山东大学创新教育通识核心课程 人工智能与机器人 cyj@sdu 86358137 、 88399323 山东大学

1. Artificial Intelligence and Robotics 山东大学创新教育通识核心课程 人工智能与机器人 cyj@sdu.edu.cn 86358137、88399323 山东大学

2. Artificial Intelligence and Robotics 第 十章 工业机器人

3. Artificial Intelligence and Robotics • 第 十章 工业机器人 • 10.1 工业机器人定义及特点 • 10.2 工业机器人基本组成及技术参数 • 10.3 工业机器人的分类及应用 • 10.4 工业机器人操作机机构 • 10.5 工业机器人的控制技术 • 10.6 各类工业机器人介绍 2014/9/19 3

4. Artificial Intelligence and Robotics • 第 十章 机器人的分类 • 10.1 工业机器人定义及特点 • 10.2 工业机器人基本组成及技术参数 • 10.3 工业机器人的分类及应用 • 10.4 工业机器人操作机机构 • 10.5 工业机器人的控制技术 • 10.6 各类工业机器人介绍 2014/9/19 4

5. 10.1 工业机器人的定义和特点 10.1.1 工业机器人概述 • 工业机器人诞生于20世纪60年代,在20世纪90年代得到迅速发展。它是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术,是当代研究十分活跃、应用日益广泛的领域。它的出现是为了适应制造业规模化生产,解决单调、重复的体力劳动和提高生产质量而代替人工作业。

6. 10.1 工业机器人的定义和特点 • 工业机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。工业机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。

7. 10.1 工业机器人的定义和特点 • 工业机器人技术涉及力学、机械学、电气液压技术、自控技术、传感技术和计算机技术等学科领域，是一门跨学科综合技术。而机器人机构学乃是机器人的主要基础理论和关键技术，也是现代机械原理研究的重要内容。

8. 10.1 工业机器人的定义和特点 • 工业机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。

9. 10.1 工业机器人的定义和特点 10.1.2 工业机器人的定义 • 美国机器人工协会提出的工业机器人定义为：“工业机器人是用来进行搬运材料、零件、工具等可再编程的多功能机械手，或通过不同程序的调用来完成各种工作任务的特种装置。” • 国际标准化（ISO）曾于1987年对工业机器人给出了定义：“工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能，能够完成各种作业的可编程操作机。”

10. 10.1 工业机器人的定义和特点 （ISO8373）对工业机器人给出了定更具体的解释：“机器人具备自动控制及可在编程、多用途功能，机器人操作机具有三个或三个以上的可编程轴，在工业自动化应用中，机器人的底座可固定也可移动。”

11. 10.1 工业机器人的定义和特点 • 工业机器人由操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。 • 特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。

12. 10.1 工业机器人的定义和特点 10.1.3 工业机器人的特点 工业机器人最显著特点： （1）可编程 （2）拟人化 （3）通用性 （4）机电一体化

13. 10.1 工业机器人的定义和特点 • 工业机器人是一种可以搬运物料、零件、工具或完成多种操作功能的专用机械装置；由计算机控制，是无人参与的自主自动化控制系统；他是可编程、具有柔性的自动化系统，可以允许进行人机联系。 • 可以通俗的理解为“机器人是技术系统的一种类别，它能以其动作复现人的动作和职能；它与传统的自动机的区别在于有更大的万能性和多目的用途，可以反复调整以执行不同的功能。”

14. 10.1 工业机器人的定义和特点 10.1.4 工业机器人的发展与未来 机器人作为现代制造业主要的自动化装备，已广泛应用于汽车、摩托车、工程机械、电子信息、家电、化工等行业，进行焊接、装配、搬运、加工、喷涂、码垛等复杂作业。 国际上生产机器人的主要厂家有：日本的安川电机、OTC、川崎重工、松下、不二越、日立、法那克；欧洲的CLOOS（德国）、ABB（瑞典）、COMAU（意大利）、IGM（奥地利）、KUKA（德国）等。

15. 10.1 工业机器人的定义和特点 • 未来发展： • 1.高性能：高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修，单机价格不断下降。 • 2.机械结构向模块化、可重构化发展：例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机；国外已有模块化装配机器人产品问巿。

16. 10.1 工业机器人的定义和特点 • 3.机器人本体结构更新加快：随着技术的进步，机器人本体结构近十年来发展变化很快。以安川MOTOMAN机器人产品为例，L系列机器人持续10年，K系列持续5年时间，SK系列持续3年时间，1998年底安川公司推出了最新的UP系列，其突出的特点是：大臂釆用新型的非平行四边形的单连杆机构，工作空间有所增加，本体自重进一步减少，变得更加轻巧 。

17. 10.1 工业机器人的定义和特点 • 4. 机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧。 • 安川公司的UP系列机器人釆用了新开发的控制器YASNAC XRC，主要特点是具有网络通信功能。目前，比较引人注目还有DENSO公司的“NetwoRC”（New Technology Worldwide Open Robot Controller）控制器，其特点是：釆用板卡式PC结构，约为台式PC大小；有3个ISA总线扩展槽，可安装Ethernet卡、Device Net卡和图像处理卡；NetwoRC是开放式机器人控制器技术发展的典型代表。机器人控制网络化已成为发展趋势；

18. 10.1 工业机器人的定义和特点 • 5.机器人中的传感器作用日益重要，除釆用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则釆用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制；多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用； • 6.多传感系统：为进一步提高机器人的智能和适应性，多种传感器的使用是其问题解决的关键。其研究热点在于有效可行的多传感器融合算法，特别是在非线性及非平稳、非正态分布的情形下的多传感器融合算法。另一问题就是传感系统的实用化。

19. 10.1 工业机器人的定义和特点 • 7. 当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳（Sojanor）”机器人就是成功应用的最着名实例； • * 8. 虚拟现实技术在机器人的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远程作业环境中的感觉来操纵机器人 ； 机器人化机械开始兴起。从1994年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。

20. 10.1 工业机器人的定义和特点 • 9. 多智能体（multi-agent）调控制技术：这是目前机器人研究的一个崭新领域。主要对多机器人协作、多机器人通讯、多智能体的群体体系结构、相互间的通信与磋商机理，感知与学习方法，建模和规划、群体行为控制等方面进行研究。

21. 10.1 工业机器人的定义和特点 • 10.微型和微小机器人技术（micro/miniature robotics）:这是机器人研究的一个新的领域和重点发展方向。过去的研究在该领域几乎是空白，因此该领域研究的进展将会引起机器人技术的一场革命，并且对社会进步和人类活动的各个方面产生不可估量的影响，微小型机器人技术的研究主要集中在系统结构、运动方式、控制方法、传感技术、通信技术以及行走技术等方面。 • 11. 机器人遥控及监控技术，机器人半自主和自主技术，多机器人和操作者之间的协调控制，通过网络建立大范围内的机器人遥控系统，在有时延的情况下，建立预先显示进行遥控等。

22. 10.1 工业机器人的定义和特点 • 12. 软机器人技术（soft robotics）:主要用于医疗、护理、休闲和娱乐场合。传统机器人设计未考虑与人紧密共处，因此其结构材料多为金属或硬性材料，软机器人技术要求其结构、控制方式和所用传感系统在机器人意外地与环境或人碰撞时是安全的，机器人对人是友好的。 • 13. 仿人和仿生技术：这是机器人技术发展的最高境界，目前仅在某些方面进行一些基础研究。比如：双足机器人、机器鱼、仿生恐龙、仿生蜻蜓等等。

23. 10.1 工业机器人的定义和特点 • 10.1.5 国内外机器人应用情况 • 1.日本 ： 全世界投入使用的机器人数量近年来快速增加，目前，日本实际装配的机器人总量占世界总量的一半。装配是日本机器人的最大应用领域，它拥有的机器人占总数的42%；焊接是应用的第二大领域，占机器人总数的19%；注塑是第三大应用领域，占机器人总数约12%，机加工次之为8%。 • 日本在1967年由川崎重工业公司从美国Unimation公司引进机器人及其技术，1968年试制出第一台川崎的“尤尼曼特”机器人。80年代中期，日本机器人的产量和安装的台数在国际上跃居首位，成为“机器人王国”。

24. 10.1 工业机器人的定义和特点 • 2.美国 • 美国是机器人的诞生地，1962年研制出世界上第一台机器人，由于美国从60年代到70年代期间，只在几所大学和少数公司开展研究工作；70年代后期，美国在技术路线上仍把重点放在研究机器人软件及军事、宇宙、海洋、核工程等特殊领域的高级机器人的开发上，使日本的机器人后来居上。进入80年代后，美国开始研制带有视觉、力觉的第二代机器人，目前美国的机器人技术特点是：性能可靠，功能全面，精确度高；机器人语言类型多、应用广，水平高居世界之首；智能技术发展快，其视觉、触觉等人工智能技术已在航天、汽车工业广泛应用；高智能、高难度的军用机器人、太空机器人等发展迅速，在国际上处于领先地位。

25. 10.1 工业机器人的定义和特点 • 美国科学家近日研制一种球体机器人，其最大的特点是可以帮助宇航员做各种辅助工作。它身上安装的传感器可以探知航天飞行器内部的气体成分、温度变化和空气压力状况。即使在失重状态下，这种机器人在计算器的指挥下也能自如地行走和工作，而且能帮助宇航员与地面控制中心联络，把有关信息输入计算机系统。

26. 10.1 工业机器人的定义和特点 • 3.德国 • 德国机器人的总数占世界第三位。70年代中后期，政府在“改善劳动条件计划”中规定，对于一些有危险、有毒、有害的工作岗位，必须以机器人来代替人的劳动。这个计划推动了机器人技术的发展。德国除了将机器人应用在汽车工业外，还在纺织工业使用机器人，使纺织业重新振兴。目前其智能机器人的研究和应用方面，在世界上处于公认的领先地位。

27. 10.1 工业机器人的定义和特点 • 4. 前苏联(主要是在俄罗斯)。 • 机器人技术研究是从50年代后半期开始。1968年成功地试制出一台深水作业机器人；1971年研制出工厂用的机器人；到1975年，已研制出30个型号的120台机器人。前苏联的机器人在数量、质量和技术水平上均处于世界前列地位。

28. 10.1 工业机器人的定义和特点 • 5.中国 • 中国在“七五”计划中把机器人列为国家重点科研规划内容，在沈阳建立了全国第一个机器人研究示範工程，全面展开了机器人基础理论与基础元器件研究。十多年来，相继研制出示教再现型的搬运、点焊、弧焊、喷漆、装配等门类齐全的机器人及水下作业、军用和特种机器人。中国自行研制的机器人喷漆流水线在长春第一汽车厂及东风汽车厂已投入运行。

29. 10.1 工业机器人的定义和特点 • 目前，中国已开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人，其中有130多台/套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线（站）上获得规模应用，弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线。 • 沈阳新松机器人自动化股份有限公司为上海汇众汽车制造有限公司设计制造12台弧焊机器人组成的焊接生产线，用于为上海汽车工业公司配套生产桑塔纳轿车转向器、减振器、别克轿车减振器等部件。

30. 10.1 工业机器人的定义和特点 • 北京机械工业自动化研究所研制出大型龙门式仿形喷涂机器人，长春客车厂釆用该机器人对火车客车厢体进行喷漆，可以在20分钟内为一辆火车车厢喷上均匀的油漆，遇到车门和车窗时，喷枪会立即停止喷漆。 • 哈尔滨工业大学历经二十余年的基础理论与应用研究，已开发管内补口喷涂作业机器人、激光内表面淬火机器人、管内X射线检测机器人。这几种机器人已分别应用于“陕－京”天然气管线工程X射线检测、上海浦东国际机场内防腐补口、大庆油田内防腐及抽油泵内表面处理等重要的管道工程。

31. 10.1 工业机器人的定义和特点 • 中国智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下，也取得了显着的成果。其中6,000米水下无缆机器人的成果居世界领先水平，该机器人在1995年深海试验获得成功，使中国能够对大洋海底进行精确、高效、全覆盖的观察、测量、储存和进行实时传输，并能精确绘制深海矿区的二维、三维海底地形地貌图，推动了中国海洋科技的发展。

32. Artificial Intelligence and Robotics • 第 十章 工业机器人 • 10.1 工业机器人定义及特点 • 10.2 工业机器人基本组成及技术参数 • 10.3 工业机器人的分类及应用 • 10.4 工业机器人操作机机构 • 10.5 工业机器人的控制技术 • 10.6 各类工业机器人介绍 2014/9/19 32

33. 10.2 工业机器人基本组成及技术参数 10.2.1 工业机器人的组成 • 工业机器人通常由执行机构、驱动—传动机构、控制系统（含智能系统）三大部分组成。执行机构是机器人赖以完成各种作业的主体部分，通常为空间连杆机构。驱动—传动装置由驱动器和传动机构组成，它们通常与执行机构联成一体。驱动—传动装置有机械式、电气式、液压式、气动式和复合式等。控制系统一般由控制计算机和伺服控制器组成。智能系统则由感知系统和分析决策系统组成，它分别由传感器及软件来实现。

34. 10.2 工业机器人基本组成及技术参数 • 主体即机座和执行机构，包括臂部、腕部和手部，有的机器人还有行走机构。大多数工业机器人有3～6个运动自由度，其中腕部通常有1～3个运动自由度； • 驱动系统包括动力装置和传动机构，用以使执行机构产生相应的动作； • 控制系统是按照输入的程序对驱动系统和执行机构发出指令信号，并进行控制。

35. 10.2 工业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。 六 个 子 系 统

36. 10.2 工业机器人基本组成及技术参数 机械部分 传感器部分 控制部分 三大部分： 机 械 结 构 三 大 件 机身 手臂 末端操作器

37. 10.2 工业机器人基本组成及技术参数 一个工业机器人所具有的功能在本质上是由其机械部分.传感部分.控制部分内部集成所决定的.但是,工业机器人 的作业能力还决定于与外部环境的联系和配合,即工业机器人与环境的交互能力. 工业机器人与外部环境的交互包括硬件环境和软件环境: (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的通信.

38. 10.2 工业机器人基本组成及技术参数 10.2.2 工业机器人技术参数 技术参数是各工业机器人制造商在产品供货时所提供的技术数据 。 工业机器人的主要技术参数一般都应有：自由度，重复定位精度、工作范围、最大工作速度、承载能力等。

39. 10.2 工业机器人基本组成及技术参数 1.自由度是指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目，不应包括手爪的开合自由度。

40. 10.2 工业机器人基本组成及技术参数 • 自由度：即用来确定手部相对机座的位置和姿态的独立参变数的数目，它等于操作机独立驱动的关节数目。自由度是反映操作机的通用性和适应性的一项重要指标。自由度较多，就更能接近人手的动作机能，通用性更好，但结构也更复杂。 目前，一般的通用工业机器人大多为5个自由度左右，已能满足多种作业的要求。

41. 10.2 工业机器人基本组成及技术参数 工业机器人精度是指定位精度和重复定位精度。定位精度只指机器人手部实际到达位置与目标位置之间的差异。重复定位精度是指机器人重复定位其手部与同一目标位置的能力，可以用标准偏差这个统计量来表示，它是衡量一列误差值的密集 度，即重复度。 2 重复定位精度 （a）重复定位精度的测定 （b）合理定位精度，良好重复定位精度 （c）良好定位精度，很差重复定位精度 （d）很差定位精度。良好重复定位精度

42. 10.2 工业机器人基本组成及技术参数 3.最大工作范围 有的厂家指工业机器人工作手臂末端所能到达的点,有的厂家指手臂末端或手腕中心到达所有点的集合也叫工作区域。通常都在技术参数中加以说明。 工作范围： 即操作机的工作范围，通常以手腕中心点在操作机运动时所占有的体积来表示。我们把操作机能对操纵对象完成操作的那一部分空间称为看管区域或工作区域，

43. 10.2 工业机器人基本组成及技术参数 • 4.最大工作速度 • 有的厂家指工业机器人主要自由度上最大的稳定速度,有的厂家指手臂末端最大的合成速度,通常都在技术参数中加以说明。

44. 10.2 工业机器人基本组成及技术参数 • 5.承载能力 • 承载能力是指机器人在工作范围内的任何位置上所能承受的最大质量。承载能力不仅决定于负载的质量,而且还与机器人运行的速度和加速度的大小和方向有关。

45. 10.2 工业机器人基本组成及技术参数 • 另外：还有灵活度 ：是指操作机末端执行器在工作(如抓取物体)时，所能采取的姿态的多少。若能从各个方位抓取物体，则其灵活度最大；若只能从一个方位抓取物体，则其灵活度最小。

46. Artificial Intelligence and Robotics • 第 十章 工业机器人 • 10.1 工业机器人定义及特点 • 10.2 工业机器人基本组成及技术参数 • 10.3 工业机器人的分类及应用 • 10.4 工业机器人操作机机构 • 10.5 工业机器人的控制技术 • 10.6 各类工业机器人介绍 2014/9/19 46

47. 10.3 工业机器人的分类及应用 10.3.1 工业机器人的分类 (一)按工业机器人的结构分类 （五种基本坐标式机器人） 1. 直角坐标式机器人

48. 10.3 工业机器人的分类及应用 2 . 圆柱坐标式机器人

49. 10.3 工业机器人的分类及应用 3. 球坐标式机器人

50. 10.3 工业机器人的分类及应用 4 . 关节坐标式机器人