机器人技术 陶建国 哈尔滨工业大学杋电学院 2005.2
机器人技术 陶建国 哈尔滨工业大学机电学院 2005. 2
2004/2005学年春季学期教学日历 院系名称:机电工程学院课程名称:机器人技术 总学时:36学分:2课程类别:XW 授课起止周数:1~9适用学科、专业:机械设计及理论;机械制造及其自动化、机械电子工程等 时间、地点 方式 课「课时 周星节次地点堂堂数 教学(授课或讨论)内容 教材页数及参考文献范围 授论 7~8 DI3 机器人的定义、分类及发展概况 蔡自兴 蒋新松 四 DI3 机器人的组成、构型及性能要素 蒋新松 7~8D13√ 2 机器人的驱动器与传动系统 马香峰 机器人的关节结构 费仁元 四 DI3 2机器人的手部结构,机器人的平衡机构 马香峰 费仁元 7~8 DI3 并联机器人的结构,机器人的移动机构 柳洪义 费仁元 3四56Dl3√ 机器人的数学基础:位置与姿态描述, 付京孙 齐次坐标变换 蔡自兴 D13√ 2齐次变换矩阵及其几何意义,习题举例 付京孙 蔡自兴 2
2 2004/2005 学年春季学期教学日历 院系名称：机电工程学院 课程名称：机器人技术 总学时：36 学分：2 课程类别：XW 授课起止周数： 1 ~ 9 适用学科、专业：机械设计及理论；机械制造及其自动化、机械电子工程等 时间、地点 方式 时 数 教学 ( 授 课 或 讨 论 ) 内 容 教材页数及参考文献范围 周 序 星 期 节次 地点 课 堂 讲 授 课 堂 讨 论 1 二 7~ 8 D13 √ 2 机器人的定义、分类及发展概况 蔡自兴> 蒋新松> 1 四 5~ 6 D13 √ 2 机器人的组成、构型及性能要素 蔡自兴> 蒋新松> 2 二 7~ 8 D13 √ 2 机器人的驱动器与传动系统， 机器人的关节结构 马香峰> 费仁元> 2 四 5~ 6 D13 √ 2 机器人的手部结构，机器人的平衡机构 马香峰> 费仁元> 3 二 7~ 8 D13 √ 2 并联机器人的结构，机器人的移动机构 柳洪义> 费仁元> 3 四 5~ 6 D13 √ 2 机器人的数学基础：位置与姿态描述， 齐次坐标变换 付京孙> 蔡自兴> 4 二 7~ 8 D13 √ 2 齐次变换矩阵及其几何意义，习题举例 付京孙> 蔡自兴>
2004/2005学年春季学期教学日历 四5-6D13√ 机器人的结构参数和坐标系的建立, Denavit-付京孙 Hartenberg矩阵 蔡自兴 7~8D3 机器人运动学正解,机器人运动学逆解 付京孙 蔡自兴 蔡自兴 付京孙>, 7~8D3√ 机器人运动学习题举例,并联机器人运动学简介 黄真 蔡自兴 D13 机器人动力学研究内容及建模方法,拉格朗日方程 付京孙 蔡自兴 7四56D3√ 2 拉格朗日方程的一般形式,牛顿一欧拉方程 寸京孙 蔡自兴 7~8D13√ 付京孙 2刚性机器人动力学方程举例,弹性机器人动力学简介蔡自兴 8四5-6Dl3√ 机器人规划的作用与任务,机器人的轨迹规划 付京孙 蔡自兴 7~8 D13 机器人控制与感觉技术简介 付京孙 蔡自兴 9四5-6D13 机器人控制与感觉技术简介,课程总结 寸京孙> 蔡自兴
3 2004/2005 学年春季学期教学日历 4 四 5~ 6 D13 √ 2 机 器 人 的 结 构 参 数 和 坐 标 系 的 建 立 ， DenavitHartenberg矩阵 付京孙> 蔡自兴> 5 二 7~ 8 D13 √ 2 机器人运动学正解，机器人运动学逆解 付京孙> 蔡自兴> 5 四 5~ 6 D13 √ 2 机器人的微分运动及变换，机器人雅可比矩阵 付京孙> 蔡自兴> 6 二 7~ 8 D13 √ 2 机器人运动学习题举例，并联机器人运动学简介 付京孙>， 黄真> 6 四 5~ 6 D13 √ 2 机器人的工作空间，机器人静态力学计算 付京孙> 蔡自兴> 7 二 7~ 8 D13 √ 2 机器人动力学研究内容及建模方法，拉格朗日方程 付京孙> 蔡自兴> 7 四 5~ 6 D13 √ 2 拉格朗日方程的一般形式，牛顿—欧拉方程 付京孙> 蔡自兴> 8 二 7~ 8 D13 √ 2 刚性机器人动力学方程举例，弹性机器人动力学简介 付京孙> 蔡自兴> 8 四 5~ 6 D13 √ 2 机器人规划的作用与任务，机器人的轨迹规划 付京孙> 蔡自兴> 9 二 7~ 8 D13 √ 2 机器人控制与感觉技术简介 付京孙> 蔡自兴> 9 四 5~ 6 D13 √ 2 机器人控制与感觉技术简介，课程总结 付京孙> 蔡自兴>
口第一章绪论 1.1机器人的定义、分类及发展概况 1.1.1机器人的定义 机器人问世已有几十年,但没有一个统一的意见。原因之 是机器人还在发展,另一原因主要是因为机器人涉及到了 人的概念,成为一个难以回答的哲学问题。也许正是由于机 器人定义的模糊,才给了人们充分的想象和创造空间。 美国机器人协会(RIA):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( Manipulator)。 美国家标准局:一种能够进行编程并在自动控制下完成某 些操作和移动作业任务或动作的机械装置
4 第一章 绪论 1.1 机器人的定义、分类及发展概况 1.1.1 机器人的定义 机器人问世已有几十年，但没有一个统一的意见。原因之 一是机器人还在发展，另一原因主要是因为机器人涉及到了 人的概念，成为一个难以回答的哲学问题。也许正是由于机 器人定义的模糊，才给了人们充分的想象和创造空间。 美国机器人协会（RIA)：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（Manipulator）。 美国家标准局：一种能够进行编程并在自动控制下完成某 些操作和移动作业任务或动作的机械装置
1987年国际标准化组织(IS0)对工业机器人的定义:“工 业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能,能完成各 种作业的可编程操作机。 日本工业标准局:一种机械装置,在自动控制下,能够完 成某些操作或者动作功能。 英国:貌似人的自动机,具有智力的和顺从于人的但不具 有人格的机器。 中国:我国科学家对机器人的定义是:“机器人是一种自 一动化的机器,这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力, 如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力,是一种具有 高度灵活性的自动化机器
5 1987年国际标准化组织(ISO)对工业机器人的定义：“工 业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能，能完成各 种作业的可编程操作机。 日本工业标准局：一种机械装置，在自动控制下，能够完 成某些操作或者动作功能。 英国：貌似人的自动机，具有智力的和顺从于人的但不具 有人格的机器。 中国：我国科学家对机器人的定义是：“机器人是一种自 动化的机器，这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力， 如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有 高度灵活性的自动化机器”
尽管各国定义不同,但基本上指明了作为“机器人”所具 有的二个共同点: 1)是一种自动机械装置,可以在无人参与下,自动完成多种 操作或动作功能,即具有通用性。 2)可以再编程,程序流程可变,即具有柔性(适应性)。 机器人集中了机械工程、材料科学、电子技术、计算机 技术、自动控制理论及人工智能等多学科的最新研究成果, 代表了机电一体化的最高成就,是当代科学技术发展最活跃 的领域之
6 尽管各国定义不同，但基本上指明了作为“机器人”所具 有的二个共同点： 1) 是一种自动机械装置，可以在无人参与下，自动完成多种 操作或动作功能，即具有通用性。 2) 可以再编程，程序流程可变，即具有柔性(适应性）。 机器人集中了机械工程、材料科学、电子技术、计算机 技术、自动控制理论及人工智能等多学科的最新研究成果， 代表了机电一体化的最高成就，是当代科学技术发展最活跃 的领域之一
1.1.2机器人的发展历史 1920年,捷克作家卡雷尔·卡佩克发表了科幻剧本《罗萨 姆的万能机器人》。卡佩克在剧本中把捷克语“ Robota”写 成了“ Robot”,引起了大家的广泛关注,被当成了机器人 词的起源。 1950年,美国作家埃萨克·阿西莫夫在他的科幻小说《I, Robot》中首次使用了“ Robotics”,即“机器人学”。阿 西莫夫提出了“机器人三原则”: 1机器人不应伤害人类,且在人类受到伤害时不可袖手旁观; 2机器人应遵守人类的命令,与第一条违背的命令除外; 3 3机器人应能保护自己,与第一条相抵触者除外。 机器人学术界一直将这三原则作为机器人开发的准则,阿 西莫夫因此被称为“机器人学之父
7 1.1.2 机器人的发展历史 1920年，捷克作家卡雷尔·卡佩克发表了科幻剧本《罗萨 姆的万能机器人》。卡佩克在剧本中把捷克语“Robota”写 成了“Robot”，引起了大家的广泛关注，被当成了机器人一 词的起源。 1950年，美国作家埃萨克·阿西莫夫在他的科幻小说《I， Robot》中首次使用了“Robotics” ，即“机器人学”。阿 西莫夫提出了“机器人三原则” ： 1 机器人不应伤害人类,且在人类受到伤害时不可袖手旁观； 2 机器人应遵守人类的命令，与第一条违背的命令除外； 3 机器人应能保护自己，与第一条相抵触者除外。 机器人学术界一直将这三原则作为机器人开发的准则，阿 西莫夫因此被称为“机器人学之父”
1954年,美国人 George C. Devol提出了第一个工业机 器人方案并在1956年获得美国专利。 1960年, Conder公司购买专利并制造了样机。 1961年, Unimation公司(通用机械公司)成立,生产和 销售了第一台工业机器“ Unimate”,即万能自动之意。 1962年,AMF.(机械与铸造)公司,研制出一台数控 自动通用机,取名“ Versatran”,即多用途搬运之意,并以 “ Industrial robot”为商品广告投入市场。 人 Unimate工业机器人(在 Genaral Motors工厂的模铸机使用)
8 1954年，美国人George C. Devol 提出了第一个工业机 器人方案并在1956年获得美国专利。 1960年，Conder公司购买专利并制造了样机。 1961年，Unimation公司（通用机械公司）成立，生产和 销售了第一台工业机器“Unimate”，即万能自动之意。 1962年，A.M.F.（机械与铸造）公司，研制出一台数控 自动通用机，取名“Versatran”，即多用途搬运之意，并以 “Industrial Robot”为商品广告投入市场
1967年, Unimation公司第一台喷涂用机器人出口到日 本川崎重工业公司。 1968年,第一台智能机器人 Shakey在斯坦福研究所诞生。 1972年,IBM公司开发出直角坐标机器人。 1973年, Cincinnati milacron公司推出T3型机器人。 1978年,第一台FUMA机器人在 Unimation公司诞生。 1982年, Westinghouse公司兼并 Unimation公司,随后又 卖给了瑞士的 Staubli公司。 1990年, Cincinnati milacron公司被瑞士ABB公司兼并
9 1967年， Unimation公司第一台喷涂用机器人出口到日 本川崎重工业公司。 1968年，第一台智能机器人Shakey在斯坦福研究所诞生。 1972年，IBM公司开发出直角坐标机器人。 1973年，Cincinnati Milacron公司推出T3型机器人。 1978年，第一台PUMA机器人在Unimation公司诞生。 1982年，Westinghouse公司兼并Unimation公司，随后又 卖给了瑞士的Staubli公司。 1990年，Cincinnati Milacron公司被瑞士ABB公司兼并
日本、西欧各国、前苏联也相断引进或自行研制工业机器 人。60~70年代是机器技术获得巨大发展的阶段 80年代,机器人在发达国家的工业中大量普及应用,如焊 接、喷漆、搬运、装配。并向各个领域拓展,如航天、水下 排险、核工业等,机器人的感知技术得到相应的发展,产生 第二代机器人。 90年代,机器人技术在发达国家应用更为广泛,如军用、 医疗、服务、娱乐等领域,并开始向智能型(第三代)机器 人发展。 随着机器人技术的发展形成了新学科一机器人学。建立 了相应学术组织,定期举办学术活动。 国际会议:ISIP、 IEEE---IR0S、ICR&A等。 国际杂志:《 Robtics research》、《 Robotica》 《 Robotics and automation》等。 10
10 日本、西欧各国、前苏联也相断引进或自行研制工业机器 人。60～70年代是机器技术获得巨大发展的阶段。 80年代，机器人在发达国家的工业中大量普及应用，如焊 接、喷漆、搬运、装配。并向各个领域拓展，如航天、水下、 排险、核工业等，机器人的感知技术得到相应的发展，产生 第二代机器人。 90年代，机器人技术在发达国家应用更为广泛，如军用、 医疗、服务、娱乐等领域，并开始向智能型（第三代）机器 人发展。 ➢ 随着机器人技术的发展形成了新学科 — 机器人学。建立 了相应学术组织，定期举办学术活动。 国际会议：ISIP、IEEE——IROS、ICR&A 等。 国际杂志：《 Robtics Research 》、《 Robotica 》、 《 Robotics and Automation 》 等