動(dòng) 自動(dòng)導(dǎo)引小車(chē)（AGV） 步行機(jī)（雙足，四足，六足） 地面軍用智能車(chē)輛 其它（靈巧手，智能手爪，七自由度機(jī)器人等） 1999年 “863”智能機(jī)器人主題產(chǎn)業(yè)化基地9個(gè)（哈工大、一汽、沈陽(yáng)自動(dòng)化所、北京自動(dòng)化所、大連華錄、南開(kāi)大學(xué)、上海交大、上海大學(xué)、兵工58所

10、）,1、機(jī)器人簡(jiǎn)介,1.3 機(jī)器人在我國(guó)的發(fā)展及應(yīng)用,機(jī)器人技術(shù),原中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所所長(zhǎng) 已故我國(guó)著名戰(zhàn)略科學(xué)家蔣新松院士塑像,1、機(jī)器人簡(jiǎn)介,機(jī)器人技術(shù),1.3 機(jī)器人在我國(guó)的發(fā)展及應(yīng)用,1、機(jī)器人簡(jiǎn)介,我國(guó)機(jī)器人學(xué)研究雖然起步較晚，但進(jìn)步較快，主要分為四個(gè)階段：70年代為萌芽期，80年代為開(kāi)發(fā)期，90年代為實(shí)用化期，二十一世紀(jì)將是我國(guó)機(jī)器人應(yīng)用的普及期。 90年代后期我國(guó)機(jī)器人在電子、家電、汽車(chē)、輕工業(yè)等行業(yè)的安裝數(shù)量逐年遞增。特別是近幾年隨著我國(guó)加入WTO后國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)更加激烈，人民對(duì)商品高質(zhì)量和多樣化的要求普遍提高，生產(chǎn)過(guò)程的柔性自動(dòng)化要求日益迫切，汽車(chē)行業(yè)的迅猛發(fā)展帶動(dòng)了機(jī)器人

11、產(chǎn)業(yè)的空前繁榮，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2002年機(jī)器人安裝量達(dá)400臺(tái)，相當(dāng)于日本80年代初期的發(fā)展勢(shì)頭，可以說(shuō)2002年是中國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的元年。,機(jī)器人技術(shù),機(jī)器人技術(shù),機(jī)器人技術(shù),機(jī)器人技術(shù),我國(guó)智能機(jī)器人當(dāng)前主要研究方向,1、機(jī)器人簡(jiǎn)介,機(jī)器人技術(shù),1.4 機(jī)器人的構(gòu)成,1、機(jī)器人簡(jiǎn)介,工業(yè)機(jī)器人主要由機(jī)器人本體、機(jī)器人本體的伺服機(jī)構(gòu)和機(jī)器人控制部分（控制器、示教盒、再現(xiàn)操作盒）等組成。,機(jī)器人技術(shù),日本OTC公司的AX-C型機(jī)器人,變穩(wěn)壓器(周邊設(shè)備),本體,焊接機(jī)(周邊設(shè)備),控制箱,1、機(jī)器人簡(jiǎn)介,日本安川公司的NX-100型機(jī)器人,機(jī)器人技術(shù),機(jī)器人是一個(gè)機(jī)電一體化的設(shè)備。從控制觀(guān)點(diǎn)來(lái)看

12、，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)。,1、機(jī)器人簡(jiǎn)介,1.4 機(jī)器人的構(gòu)成,機(jī)器人技術(shù),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。,1、機(jī)器人簡(jiǎn)介,機(jī)器人技術(shù),1、機(jī)器人簡(jiǎn)介,1.4 機(jī)器人的構(gòu)成,機(jī)器人技術(shù),1.5 機(jī)器人的分類(lèi),

13、機(jī)器人的種類(lèi)很多。可以按驅(qū)動(dòng)形式、用途、結(jié)構(gòu)和智能水平等觀(guān)點(diǎn)劃分,2、按用途劃分,（1）工業(yè)機(jī)器人,1、機(jī)器人簡(jiǎn)介,機(jī)器人技術(shù),（2）特種機(jī)器人,1、機(jī)器人簡(jiǎn)介,機(jī)器人技術(shù),3 按幾何結(jié)構(gòu)分類(lèi)：利用機(jī)構(gòu)特性分類(lèi)。 串聯(lián)機(jī)器人：各連桿為串聯(lián)；并聯(lián)機(jī)器人：各連桿為并聯(lián),1、機(jī)器人簡(jiǎn)介,機(jī)器人技術(shù),4、按智能水平劃分,機(jī)器人技術(shù),1、機(jī)器人簡(jiǎn)介,5 按照串聯(lián)式機(jī)器人操作器的結(jié)構(gòu)分類(lèi),1、機(jī)器人簡(jiǎn)介,5.1直角坐標(biāo)型機(jī)器人:具有三個(gè)互相垂直的移動(dòng)軸線(xiàn)，通過(guò)手臂的上下左右移動(dòng)和前后伸縮構(gòu)成一個(gè)直角坐標(biāo)系。 5.2 圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人:機(jī)座上具有一個(gè)水平轉(zhuǎn)臺(tái)，在轉(zhuǎn)臺(tái)上裝有立 柱和水平臂，水平臂能上下移動(dòng)和前

14、后伸縮，并能繞立柱旋轉(zhuǎn)，在空間構(gòu)成部分圓柱面。,機(jī)器人技術(shù),直角坐標(biāo)型機(jī)器人,1、機(jī)器人簡(jiǎn)介,機(jī)器人技術(shù),圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人,1、機(jī)器人簡(jiǎn)介,機(jī)器人技術(shù),1、機(jī)器人簡(jiǎn)介,5.3極坐標(biāo)型機(jī)器人（球面坐標(biāo)型）:手臂能上下俯仰、前后伸縮，并能繞立柱回轉(zhuǎn)，在空間構(gòu)成部分球面。 5.4 關(guān)節(jié)坐標(biāo)型機(jī)器人:具有三個(gè)主要回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)：腰回轉(zhuǎn)（關(guān)節(jié)1）、肩回轉(zhuǎn)（關(guān)節(jié)2）和肘回轉(zhuǎn)（關(guān)節(jié)3），另外還有手腕的旋轉(zhuǎn)（關(guān)節(jié)4、6）和彎曲（關(guān)節(jié)5）關(guān)節(jié)。,機(jī)器人技術(shù),球坐標(biāo)型機(jī)器人,1、機(jī)器人簡(jiǎn)介,機(jī)器人技術(shù),關(guān)節(jié)型串聯(lián)機(jī)器人,1、機(jī)器人簡(jiǎn)介,機(jī)器人技術(shù),1、機(jī)器人簡(jiǎn)介,5.5 SCARA型水平關(guān)節(jié)機(jī)器人:這種機(jī)器人是日本日立

15、公司生產(chǎn)的其 臂部和肘部可繞垂直軸在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，末端工作部分可沿垂直軸上下移動(dòng)。 5.6 點(diǎn)位控制（PTP）型機(jī)器人:按點(diǎn)位方式進(jìn)行控制的機(jī)器人，在 作業(yè)過(guò)程中只控制幾個(gè)特定工作點(diǎn)的位置，不對(duì)點(diǎn)與點(diǎn)之間的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行控制。,機(jī)器人技術(shù),1、機(jī)器人簡(jiǎn)介,5.7連續(xù)軌跡控制（CP）型機(jī)器人:按連續(xù)軌跡方式控制的機(jī)器人，其運(yùn)動(dòng)軌跡可以是空間的任意連續(xù)曲線(xiàn)。機(jī)器人的各關(guān)節(jié)同時(shí)做 受控運(yùn)動(dòng)。由于要求實(shí)現(xiàn)光滑軌跡運(yùn)動(dòng)，控制計(jì)算機(jī)必須實(shí)時(shí)插補(bǔ)運(yùn)算，因此其速度受到一定的限制。 5.8柔性控制（CC）型機(jī)器人:機(jī)器人各關(guān)節(jié)同時(shí)具有位置伺服、速度伺服和力矩伺服多種能力。,機(jī)器人技術(shù),1.6 機(jī)器人本體的選擇方法

16、,1、機(jī)器人簡(jiǎn)介,1.6.1 機(jī)器人類(lèi)型的選擇:根據(jù)目標(biāo)作業(yè)類(lèi)型，選擇27自由度機(jī)器人。 1.6.2 手腕的允許載荷:工作時(shí)應(yīng)保證各腕部軸所承受力的扭距和慣量。 例如:日本OTC的AX-C MV6機(jī)器人其最大承載能力為6公斤。日本YASKAWA的UP160機(jī)器人其最大承載能力為160公斤。 1.6.3 動(dòng)作范圍的確定:機(jī)器人的動(dòng)作范圍一般指腕部軸的回轉(zhuǎn)中心（P點(diǎn)）的動(dòng)作范圍。,機(jī)器人技術(shù),1.7 機(jī)器人的主要性能參數(shù),1、機(jī)器人簡(jiǎn)介,1安裝形式:包括落地式安裝、墻壁式安裝和倒掛式安裝等幾種； 2控制軸數(shù):2軸、3軸、4軸、5軸、6軸、7軸等多種； 3最大有效載荷:根據(jù)手臂承載能力選擇不同載荷能

17、力的機(jī)器人； 4重復(fù)定位精度:0.01mm；,機(jī)器人技術(shù),1.7 機(jī)器人的主要性能參數(shù),1、機(jī)器人簡(jiǎn)介,5驅(qū)動(dòng)系統(tǒng):氣動(dòng)、液壓、直流伺服系統(tǒng)、交流伺服系統(tǒng)等； 6位置反饋類(lèi)型:絕對(duì)編碼器和增量式編碼器； 7手臂移動(dòng)范圍:決定機(jī)器人運(yùn)動(dòng)空間； 8各軸移動(dòng)速度:決定機(jī)器人工作效率。,機(jī)器人技術(shù),1.8 機(jī)器人安裝環(huán)境的要求,1、機(jī)器人簡(jiǎn)介,1環(huán)境溫度要求:工作溫度045，運(yùn)輸儲(chǔ)存溫度-1060； 2相對(duì)濕度要求:2080%RH； 3動(dòng)力電源:3相AC200/220V（+10%-15%）； 4接地電阻:小于100； 5機(jī)器人工作區(qū)域需有防護(hù)措施（安全圍欄）；,機(jī)器人技術(shù),1.8 機(jī)器人安裝環(huán)境的要求,1、機(jī)器人簡(jiǎn)介,6灰塵、泥土、油霧、水蒸氣等必須保持在最小限度； 7環(huán)境必須沒(méi)有易燃、易腐蝕液體或氣體； 8設(shè)備安裝要求要遠(yuǎn)離撞擊和震源； 9機(jī)器人附近不能有強(qiáng)的電子噪聲源； 10震動(dòng)等級(jí)必須低于0.5G（4.9m/s）。,機(jī)器人技術(shù),焊接 澆鑄 水刀切割 涂膠 取放 灌注、堆疊,1、機(jī)器人