机器人-第1章

机械臂逆运动学（第4章） 问题：给定机械臂末端执行器的位置和姿态，计算所有可达给定 位置和姿态的关节角，如图。 即“定位”映射问题：将机械臂末端的位姿从三维笛卡儿空间向 内部关节空间的映射。 困难：运动学方程是非线性的，很 难得到封闭解，有时甚至无解，还 会有多解问题。 运动学方程解的存在与否限定了操 作臂的工作空间，无解表示目标点 处于工作空间之外，因此机械臂不 能达到这个期望位姿。
机械臂动力学（第6章） 为了使机械臂从静止开始加速，使末端执行器以恒定的速度作直 线运动，最后减速停止，必须通过关节驱动器（电机、气缸、 液压缸、人工肌肉等）产生一组复杂的力矩函数来实现。 力矩函数取决于路径的空间形式和瞬时特性、连杆和负载的质量 特性以及关节摩擦等因素。 动力学方程的第一个用途： 求解这些关节力矩函数。 动力学方程的第二个用途： 计算加速度，对机械臂的运动 进行仿真，如图。
机器人的定义(1/2)
英国牛津字典： 貌似人的自动机，具有智力和顺从于人但不具有人格的机器。 （到目前为止，还没有与人类相似的机器人，理想的机器人） 美国机器人协会（RIA-Robot Institute of America）： 一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置的，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。 （不全面，指工业机器人）
机器人的定义(2/2)
中国： 一种拟人功能的机械电子装置。 共同属性： 1）像人或人的一部分，并模仿人的动作 2）具有智能或感觉与识别能力 3）是人制造的机器或机械电子装置
机器人分类
按执行机构的动力方式来划分： •电气驱动 •液压驱动 •气动 •其他：压电陶瓷、形状记忆合金、磁致伸缩驱动器等 按智能程度来划分： •一般机器人：只具有一般编程能力和操作功能。 •智能机器人：具有不同程度的智能，如可进行人-机对话、可无需 人的干预下的自主执行任务。 按移动性来划分： •固定式机器人：整台机器人（或机械臂）不能移动，只能移动各个 关节 •移动机器人：轮式、履带式、步行（单足、双足、四足、六足和八 足）
日本工业机器人协会（JIRA-Japanese Indrustrial Robot Association）：
一种装备有记忆装置和末端执行器的，能够转动并通过自动完成 各种移动来代替人类劳动的通用机器。（包括工业机器人和智 能机器人） 国际标准化组织ISO： 机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能机械 手，这种机械手具有几个轴，能够借助于可编程序操作来处理 各种材料、零件、工具和专用装置，以执行种种任务。（与 RIA的类似）
机器人的由来(2/2)
• 1768-1774，瑞士钟表匠制作的木偶机器人，自动书写、自动 演奏 • 1893年，加拿大摩尔设计的能行走的机器人“安德罗丁”，以 蒸汽为动力。 • 1920年，捷克剧作家Karel Capek首次提出Robota一词 • 1950美国科幻作家Assimov,在《我是机器人》中，提出机器人 三守则： 一.机器人不得伤害人，也不得见人受到伤害而袖手旁观 二.机器人应服从人的一切命令，但不得违反第一定律 三.机器人应保护自身的安全，但不得违反第一、第二定律 • 1954年美国人设计了第一台电子可编程机器人 • 1962年美国万能自动化（Unimation）公司的全球第一台机器人 Unimate，在美国通用（GM）公司使用，标志着第一代机器人 的诞生。
机器人技术的发展方向
智能化
–高性能的传感器，驱动器和执行器的研究 –解决机器人在特殊领域的逻辑推理、思维和自主决策能力 –解决人和机器的协调共处 –让机器人具有情感

模块化 多机化 家庭化 极限化 微型化
部件构造上的标准化 多机协调作业
太空、深海、火山
课程内容（讲授部分）：
机器人的空间描述与变换（第2章） 机器人运动学（第3章） 机器人逆运动学（第4章） 机器人速度（第5章） 机械臂动力学 （第6章） 机器人运动规划 （第7章） 机械臂的机械设计 （第8章） 机械臂的线性控制 （第9章） 机械臂的非线性控制 （第10章）
机械臂的速度、静力和奇异性（第5章） 分析机械臂的运动问题 雅可比矩阵：从关节空间速度向笛卡儿空间速度的映射。 会随着机械臂位形的变化而变化。 在奇异点，雅可比矩阵不可逆。 例子：机枪需跟踪飞机 两个自由度：方位角、仰角 A=15º，E=25º，容易被击落。 A=15º，E=70º，仰角增大， 飞过正上方，容易逃脱。 机枪竖直向上或接近这种 方位时，工作越来越不理 想：目标越接近正上方， 需要越大的速度绕方位轴 转动。正上方，无穷大的 转动速度。
机器人的发展现状(1/3)
北美工业机器人的装 运量（单位：百万美 元）
各种用途工业机器人的年 安装量
机器人的发展现状(2/3)
20世纪90年代即机器人价 格与人力成本的比较
中国： 1. 2011年7月29日，身为鸿海精密工业股份有限公司(Hon Hai Precision Industry Co.，2317.TW，母公司鸿海科技集团，内地习惯称为“富士 康”)董事长兼总裁，郭台铭携妻子在深圳参加公司万人晚会，情绪甚高 的他口无遮拦，透露富士康将增加生产线上的机器人数量以完成简单重复 的工作：明年达30万台，3年后机器人规模达100万台。 （摘自新浪财 经,2012） 2. 新京报讯 （2013-2-21, 记者林其玲），往年春节过后富士康都会展开 大规模劳工招聘，昨天富士康大陆地区新闻发言人刘坤透露，今年春节后， 富士康在全国范围内暂停招工。据记者了解，富士康将加快机器人应用。
笛卡尔坐标 （直角坐标）
球面坐标
圆柱面坐标
关节式球面坐标 （链式坐标）
平面坐标
按控制类型来划分： • 点位控制（非伺服控制）：按照预先编好的程序顺序进行 工作，使用终端限位开关、制动器、插销板和定序器来控 制机械臂的运动。可靠性强、能力较弱。 • 连续控制（伺服控制）：被控制量（输出）可为机械臂终 端执行装置（或工具）的位置、速度、加速度和力等。能 力较强，可靠性低一点。
机器人的发展现状(3/3)
2015年1月6日，工信部国际经济技术合作中心主任龚晓峰做客中 国经济网《经济热点面对面》时指出，我国的机器人产业市场 近两年来发展迅猛，2013年共销售3.7万台工业机器人，同比 增长60%，预计2014年销售5万台，已成为全球最大的市场。 龚晓峰说，工信部制定了相关规划，并在近两年间对全国情况进 行摸底和调查，在接下来编制“十三五”规划中，将结合智能 制造整个大环境，以及从制造大国向制造强国转变的使命来制 定相关政策，营造相关环境。 目前我国和机器人产业相关的公司有400多家，以中小企业为主， 最大的公司产值大概在十几亿元左右。
工具坐标系：附着在末端执行器上。 基坐标系：与机械臂固定底座相连。 机械臂正运动学：给定一组关节角的值，计算工具坐标系相对于 基坐标系的位置和姿态，如图。称为从关节空间到笛卡儿空间 描述的机械臂位置表示。 笛卡儿坐标系中，三个变量描述空间一点的位置，另外三个变量 描述物体的姿态。也称任务空间或操作空间。
机械臂轨迹生成（第7章） 一点运动到另一点，各关节同时开始和停止运动，机械臂的运动 才显得协调。 通常方法是，每个关节按照指定的时间连续函数来运动。 轨迹生成：如何计算这些运动函数。如图 中间点：位于初始位置和期望 位置之间的过渡点。
期望机械臂的运动是平滑的。 为了使末端执行器在笛卡儿空 间走出一定轨迹，必须将其转 化为一系列的等效的关节运动。
课程内容（实验部分）：
机器人编程语言及编程系统 （第12章）
位姿描述（第2章）
我们关心的是机械臂的杆件、零部件、抓持工具和操作空间内的 其他物体的位置和姿态。 一般先将一个空间坐标系固连于物体上，然后选一个作为参考坐 标系，以此研究空间物体的位置和姿态。 任一坐标系都能用作参考坐标系，要研究同一物体在不同坐标系 中空间位姿的描述方法和数学计算方法。
机械臂设计与传感器（第8章） 机械臂是多用途的装置，但经济上考虑，应该有预期执行的任务 来决定其设计。 考虑：几何尺寸、速度、承载能力、关节数量、关节分布、驱动 器的选择、传动系统、传感器等，如图，这些会影响工作空间 的大小和性质、结构的刚度等。
专用机器人：为特定任务设计。 根据任务考虑关节数目：如，电路 板装配电器元件的专用机器人，仅 需四个关节，三个用于定位，第四 个可以使被抓取得元件绕垂直轴旋转。 通用机器人：能够完成各种任务。 “合适的”最小关节数量是六个。
按用途分
工业机器人
服务机器人
水下机器人 军用机器人 农业机器人 特种机器人 机器人化机器 仿人形机器人 娱乐机器人 空间机器人 微机器人 医用机器人
机器人
本课程的对象是工业机器人（机械臂、机械手）
• 按坐标形式分类 ：笛卡尔坐标结构、圆柱面坐标结构、极坐标 结构、球面坐标结构和关节式球面坐标（铰接型）结构
注意关键词：独立 对于机械机构，不一定有多少个部件就有多少个自由度，如四连杆 铰链有三个可移动的连杆，但机构只有一个自由度。
典型的工业机器人是一种开放的运动链，每个关节位置通常是一个 独立的变量，所以关节的个数等于自由度的数目。
4个自由度，若要空间内 在任何方向上定向，需另 外2个自由度
5个自由度（2个冗余自 由度）
上课形式： 讲授20学时、实验12学时
考核： 仿真作业，实验报告，课程论文（综述）
第1章 绪论
机器人的由来(1/2)
• 西周时代（公元前1066年～ 前771年），就流传巧匠偃师献给 周穆王一个歌舞机器人（艺伎）的故事。 • 公元2012年，央视春晚，机器人舞蹈。 • 东汉时期（公元25年～220年）的张衡发明的指南车是世界上 最早的机器人雏形
教材： • 机器人学导论（原书第3版）, [美]John J. Craig著,贠超 等译. 书名原文: Introduction to Robotics: Mechanics and Control. • 蔡自兴. 《机器人学》，清华大学出版社。