第1章机器人机构学

机器人技术陶建国哈尔滨工业大学机电学院2005.2.22004/2005学年春季学期教学日历院系名称：机电工程学院课程名称：机器人技术总学时：36学分：2课程类别：XW授课起止周数：1~9适用学科、专业：机械设计及理论；机械制造及其自动化、机械电子工程等时间、地点方式时数教学(授课或讨论)内容教材页数及参考文献范围周序星期节次地点课堂讲授课堂讨论1二7~8D13√2机器人的定义、分类及发展概况蔡自兴机器人学蒋新松机器人学导论1四5~6D13√2机器人的组成、构型及性能要素蔡自兴机器人学蒋新松机器人学导论2二7~8D13√2机器人的驱动器与传动系统，机器人的关节结构马香峰工业机器人的操作机设计费仁元机器人机械设计和分析2四5~6D13√2机器人的手部结构，机器人的平衡机构马香峰工业机器人的操作机设计费仁元机器人机械设计和分析3二7~8D13√2并联机器人的结构，机器人的移动机构柳洪义机器人技术基础费仁元机器人机械设计和分析3四5~6D13√2机器人的数学基础：位置与姿态描述，齐次坐标变换付京孙机器人学蔡自兴机器人学4二7~8D13√2齐次变换矩阵及其几何意义，习题举例付京孙机器人学蔡自兴机器人学32004/2005学年春季学期教学日历4四5~6D13√2机器人的结构参数和坐标系的建立，Denavit-Hartenberg矩阵付京孙机器人学蔡自兴机器人学5二7~8D13√2机器人运动学正解，机器人运动学逆解付京孙机器人学蔡自兴机器人学5四5~6D13√2机器人的微分运动及变换，机器人雅可比矩阵付京孙机器人学蔡自兴机器人学6二7~8D13√2机器人运动学习题举例，并联机器人运动学简介付京孙机器人学，黄真并联机器人机构学理论及控制6四5~6D13√2机器人的工作空间，机器人静态力学计算付京孙机器人学蔡自兴机器人学7二7~8D13√2机器人动力学研究内容及建模方法，拉格朗日方程付京孙机器人学蔡自兴机器人学7四5~6D13√2拉格朗日方程的一般形式，牛顿—欧拉方程付京孙机器人学蔡自兴机器人学8二7~8D13√2刚性机器人动力学方程举例，弹性机器人动力学简介付京孙机器人学蔡自兴机器人学8四5~6D13√2机器人规划的作用与任务，机器人的轨迹规划付京孙机器人学蔡自兴机器人学9二7~8D13√2机器人控制与感觉技术简介付京孙机器人学蔡自兴机器人学9四5~6D13√2机器人控制与感觉技术简介，课程总结付京孙机器人学蔡自兴机器人学4第一章绪论1.1机器人的定义、分类及发展概况1.1.1机器人的定义机器人问世已有几十年，但没有一个统一的意见。原因之一是机器人还在发展，另一原因主要是因为机器人涉及到了人的概念，成为一个难以回答的哲学问题。也许正是由于机器人定义的模糊，才给了人们充分的想象和创造空间。美国机器人协会（RIA)：一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置的，通过程序动作来执行各种任务，并具有编程能力的多功能操作机（Manipulator）。美国家标准局：一种能够进行编程并在自动控制下完成某些操作和移动作业任务或动作的机械装置。51987年国际标准化组织(ISO)对工业机器人的定义：“工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能，能完成各种作业的可编程操作机。日本工业标准局：一种机械装置，在自动控制下，能够完成某些操作或者动作功能。英国：貌似人的自动机，具有智力的和顺从于人的但不具有人格的机器。中国：我国科学家对机器人的定义是：“机器人是一种自动化的机器，这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器”。6尽管各国定义不同，但基本上指明了作为“机器人”所具有的二个共同点：1)是一种自动机械装置，可以在无人参与下，自动完成多种操作或动作功能，即具有通用性。2)可以再编程，程序流程可变，即具有柔性(适应性）。机器人集中了机械工程、材料科学、电子技术、计算机技术、自动控制理论及人工智能等多学科的最新研究成果，代表了机电一体化的最高成就，是当代科学技术发展最活跃的领域之一。71.1.2机器人的发展历史1920年，捷克作家卡雷尔·卡佩克发表了科幻剧本《罗萨姆的万能机器人》。卡佩克在剧本中把捷克语“Robota”写成了“Robot”，引起了大家的广泛关注，被当成了机器人一词的起源。1950年，美国作家埃萨克·阿西莫夫在他的科幻小说《I，Robot》中首次使用了“Robotics”，即“机器人学”。阿西莫夫提出了“机器人三原则”：1机器人不应伤害人类,且在人类受到伤害时不可袖手旁观；2机器人应遵守人类的命令，与第一条违背的命令除外；3机器人应能保护自己，与第一条相抵触者除外。机器人学术界一直将这三原则作为机器人开发的准则，阿西莫夫因此被称为“机器人学之父”。81954年，美国人GeorgeC.Devol提出了第一个工业机器人方案并在1956年获得美国专利。1960年，Conder公司购买专利并制造了样机。1961年，Unimation公司（通用机械公司）成立，生产和销售了第一台工业机器“Unimate”，即万能自动之意。1962年，A.M.F.（机械与铸造）公司，研制出一台数控自动通用机，取名“Versatran”，即多用途搬运之意，并以“IndustrialRobot”为商品广告投入市场。91967年，Unimation公司第一台喷涂用机器人出口到日本川崎重工业公司。1968年，第一台智能机器人Shakey在斯坦福研究所诞生。1972年，IBM公司开发出直角坐标机器人。1973年，CincinnatiMilacron公司推出T3型机器人。1978年，第一台PUMA机器人在Unimation公司诞生。1982年，Westinghouse公司兼并Unimation公司，随后又卖给了瑞士的Staubli公司。1990年，CincinnatiMilacron公司被瑞士ABB公司兼并。10日本、西欧各国、前苏联也相断引进或自行研制工业机器人。60～70年代是机器技术获得巨大发展的阶段。80年代，机器人在发达国家的工业中大量普及应用，如焊接、喷漆、搬运、装配。并向各个领域拓展，如航天、水下、排险、核工业等，机器人的感知技术得到相应的发展，产生第二代机器人。90年代，机器人技术在发达国家应用更为广泛，如军用、医疗、服务、娱乐等领域，并开始向智能型（第三代）机器人发展。随着机器人技术的发展形成了新学科—机器人学。建立了相应学术组织，定期举办学术活动。国际会议：ISIP、IEEE——IROS、ICR&A等。国际杂志：《RobticsResearch》、《Robotica》、《RoboticsandAutomation》等。11我国机器人技术起步较晚，70年代末，一些院校和企业，开始研制专用机械手，80年代初，开发小型的教育机器人。1985年哈工大研制出国内第一台弧焊机器人（华宇Ⅰ号）。国家“863”计划把机器人技术作为重点发展技术来支持。建立了“机器人示范工程中心”和机器人国家开放实验室（沈阳自动化所、哈工大、合肥机械所、上海交大、南开大学）。我国也建立了机器人学的学术组织，定期举办学术活动。学术会议：每两年左右去办一次大型全国性会议。学术刊物：《机器人》、《机器人技术与应用》等。121.1.3机器人的分类机器人的种类很多。可以按驱动形式、用途、结构和智能水平等观点划分１、按驱动形式气压驱动液压驱动电驱动交流伺服驱动直流伺服驱动2、按用途划分（1）工业机器人弧焊机器人点焊机器人搬运机器人装配机器人喷涂机器人抛光机器人13（2）特种机器人空间机器人水下机器人军用机器人教学机器人服务机器人医用机器人排险救灾机器人固定式移动式轮式履带式足式蛇行143、按智能水平划分分类名称简要解释人工操作装置有几个自由度，有操作员操纵，能实现若干预定的功能。固定顺序机器人按预定的不变顺序及条件，依次控制机器人的机械动作。可变顺序机器人按预定的顺序及条件，依次控制机器人的机械动作。但顺序和条件可作适当改变。示教再现型机器人通过手动或其它方式，先引导机器人动作，记录下工作程序，机器人则自动重复进行作业。数控型机器人不必使机器人动作，通过数值、语言等为机器人提供运动程序，能进行可变程伺服控制。感知型机器人利用传感器获取的信息控制机器人的动作。机器人对环境有一定的适应性。智能机器人机器人具有感知和理解外部环境的能力，即使环境发生变化，也能够成功的完成任务。第一代第二代第三代151.1.4机器人技术展望进入90年代后,机器人数量增长速度下降,但由于人工智能、计算机科学、传感器技术的长足进步，使机器人技术研究在高水平上进行。未来机器人技术将有待于在以下几个方面发展。一、操作臂技术1．高速操作臂：机构，伺服驱动，动态控制方法；2．柔性操作臂：提高荷重比（＜30∶10），轻质材料；3．冗余自由度臂；4．高精度、多自由度力控制：精密组装；5．微型操作臂。16二、移动技术1、新型移动机构：适合非结构环境的移动机构；2、运动控制：建模、制导、导航、路径规划。三、感知技术1、视觉：图像识别与处理；2、手眼协调；3、接触觉小型化；4、多信息融合。四、自主控制技术1、分布式计算机控制技术；2、人工智能技术。1720公斤点焊机器人点焊机器人在工作中6公斤弧焊机器人工业机器人（一）弧焊机器人在工作中18涂胶机器人龙门式喷漆机器人SCARA型装配机器人工业机器人（二）搬运机器人码垛机器人喷漆机器人19“双鹰”水下机器人水下扫雷机器人“探索者号”水下机器人Spirit火星漫游车Marshod火星漫游车CanadaArm太空机械臂特种机器人（一）20美国“别动队”无人机法国“红隼”无人机微型无人机特种机器人（二）豹式排雷机器人“徘徊者”侦察机器人“手推车”机器人机器人助手21特种机器人（三）足球机器人AIBO机器狗指挥机器人迎宾机器人导盲机器人跳舞机器人医疗机器人22特种机器人（四）管内机器人隧道凿岩机器人大型喷浆机器人室外保安机器人德国排爆机器人消防机器人防暴机器人2324二、移动技术1、新型移动机构：适合非结构环境的移动机构；2、运动控制：建模、制导、导航、路径规划。三、感知技术1、视觉：图像识别与处理；2、手眼协调；3、接触觉小型化；4、多信息融合。四、自主控制技术1、分布式计算机控制技术；2、人工智能技术。251.2机器人的优缺点一、优点能不知疲倦、不厌其烦的持续工作，不会有心理问题；具有比人更高的精确度、速度，可以同时相应多个激励；可以在危险环境下工作，无需考虑生命保障或安全的需要；无需舒适的环境，如照明、空调、噪音隔离等；其感知系统及其附属设备具有某些人类所不具有的能力；二、缺点替代了工人，由此带来经济和社会问题；缺乏应急能力；灵活性、自适应能力还欠缺；设备费用开销较大。261.3机器人的组成、构型及性能要素1.3.1机器人的组成机器人是一个机电一体化的设备。从控制观点来看，机器人系统可以分成四大部分：机器人执行机构、驱动装置、控制系统、感知反馈系统。机器人执行机构驱动装置控制系统感知系统基座（固定或移动）手部腕部臂部腰部电驱动装置液压驱动装置气压驱动装置处理器关节伺服控制器内部传感器外部传感器27一、执行机构包括：手部、腕部、臂部、腰部和基座等。相当于人的肢体。二、驱动装置包括：驱动源、传动机构等。相当于人的肌肉、筋络。三、感知反馈系统包括：内部信息传感器，检测位置、速度等信息；外部信息传感器，检测机器人所处的环境信息。相当于人的感官和神经。四、控制系统包括：处理器及关节伺服控制器等，进行任务及信息处理，并给出控制信号。相当于人的大脑和小脑。内部传感器（位形检测）控制系统驱动装置执行机构工作对象外部传感器（环境检测）1处理器