第四章-机器人分类

ArtificialIntelligenceandRobotics1山东大学创新教育通识核心课程人工智能与机器人[e-mail]86358137、88399323山东大学ArtificialIntelligenceandRoboticsArtificialIntelligenceandRobotics2第四章机器人的分类ArtificialIntelligenceandRoboticsArtificialIntelligenceandRobotics3目前，世界上已经有了上万种机器人。这些形状各异、功能不同、种类众多的机器人，根据分类方法的不同，可以分成不同的类别，而且有着不同的认识。关于机器人如何分类，国际上没有制定统一的标准，有的按负载重量分，有的按控制方式分，有的按自由度分，有的按结构分，有的按应用领域分。ArtificialIntelligenceandRoboticsArtificialIntelligenceandRobotics4经过几十年的发展，机器人的技术水平不断提高，应用范围越来越广，从早期的焊接、装配等工业应用，逐步向军事、空间、水下、农业、建筑、服务和娱乐等领域不断扩展，结构形式也多种多样。因此，机器人的分类也出现了多种方法、多种标准。ArtificialIntelligenceandRoboticsArtificialIntelligenceandRobotics54.1按机器人的机构特征来分4.2按机器人技术水平发展分4.3按照机器人的用途分4.4其他机器人分类第四章机器人的分类ArtificialIntelligenceandRobotics2019/12/315ArtificialIntelligenceandRobotics64.1按机器人的机构特征来分4.2按机器人技术水平发展分4.3按照机器人的用途分4.4其他机器人分类第四章机器人的分类ArtificialIntelligenceandRobotics2019/12/316ArtificialIntelligenceandRobotics74.1按机器人的机构特征来分按其构成机构的不同分类直角坐标机器人Cartesiancoordinate圆柱坐标机器人Cylindricalcoordinate球面坐标机器人sphericalsurfacecoordinate极坐标机器人Polarcoordinate多关节型机器人Articulatedrobot并联关节机器人Parallellinkedrobot串并联关节机器人HybridlinkedrobotArtificialIntelligenceandRobotics8机器人的机械配置形式多种多样，典型机器人的机构运动特征是用其坐标特性来描述的。按机构运动特征，机器人通常可分为直角坐标机器人、柱面坐标机器人、球面坐标机器人和关节型机器人等类型。4.1按机器人的机构特征来分ArtificialIntelligenceandRobotics94.1.1直角坐标机器人其运动是直线，控制简单。但运动灵活性较差，自身占据空间最大。4.1按机器人的机构特征来分ArtificialIntelligenceandRobotics102019/12/31104.1按机器人的机构特征来分直角坐标型操作机如图所示，它有三个移动关节(PPP)，可使末端操作器作三个方向的独立位移。ArtificialIntelligenceandRobotics114.1按机器人的机构特征来分ArtificialIntelligenceandRobotics12直角坐标机器人具有空间上相互垂直的两根或三根直线移动轴，通过直角坐标方向的3个独立自由度确定其手部的空间位置，其动作空间为一长方体。直角坐标机器人结构简单，定位精度高，空间轨迹易于求解；但其动作范围相对较小，设备的空间因数较低，实现相同的动作空间要求时，机体本身的体积较大。主要用于印刷电路基板的元件插入、紧固螺丝等作业。4.1按机器人的机构特征来分ArtificialIntelligenceandRobotics13直角坐标机器人概念：工业应用中，能够实现自动控制的、可重复编程的、多功能的、多自由度的、运动自由度间成空间直角关系、多用途的操作机。他能够搬运物体、操作工具，以完成各种作业。关于机器人的定义随着科技的不断发展，在不断的完善，直角坐标机器人作为机器人的一种，其含义也在不断的完善中。4.1按机器人的机构特征来分ArtificialIntelligenceandRobotics14一、直角坐标机器人的特点：1.多自由度运动，每个运动自由度之间的空间夹角为直角。2.自动控制的，可重复编程，所有的运动均按程序运行。3.一般由控制系统、驱动系统、机械系统、操作工具等组成。4.灵活，多功能，因操作工具的不同功能也不同。5.高可靠性、高速度、高精度。6.可用于恶劣的环境，可长期工作，便于操作维修。4.1按机器人的机构特征来分ArtificialIntelligenceandRobotics15二、直角坐标机器人的应用：因末端操作工具的不同，直角坐标机器人可以非常方便的用作各种自动化设备，完成如焊接、搬运、上下料、包装、码垛、拆垛、检测、探伤、分类、装配、贴标、喷码、打码、（软仿型）喷涂、目标跟随、排爆等一系列工作。特别适用于多品种，便批量的柔性化作业，对于稳定，提高产品质量，提高劳动生产率，改善劳动条件和产品的快速更新换代期着十分重要的作用。4.1按机器人的机构特征来分ArtificialIntelligenceandRobotics16三、直角坐标机器人的分类：1.按用途分：焊接机器人、码垛机器人、涂胶（点胶）机器人、检测（监测）机器人、分拣（分类）机器人、装配机器人、排爆机器人、医疗机器人、特种机器人等。2.按结构形式分：壁挂（悬臂）机器人、龙门机器人、倒挂机器人等3.按自由度分：两坐标机器人、三坐标机器人、四坐标机器人、五坐标机器人、六坐标机器人。还有其他一些分法，这里就不一一介绍了。4.1按机器人的机构特征来分ArtificialIntelligenceandRobotics174.1按机器人的机构特征来分ArtificialIntelligenceandRobotics184.1按机器人的机构特征来分ArtificialIntelligenceandRobotics194.1按机器人的机构特征来分4.1.2圆柱坐标机器人圆柱坐标型操作机如图所示，它有两个移动关节和一个转动关节(PPR)，末端操作器的安装轴线之位姿由(z，r，θ)坐标予以表示。该种型式的工业机器人，空间尺寸较小，工作范围较大，末端操作器可获得较高的运动速度。它的缺点是末端操作器离z轴愈远，其切向线位移的分辨精度就愈低。ArtificialIntelligenceandRobotics20控制也较简单，运动灵活性稍好。但自身占据空间也较大。圆柱坐标型机器人模型Verstran机器人Verstran机器人4.1按机器人的机构特征来分ArtificialIntelligenceandRobotics21圆柱坐标机器人手臂至少有一个回转关节和一个棱柱关节，其轴线按圆柱坐标配置，运动学模型简单直观，易于进入开口部分。4.1按机器人的机构特征来分ArtificialIntelligenceandRobotics22圆柱坐标机器人。柱面坐标机器人的空间位置机构主要由旋转基座、垂直移动和水平移动轴构成，具有一个回转和两个平移自由度，其动作空间呈圆柱形。这种机器人结构简单、刚性好，但缺点是在机器人的动作范围内，必须有沿轴线前后方向的移动空间，空间利用率较低。主要用于重物的装卸、搬运等作业。著名的Versatran机器人就是一种典型的柱面坐标机器人。4.1按机器人的机构特征来分ArtificialIntelligenceandRobotics234.1按机器人的机构特征来分ArtificialIntelligenceandRobotics244.1按机器人的机构特征来分ArtificialIntelligenceandRobotics254.1按机器人的机构特征来分ArtificialIntelligenceandRobotics264.1.3球面坐标机器人如图所示，其空间位置分别由旋转、摆动和平移3个自由度确定，动作空间形成球面的一部分。其机械手能够作前后伸缩移动、在垂直平面上摆动以及绕底座在水平面上转动。著名的Unimate就是这种类型的机器人。其特点是结构紧凑，所占空间体积小于直角坐标和柱面坐标机器人，但仍大于多关节型机器人。4.1按机器人的机构特征来分ArtificialIntelligenceandRobotics27球坐标型操作机如图所示，它有两个转动关节和一个移动关节(RRP)，末端操作器的安装轴线之位姿由(θ，φ，r)坐标予以表示。该种型式的工业机器人，空间尺寸较小，工作范围较大4.1按机器人的机构特征来分ArtificialIntelligenceandRobotics284.1按机器人的机构特征来分ArtificialIntelligenceandRobotics294.1.4多关节型(RRR)关节型操作机如图所示，它有三个转动关节(RRR)，即机身上部相对于下部的转动θY0，肩关节的转动θZ1和肘关节的转动θZ2。腕关节的转动θZ3属于末端操作器的自由度。该种结构的工业机器人，空间尺寸相对较小，工作范围相对较大，还可以绕过机座周围的障碍物，是目前应用较多的一种机型。4.1按机器人的机构特征来分ArtificialIntelligenceandRobotics30关节坐标型(3R)其运动耦合性强，控制较复杂。但运动灵活性最好，自身占据空间最小。关节型搬运机器人关节型焊接机器人关节型机器人模型4.1按机器人的机构特征来分ArtificialIntelligenceandRobotics31平面关节型(SCARA)仅平面运动有耦合性，控制较通用关节型简单。但运动灵活性更好，铅垂平面刚性好。SCARA型装配机器人4.1按机器人的机构特征来分ArtificialIntelligenceandRobotics32多关节型机器人。由多个旋转和摆动机构组合而成。这类机器人结构紧凑、工作空间大、动作最接近人的动作，对喷漆、装配、焊接等多种作业都有良好的适应性，应用范围越来越广。不少著名的机器人都采用了这种型式，其摆动方向主要有铅垂方向和水平方向两种，因此这类机器人又可分为垂直多关节机器人和水平多关节机器人。如美国Unimation公司20世纪70年代末推出的机器人PUMA就是一种垂直多关节机器人，而日本山梨大学研制的机器人SCARA则是一种典型的水平多关节机器人。4.1按机器人的机构特征来分ArtificialIntelligenceandRobotics334.1按机器人的机构特征来分ArtificialIntelligenceandRobotics344.1按机器人的机构特征来分ArtificialIntelligenceandRobotics352019/12/31354.1.5极坐标型(RRP)4.1按机器人的机构特征来分ArtificialIntelligenceandRobotics36极坐标系在平面内取一个定点O，叫极点，引一条射线Ox，叫做极轴，再选定一个长度单位和角度的正方向(通常取逆时针方向)。对于平面内任何一点M，用ρ表示线段OM的长度，θ表示从Ox到OM的角度，ρ叫做点M的极径，θ叫做点M的极角，有序数对(ρ,θ)就叫点M的极坐标，这样建立的坐标系叫做极坐标系。xMρ4.1按机器人的机构特征来分ArtificialIntelligenceandRobotics37极坐标型（也称球面坐标型）(2RP)其运动耦合性较强，控制也较复杂。但运