工业机器人全书讲解第一章绪论.ppt

机械手与机器人 Manipulator and Robot 河北科技大学机械电子工程学院 E-mail:E-mail:张付祥第一页，编辑于星期六：二十三点 二十五分。学习本课程的意义 机器人学是近机器人学是近5050年来发展起来的综合性学科，它综合年来发展起来的综合性学科，它综合了机械、电子、计算机、自动控制、人工智能、仿生了机械、电子、计算机、自动控制、人工智能、仿生学等学科的最新研究成果，代表了机电一体化的最新学等学科的最新研究成果，代表了机电一体化的最新成就。是一个国家科技水平和经济实力的象征。成就。是一个国家科技水平和经济实力的象征。近十几年来，机器人技术的发展极为迅猛，各种用途的机器人纷纷面世，并广泛应用，尤其在机械制造业。工业机器人、数控技术工业机器人、数控技术(NC)(NC)和可编程控制器和可编程控制器(PLC)(PLC)是工业自动化的三大技术支柱和基本手段。第二页，编辑于星期六：二十三点 二十五分。3/3/20233/3/20232 2河北科技大学机械电子工程学院河北科技大学机械电子工程学院本课程主要学习内容机器人的基本概念、组成、分类工业机器人的机械系统设计工业机器人的驱动方法工业机器人运动学工业机器人的控制和感觉系统工业机器人的编程语言第三页，编辑于星期六：二十三点 二十五分。3/3/20233/3/20233 3河北科技大学机械电子工程学院河北科技大学机械电子工程学院参考教材 吴振彪主编吴振彪主编.工业机器人工业机器人.华中科技大学出版社华中科技大学出版社 张铁等编张铁等编.机器人学机器人学.华南理工大学出版社华南理工大学出版社李允文主编.工业机械手设计.机械工业出版社 熊有伦主编熊有伦主编.机器人技术基础机器人技术基础.华中理工大学出版社华中理工大学出版社第四页，编辑于星期六：二十三点 二十五分。3/3/20233/3/20234 4河北科技大学机械电子工程学院河北科技大学机械电子工程学院作业1、工业机器人的定义及特点？2、工业机器人由哪几子系统组成？各自的作用是什么？3、什么是机器人的自由度？4、工业机器人的主要技术参数有哪些？第五页，编辑于星期六：二十三点 二十五分。3/3/20233/3/20235 5河北科技大学机械电子工程学院河北科技大学机械电子工程学院第一章第一章 绪论绪论Chapter IntroductionChapter Introduction1.1 1.1 1.1 1.1 机器人名称的由来机器人名称的由来机器人名称的由来机器人名称的由来 1.2 1.2 1.2 1.2 机器人的发展历史机器人的发展历史机器人的发展历史机器人的发展历史1.3 1.3 1.3 1.3 机器人的定义和分类机器人的定义和分类机器人的定义和分类机器人的定义和分类 1.4 1.4 1.4 1.4 机器人的结构与控制方式机器人的结构与控制方式机器人的结构与控制方式机器人的结构与控制方式1.5 1.5 1.5 1.5 操纵机器人操纵机器人操纵机器人操纵机器人 1.6 1.6 1.6 1.6 智能机器人智能机器人智能机器人智能机器人1.7 1.7 1.7 1.7 机器人的应用机器人的应用机器人的应用机器人的应用 1.8 1.8 1.8 1.8 未来机器人的发展方向未来机器人的发展方向未来机器人的发展方向未来机器人的发展方向1.9 1.9 1.9 1.9 我国机器人研究的简况我国机器人研究的简况我国机器人研究的简况我国机器人研究的简况 1.10 1.10 1.10 1.10 机器人的社会问题（争议）机器人的社会问题（争议）机器人的社会问题（争议）机器人的社会问题（争议）1.11 1.11 1.11 1.11 工业机器人的组成和技术参数工业机器人的组成和技术参数工业机器人的组成和技术参数工业机器人的组成和技术参数 1.12 1.12 1.12 1.12 工业机器人的分类及应用工业机器人的分类及应用工业机器人的分类及应用工业机器人的分类及应用第六页，编辑于星期六：二十三点 二十五分。3/3/20233/3/20236 6河北科技大学机械电子工程学院河北科技大学机械电子工程学院1.1机器人名称的由来机器人名称的由来(About“Robot”)(About“Robot”)机机器器人人的的英英文文名名词词是是RobotRobot，RobotRobot一一词词最最早早出出现现在在19201920年年捷捷克克作作家家卡卡雷雷尔尔 卡卡佩佩克克（Karel Karel CapekCapek）所所写写的的一一个个剧剧本本中中，这这个个剧剧本本的的名名字字为为Rossums Rossums Universal Universal Robots Robots，中文意思是中文意思是“罗萨姆的万能机器人罗萨姆的万能机器人”。剧剧中中的的人人造造劳劳动动者者取取名名为为RobotaRobota，捷捷克克语语的的意意思思是是“苦苦力力”、“奴奴隶隶”。英英语语的的RobotRobot一一词词就就是是由由此此而而来来的的，以后世界各国都用以后世界各国都用RobotRobot作为机器人的代名词。作为机器人的代名词。第七页，编辑于星期六：二十三点 二十五分。3/3/20233/3/20237 7河北科技大学机械电子工程学院河北科技大学机械电子工程学院1.2机器人的发展历史机器人的发展历史(TheDevelopingHistoryofRobots)古代古代古代古代“机器人机器人机器人机器人”现代机器人的雏形现代机器人的雏形现代机器人的雏形现代机器人的雏形 人类对机器人的幻想与追求已有人类对机器人的幻想与追求已有30003000多年的历史多年的历史 西西西西周周周周时时时时期期期期，我我国国的的能能工工巧巧匠匠偃偃师师研研制制出出的的歌歌舞舞艺艺人人，是是我我国国最最早早记记载载的的机机器人。器人。春春春春秋秋秋秋后后后后期期期期，据据墨墨经经记记载载，鲁鲁班班曾曾制制造造过过一一只只木木鸟鸟，能能在在空空中中飞飞行行“三三日日不下不下”。公公公公元元元元前前前前2 2 2 2世世世世纪纪纪纪，古古希希腊腊人人发发明明了了最最原原始始的的机机器器人人太太罗罗斯斯，它它是是以以水水、空空气气和和蒸蒸汽汽压压力力为为动动力力的的会会动动的的青青铜铜雕雕像像，它它可可以以自自己己开开门门，还还可可以以借借助蒸汽唱歌助蒸汽唱歌。1800180018001800年年年年前前前前的的的的汉汉汉汉代代代代，大大科科学学家家张张衡衡不不仅仅发发明明了了地地动动仪仪，而而且且发发明明了了计计里里鼓鼓车车，计里鼓车每行一里，车上木人击鼓一下，每行十里击钟一下。计里鼓车每行一里，车上木人击鼓一下，每行十里击钟一下。第八页，编辑于星期六：二十三点 二十五分。3/3/20233/3/20238 8河北科技大学机械电子工程学院河北科技大学机械电子工程学院后后后后汉汉汉汉三三三三国国国国时时时时期期期期，蜀蜀国国丞丞相相诸诸葛葛亮亮成成功功地地创创造造出出了了“木木牛牛流流马马”，并并用用其其在在崎岖山路中运送军粮，支援前方战争。崎岖山路中运送军粮，支援前方战争。1662166216621662年年年年，日日本本的的竹竹田田近近江江利利用用钟钟表表技技术术发发明明了了自自动动机机器器玩玩偶偶，并并在在大大阪的道顿堀演出。阪的道顿堀演出。1738173817381738年年年年，法法国国天天才才技技师师杰杰克克戴戴瓦瓦克克逊逊发发明明了了一一只只机机器器鸭鸭，它它会会嘎嘎嘎嘎叫，会游泳和喝水，还会进食和排泄。叫，会游泳和喝水，还会进食和排泄。1773177317731773年年年年，著著名名的的瑞瑞士士钟钟表表匠匠杰杰克克道道罗罗斯斯和和他他的的儿儿子子利利路路易易道道罗罗斯斯制制造造出出自自动动书书写写玩玩偶偶、自自动动演演奏奏玩玩偶偶等等，他他们们创创造造的的自自动动玩玩偶偶是是利利用用齿齿轮轮和和发发条条原原理理而而制制成成的的，它它们们有有的的拿拿着着画画笔笔和和颜颜色色绘绘画画，有有的的拿拿着鹅毛蘸墨水写字，结构巧妙，服装华丽，在欧洲风靡一时。着鹅毛蘸墨水写字，结构巧妙，服装华丽，在欧洲风靡一时。1927192719271927年年年年，美美国国西西屋屋公公司司工工程程师师温温兹兹利利制制造造了了第第一一个个机机器器人人“电电报报箱箱”，并并在在纽纽约约举举行行的的世世界界博博览览会会上上展展出出，它它是是一一个个电电动动机机器器人人，装装有有无无线线电电发发报机，可以回答一些问题，但该机器人不能走动。报机，可以回答一些问题，但该机器人不能走动。第九页，编辑于星期六：二十三点 二十五分。3/3/20233/3/20239 9河北科技大学机械电子工程学院河北科技大学机械电子工程学院 现代机器人的发展历史现代机器人的发展历史现代机器人的发展历史现代机器人的发展历史 二战期间（二战期间（1938-19451938-1945）由由于于核核工工业业和和军军事事工工业业的的发发展展，研研制制了了 “遥遥控控操操纵纵器器”（TeleoperatorTeleoperator）主主要要用用于放射性材料的生产和处理过程。于放射性材料的生产和处理过程。19471947年年，对对这这种种较较简简单单的的机机械械装装置置进进行行了了改改进进，采采用用电电动动伺伺服服方方式式，使使其其从从动动部部分能跟随主动部分运动，称为分能跟随主动部分运动，称为 主从机械手主从机械手（Master-Slave ManipulatorMaster-Slave Manipulator）。1949-1953 1949-1953 美国麻省理工学院开始研制数控铣床美国麻省理工学院开始研制数控铣床 随随着着先先进进飞飞机机制制造造的的需需要要，美美国国麻麻省省理理工工学学院院辐辐射射实实验验室室（MIT MIT Radiation Radiation LaboratoryLaboratory）开始研制开始研制数控铣床数控铣床。19531953年研制成功能按照模型轨迹做切削动作的年研制成功能按照模型轨迹做切削动作的多轴数控铣床多轴数控铣床。19541954年年 “可编程可编程”“”“示教再现示教再现”机器人机器人 美美国国人人George George C.C.DevolDevol设设计计制制作作了了世世界界上上第第一一台台机机器器人人实实验验装装置置，并并发发表表了了题题为为适用于重复作业的通用性工业机器人适用于重复作业的通用性工业机器人的文章。的文章。第十页，编辑于星期六：二十三点 二十五分。3/3/20233/3/20231010河北科技大学机械电子工程学院河北科技大学机械电子工程学院 6060年代年代 机器人产品正式问世，机器人技术开始形成机器人产品正式问世，机器人技术开始形成 19601960年年美美国国“联联合合控控制制公公司司”（Consolidated Consolidated ControlControl）根根据据DevolDevol的的专专利利技技术术，研研制制出出第第一一台台真真正正意意义义上上的的工工业业机机器器人人，并并成成立立了了UnimationUnimation公公司司，开始定型生产名为开始定型生产名为UnimateUnimate的工业机器人。的工业机器人。两两年年后后，美美国国“机机床床与与铸铸造造公公司司”（AMFAMF）也也生生产产了了另另一一种种可可编编程程工工业业机机器器人人VersatranVersatran。7070年代年代 机器人技术发展成为专门学科机器人技术发展成为专门学科 机机器器人人产产业业得得到到蓬蓬勃勃发发展展，机机器器人人技技术术发发展展成成为为专专门门学学科科，称称之之为为机机器器人人学学（RoboticsRobotics）。机机器器人人的的应应用用领领域域进进一一步步扩扩大大，不不同同的的应应用用场场所所，导导致致了了各各种种坐坐标标系系统统、各各种种结结构构的的机机器器人人相相继继出出现现，大大规规模模集集成成电电路路和和计计算算机机技技术术飞飞跃跃发发展展使使机器人的控制性能大大提高，成本不断下降。机器人的控制性能大大提高，成本不断下降。第十一页，编辑于星期六：二十三点 二十五分。3/3/20233/3/20231111河北科技大学机械电子工程学院河北科技大学机械电子工程学院 8080年代年代 开始进入智能机器人研究阶段开始进入智能机器人研究阶段 8080年年代代，不不同同结结构构、不不同同控控制制方方法法和和不不同同用用途途的的工工业业机机器器人人在在工工业业发发达达国国家真正进入了家真正进入了实用化的普及阶段实用化的普及阶段。随着传感技术和智能技术的发展，开始进入随着传感技术和智能技术的发展，开始进入智能机器人智能机器人研究阶段。研究阶段。机机器器人人视视觉觉、触触觉觉、力力觉觉、接接近近觉觉等等项项研研究究和和应应用用，大大大大提提高高了了机机器器人人的的适应能力，扩大了机器人的应用范围，促进了机器人的智能化进程。适应能力，扩大了机器人的应用范围，促进了机器人的智能化进程。经经历历了了5050年年的的发发展展，机机器器人人技技术术逐逐步步形形成成了了一一门门新新的的综综合合性性学学科科 机机器器人人学学（RoboticsRobotics）它包括有它包括有基础研究基础研究和和应用研究应用研究两个方面两个方面 主要研究内容有：主要研究内容有：(1)(1)机械手设计；机械手设计；(2)(2)机器人运动学、动力学和控制；机器人运动学、动力学和控制；(3)(3)轨迹设计和路径规划；轨迹设计和路径规划；(4)(4)传感器传感器(包括内部传感器和外部传感器包括内部传感器和外部传感器)；(5)(5)机器人视觉；机器人视觉；(6)(6)机器人语言；机器人语言；(7)(7)装置与系统结构；装置与系统结构；(8)(8)机器人智能等。机器人智能等。第十二页，编辑于星期六：二十三点 二十五分。3/3/20233/3/20231212河北科技大学机械电子工程学院河北科技大学机械电子工程学院1.3机器人的定义和分类机器人的定义和分类（DefinitionandClassifyingforRobots）1.3.11.3.1机器人的定义机器人的定义机器人的定义机器人的定义(DefinitionofRobots)(DefinitionofRobots)机机器器人人问问世世已已有有几几十十年年，机机器器人人的的定定义义仍仍然然仁仁者者见见仁仁，智智者者见见智智，没没有有一一个个统统一一的的意意见见。原原因因之之一一是是机机器器人人还还在在发发展展，新新的的机机型型，新新的的功功能能不不断断涌涌现现。同同时时由由于于机机器器人人涉涉及及到到了了人人的的概概念念，成成为为一一个个难难以以回回答答的的哲哲学学问问题题。就就像像机机器器人人一一词词最最早早诞诞生生于于科科幻幻小小说说之之中中一一样样，人人们们对对机机器器人人充充满满了了幻幻想想。也也许许正正是是由由于于机机器器人人定定义义的的模模糊糊，才才给给了了人人们们充充分分的的想想象象和和创创造造空间。空间。随随着着机机器器人人技技术术的的飞飞速速发发展展和和信信息息时时代代的的到到来来,机机器器人人所所涵涵盖盖的的内内容容越越来来越越丰丰富富，机机器器人人的的定定义义也也不不断断充充实实和和创创新新。下下面面给给出出一一些些有有代代表表性性的定义。的定义。第十三页，编辑于星期六：二十三点 二十五分。3/3/20233/3/20231313河北科技大学机械电子工程学院河北科技大学机械电子工程学院国际和国外相关组织的定义国际和国外相关组织的定义 国国国国际际际际标标标标准准准准化化化化组组组组织织织织（ISOISO）的的的的定定定定义义义义：机机器器人人是是一一种种自自动动的的、位位置置可可控控的的、具具有有编编程程能能力力的的多多功功能能机机械械手手，这这种种机机械械手手具具有有几几个个轴轴，能能够够借借助助可可编编程程序操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行种种任务。序操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行种种任务。美美美美国国国国国国国国家家家家标标标标准准准准局局局局（NBSNBS）的的的的定定定定义义义义：机机器器人人是是一一种种能能够够进进行行编编程程并并在在自自动动控控制制下下执执行行某些操作和移动作业任务的机械装置。某些操作和移动作业任务的机械装置。美美美美国国国国机机机机器器器器人人人人协协协协会会会会（RIARIA）的的的的定定定定义义义义：机机器器人人是是一一种种用用于于移移动动各各种种材材料料、零零件件、工工具具或或专专用用装装置置的的，通通过过可可编编程程序序动动作作来来执执行行种种种种任任务务的的，并并具具有有编编程程能力的多功能机械手。能力的多功能机械手。日日日日本本本本工工工工业业业业机机机机器器器器人人人人协协协协会会会会（JIRAJIRA）的的的的定定定定义义义义：工工业业机机器器人人是是一一种种装装备备有有记记忆忆装装置置和和末末端端执执行行器器的的，能能够够转转动动并并通通过过自自动动完完成成各各种种移移动动来来代代替替人人类类劳劳动动的的通用机器。通用机器。第十四页，编辑于星期六：二十三点 二十五分。3/3/20233/3/20231414河北科技大学机械电子工程学院河北科技大学机械电子工程学院有关学者的定义有关学者的定义有关学者的定义有关学者的定义在在19671967年日本召开的第一届机器人学术会议上提出了两个有代表性的定义。年日本召开的第一届机器人学术会议上提出了两个有代表性的定义。森森森森政政政政弘弘弘弘与与合合合合田田田田周周周周平平平平提提出出的的定定义义：“机机器器人人是是一一种种具具有有移移动动性性、个个体体性性、智智能能性性、通通用用性性、半半机机械械半半人人性性、自自动动性性、奴奴隶隶性性等等7 7个个特特征征的的柔柔性性机机器器”。从从这这一一定定义义出出发发，森森森森政政政政弘弘弘弘又又提提出出了了用用自自动动性性、智智能能性性、个个体体性性、半半机机械械半半人人性性、作作业业性性、通通用用性性、信信息息性性、柔柔性性、有有限限性性、移移动动性性等等1010个个特特性性来来表表示示机机器器人人的形象的形象。日日本本早早稻稻田田大大学学加加加加藤藤藤藤一一一一朗朗朗朗（日日本本机机器器人人之之父父）教教授授认认为为：机机器器人人是是由由能能工工作作的的手手，能能行行动动的的脚脚和和有有意意识识的的头头脑脑组组成成的的个个体体，同同时时具具有有非非接接触触传传感感器器（相相当当于于耳耳、目目）、接接触传感器（相当于皮肤）、固有感及平衡感等感觉器官的能力。触传感器（相当于皮肤）、固有感及平衡感等感觉器官的能力。第十五页，编辑于星期六：二十三点 二十五分。3/3/20233/3/20231515河北科技大学机械电子工程学院河北科技大学机械电子工程学院 也有一些组织和学者针对不同形式的机器人分别给出具体的解释和定义，也有一些组织和学者针对不同形式的机器人分别给出具体的解释和定义，而机器人则只作为一种总称。例如，而机器人则只作为一种总称。例如，日本工业机器人协会（日本工业机器人协会（JIRAJIRA）列举了列举了6 6种型式的机器人：种型式的机器人：(1)(1)手动操纵器：人操纵的机械手，缺乏独立性；手动操纵器：人操纵的机械手，缺乏独立性；(2)(2)固定程序机器人：缺乏通用性；固定程序机器人：缺乏通用性；(3)(3)可编程机器人：非伺服控制；可编程机器人：非伺服控制；(4)(4)示教再现机器人：通用工业机器人；示教再现机器人：通用工业机器人；(5)(5)数控机器人：由计算机控制的机器人；数控机器人：由计算机控制的机器人；(6)(6)智能机器人：具有智能行为的自律型机器人。智能机器人：具有智能行为的自律型机器人。第十六页，编辑于星期六：二十三点 二十五分。3/3/20233/3/20231616河北科技大学机械电子工程学院河北科技大学机械电子工程学院 综综合合诸诸家家的的解解释释，概概括括各各种种机机器器人人的的性性能能，我我们们认认为为可可以以按按以以下下特特征征来来描描述述机器人：机器人：1.1.机机器器人人的的动动作作机机构构具具有有类类似似于于人人或或其其他他生生物物体体某某些些器器官官 (如如 肢肢体、感官等体、感官等)的功能；的功能；2.2.机机器器人人具具有有通通用用性性，工工作作种种类类多多样样，动动作作程程序序灵灵活活易易变变，是柔性加工主要组成部分；是柔性加工主要组成部分；3.3.机机器器人人具具有有不不同同程程度度的的智智能能，如如记记忆忆、感感知知、推推理理、决决策策、学学习习等；等；4.4.机机器器人人具具有有独独立立性性，完完整整的的机机器器人人系系统统，在在工工作作中中可可以以不不依依赖赖于人的干预。于人的干预。第十七页，编辑于星期六：二十三点 二十五分。3/3/20233/3/20231717河北科技大学机械电子工程学院河北科技大学机械电子工程学院1.3.21.3.2机器人的分类机器人的分类机器人的分类机器人的分类(ClassifyingofRobots)(ClassifyingofRobots)按照从低级按照从低级高级的发展程度可分为三类机器人高级的发展程度可分为三类机器人 第第第第一一一一代代代代机机机机器器器器人人人人（First First Generation Generation RobotsRobots）：即即可可编编程程、示示教教再再现现工工业业机器人，已进入商品化、实用化。机器人，已进入商品化、实用化。第第第第二二二二代代代代机机机机器器器器人人人人（Second Second Generation Generation RobotsRobots）：装装备备有有一一定定的的传传感感装装置置，能能获获取取作作业业环环境境、操操作作对对象象的的简简单单信信息息，通通过过计计算算机机处处理理、分分析析，能能作作出出简简单单的的推推理理，对对动动作作进进行行反反馈馈的的机机器器人人，通通常常称称为为低低级级智智能能机机器器人人，由由于信息处理系统的庞大与昂贵，第二代机器人目前只有少数可投入应用。于信息处理系统的庞大与昂贵，第二代机器人目前只有少数可投入应用。第第第第三三三三代代代代机机机机器器器器人人人人（Third Third Generation Generation RobotsRobots）：具具有有高高度度适适应应性性的的自自治治机机器器人人。它它具具有有多多种种感感知知功功能能，可可进进行行复复杂杂的的逻逻辑辑思思维维、判判断断决决策策，在在作作业业环环境境中中独独立立行行动动。第第三三代代机机器器人人又又称称作作高高级级智智能能机机器器人人，它它与与第第五五代代计计算算机机关系密切，目前还处于研究阶段。关系密切，目前还处于研究阶段。第十八页，编辑于星期六：二十三点 二十五分。3/3/20233/3/20231818河北科技大学机械电子工程学院河北科技大学机械电子工程学院第十九页，编辑于星期六：二十三点 二十五分。3/3/20233/3/20231919河北科技大学机械电子工程学院河北科技大学机械电子工程学院 按照结构形态，负载能力和动作空间划分可分为按照结构形态，负载能力和动作空间划分可分为 超大型机器人超大型机器人：负载能力：负载能力 1000 kg 1000 kg 以上以上 大型机器人大型机器人：100-1000 kg /10 m100-1000 kg /10 m2 2 以上以上 中型机器人中型机器人：10-100 kg /1 10 m10-100 kg /1 10 m2 2 小型机器人小型机器人：0.1-10 kg /0.1-1 m0.1-10 kg /0.1-1 m2 2 超小型机器人超小型机器人：0.1 kg 0.1 kg 以下以下/0.1 m/0.1 m2 2 以下以下第二十页，编辑于星期六：二十三点 二十五分。3/3/20233/3/20232020河北科技大学机械电子工程学院河北科技大学机械电子工程学院 按照开发内容和目的区分，可分为以下三类机器人按照开发内容和目的区分，可分为以下三类机器人 工业机器人工业机器人（Industrial RobotIndustrial Robot）：如焊接、喷漆、装配机器人。）：如焊接、喷漆、装配机器人。操纵机器人操纵机器人（Teleoperator RobotTeleoperator Robot）：如主从手，遥控排险、水下作业机器人。）：如主从手，遥控排险、水下作业机器人。智能机器人智能机器人（Intelligent RobotIntelligent Robot）：如演奏、表演、下棋、探险机器人。）：如演奏、表演、下棋、探险机器人。特种机器人和微型机器人是目前机器人发展的一个重要方向特种机器人和微型机器人是目前机器人发展的一个重要方向 特特种种机机器器人人（Special Special RobotsRobots）：如如航航天天飞飞机机上上的的机机械械手手在在失失重重状状态态下下的的工工作作，海海洋洋探探测测机机器人、军用机器人、防核防化机器人、爬壁机器人、微小物体操作机器人等。器人、军用机器人、防核防化机器人、爬壁机器人、微小物体操作机器人等。微型机器人微型机器人（Micro-robotsMicro-robots）：体积小，如管道机器人、血管疏通机器人。）：体积小，如管道机器人、血管疏通机器人。微微动动机机器器人人（Micro-movement Micro-movement robots robots）：动动作作小小、精精度度高高，如如细细胞胞切切割割机机器器人人、微微操操作和微装配机器人等。作和微装配机器人等。第二十一页，编辑于星期六：二十三点 二十五分。3/3/20233/3/20232121河北科技大学机械电子工程学院河北科技大学机械电子工程学院1.4机器人的结构与控制方式机器人的结构与控制方式(StructureandControlofRobots)1.4.1机器人的结构机器人的结构(The Structure of Robot)(The Structure of Robot)简简单单地地说说，机机器器人人主主要要由由执执行行机机构构、驱驱动动和和传传动动装装置置、传传感感器器和和控制器控制器四大部分构成（如图）。四大部分构成（如图）。记忆、示教 装置控制装置驱动传动装置传感器工 业 机 器 人 系 统 结 构第二十二页，编辑于星期六：二十三点 二十五分。3/3/20233/3/20232222河北科技大学机械电子工程学院河北科技大学机械电子工程学院 执执执执行行行行机机机机构构构构：机机器器人人的的足足、腿腿、手手、臂臂、腰腰及及关关节节等等，它它是是机机器器人人运运动和完成某项任务所必不可少的组成部分。动和完成某项任务所必不可少的组成部分。驱驱驱驱动动动动和和和和传传传传动动动动装装装装置置置置：用用来来有有效效地地驱驱动动执执行行机机构构的的装装置置，通通常常采采用用液液压压、电电动和气动，有动和气动，有直接驱动直接驱动和间接驱动二种方式。和间接驱动二种方式。传传传传感感感感器器器器：是是机机器器人人获获取取环环境境信信息息的的工工具具，如如视视觉觉、听听觉觉、嗅嗅觉觉、触触觉觉、力力觉觉、滑滑觉觉和和接接近近觉觉传传感感器器等等，它它们们的的功功能能相相当当于于人人的的眼眼、耳耳、鼻鼻、皮皮肤肤及及筋骨。筋骨。控控控控制制制制器器器器：是是机机器器人人的的核核心心，它它负负责责对对机机器器人人的的运运动动和和各各种种动动作作控控制制及及对对环环境的识别。境的识别。现现代代工工业业机机器器人人的的控控制制器器都都是是由由计计算算机机控控制制系系统统组组成成，控控制制方方式式主主要要有有示示教再现、可编程控制、遥控和自主控制等多种方式。教再现、可编程控制、遥控和自主控制等多种方式。第二十三页，编辑于星期六：二十三点 二十五分。3/3/20233/3/20232323河北科技大学机械电子工程学院河北科技大学机械电子工程学院 定定义义：所所谓谓直直接接驱驱动动就就是是将将直直接接驱驱动动旋旋转转电电机机（DDRDDR）或或改改接接驱驱动动直直线线电电机机（DDLDDL）直直接接耦耦合合或或连连接接到到从从动动负负载载上上，从从而而实实现与负载的刚性耦合。现与负载的刚性耦合。优优点点：由由于于取取消消了了传传动动皮皮带带和和齿齿轮轮箱箱等等部部件件，直直接接驱驱动动的的结结构构设设计计从从根根本本上上改改变变厂厂原原有有的的旋旋转转电电机机加加丝丝杠杠结结构构，消消除除了了机机械械传传动动带带来来的的间间隙隙、柔柔性性及及与与之之相相关关的的系系列列问问题题，具具有有免免维维护护、高高刚刚度度、无无需需润润滑滑、定定位位精精度度高高、速速度度平平稳稳、运运行行安安静静等等优优点点，大大大大提提高高了了设设备备的的生生产产率率和和可可靠靠性性。同同时时，由由于于装装配配紧紧凑凑、零零部部件件少少、安安装装和和使使用用便便捷捷，还还能能够够帮帮助助OEM OEM 厂厂商快速将产品推向市场。商快速将产品推向市场。第二十四页，编辑于星期六：二十三点 二十五分。3/3/20233/3/20232424河北科技大学机械电子工程学院河北科技大学机械电子工程学院日本三菱公司产日本三菱公司产日本三菱公司产日本三菱公司产MOVEMASTER-EXMOVEMASTER-EX五自由度机器人五自由度机器人五自由度机器人五自由度机器人 实验室中的MOVEMASTER-EX机器人实物照片MOVEMASTER-EX 五自由度机器人结构图第二十五页，编辑于星期六：二十三点 二十五分。3/3/20233/3/20232525河北科技大学机械电子工程学院河北科技大学机械电子工程学院美国美国美国美国UNIMATEUNIMATE公司产公司产公司产公司产PUMA/560PUMA/560型六自由度机器人型六自由度机器人型六自由度机器人型六自由度机器人 PUMA/560机器人（照片）PUMA/560六自由度机器人结构第二十六页，编辑于星期六：二十三点 二十五分。3/3/20233/3/20232626河北科技大学机械电子工程学院河北科技大学机械电子工程学院1.4.21.4.2机器人的工作原理（机器人的工作原理（机器人的工作原理（机器人的工作原理（ThePrincipleofRobotThePrincipleofRobot）机机器器人人的的工工作作原原理理是是一一个个比比较较复复杂杂的的问问题题。简简单单地地说说，机机器器人人的的原原理理就就是是模模仿仿人人的的各各种种肢肢体体动动作作、思思维维方方式式和和控控制制决决策策能能力力。从从控控制制的的角角度度，机机器器人人可可以通过如下四种方式来达到这一目标。以通过如下四种方式来达到这一目标。“示示示示教教教教再再再再现现现现”方方式式：它它通通过过“示示教教盒盒”或或人人“手手把把手手”两两种种方方式式教教机机械械手手如如何何动动作作，控控制制器器将将示示教教过过程程记记忆忆下下来来，然然后后机机器器人人就就按按照照记记忆忆周周而而复复始始地地重重复复示示教教动动作作，如如喷喷涂涂机机器器人人。(teaching/playback)(teaching/playback)方方式式（简简称称T/PT/P方方式）式）第二十七页，编辑于星期六：二十三点 二十五分。3/3/20233/3/20232727河北科技大学机械电子工程学院河北科技大学机械电子工程学院“可可可可编编编编程程程程控控控控制制制制”方方式式：工工作作人人员员事事先先根根据据机机器器人人的的工工作作任任务务和和运运动动轨轨迹迹编编制制控控制制程程序序，然然后后将将控控制制程程序序输输入入给给机机器器人人的的控控制制器器，起起动动控控制制程程序序，机机器器人人就就按按照照程程序序所所规规定定的的动动作作一一步步一一步步地地去去完完成成，如如果果任任务务变变更更，只只要要修修改改或或重重新新编编写写控控制制程程序序，非非常常灵灵活活方方便便。大大多多数数工工业业机机器人都是按照前两种方式工作的。器人都是按照前两种方式工作的。“遥遥遥遥控控控控”方方式式：由由人人用用有有线线或或无无线线遥遥控控器器控控制制机机器器人人在在人人难难以以到到达达或或危危险险的的场场所所完完成成某某项项任任务务。如如防防暴暴排排险险机机器器人人、军军用用机机器器人人、在在有核辐射和化学污染环境工作的机器人等。有核辐射和化学污染环境工作的机器人等。“自自自自主主主主控控控控制制制制”方方式式：是是机机器器人人控控制制中中最最高高级级、最最复复杂杂的的控控制制方方式式，它它要要求求机机器器人人在在复复杂杂的的非非结结构构化化环环境境中中具具有有识识别别环环境境和和自自主主决决策策能能力力，也也就就是是要要具有人的某些智能行为。具有人的某些智能行为。第二十八页，编辑于星期六：二十三点 二十五分。3/3/20233/3/20232828河北科技大学机械电子工程学院河北科技大学机械电子工程学院1.4.31.4.3控制控制控制控制(Control)(Control)示教再现示教再现示教再现示教再现 即分为示教存储再现即分为示教存储再现-操作四步进行。操作四步进行。示教示教：方式有两种：方式有两种：(1)(1)直直接接示示教教手手把把手手：操操作作人人员员直直接接带带动动机机器器人人的的手手臂臂依依次次通通过过预预定定的的轨轨迹迹，这这时时，顺顺序序、位位置置和和时时间间三三种种信信息息可可以以做做到到综综合合示示教教。再再现现时时，依次读出存储的信息，重复示教的动作过程。依次读出存储的信息，重复示教的动作过程。(2)(2)间间接接示示教教示示教教盒盒控控制制：操操作作人人员员通通过过操操作作示示教教盒盒上上的的按按键键，编编制制机机器器人人的的动动作作顺顺序序，确确定定位位置置、设设定定速速度度或或限限时时，三三种种信信息息的的示示教教一一般般是是分分离离进进行行的的。在在计计算算机机控控制制下下，用用特特定定的的语语言言编编制制示示教教程程序序，实实际际上是一种间接示教方式，位置信息往往需通过示教盒设定。上是一种间接示教方式，位置信息往往需通过示教盒设定。存储存储：在必要的期限内保存示教信息。：在必要的期限内保存示教信息。再现再现：根据需要，读出存储的示教信息向机器人发出重复动作的命令。：根据需要，读出存储的示教信息向机器人发出重复动作的命令。操操作作：根根据据再再现现时时所所发发出出的的一一条条条条指指令令，驱驱使使机机器器人人的的各各个个自自由由度度产产生生相相应应的的动动作，最终使机器人手爪从空间一点移动到另一点。作，最终使机器人手爪从空间一点移动到另一点。第二十九页，编辑于星期六：二十三点 二十五分。3/3/20233/3/20232929河北科技大学机械电子工程学院河北科技大学机械电子工程学院 控制信息控制信息控制信息控制信息 顺顺序序信信息息：各各种种动动作作单单元元（包包括括机机械械手手和和外外围围设设备备）按按动动作作先先后后顺顺序序的的设设定、检测等。定、检测等。位位置置信信息息：作作业业之之间间各各点点的的坐坐标标值值，包包括括手手爪爪在在该该点点上上的的姿姿态态，通通常常总总称称为为位姿（位姿（POSE=position and orientationPOSE=position and orientation）。）。时间信息时间信息：各顺序动作所需时间，即机器人完成各个动作的速度。：各顺序动作所需时间，即机器人完成各个动作的速度。位置控制位置控制位置控制位置控制 点点位位控控制制PTPPTP（Point Point to to PointPoint）：只只考考虑虑起起始始点点和和目目的的点点的的位位置置，而而不不考考虑两点之间的移动路径的控制方式，适用于上下料、点焊、搬运等；虑两点之间的移动路径的控制方式，适用于上下料、点焊、搬运等；连连续续路路径径控控制制CPCP（Continuous Continuous Pat