第七章机器人精要.ppt

第七章 机器人 本章内容 概述 机器人运动学 机器人动力学 机器人控制系统 机器人应用的典型实例 一、机器人的由来 1920年捷克作家Karel Capek的剧本《 Ro-ssam’s Universal Robots 》中，塑造了只会劳动不会思维的机器人形象，捷克语中的Robota 意为“苦力”、 “劳役”，是一种人造劳动者。英语Robot由此衍生而来。 该剧中，卡佩克提出了机器人的安全、感知和自我繁殖问题。科学技术的进步很可能引发人类不希望出现的问题。虽然科幻世界只是一种想象，但人类社会将可能面临这种现实。 机器人三原则与机器人学 Isaac Asimov 在《I’m Robot》中提出了“机器人三原则” ： A robot must not harm a human being or, through inaction, allow one to come harm. A robot must always obey human beings unless that is conflict with the first law. A robot protect itself from harm unless that is conflict with the first or second laws. 并首次出现了“机器人学Robotics”的概念 什么是机器人学？ 机器人学是人们设计和应用机器人的技术和知识。 机器人系统不仅由机器人组成，还需要其他装置和系统连同机器人一起来共同完成必需的任务。 机器人学是一门交叉学科，它得益于机械工程、电气与电子工程、计算机科学、生物学以及其他许多学科。 什么是机器人？ 不同国家、不同学者给出的定义不同 ISO采用了美国的定义: A reprogrammable and multifunctional manipulator, devised for the transport of materials, parts, tools or specialized systems, with varied and programmed movements, with the aim of carrying out varied tasks. 不同时期，机器人的内涵也不同 机器人的四大特征 仿生特征：模仿人的肢体动作 柔性特征：对作业具有广泛适应性 智能特征：具有对外界的感知能力 自动特征：自动完成作业任务 二、机器人的组成 机械手或移动车 末端执行器 驱动器 三、机器人的分类 按照机器人的技术发展水平分类： 示教再现机器人 示教－记忆－再现 数控机器人 具有环境感知装置，能在一定程度上适应环境的变化。 智能机器人 具有发现问题并能自主解决问题的能力。 三、机器人的分类 按照机器人的机构特征分类： 直角坐标机器人 柱面坐标机器人 球面坐标机器人 多关节型机器人 三、机器人的分类 三、机器人的分类 三、机器人的分类 三、机器人的分类 三、机器人的分类 三、机器人的分类 按照机器人的用途分类： 工业机器人： 焊接、喷漆、码垛、装配、搬运 农业机器人： 耕种、施肥、喷药、嫁接、移载、收获、灌溉、养殖 探索机器人： 水下、太空、空间、危险环境 服务机器人： 清洁、护理、救援、娱乐、保安 其它机器人：医疗、福利、林业·、渔业、建筑等 四、机器人技术的进展 工业机器人技术在机械本体、控制系统、传感系统、可靠性和网络功能方面取得了突破性进展： 机器人操作机已实现了优化设计（包括材料、构型和驱动单元方面）； 控制轴数增多，实现了软件控制和全伺服控制； 配备了各种传感器，提高了作业性能和对环境的适应性； 实现了与总线和一些网络的连接； 机器人可靠性大幅度提高； 四、机器人技术的进展 各种用于非制造业的机器人系统有了长足的进展： 农业机器人在土地耕作、作物移栽、喷洒农药、作物收获、果蔬采摘方面取得突破性进展； 水下机器人； 空间和太空机器人； 服务机器人成功低用于清洁、保安、医疗、家用、娱乐等方面； 机器人运动学要解决的问题 机器人运动学通过研究机器人的关节变量和末端执行器的位姿关系，建立机器人本体运动的数学模型，为机器人的运动控制和机构设计提供依据。 正向运动学问题（用于机构设计） 已知各关节变量，求取机械手末端位姿； 逆向运动学问题（用于运动控制） 已知机械手末端位姿，求取各关节变量； 一、基本概念 工作空间 自由度 位姿 关节变量 刚体在空间中的位置描述 刚体在空间中的姿态描述 刚体在空间中的位姿描述 刚体位姿(即位置和姿态),用刚体的方位参考坐标的原点位置矢量和旋转矩阵表示，即