机器人学
什么是机器人学,它们在机器人工程和人工智能中有哪些应用？
什么是机器人学，它们在机器人工程和人工智能中有哪些应用？机器人学是一门跨学科的学科，集成了电气工程、计算机科学和机械工程等领域的知识，研究如何设计、建造、操作和控制机器人。
机器人学在工程领域拥有广泛的应用，它们的出现已经改变了许多行业的生产效率、质量和可靠性，还可以在危险、高风险和无人区进行人类无法接触的任务。
在人工智能领域，机器人还可以进行语音识别、语音合成、面部识别、自然语言处理、图像处理等各种复杂的智能学习和应用。
下面将会对机器人学的应用进行详细介绍：1、制造业机器人在制造业中已经成为一种基础设施，它们可以加速生产效率，提高产品质量，降低劳动力成本。
特别是在汽车制造业中，机器人可以完成一系列的任务，如点焊、冲压、喷漆、搬运等。
高速无错、不知疲倦，机器人在汽车制造业中得到了广泛的应用。
2、医疗应用随着人口老龄化，医疗机器人不仅可以缓解医护人员的劳动强度，还可以提高医疗服务的精度和效率。
例如，手术机器人可以实现高精度、微创的手术，减少患者的痛苦和住院时间；康复机器人可以通过物理治疗和训练，帮助病人恢复功能。
3、服务机器人随着社会的发展和人口老龄化问题的愈加突出，服务机器人必须得到大规模的应用。
例如，清洁机器人可以代替人工完成清洁、消毒、除尘等工作；配送机器人可以在物流配送中扮演更加有效率的角色；教育机器人可以为学生提供更加互动性、有效性的教育。
结论：机器人学在机器人工程和人工智能领域的应用是非常广泛的，不光在工业化、医疗、服务等领域有广泛的应用，而且在未来人类的发展中，机器人助手甚至可能实现“智能搭档”，与人类合作完成更多的事情。
因此，我们需要关注和研究机器人学，努力把机器人智能化的梦想变成现实。
机器人学导论 (2)
机器人学导论1. 引言机器人学是一门跨学科领域，涉及工程学、计算机科学、电子学、心理学等多个学科。
随着科技的不断发展，机器人的应用范围越来越广，机器人学的研究也变得越来越重要。
本文将介绍机器人学的基本概念、主要应用领域以及未来发展趋势。
2. 机器人学的基本概念机器人学是研究机器人的学科，它涉及到机器人的建模、感知、控制、规划等方面。
机器人学从机器人的感知开始，通过传感器来获取环境信息，然后通过控制算法进行决策和移动，最终实现任务的执行。
机器人学还研究机器人的行为规划和学习，使机器人能够适应不同的环境和任务。
3. 机器人学的主要应用领域3.1 工业机器人工业机器人是机器人学的一个重要应用领域。
工业机器人主要用于生产线上的装配、焊接、喷涂等工作。
通过机器人的自动化操作，可以提高生产效率，减少人工劳动，同时还能降低劳动强度和工作风险。
工业机器人的研究重点在于机器人的控制和路径规划，以及机器人与人类的协作。
3.2 服务机器人服务机器人是机器人学的另一个重要应用领域。
服务机器人主要用于日常生活中的家庭、商业和医疗服务。
服务机器人可以帮助人们完成家庭清洁、物品搬运、老人照顾等任务。
同时，服务机器人还可以在商业场所提供导航、问询、点餐等服务。
服务机器人的研究重点在于机器人的交互设计和人机接口。
3.3 军事机器人军事机器人是机器人学的另一个重要应用领域。
军事机器人主要用于军事作战、侦查和救援任务。
军事机器人能够在危险环境中代替士兵执行任务，从而减少人员伤亡。
军事机器人的研究重点在于机器人的自主导航、目标识别和武器装备。
4. 机器人学的未来发展趋势随着科技的不断进步，机器人学在未来将有更广阔的发展前景。
以下是机器人学的几个未来发展趋势：4.1 智能化未来的机器人将具备更强的智能化能力。
通过人工智能、机器学习和深度学习等技术的发展，机器人将能够更好地理解和适应复杂环境，具备更强的学习、思考和决策能力。
4.2 协作性未来的机器人将更加注重与人类的协作。
机器人学的定义和范围
机器人学的定义和范围机器人学作为一门跨学科的研究领域，涉及了机械工程、电子工程、计算机科学和人工智能等多个学科的知识。
它对如何设计、构建、操作和使用机器人进行了广泛的研究。
在当今社会，随着科技的不断发展和进步，机器人学在工业、医疗、军事以及家庭等领域都发挥着越来越重要的作用。
机器人学可以被定义为研究和开发机器人的学科，涉及到机器人的设计、制造、控制、感知、规划和学习等方面。
它旨在模拟人类或动物的行为，实现自主行动、互动和协作。
机器人学的研究范围非常广泛，涵盖了机器人的各个方面，包括机器人的机械结构、传感器、执行器、控制系统以及人机交互等。
在机器人学的研究中，最基本的任务之一是机器人的运动规划。
机器人的运动规划是指确定机器人如何在给定环境下移动到目标位置的问题。
通过运动规划，可以有效地避开障碍物，并在复杂的环境中实现高效的路径规划。
在传统的机器人学中，通常使用基于几何学和运动学模型的方法来解决运动规划问题。
然而，随着人工智能和深度学习的发展，基于机器学习的运动规划方法也得到了广泛的应用。
除了运动规划，机器人学还涉及到机器人的感知和控制。
机器人的感知是指机器人获取和处理环境信息的能力，包括视觉、声音、触觉等传感器技术。
通过感知，机器人可以感知环境中的物体、障碍物和其他机器人的位置和状态，从而实现对环境的理解和交互。
控制是指机器人如何根据感知到的信息做出决策并执行动作的过程。
控制算法通常包括反馈控制、模型预测控制等技术，以实现机器人在复杂环境中的稳定和精准操作。
在机器人学中，人机交互也是一个重要的研究方向。
人机交互是指人类与机器人之间的信息交流和互动过程，旨在使机器人更加智能、灵活和适应不同环境下的需求。
通过人机交互，可以实现人类与机器人的协作工作，提高工作效率和生活质量。
例如，在医疗领域中，机器人可以协助医生进行手术操作；在智能家居中，机器人可以帮助老年人或残障人士进行日常生活。
随着科技的不断进步，机器人学的研究也在不断拓展和深化。
机器人学涉及的主要学科内容
机器人学涉及的主要学科内容机器人学是一门跨学科的研究领域，涉及到多个学科内容。
本文将从计算机科学、机械工程、控制工程和人工智能等方面介绍机器人学的主要学科内容。
一、计算机科学计算机科学在机器人学中起着重要的作用。
机器人是一种能够执行各种任务的智能机械装置，其核心是计算机系统。
计算机科学为机器人提供了处理和存储信息的能力，使机器人能够感知和理解环境，做出合适的决策。
在机器人学中，计算机科学的内容包括机器人的控制系统、感知与定位、路径规划、机器学习等方面。
二、机械工程机械工程是机器人学的另一个重要学科内容。
机器人是一种机械装置，其设计和制造需要机械工程的知识。
机械工程师负责机器人的机械结构设计、运动学分析、动力学分析等方面的工作。
他们需要考虑机器人的稳定性、刚度、精度等机械特性，以及机器人的动力来源和驱动方式。
三、控制工程控制工程是机器人学中的一门重要学科，它研究如何使机器人按照既定的目标执行任务。
控制工程师需要设计控制系统，使机器人能够实时感知环境，并根据感知结果采取相应的控制策略。
控制工程涉及到传感器的选择和配置、信号处理、控制算法的设计等方面内容，旨在实现机器人的精确控制和运动规划。
四、人工智能人工智能是机器人学中的一个重要学科，它研究如何使机器人具备智能化的行为和决策能力。
人工智能为机器人提供了学习、推理和决策的能力，使其能够根据环境的变化做出适应性的行为。
机器人学中的人工智能内容包括机器学习、计算机视觉、自然语言处理等方面。
通过人工智能的技术，机器人能够更好地与人类进行交互，并实现自主导航、目标识别、语音识别等功能。
除了上述主要学科内容，机器人学还涉及到其他学科，如传感器技术、材料科学、电子工程等。
传感器技术为机器人提供了感知和测量的能力，材料科学研究新型材料在机器人中的应用，电子工程为机器人提供了电子元件和电路设计的支持。
机器人学涉及的主要学科内容包括计算机科学、机械工程、控制工程和人工智能等方面。
机器人学_第2章_机器人机械结构
– 肩关节的摆动：
• 电机M2→同步带传动B2→减速器R2→肩关节摆动n2
29
腕部俯仰
关节型机器人传动 系统图：
肘关节摆动
肩关节的摆动
腕部的旋转
30
腕部旋转局部图例：
电机M5→减速器R5→链轮 副 C5→锥齿轮副G5→旋转运动n5
上料道与下料道分 别设在机床的两侧， 双臂能同时动作， 两臂同步沿横梁移 动，缩短辅助时间
b.双臂交叉配置，
两臂轴线交于机床 的中心，两臂交错 伸缩进行上下料， 并同时沿横梁移动
c.双臂交叉配置，
悬伸梁式，横梁长 度较a,b短，双臂位 于横梁的同一侧
5
(2).双臂悬挂式（b）
双臂回转型，双 臂交叉且绕同轴 回转，分别负责 上下料（主要是 盘状零件），只 需一个动力源， 结构紧凑，动作 范围大
第2章 机器人的机械结构
2.1 机身和臂部 2.2 腕部和手部结构 2.3 传动部件设计
1
2.1 机身和臂部
• 一.机身和臂部的作用
• 机身是直接连接支承传动手臂和行走机 构的部件，机身可以是固定的，也可以 是行走式的
• 手臂部件用来支承腕部（关节）和手部 （包括工件和工具），并带动它们在空 间运动
• 远距离传动手腕：
–有时为了保证具有足够大的驱动力，驱动装 置又不能做得足够小，同时也为了减轻手腕 的重量，采用远距离的驱动方式，可以实现 三个自由度的运动。
44
1）液压直接驱动BBR手腕图例：
回转 R
俯仰 B
偏转 B
45
2）. 单回转腕部 结构示例
46
3）双回转油缸驱动手腕
机器人学的定义和范畴
机器人学的定义和范畴机器人学（Robotic）是一门研究人造机器人的学科，涉及多个学科领域，包括机械工程、电子工程、信息工程、计算机科学、控制工程等。
机器人学的目标是研究和开发能够模仿或实现人类工作能力的机械装置，同时使这些机器能够与外界进行交互和沟通。
机器人学的定义机器人学的定义可以从两个方面进行解释，即从学科的角度和从应用的角度。
从学科的角度来看，机器人学是一门研究机器人的学科，涉及机械工程、电子工程、信息工程、计算机科学、控制工程等多个学科的交叉应用。
它研究机器人的构造、机械设计、电子电路、传感器、运动控制、智能算法等方面的问题，旨在开发出功能强大、灵活多变、能够模仿或实现人类工作能力的机器装置。
从应用的角度来看，机器人学是一门研究机器人应用的学科，涉及农业、医疗、交通、工业制造、航天航空等各个领域。
它致力于将机器人技术应用于实际生产、服务和研究中，以提高生产效率、降低成本、改善工作环境、提供便利等。
机器人学的范畴机器人学的研究范畴较为广泛，包括但不限于以下几个方面：1. 机器人构造与机械设计：研究机器人的结构和机械部件的设计，包括机器人的外形、尺寸、连接方式、传动结构等方面的问题。
2. 机器人电子电路与传感器：研究机器人的电子元件和传感器的设计与应用，包括电路板、传感器的选型和布置、信号处理等方面的问题。
3. 机器人运动控制与路径规划：研究机器人的运动控制算法和路径规划算法，包括运动学、动力学、运动控制器的设计与应用等方面的问题。
4. 机器人视觉与感知：研究机器人的视觉系统和感知系统，包括图像处理、目标识别、环境感知、空间定位等方面的问题。
5. 机器人智能算法与人机交互：研究机器人的智能算法和人机交互技术，包括人工智能、机器学习、自主决策、语音识别等方面的问题。
6. 机器人应用与发展：研究机器人的应用领域和发展趋势，包括农业机器人、医疗机器人、智能交通、工业制造、航天航空等领域的机器人应用状况和前景。
机器人学ppt完整版
视觉传感器
通过图像采集和处理获取 环境信息。
听觉传感器
通过声音采集和处理获取 环境信息。
触觉传感器
通过接触力、压力等检测 获取环境信息。
信息融合与处理技术
数据级融合
直接对原始数据进行融合处理。
特征级融合
提取各传感器数据的特征后进行融合。
信息融合与处理技术
决策级融合
在各传感器做出决策后进行融合。
信号处理
机器人结构组成
机器人本体
包括基座、腰部、臂部 、腕部等部分，构成机
器人的主体结构。
驱动系统
驱动机器人各关节进行 运动，通常由电机、减
速器等组成。
控制系统
实现对机器人运动的控 制，包括控制器、传感
器等部分。
感知系统
获取机器人内部和外部 环境的信息，如位置、
姿态、力等。
关节与连杆描述
关节描述
机器人的关节可分为转动关节和移动 关节，分别用旋转角度和平移距离来 描述。
稳定性分析与优化
李雅普诺夫稳定性分析
轨迹优化
通过构造李雅普诺夫函数，判断机器人系 统的稳定性，为控制器设计提供依据。
基于最优控制理论，对机器人运动轨迹进 行优化，提高机器人的运动性能和效率。
鲁棒性优化
控制分配与优化
针对机器人系统中存在的不确定性和干扰 ，设计鲁棒控制器，提高系统的稳定性和 抗干扰能力。
控制策略与方法
PID控制
通过比例、积分和微分环节对机器人 关节误差进行调节，实现关节位置、 速度和加速度的精确控制。
滑模控制
设计滑模面，使系统状态在滑模面上 滑动，从而实现对机器人关节的鲁棒 控制。
自适应控制
根据机器人动态特性的变化，实时调 整控制器参数，以保证系统性能的最 优。
机器人学的基本原理和概念有哪些
机器人学的基本原理和概念有哪些机器人学是研究机器人的设计、制造、运动控制和感知决策的学科。
它涉及到多个学科领域，如机械工程、电子工程、计算机科学、控制工程、人工智能等。
本文将通过介绍机器人学的基本原理和概念来帮助读者更好地理解这一学科。
一、机器人学的定义与历史机器人学是研究机器人学科的学科，有两个核心概念：机器人和学科。
1. 机器人：机器人是一种能够执行一定任务的自动化设备，它能够感知环境、进行决策，并执行相应的动作。
机器人可以是软件程序，也可以是实体机械装置。
2. 学科：机器人学是研究机器人技术和应用的学科，它包括机器人的设计、制造、控制和感知等方面。
机器人学的起源可以追溯到人类古代文明时期。
早在古希腊时代，人们就开始探索机械化生活的可能性。
然而，真正的机器人学始于20世纪。
1947年，美国工程师格蕾丝·霍普金斯开发了世界上第一台数字计算机ENIAC，并开始探索机器人学的概念。
从那时起，机器人学逐渐发展壮大，并成为一个独立的学科。
二、机器人学的基本原理与概念机器人学主要涉及以下几个基本原理和概念：1. 机器人运动学机器人运动学是研究机器人运动学特性和机器人运动规划的学科。
它研究机器人在三维空间中的位置、姿态和运动方式，以及如何规划机器人的运动轨迹，使得机器人能够完成指定的任务。
通过运动学的研究，我们可以控制机器人的关节和端效应器的位置和姿态，从而实现机器人的精确控制。
2. 机器人感知与认知机器人感知与认知是研究机器人如何感知和理解环境的学科。
它包括机器人对外部环境的传感器感知和机器人的环境模型构建。
感知技术包括视觉、声音、力触觉等，用于获取机器人周围的信息；认知技术则是分析和处理这些信息，以便机器人能够理解环境、做出决策并进行相应的动作。
3. 机器人学习机器人学习是研究机器人如何通过实践获得知识和技能的学科。
它包括监督学习、非监督学习和强化学习等方法。
通过机器人学习，可以使机器人自主地学习、适应环境，并根据学习到的知识和经验来改进自己的行为。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
《机器人学》
大作业
姓名:
学号:
南京航空航天大学
并联机器人概论
摘要：机器人技术的发展与应用极大的改变了人类的生产和生活方式。
利用机器人不仅能够迅速准确的完成枯燥的重复性工作，而且能在危险恶劣的环境下可靠地完成许多复杂操作，可以大大减轻人们的劳动前度，改善产品质量。
并联机器人具有结构简单、刚度好、定位精度高、动态响应快等优良特性,特别适用于高精度、大载荷且工作空间较小的场合,其应用日益广泛,应用领域不断扩展,对其进行全面而系统的研究并推向实际应用,具有重要的理论意义和实用价值。
关键词：并联机器人；概论
引言
机器人技术的发展与应用极大的改变了人类的生产和生活方式。
利用机器人不仅能够迅速准确的完成枯燥的重复性工作，而且能在危险恶劣的环境下可靠地完成许多复杂操作，可以大大减轻人们的劳动前度，改善产品质量。
并联机器人具有结构简单、刚度好、定位精度高、动态响应快等优良特性,特别适用于高精度、大载荷且工作空间较小的场合,其应用日益广泛,应用领域不断扩展,对其进行全面而系统的研究并推向实际应用,具有重要的理论意义和实用价值。
正文
传统机器人一般采用开链式结构，其基座和末端执行器之间只有一条运动链连接，对于具有这样结构的机器人，也称其为串联机器人。
为了实现末端执行器在工作空间中多个自由度的灵巧操作，串联机器人的运动链往往具有多个关节，通过控制各个关节的运动，可以实现末端执行器对工作空间中任意连续轨迹的跟踪运动。
一般而言，串联机器人具有结构简单、工作空间大、操作灵活、正向运动学求解简便等优点，因此在工业生产中得到了广泛的应用。
但是由于所有关节都集中在一条运动链上，串联机器人存在关节误差累积效应，末端执行器所能达到的位置精度往往有限，而较低的末端执行器刚度和负载驱动能力进一步限制了串联机器人在实际应用中的性能。
当在实际应用中需要机器人有高的承载能力、良好的动力学性能及高精度等要求时，人们迫切需要有另外一种机械结构形式的机器人可供选择。
图1.1是并联机器人的基本结构
图1.1 并联机器人基本结构
当人们需要移动一个很重的箱子时，习惯用两个手臂或由多个人用多条手臂同时推动箱子，这种多个手臂并行工作的概念应用到机器人的机械结构上就产生了并联机器人。
与只有一条运动链的串联机器人不同，并联机器人的基座和末端执行器之问具有两条或两条以上的运动链，并联机器人的典型结构图。
通常也将这种具有多运动链结构机械装置的并联机器人称为并联机构。
由于具有多条运动链，并联机器人的基座和末端执行器之间具有环状的闭链约束。
与串联机器人相比，具有闭链约束是并联机器人在结构方面最大的特点。
从机构学上看，多条运动链同时操作末端执行器，不仅抵消了关节误差累积效应，而且使得并联机器人具有运动惯量低、负载能力强、刚度大等优点，这恰恰弥补了串联机器人在这些方面的不足，使得并联机器人成为一个潜在的高速度、高精度运动平台。
并联机器人机构的出现始于20世纪30年代。
Gwinnett在其专利中提出了一种基于并联机构的娱乐装置，如图1．2所示，这个运动平台实际上是一个球形并联机构。
1940年，Pollard在其专利中提出了一种用于汽车喷漆的装置，如图1．3所示。
这套装置采用了一个包括三条运动链的并联机构来控制油漆喷头的位置和姿态。
1962年，Gough发明了一种基于并联机构的六自由度轮胎检测装置，如图1．4所示。
Gough所设计的并联机构拥有上下两个平台，其中下面的平台是固定的，称为静平台，上面的平台是可以运动的，称为动平台。
上下平台之间通过六条运动链相连接，在这六条运动链的协调操作下，动平台在工作空间内具有六个运动自由度。
Stewart首次对Gough发明的这种机构进行了机构学意义上的研究，并将其应用于飞行模拟器，如图1．5所示。
由于Stewart在1965年发表的学术论文，学术界开始注意到并联机构所具备的潜在优势和广泛的应用前景。
图1.2
图1.3
图1.4
图1.5
从20世纪60年代到70年代初期，人们主要将并联机构应用于飞行模拟器和运动模拟装置的设计与建造中，并取得了一系列的研究成果。
70年代后期，人们开始将并联机构应用到机器人的设计中。
1978年，澳大利亚的Hunt首次提出把并联机构用于机器人，从而开创了并联机器人的研究工作。
1979年，McCallion等人将并联机构用于装配机器人的设计，制造了第一台真正的并联机器人。
1980年，Fichter 和McDowell设计了一种基于Stewart平台的并联机器人，并研究了该机器人的反向运动学问题。
1981年，法国人Lande和David取得了一项关于并联机械手的发明专利。
从20世纪80年代开始，随着各种不同结构并联机器人的诞生及并联机器人应用范围的不断扩大，并联机器人的相关研究获得了长足的发展。
Orin 等人使用线性规划的方法研究了并联机器人负载平衡优化的问题。
Earl等人提出了一个“并联度”指标，并研究了多种不同并联机器人结构的“并联度”。
Hunt研究了并联机器人自由度的计算方法，并指出在某些特殊位形下，并联机器人将会获得额外的自由度，并导致奇异性现象的发生。
Rooney等人利用数值方法求解了一个平面并联机器人正向运动学问题，并详细列举了所有可能的构型。
Yang等人研究了六自由度Stewart并联机器人的运动学问题。
Mohamed等人研究了并联机器人末端执行器运动速度和输入关节运动速度之间的关系，并且指出这两者之间速度关系的表达式可以用于研究并联机器人的奇异性。
精密定位、力传感器、医疗器械、运动模拟等多个领域。
针对各种不同的应用，许多家公司推出了自己的并联机器人产品，例如，FANUC公司生产的可用于生产装配的F200i并联机器人，ABB公司生产的可用于物料搬运的IRB340机器人，Adept公司生产的可用于物料搬运的Adept Quattro并联机器人，Decoration Technology公司生产的可用于机械加工的COPRA并联机器人，Physik Instrumente公司生产的可用于精密测量的F206并联机器人和可用于医疗器械的M850并联机器人，ALIO公司生产的可用于精密定位操作的AI一HEX系列及AI一TRI一HEX系列并联机器人，Moog FCS公司生产的可用于运动模拟平台
的E—Cue系列并联机器人，固高(深圳)科技有限公司生产的可用于物料搬运和教学设备的GM系列并联机器人。
随着科学技术的进步，并联机器人的应用范围还在不断扩大，其对人类工业生产和日常生活的影响也将越来越深刻。
由于拥有多条运动链，并联机器人的结构要比传统的串联机器人更为复杂，这使得并联机器人的设计非常困难，30年来，研究人员在并联机器人的设计、标定、运动学、动力学及控制等方面做了大量的研究工作，而并联机器人也逐渐成为机器人领域的一个研究热点。