机器人技术工程学院 冯江第一章 绪 论第二章 机器人运动学第三章 机器人静力计算及动力学分析第四章 机器人机械系统设计第五章 机器人控制第六章 机器人运动规划及编程第一章 绪 论
§ 1、机器人定义及其工作环境
§ 2、机器人基本组成及技术参数
§ 3、机器人的分类及应用
§ 1、机器人定义及其工作环境机器人 (robot)一词来源于 1920年捷克作家卡雷尔 · 查培克 (Kapelcapek)
所编写的戏剧中的人造劳动者，在那里机器人被描写成像奴隶那样进行劳动的机器。
一、机器人定以及特点后来作为一种虚构的机械出现在许多作品中，代替人们去完成某些工作。
20世纪 60年代出现了作为可实用机械的机器人。为了把这种机器人同虚构的机器人及玩具机器人加以区别，称其为工业机器人。
目前，机器人学的研究对象已不仅仅是工业机器人了。
即便是实际存在的机器人，也很难把它定义为机器人，而且其定义也随着时代在变化。这里简单地把具有下述性质的机械看作是机器人：；
①代替人进行工作：机器人能像人那样使用工具和机械，因此，数控机床和汽车不是机器人。：
②有通用性：既可简单地变换所进行的作业，又能按照工作状况的变化相应地进行工作。一般的玩具机器人不能说有通用性。
③直接对外界作工作：不仅是像计算机那样进行计算，
而且能依据计算结果对外界产生作用。
工业机器人最显著的特点有以下几个,
(1)可编程。生产自动化的进一步发展是柔性自动化。工业机器人可随其工作环境变化的需要而再编程,因此它在小批量多品种具有均衡高效率的柔性制造过程中能发挥很好的功用,是柔性制造系统 〈 FMS〉 中的一个重要组成部分。
(2)拟人化。工业机器人在机械结构上有类似人的行走、腰转、
大臂、小臂、手腕、手爪等部分,在控制上有电脑。此外,智能化工业机器人还有许多类似人类的,生物传感器,如皮肤型接触传感器、
力传感器、负载传感器、视觉传感器、声觉传感器、语言功能等。
传感器提高了工业机器人对周围环境的自适应能力。
(3)通用性。除了专门设计的专用的工业机器人外,一般工业机器人在执行不同的作业任务时具有较好的通用性。
（ 4 ）机电一体化。工业机器人技术涉及的学科相当广泛,但是归纳起来是机械学和微电子学的结合一 -机电一体化技术。第三代智能机器人不仅具有获取外部环境信息的各种传感器,而且还具有记忆能力、语言理解能力、图像识别能力、推理判断能力等人工智能,这些都和微电子技术的应用,特别是计算机技术的应用密切相关。因此,机器人技术的 -发展必将带动其它技术的发展,机器人技术的发展和应用水平也可以从一个方面验证一个国家科学技术和工业技术的发展和水平。
二、工业机器人与环境交互
(1)与硬件环境的交互主要是与外部设备的通信、工作域中障碍和自由空间的描述、操作对象物的描述。
(2)与软件环境的交互主要是与生产单元监控计算机所提供的管理信息系统的通信。
§ 2、机器人基本组成及技术参数工业机器人系统由三大部分六个子系统组成。
三大部分是：机械部分、传感部分、控制部分。
六个子系统是：驱动系统、机械结构系统、感受系统、机器人 -环境交互系统、人机交互系统、控制系统。
（ 1）基本组成
1、驱动系统
2、机械结构系统
3、感受系统
4、机器人 — 环境交互系统
5、人机交互系统
6、控制系统
（ 2）主要技术参数
1.自由度 —— 自由度是指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目,不应包括手爪 (末端操作器 )的开合自由度。在三维空间中描述一个物体的位置和姿态 (简称位姿 )需要六个自由度。但是,工业机器人的自由度是根据其用途而设计的,
可能小于六个自由度,也可能大于六个自由度。
2.重复定位精度。工业机器人精度是指定位精度和重复定位精度。定位精度是指机器人手部实际到达位置与目标位置之间的差异。
3.工作范围。工作范围是指机器人手臂末端或手腕中心所能到达的所有点的集合,也叫做工作区域。
4.最大工作速度
5.承载能力
§ 3、机器人的分类及应用
（一）按工业机器人的结构分类
1．五种基本坐标式机器人
2.两种冗余自由度结构机器人
3.模块化结构机器人工业机器人模块化的主要含义是机器人由一些可供选择的标准化模块拼装而成的，
标准化模块是具有标准化接口的机械结构模块、驱动模块、
控制模块、传感器模块，并已经系列化。
模块化机器人的优点主要有：
(1)制造及应用上的灵活性和经济性。制造厂商能使用较大批量的先进制造技术生产易装配的不同规格的整件模块，
以最经济的价格！供应给用户。用户能根据生产作业的需要容易地选择或改变机器人的组成，可增减机器人自由度。
（ 2）用具有更好性能的模块来替代旧模块，使服役机器人容易地、经济地更新换代。
(二 )按机器人研究、开发和实用化的进程分类
1.第一代机器人第一代机器人具有示教再现功能，或具有可编程的 NC装置，
但对外部信息不具备反馈能力。
2.第二代机器人第二代机器人不仅具有内部传感器而且具有外部传感器，能获取外部环境信息。
3.第三代机器人第三代机器人具有多种智能传感器，能感知和领会外部环境信息，包括具有理解像人下达的语言指令这样的能力。能进行学习，具有决策上的自治能力。
二、工业机器人的应用领域及优点
（一）工业机器人的应用领域从广义上来说，除了表演机器人外，其余的都可叫作工业机器人。比如 2工业机器人在农业上的应用，用机器人进行水果和棉花的收摘、农产品和肥料的搬运贮藏、施肥和农药喷洒等等，已经把农业看成是一种特种工业 (AgricultureIndus时 y)，工业机器人在医疗领域上的应用，美国 LongBeach医疗中心使用机器人成功地进行了脑部肿瘤外科手术，把医疗领域看成是一种健康护理工业 (HealthCareIndustry)。目前，工业机器人的应用领域主要在三个方面：
1、恶劣工作环境，危险工作场合这个领域的作业是一种有害于健康，并危及生命或不安全因素很大而不宜于人去干的作业，用工业机器人去干是最适宜的。比如，图 1-12所示核电站蒸汽发生器检测机器人，可在有核污染的并危及生命的环境下替人进行作业。
2.特殊作业场合这个领域对人来说是力所不能及的，只有机器人才能去进行作业，
3.自动化生产领域早期工业机器人在生产上主要用于 2机床上下料，点焊和喷漆。随着柔性自动化的出现，器人扮演了更重要的角色。
（二）工业机器人的优点综上所述，工业机器人的应用给人类带来了许多好处，如：
减少劳动力费用；
提高生产率；
改进产品质量；
增加制造过程的柔性；
减少材料浪费；
控制和加快库存的周转；
降低生产成本；
消除了危险和恶劣的劳动岗位。
我国工业机器人的应用前景是十分宽广的。但是，由于我国工业基础比较薄弱，劳动力比较丰富、低廉，给工业机器人的发展和应用带来一定的困难，只有符合我国的国情，才能推动和加快我国工业机器人的发展和应用。因此，要注意三个问题：
发展经济型机器人。企业可望尽早取得投资效益自；
发展特种机器人。在一些人力无法工作的领域里用机器人去干，市场潜力大；
走企业技术改造道路。用机器人技术和其它高新技术去改造旧企业，促进了机器人技术自身的发展和应用。
§ 1、机器人定义及其工作环境
§ 2、机器人基本组成及技术参数
§ 3、机器人的分类及应用
§ 1、机器人定义及其工作环境机器人 (robot)一词来源于 1920年捷克作家卡雷尔 · 查培克 (Kapelcapek)
所编写的戏剧中的人造劳动者，在那里机器人被描写成像奴隶那样进行劳动的机器。
一、机器人定以及特点后来作为一种虚构的机械出现在许多作品中，代替人们去完成某些工作。
20世纪 60年代出现了作为可实用机械的机器人。为了把这种机器人同虚构的机器人及玩具机器人加以区别，称其为工业机器人。
目前，机器人学的研究对象已不仅仅是工业机器人了。
即便是实际存在的机器人，也很难把它定义为机器人，而且其定义也随着时代在变化。这里简单地把具有下述性质的机械看作是机器人：；
①代替人进行工作：机器人能像人那样使用工具和机械，因此，数控机床和汽车不是机器人。：
②有通用性：既可简单地变换所进行的作业，又能按照工作状况的变化相应地进行工作。一般的玩具机器人不能说有通用性。
③直接对外界作工作：不仅是像计算机那样进行计算，
而且能依据计算结果对外界产生作用。
工业机器人最显著的特点有以下几个,
(1)可编程。生产自动化的进一步发展是柔性自动化。工业机器人可随其工作环境变化的需要而再编程,因此它在小批量多品种具有均衡高效率的柔性制造过程中能发挥很好的功用,是柔性制造系统 〈 FMS〉 中的一个重要组成部分。
(2)拟人化。工业机器人在机械结构上有类似人的行走、腰转、
大臂、小臂、手腕、手爪等部分,在控制上有电脑。此外,智能化工业机器人还有许多类似人类的,生物传感器,如皮肤型接触传感器、
力传感器、负载传感器、视觉传感器、声觉传感器、语言功能等。
传感器提高了工业机器人对周围环境的自适应能力。
(3)通用性。除了专门设计的专用的工业机器人外,一般工业机器人在执行不同的作业任务时具有较好的通用性。
（ 4 ）机电一体化。工业机器人技术涉及的学科相当广泛,但是归纳起来是机械学和微电子学的结合一 -机电一体化技术。第三代智能机器人不仅具有获取外部环境信息的各种传感器,而且还具有记忆能力、语言理解能力、图像识别能力、推理判断能力等人工智能,这些都和微电子技术的应用,特别是计算机技术的应用密切相关。因此,机器人技术的 -发展必将带动其它技术的发展,机器人技术的发展和应用水平也可以从一个方面验证一个国家科学技术和工业技术的发展和水平。
二、工业机器人与环境交互
(1)与硬件环境的交互主要是与外部设备的通信、工作域中障碍和自由空间的描述、操作对象物的描述。
(2)与软件环境的交互主要是与生产单元监控计算机所提供的管理信息系统的通信。
§ 2、机器人基本组成及技术参数工业机器人系统由三大部分六个子系统组成。
三大部分是：机械部分、传感部分、控制部分。
六个子系统是：驱动系统、机械结构系统、感受系统、机器人 -环境交互系统、人机交互系统、控制系统。
（ 1）基本组成
1、驱动系统
2、机械结构系统
3、感受系统
4、机器人 — 环境交互系统
5、人机交互系统
6、控制系统
（ 2）主要技术参数
1.自由度 —— 自由度是指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目,不应包括手爪 (末端操作器 )的开合自由度。在三维空间中描述一个物体的位置和姿态 (简称位姿 )需要六个自由度。但是,工业机器人的自由度是根据其用途而设计的,
可能小于六个自由度,也可能大于六个自由度。
2.重复定位精度。工业机器人精度是指定位精度和重复定位精度。定位精度是指机器人手部实际到达位置与目标位置之间的差异。
3.工作范围。工作范围是指机器人手臂末端或手腕中心所能到达的所有点的集合,也叫做工作区域。
4.最大工作速度
5.承载能力
§ 3、机器人的分类及应用
（一）按工业机器人的结构分类
1．五种基本坐标式机器人
2.两种冗余自由度结构机器人
3.模块化结构机器人工业机器人模块化的主要含义是机器人由一些可供选择的标准化模块拼装而成的，
标准化模块是具有标准化接口的机械结构模块、驱动模块、
控制模块、传感器模块，并已经系列化。
模块化机器人的优点主要有：
(1)制造及应用上的灵活性和经济性。制造厂商能使用较大批量的先进制造技术生产易装配的不同规格的整件模块，
以最经济的价格！供应给用户。用户能根据生产作业的需要容易地选择或改变机器人的组成，可增减机器人自由度。
（ 2）用具有更好性能的模块来替代旧模块，使服役机器人容易地、经济地更新换代。
(二 )按机器人研究、开发和实用化的进程分类
1.第一代机器人第一代机器人具有示教再现功能，或具有可编程的 NC装置，
但对外部信息不具备反馈能力。
2.第二代机器人第二代机器人不仅具有内部传感器而且具有外部传感器，能获取外部环境信息。
3.第三代机器人第三代机器人具有多种智能传感器，能感知和领会外部环境信息，包括具有理解像人下达的语言指令这样的能力。能进行学习，具有决策上的自治能力。
二、工业机器人的应用领域及优点
（一）工业机器人的应用领域从广义上来说，除了表演机器人外，其余的都可叫作工业机器人。比如 2工业机器人在农业上的应用，用机器人进行水果和棉花的收摘、农产品和肥料的搬运贮藏、施肥和农药喷洒等等，已经把农业看成是一种特种工业 (AgricultureIndus时 y)，工业机器人在医疗领域上的应用，美国 LongBeach医疗中心使用机器人成功地进行了脑部肿瘤外科手术，把医疗领域看成是一种健康护理工业 (HealthCareIndustry)。目前，工业机器人的应用领域主要在三个方面：
1、恶劣工作环境，危险工作场合这个领域的作业是一种有害于健康，并危及生命或不安全因素很大而不宜于人去干的作业，用工业机器人去干是最适宜的。比如，图 1-12所示核电站蒸汽发生器检测机器人，可在有核污染的并危及生命的环境下替人进行作业。
2.特殊作业场合这个领域对人来说是力所不能及的，只有机器人才能去进行作业，
3.自动化生产领域早期工业机器人在生产上主要用于 2机床上下料，点焊和喷漆。随着柔性自动化的出现，器人扮演了更重要的角色。
（二）工业机器人的优点综上所述，工业机器人的应用给人类带来了许多好处，如：
减少劳动力费用；
提高生产率；
改进产品质量；
增加制造过程的柔性；
减少材料浪费；
控制和加快库存的周转；
降低生产成本；
消除了危险和恶劣的劳动岗位。
我国工业机器人的应用前景是十分宽广的。但是，由于我国工业基础比较薄弱，劳动力比较丰富、低廉，给工业机器人的发展和应用带来一定的困难，只有符合我国的国情，才能推动和加快我国工业机器人的发展和应用。因此，要注意三个问题：
发展经济型机器人。企业可望尽早取得投资效益自；
发展特种机器人。在一些人力无法工作的领域里用机器人去干，市场潜力大；
走企业技术改造道路。用机器人技术和其它高新技术去改造旧企业，促进了机器人技术自身的发展和应用。
