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1、山东大学机械工程学院机电工程研究所2010,机 器 人 学 概 论Introduction to Robotics机械10级(2013年秋),山东大学机械工程学院机电工程研究所2010,民用机器人,焊接机器人,堆垛机器人,清理机器人,玩偶机器人,山东大学机械工程学院机电工程研究所2010,军用机器人,山东大学机械工程学院机电工程研究所2010,军用机器人,急救机器人,行走机器人,保安机器人,手术机器人,山东大学机械工程学院机电工程研究所2010,第一章 绪论,机器人的主要技术参数,机器人的基本概念,机器人学的发展与应用,第一章 绪 论,机器人特点、结构与分类,山东大学机械工程学院机电工程研究所
2、2010,第一节、机器人的基本概念,1.1 机器人的由来 1、公元前1066年西周时代，流传周穆王与歌舞机器人（艺妓）的故事。2、公元前3世纪，古希腊发明家为克里特岛国王制造的青铜卫士。3、我国东汉，张衡发明指南车。4、1920年，在捷克剧作家卡雷尔.凯培克的幻想剧罗萨姆（Robota）的万能机器人中，第一次出现了机器人的说法。5、1950年美国科幻小说家阿西莫夫在小说我是机器人中，提出了有名的“机器人三守则”,山东大学机械工程学院机电工程研究所2010,机器人三守则,第一、机器人必须不能伤害人类，也不允许它眼看人类将受害而袖手旁观。第二、机器人必须绝对服从人类，除非这与第一原则矛盾。第三、机
3、器人必须保护自己不受伤害，除非这与第一或第二原则相矛盾。-Isaac Asimov 给机器人赋予新的伦理观，至今对机器人的研究和发展仍具有指导意义。,山东大学机械工程学院机电工程研究所2010,第一节、机器人的基本概念,1948年，美国阿贡实验室研制出放射性材料处理的主从操作遥控机械手；1954年美国人乔治.德沃尔设计了第一台关节式示教再现型机器人；1962年，美国Unimation(万能自动化)公司的第一台机器人问世，并在美国通用汽车公司投入使用，标志着第一代工业机器人的诞生。从年代看现代机器人的出现与发展与计算机的发展有着密切关系。,山东大学机械工程学院机电工程研究所2010,为什么会出现
4、机器人的概念？,随着工业化的出现，人们期待一种能够模仿人的某些动作，代替人完成某些工作，特别是一些危险、繁重的工作。这便是工业机器人产生的背景。,山东大学机械工程学院机电工程研究所2010,机器人的定义Definition of robot,A robot is a reprogrammable,multifunctional manipulator designed to move material,parts,tools or specialized devices through variable programmed motions for the performance of a v
5、ariety of tasks.-Robot Institute of America,1979,山东大学机械工程学院机电工程研究所2010,国际标准化组织对机器人的定义,机器人的动作机构具有类似于人或其他生物体某些器官（肢体、感官等）的功能；,机器人具有通用性，工作种类多样，动作程序灵活易变；,机器人具有不同程度的智能性，如记忆、感知、推理、决策、学习等；,机器人具有独立性，完整的机器人系统在工作中可以不依赖于人类的干预。,概括讲，就是综合运用机械、电气、传感器和计算机等手段来实现人类某些功能的装置。它具有柔性化（示教、编程、自主）、智能化的特点。,山东大学机械工程学院机电工程研究所2010
6、,机器人学 Robotics,一门研究有关机器人理论与技术的综合学科，它包括：机器人设计理论与技术。机器人的建模技术。机器人的传感技术。机器人操作与移动理论与技术。机器人控制与运动规划。机器人仿生学。机器人系统理论与技术。、。,山东大学机械工程学院机电工程研究所2010,工业机器人,想一想：1、为什么在工业生产中使用机器人？2、工业机器人有何特点？对它有何要求？,山东大学机械工程学院机电工程研究所2010,每年新装备的工业机器人数量,日本是世界上装备机器人最多的国家。,山东大学机械工程学院机电工程研究所2010,机器人价格与人力劳动成本的比较,机器人价格越来越低，人力成本逐年提高。,山东大学机
7、械工程学院机电工程研究所2010,第二节、机器人特点、结构与分类,1.2.1 机器人的主要特点 1、通用性 执行不同功能和完成多样简单任务的能力。目前，机器人的通用性主要靠编程来实现。2、适应性 对环境的适应能力。主要借助各种传感器来实现。未来的机器人将具备自学习等智能。,山东大学机械工程学院机电工程研究所2010,第二节、机器人特点、结构与分类,1.2.2 机器人系统的结构 所谓系统就是一个总体，它由多个相互联系、相互作用的子系统组成。机器人系统是完成某项任务的总体，它由机械手、环境、任务和控制这四个相互作用的部分组成。工业机器人的本体机械系统，即机械手装置，由肩、臂、腕、机身组成一个相互依
8、赖的运动机构。环境指机器人所处的周围状态。任务就是要求机器人做的事情，控制是关于如何使机器人完成指定的任务。,山东大学机械工程学院机电工程研究所2010,第二节、机器人特点、结构与分类,山东大学机械工程学院机电工程研究所2010,按发展时期分类,机器人的分类,第一代机器人可以追溯到70年代以前，那时的机器人是由固定的或简单程序控制的电子机械设备；可以通过示教的方式设定机器人的手部的运动轨迹，可完成一些简单的重复性任务。,山东大学机械工程学院机电工程研究所2010,按发展时期分类,机器人的分类,第二代机器人诞生于20世纪80年代，外置了传感器和由程序控制的控制器，通过反馈控制，使机器人能在一定程
9、度上适应环境的变化。,PUMA 560(1978),山东大学机械工程学院机电工程研究所2010,第二代机器人,山东大学机械工程学院机电工程研究所2010,按发展时期分类,机器人的分类,第三代机器人是90年代以来到迄今为止发明的机器人。这种机器人带有多种传感器，可以进行复杂的逻辑推理、判断及决策。,山东大学机械工程学院机电工程研究所2010,按发展时期分类,第四代机器人还在研发中，预计具备人工智能、自我复制、自动组装和尺寸像纳米一样大小等特点。,机器人的分类,山东大学机械工程学院机电工程研究所2010,按几何结构分类,直角坐标型,机器人的分类,山东大学机械工程学院机电工程研究所2010,按几何结
10、构分类,圆柱坐标型,机器人的分类,两个移动关节一个旋转关节,山东大学机械工程学院机电工程研究所2010,按几何结构分类,球坐标型,机器人的分类,一个移动关节两个旋转关节,山东大学机械工程学院机电工程研究所2010,按几何结构分类,关节坐标型,机器人的分类,末端执行器,三个旋转关节,山东大学机械工程学院机电工程研究所2010,按控制方式分类,机器人的分类,山东大学机械工程学院机电工程研究所2010,按驱动方式分类,电力驱动,液压驱动,气压驱动,新型驱动,机器人的分类,山东大学机械工程学院机电工程研究所2010,按信息输入方式分类,操控机器人,程序机器人,示教再现机器人,数值控制机器人,机器人的分
11、类,智能机器人,山东大学机械工程学院机电工程研究所2010,按应用环境分类,机器人的分类,山东大学机械工程学院机电工程研究所2010,第三节、机器人的主要参数,所谓工业机器人主要是讲机械臂，它由手臂和手腕两部分组成，其中手臂确定机器人的位置，而手腕决定机器人的姿态。,山东大学机械工程学院机电工程研究所2010,1、工作空间,机器人的工作空间（Working Space）指机器人工具（或腕部）上参考点所能达到的所有空间区域。,机器人的技术参数,山东大学机械工程学院机电工程研究所2010,机器人的自由度（Degree of Freedom,DOF）是指确定机器人所有杆件相对于全局坐标系位形的独立参
12、数的数目，也就是独立坐标轴的运动数目；一般不包括末端执行器的开合自由度。,2、坐标形式和自由度数,机器人的自由度包括工具（腕或末端执行器）自由度及结构位形自由度，通常说的是后者。,山东大学机械工程学院机电工程研究所2010,例、自由度,机器人的末端执行器也是一个刚体，它最多具有六个自由度，设其自由度为m0。对机器人的构形自由度n少于它的末端执行器自由度的情况，即：n m0，我们称其为沉余的(Redundant)机器人。我们称n-m0为机器人的沉余度。,山东大学机械工程学院机电工程研究所2010,机器人的定位精度是指机器人手部到达的位置与指令要求的目标位置之间的差异。机器人的重复定位精度是指将机
13、器人的手重复定位于同一目标位置的能力，即在相同的条件下，用同一方法操作机器人时，重复多次所测得的在同一位置散布的不一致程度。机器人的分辨率可分为编程分辨率和控制分辨率；前者是程序中设定的最小距离单位，后者是位置传感器能检测到的最小位移。,3、定位精度和重复定位精度,山东大学机械工程学院机电工程研究所2010,额定速度与额定负载,机器人在保持运动平稳性和位置精度的前提下所能达到的最大速度称为额定速度（Rated Velocity）。机器人在额定速度和规定的性能范围内，工具所能承受负载的允许值称为额定负载（Rated Load）。,4、额定速度、额定负载,目前，工业机器人的最大直线运行速度可达10
14、00mm/s，最大回转速度为120度/s。,山东大学机械工程学院机电工程研究所2010,第三节、机器人的主要参数,5、程序编制与存储容量 表示机器人的编程方式和程序的大小，反映机器人的工作能力。6、机器人的运动参数 每个关节的行程和速度。7、其他相关参数 手指夹持范围、驱动方式、动力源规格、轮廓尺寸、整机质量等。,山东大学机械工程学院机电工程研究所2010,第四节、机器人学的发展与应用,工业机器人自20世纪60年代初问世以来，经历了50多年的发展。几个阶段：一、研制阶段1948年，美国阿贡实验室研制出放射性材料处理的主从操作遥控机械手。1951年，美国麻省理工学院成功开发出第一代数控机床。19
15、54年美国人乔治.德沃尔设计了第一台关节式示教再现型机器人。,山东大学机械工程学院机电工程研究所2010,第四节、机器人学的发展与应用,二、生产定型阶段：1962年，美国Unimation(万能自动化)公司的第一台机器人问世，并在美国通用汽车公司投入使用，标志着第一代工业机器人的诞生。三、推广应用阶段 日本引进美国机器人技术，一跃成为机器人王国。四、产业化、实用化、商品化阶段,山东大学机械工程学院机电工程研究所2010,第四节、机器人学的发展与应用,我国机器人技术大约起步于20世纪70年代，到80年代中期，已经研制出100多台各种用途的机器人。主要研究机构有：中科院自动化所、北航、哈工大、清华
16、、上交等。目前，在高性能机器人方面与国外还有较大差距。,山东大学机械工程学院机电工程研究所2010,第四节、机器人学的发展与应用,发展趋势：1、智能水平不断提高。2、各种特殊用途机器人不断出现。,山东大学机械工程学院机电工程研究所2010,第四节、机器人学的发展与应用,机器人的相关理论与技术空间机构学：分析与综合非线性多变量控制传感技术运动控制智能控制理论与技术仿生学人工智能计算机视觉机器人系统理论移动操作机器人理论与技术微机器人学,山东大学机械工程学院机电工程研究所2010,课程任务、目标,本课程以关节型工业机器人为实例，结合工业机器人的特点，介绍、学习机器人的基础知识，包括：机器人的组成，
17、机器人机构学、运动学、动力学与控制，机器人的路径规划与编程等。通过本课程的学习，为机器人的应用或进一步的深造打下坚实的基础。,山东大学机械工程学院机电工程研究所2010,教材：孟庆鑫等 机器人技术基础哈工大出版社，2006。参考书：1、熊有伦主编.机器人技术基础 武汉：华 中科技大学，1996。2、John J.Craig Introduction to Robotics:mechanics and control北京：机械工业出版社，2005。3、陈恳 等 机器人技术与应用北京：清华大学出版社，2006 4、蔡自兴.机器人学北京：清华大学出版社，2000。5、斯坦福大学网络视频课程之机器人学,教 材 与 参 考 书,山东大学机械工程学院机电工程研究所2010,作业：1、请给工业机器人下个定义。2、什么是机器人三守则？3、列举机器人的主要技术参数？,山东大学机械工程学院机电工程研究所2010,授课教师,唐伟：办公地点：西配楼309 联系电话：95525 信箱：答疑时间：周四下午3:005:00 地点：西配楼309考核：考试大约70%，平时作业30%。,
