1、课程简介,总学时数：32 ；授课起止周数：1 16,本门课程主要讲授机器人学的基本理论和相关技术，介绍机器人技术的现状、应用和发展趋势；系统地讲述机器人运动学、机器人静力学和动力学、机器人的轨迹规划等方面的基础理论和方法，简要讲述机器人的传感与反馈、机器人控制、机器人智能等方面的基本原理和应用技术。,主要参考文献,（1）机器人学导论美 John J. Craig著，贠超等译，机械工业出版社，2006； （2）机器人学导论分析、系统及应用，美 Saeed B. Niku著，孙福春等译，电子工业出版社，2004； （3）机器人学美 付京逊等著，中国科学技术出版社，1989； （4）机器人机械设计，
2、龚振邦等，电子工业出版社，1995； （5）机器人学蔡自兴，清华大学出版社，2000； （6）并联机器人机构学理论及控制黄真等著，机械工业出版社，1997。,第一章 绪论,1.1.1 机器人的定义,机器人问世已有几十年，但没有一个统一的意见。原因之一是机器人还在发展，另一原因主要是因为机器人涉及到了人的概念，成为一个难以回答的哲学问题。也许正是由于机器人定义的模糊，才给了人们充分的想象和创造空间。,美国机器人协会（RIA)：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各种任务，并具有编程能力的多功能操作机。美国家标准局：一种能够进行编程并在自动控制下完成某些操作和移动作业任
3、务或动作的机械装置。,1.1 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”。,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：是一种自动机
4、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。 可以再编程，程序流程可变，即具有柔性(适应性）。,机器人是20世纪人类伟大的发明。比尔盖茨预言：机器人即将重复PC机崛起的道路，彻底改变这个时代的生活方式。机器人学集中了机械工程、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。,1.1.2 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
5、。,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“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”。,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
6、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”为商品广告投入市场。,1967年， Unimation公司第一台喷涂用机器人出口到日本川崎重工业公司。,1968年，第一台智能机器人Shakey在斯坦福研究所诞生。1972年，IBM公司开发出直角坐标机器人。1973年，Cincinnati Milacron公司推出T3型机器人。1977年，日本学者Okada 研制出了首台多指灵巧手样机。1978年，第一台PUMA机器人
7、在Unimation公司诞生；Hunt将6自由度并联机构用于机器人操作器。1981年，日本山梨大学牧野洋开发出了SCARA型机器人。,1982年，Westinghouse公司兼并Unimation公司，随后又卖 给了瑞士的Staubli公司。1988年，CMU大学研制出可重构模块化机械手系统RMMS。 1990年，Cincinnati Milacron公司被瑞士ABB公司兼并。1996年，本田公司研制出P2仿人机器人，2000年推出ASIMO。2008年，美国波士顿动力公司研制出“大狗”(BigDog)机器人；英国科学家研制了首个有生物脑的机器人 “米特戈登”(Meet Gordon)。,60
8、70年代，是机器技术获得巨大发展的阶段，这一时期的机器人以示教再现型为主，称为第一代机器人。,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。日本的机器人总装机量占世界第一，被称为“机器人王国”。 日本的“Motorman”、 “SCARA”， 德国的“KUKA”，瑞士的“Ansia”等工业机器人都是国际知名品牌。同时，机器人技术迅速向各个领域拓展，机器人的感知技术得到相应的发展，产生第二代机器人（感知型机器人）。,90年代，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，仿生机器人也得到了快速发展。,总的看来，机
9、器人的发展呈现出以下的一些特点：,进入二十一世纪后，机器人技术由量向质发展，军用、医疗、服务、助老助残、娱乐等成为机器人技术研究的热点领域，产生了一些有市场影响力的产品，如，“Aibo”机器狗，“达芬奇”医疗机器人，Roomba清扫机器人的销量已超过250万个。智能型机器人成为学术研究的重点方向。如，已研制出由人或动物意识控制的机械手等。当然，目前各个时期的机器人产品仍占有一定的市场。,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，定期举办各种学术交流和产品展示活动。国际杂志： Robtics Research 、 Robotica 、IEEE transaction on
10、Robotics and Automation 等。,我国机器人技术起步较晚，20世纪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首台弧焊机器人（华宇号），之后，又研制出国内第一台点焊机器人（华宇号）。,进入90年代后，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）。并由此衍生出机器人产业化基地： 哈尔滨博实自动化设备公司、沈阳新松机器人公司、北京机械工业自动化所机器人工程中心等。,进入21世纪后，我国的机器人技术研究也在紧跟世界发展步伐，机器人技术
11、的应用市场也在逐步形成。,1.1.3 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,2、按用途划分（应用领域）,（1）工业机器人,（2）特种机器人,3、按智能水平划分,1.2 机器人技术的发展趋势,进入90年代后,机器人数量增长速度下降,但由于人工智能、计算机科学、传感器技术的长足进步，使机器人技术研究在高水平上进行。机器人在工业、农业、商业、旅游业、医疗、公共安全、空间和海洋以及国防等诸多领域获得越来越普遍的应用。未来机器人技术将有待于在以下方面发展。 一、机器人机构新型机器人机构：新型驱动与传动，新型材料，柔性臂，冗余自由度臂，并联机器人。仿人与仿生机构：
12、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：驱动、元器件、零部件、制造工艺等。,二、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；,三、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） ；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。,1.3 机器人的组成、构型及性能要素,1.3.1 机器人的组成,机器人是一个高度自动化的机电一体化设备。从控制观点来看，机器人系统可以分成四大部分：机器人执行机构、驱动
13、装置、控制系统、感知反馈系统。,执行机构 实现预期的动作或操作；相当于人的肢体。驱动装置 为执行机构提供动力；相当于人的肌肉、筋络。感知反馈系统 检测执行机构位置、速度等信息以及机器人所处的环境信息；相当于人的感官和神经。控制系统 进行任务及信息处理，并给出控制信号；相当于人的大脑和小脑。,1.3.2 机器人的构型,机器人的机械配置形式即构型多种多样。最常见的构型是用其坐标特性来描述的。,一、工业机器人,1、直角坐标型 (3P)其运动是解耦的，控制简单。但运动灵活性较差，自身占据空间最大。工作空间为矩形。,2、圆柱坐标型 (R2P)其运动耦合性较弱，控制也较简单，运动灵活性稍好。但自身占据空间
14、也较大。工作空间为圆柱形。,圆柱坐标型机器人模型,Verstran 机器人,Verstran 机器人,3、极坐标型（也称球面坐标型）(2RP)其运动耦合性较强，控制也较复杂。但运动灵活性好。占自身据空间也较小。工作空间为球形。,极坐标型机器人模型,Unimate 机器人,4、关节坐标型 (3R)其运动耦合性强，控制较复杂。但运动灵活性最好，自身占据空间最小。工作空间为复杂曲面体。,关节型搬运机器人,关节型焊接机器人,关节型机器人模型,5、平面关节型 (SCARA)仅平面运动有耦合性，控制较通用关节型简单。但运动灵活性更好，铅垂平面刚性好。,SCARA型装配机器人,1、二自由度移动机器人 具有一
15、个移动自由度和一个转向自由度的移动机器人。,二、移动机器人,B 21 robot,2、三自由度移动机器人 具有二个方向移动自由度和一个转向自由度的移动机器人，也称为全方位移动机器人。,XR 4000 robot,二自由度轮式移动机构,三自由度轮式移动机构,运动灵活性比较,3、多自由度移动机器人 形式多种多样，基本都具有全方位移动能力，同时具有很强的地形适应能力。,1、仿生型 根据所仿对象的运动特征而定。自由度一般较多，具有更强的适应性和灵活性，但控制更复杂，成本更高，刚性较差。,类人型机器人,仿狗机器人,蛇形机器人,三、特种机器人,仿禽机器人,仿鱼机器人,仿鸟机器人,六足漫游机器人,2、机器人
16、化工程机械高度自动化的工程机械。,大型喷浆机器人,机器人码垛机,1.3.3 机器人的性能要素,自由度数 衡量机器人适应性和灵活性的重要指标，一般等于机器人的关节数。机器人所需要的自由度数决定与其作业任务。,负荷能力 机器人在满足其它性能要求的前提下，能够承载的负荷重量。,运动范围 机器人在其工作区域内可以达到的最大距离。它是机器人关节长度和其构型的函数。,运动速度 单关节速度；合成速度。,精度 指机器人到达指定点的精确程度。它与机器人驱动器的分辨率及反馈装置有关。必要时可进行补偿。,控制模式 引导或点到点示教模式；连续轨迹示教模式；软 件编程模式；自主模式。,其它动态特性 如稳定性、柔顺性等。
17、,重复精度 指机器人重复到达同样位置的精确程度。它不仅与机器人驱动器的分辨率及反馈装置有关，还与传动机构的精度及机器人的动态性能有关。重复精度比精度更重要。,思考题： 1、机器人的定义、特点 2、机器人的类型 3、工业机器人的构型及特点 4、机器人的组成 5、机器人的性能指标（要素）,早期的机器人（与人相像吗？）,工业机器人（二）,特种机器人（一）,空间机器人,水下机器人,特种机器人（二）,豹式排雷机器人 （德）,“徘徊者”侦察机器人 （美）,“手推车”排爆机器人 （英 ）,机器人助手 （美）,军用机器人,特种机器人（三）,迎宾机器人,导盲机器人,跳舞机器人,医疗机器人,服务机器人,娱乐机器人
18、,排险救灾机器人,特种机器人（四）,工程用机器人,1.2 操作臂的机构与控制,位姿描述：位置和姿态操作臂正运动学：计算工具坐标系相对于基坐标系的位置和姿态。一般情况下，将这个过程称为从关节空间描述到笛卡尔空间描述的操作臂位置表示。运动学研究物体的运动，而不考虑引起这种运动的力。在运动学中，我们研究位置、速度、加速度和位置变量对于时间或者其他变量的高阶微分。,操作臂逆运动学：给定操作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。逆运动学不像正运动学那样简单。因为运动学方程是非线性的，因此很难得到封闭解，有时甚至无解。同时提出了解的存在性和多解问题。,速度，静力，奇异性：除了分析静
19、态定位问题之外，还希望分析运动中的操作臂。雅克比矩阵：从关节空间速度向笛卡尔空间速度的映射。在奇异点雅克比矩阵是不可逆的,当机构处于这种位姿时，例如机枪竖直向上射击的情况，机枪的方向与方位角转轴共线。也就是说，当处于这点时，方位角转动改变不了机枪的方向。我们知道我们需要两个自由度来确定机枪的方位，但在这一点上，其中一个转动关节却失效了。在这个位置，这种机构局部退化，就像只有一个自由度一样.,动力学：主要研究产生运动所需要的力。动力学作用: （1）通过运用操作臂动力学方程求解出这些关节力矩函数，从而控制操作臂沿期望路径运动； （2）动力学方程的第二个用途是用于仿真。通过重构动力学方程以便以驱动力
20、矩函数的形式来计算加速度，这样就可以在一组驱动力矩作用下对操作臂的运动进行仿真。,轨迹生成：平稳控制操作臂从一点运动到另外一点，通常的方法是使每个关节按照指定的时间连续函数来运动。轨迹生成就是如何准确计算出这些运动函数。,通常，一条路径的描述不仅需要确定期望目标，而且还需要确定一些中间点或路径点，操作臂必须通过这条路径到达目标点。有时用术语样条函数来表示通过一系列路 径点的连续函数。,操作臂设计与传感器：完整的操作臂设计包括以下因素：驱动器的选择和配置、传动系统以及内部位置（有时是力）传感器。,线性位置控制：对位置和速度传感器进行检测，以计算出驱动器的力矩指令。非线性位置控制：操作臂的非线性动力学。力控制：在某些方向用位置控制，而其余方向上通过力控制法则来控制，这叫混合控制。,1.3 符号,（1）一般大写字母的变量表示矢量或矩阵，小写字母的变量表示标量； （2）左下标和左上标表示变量所在的坐标系。例如， 表示坐标系A中的位置矢量， 是确定坐标系A和坐标系B相对关系的旋转矩阵。 （3）右上标用来表示矩阵的逆或转置（比如， ， ），这种表示已被广泛应用。 （4）右下标没有严格限制，但可以用来表示矢量的分量（例如x，y或z）或者作为一种描述例如在 中，表示螺栓上的位置。 （5）我们可能会用到许多三角函数。角 的余弦可以用以下任何一种形式来表示： 。,
