第一章第一章 绪论绪论1.1 机器人的发展历史机器人的发展历史 古代人们期望生产机器替代人类劳动。古代人们期望生产机器替代人类劳动。 1921年年，捷捷克克作作家家Karel Capek在在其其科科幻幻小小说说罗罗素素姆姆的的万万能能劳劳工工（Universal Robot） 首次使用机器人词。首次使用机器人词。 Capek梦梦想想着着有有这这样样的的情情况况，即即生生物物过过程程可可以以创创造造出出类类人人的的机机器器，他他们们虽虽然然缺缺乏乏感感情情和和灵灵魂魂，但但他他们们身身体体强强壮壮并并服服从从主主人人的的命命令令，而而且且这这些些机机器能够快速而廉价地生产出来。器能够快速而廉价地生产出来。 机器人市场很快发展起来，很多国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界。这个故事中出现的名字rabota，即即劳动者劳动者，一直沿用到今天。，一直沿用到今天。 机机器器人人主主要要基基于于大大规规模模生生产产考考虑虑主主要要有有以以下下两个原因：两个原因： 1、劳动强度、劳动强度 2、尽尽量量使使用用机机器器人人完完成成简简单单、重重复复的的作作业业以以降低成本。降低成本。 1950年年，Asimov在在其其出出版版的的我我，机机器器人人一书中，给机器人定下了一书中，给机器人定下了三原则三原则： 1 1、不伤害人类；、不伤害人类； 2 2、在原则一下服从人给出的命令；、在原则一下服从人给出的命令； 3 3、在在与与上上两两个个原原则则不不矛矛盾盾的的前前提提下下保保护护自自身身 40年代末期美国阿尔贡国家实验室遥控机械手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的发展用于操作放射性材料(遥控式、双向主从式遥控式、双向主从式机械手机械手) v 1953年：年：MIT研制成功第一台数控铣床研制成功第一台数控铣床v 机械手机械手+NC+NC技术技术 第一台工业机器人的产生第一台工业机器人的产生v 1954年：美国人年：美国人George.C.Devol 申请申请“可编可编程序的关节型搬运装置程序的关节型搬运装置”发明专利发明专利v 1958年：约瑟夫年：约瑟夫 恩格尔伯格购买了德沃尔的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专利，创造了世界上第一个制造机器人的公司Unimationv 1959年：推出了第一台年：推出了第一台示教再现式示教再现式的的(Teaching- Playback)PUMA机器人机器人v 1961年：年：Unimation 公司生产出第一台工业公司生产出第一台工业机器人定名为机器人定名为Unimate，62年在年在GM公司应用公司应用v1967年：丰田和川崎重工引进美国的年：丰田和川崎重工引进美国的Unimate和和Versatran机器人机器人v1968年：通用汽车公司定购年：通用汽车公司定购68台工业机器人台工业机器人v1976年：年：Cincinncti Milacron 公司进入工业公司进入工业机器人市场，广受欢迎机器人市场，广受欢迎v1983 机器人学无论是在工业生产还是在学术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，开始列入教学计划上都是一门受欢迎的学科，开始列入教学计划v80年代日本机器人在世界占主要地位，占世界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总产量的一半以上v1994年底全世界工业机器人已发展到年底全世界工业机器人已发展到60万台万台v2001年底全世界实际装备工业机器人年底全世界实际装备工业机器人102万台万台有关机器人重要术语有关机器人重要术语v机器人（机器人（robotrobot）：）：可编程的多功能操作可编程的多功能操作装置，通过可变的、预先编程的运动完装置，通过可变的、预先编程的运动完成各种任务。成各种任务。v遥控手（遥控手（teleoperatorteleoperator）：）：远程操作控远程操作控制进行工作的机器人叫遥操作机器人。制进行工作的机器人叫遥操作机器人。v可行走机器人（可行走机器人（mobile robotmobile robot）：）：机座机座可运动的机器人。可运动的机器人。v机器人学（机器人学（roboticsrobotics）：）：关于设计、制关于设计、制造和应用机器人的一门学科。造和应用机器人的一门学科。（a a）KuhnezugKuhnezug车载起重机；车载起重机；( (b)Fanucb)Fanuc S-500 S-500机器人在卡车上执行焊缝任务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：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）相似之处（结构、驱动、负载、控制器）v具有许多连杆，这些连杆通过关节依次连接；具有许多连杆，这些连杆通过关节依次连接；v这些关节由驱动器驱动（电机）；这些关节由驱动器驱动（电机）；v操作机的操作机的“手手”都能在空中运动，达到工作空都能在空中运动，达到工作空间的任何位置，并承载一定的负荷；间的任何位置，并承载一定的负荷；v都用一个中央控制器控制驱动器。都用一个中央控制器控制驱动器。不同之处（控制源、名称）不同之处（控制源、名称）v起重机是由人来控制驱动器起重机是由人来控制驱动器v机器人操作手是由计算机编程控制。动作受计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，机器人动作就会行某种类型程序。程序改变，机器人动作就会相应改变。相应改变。v一个称为机器人，一个称为操作机。一个称为机器人，一个称为操作机。1.2 机器人的特点、结构及分类机器人的特点、结构及分类 一、机器人的主要特点（一、机器人的主要特点（通用性、适应性通用性、适应性） 机器人的特点包括如下两方面内容：机器人的特点包括如下两方面内容： 1通用性通用性机机器器人人的的通通用用性性取取决决于于它它的的几几何何特特性性和和机机械械能能力力。即即指指执执行行不不同同功功能能完完成成同同一一任任务务的的能能力力和和完完成成多多样样不不同同简简单单任任务务的的能能力力。或或者者说说在在机机械械结结构构上上允允许许机机器器人人执执行行不不同同的的任任务务或或以不同的方式完成同一任务以不同的方式完成同一任务。 决决定定通通用用性性有有两两方方面面因因素素：一一个个是是机机器器人人自自由由度度；另另一一个个是是末末端端执执行行器器的的结结构构和和操操作作能能力。力。 2适应性适应性机机器器人人的的适适应应性性是是指指其其对对环环境境的的自自适适应应能能力力，即即要要求求所所设设计计的的机机器器人人能能够够自自我我执执行行并并适适应应未未经经完完全全指指定定的的任任务务，而而不不管管任任务务执执行行过过程程中中是是否否发发生生了了所所没没有有预预计计到到的的环环境境变变化化。这这一一能能力力要要求求机机器器人人具具有有人人工工知知觉觉，即即能能感感知知周周围围环环境境。在在这这个个层层次次上上，机机器器人人运运用用它的下述能力：它的下述能力： (1) 使用传感器感测环境的能力；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；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。自动指令模式的能力。 根根据据具具体体作作业业对对象象不不同同，机机器器人人适适应性主要考虑三种适应性：应性主要考虑三种适应性： (1) 点适应性：点适应性：即如何找到点的位置。即如何找到点的位置。 (2) 曲曲线线适适应应性性：即即如如何何利利用用传传感感器器得得到到的信息的信息(或特殊结构、材料等或特殊结构、材料等)沿曲面工作。沿曲面工作。 (3) 速速度度适适应应性性：选选择择最最佳佳运运动动速速度度。（与倒立摆类似的两轮机器人）（与倒立摆类似的两轮机器人）二、机器人的结构组成二、机器人的结构组成 四大组成部分四大组成部分 执行机构执行机构 驱动单元驱动单元 控制系统控制系统 智能系统智能系统 执行机构执行机构 执行机构是执行机构是机器人机器人完成工作任务的机完成工作任务的机械实体一般为械实体一般为“机械手臂机械手臂+末端操作器末端操作器”v 机械手臂机械手臂manipulator： 一般为由杆件一般为由杆件机构和关节机构组成的空间开链机构常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常进一步细分为机座腰部臂部肩和肘腕部部v 末端操作器末端操作器end-effector ：按作业用途：按作业用途定（是机器人完成特定作业的关键装置）定（是机器人完成特定作业的关键装置） 驱动单元驱动单元 包括驱动器、运动件和传动机构包括驱动器、运动件和传动机构v驱动器：驱动器：电机（步进电机、伺服电机、电机（步进电机、伺服电机、DD电机）、气缸、液压缸、新型驱动器。电机）、气缸、液压缸、新型驱动器。v传动机构：传动机构：谐波传动、螺旋传动、链传动、谐波传动、螺旋传动、链传动、带传动、带传动、绳传动绳传动、各种齿轮传动及液力传、各种齿轮传动及液力传动。动。v运动件：运动件：机器人本体上的各运动体。机器人本体上的各运动体。 控制系统控制系统 一般由控制计算机、驱动装置和伺服控制一般由控制计算机、驱动装置和伺服控制器（器（servo controller ）组成）组成 控制计算机：控制计算机：根据作业要求接受编程发出根据作业要求接受编程发出指令控制协调运动并根据环境信息协调运动指令控制协调运动并根据环境信息协调运动 伺服控制器：伺服控制器：控制各关节的驱动器使其按控制各关节的驱动器使其按一定的速度加速度和轨迹要求进行运动一定的速度加速度和轨迹要求进行运动 智能系统智能系统 正在发展中智能机器人除运动机能外还有如下三正在发展中智能机器人除运动机能外还有如下三种机能种机能v 感知机能：感知机能：获取外部环境信息以便进行自我行动决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策和监视的机能，视觉传感器是当前发展的重点v 思维机能：思维机能：求解问题的认识推理和判断机能求解问题的认识推理和判断机能 人人工智能工智能v 人人机通信机能：机通信机能：理解指示命令输出内部状态与人理解指示命令输出内部状态与人进行信息交换的机能进行信息交换的机能三、机器人的分类三、机器人的分类 1、按机器人结构形式、按机器人结构形式 一般工业机器人为一般工业机器人为6个自由度前三个称为手个自由度前三个称为手臂机构后三个称为手腕臂机构后三个称为手腕机构。根据手臂机构的机构。根据手臂机构的运动付不同形式的组合运动付不同形式的组合得到不同的机器人机构得到不同的机器人机构形式。形式。(1) 直角坐标式直角坐标式(Cartesian) 符号表示符号表示PPP(2) 圆柱坐标式圆柱坐标式( (Cylindrical)符号表示符号表示RPP (3) 球坐标式球坐标式( (Spherical) 符号表示符号表示RRP (4) 多关节式多关节式( (Jointed) 符号表示符号表示RRR (5) SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm) 关节轴线全平行关节轴线全平行由日本山梨大学牧野洋教授首先提出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本课程案例教学机器人2、按机器人控制方式、按机器人控制方式 (1) 非伺服控制机器人：非伺服控制机器人：这种机器人按照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。主动器、插销板和定序器控制机器人的工作。主要涉及要涉及“终点终点”、“抓放抓放”或或“开关开关”式机器式机器人，尤其是有限顺序机器人。人，尤其是有限顺序机器人。 (2) 伺服控制机器人：伺服控制机器人：通过反馈传感器取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，实现所要求的行装置以一定的运动规律运动，实现所要求的作业。作业。 伺伺服服控控制制分分为为点点位位伺伺服服控控制制和和连连续续轨迹伺服控制两种。轨迹伺服控制两种。 点点位位伺伺服服控控制制：机机器器人人以以最最快快和和最最直直接接的的路路径径（省省时时省省力力）从从一一个个端端点点移移到到另另一一个个端端点点。通通常常用用于于重重点点考考虑虑终终点点位位置置，而而对对中中间间的的路路径径和和速速度度不不做做主主要要限限制制的的场场合。实际工作路径可能与示教时不一致。合。实际工作路径可能与示教时不一致。 连连续续轨轨迹迹伺伺服服控控制制：机机器器人人能能够够平平滑地跟踪某个规定的路径。滑地跟踪某个规定的路径。3按机器人的信息输入方式按机器人的信息输入方式日本工业机器人协会把机器人分为六类：日本工业机器人协会把机器人分为六类：1) 手手动动操操作作手手：由由操操作作人人员员直直接接进进行行操操作作的的有有几几个个自自由由度度的的加加工工装装置；置；2) 定定序序机机器器人人：按按预预定定的的顺顺序序、条条件件和和位位置置，逐逐步步地地重重复复执执行行给给定定的作业任务，其预定信息难以修改；的作业任务，其预定信息难以修改；3) 变序机器人变序机器人：和第二类一样，但预定信息易于修改；：和第二类一样，但预定信息易于修改；4) 示示教教式式机机器器人人：能能够够按按照照记记忆忆装装置置存存储储的的信信息息复复现现事事先先由由人人示示教教的动作，且这些示教的动作能够自动重复地进行；的动作，且这些示教的动作能够自动重复地进行；5) 程控机器人程控机器人：能够通过提供的运动程序，执行给定的任务；：能够通过提供的运动程序，执行给定的任务；6) 智智能能机机器器人人：通通过过感感知知信信息息独独立立检检测测工工作作环环境境或或工工作作条条件件的的变变化化，借借助助机机器器人人本本身身的的自自我我决决策策能能力力，进进行行相相应应的的工工作作。它它不不受受工工作作环境或工作条件变化的影响。环境或工作条件变化的影响。 美国只将后四种定义为机器人。美国只将后四种定义为机器人。1.3 机器人自由度、关节及坐标系机器人自由度、关节及坐标系一、机器人的自由度一、机器人的自由度 确定点在空间位置确定点在空间位置三个坐标。三个坐标。 确定刚体（三维物体，不是一个点）确定刚体（三维物体，不是一个点）在空间位置在空间位置六个坐标（三个确定空间位六个坐标（三个确定空间位置，三个确定空间姿态）。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）。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）。到相应限制（自由度越少，限制越多）。 1） 三自由度机器人三自由度机器人 只能只能 沿沿X、Y、Z轴运动轴运动 不能指定机械手姿态不能指定机械手姿态 2）五自由度机器人）五自由度机器人 X、Y、Z移动和绕移动和绕X、Y的转动的转动 （焊接、磨削机器人，不要求（焊接、磨削机器人，不要求Z轴转动）轴转动） 3）七自由度机器人）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）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，、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？机器人应具有几个自由度？ 2、人的手臂（包括肩、肘、腕）有、人的手臂（包括肩、肘、腕）有几个自由度？几个自由度？二、机器人的关节二、机器人的关节 1、直线移动关节、直线移动关节 2、转动关节、转动关节（驱动方式）（驱动方式）滑动关节滑动关节用用P表示表示旋转关节旋转关节用用R表示表示球型关节球型关节用用S表示表示机器人构型通常可用一系列的机器人构型通常可用一系列的P,R,S来描述来描述 三滑动关节，三旋转关节怎样三滑动关节，三旋转关节怎样表示？表示？答案：答案：3P3R三、机器人的坐标三、机器人的坐标 四、机器人的坐标系四、机器人的坐标系 机器人运动学中通常定义以下三种坐机器人运动学中通常定义以下三种坐标系：标系： 1、全局参考坐标系、全局参考坐标系： 此时，机器人是通过此时，机器人是通过各关节的组合运动产生各关节的组合运动产生沿沿X、Y、Z三个坐标轴三个坐标轴直线运动和绕他们的转直线运动和绕他们的转动。动。 2、关节参考坐标系：、关节参考坐标系：此时，机器人此时，机器人是通过各关节独立运动产生期望运动。是通过各关节独立运动产生期望运动。 3、工具参考坐标系：、工具参考坐标系：是一个活动坐是一个活动坐标系，随机器人手运动而随之运动，在标系，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、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。离开物体或安装零件进行编程。1.4 SCARA教学机器人教学机器人 SCARA教学机器教学机器人为平面关节型机器人为平面关节型机器人，具有人，具有3个旋转关节，个旋转关节，其轴线相互平行，可其轴线相互平行，可在平面内进行定位和在平面内进行定位和定向。另一个关节是定向。另一个关节是移动关节，用于完成移动关节，用于完成末端件在垂直平面的末端件在垂直平面的运动。运动。 一、机器人特点一、机器人特点1. 机机构构采采用用平平面面关关节节型型（SCARA）结结构构，按按工工业标准要求设计，速度快、柔性好；业标准要求设计，速度快、柔性好；2. 采采用用交交流流伺伺服服电电机机和和谐谐波波减减速速器器等等，模模块块化化结构，简单、紧凑结构，简单、紧凑 ；3. 控控制制系系统统采采用用Windows系系列列操操作作系系统统，二二次次开发方便、快捷，适于教学实验；开发方便、快捷，适于教学实验；4. 提提供供通通用用机机器器人人语语言言编编程程系系统统，可可通通过过图图形形示教自动生成机器人语言等程序；示教自动生成机器人语言等程序；5. 内内容容涵涵盖盖机机器器人人运运动动学学、动动力力学学、控控制制系系统统的设计、机器人轨迹规划等。的设计、机器人轨迹规划等。二、机器人参数二、机器人参数结构形式构形式平面关平面关节式（式（SCARA型）型）负载能力能力1kg运运动精度（脉冲当精度（脉冲当量量/转）关关节110000关关节210000关关节31600pulse/mm关关节43200未端重复定位精度未端重复定位精度0.1mm每每轴最大运最大运动范范围关关节10270关关节20200关关节3060mm关关节40345每每轴最大运最大运动速度速度关关节10.5rad/S关关节20.5rad/S关关节36mm/S关关节43.14rda/S最大展开半径最大展开半径335mm高度高度480mm本体重量本体重量25Kg几何尺寸几何尺寸关关节1（长度）度）200mm关关节2（长度）度）135mm关关节3（行程）（行程）60mm控制方式控制方式PTP/CP操作方式操作方式示教再示教再现供供电电源源二相二相220U、50HZ安装要求安装要求安装方式安装方式水平安装水平安装安装安装环境境温度：温度：045 湿度：湿度：2080RH（不能（不能结露）露）震震动：0.5G以下以下 避免接触易燃避免接触易燃腐腐蚀性液体或气体，性液体或气体，远离离电气噪气噪声源声源机器人控制技术机器人控制技术课程主要内容：课程主要内容：v物体空间位置的表示；物体空间位置的表示；v机器人的运动学正、逆解；机器人的运动学正、逆解；v机器人作业的静力学分析及力控制技术；机器人作业的静力学分析及力控制技术；v机器人作业路径规划及驱动、控制系统的设计；机器人作业路径规划及驱动、控制系统的设计；v机器人智能及感知系统；机器人智能及感知系统；机器人控制技术机器人控制技术课程任务：课程任务：v使学生对机器人系统有明确概念；使学生对机器人系统有明确概念；v掌握机器人运动学、静力学、动力学计算掌握机器人运动学、静力学、动力学计算及运动规划设计方法；及运动规划设计方法；v了解工业机器人的机械结构及驱动系统的了解工业机器人的机械结构及驱动系统的运动控制并能够对简单结构机器人控制系运动控制并能够对简单结构机器人控制系统进行设计。统进行设计。机器人控制技术机器人控制技术基本要求：基本要求：v在在熟熟练练掌掌握握三三维维空空间间中中点点、物物体体及及坐坐标标系系变变换换的的基基础础上上，可可熟熟练练地地对对物物体体进进行行三三维维空空间间的的解解析析表表示；示；v以以上上述述内内容容为为基基础础，熟熟练练应应用用D-H方方法法确确定定机机器器人人各各杆杆件件坐坐标标系系及及D-H矩矩阵阵，熟熟练练掌掌握握齐齐次次变变换换和正、逆运动学的解法；和正、逆运动学的解法；v了解机器人各相关子系统的功能及其作用；了解机器人各相关子系统的功能及其作用；机器人控制技术机器人控制技术v能能够够对对机机器器人人机机构构及及其其作作业业进进行行静静力力学学分分析析，并能够以此为基础进行力控制分析；并能够以此为基础进行力控制分析；v能能够够对对一一般般的的机机器器人人作作业业进进行行作作业业任任务务及及运运动动规规划划，并并能能够够以以此此为为基基础础，针针对对特特定定的的驱驱动动控控制器，从运动学控制方面进行作业及运动规划。制器，从运动学控制方面进行作业及运动规划。机器人控制技术机器人控制技术实验项目：实验项目：v实验一：机器人认知及示教设计实验；实验一：机器人认知及示教设计实验；v实验二：机器人运动学分析及控制；实验二：机器人运动学分析及控制；v实验三：运动控制系统及实验三：运动控制系统及C语言编程控语言编程控 制。制。上机操作：上机操作：v用用MatlabMatlab进行运动学计算进行运动学计算 ；v用用C C进行运动学计算进行运动学计算 ；v用用VCVC进行运动控制编程进行运动控制编程 。机器人控制技术机器人控制技术教材：教材：v机器人学导论机器人学导论，Saeed B. Niku著，孙富春等译著，孙富春等译v机器人控制技术，自编校内讲义机器人控制技术，自编校内讲义主要参考书：主要参考书：vIntroduction to Robotics，Phillip John Mckerrow v机器人控制技术机器人控制技术 ，孙增圻著，孙增圻著v机器人控制机器人控制 ，陈明哲著，陈明哲著