机器人机构学-绪论
机器人学基础 第1章 绪论 蔡自兴1PPT课件
Isaac Asimov
1.1 Development of Robotics
5
1.1.1 History of Robotics
1962年，美国万 能自动化公司（ Unimation）的 第一台机器人 Unimate在美国 通用汽车公司投 入使用，标志着 第一代机器人的 诞生。
1.1 Development of Robotics
Definition 4
机器人是“一种能够进行编程并在自动控制下执行 某些操作和移动作业任务的机械装置”。 —— (National Bureau of Standards, NBS)
1.1 Development of Robotics
12
1.1.2 Definition of Robotics
1.1 Development of Robotics
7
1.1.1 History of Robotics
1978年，美国 Unimation公司推 出通用工业机器 人PUMA，这标 志着工业机器人 技术已经完全成 熟。PUMA至今 仍然工作在工厂 第一线。
1.1 Development of Robotics
9
1.1.1 History of Robotics
2006年 6月，微软公司 推出Microsoft Robotics Studio，机器人模块化 、平台统一化的趋势越 来越明显，比尔·盖茨 预言，家用机器人很快 将席卷全球。
1.1 Development of Robotics
10
1.1.2 Definition of Robotics 机器人的定义
Robot(英文，“机器人”)
1.1 Development of Robotics
01-智能机器人系统-绪论-从机器人到智能机器人
智能机器人系统绪论主讲人：郑志强国防科技大学智能科学学院机器人“制造业皇冠顶端的明珠”机器人“制造业皇冠顶端的明珠”由于大数据、云计算、移动互联网等新一代信息技术同机器人技术相互融合步伐加快，3D打印、人工智能迅猛发展，制造机器人的软硬件技术日趋成熟……军用无人机、自动驾驶汽车、家政服务机器人已经成为现实，有的人工智能机器人已具有相当程度的自主思维和学习能力……我就在想，我国将成为机器人的最大市场…….我们要审时度势、全盘考虑、抓紧谋划、扎实推进。
——习主席在2014年两院院士大会上的讲话机器人的定义机器人是一个可计算机编程的机器，能够自动地执行一系列复杂的动作。
机器人可通过外部控制设备或者内嵌的控制系统导引。
机器人可能按照人类的模样构建，但是大多数机器人是设计来执行特定任务的机器，而不考虑其模样。
机器人的定义A robot is a machine—especially one programmable bya computer—capable of carrying out a complex series ofactions automatically.Robots can be guided by an external control device or the control may be embedded within.Robots may be constructed to take on human form butmost robots are machines designed to perform a task with no regard to how they look.https:///wiki/Robot机器人的实例机器人可以是自主的、半自主的、遥控的。
机器人包括类人机器人、工业机器人、服务机器人、医疗机器人、娱乐机器人、康复机器人、群体机器人、无人机、无人车、无人艇、微纳米机器人……机器人的实例类人机器人焊接机器人四足仿生机器人机器人的实例手术机器人拟人机器人阿西莫夫-机器人三法则机器人不能伤害人类，或坐视人类受到伤害而袖手旁观除非违背第一法则，机器人必须服从人类的命令在不违背第一和第二法则前提下，机器人必须保护自己阿西莫夫-机器人三法则阿西莫夫提出的“机器人三原则”为机器人规定了伦理性纲领，一直是机器人科学家研究开发工作的准则。
01第一章 KUKA机器人绪论
后来居上，并在工业生产的应用上及机器人制造业上很快超过了美国，产品在国际市场上形成了较强的竞争力。
进入20世纪80年代之后，美国才感到形势紧迫，政府和企业界才开始真正重视机器人。制定和采取了相应 的政策和措施，一方面鼓励工业界发展和应用机器人，另一方面制订计划、提高投资，增加机器人的研究经费， 把机器人看成美国再次工业化的特征，使美国的机器人迅速发展。80年代中后期，随着各大厂家应用机器人的
1.1 工业机器人的应用、发展和分类
（1）直角坐标系
-- 产品分类与应用
直角坐标系机器人模型
直角坐标系机器人实体
直角坐标机器人 具有空间上相互垂直的多个直线移动轴，通过直角坐标方向的3个独立自由度确定其手部 的空间位置，其动作空间为一长方体。
1.1 工业机器人的应用、发展和分类
（2）柱面坐标系
-- 产品分类与应用
1.1 工业机器人的应用、发展和分类
2 、按机器人的机构特征划分 工业机器人的结构形式
-- 产品分类与应用
按机器人结构坐标系特点方式 1）直角坐标型机器人
工业机器人的结构形式
直角轴线的移动来实现机器人 手部空间位置的改变。 2）圆柱坐标型机器人 通过两个移动和一个转动实现位置的改变。 3）极坐标型机器人 运动由一个直线运动和两个转动组成。 4）关节型机器人 运动由前后的俯仰及立柱的回转组成。
机器人工程专业导论 第一章 绪论
1.1本书目的与意义
1．帮助机器人工程专业的学生了解所学专业 刚刚进入大学校园的学生迫切地想要知道自己所学的专业是做什么的、需要学 些什么。这些问题看似肤浅，却影响着新生对本专业的兴趣。 通过本书的学习，不但可以帮助学生了解自己所学的专业，还能给学生留下深 刻的印象。当学生对专业性质有了足够的了解后，会更加明确自己的学习目标， 学习动力和积极性会更加充足。
1.2 机器人工程专业发展历史与 现状
近几年，机器人或机器人工程本科专业是国外大学（主要是美国）建设的 新专业，特点是依托不同的学科，发挥各自学科特点和优势并强化在机器 人工程专门领域的学科地位。
美国WPI依托计算机（Computer Science，CS）、电子与计算机工程（Electronic and Computer Engineering，ECE）、机械工程（Mechanical Engineering，ME） 等多学科，
1.2.2国内专业发展历史与现状
根据教育部有关公告，2014年以前全国有9所职业院校招收机器人工 程专业学生，120多所职业院校开设了与机器人相关的专业方向。
2015年，东南大学依托原自动化专业在机器人控制工程领域的学科优 势，并适应近年来机器人工程人才培养的特殊需求，向教育部申请备 案了机器人工程本科专业（Robotics Engineering）并获得批准，自此 机器人工程成为教育部备案专业，专业代码为080803T，为工学自动 化类，授予工学学士学位，修业年限为4年。
机器人学基础 第1章 绪论 蔡自兴0
Robots
Robotics and AI
Ch. 1 Introduction
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Ch. 1 Introduction
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1 The U.S. "Big Dog"
In March 2008, the U.S. government released a video of the military robots called "Big Dog", which has amazing mobility and adaptability. Latest "Big Dog" can climb up 35 ° slopes, carry more than 40 kg equipment, representing about 30% of its weight It can move along a simple route, or by remote control.
Ch. 1 Introduction
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7 Robot World Cup held in China for the first time
China successfully held the Robot World Cup through July 14-20, 2008 for the first time.
9 12
1
2 2
机器人学的数学基础
数学基础/机器人运动学 机器人运动学
2
2 2
讲授
讲授 讲授
3
3 3
16
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3
3 4
机器人动力学
机器人控制（1） 机器人控制（2）
2
2 2
工业机器人技术及应用(教案)1-绪论
第一章绪论1.1 什么是工业机器人1.2 为何发展工业机器人1.3 工业机器人发展概况1.3.1 工业机器人的诞生1.3.2 工业机器人的发展1.4 工业机器人的分类及应用1.4.1 工业机器人的分类1.4.2 工业机器人的应用学习目标*掌握工业机器人的定义*了解工业机器人的发展事由和历程*熟悉工业机器人的常见分类及其行业应用导入案例富士康“百万机器人”上岗折射中国制造业升级2011 年，富士康 CEO 郭台铭表示,希望到 2012 年底装配 30 万台机器人，到2014 年装配 100 万台，要在 5 到 10 年数年内通过自动化消除简单重复性的工序。
机器人的投产使用，可将目前的人力资源转移到具备更高附加值的岗位上，这也符合将我国“人口红利”转为“人才红利”的大目标。
这一工业机器人的井喷潮涌，何时会蔓延到“中国制造”的每一个工厂、每一条生产线、每一个工序、每一个工位上，将为“中国制造”的转型提“智”做出何等贡献？我们对此充满期待。
课堂认知1.1 什么是工业机器人机器人涉及到人的概念，成为一个难以回答的哲学问题。
美国: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种种任务的，并具有编程能力的多功能操作机。
日本: 一种带有存储器件和末端操作器的通用机械，它能够通过自动化的动作替代人类劳动。
中国: 一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或者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。
ISO一种能自动控制，可重复编程，多功能、多自由度的操作机，能搬运材料、工件或操持工具来完成各种作业。
广义地说：工业机器人是一种在计算机控制下的可编程的自动机器。
它具有四个基本特征：①特定的机械机构②通用性③不同程度的智能④独立性1.2 为何发展机器人让机器人替人类干那些人不愿干、干不了、干不好的工作。
ABB 给出十大投资机器人的理由：第一，降低运营成本；第二，提升产品质量与一致性；第三，改善员工的工作环境；第四，扩大产能；第五，增强生产的柔性；第六，减少原料浪费，提高成品率；第七，满足安全法规，改善生产安全条件；第八，减少人员流动，缓解招聘技术工人的压力；第九，降低投资成本，提高生产效率；最后一点，节约宝贵的生产空间。
机器人机构学-绪论
机器人机构学-绪论引言机器人机构学是一门研究机器人结构和运动学的学科。
随着人工智能和自动化技术的快速发展，机器人在工业生产、医疗保健、军事应用等领域得到越来越广泛的应用。
机器人机构学的研究可以帮助我们理解机器人的结构特点和运动规律，进而设计出更加灵活、高效的机器人系统。
机器人机构的定义机器人机构是指构成机器人的各个部件之间的连接关系，包括机身、传动系统、关节、传感器等。
机器人机构的设计对机器人的性能、可靠性和适应性等方面的影响极大。
机器人机构的分类根据机器人机构的结构和运动特点，可以将其分为以下几类：1.串联机构：由一系列关节连接而成，每个关节只有一个自由度。
典型的串联机构包括人的手臂和腿等。
2.并联机构：由多个并联的关节组成，每个关节都有自由度。
并联机构具有较高的刚度和精度，常用于需要快速准确定位的任务。
3.混合机构：由串联机构和并联机构的组合构成，兼具串联机构的灵活性和并联机构的刚度。
4.柔性机构：通过柔性材料的变形实现机器人的运动。
柔性机构具有较好的适应性和承载能力，适用于狭小空间和不规则环境的工作。
机器人运动学机器人运动学研究机器人的位置、姿态和运动规律。
根据运动学理论，可以通过给定机器人关节的角度、长度和位置等参数，计算机器人末端执行器的位置和姿态。
机器人运动学分为正运动学和逆运动学两个方面：正运动学正运动学是指已知机器人关节的运动参数，推导出机器人末端执行器的位置和姿态的过程。
通过正运动学，可以确定机器人在空间中的准确位置，具有重要的实际应用价值。
逆运动学逆运动学是指已知机器人末端执行器的位置和姿态，计算机器人关节的运动参数。
逆运动学是机器人控制的核心问题之一，解决逆运动学可以实现机器人的自主控制和路径规划。
机器人机构学的应用机器人机构学的研究成果广泛应用于各个领域。
以下是机器人机构学的几个典型应用：1.工业机器人：工业机器人广泛应用于生产线上的重复性、高精度任务，如焊接、装配和搬运等。
机器人技术基础复习要点
机器人技术基础复习要点第一章：绪论1.机器人分类：按开发内容与应用分为工业机器人，操纵型机器人，智能机器人；按发展程度分为第一代，第二代和第三代机器人；按性能指标分为超大型，大型。
中型。
小型和超小型机器人；按结构形式分为直角坐标型机器人，圆柱坐标型机器人，球坐标型机器人和关节坐标型机器人；按控制方式分为点位控制和连续轨迹控制；按驱动方式分为气力驱动式，液力驱动式和电力驱动式。
按机座可动分类分为固定式和移动式。
2.机器人的组成：驱动系统，机械系统，感知系统，控制系统，机器人-环境交互系统，人机交互系统。
3.机器人的技术参数：自由度：是指机器人所具有的独立坐标轴的数目；精度：主要依存于机械误差，控制算法误差与分辨率系统误差；重复定位精度；是关于精度的统计数据；工作范围：指的是机器人手臂末端或手腕中心所能达到的所有店的集合；最大工作速度：不同厂家定义不同，通常在技术参数中加以说明；承载能力：指的是机器人在工作范围内的任何位姿上所能承受的最大质量。
第二章：机器人本体结构1.机器人本体基本结构：传动部件，机身及行走机构，臂部，腕部，手部。
2.机器人本体材料的选择：强度高，弹性模量大，质量轻，阻尼大，经济性好。
3.机身设计要注意的问题：刚度和强度大；动灵活，导套不宜过短，避免卡死；驱动方式适宜；结构布置合理。
4.臂部的基本形式：机器人的手臂由大臂，小臂所组成，手臂的驱动方式主要有液压驱动，气动驱动和电动驱动几种形式，其中电动驱动最为通用；臂部的典型机构有臂部伸缩机构，手臂俯仰运动机构，手臂回转与升降机构。
5.臂部设计需要的注意的问题：足够的承载能力；刚度高；导向性能好，运动迅速，灵活，平稳，定位精度高；重量轻，转动惯性小；合理设计与腕部和机身的连接部位。
6.机器人的平稳性和臂杆平衡方法：机身和臂部的运动较多，质量较大，如果运动速度和负载游较大，当运动状态变化时，将产生冲击和振动。
这将仅影响机器人的精确定位，甚至会使其不能正常运转。
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机器人的发展经历 机器 自动化机器 智能化机器 拟人机器
2.1 机器人定义
机器人是一个动态的概念，一般具有下列性质： 代替人进行工作：能像人一样使用工具和机械 (机床和汽车不行） 有通用性：根据工况进行作业变换（玩具不能) 可以直接对外发生作用：不仅能像计算机一样 进行计算，还能对外产生作用
1.3 机构学的研究内容（续）
2.机构运动学（研究机构中各构件尺度的影响） 运动学分析：已知机构尺寸和输入确定运动状态 位置分析 速度分析 加速度分析 精度分析 装配构型分析 奇异构型分析 分支、顺序、尺寸型优选 运动学综合: 已知输出要求确定机构尺寸（或输入，机 器人逆解） 位置综合（轨迹、函数、刚体导引） 速度、加速度综合 误差综合
联系方式
电话：84706108（o) Email:chujk@ 机械学院2号楼，微系统中心212-2
机器人机构学
褚金奎
参考教材: 机器人机构拓扑结构学
杨廷力
机械工业出版社，2004年3月
1.机构发展史
机构是人们在实践中发明的用于改造和适应自然的工 具—有了人就有了机构的创造. 最简单的机构—杠杠,门,栅栏,轮子等 机构的发展史就是人类的创造发明史、文明史 农业文明中机构的贡献有:马车,水车,纺车,风车（古）播 种机、收割机。 工业文明中机构的贡献:没有蒸气机为代表的一系列机 器的发明就没有工业文明。 机构学的诞生起源于1875德国学者勒洛(F.Reuleau)给机 构的定义 电器时代,信息时代（3.0）的到来对机构发明提出了新 的课题 网络化和智能化对机器又有进一步的要求（工业4.0）。
玩具机器人图片
玩具机器人
智能机器人图片
宇航和军用机器人
机器人士兵
勇气号火星机器人模型
中国研制的智能机器人
BHR-01仿人形机器人（2002年）
• 自由度
–腿部 –手臂 –手 –头
33
6 x 2 = 12 6 x 2 = 12 2 x 2 = 4 3
• 体重 • 身高：
75 公斤 1.6 米
2.2 机器人的种类（续）
根据机器人动作所基于的信息可分为： 操作机器人(遥控机器人) ：远距离遥控 （太空、核电站、防暴) ;基于微观显微 观察的机器人（纳米操作、细胞操作、 手术机器人等） 程序机器人：按预定的程序进行工作（上、 下料机器人）
2.3 机器人的种类（续）
示教再现机器人：示 教再现同盒式录放机 一样，把轨迹、动作 进行示教再现。 数值控制机器人：用 计算机控制机器人的 动作，轨迹规划是基 于计算而非示教。
2.2 机器人的种类
机器人的分类方法有许多，这里简单介绍三种 根据机器人可以代替人的不同器官可分为： 操作机器人：手 移动机器人：腿 视觉机器人：眼，等等 根据机器人的应用可分为 工业机器人：搬运、焊接、装配、喷漆、焊接、检测等 极限作业机器人：核电站、海底、宇宙空间等 娱乐机器人等：弹奏乐器、舞蹈、宠物等 福利机器人（助残机器人） 医疗机器人（手术机器人） 灾难救助机器人 体育类机器人等 军用机器人
美女机器人（2006年，中国科学 院北京自动化研究院）
身高１６８厘米 体重６０公斤 身着红色婚纱。“她” 的面部由玻璃钢材料 制成，嘴和眉毛是画 上去的，眼睛可以转 动还可以跟人配合跳 交谊舞。如果被人夸 奖：“你真漂 亮。”“她”会“微 笑”
发表论文
共发表论文一百伍拾篇，其中主要的论文有： （1）用快速傅立叶变换进行再现平面四杆机构连杆曲线的综合, 机械工 程学报, 1993年 第五期， 被苏联"机械制造材料与机械零件文献"收录 。 （2） Identification of Isomorphism Among Kinematic Chains and Inversions Using Link‘s Adjacent－Chain－Table ,Mechanism and Machine Theory , No.1, 1994， 被“SCI”收录 （3） Systemics of Assur Groups with multiple joints , ,Mechanism and Machine Theory， No.8 ,1998，被"SCI"收录 同时也被被"EI"收录 。 （4）Structural analysis of synthesis of Assur Groups with multiple joints ,机 械工程学报英文版,No.1,1992， （5） 齿轮连杆机构类型综合的研究，机械工程学报 ,No.3， 1996 （6）带有预定时标平面四杆刚体导引机构尺度综合的研究, 机械工程学 报，No.5， 1999 （7）四杆机构轨迹特性与机构尺寸型关系研究， 《中国科学》E辑中文 版,2004, 34卷第7期，p1-9. （8）Study of Relationship between Coupler Curve Properties of 4-bar Linkages and Its Dimensional Types, SCIENCE IN CHINA（Series E ）, 2004, 47(4)
2. 机器人发展史
科幻作品 20年 robot :捷克作家卡雷尔.查培克（Kapel Capek) 人造劳动者 60年代实用化的机器人，区别、工业机器人（操作手）； 70年代机器人的概念才被确认，出现了机器人学； 80年代工业机器人大量应用，出现了大量的移动机器人研究（步行机、 月球车）； 90年代出现了智能机器人的概念，医用机器人出现在临床，移动机器 人开始应用； 20世纪末出现了大量的智能机器人比赛和智能机器人模型、助残机器 人； 可以预见的未来、21世纪机器人将走入我们的生活，成为我们生活中不可缺 少的一部分。
发表论文
(9）Stephenson六杆机构可动性研究，机械工程学报，No.11, 2004 (10） 电热驱动镍微夹钳的设计及制作，机械工程学报， No.5 ,2007 (11)Rapid Nonlinear Analysis for Electrothermal Microgripper Using Reduced Order Model Based on Krylov Subspace，International Journal of Nonlinear Sciences and Numerical Simulation, Vol. 9, No. 4, 2008,P333-338，期刊影响因子: 5.099 (12)Fourier Method to Function Synthesis of RCCC Mechanism， Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C, Journal of Mechanical Engineering Science，Vol.222，2008，DOI: 10.1243/09544062JMES1091，期刊影响因子：0.329 (13)Construction and performance test of a novel polarization sensor for navigation，Sensors & Actuators: A. Physical，DOI information: 10.1016/j.sna.2008.07.016,2008，Vol.148，P75-82,2008，期刊影响 因子：1.348。
自我介绍
名字：褚金奎 主要学术经历： 2002.5-至今:大连理工大学 机械工程学院教授、博士生导师 2001.10-2002.4:日本国 东北大学工学部 机械智能工学科 客座教授 1998.7-2002.10：西安理工大学、机械与精密仪器学院机械学专业 教授、博士生导师 1997.5-1998.6 : 西安理工大学、机械与精密仪器学院机械学专业 教授 1996.10-1997.4 : 日本国 山形大学机械工学部 机械系统工学科 研 究员 1996.7-1996.10 : 日本国 近畿大学 理工学部 机械工学科 高级访问 学者 1989.4-1992.10： 在北京航空航天大学机器人研究所攻读博士学 位 主要研究方向：机构学，机器人，实体造型与运动方针，MEMS
主要学术成果
Nhomakorabea
科研成果及所受奖励: 2015入选大连市科技领军人才 2105 国家技术发明二等奖 2004教育部新世纪优秀人才支持项目获得者 2003入选辽宁省千百万人才工程 1995年评为机械工业部部级优秀青年科技专家， 1996年项目《机构结构的拓扑特征、尺度特征及动力学模型的研 究》获得教育部科技进步（甲类）二等奖 1997年评为机械工业部部级学术骨干 1999年项目《以序单开链为基本单元的机械系统新理论研究》获 得教育部科技进步（甲类）二等奖 2000年项目《齿轮连杆机构结构及运动学的基本理论及新方法的 研究》获得山东省科技进步奖三等奖
1.3 机构学的研究内容（续）
3.机构动力学的研究内容（机构中质量分布、阻尼特性、材料特性、几何特 性对机构性能的影响） 动力学分析 动态静力分析: 已知机构的运动状态及外力确定机构及构件上惯性力、力 矩、平衡力、力矩、驱动力、及支反力、应力、应变等 动力学分析：已知机构的所受的外力，确定机构的运动状态（牛顿第二 定律、拉格朗日方程、凯恩方程） 结构动力学分析：已知机构的运动及受力，确定机构的响应、振型、固 有频率、噪音、可靠性、寿命、稳定性等 动力学综合 已知机构的动力学性能要求，确定机构的动力学参数 （质量分布、阻尼 分布、几何特性、材料特性） 常见的动力学要求：惯性力、力矩、支反力、许用应力、应变、振动频 率、寿命等 动力学涉及的内容很多，很多内容都有专门的学科进行研究