第01篇工业机器人绪论
第1章 工业机器人概论PPT课件
控制系统
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第1章 工业机器人概论
工业机器人技术基础
■工业机器人示教器
示教器是人机交互的一个接口，也称示教盒或示教编程器，主要由液晶屏和可供 触摸的操作按键组成。操作时由控制者手持设备，通过按键将需要控制的全部信 息通过与控制器连接的电缆送入控制柜中的存储器中，实现对机器人的控制。示 教器是机器人控制系统的重要组成部分，操作者可以通过示教器进行手动示教， 控制机器人到达不同位姿，并记录各个位姿点坐标，也可以利用机器人语言进行 在线编程，实现程序回放，让机器人按编写好的程序完成轨迹运动。
随着工业机器人的应用越来越广泛，我国也在积极推动我国机器人产业的发展。
尤其是进入“十三.五”以来，国家出台的《机器人产业发展规划（2016-2020）》对机
器人产业进行了全面规划，要求行业、企业搞好系列化、通用化、模块化设计，积极
推进工业机器人产业化进程。
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第1章 工业机器人概论
工业机器人技术基础
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第1章 工业机器人概论
工业机器人技术基础
1.1 工业机器人定义及其发展 工业机器人定义 定义虽不同，但有一定的共性： 工业机器人是由仿生机械结构，电机、减速机和控制系统组成的，用于从 事工业生产，能够自动执行工作指令的机械装置。它可以接受人类指挥， 也可以按照预先编排的程序运行，现代工业机器人还可以根据人工智能技 术制定的原则和纲领行动。 一般情况下，工业机器人应该具有四个特征： 1. 特定的机械结构； 2. 从事各种工作的通用性能； 3. 具有感知、学习、计算、决策等不同程度的智能； 4. 相对独立性。
量22.5万台，亚洲的销量占到2/3，中国市场的机器人销量近45500台，增长35%。到目
前为止，全球的主要机器人市场集中在亚洲、澳洲、欧洲、北美，其累计安装量已超
工业机器人技术基础第1章 工业机器人概论
法国
英国 意大利、瑞典等
注重机器人基础研究
二十世纪70年代末开始研究，但 中途限制发展 发展迅速
中国
70年代萌芽期，80年代的开发期 和90年代后的应用期。
靠后
沈阳新松、 清华、哈工 大
国际上的工业机器人公司主要分为日系和欧系。
日系有：安川、OTC、松下、 发那科 (FANUC)和安川电机 (Yaskawa)。 欧系有：德国的KUKA、CLOOS、瑞典的ABB、意大利的COMAU，英国的
第一，创新能力较弱，核心技术和核心关键部件受制于人，尤其是高精度的减速器长
期需要进口，缺乏自主研发产品，影响总体机器人产业发展。 第二，产业规模小，市场满足率低，相关基础设施服务体系建设明显滞后。中国工业
机器人企业虽然形成了自己的部分品牌，但不能与国际知名品牌形成有力竞争。
第三，行业归口，产业规划需要进一步明确。 随着工业机器人的应用越来越广泛，我国也在积极推动我国机器人产业的发展。 尤其是进入“十三.五”以来，国家出台的《机器人产业发展规划（2016-2020）》对机 器人产业进行了全面规划，要求行业、企业搞好系列化、通用化、模块化设计，积极 推进工业机器人产业化进程。
工业机器人技术基础
目 录
第一章 工业机器人概论
第二章 工业机器人的数学基础
第三章 工业机器人的机械系统 第四章 工业机器人的动力系统 第五章 工业机器人的感知系统 第六章 工业机器人的控制系统
第七章 工业机器人编程与调试
第1章 工业机器人概论
工业机器人技术基础
主要内容
1.1 工业机器人定义及其发展（了解） 1.2 工业机器人基本组成及技术参数（掌握）
第1章 工业机器人概论
工业机器人技术基础
工业机器人-绪论-1
------In Capeks play, robots were humanoid (human-like in form) machines created by Rossum and his son to be used as servants for people.
表面处理、打孔、焊接
图06 激光加工机器人
和模具修复等。
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真空机器人
真空机器人是一种在真
空环境下工作的机器人，
主要应用于半导体工业
中，实现晶圆在真空腔
室内的传输。真空机械
手难进口、受限制、用
量大、通用性强，其成
为制约了半导体装备整
机的研发进度和整机产
品竞争力的关键技术。
而且国外对中国买家严
加审查，归属于禁运产
• 工业机器人的研究源于遥控机械手和数控机床的研发。
•
20世纪50年代以后，美国橡树岭国家实验室开始研
究能搬运核原料的遥控操纵机械手，这是一种主从型控制
系统，主机械手的运动。系统中加入力反馈，可使操作者
获知施加力的大小，主从机械手之间有防护墙隔开，操作
者可通过观察窗或闭路电视对从机械手操作机进行有效的
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2) “Robotics”
-----from Issac Asimov, who used this word for the first time to describe the science of robots.
1959年第一台工业机器人在美 国诞生（Unimation），开创了机 器人发展的新纪元。
工业机器人第一章
缺点：
油液的黏度受温度影响，影响工作性能； 液体泄漏难以克服，要求液压元件制造精度高； 需要提供相应的供油系统和严格的滤油装置；
2.2 驱动机构
一、各种驱动方式的优缺点 ㈡ 气压驱动
优点： 压缩空气黏度小，容易达到高速（1m/s)； 工厂一般都自有空气压缩机站，可提供压缩空气，不必再额 外的添加动力设备，而且空气介质对环境无污染，使用安全； 气动元件工作压力低，因此制造要求也低一些，价格低廉； 空气具有压缩性，是系统能够实现过载自动保护；
机器人最显著特点：
（1）拟人功能：
（2）可编程：机器人具有‘智力’或具有 ‘感觉’和‘识别’能力，可随工作环境变化而 再编程。因此电动玩具不是机器人。 （3）通用性：一般机器人在执行不同的作 业任务时，具有较好的通用性。 （4）机电一体化 ：工业机器人技术是机械 学和微电子学的结合
二、工业机器人与环境交互
第一章
概论
1.1 机器人概述 1.2 机器人的分类 1.3 工业机器人的组成与技术参数
1.1 机器人概述
一、机器人定义及特点
美国机器人工业协会（RIA）提出的机器人 定义为：“机器人是一种用于移动各种材料、零 件、工具或专用装置，通过可编程序动作来执行 各种任务并具有编程能力的多功能机械手。”
直角坐标式
优点： 缺点：
主要用于生产设备的上下料、高精 度的装配和检测等。
导轨面的保养维护比较困难，不能像转动关节的轴承那样很好 的密封；
导轨面的支承结构增加了机器人的重量，并减少了有效工作范 围； 为了减少摩擦需要用很长的直线滚动导轨，价格高； 结构尺寸与有效工作范围相比显得庞大；
第二章
工业机器人机械系统设计
第一章工业机器人
第1章工业机器人及其发展1.1工业机器人的发展历史回顾“机器人”（Robota）一词最早出现在本世纪初的科幻小说中，是剧作家笔下的具有人的外表、特征和功能的机器，是一种人造的劳动力。
在我国采用的是意译，而实际上的机器人特别是工业机器在外型上很少与人相似之处。
现代机器人的研究始于20世纪中期，其技术背景是计算机和自动化的发展以及原子能的开发和利用。
自1946年第一台数字电子计算机（ENIAC）研制成功以来，计算机取得了惊人的进步，目前正向高速、大容量、低价格的方向发展。
省力化和大批量生产等的迫切要求，推动了自动化技术的进展，其结果之一便是1952年数控机床的诞生。
另一方面，原子能实验室的恶劣环境要求某种操作机械代替人处理放射性物质，在这一背景下，美国原子能委员会的尔贡研究所于1941年开发了遥控机械手，1946年又开发了机械式的主从机械手。
1954年美国George .Devol最早提出了工业机器人的思想,发明了一种可编程序的关节型搬运装置,并申请了专利,该专利的要点是借助于伺服技术控制机器人的关节,利用人手对机器人进行示教,机器人能实现动作的记录和再现,这就是所谓的示教再现机器人。
在此基础上，1958年美国的CONSOLIDATEEL公司制造了第一台工业机器人；作为机器人产业出售的最早实用机器人是1962年美国AMF公司推出的“VERSTRAN”和“UNIMATION”公司推出的“UNIMATE”，这些工业机器人的控制方式与NC机床大致相同，但外形特征迥异，主要由类似人的手和臂组成。
由于历史条件和技术水平的关系，60年代机器人发展较慢。
70年代后，焊接、喷漆机器人相继在工业中得到应用和推广。
随着计算机技术、控制技术、人工智能的发展，机器人技术也得到了迅速发展，出现了更为先进的可配视觉、触觉的机器人。
80年代，为了适应市场多变的需要，制造业在生产方式上产生了质的飞跃，多品种、小批量概念诞生，出现了适应此种生产模式的以NC 机床、加工中心和工业机器人为代表的柔性制造系统FMS。
第一章《工业机器人的概论》PPT课件
激光焊缝跟踪机器人
➢ 第三代机器人
第三代工业机器人称为智能机器人，具有发 现问题，并且能自主地解决问题的能力，尚 处于实验研究阶段。作为发展目标，这类机 器人具有多种传感器，不仅可以感知自身的 状态，比如所处的位置、自身的故障情况等， 而且能够感知外部环境的状态，比如自动发 现路况、测出协作机器的相对位置、相互作 用的力等。更为重要的是，能够根据获得的 信息，进行逻辑推理、判断决策，在变化的 内部状态与变化的外部环境中，自主决定自 身的行为。这类机器人具有高度的适应性和 自治能力。尽管经过多年来的不懈研究，人 们研制了很多各具特点的试验装置，提出大 量新思想、新方法，但现有工业机器人的自 适应技术还是十分有限的。
可编程控制器(PLC) 工业机器人 计算机辅助设计和制造(CAD/CAM) 工业机器人技术需要的是一种跨学科、跨专业的 综合型人才，尤其是横跨工业机器人技术本身和 PLC等技术的人才。
两个层面的人才： (1)操作、编程、使用和维护（中职培养目标） (2)前者+系统集成应用（大专及以上培养目标）
工业机器人的种类
研发机构---多种机器人。制造-重视工 业机器人应用。
机器人之父—熊有伦-机器人技术基础-1995 年出版
应用阶段：1987-2000年
1975-1985，研究的初步阶段。沈阳自动 化、一汽等
初步产业化阶段：2001-2013 广州数控、沈阳新松、奇瑞装备等 -- 工业机器人批量生产阶段
创新研究与人才培养：2014-今后 研发：关键技术---创新-理论-自主产权 - 发展阶段
自己完成
采购与成套设计相结合。本 国国内基本上不生产普通的 工业机器人，企业需要机器 人通常由工程公司进口，再
自行设计、制造配套的 外围设备
(完整)工业机器人技术及应用(教案)1-绪论
第一章绪论1.1 什么是工业机器人1。
2 为何发展工业机器人1。
3 工业机器人发展概况1.3.1 工业机器人的诞生1。
3。
2 工业机器人的发展1.4 工业机器人的分类及应用1。
4。
1 工业机器人的分类1.4。
2 工业机器人的应用学习目标＊掌握工业机器人的定义*了解工业机器人的发展事由和历程*熟悉工业机器人的常见分类及其行业应用导入案例富士康“百万机器人”上岗折射中国制造业升级2011 年，富士康 CEO 郭台铭表示，希望到 2012 年底装配 30 万台机器人，到 2014 年装配100 万台,要在 5 到 10 年数年内通过自动化消除简单重复性的工序。
机器人的投产使用，可将目前的人力资源转移到具备更高附加值的岗位上，这也符合将我国“人口红利”转为“人才红利"的大目标.这一工业机器人的井喷潮涌，何时会蔓延到“中国制造”的每一个工厂、每一条生产线、每一个工序、每一个工位上，将为“中国制造”的转型提“智”做出何等贡献？我们对此充满期待。
课堂认知1。
1 什么是工业机器人机器人涉及到人的概念,成为一个难以回答的哲学问题。
美国: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种种任务的,并具有编程能力的多功能操作机。
日本：一种带有存储器件和末端操作器的通用机械，它能够通过自动化的动作替代人类劳动。
中国: 一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或者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。
ISO一种能自动控制，可重复编程，多功能、多自由度的操作机，能搬运材料、工件或操持工具来完成各种作业。
广义地说:工业机器人是一种在计算机控制下的可编程的自动机器。
它具有四个基本特征：①特定的机械机构②通用性③不同程度的智能④独立性1.2 为何发展机器人让机器人替人类干那些人不愿干、干不了、干不好的工作。
ABB 给出十大投资机器人的理由：第一，降低运营成本;第二，提升产品质量与一致性；第三，改善员工的工作环境;第四，扩大产能；第五，增强生产的柔性；第六，减少原料浪费，提高成品率;第七，满足安全法规，改善生产安全条件；第八，减少人员流动，缓解招聘技术工人的压力；第九，降低投资成本,提高生产效率；最后一点，节约宝贵的生产空间。
01第一章 KUKA机器人绪论
后来居上，并在工业生产的应用上及机器人制造业上很快超过了美国，产品在国际市场上形成了较强的竞争力。
进入20世纪80年代之后，美国才感到形势紧迫，政府和企业界才开始真正重视机器人。制定和采取了相应 的政策和措施，一方面鼓励工业界发展和应用机器人，另一方面制订计划、提高投资，增加机器人的研究经费， 把机器人看成美国再次工业化的特征，使美国的机器人迅速发展。80年代中后期，随着各大厂家应用机器人的
1.1 工业机器人的应用、发展和分类
（1）直角坐标系
-- 产品分类与应用
直角坐标系机器人模型
直角坐标系机器人实体
直角坐标机器人 具有空间上相互垂直的多个直线移动轴，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。
1.1 工业机器人的应用、发展和分类
（2）柱面坐标系
-- 产品分类与应用
1.1 工业机器人的应用、发展和分类
2 、按机器人的机构特征划分 工业机器人的结构形式
-- 产品分类与应用
按机器人结构坐标系特点方式 1）直角坐标型机器人
工业机器人的结构形式
直角轴线的移动来实现机器人 手部空间位置的改变。 2）圆柱坐标型机器人 通过两个移动和一个转动实现位置的改变。 3）极坐标型机器人 运动由一个直线运动和两个转动组成。 4）关节型机器人 运动由前后的俯仰及立柱的回转组成。
第一章-工业机器人绪论
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80年代 开始进入智能机器人研究阶段
• 80年代，不同结构、不同控制方法和不同用途的工业机器人在工业发达国 家真正进入了实用化的普及阶段。
• 随着传感技术和智能技术的发展，开始进入智能机器人研究阶段。
• 机器人视觉、触觉、力觉、接近觉等项研究和应用，大大提高了机器人的 适应能力，扩大了机器人的应用范围，促进了机器人的智能化进程。
器人、微操作和微装配机器人等。
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1.4 机器人的结构与控制方式
( Structure and Control of Robots )
1.4.1 机器人的结构 ( The Structure of Robot )
• 简单地说，机器人主要由执行机构、驱动和传动装置、传感器 和控制器四大部分构成（如图）。
• 控制器：是机器人的核心，它负责对机器人的运动和各种动作控制 及对环境的识别。
现代工业机器人的控制器都是由计算机控制系统组成，控制方 式主要有示教再现、可编程控制、遥控和自主控制等多种方式。
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日本三菱公司产MOVEMASTER-EX 五自由度机器人
▼ MOVEMASTER-EX 五 自由度机器人结构图
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• 按照结构形态，负载能力和动作空间划分可分为
• 超大型机器人：负载能力 1000 kg 以上 • 大型机器人：100-1000 kg / 10 m2 以上 • 中型机器人：10-100 kg / 1 –10 m2 • 小型机器人：0.1-10 kg / 0.1-1 m2 • 超小型机器人：0.1 kg 以下 / 0.1 m2 以下
剧中的人造劳动者取名为Robota，捷克语的意思是 “苦力”、“奴隶”。英语的Robot一词就是由此而来的， 以后世界各国都用Robot作为机器人的代名词。
工业机器人应用基础
3、不可使用机器人场合 1) 燃烧的环境 2) 有爆炸可能的环境 3) 无线电干扰的环境 4) 水中或其他液体中 5) 运送人或动物 6) 不可攀附 7) 其他
第2章 工业机器人结构原理
• 工业机器人一般由机械本体（机械手）、驱动系统和控制系统三 个基本部分组成（如图2-1所示），是一种仿人操作、自动控制、 可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化的自动化 生产设备。
机械传动机械手：由机械传动机构（如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等） 驱动的机械手。它是一种附属于工作主机的专用机械手，其动力由工作机械传递。它的 主要特点是运动准确可靠，动作频率大，但结构较大，动作程序不可变。它常被用于工 作主机的上、下料。
臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。手臂的各种 运动通常用驱动机构（如液压缸或者气缸）和各种传动机构来实现。
4、立柱 立柱是支撑手臂的部件。立柱也可以是手臂的一部分，手 臂的回转运动和升降（或俯仰）运动均与立柱有密切的联系 。机械手的立柱通常固定不动，但因工作需要有时也可作横 向移动，即称为可移式立柱。 5、行走机构 当工业机械手需要完成较远距离的操作或扩大使用范围时 ，可在机座上安装滚轮、轨道等行走机构，实现工业机械手 的整机运动。滚轮式行走机构可分为有轨和无轨两种。驱动 滚轮运动则应另外增设机械传动装置。 6、机座 机座是机械手的基础部分。机械手执行机构的各部件和驱 动系统均安装于机座上，故起支撑和连接的作用。
2.1.4 机械手的分类
1、按臂部的运动形式分类 直角坐标型：臂部可沿三个直角坐标移动，其运动部分由三个相
互垂直的直线移动（即PPP）组成，其工作空间几何形状为长方形。 圆柱坐标型：臂部可作升降、回转和伸缩动作，其运动形式通过
一个转动和两个移动组成的运动系统实现，其工作空间几何形状为圆 柱。
第1章 工业机器人技术绪论
1949-1953 美国麻省理工学院开始研制数控铣床
随 着 先 进 飞 机 制 造 的 需 要 ， 美 国 麻 省 理 工 学 院 辐 射 实 验 室 （ MIT Radiation Laboratory）开始研制数控铣床。 1953年研制成功能按照模型轨迹做切削动作的多轴数控铣床。
1954年 “可编程”“示教再现”机器人
工业机器人技术
Technology of Industry Robots
北京联合大学 Beijing Union University
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2015年5月11日
章节安排
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章
绪论 工业机器人机械系统设计 工业机器人运动学 工业机器人静力计算及动力学分析 工业机器人控制 工业机器人感觉系统 工业机器人轨迹规划与编程 工业机器人应用
术，研制出第一台真正意义上的工业机器人，并成立了Unimation 公司， 开始定型生产名为Unimate的工业机器人。
两年后，美国“机床与铸造公司”（ AMF ）也生产了另一种可编程工业 机器人Versatran。
70年代 机器人技术发展成为专门学科
机器人产业得到蓬勃发展，机器人技术发展成为专门学科，称之为机器人 学（Robotics）。 机器人的应用领域进一步扩大，不同的应用场所，导致了各种坐标系统、 各种结构的机器人相继出现，大规模集成电路和计算机技术飞跃发展使机 器人的控制性能大大提高，成本不断下降。
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2015年5月11日
按照结构形态，负载能力和动作空间划分可分为
超大型机器人：负载能力 1000 大型机器人：100-1000 kg 中型机器人：10-100 kg 小型机器人：0.1-10 kg 超小型机器人：0.1 kg
工业机器人技术 第1章
第1章 绪 论
1.1 机器人的分类 1.2 工业机器人的应用和发展 1.3 工业机器人的基本组成及技术参数 习题
第1章 绪 论
1.1 机器人的分类
1. 按照应用类型分类 机器人按应用类型可分为工业机器人、 极限作业机器人 和娱乐机器人。 (1) 工业机器人。 工业机器人有搬运、 焊接、 装配、 喷 漆、 检查等机器人, 主要用于现代化的工厂和柔性加工系统中, 如图1.1、 图1.2所示。
第1章 绪 论 图 1.11 Unimate机器人
第1章 绪 论
这是一台用于压铸作业的五轴液压驱动机器人, 手臂的控 制由一台专用计算机完成。它采用分离式固体数控元件, 并装 有存储信息的磁鼓, 能够记忆完成180个工作步骤。
与此同时, 另一家美国公司——AMF公司也开始研制工业 机器人, 即Versatran(Versatile Transfer)机器人, 如图1.12所示。 它主要用于机器之间的物料运输, 采用液压驱动。该机器人的 手臂可以绕底座回转, 沿垂直方向升降, 也可以沿半径方向伸缩。 一般认为, Unimate和Versatran是世界上最早的工业机器人。 这两种工业机器人的控制方式与数控机床大致相似, 但外形特 征迥异, 主要由类似人的手和臂组成。
第1章 绪 论
20世纪80年代后，国家投入资金，对机器人及其零部件进 行攻关，完成了示教再现型工业机器人成套技术的开发，研制 出了喷涂、电焊、弧焊和搬运机器人。863计划实施后，成功 研制了一批特种机器人。
从20世纪90年代初期起, 我国先后研制出了点焊、弧焊、 装配、喷漆、切割、搬运、包装、码垛等各种用途的工业机器 人, 并实施了一批机器人应用工程, 形成了一批机器人产业化基 地, 为我国机器人产业的腾飞奠定了基础。
机器人第1章 绪论
– 控制器：是机器人的核心，它负责对机器人的运 动和各种动作控制及对环境的识别。示教再现、 可编程控制、遥控和自主控制等多种方式。
1.4 机器人应用
UNIMATE公司:PUMA/560
▼ PUMA/560六自由度机 器人结构
▲ PUMA/560机器人
日本三菱公司MOVEMASTER-EX 五自由度机器人
• 空间机器人
美国航空航天局（NASA）研究的月球车在月球表面
NASA “索杰纳”火星车
1997 年 7 月 4 日 17 时 07 分，美国航空航天局（ NASA ）发 射的火星探路者号宇宙飞船成功地在火星（ Mars ）表面 着陆，“索杰纳”火星车在火星上成功地工作了 250天。 2003 年 6 月先后升空的美国“勇气”（ Spirit ）号和“机 遇”（Opportunity）号火星车经过1.2亿公里和半年多的 长途飞行，分别于 2004 年 1 月 3 日和 24 日先后登陆火星， 向地球传来大量清晰的火星图片。
机器人定义
1. 机器人的动作机构具有类似于人或其他生物 体某些器官 ( 如 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，是柔性加工主要组成部分； 3. 机器人具有不同程度的智能，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。
现代机器人的发展历史(1)
二战期间（1938-1945）: “遥控操纵器”（Teleoperator）;放射 性材料生产和处理.1947年，改进，采用 电动伺服，从动部分跟随主动部分运动， 称为"主从机械手"（Master-Slave Manipulator）。 1949-1953: 美国麻省理工学院-数控铣床 1954年:美国人George C. Devol-“可 编程”“示教再现”机器人
工业机器人应用基础课件
5、按驱动方式分类 气压传动机械手：以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点
是：空气来源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低，无污染。但是 ，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低。
液压传动机械手：以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是： 具有较大的抓举能力，可达上千牛顿，传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置 要求严格，不然油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工 作。
5、行走机构 当工业机械手需要完成较远距离的操作或扩大使用范围时， 可在机座上安装滚轮、轨道等行走机构，实现工业机械手的 整机运动。滚轮式行走机构可分为有轨和无轨两种。驱动滚 轮运动则应另外增设机械传动装置。
6、机座 机座是机械手的基础部分。机械手执行机构的各部件和驱动 系统均安装于机座上，故起支撑和连接的作用。
机械传动机械手：由机械传动机构（如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等） 驱动的机械手。它是一种附属于工作主机的专用机械手，其动力由工作机械传递。它的 主要特点是运动准确可靠，动作频率大，但结构较大，动作程序不可变。它常被用于工 作主机的上、下料。
表2-6 TCP固定功能下各轴的运动方式
轴
运动方式
轴1
主运动轴 轴2 TCP平移运动方向取决于坐标系
轴3
腕运动轴
轴4
轴5
末端点位置不变，姿态分别绕X、 Y、Z轴转动
轴6
注：在不同坐标系下腕运动轴的转动方向是不同的。
2.1.3 机械手的组成
工业机器人机械本体即机械手包括手部、手腕、手臂 和立柱等部件，有的还增设行走机构。
臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。手臂的各种 运动通常用驱动机构（如液压缸或者气缸）和各种传动机构来实现。
第一章 机器人绪论
第一章绪论自从20世纪50年代末第一台工业机器人发明以来机器人的发展已经有半个世纪纵观半个世纪以来机器人的发展史机器人技术在需求的牵引下已经得到了巨大的发展到目前为止机器人的发展已经经历了三个阶段(1)可编程的示教再现型机器人为了让机器人完成期望的作业首先由操作者通过示教盒对操作机器人的运行轨迹作业顺序等进行示教操作机器人控制系统将示教指令记忆存储应用时再根据再现指令顺序取出示教指令经过编译在一定精度范围内复现示教动作(2)带有一定的传感功能包括视觉力觉触觉等功能具有一定适应能力的机器人这种机器人可以根据传感信息调整控制算法(3)智能机器人这种机器人装有多种传感器并能将多种传感器探测到的信息进行融合能有效地适应环境的变化具有很强的自适应能力并具有自学习功能随着机器人技术的发展人们对机器人的要求不再局限于单个机器人近年来随着机器人生产线的出现及柔性制造系统的应用研究人员对由多个机器人组成的系统越来越感兴趣多机器人的研究已经成为机器人学研究的一个重要方面如果说单机器人是对人类个体的模仿那么多机器人系统则是对人类群体乃至人类社会的模仿显然多机器人系统具有许多单机器人系统所没有的优点这主要体现在如下几个方面1多机器人系统在空间上是分布式的,即多个机器人可以同时工作在工作空间的各个位置这个特点是完成许多任务的关键比如对于搬运物体之类的任务如果使用单个机器人完成该机器人往往需要具有较大的本体而使用多机器人系统则可以使用数个机器人合作完成各个机器人本身无须很大2多机器人系统是并行的某些任务可以进一步分解成若干子任务并且这些子任务是相互独立的可以同时处理的具有并行结构的多机器人系统在完成此类任务时比单个机器人要有优势3多机器人系统的容错能力较强多机器人系统中的机器人个体的功能可以相互重叠所以当某一机器人出现故障时很容易通过任务的重新分配来弥补由该故障引起的系统性能下降4多机器人系统的灵活性好开发出灵活性很高的单机器人不仅困难而且很昂贵而多机器人系统中各个机器人的功能可以互不相同通过不同功能的机器人的组合很容易使多机器人系统具有很强的适应性5经济性好对于一些动态性强而且复杂的任务开发多机器人系统远比开发单个机器人容易而且价格较低除了上文所述的多机器人系统的优点外对于多机器人系统的研究还可以增进研究人员对组织行为学经济学认知科学和生命科学中的一些基本问题的认识1 1 多机器人技术研究现状多机器人系统的研究始于20世纪70年代从那时开始国外许多高校和科研机构对多机器人系统进行了广泛的研究例如欧盟在97年设立了专门进行多机器人系统研究的项目MARTHA[1]即用于搬运的多自主机器人系统Multiple Autonomous Robots for Transporting and Handling Application美国海军研究部和能源部也对多机器人系统的研究进行了资助[2]而美国国防部所属的DARPAR在MARS Mobile Autonomous Robot Software项目中也对多移动机器人的研究给予了大量的支持日本的许多高校也对多机器人系统进行了大量的研究经过二十多年的发展多机器人技术的研究已在理论和实践方面取得了大量卓有成效的研究成果并建立了一些多机器人的实验系统下面我们将介绍几个比较有影响的多机器人系统(1) CEBOT CEllular roBOTic SystemCEBOT系统是由日本Nagoya大学的T.Fukuda教授领导的研究小组开发的CEBOT是一种自重构机器人系统Self-Reconfigurable Robotic System它的研究是受生物细胞结构的启发将系统中众多的具有相同或不同功能的机器人视为细胞元这些细胞元机器人可以移动寻找和组合根据任务或环境的变化细胞元机器人可以自组织成器官化机器人多个器官化机器人可以进一步自组织形成功能更加复杂的机器人系统如图1-1细胞结构机器人系统强调是单元体的组合如何根据任务和环境的要求动态重构因此系统具有多变的构型可以具有学习和适应的组智能Group Intelligence,并具有分布式的体系结构图1-1 CEBOT系统示意图对CEBOT系统的研究涉及到系统的体系结构通讯信息交互等许多方面文献[3]讨论了系统的体系结构并针对分层式结构提出一种选择Master Cell 的方法文献[4]研究了对机器人行为的建模问题文献[5]给出一种计算机器人之间信息交换量的方法文献[6]介绍一种新颖的机器人行为选择机制根据两个矩阵优先级矩阵(Priority Matrix)和利益关系矩阵(Interest RelationMatrix)通过一个学习算法来调整优先级矩阵.(2) Collective Robotics实验系统图1-2 Collective Robotics实验系统加拿大Alberta大学开发了一个实验系统—Collective Robotics并在这方面作出许多工作[7][8][9][10][11][12][13]. Collective Robotics是对昆虫社会的一种人工模拟目的是将许多简单的机器人组织成一个团体来完成一些有意义的工作为实现这一目标研究针对集体任务Collective Tasks机器人的控制体系结构和算法以及传感信息的分析等具体来说在机器人之间没有建立显式通讯的条件下如何利用分散式控制方式实现多机器人系统的协作这种分布式无通讯系统易于机器人的添加去除多个机器人协作推箱(Box-Pushing)的实验结果表明在不存在显式通讯和集中规划器的条件下尽管运行的结果不是一个最优解但可以得到一个可行解图1-2是Collective Robotics实验系统(3) Cooperative Robotics 实验系统美国Oak Ridge国家实验室的Lynne E. Parker博士在MIT做博士期间就在多Agent协作自主Agent体系结构多Agent通讯等方面做了许多工作[14][15][16][17][18][19][20][21[22][23][24]在Oak Ridge国家实验室又带领一研究小组在协作机器人学方面做了许多工作如人机协作移动机器人协作多Agent协作智能Agent体系等他们研究的协作机器人是集成了感知推理动作的智能系统着重研究在环境未知且在任务执行过程中环境动态变化的情况下机器人如何协作完成任务为了将各种协作算法应用于系统他们开发了协作机器人的实验系统见图1-3一种是适用于户外的实验系统CESAR Emperor(图1-3a), 包括一个运输车四个微机器人且在机器人上安装激光扫描仪摄像头声纳传感器以及无线以太网等另外还有一种适用于室内应用的系统CESAR Nomads(图1-3b)包括四个机器人机器人上安装有各种传感器包括测距仪接触传感器声纳红外视觉罗盘以及基于激光的2D定位系统机器人还装有无线以太网以实现机器人之间的通讯以及机器人和工作站之间的通讯(a) CESAR Emperor (b) CESAR Nomads图1-3 Cooperative Robotics 实验系统(4) Socially Mobile 和The Nerd Herd实验系统美国USC大学的学者如Maja J. Mataric等在基于行为的多机器人协作方面做了许多工作[25][26][27][28][29]他们采用自下而上的路线基于行为的方式研究分析设计机器人群行为的突现在多机器人学习群体行为协调与协作等方面开展工作他们针对多机器人协调协作建立的实验系统有Socially Mobile和TheNerd Herd如图1-4所示(a) Socially Mobile (b) The Nerd Herd图1-4 Socially Mobile 和The Nerd Herd实验系统 Socially Mobile系统由4个移动机器人组成机器人由两个电机驱动且装有一个二指抓手机器人上安装多种传感器包括碰撞传感器红外传感器色觉传感器Color sensor和用于通讯及数据收集的无线发送/接收装置另外还有用于定位的超声系统机器人采用包容式结构SubsumptionArchitecture Socially Mobile系统主要用于群体行为多机器人学习等各种实验为多机器人系统的分析建模提供有效的数据The Nerd Herd系统是由20个机器人组成机器人上装有用于抓取堆放物品的抓手抓手上装有IR和接触传感器机器人本体上装有碰撞传感器无线-声纳定位系统以及通讯系统The Nerd Herd是第一个用于大规模机器人群体行为实验的系统且可以广泛用于其它多机器人控制和协调实验(5) MRCAS(Multi-Robot Cooperative Assembly System)中国科学院沈阳自动化所以制造环境应用多机器人装配为背景建立了一个多机器人协作装配实验系统MRCAS[29][62]建立MRCAS实验系统的目的是建立一个实验平台为多机器人协作研究提供研究环境和实验手段并在多机器人协作理论研究的基础上开展多机器人协作的实验研究图1-5 MRCAS 系统体系结构MRCAS实验系统采用集中与分散相结合的分层体系结构分为合作组织级和协调作业级合作组织级的协作控制智能体HOST由一台PC计算机构成协调作业级则由PUMA562PUMA760Adept I和全方位移动车ODV组成HOST硬件平台采用一台宏基AcerPower PT100 PC机在HOST机的ISA总线上安装一块四串口板分别与PUMA562PUMA760Adept I和ODV车通讯利用MRCAS进行多机器人协作装配式工件的实验结果表明MRCAS系统为深入研究多机器人协作理论与方法提供了一个良好的实验平台并对多机器人协作系统的实际应用具有参考价值1 2 多机器人运动规划研究现状多机器人运动规划的目标是为每一个机器人规划出与环境障碍以及其他机器人不发生碰撞的运动轨迹多机器人运动规划一般可以分为两大类一类是多移动机器人Multiple Mobile Robots运动规划另一类是多机械臂MultipleManipulators的运动规划与机械臂相比移动机器人工作的环境大多是非结构化环境机器人的定位困难重复定位精度差但是移动机器人的所要完成的任务对精度的要求却又往往比机械臂要宽松所以移动机器人运动规划与机械臂的运动规划在许多方面有很大的不同本论文研究的是多移动机器人系统因此在下面的讨论中主要针对的是多移动机器人的运动规划问题多移动机器人的运动规划又可以分为两类集中式Centralized的规划方法和分布式Distributed的规划方法早期的规划方法大多以集中式规划方法为主而近期的规划方法中分布式的规划方法开始逐渐增多12 1 集中式规划方法集中式的规划方法将多机器人系统视为一个具有多个自由度的复杂机器人由系统中的一个规划器来统一完成对所有机器人的运动规划集中式规划的特点是一方面在不考虑计算复杂性的情况下该类方法可以获得规划问题的最优解另一方面该类方法计算时间往往比较长这一点限制了该方法的应用集中式规划发展时间较长成果丰富这里仅就主要的方法作一介绍Schwartz和Sharir用栅格法解决了任意数量的移动物体的运动规划问题[31]该问题中有些物体是连在一起的环境由墙和其他障碍组成尽管算法的计算时间与障碍的平面数是多项式关系与机器人的自由度成指数关系但总的计算时间是O(n e)其中e是指数n是物体的数量Parson和Canny提出了一个多移动机器人规划器他们的规划方法分两步来进行第一步根据障碍和机器人的形状把自由空间分成子空间第二步在子空间中选定起点和终点然后规划得到路径[33]O’Dunlaining等提出了一个并行的运动规划算法[34]该算法用栅格图表达环境把相邻的两个栅格用一根弧线连起来然后用动态规划法搜索栅格图获得路径机器人之间的避碰通过等待的方式实现如果将该方法在并行机上实现可以获得很高的计算速度Gurewitz等用收缩法分析了二维空间中圆形机器人的运动规划问题[35]该算法采用了V oronoi图的广义化概念运行时间是O(nlog(n))Barraquand等提出一个与收缩算法类似的算法[36]该算法在工作空间中定义一个势场机器人跟踪势场的谷底以找到规划路径Erdmann和Lozano-Perez提出优先权的方法[37]该算法通过预先给机器人分配优先权减少了相互躲避的机器人的数量S. M. Lavalle 和S. A. Hutchinson 将多目标优化的方法应用于多机器人路径规划并针对固定路径道路网及开放环境分别作了实验实验结果表明该方法可以获得一组最优解[38]但是该算法的运行时间较长Warren提出了一种预先分配优先权的规划方法[39]该方法采用势场法来规划单个机器人的运动路径同时考虑了机器人的速度和加速度限制12 2 分布式规划方法分布式运动规划方法中每一个机器人独立地收集其周围的环境和其他机器人的运动信息并根据其收集到的信息来规划出一条到达目标点的无碰路径分布式规划的特点是如果不追求规划问题的最优解则该类方法可以获得很高的运行速度但是如果要得到最优解所需的运行时间将不会少于集中式规划方法甚至有可能根本得不到最优解同时机器人之间将会有大量的通讯分布式的规划方法的研究近年来有了很大发展逐渐成为多移动机器人运动规划的主流方法下面将针对这一类方法作一介绍Carrioli提出了一种基于优先权的分布式规划方法[40]首先每一个机器人根据环境信息规划出一条到目标点的无碰路径接着该机器人将其规划结果向其他机器人广播并获得相对于其他机器人得优先权其他机器人规划自身得路径时要躲避该机器人Khatib提出了人工势场法[41]该方法通过在机器人上施加一个虚拟的驱动力来实现机器人的运动规划上述虚拟力是障碍物的斥力和目标点的引力的合力Satio和Tsumura提出了一种实时的规划方法[42]该方法中每一个机器人首先收集其附近的机器人相对自身的运动速度然后根据这些运动信息判断与附近机器人发生碰撞的危险程度并根据危险程度在速度限制条件下决定下一步的运动速度最后按照该速度运动E. W. Large 等采用dynamical systems 方法进行移动机器人的运动规划并通过引入行为间的竞争来解决多机器人的合作和避障问题[43]W. L. Xu 和S. K. Tso将模糊控制的方法应用于基于传感器的移动机器人运动规划并通过局部目标切换来解决运动过程中的死锁[44]Lee和Bien的规划方法借鉴了海上轮船的避碰规则[45]该方法仅适用于机器人自身尺寸远小于工作空间的尺寸且机器人的操作较少的场合Noborio Hashime将Hopfield神经网络应用于机器人的运动规划问题[46]该方法类似于人工势场法当产生死锁时通过在发生死锁的位置设置一个虚拟的障碍物从而摆脱死锁Premvuti和Yuta研究了公路网中的多个机器人的运动规划问题并提出了一个方法用于解决多个机器人通过交叉路口的问题[47]该方法中机器人通过谦让来避免与其他机器人发生冲突当冲突已经发生时则通过产生一个管理者来集中解决冲突Shin Kato等提出了交通规则法[48]该方法中机器人通过遵守交通规则来避免相互的碰撞和死锁该方法对在公路网中运动的多机器人系统的运动规划很有效1 3 多机器人系统仿真平台的研究现状多机器人系统的研究过程中实验是一个非常重要的环节无论是系统的体系结构还是控制或学习算法都需要通过实验来验证其有效性但是构造一个实际的多机器人系统不仅价格昂贵而且所需时间较长此外即使是在已有的多机器人系统中进行实验也要耗费较多的时间和人力不可能在短时间内进行大量的实验所以仿真就成为多机器人研究过程中的一个重要的工具事实上许多研究人员都是首先通过仿真初步验证算法的有效性然后才在实际的多机器人系统中实验验证算法的鲁棒性和抗干扰能力目前有关多机器人仿真系统的文献较少仅有 Wang在1994年的International Symposium on Distributed Robotics System上的一篇文章涉及到多机器人仿真系统该文详细论述了多机器人系统通用仿真平台的要求并给出了一个多机器人仿真平台的例子该文中Wang 提出多机器仿真平台应该满足如下要求通用性有效性即该系统必须能够模拟多机器人系统的并行异步的特点实时图形显示友好的与算法的接口支持增加新的机器人类型但是随着多机器人研究的发展多机器人仿真平台却已有了较大发展下面介绍几个比较有影响的仿真系统TeamBots该仿真系统是Georgia Institute of Technology和CMU共同开发完成的该系统特点如下采用Java语言编写在Windows Linux 和Solaris等操作系统上均可运行系统源代码公开在遵守一些协议的条件下可以修改其代码通用性较好与实际机器人有接口在TeamBots上实现的程序可直接控制实际机器人但是该仿真系统运行速度慢环境编辑较为麻烦目前该TeamBots 已经发布了2.0版图1-6是该仿真系统的例子图1-6 TeamBotsMissionLab该仿真系统是由Georgia Institute of Technology的Mobile Robot Laboratory开发的较为成熟已经推出了若干版本目前最新的版本是4.0该仿真系统的特点是采用C++语言编写速度较快有自带的行为库其中的机器人完全采用基于行为的控制方式有专门的用于机器人行为设计的语言CDL(Configuration Description Language)与很多实际机器人都有接口可以直接控制多种实际机器人如Pioneer AT, RWI Urban Robot和Nomad 150 & 200但是该系统自从3.0之后仅能运行于Linux系统中图1-7是该系统的一个例子图1-7 MissionLabSoccer Server Software这个软件可能是最著名的多机器人仿真软件该软件拥有大量的用户比MissionLab更加成熟目前的运行于Windows下的版本已经是5.24版该软件较少考虑到环境的几何要素而更多考虑到机器人之间的交互和对抗但是由于该软件是机器人足球的专用软件所以用户不能改变环境难以进行足球比赛以外的仿真实验图1-9是该软件的一个例子图1-8 Soccer Server Software1 4 课题来源和研究内容本文以多机器人系统为背景结合国家高技术研究发展计划863计划智第一章绪论能机器人主题多机器人协作系统的理论方法与技术研究课题和国家自然科学基金课题机器人群体协调与控制机理的研究对多机器人运动规划和分布式仿真问题进行研究内容安排如下第一章 对多机器人系统的特点进行分析综述多机器人系统研究的主要问题以及相应问题的研究现状介绍本文的研究背景和研究内容第二章介绍基于行为的多移动机器人运动规划方法详细分析了运动规划中存在的问题针对这些问题设计了机器人的各种行为并给出了仿真结果第三章介绍一种基于学习分类器系统的多机器人学习算法针对学习分类器系统收敛慢的问题引入了规则构造器和合并操作并通过通讯使机器人之间可以共享各自发现的最优规则从而加速学习过程第四章介绍了多机器人仿真平台的要求使用面向对象的方法分析了多机器人仿真系统的系统模型最后介绍了在该模型的基础上开发的仿真平台11。
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现代机器人的发展历史
二战期间（1938-1945）
由于核工业和军事工业的发展，研制了 “遥控操纵器”（Teleoperator） 主要用于放射性材料的生产和处理过程。
70年代 机器人技术发展成为专门学科
机器人产业得到蓬勃发展，机器人技术发展成为专门学科，称之为机器 人学（Robotics）。
机器人的应用领域进一步扩大，不同的应用场所，导致了各种坐标系统、 各种结构的机器人相继出现，大规模集成电路和计算机技术飞跃发展使 机器人的控制性能大大提高，成本不断下降。
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第一章 绪论
ChapterⅠ Introduction
1.1 机器人名称的由来 1.3 机器人的定义和分类 1.5 操纵机器人 1.7 机器人的应用 1.9 我国机器人研究的简况
1.2 机器人的发展历史 1.4 机器人的结构与控制方式 1.6 智能机器人 1.8 未来机器人的发展方向
1738年，法国天才技师杰克·戴·瓦克逊发明了一只机器鸭，它会嘎 嘎叫，会游泳和喝水，还会进食和排泄。
1773年，著名的瑞士钟表匠杰克·道罗斯和他的儿子利·路易·道罗斯 制造出自动书写玩偶、自动演奏玩偶等，他们创造的自动玩偶是利 用齿轮和发条原理而制成的，它们有的拿着画笔和颜色绘画，有的 拿着鹅毛蘸墨水写字，结构巧妙，服装华丽，在欧洲风靡一时。
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智能与控制工程研究所( About “Robot” )
机器人的英文名词是Robot，Robot一词最早出现在 1920年捷克作家卡雷尔·卡佩克（Karel Capek）所写的一 个剧本中，这个剧本的名字为 《 Rossum’s Universal Robots 》，中文意思是“罗萨姆的万能机器人”。
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80年代 开始进入智能机器人研究阶段
80年代，不同结构、不同控制方法和不同用途的工业机器人在工业发达国 家真正进入了实用化的普及阶段。
随着传感技术和智能技术的发展，开始进入智能机器人研究阶段。
机器人视觉、触觉、力觉、接近觉等项研究和应用，大大提高了机器人的 适应能力，扩大了机器人的应用范围，促进了机器人的智能化进程。
剧中的人造劳动者取名为Robota，捷克语的意思是 “苦力”、“奴隶”。英语的Robot一词就是由此而来的， 以后世界各国都用Robot作为机器人的代名词。
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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
机器人原理及控制技术
工业机器人http://
黄心汉
华中科技大学控制科学与工程系
章节安排
第一章 绪论 第三章 运动学方程 第五章 微分变换 第七章 控制 第九章 静态力
第二章 齐次变换 第四章 逆运动学方程 第六章 动力学 第八章 运动轨迹 第十章 力控与顺应控制
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(6) 机器人语言；
(7) 装置与系统结构；
(8) 机器人智能等。
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1.3 机器人的定义和分类
（Definition and Classifying for Robots）
经历了40多年的发展，机器人技术逐步形成了一门新的综合性学科 — 机器人学（Robotics）
它包括有基础研究和应用研究两个方面
主要研究内容有：
(1) 机械手设计；
(2) 机器人运动学、动力学和控制；
(3) 轨迹设计和路径规划； (4) 传感器(包括内部传感器和外部传感器)；
(5) 机器人视觉；
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。
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。
1947年，对这种较简单的机械装置进行了改进，采用电动伺服方式，使 其 从 动 部 分 能 跟 随 主 动 部 分 运 动 ， 称 为 " 主 从 机 械 手 " （ Master-Slave Manipulator）。
1949-1953 美国麻省理工学院开始研制数控铣床
随 着 先 进 飞 机 制 造 的 需 要 ， 美 国 麻 省 理 工 学 院 辐 射 实 验 室 （ MIT Radiation Laboratory）开始研制数控铣床。
1960年美国“联合控制公司”（Consolidated Control）根据Devol的专利 技术，研制出第一台真正意义上的工业机器人，并成立了Unimation公司， 开始定型生产名为Unimate的工业机器人。
两年后，美国“机床与铸造公司”（AMF）也生产了另一种可编程工业 机器人Versatran。
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。
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后汉三国时期，蜀国丞相诸葛亮成功地创造出了“木牛流马”，并 用其在崎岖山路中运送军粮，支援前方战争。
1662年，日本的竹田近江利用钟表技术发明了自动机器玩偶，并在 大阪的道顿堀演出。
1953年研制成功能按照模型轨迹做切削动作的多轴数控铣床。
1954年 “可编程”“示教再现”机器人
美国人George C. Devol设计制作了世界上第一台机器人实验装置，并发 表了题为《适用于重复作业的通用性工业机器人》的文章。
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60年代 机器人产品正式问世，机器人技术开始形成