第一讲 机器人导论
第一讲 机器人导论分解
电驱动
（2）按用途划分（应用领域） 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
第11页 共49页
1）工业机器人
内部资料 注意保密
安徽埃夫特智能装备有限公司
1.机器人的定义、发展历史及分类
点焊（汽车行业）
弧焊（汽车零部件、工程机械、船舶行业） 激光加工（汽车零部件、钢铁）
1.机器人的定义、发展历史及分类
军用机器人——
美国军用运输机器人
“手推车”排爆机器 人 （英 ）
“徘徊者”侦察机器人 （美）
机器人助手
（美）
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）
内部资料 注意保密
第15页 共49页
安徽埃夫特智能装备有限公司
1.机器人的定义、发展历史及分类
管内机器人
内部资料 注意保密
大型喷浆机器人
隧道凿岩机器人
特种机器人（四）
第17页 共49页 安徽埃夫特智能装备有限公司
1.机器人的定义、发展历史及分类
3、按智能水平划分
分 类 名 称
人工操作装置
简 要 解 释
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 可变顺序机器人
按预定的不变顺序及条件，依次控制机器人的机械动作。 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。 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。 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。 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。 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1章-绪论1
第1章 绪论
1.1 机器人简介 1.2 机器人的发展历史 1.3 机器人的基本结构 1.4 机器人的分类 1.5 机器人的应用 1.6 机器人学的研究内容 1.7 机器人学的国内外研究现状
1.1 机器人简介
1.1.1 机器人的由来
“机器人”一词最早出现于1920年捷克剧作家 卡雷尔·凯培克（Karel Kapek）一部幻想剧 《罗萨姆的万能机器人》（《Rossums Universal Robots》）中，“Robot”是由斯洛伐 克语“Robota”衍生而来的。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1.5 机器人的应用
机器人最适合在那些人类无法工作的环境中工作。它们 已在许多工业部门获得广泛应用。它们可以比人类工作 得更好并且成本低廉。例如，因为焊接机器人能够更均 匀一致地运动，它可以比焊接工人焊得更好。此外，机 器人无需焊接工人工作时使用护目镜、防护服、通风设 备及其必要的防护措施。因此，只要焊接工作设置由机 器人自动操作并不再改变，而且该焊接工作也不是太复 杂，那么机器人就比较适合做这样的工作并能提高生产 效率。同样，海底勘探机器人远不像人类潜水员工作时 需要太多的关注，机器人可以在水下停留更长的时间， 并潜入更深的水底而仍能承受住巨大的压力，而且它也 不需要氧气。
机器人传感器：机器人的感觉主要通过传感器来实现。 机器人所研究的传感器分为两大类：外部传感器和内部 传感器。外部传感器又包括远距离传感器（如视觉传感 器、听觉传感器等）、非接触传感器和接触传感器（如 触觉传感器、力传感器等）。它是为了对环境产生相适 应的动作而取得环境信息。内部传感器包括加速度传感 器、速度传感器、位置传感器、姿态传感器等。她是根 据指令而进行动作，检测机器人各部状态。
我国的机器人技术起步较晚，大约于20世纪70年代末、 80年代初开始。20世纪90年代中期，6000米以下深水 作业机器人实验成功。以后的近10年中，在步行机器 人、精密装配机器人、多自由度关节机器人的研制等国 际前沿领域逐步缩小了与世界先进水平的差距。
机器人学导论
机器人的动力学模型
牛顿-欧拉方程
拉格朗日方程
凯恩方法
雅可比矩阵
机器人的运动规划与控制
运动学：研究机器人末端执行器的位置和姿态信息 动力学：研究机器人末端执行器的力和力矩信息 运动规划：根据任务要求，规划机器人的运动轨迹 控制：通过控制器对机器人进行实时控制，实现运动规划
机器人的感知与感
05
知融合
01
添加章节标题
02
机器人学概述
机器人的定义与分类
机器人的定义： 机器人是一种能 够自动执行任务 的机器系统，具 有感知、决策、
执行等能力
机器人的分类： 根据应用领域、 结构形式、智能 化程度等不同， 机器人可分为多 种类型，如工业 机器人、服务机 器人、特种机器
人等
机器人学的研究领域
机器人设计：研究机器人的结构、 运动学和动力学
机器人的感知技术
添加项标题
视觉感知技术：通 过摄像头获取环境 信息，识别物体、 场景等，实现机器 人视觉导航、物体 识别等功能。
添加项标题
听觉感知技术：通 过麦克风获取声音 信息，识别语音、 音乐等，实现机器 人语音交互、音乐 识别等功能。
添加项标题
触觉感知技术：通过 触觉传感器获取接触 信息，识别物体的形 状、大小、硬度等， 实现机器人触觉导航、 物体抓取等功能。
执行器作用：根据控制信号执行相应的动作，如移动、转动等
机器人的感知系统
传感器类型：视觉、听觉、触觉等 传感器工作原理：图像处理、语音识别、触觉反馈等 传感器在机器人中的应用：导航、目标识别、物体抓取等 感知系统对机器人性能的影响：精度、稳定性、安全性等
机器人的运动学与
04
动力学
机器人的运动学方程
机器人学导论--ppt课件可编辑全文
关节变量
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2
1.2 描述：位置、姿态和坐标系
位置描述
一旦建立坐标系，就能用一
个3*1的位置矢量对世界坐标 系中的任何点进行定位。因 为在世界坐标系中经常还要 定义许多坐标系，因此在位 置矢量上附加一信息，标明 是在哪一坐标系中被定义的。
例如：AP表示矢量P在A坐标系中的表示。
BP 表示矢量P在B坐标系中的表示。
c os90
c os120 c os30 c os90
XB XA
X
B
YA
X B Z A
c os90 c os90 cos0
]
YB X A YB YA YB Z A
ZB XA
ZB
YA
ZB Z A
ppt课件
5
坐标系的变换
完整描述上图中操作手位姿所需的信息为位置和姿态。机器人学中
在从多重解中选择解时，应根据具体情况，在避免碰撞的前 提下通常按“最短行程”准则来选择。同时还应当兼顾“多 移动小关节，少移动大关节”的原则。
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23
4 PUMA560机器人运动学反解-反变换法
❖ 由于z4 , z5, z6 交于一点W,点W在基础坐标系中的位置仅与 1,2,3
有关。据此，可先解出 1,2,3 ，再分离出 4 ,5,6 ，并逐
PUMA560变换矩阵
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将各个连杆变换矩阵相乘便得到PUMA560手臂变换矩阵
06T 01T (1)21T (2 )23T (3 )34T (4 )45T (5 )56T (6 )
什么是机器人运动学正解？ 什么是机器人运动学反解？
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操作臂运动学反解的方法可以分为两类：封闭解和数值解、 在进行反解时总是力求得到封闭解。因为封闭解的计算速度 快，效率高，便于实时控制。而数值法不具有些特点为。 操作臂的运动学反解封闭解可通过两种途径得到：代数解和 几何解。 一般而言，非零连杆参数越多，到达某一目标的方式也越多， 即运动学反解的数目也越多。
机器人导论绪论
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，可以同时响应多个 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
美国是机器人的诞生地，比起号称“机 器人王国”的日本起步至少要早五六年。 经过30多年的发展，美国现已成为世界上 的机器人强国之一，基础雄厚，技术先进。 80年代中后期，随着各大厂家应用机器 人的技术日臻成熟，第一代机器人的技术 性能越来越满足不了实际需要，美国开始 生产带有视觉、力觉的第二代机器人，并 很快占领了美国60％的机器人市场。尽管 美国在机器人发展史上走过一条重视理论 研究，忽视应用开发研究的曲折道路，但 是美国的机器人技术在国际上仍一直处于 领先地位。
2．适应性 机器人的适应性是指其对环 境的自适应能力，即要求所设计的机器人 能够自我执行并适应未经完全指定的任务， 而不管任务执行过程中是否发生了所没有 预计到的环境变化。这一能力要求机器人 具有人工知觉，即能感知周围环境。
1.1.4 机器人技术的发展进程
· 1920年捷克作家Karel Capek在科幻作品中引 入了机器人慨念。 · 1946年美国研制出了第一台计算机。 · 1952年美国研制出了第一台数控机床。 · 1954年麻省理工学院研制出了可编程机器人， 这种机器人的主要技术功能就是“可编程”及 “示教再现”。 · 1968年斯坦福研究所研制出了智能机器人， 由传感器组成感觉系统，可作适当决策，自主 完成一些任务。 · 智能机器人目前正处于发展阶段。
机器人导论参考答案
0.1 简述工业机器人的定义，说明机器人的主要特征。
答：机器人是一种用于移动各种材料、零件、工具、或专用装置，通过可编程动作来执行种种任务并具有编程能力的多功能机械手。
1.机器人的动作结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。
2.机器人具有通用性，工作种类多样，动作程序灵活易变。
3.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。
4.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的干预。
0.2工业机器人与数控机床有什么区别？答：1.机器人的运动为开式运动链而数控机床为闭式运动链；2.工业机器人一般具有多关节，数控机床一般无关节且均为直角坐标系统；3.工业机器人是用于工业中各种作业的自动化机器而数控机床应用于冷加工。
4.机器人灵活性好，数控机床灵活性差。
0.5简述下面几个术语的含义：自有度、重复定位精度、工作范围、工作速度、承载能力。
答：自由度是机器人所具有的独立坐标运动的数目，不包括手爪（末端执行器）的开合自由度。
重复定位精度是关于精度的统计数据，指机器人重复到达某一确定位置准确的概率，是重复同一位置的范围，可以用各次不同位置平均值的偏差来表示。
工作范围是指机器人手臂末端或手腕中心所能到达的所有点的集合，也叫工作区域。
工作速度一般指最大工作速度，可以是指自由度上最大的稳定速度，也可以定义为手臂末端最大的合成速度（通常在技术参数中加以说明）。
承载能力是指机器人在工作范围内的任何位姿上所能承受的最大质量。
0.6什么叫冗余自由度机器人？答：从运动学的观点看，完成某一特定作业时具有多余自由度的机器人称为冗余自由度机器人。
0.7题0.7图所示为二自由度平面关节型机器人机械手，图中L1=2L2，关节的转角范围是0゜≤θ1≤180゜,-90゜≤θ2≤180゜,画出该机械手的工作范围（画图时可以设L2=3cm ）。
1.1 点矢量v 为]00.3000.2000.10[T，相对参考系作如下齐次坐标变换：A=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡--100.9000.1000.0000.00.3000.0866.0500.00.11000.0500.0866.0写出变换后点矢量v 的表达式，并说明是什么性质的变换，写出旋转算子Rot 及平移算子Trans 。
机器人导论-习题答案
机器人技术导论课后习题1、智能机器人的含义是什么？因为这样，我们才说这种机器人才是真正的机器人，尽管它们的外表可能有所不同。
2、直流电机的额定值有哪些？答：型号、额定功率、额定电压、额定电流、额定转速、励磁方式、励磁电压、励磁电流、定额、绝缘等级、额定温升。
3、机器人视觉的硬件系统由哪些部分组成？答：光源：用于表现特征光源控制器：用于给光源供电镜头：用于成像延长管：用于改变像距相机：用于物理图像到电子信号的转换采集卡：用于将相机中的电子信号传输到计算机中计算机、嵌入式系统、智能相机等：用于分析图像机器视觉软件：用于处理图像，得到所以需要数据结果运动控制：用于控制气缸、机械手、马达等运动，以完成机器的功能传感器：位置传感器、存在传感器、安全传感器，用于判断产品有没有、到位否之类4、简述模糊控制器的组成及各组成部分的用途。
答：模糊逻辑控制器由4个基本部分组成，即模糊化、知识库、推理算法和逆模糊化。
(1) 模糊化：将检测输入变量值变换成相应的论域，将输入数据转换成合适的语言值。
(2) 知识库：包含应用领域的知识和控制目标，它由数据和模糊语言控制规则组成。
(3) 推理算法：从一些模糊前提条件推导出某一结论，这种结论可能存在模糊和确定两种情况。
(4) 逆模糊化：将推理所得到的模糊值转换为明确的控制讯号，作为系统的输入值。
5、试述机器人滑模变结构控制的基本原理。
答：滑模变结构控制是变结构控制系统的一种控制策略。
这种控制策略与常规控制的根本区别在于控制的不连续性，即一种使系统“结构”随时间变化的开关特性。
该控制特性可以迫使系统在一定特性下沿规定的状态轨迹作小幅度、高频率的上下运动，即所谓的“滑动模态”或“滑模”运动。
这种滑动模态是可以设计的，且与系统的参数及扰动无关。
这样，处于滑模运动的系统就具有很好的鲁棒性。
6、机器人轨迹控制过程如图所示。
试列出各步的主要内容。
答：1）通过示教过程得到机器人轨迹上特征点的位姿。
机器人学导论
编程语言应用：机器人 操作系统、算法开发、
人机交互等
机器人的控制策略
01 控制策略类型：基于模型的控制、基于规则的控制、基于学习的控制等 02 控制策略选择：根据机器人应用场景、性能要求、技术成熟度等综合考虑 03 控制策略优化：参数调整、算法改进、系统集成等
05
机器人学的研究方法与创新
机器人学的研究方法
理论研究：数学建模、算法设计、性能分析等 实验研究：仿真实验、实验室测试、实际应用等 计算研究：计算机模拟、计算性能评估、计算优化等
机器人学的创新方向
01 技术创新：新型传感器、高性能驱动系统、先进控制算法等 02 应用创新：新兴应用领域、跨界融合、产业升级等 03 制度创新：政策支持、产学研合作、人才培养等
产业升级：传统产业的智能化改造、 新兴产业的培育与发展
技术创新：新型传感器、 高性能驱动系统、先进
控制算法等
市场需求：家庭、医疗、 教育、军事等领域的机
器人应用需求
机器人学对社会的影响
经济影响：提 高生产效率、 降低生产成本、 促进产业升级
01
社会影响：改 变生活方式、 提高生活质量、 促进社会进步
机器人学的关键技术
关键技术一：传感器技术
• 传感器的设计与制造 • 传感器的集成与融合 • 传感器的性能评估与优化
关键技术二：控制技术
• 控制算法的设计与实现 • 控制系统的稳定性与可靠性 • 控制系统的性能评估与优化
关键技术三：人工智能技术
• 机器学习与深度学习 • 自然语言处理与计算机视觉 • 智能决策与规划
机器人学的未来发展趋势
机器人技术的普及与推广：家庭机器 人、教育机器人、医疗机器人等
机器人技术的深度融合： 人工智能、物联网、大
机器人导论课程设计
机器人导论课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能理解机器人的基本概念，掌握其分类、应用领域和发展历程。
2. 学生能了解机器人编程的基本原理，掌握简单的编程指令和逻辑思维。
3. 学生能了解机器人传感器的作用，掌握常见传感器的工作原理和应用。
技能目标：1. 学生能运用所学知识，分析并解决简单的机器人编程问题。
2. 学生能在小组合作中，进行有效沟通，共同完成机器人项目的搭建和调试。
3. 学生能运用创新思维，设计和改进简单的机器人功能。
情感态度价值观目标：1. 学生对机器人技术产生兴趣，培养探索精神和动手能力。
2. 学生在团队合作中，学会尊重他人，培养合作意识和团队精神。
3. 学生关注机器人技术的发展，认识到其在社会进步中的重要作用，树立正确的科技观。
课程性质：本课程为机器人导论，旨在让学生了解机器人基本概念、技术原理和应用领域，培养其创新思维和动手能力。
学生特点：六年级学生具备一定的逻辑思维能力和动手操作能力，对新鲜事物充满好奇心，善于合作和分享。
教学要求：结合学生特点和课程性质，注重理论与实践相结合，以项目驱动、任务导向的方式进行教学，鼓励学生主动探索、创新实践。
在教学过程中，关注学生的学习成果，及时进行评估和反馈，以提高教学效果。
二、教学内容本课程教学内容分为以下几个部分：1. 机器人基本概念：介绍机器人的定义、分类、应用领域和发展历程，对应教材第一章。
2. 机器人编程原理：讲解机器人编程的基本概念、编程语言和编程逻辑，对应教材第二章。
3. 机器人传感器：介绍传感器的作用、类型和工作原理，以及常见传感器的应用，对应教材第三章。
4. 机器人项目实践：结合所学知识，进行机器人编程、搭建和调试的实践活动，对应教材第四章。
具体教学安排如下：第一周：机器人基本概念（第一章）第二周：机器人编程原理（第二章）第三周：机器人传感器（第三章）第四周：机器人项目实践（第四章）教学内容注重科学性和系统性，以教材为基础，结合实际案例，使学生能够逐步掌握机器人相关知识和技能。
机器人学导论(英) 第一讲
Introduction to Robotics(机器人学导论)School of Electrical Engineering and AutomationTianjin UniversityFall Semester, 2010•Time: Monday Night(Room 115, Section A,Building No. 26)Week 1st to Week 8th•Instructor: Dr. Xian, Bin (鲜斌）•Office: Room 525, Section E, Building No.26•Office Hours: 3:00 pm to 5:00 pm, Wednesday •E-mail : xbin@•Text Book and Reference Books1.John J. Craig, Introduction to Robotics: Mechanics AndControl, Third Edition, Pearson Education, 2005.约翰J. 克拉格，机器人学导论，机械工业出版社，2006.￥49$732.Saeed B. Niku, 机器人学导论－分析、系统及应用，孙富春等翻译，电子工业出版社，2004.3. Mark W. Spong, M. Vidyasagar, Robotics and Control, John Wiley& Sons, 2004.•Grading: Homework 20%Final exam 80%•Course Outline1.Background and Introduction2.Rigid Motion and Homogeneous Transformation3.Forward Manipulator Kinematics4.Inverse Manipulator Kinematics5.Velocity Kinematics6.Manipulator Dynamics7. Control of ManipulatorsChapter 1 IntroductionHollywood’s RobotsR2-D2T800Ch1.1Background1. What is a robot?By general agreement, a robot is:A programmable machine that imitates the actions orappearance of an intelligent creature–usually a human.A robot (industrial robot) is a reprogrammable,multifunctional manipulator designed to move materials, parts, tools, or specialized devices, through variable programmedmotions for the performance of a variety of tasks.(definition from Robotics Institute of American)¾ A Robot is controlled by a computer or similar device.¾ A Robot can be easily re-programmed.2.JIRA Standards for Robot¾Human-Controlled System¾Fixed Sequence Robot¾Alterable Sequence Robot¾Playback RobotRIA ¾Numerical Controlled Robot¾Intelligent Robot•Type of robots¾Robot Manipulator¾Ground Mobile Robot¾Under Water Robot¾Humanoid Robot3.What is Robotics?¾Robotics is the technology and knowledge that are used for design and application of robots.4.Robotics is a interdisciplinary research area:¾Mechanical Engineering: methodologies for the study of machine in static and dynamic situation …¾Electrical Engineering: design of sensor, actuator, interface, control algorithms, ….¾Computer Sciences: software, vision, intelligence….¾Mathematics¾BiologyCh1.2History of Robotics1.1922, Karel Capkef’s novel “Rossum’s Universal Robots”,--Rabota2.1952, First Numerical Control Machine Tool by MIT3.1954, First Re-programmable Robot by George Devol4.1955, Homogeneous Transformation by Denavit &Hartenberg5.1962, First Industry Robot by Unimation6.1968, First Intelligent Robot (Shakey)by SRI7.1972, Cartesian Space Robot by IBM (to IBM7565 Robot)8.1973, T3 Robot by Cincinnati Mialcron9.1978, PUMA Robot by Unimation10.1983, Robotics course were provided in many universitiesStanford Research Institute ---ShakeyUnimation-Puma RobotCh1.3Components of Robot •What a robot will contain?1.Manipulator or Mobile Vehicle2.End-effector3.Actuator: Servo Motor, Stepper Motor, HydraulicCylinder…4.Sensor: Resolvers/Potentiometers, Tachometer, StrainGauge, Encoder…5.Controller6.Processor7.Software: OS, Robot Software, Application Routines …Ch1.4Architecture of RobotEnvironmental sensors Motionplanner ControllerMechanicalStructureConfigurationsensorProcessorPower Supply CommunicationUser InterfaceCh1.5DOF of Robot•The Number of degree of freedom: the number of independent position variables that would have to bespecified in order to locate all the parts of the mechanism.•How to determine the location of a point in three dimension space?•How to determine the location of a rigid objective in three dimension space?Both position and orientation of the objective are needed!•For the robot with DOF greater than 6, there is no identical solution for the system.•What is the number of DOF for human’s arm?•Due to the structure of actuator, there is limited DOF, i.e,0.5 DOF.A B•Number of DOF for robot is determined by its application,i.e, robot for PCB assembly often has 3.5 DOFCh1.5Robot Joints•Main types: Rotary Joint, Prismatic Joint, and Ball Joint•It is customary to classify robots of kinematically simple class according to the design of their joints(the positioningstructure).•P: Prismatic JointR: Rotary JointS: Ball Jointi.e, 3P3R, 2RSCartesian (3P)Cylindrical (R2P)Spherical(2RP)Articulated (3R)SCARA: Selectively Compliant Assembly Robot ArmAdept Cobra s350 (2RP)Ch1.7Performance of Robot •Load Capacity: depends upon the size of its structural members, power-transmission systems and actuator. Example: Adept S1700 6 Axis Robot, Wight 280kg, payload 10kg(rate)/20kg(maximum)•Workspace: The maximum distance that the robot can reached within its working area.•Speed: be determined by robot’s application.•Accuracy: how accurately a robot can reach its destination, some industry robots can meet 0.001 inch ( or 0.0254mm) or higher accuracy.•Repeatability: the accuracy for a robot to reach the same destination for given times, most industry robots can reach0.001 inch or higher level.Ch1.8Application of Robot •Installed Industry Robots•Industry¾Welding¾Painting¾Assembly¾Pick and Place¾Diagnosis•Biotechnology¾Micro/Nano Manipulation¾Sample Handling¾Automated Analysis•MedicalSurgery, Rehabilitation ….•Military Application ¾Reconnaissance¾Battle field fighting¾Search¾Rescue•Space ExplorationMars Exploration Rovers: twin robot geologist, landed on Mars on Jan 3and 4, 2004Chinese Lunar Rovers: test inthe desert•EntertainmentSony QrioSony I-sobot RobotHonda ASIMOSony Qrio ---Fan DanceCh1.9Robot Coordinate System •Global Reference Coordinate System (frame)XY Z•Joint Reference Coordinate System (frame)XYZ(base)1θ2θ3θ•Tool Reference Coordinate System (frame)XYZ(base)X1Y1Z1Ch1.10Forward Kinematics •Kinematics: the science of motion that treats motion without regard to the forces which cause it.•Within the sciences of kinematics, we study position, velocity, acceleration and all higher derivative of theposition variables.•Kinematics refers to all the geometrical and time-based properties of the motion.•Forward kinematics: static geometrical problem of computing the position and orientation of the end-effector of the manipulator.•Given a set of joint angles, how to compute the position an orientation of the tool frame relative to the base frame.XYZ(base)X1Y1Z11θ2θ3θ•Inverse Kinematics: given the position and orientation of the end-effector, calculate all possible set of joint angles that could be used to attain this specified position and orientation.XYZ(base)X1Y1Z11θ2θ3θCh1.11Inverse Kinematics•This problem can be considered as a mapping of locations in external 3-D Cartesian space to locations in the robot’sinternal joint space.•The inverse kinematics problem is more complicate than the forward kinematics¾The kinematic equations are nonlinear, the solutionprocedure is not always easy.¾Existence of the solution? and multiple solution?Ch1.12Velocity Kinematics •Velocity Kinematics: derive the velocity relationship, relating the linear and angular velocities of the end-effector (or any other point on the robot) to the joint velocitiesXYZ(base)vw3θ2θ1θ•Jacobian Matrix: specifies a mapping from velocities in the joint space to velocities in the Cartesian space.•The nature of this mapping changes as the configuration of the robot varies.•Singularities: at certain points, the mapping is not invertible.Ch1.13Robot Dynamics •Dynamics: study devoted to study the force required to cause motion.XYZ(base)AV 1τ2τ3τ•The exact form of the required actuator torquedepends on mass properties of the robotlink/payload, the attributes of the path taken by the end-effector.•Robot dynamic mode can be utilized in¾calculating the desired actuator torque functionto drive the robot to follow desired trajectory¾simulationCh1.14Robot Control•Why need to consider robot control problem?¾The vast majority of manipulator are driven byactuators that supply a force or a torque to cause themotion of robot.¾An algorithm is needed to compute torque/force thatwill caused the desire motion.•Linear position control: control algorithm design based on linear approximations to the dynamics of a robot.•Nonlinear position control: control algorithm design based on the nonlinear dynamics of a robot.Ch1.15Summary •Definition and classification of robot •History of robot•Structure of robot•Application of robot•Basic concepts of robotics•Research on open problem¾Manipulation, Locomotion¾Navigation, Control¾Learning an Adaptation (AI)¾Human-Robot Interaction¾Biologically inspired robotThank You!。
机器人导论
摘要機器人是自動控制機器（Robot）的俗稱，自動控制機器包括一切模擬人類行為或思想與模擬其他生物的機械（如機器狗，機器貓等）。
狹義上對機器人的定義還有很多分類法及爭議，有些電腦程序甚至也被稱為機器人。
在當代工業中，機器人指能自動執行任務的人造機器裝置，用以取代或協助人類工作。
理想中的高模擬機器人是高級整合控制論、機械電子、計算機與人工智慧、材料學和仿生學的產物，目前科學界正在向此方向研究開發。
有關機器人的話題，常見於科幻作品中。
概述機器人的機構學、動力學、及智慧控制。
主題包含平面及空間運動學、動作規劃；機械手臂及移動式機器人的機構設計、多剛體動力學、3D繪圖模擬；控制系統設計、致動器、感測器：無線網路連結、工作模型、人機介面及崁入式系統。
研究動機指由操作機（機械本體）、控制器、伺服驅動系統和感測裝置構成的一種仿人操作、自動控制、可重複編程、能在三維空間完成各種作業的光機電一體化生產設備，特別適合於多品種、變批量的柔性生產。
一個工業機器人可以僅包括一個感覺與動作之間的連結，而且這個連結不是由人手動操控的。
機器人的動作也許是電動機或是驅動器（也稱效應器）移動一隻手臂，張開或關閉一個夾子的動作。
此種直接而詳盡的控制跟回饋也許是由在外部或是嵌入式的電子計算機或是微控制器上運行的程式提供。
根據這個定義，所有的自動裝置都算機器人。
工業機器人可直接接受人類指令，也可以執行預先編排的程序，也可以根據以人工智慧技術制定的原則綱領行動。
工業機器人現狀2007 年全球共新安裝工業機器人114,365 台，較2006 年新安裝的111,052 台，上升了3%。
截至2007 年底，全球工業機器人保有量已達到了995,000 台。
2007 年，亞洲及美洲工業機器人的裝配量明顯上升，汽車工業以及電子電器行業的發展是上述地區工業機器人裝配量強勁增長的主要因素。
此外，化工領域用工業機器人的需求量也迅速上升。
研究目地目的是成為教育和研究領域的領導者。
机器人导论01绪论PPT课件
1927年，美国西屋公司工程师温兹利制造了第一个机器人“电报 箱”，并在纽约举行的世界博览会上展出，它是一个电动机器人， 装有无线电发报机，可以回答一些问题，但该机器人不能走动。
春秋后期，据《墨经》记载，鲁班曾制造过一只木鸟，能在空中飞行 “三日不下” 。
公元前2世纪，古希腊人发明了最原始的机器人──太罗斯，它是以水、 空气和蒸汽压力为动力的会动的青铜雕像，它可以自己开门，还可以 借助蒸汽唱歌。
1800年前的汉代，大科学家张衡不仅发明了地动仪，而且发明了计 里鼓车，计里鼓车每行一里，车上木人击鼓一下，每行十里击钟一下。
(6) 机器人语言；
(7) 装置与系统结构；
(8) 机器人智能等。
网络化控制与智能仪器仪表教育部
26.09.2020
重点实验室
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1.3 机器人的定义和分类
（Definition and Classifying for Robots）
网络化控制与智能仪器仪表教育部
26.09.2020
重点实验室
4
1.2 机器人的发展历史
( The Developing History of Robots )
古代“机器人”——现代机器人的雏形
人类对机器人的幻想与追求已有3000多年的历史
西周时期，我国的能工巧匠偃师研制出的歌舞艺人，是我国最早记载 的机器人。
网络化控制与智能仪器仪表教育部
26.09.2020
重点实验室
机器人导论
机器人导论课后学习13301084-钟奎（1）ARM的发展简史ARM最早于1990年由Acorn改组而来，之前Acorn时期开发出自己第一代32位、6MHz、3.0μm处理器，即ARM1，并用它做出一台 RISC指令集的计算机，也就是说当时还是在沿袭传统的方式，自己设计芯片出售芯片，早期使用Acorn 芯片产品的包括苹果的Newton pad等。
RISC 即精简指令集计算机，起初为达到降低售价把面积设计的小，功耗低是顺带的优势，而价格低廉功耗少天然适合移动设备，1990年11月，从苹果获得150万英镑投资，从VLSI获25万英镑投资，Acorn则是12个工程师和作价150万英镑的IP，外加一个办公的谷仓，重组后的Acorn开启世界标准之旅。
初创时期的ARM没有商业经验没有管理经验，当然也没有世界标准这种愿景，运营资金紧张，工程师人心惶惶，最后ARM决定自己不生产芯片，转而以授权的方式将芯片设计方案转让给其他公司，即“Partnership”开放模式，公司在1993年实现盈利，1998年纳斯达克和伦敦证券交易所两地上市，同年基于ARM 架构芯片出货达5000万片。
进入2000年，开始受益于手机以及其他电子产品的迅速普及，ARM系列芯片呈爆炸性增长，2001年11月出货量累积突破十亿片，2011年基于ARM系列芯片单年出货79亿片，年营收4.92亿英镑（合7.85亿美元）,净利润1.13亿英镑。
ARM 的发展代表了半导体行业某种趋势，即从完全的垂直整合到深度的专业化分工，70年代半导体行业普遍采用上中下游的垂直整合封闭式生产体系，80年代开始半导体行业开始分化，出现垂直整合和分工化的系统制造、定制集成等两个体系，台积电的晶圆代工模式进一步推动了专业分工的发展，半导体行业分工进一步细化，形成IP、设计、晶圆、封装价上下游体系，ARM处于价值链顶端。
（2）STM32系列微控制器的特点STM32系列给MCU用户带来了前所未有的自由空间，提供了全新的32位产品选项，结合了高性能、实时、低功耗、低电压等特性，同时保持了高集成度和易于开发的优势。
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迎宾机器人
导盲机器人
跳舞机器人
医疗机器人
娱乐机器人——
足球机器人 内部资料 注意保密
AIBO机器狗
指挥机器人
特种机器人（三）
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1.机器人的定义、发展历史及分类
排险救灾机器人——
消防机器人
室外保安机器人
排爆机器人（德）
防暴机器人（中）
工程用机器人——
1.机器人的定义、发展历史及分类
军用机器人——
美国军用运输机器人
“手推车”排爆机器 人 （英 ）
“徘徊者”侦察机器人 （美）
机器人助手
（美）
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）
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1.机器人的定义、发展历史及分类
机器人概论
游 玮
2013.03.27
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欢迎大家加入 机器人行业
Bill Gates近日Reddit的“有问必答”栏目中对未来科技领域的下
一件大事进行预测，认为机器人与自动化技术将成为未来发展的一大
趋势，可以改变世界。随后Nasdaq和中国A股市场所有和机器人相 关的股份全线飘红，如达芬奇、新松、博实股份、山河智能等。
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。 2.2、缺点 替代了工人，由此带来经济和社会问题； 缺乏应急能力； 设备费用开销较大。
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这一点已经不存在了
增加智能和感知能力，完善安全机制
灵活性、自适应能力还欠缺； 增加智能和感知能力
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、ICRA 等。 国际杂志：《 Robtics Research 》、《 Industrial robot 》、 IEEE transaction on《 Robotics and Automation 》等。
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1.机器人的定义、发展历史及分类
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 （军用战争机器人是违反机器人三原则） “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”。
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1.机器人的定义、发展历史及分类
1987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”。
也许能在传统工业机器人以外的领域开创一片天地
新型机器人机构：新型驱动与传动，新型材料，柔性臂，冗 余自由度臂，人工肌肉。 仿人与仿生机构：紧凑型多自由度机构，非结构环境的特殊 移动机构； 极限环境下的机器人机构：如空间、水下等。 微型机构：微纳驱动、微纳操作。
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1.机器人的定义、发展历史及分类
空间机器人——
MER 火星漫游车
Marshod 火星漫游车
Canada Arm 太空机械臂
水下机器人——
“双鹰”水下机器人 内部资料 注意保密
蛟龙号
“探索者号”水下机器人
特种机器人（一）
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管内机器人
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大型喷浆机器人
隧道凿岩机器人
特种机器人（四）
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1.机器人的定义、发展历史及分类
3、按智能水平划分
分 类 名 称
人工操作装置
简 要 解 释
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 可变顺序机器人
按预定的不变顺序及条件，依次控制机器人的机械动作。 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。 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。 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。 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。 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。
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1.机器人的定义、发展历史及分类
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）。 目前国内从事机器人产业化的公司有：新松、埃夫特、广数、 埃斯顿、青岛创想、嘉兴瑞宏、上海沃迪、东莞启帆等数十 家企业
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1.机器人的定义、发展历史及分类
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。 二十世纪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。
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。
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1.机器人的定义、发展历史及分类
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 气压驱动 （1）按驱动形式 液压驱动 直流伺服驱动 交流伺服驱动
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3 机器人技术的发展趋势
3.2 感觉技术 各种新型传感器的开发及其小型化；
主动视觉与高速运动视觉；
多传感器系统与多信息融合； 恶劣工况下的传感技术； 3.3 控制技术
先进控制理论；
分组协调控制与群控； 人机交互 （虚拟现实、遥操作和人机合作） ；
码垛（石化、粮食、冶金）
机床上下料（机加工）
铸件打磨（铸造，机加工）
分拣包装（食品、医药）
喷涂（汽车、洁具、玩具）
浇铸（铸造，汽车零部件）
工业机器人 ——恶劣、繁重、洁净、高精度等场合
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1.机器人的定义、发展历史及分类
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 移动式 固定式 轮式 履带式 足式 蛇行
基于传感信息的规划与导航；
机器智能（自主操作、自主控制、自我学习）； 多智能体系统。
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4 机器人的组成、构型及性能要素 4.1 机器人的组成
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1.机器人的定义、发展历史及分类
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）。 未来的趋势是从柔性，可编程 发展到感知和智能！(视 觉，力反馈，超声传感器) 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。
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1.机器人的定义、发展历史及分类
1954年，美国人George C. 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 “Industrial Robot”为商品广告投入 共49页