第一章(2)机器人基础教学课件

(4) 多关节式(Jointed) 符号表示RRR
(5) SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm) 关节轴线全平行 由日本山梨大学牧野洋教授首先提出
本课程案例教学机器人
2、按机器人控制方式
(1) 非伺服控制机器人：这种机器人按照 事先编好的程序进行工作，使用限位开关、制 动器、插销板和定序器控制机器人的工作。主 要涉及“终点”、“抓放”或“开关”式机器 人，尤其是有限顺序机器人。 (2) 伺服控制机器人：通过反馈传感器取 得的反馈信号与来自给定装置的给定信号，用 比较器加以比较后，得到误差信号，经过放大 后用以激发机器人的驱动装置，并带动末端执 行装置以一定的运动规律运动，实现所要求的 作业。
2、关节参考坐标系：此时，机器人 是通过各关节独立运动产生期望运动。 3、工具参考坐标系：是一个活动坐 标系，随机器人手运动而随之运动，在 机器人控制中，它便于对机器人靠近、 离开物体或安装零件进行编程。
§1.4 SCARA教学机器人
SCARA教学机器 人为平面关节型机器 人，具有3个旋转关 节，其轴线相互平行， 可在平面内进行定位 和定向。另一个关节 是移动关节，用于完 成末端件在垂直平面 的运动。
1．通用性
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 。在这个层次上，机器人运用 它的下述能力： (1) 使用传感器感测环境的能力； (2) 分析任务空间和执行操作规划的能力； (3) 自动指令模式的能力。
美国只将后四种定义为机器人。
§1.3 机器人自由度、关节及坐标系
一、机器人的自由度 确定点在空间位置—三个坐标。 确定刚体（三维物体，不是一个点） 在空间位置—六个坐标（三个确定空间位 置，三个确定空间姿态）。 需要六个自由度才能将物体放到空间 任意指定位姿（即位置和姿态）。 少于六个自由度，机器人的能力将受 到相应限制（自由度越少，限制越多）。
1） 三自由度机器人 只能 沿X、Y、Z轴运动 不能指定机械手姿态 2）五自由度机器人 X、Y、Z移动和绕X、Y的转动 （焊接、磨削机器人，不要求Z轴转动） 3）七自由度机器人 解无穷多，要有附加决策程序使机器人从这 些解中选择一个。（检验所有解，根据决策找 出所求解，实际生产不用）
1将一个圆柱形零件放置在平板上， 机器人应具有几个自由度？
不同之处（控制源、名称）



§1.2 机器人的特点、结构及分类
一、机器人的主要特点（通用性、适应性） 机器人的特点包括如下两方面内容： 机器人的通用性取决于它的几 何特性和机械能力。即指执行不同功能完成同 一任务的能力和完成多样不同简单任务的能力。 或者说在机械结构上允许机器人执行不同的任 务或以不同的方式完成同一任务。 决定通用性有两方面因素：一个是机器 人自由度；另一个是末端执行器的结构和操作 能力。
安装环境
温度：0~45℃ 湿度：20~80％RH （不能结露） 震动：0.5G以下 避免接触易燃 腐蚀性液体或气体，远离电 气噪声源
机器人控制技术
课程主要内容： 物体空间位置的表示； 机器人的运动学正、逆解； 机器人作业的静力学分析及力控制技术； 机器人作业路径规划及驱动、控制系统的设计； 机器人智能及感知系统；
根据具体作业对象不同，机器人适 应性主要考虑三种适应性： (1) 点适应性：即如何找到点的位置。 (2) 曲线适应性：即如何利用传感器得到 的信息(或特殊结构、材料等)沿曲面工作。 (3) 速度适应性： 选择最佳运动速度。 （与倒立摆类似的两轮机器人）
二、机器人的结构组成
四大组成部分 • 执行机构 • 驱动单元 • 控制系统 • 智能系统

（a）Kuhnezug车载起重机；(b)Fanuc S-500机器人在卡车上执行焊缝任务
机器人操作手与起重机进行比较：
相似之处（结构、驱动、负载、控制器）


具有许多连杆，这些连杆通过关节依次连接； 这些关节由驱动器驱动（电机）； 操作机的“手”都能在空中运动，达到工作空 间的任何位置，并承载一定的负荷； 都用一个中央控制器控制驱动器。 起重机是由人来控制驱动器 机器人操作手是由计算机编程控制。动作受计 算机监控的控制器所控制，该控制器本身也运 行某种类型程序。程序改变，机器人动作就会 相应改变。 一个称为机器人，一个称为操作机。
执行机构
执行机构是机器人完成工作任务的机 械实体一般为“机械手臂+末端操作器”
机械手臂manipulator： 一般为由杆件 机构和关节机构组成的空间开链机构常 常进一步细分为机座腰部臂部肩和肘腕 部 末端操作器end-effector ：按作业用途 定（是机器人完成特定作业的关键装置）

驱动单元
• 40年代末期美国阿尔贡国家实验室遥控机械手 的发展用于操作放射性材料(遥控式、双向主从 式机械手)


1953年：MIT研制成功第一台数控铣床 机械手+NC技术 —>第一台工业机器人的产生 1954年：美国人George.C.Devol 申请“可编 程序的关节型搬运装置”发明专利 1958年：约瑟夫 恩格尔伯格购买了德沃尔的 专利，创造了世界上第一个制造机器人的公 司—Unimation 1959年：推出了第一台示教再现式的 (Teaching- Playback)PUMA机器人 1961年：Unimation 公司生产出第一台工业 机器人定名为Unimate，62年在GM公司应用
一、机器人特点 1. 机构采用平面关节型（SCARA）结构，按工 业标准要求设计，速度快、柔性好； 2. 采用交流伺服电机和谐波减速器等，模块化 结构，简单、紧凑 ； 3. 控制系统采用Windows系列操作系统，二次 开发方便、快捷，适于教学实验； 4. 提供通用机器人语言编程系统，可通过图形 示教自动生成机器人语言等程序； 5. 内容涵盖机器人运动学、动力学、控制系统 的设计、机器人轨迹规划等。
二、机器人参数
结构形式 负载能力 运动精度（脉冲当 关节1 量/转） 关节2 关节3 关节4 未端重复定位精度 平面关节式（SCARA型） 1kg 10000 10000 1600pulse/mm 3200 ±0.1mm
每轴最大运动范围 关节1
关节2 关节3 关节4 每轴最大运动速度 关节1 关节2 关节3 关节4
一般工业机器人为6 个自由度前三个称为手 臂机构后三个称为手腕 机构。根据手臂机构的 运动付不同形式的组合 得到不同的机器人机构 形式。 (1) 直角坐标式(Cartesian) 符号表示PPP
(2) 圆柱坐标式(Cylindrical)符号表示RPP
(3) 球坐标式(Spherical) 符号表示RRP
0~270°
0~200° 0~60mm 0~345° 0.5rad/S 0.5rad/S 6mm/S 3.14rda/S
最大展开半径 高度 本体重量 几何尺寸 关节1（长度） 关节2（长度） 关节3（行程） 控制方式 操作方式 供电电源 安装要求 安装方式
335mm 480mm ≤25Kg 200mm 135mm 60mm PTP/CP 示教再现 二相220U、50HZ 水平安装
伺服控制分为点位伺服控制和连续 轨迹伺服控制两种。 点位伺服控制： 机器人以最快和最 直接的路径（省时省力）从一个端点移 到另一个端点。通常用于重点考虑终点 位置，而对中间的路径和速度不做主要 限制的场合。实际工作路径可能与示教 时不一致。 连续轨迹伺服控制： 机器人能够平 滑地跟踪某个规定的路径。
机器人基础

机器人是什么？ 机器人是如何工作的？ 机械专业学生对机器 人要掌握哪些内容？
第一章 绪论
§1.1 机器人的发展历史 古代人们期望生产机器替代人类劳动。 1921 年，捷克作家 Karel Capek 在其科幻小 说《罗素姆的万能劳工（Universal Robot） 》 首次使用机器人词。 Capek梦想着有这样的情况，即生物过程可 以创造出类人的机器，他们虽然缺乏感情和灵 魂，但他们身体强壮并服从主人的命令，而且 这些机器能够快速而廉价地生产出来。
智能系统
正在发展中智能机器人除运动机能外还有如下三 种机能 感知机能：获取外部环境信息以便进行自我行动决 策和监视的机能，视觉传感器是当前发展的重点 思维机能：求解问题的认识推理和判断机能— — 人工智能 人—机通信机能：理解指示命令输出内部状态与人 进行信息交换的机能



三、机器人的分类
1、按机器人结构形式
机器人市场很快发展起来，很多国 家都想用成百上千的机器人士兵装备 军队，为他们卖命，即使伤亡也不足 惜。最终机器人认定自己已经比人类 优越，并试图从人类手中接管这个世 界。这个故事中出现的名字rabota， 即劳动者，一直沿用到今天。
机器人主要基于大规模生产考虑主要有以下 两个原因： 1、劳动强度 2 、尽量使用Asimov 在其出版的《我，机器 人》一书中，给机器人定下了三原则： 1、不伤害人类； 2、在原则一下服从人给出的命令； 3 、在与上两个原则不矛盾的前提下保护自 身
二、机器人的关节
1、直线移动关节 2、转动关节 （驱动方式）
三、机器人的坐标 滑动关节 用P表示 旋转关节 用R表示 球型关节 用S表示 机器人构型通常可用一系列的P,R,S来描述 三滑动关节，三旋转关节怎样 表示？ 答案：3P3R
四、机器人的坐标系 机器人运动学中通常定义以下三种坐 标系： 1、全局参考坐标系： 此时，机器人是通过 各关节的组合运动产生 沿X、Y、Z三个坐标轴 直线运动和绕他们的转 动。







1967年：丰田和川崎重工引进美国的Unimate 和Versatran机器人 1968年：通用汽车公司定购68台工业机器人 1976年：Cincinncti Milacron 公司进入工业 机器人市场，广受欢迎 1983 机器人学无论是在工业生产还是在学术 上都是一门受欢迎的学科，开始列入教学计划 80年代日本机器人在世界占主要地位，占世界 总产量的一半以上 1994年底全世界工业机器人已发展到60万台 2001年底全世界实际装备工业机器人102万台