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1、移動(dòng)機(jī)器人原理及設(shè)計(jì) 多媒體課件 西安郵電大學(xué) 王曙光，趙勇 第一章 概述 機(jī)器人的定義 機(jī)器人的分類、結(jié)構(gòu) 機(jī)器人競(jìng)賽 移動(dòng)機(jī)器人 有關(guān)技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì) 2 1.1 引言 3 想象中的機(jī)器人 實(shí)際的機(jī)器人 4 工業(yè) 醫(yī)療 軍事 5 1.2 機(jī)器人的定義、分類及組成 1.2.1 機(jī)器人的定義 美國(guó)機(jī)器人協(xié)會(huì) （ RIA） 的機(jī)器人定義： “ 機(jī)器人是用以搬運(yùn)材料 、 零件 、 工 具的可編程序的多功能操作器或是通過(guò)可改變程序動(dòng)作來(lái)完成各種作業(yè)的特殊機(jī) 械裝置 。 ” 日本工業(yè)機(jī)器人協(xié)會(huì)（ JIRA）的定義： “工業(yè)機(jī)器人是一種裝備有記憶裝置和末 端執(zhí)行器（ end effector）的，能夠轉(zhuǎn)動(dòng)
2、并通過(guò)自動(dòng)完成各種移動(dòng)來(lái)代替人類勞 動(dòng)的通用機(jī)器?！?美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局（ NBS ）的定義 ：“機(jī)器人是一種 能夠進(jìn)行編程并在自動(dòng)控制 下執(zhí)行某些操作和移動(dòng)作業(yè)任務(wù)的機(jī)械裝置”。 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織 (ISO)的定義： “機(jī)器人是一種自動(dòng)的、位置可控的、具有編程 能力的多功能機(jī)械手，這種機(jī)械手具有幾個(gè)軸，能夠借助于可編程序操作來(lái)處理 各種材料、零件、工具和專用裝置，以執(zhí)行種種任務(wù)。 ” 6 1）機(jī)器人的動(dòng)作機(jī)構(gòu)具有類似與人或其它生物的 某些器官的功能。 2）是一種自動(dòng)機(jī)械裝置，可以在無(wú)人參與下（獨(dú) 立性），自動(dòng)完成多種操作或動(dòng)作功能，即具有通 用性?？梢栽倬幊?，程序流程可變，即具有柔性 (適 應(yīng)性）
3、。 3）具有不同程度的智能性，如記憶、感知、推理、 決策、學(xué)習(xí)。 機(jī)器人應(yīng)具有的基本特點(diǎn)： 7 1.2.2 機(jī)器人的發(fā)展歷史 1920年，捷克劇作家卡雷爾 卡佩克在 羅薩姆的萬(wàn)能機(jī) 器人 中把捷克語(yǔ) “ Robota”寫(xiě)成了 “ Robot”，引起了大家 的廣泛關(guān)注，被當(dāng)成了機(jī)器人一詞的起源。 1950年，美國(guó)作家、化學(xué)家埃薩克 阿西莫夫在他的科幻 小說(shuō) I， Robot 中首次使用了 “ Robotics” ，即 “ 機(jī)器人 學(xué) ” 。阿西莫夫提出了 “ 機(jī)器人三原則 ” ： 1 機(jī)器人不應(yīng)傷害人 ,也不得見(jiàn)人受到傷害而袖手旁觀； 2 機(jī)器人應(yīng)服從人的一切命令，除非違反第一定律； 3 機(jī)器人
4、應(yīng)保護(hù)自身安全，除非違反第一及第二定律。 機(jī)器人學(xué)術(shù)界一直將這三原則作為機(jī)器人開(kāi)發(fā)的準(zhǔn)則，阿 西莫夫因此被稱為 “ 機(jī)器人學(xué)之父 ” 。 8 1954年，美國(guó)人 George C. Devol 提出了第一個(gè)工業(yè)機(jī) 器人方案并在 1956年獲得美國(guó)專利。 1961年， Unimation公司（通用機(jī)械公司）成立，生產(chǎn)和銷 售了第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器 “ Unimate” 。 1962年， A.M.F.（機(jī)械與鑄造）公司，研制出一臺(tái)數(shù)控自 動(dòng)通用機(jī)，取名 “ Versatran”，即多用途搬運(yùn)之意，并以 “ Industrial Robot”為商品廣告投入市場(chǎng)。 1974年出現(xiàn)了用計(jì)算機(jī)控制的機(jī)器人， 日
5、本、西歐各國(guó)、前蘇聯(lián)也相斷引進(jìn)或自行研制工業(yè)機(jī) 器人。 60 70年代是機(jī)器技術(shù)獲得巨大發(fā)展的階段。 9 80年代 ， 機(jī)器人在發(fā)達(dá)國(guó)家的工業(yè)生產(chǎn)中大量普及應(yīng)用 ， 如焊接 、 噴漆 、 搬運(yùn) 、 裝配 。 并向各個(gè)領(lǐng)域拓展 ， 如航天 、 水下 、 排險(xiǎn) 、 核工業(yè)等 ， 機(jī)器人的感知技術(shù)得到相應(yīng)的發(fā)展 ， 產(chǎn)生第二代機(jī)器人 。 90年代 ， 機(jī)器人技術(shù)在軍用 、 醫(yī)療 、 服務(wù) 、 娛樂(lè)等領(lǐng)域延 伸 ， 并開(kāi)始向智能型 （ 第三代 ） 機(jī)器人發(fā)展 。 10 機(jī)器人發(fā)展的三個(gè)階段 第一代：示教再現(xiàn)型機(jī)器人 第二代：有感覺(jué)的機(jī)器人 第三代：有智能的機(jī)器人 11 1.2.3 機(jī)器人的分類 機(jī)器人
6、的種類很多?？梢园打?qū)動(dòng)形式、用途、結(jié)構(gòu)和智能 水平等標(biāo)準(zhǔn)劃分 、按驅(qū)動(dòng)形式 氣壓驅(qū)動(dòng) 液壓驅(qū)動(dòng) 電驅(qū)動(dòng) 交流伺服驅(qū)動(dòng) 直流伺服驅(qū)動(dòng) 2、按用途劃分 （ 1）工業(yè)機(jī)器人 弧焊機(jī)器人 點(diǎn)焊機(jī)器人 搬運(yùn)機(jī)器人 裝配機(jī)器人 噴涂機(jī)器人 拋光機(jī)器人 12 （ 2）特種機(jī)器人 空間機(jī)器人 水下機(jī)器人 軍用機(jī)器人 教學(xué)機(jī)器人 服務(wù)機(jī)器人 醫(yī)用機(jī)器人 排險(xiǎn)救災(zāi)機(jī)器人 固定 式 移動(dòng) 式 輪式 履帶式 足式 蛇行 13 3、按智能水平劃分 分 類 名 稱 簡(jiǎn) 要 解 釋 人工操作裝置 有幾個(gè)自由度，有操作員操縱，能實(shí)現(xiàn)若干預(yù)定的功能。 固定順序機(jī)器人 按預(yù)定的不變順序及條件，依次控制機(jī)器人的機(jī)械動(dòng)作。 可變順序
7、機(jī)器人 按預(yù)定的順序及條件，依次控制機(jī)器人的機(jī)械動(dòng)作。但順 序和條件可作適當(dāng)改變。 示教再現(xiàn)型機(jī)器人 通過(guò)手動(dòng)或其它方式，先引導(dǎo)機(jī)器人動(dòng)作，記錄下工作程 序，機(jī)器人則自動(dòng)重復(fù)進(jìn)行作業(yè)。 數(shù)控型機(jī)器人 不必使機(jī)器人動(dòng)作，通過(guò)數(shù)值、語(yǔ)言等為機(jī)器人提供運(yùn)動(dòng)程序，能進(jìn)行可變程伺服控制。 感知型機(jī)器人 利用傳感器獲取的信息控制機(jī)器人的動(dòng)作。機(jī)器人對(duì)環(huán)境有一定的適應(yīng)性。 智能機(jī)器人 機(jī)器人具有感知和理解外部環(huán)境的能力，即使環(huán)境發(fā)生變 化，也能夠成功的完成任務(wù)。 第一代 第二代 第三代 14 仿生機(jī)器人 模仿自然界中生物的 外部形狀 或 某種機(jī)能 的機(jī)器人系統(tǒng) 15 可穿戴機(jī)器人 16 可重構(gòu)機(jī)器人 17
8、機(jī)器人的組成 機(jī)器人是一個(gè)機(jī)電一體化的設(shè)備 。 從控制觀點(diǎn)來(lái)看 ， 機(jī)器 人系統(tǒng)可以分成四大部分：機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu) 、 驅(qū)動(dòng)裝置 、 控制系統(tǒng) 、 感知反饋系統(tǒng) 。 機(jī) 器 人 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 驅(qū)動(dòng)裝置 控制系統(tǒng) 感知系統(tǒng) 基 座 （ 固 定 或 移 動(dòng) ） 手 部 腕 部 臂 部 腰 部 電 驅(qū) 動(dòng) 裝 置 液 壓 驅(qū) 動(dòng) 裝 置 氣 壓 驅(qū) 動(dòng) 裝 置 處 理 器 關(guān) 節(jié) 伺 服 控 制 器 內(nèi) 部 傳 感 器 外 部 傳 感 器 18 一、執(zhí)行機(jī)構(gòu) 包括：手部 、 腕部 、 臂部 、 腰部和基座等 。 相當(dāng)于人的肢體 。 二 、 驅(qū)動(dòng)裝置 包括：驅(qū)動(dòng)源 、 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等 。 相當(dāng)于人的肌肉 、 筋
9、絡(luò) 。 三 、 感知反饋系統(tǒng) 包括：內(nèi)部信息傳感器 ， 檢測(cè)位置 、 速度等信息；外部信息傳 感器 ， 檢測(cè)機(jī)器人所處的環(huán)境信息 。 相當(dāng)于人的感官和神經(jīng) 。 四 、 控制系統(tǒng) 包括：處理器及關(guān)節(jié)伺服控制器等 ， 進(jìn)行任務(wù)及信息處理 ， 并 給出控制信號(hào) 。 相當(dāng)于人的大腦和小腦 。 內(nèi)部傳感器（位形檢測(cè)） 控制系統(tǒng) 驅(qū)動(dòng) 裝置 執(zhí)行 機(jī)構(gòu) 工作對(duì)象 外部傳感器（環(huán)境檢測(cè)） 1 處理器 關(guān)節(jié)控制器 19 1.3 機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu) 1 分層式體系結(jié)構(gòu) 智能控制系統(tǒng)的典型模型 2 包容式結(jié)構(gòu) 基于感知與行為之間映射 關(guān)系的并行結(jié)構(gòu) 20 1.4 移動(dòng)式機(jī)器人 21 1.5 機(jī)器人競(jìng)賽 22 智能機(jī)器人技術(shù) 材 料 感知 仿生 網(wǎng)絡(luò) 微型 智能 交互 前沿技術(shù) 探索 多機(jī)器人 協(xié)調(diào)技術(shù) 人機(jī)器 人和諧共 存與交互 網(wǎng)絡(luò)化與 移動(dòng)感知 新型機(jī)構(gòu) 與驅(qū)動(dòng) 仿生運(yùn)動(dòng) 與智能控 制 微納操作 技術(shù) 關(guān)鍵技術(shù) 攻關(guān) 仿生與生 物機(jī)器人 極地科考 機(jī)器人 助老助殘 家庭服務(wù) 微制造 機(jī)器人 裝備 核工業(yè) 機(jī)器人 油氣管道 檢測(cè) 電力檢測(cè) 機(jī)器人 系統(tǒng)集成 應(yīng)用示范 我國(guó)智能機(jī)器人當(dāng)前主要研究方向 習(xí)題 1、 簡(jiǎn)述機(jī)器人的分類。 2、 機(jī)器人技術(shù)研究的主要問(wèn)題是什么？ 3、 查閱資料，分析足球機(jī)器人競(jìng)賽的系統(tǒng)組成。 4、 談?wù)勀銓?duì)機(jī)器人競(jìng)賽的想法。 23
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