机器人机构学基础教学课件第1章-绪论

第1章 绪论本章目录本章目录2022/7/121.机器人的起源与发展2.机器人机构学的诞生3.机器人机构学的主要研究内容4.章节安排与内容导读本章目录本章目录2022/7/131.机器人的起源与发展2.机器人机构学的诞生3.机器人机构学的主要研究内容4.章节安排与内容导读机器人的起源与发展2022/7/14l古代机器鸭（1738，法国）达芬奇机器人木鸢（春秋战国）伶人（西周）计里鼓车（东汉）机器木偶（1662，日本）木牛流马（三国）机器人的起源与发展2022/7/15l近现代计算机实用化之前ElektroTelevoxEricElmer and Elsie机器人的起源与发展2022/7/16l近现代计算机控制Unimate第一台工业机器人Stanford机械臂BeastShakey机器人的起源与发展2022/7/17l第一代实用化机器人PUMA第一台实用的工业机器人Helpmate第一台商用服务机器人机器人的起源与发展2022/7/18l当代机器人l机器人发展的三个阶段9第一代是示教再现型机器人。这类机器人一般可以根据操作员所编的程序，完成一些简单的重复性操作； 第二代是有感觉的机器人，具有不同程度的“感知”能力；第三代是智能机器人。具有识别、推理、规划和学习等智能机制，它可以把感知和行动智能化结合起来。机器人的起源与发展机器人的起源与发展机器人的起源与发展机器人的起源与发展2022/7/110l重要历史人物Karel Capek“Robot”词汇的创造者 Isaac Asimov“机器人三定律”George Devol “第一个可编程机器人专利”Joseph Engelberger“机器人之父”加藤一郎 教授“仿人机器人之父”蒋新松 院士“中国机器人之父”张启先 院士“北航机器人所创始人”机器人定义机器人定义2022/7/111p美国机器人协会的定义：“机器人是用以搬运材料、零件和工具的可编程多功能机械臂。”p日本工业机器人协会对机器人的定义：“机器人是装备有记忆装置和末端执行器的，能够自动完成各种运动来代替人类劳动的通用机器。”p国际标准化组织（ISO）对机器人的定义：“机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能机械臂，用来处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行种种任务。”p机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能，如感知能力、认知能力、行为能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。机器人分类和应用机器人分类和应用2022/7/112机器人工业机器人服务机器人特种机器人焊接机器人搬运机器人装配机器人喷涂机器人处理机器人点焊机器人弧焊机器人移动小车(AG)码垛机器人分拣机器人冲压机器人包装机器人拆卸机器人切割机器人研磨抛光机器人个人/家用机器人专业服务机器人家庭作业机器人娱乐休闲机器人残障辅助机器人住宅安全机器人场地机器人清洁机器人医疗机器人物流机器人检查/保养机器人建筑机器人军/警用机器人特殊环境机器人其他侦察机器人反恐作战机器人消防机器人后勤保障机器人水下机器人电力机器人灾害救援机器人放射和有毒环境极地机器人空间机器人农业机器人。机器人分类和应用机器人分类和应用工业机器人工业机器人2022/7/113汽车船舶航空高铁电子纺织机器人分类和应用机器人分类和应用工业机器人工业机器人2022/7/114上下料机器人机器人焊接机器人与机床机器人锻造汽车喷涂机器人机器人测量与检测机器人码垛机器人装配工业机器人机器人分类和应用机器人分类和应用特种机器人2022/7/115水下探测机器人月球探测机器人火星探测机器人排爆机器人手术机器人康复机器人机器人分类和应用机器人分类和应用服务机器人2022/7/116机器人技术发展方向机器人技术发展方向工业机器人工业机器人2022/7/117当前状态技术趋势问题本体技术日趋成熟 驱动器减速器控制器本地网络化已实现智能制造已启动 难以适应从大批量单一生产向小批量、多元化生产的转变生产线改造和施工成本高简化应用融合工艺专家知识的自动化编程。智能化强化感知能力，增强处理动态环境的能力。协作化人机协作。机器人技术发展方向机器人技术发展方向服务机器人服务机器人2022/7/118技术难点困境核心 强人机共融环境 技术支撑不了想象 功能需求定义困难 难以触发市场 开放式语义理解 动态环境认知 任务管理方式与人工智能技术密切结合对技术进行裁剪、聚焦、创新重点围绕如何实现人机共融提炼科学问题机器人技术发展方向机器人技术发展方向机器人的未来机器人的未来2022/7/119尺度形态交叉极大（空间站）极小（纳米机器人）拟人/仿生虚拟心理学生命科学应用领域：全领域本章目录本章目录2022/7/1201.机器人的起源与发展2.机器人机构学与诞生3.机器人机构学的主要研究内容4.章节安排与内容导读第一阶段（从古世纪18世纪中叶）：为机构的启蒙与发展时期。第二阶段（从18世纪下半叶20世纪中叶）：为机构的快速发展时期，机构学成为一门独立的学科。第三阶段（从20世纪下半叶至今）：控制与信息技术的发展使机构学发展成为现代机构学，机器人机构学成为研究的主流。机构的历史p传统机构由如下三个部分组成：p现代机构一般由如下四个部分组成：心脏、躯干、手大脑（眼睛）传统机构与现代机构的差异机构学的发展源泉|数力学基础Euler定理 奠定了平面机构运动学分析的基础Reuleaux 阐述了机构的符号表示法和构型综合Burmester 开创了机构分析的运动几何学Freudenstein 开辟了用计算机进行机构运动学综合的道路线几何、四元数、旋量理论、位移群、微分流形等现代数学工具也相继被引入到机构分析与综合中数学与机构学力学与机构学 (Moon F.C., Social Networks in the History of Innovation and invention, 2014)机构学理论诞生于法国（为什么不是英国？）1794年，巴黎技术学院成立，机械原理进入课堂1834年，安培发表运动学专著，标志机构学成为独立学科1875年，德国的勒洛发表机构学专著(安培，法国)(勒洛，德国)机构学的发展源泉|机构学理论机械科学与技术发展或许是我们限定思维所难以展望的，但人们在机械创新的漫漫征程中所积累的机械设计及理论为我们提供了认识和改造客观世界的基础。19世纪： 德国 勒洛和布尔梅斯特 运动几何学派20世纪前： 俄苏 切比雪夫和郭赫曼 齿轮啮合原理20世纪中叶后： 美国 弗洛丹斯坦 计算运动学机构学的发展源泉|机构学理论机构学史上的三个学派切比雪夫(1821-1894)勒洛(1829-1905)弗洛西斯坦(1926-2006)机器人机构学理论的空前发展机器人学理论诞生于美国：计算综合、D-H参数法、POE公式并 联 机 构 (parallel manipulator)、 柔 性 机 构 (compliant mechanism)、变胞机构(metamorphic mechanism)等丰富了传统机器人机构的类型新世纪以来，仿生机器人、软体机器人快速发展机器人机构学的三个核心问题三个核心问题运动学和动力学分析及评价工作空间、奇异性、解耦性、各向同性、运动/力传递特性、速度、承载能力、刚度、精度等等基于性能指标的设计基于目标函数的设计基于性能图谱的设计特性与类型的数学描述自由度分析与构型综合机构的自由度分析机构的运动副类型机构的支链类型构型原理与数学描述方法纵观机构发展史，许多机器的创新都源于机构的创新。指南车(差速齿轮机构)弓弩(柔性机构)木牛流马(飞轮助力机构)Watt蒸汽机(铰链四杆近似直线机构)单缸四冲程内燃机发动机的演化V-2型内燃机 星形内燃机汪克尔发动机空间开链结构(大工作空间) Stewart平台(大负载)Delta机器人(高速) 微纳操作手(高精度)机器人操作臂的演化机构的发展趋势刚性特征明显1959诞生70年代后期大量应用新热点：刚柔耦合、柔软体、变形和协作机器人时间刚柔耦合、柔软体1965第一台商业化诞生批量使用引起关注19841999柔性杆机器人动力学的研究开始利用柔性变形的微纳、仿生机器人80年代后期仿生大狗2012软体机器人2008折叠飞行器2015u工业机器人u机器人化制造装备u特种机器人柔刚柔软变流32机器人机构的发展趋势中国机构学的研究历史刘仙洲(1890 - 1975)中国第一部“机械原理”教材机械原理张启先(1925 - 2002)中国第一部空间机构学研究的专著高等机械原理黄真(1936 - )中国第一部并联机构学方面的专著并联机构学中国机构学研究主要受俄苏学派和美国学派的共同影响，同时又彼此相互融合，逐渐形成了中国机构学研究的特色：基础理论与工程实践并重本章目录本章目录2022/7/1341.机器人的起源与发展2.机器人机构学的诞生3.机器人机构学的主要研究内容4.章节安排与内容导读本章主要研究内容本章主要研究内容2022/7/1351.结构分析与综合2.运动学、动力学分析与性能评价3.机器人机构设计理论本章主要研究内容本章主要研究内容2022/7/1361. 结构分析与综合机构的创新是机械设计中永恒的主题，人们要设计出新颖、合理、有用的机构，不仅要有丰富的实践经验，尤其要熟悉机构组成原理（如平面机构的阿苏尔杆组理论）。构型综合主要研究包括机构在“任务空间”下的基本功能特性与类型的数学描述、自由度分析与计算方法、构型综合原理与数学描述方法等。2.运动学、动力学分析与性能评价机器人机构的分析与设计是基于性能评价指标来实现的。性能评价指标应具有明确的物理意义，可用数学方程来描述和度量，具有可计算性，如工作空间（workspace）、奇异性（singularity）、解耦性（decouple）、各向同性（isotropy）、速度（velocity）、承载能力、刚度（stiffness）、精度（accuracy）等。3.机器人机构设计理论高性能机器人机构的设计是机构学领域最具挑战性的问题，人类至今乃至相当长的未来时间里仍难以完全解决该问题，原因在于机构的设计，尤其是复杂机构的设计本质上是非线性（non-linearity）、强耦合（high-coupling）问题。例如在并联机器人研究领域，机器人的尺寸设计是一项很重要的研究内容，因为机器人机构的尺度决定了机器人的操作特性。机器人机构的设计不是为了执行特定的任务而是为了满足普遍的性能指标。由于性能指标和设计参数具有多元性、耦合性和非线性，导致并联机器人的设计是一个昂贵、费时、复杂和困难的过程。 课程的地位与学习目标课程的地位与学习目标专业基础课专业课程基础课程机器人机构学基础涵盖机器人机构、机器人运动学和动力学、机器人机构设计等基础知识。机器人控制基础机器人系统综合实践机器人学机器人学的现代数学基础自主移动机器人导论研究生课程课程的地位本章目录本章目录2022/7/1381.机器人的起源与发展2.机器人机构学的诞生3.机器人机构学的主要研究内容4.章节安排与内容导读2022/7/139章节安排与内容导读序号课程内容关键词1绪论机器人机构学2数学知识向量、矩阵、旋量3位形描述与刚体运动位姿描述、刚体变换4机器人机构串联、并联5串联机器人位移分析D-H参数6串联机器人的雅可比与性能评价速度雅可比7并联机器人运动学基础并联机构8机器人静力学与静刚度分析静力雅可比、静刚度9机器人动力学基础拉格朗日法、牛顿-欧拉法10机器人机构的设计性能指标教材与教辅1.J. Craig （贠超、王伟译），机器人学导论（第4版），机械工业出版社，20192.熊有伦等，机器人学：建模、控制与视觉，华中科技大学出版社，20183.刘辛军、于靖军、孔宪文，机器人机构学 ，机械工业出版社，2021