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第一讲机器人技术概述主讲张淑娟一、机器人的发展史1．起源于文学作品：机器人一词首先由捷克剧作家、小说家卡列尔·卡佩克使用并推荐给全世界。然后由另一位作家在他的小说中给机器人下了“机器人学三定律”：机器人不得伤害人或由于故障而使人遭受不幸；机器人应执行人们所下达的指令，除非这些指令与第一定律相矛盾；机器人应能保护自己的生存，只要这种防护行为不与第一或第二定律相矛盾。2．机器人工业发展史：1958年，美国推出了世界上第一台工业机器人实验样机。1967年，日本引进了美国的工业机器人技术，经过消化、仿制、改进、创新，到1980年，机器人技术在日本取得了极大的成功与普及。80年代以来，国际机器人的发展速度平均保持在25％~30％年增长率，所生产的机器人主要用于改善恶劣的工作条件。我国机器人技术起步较晚，1987年，北京首届国际机器人展览会上，我国展出了10余台自行研制或仿制的工业机器人。经过“七五”、“八五”攻关，我国研制和生产的工业机器人已达到了工业应用水平。二、工业机器人的定义1．国际上关于机器人的几种定义（1）：美国机器协会（RIA）：机器人是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。1．国际上关于机器人的几种定义（2）：日本工业机器人协会：工业机器人是一种装备有记忆装置和末端执行装置的、能够完成各种移动来代替人类劳动的通用机器。1．国际上关于机器人的几种定义（3）：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操作机，这种操作机具有几个轴，能够借助可编程操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行各种任务。1．国际上关于机器人的几种定义（4）：中国：机器人是一种拟人功能的机械电子装置。2．类似机器人装置：假肢：由于假肢没有自己的头脑，而是由人的大脑来控制，因而不能算作机器人。遥控装置：这种装置可转动或移动离操作人员很远的材料或工具，但整个动作是由人来控制的。三、机器人的结构1．机器人的体系结构(1)：从体系结构来看，机器人分为三大部分六个系统，分别是：三大部分：机械部分（用于实现各种动作）、传感部分（用于感知内部和外部的信息）、控制部分（控制机器人完成各种动作）。1．机器人的体系结构(2)：六个系统：A．驱动系统：提供机器人各部位、各关节动作的原动力。B．机械结构系统：完成各种动作。C．感受系统：由内部传感器和外部传感器组成。D．机器人-环境交互系统：实现机器人与外部设备的联系和协调并构成功能单元。E．人机交互系统：是人与机器人联系和协调的单元。F．控制系统：是根据程序和反馈信息控制机器人动作的中心。分为开环系统和闭环系统。2．机器人的机械结构：工业机器人一般有以下几部分构成：机身部分：如同机床的床身结构一样，机器人机身构成机器人的基础支撑。有的机身底部安装有机器人行走机构；有的机身可以绕轴线回转，构成机器人的腰。手臂部分：分为大臂、小臂和手腕，完成各种动作。末端操作器：可以是拟人的手掌和手指，也可以是各种作业工具，如焊枪、喷漆枪等。关节：分为滑动关节和转动关节。实现机身、手臂各部分、末端操作器之间的相对运动。图例1-1工业机器人结构3．机器人的几何模型(1)：关节副图形符号：a转动关节b移动关节3．机器人的几何模型(2)：几何模型：利用关节图形符号，可以把复杂的真实机器人抽象成简单的几何模型，以便研究其运动和进行受力分析。一个形状和大小不同的工业机器人，可能有着相同的几何模型（仅几何参数不同），并有着相同的运动学分析结果。图例1-2机器人几何模型的建立a5R型工业机器人b机器人几何模型四、机器人的主要技术参数1．自由度：指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目。不包括手爪的开合自由度。在三维空间中描述一个物体的位置和姿态需要6个自由度。工业机器人的自由度是根据其用途设计的。2．工作精度：包括定位精度和重复定位精度。定位精度：指机器人实际到达的位置和设计的理想位置之间的差异。重复定位精度：指机器人重复到达某一目标位置的差异程度。3．工作范围：指机器人手臂末端或手腕中心能到达的所有点的集合。不包括末端执行器。机器人工作范围的形状和尺寸是非常重要的。4．工作速度：指机器人各个方向的移动速度或转动速度。这些速度可以相同，也可以不同。5．承载能力：指机器人在工作范围内的任何位姿上所能承受的最大质量。图例1-3PUMA562工业机器人具有6个自由度，可以进行复杂空间曲线的弧焊作业。五、工业机器人的分类1．按主要应用分：焊接机器人：目前工业领域应用最多。装配机器人：工业生产中完成装配工作。喷涂机器人：代替人完成各种喷涂作业。码垛机器人：搬运物品。浇铸机器人：经金属液浇铸到压铸机中。2．按技术级别分：第一代工业机器人：主要是示教再现控制的操作机器人。第二代工业机器人：具有感受功能的工业机器人。包括具有光觉、视觉、触觉、声觉等。第三代工业机器人：指智能化的高级机器人。3．按坐标系统来分（1）：直角坐标型：只具有移动关节。3．按坐标系统来分（2）：圆柱坐标型：具有一个转动关节、其余为移动关节的机器人。3．按坐标系统来分（3）：球坐标型：具有两个转动关节、其余为移动关节的机器人。3．按坐标系统来分（4）：关节型：具有三个转动关节的机器人。4．按受控方式分：点位控制型、连续轨迹控制型。点位控制型:按照点位方式进行控制的机器人，其运动为空间点到点之间的直线运动，在作业过程中只控制几个特定工作点的位置，不对点与点之间的运动过程进行控制。连续轨迹控制：其运动轨迹可以是空间的任意连续曲线，机器人在空间的整个运动过程都处于控制之下。（如焊接、喷漆）5．按驱动方式分：液压驱动、气压驱动、电气驱动、新型驱动方式等。液压驱动：具有大的抓举力；结构紧凑，传动平稳，动作灵敏；要求密封性能好，温度适中，成本较高。气压驱动：空气来源方便，动作迅速，结构简单，造价低；空气的可压缩性致使工作速度的稳定性差；抓举力小。电气驱动：利用电动机产生的力或力矩，直接或经过减速机构驱动机器人，以获得所需的位移、速度、加速度。现在多用，无污染、易控制、运动精度高，成本低、驱动效率高。新型驱动方式：静电驱动器、压电驱动器、光驱动器等。六、机器人应用的现状与未来1．机器人应用的现状（1）焊接：主要是指利用机器人进行点焊和弧焊。点焊时要求机器人手腕握持焊接工具准确地对准所要求的焊点，焊枪不与部件的其它部位接触。通常，这些机器人所夹持的焊接工具大而重，同时还要求机器人有一个比较大的活动范围。弧焊是对材料进行连续焊接，焊接前首先要将复杂的运行轨迹示教给机器人，在需要处理较宽的焊缝时，可以编程使机器人作编织状的横摆运动。汽车工业运用这种类型的机器人最多。1．机器人应用的现状（2）喷漆：喷漆易引发火灾，同时有害于身体健康，因此，喷漆作业是机器人特有的用途。使用喷漆机器人的另一个优点是涂层比人工喷涂的更加均匀。1．机器人应用的现状（3）磨削：利用工业机器人对焊缝或工作表面进行磨削。1．机器人应用的现状（4）零部件装卸和传送：常用于生产线上。将零件从一个位置移至工作区的另一个位置，有码放和卸货两种操作，或在金属加工中，将零件从一个工作区送至另一个工作区。图1-4表示了用机器人传送锻造毛坯的工作流程：进料器将工件送至A点→机器人R1将工件送至B点→涂膜并转至C点→机器人R1将工件送至D点（干燥台）并旋转至E点正好干燥→大机器人将工件从E移至F点（加热转台）旋转一周至G点→从G点至H点锻打→机器人R2将加工好的工件料箱或传送带上。图例1-4自动锻造工作站示意图2．未来机器人的应用水下机器人：用于海底矿物探测、打捞沉船、在海上或干式船坞中修理船舶等。军用机器人：海军和空军对移动式消防机器人感兴趣，由于配有红外传感器，在紧急关头，能够作出比人更快的反应。还有装炮弹机器人等。发电厂机器人：在核发电厂，由于核燃料有放射作用，很多工作更适合于机器人操作。如：给活动筛附属装置上润滑油；阀门密封件的检修等。自动工厂中的机器人：机器人的未来用途是成为全自动化工厂或加工车间的一个组成部分。作业：说明工业机器人的主要机械结构。