工业机器人基础知识

机器人的定义机器人的定义

美国国家标准局（NBS ）的定义：“机器人是一种机器人是一种 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”。 国际标准化组织(ISO)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

机械手，这种机械手具有几个轴，能够借助于可编程序操作来处理各种材料、零件、工具和

专用装置，以执行种种任务。”

机器人具有以下特性：机器人具有以下特性：

（1）一种机械电子装置；）一种机械电子装置；

（2）动作具有类似于人或其他生物体的功能；）动作具有类似于人或其他生物体的功能；

（3）可通过编程执行多种工作，有一定的通用性和灵活性；）可通过编程执行多种工作，有一定的通用性和灵活性； （4）有一定程度的智能，能够自主地完成一些操作。）有一定程度的智能，能够自主地完成一些操作。

机器人的分类机器人的分类 按照日本工业机器人学会（JIRA）的标准，可将机器人分为六类：）的标准，可将机器人分为六类：

第一类：人工操作机器人。由操作员操作的多自由度装置；第一类：人工操作机器人。由操作员操作的多自由度装置；

第二类：固定顺序机器人。按预定的不变方法有步骤地依此执行任务的设备，按预定的不变方法有步骤地依此执行任务的设备，其执行顺序难其执行顺序难

以修改；以修改； 第三类：可变顺序机器人。同第二类，但其顺序易于修改。第三类：可变顺序机器人。同第二类，但其顺序易于修改。

第四类：示教再现（playback）机器人。操作员引导机器人手动执行任务，记录下这些动作

并由机器人以后再现执行，即机器人按照记录下的信息重复执行同样的动作。并由机器人以后再现执行，即机器人按照记录下的信息重复执行同样的动作。

第五类：数控机器人。操作员为机器人提供运动程序，并不是手动示教执行任务。第五类：数控机器人。操作员为机器人提供运动程序，并不是手动示教执行任务。

第六类：智能机器人。机器人具有感知外部环境的能力，第六类：智能机器人。机器人具有感知外部环境的能力，即使其工作环境发生变化，也能够即使其工作环境发生变化，也能够

成功地完成任务。成功地完成任务。

美国机器人学会（RIA）只将以上第三类至第六类视做机器人。）只将以上第三类至第六类视做机器人。 我国的机器人专家从应用环境出发，将机器人分为两大类，即工业机器人和特种机器人。所谓工业机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。而特种机器人则是除

工业机器人之外的、用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人。工业机器人之外的、用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人。

机器人技术涉及的研究领域有：机器人技术涉及的研究领域有：

1、传感器技术：得到与人类感觉机能相似的传感器技术；、传感器技术：得到与人类感觉机能相似的传感器技术；

2、人工智能计算机科学：得到与人类智能或控制机能相似能力的人工智能或计算机科

学；学；

3、假肢技术；、假肢技术；

4、工业机器人技术：把人类作业技能具体化的工业机器人技术；、工业机器人技术：把人类作业技能具体化的工业机器人技术；

5、移动机械技术：实现动物行走机能的行走技术；、移动机械技术：实现动物行走机能的行走技术； 6、生物功能：实现生物机能为目的的生物学技术、生物功能：实现生物机能为目的的生物学技术

为了防止机器人伤害人类，科幻作家阿西莫夫于1940年提出了“机器人三原则”：

（1）机器人不应伤害人类；）机器人不应伤害人类；

（2）机器人应遵守人类的命令，与第一条违背的命令除外；）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。）机器人应能保护自己，与第一条相抵触者除外。

这是给机器人赋予的伦理性纲领。机器人学术界一直将这三原则作为机器人开发的准则。这是给机器人赋予的伦理性纲领。机器人学术界一直将这三原则作为机器人开发的准则。

1959年第一台工业机器人（采用可编程控制器、圆柱坐标机械手）在美国诞生，开创了机

器人发展的新纪元。器人发展的新纪元。

我国机器人的发展我国机器人的发展

有人认为，应用机器人只是为了节省劳动力，应用机器人只是为了节省劳动力，而我国劳动力资源丰富，而我国劳动力资源丰富，发展机器人不一定符

合我国国情。其实这是一种误解，在我国，社会主义制度的优越性决定了机器人能够充分发挥其长处，它不仅能为我国的经济建设带来高度的生产力和巨大的经济效益，而且将为我国

的宇宙开发、海洋开发、核能利用等新兴领域的发展做出卓越的贡献。的宇宙开发、海洋开发、核能利用等新兴领域的发展做出卓越的贡献。

我国机器人学研究起步较晚，我国机器人学研究起步较晚，但进步较快，但进步较快，已经在工业机器人、特种机器人和智能机器人各

个方面区的了明显的成就，为我国机器人学的发展打下了坚实的基础。个方面区的了明显的成就，为我国机器人学的发展打下了坚实的基础。

机器人研究的基础内容机器人研究的基础内容

1、空间机构学、空间机构学

机器人机身和臂部机构的设计、机器人机身和臂部机构的设计、机器人手部机构设计、机器人手部机构设计、机器人手部机构设计、机器人行走机构的设计、机器人行走机构的设计、机器人行走机构的设计、机器机器人关节部机构的设计。人关节部机构的设计。

2、机器人运动学、机器人运动学

研究要涉及到组成这一系统的各杆件之间以及系统与对象之间的相互关系，为

此需要一种有效的数学描述方法。此需要一种有效的数学描述方法。

3、机器人静力学、机器人静力学

静力学主要讨论机器人手部端点力与驱动器输入力矩的关系。静力学主要讨论机器人手部端点力与驱动器输入力矩的关系。

4、机器人动力学、机器人动力学 动力学方程是指作用于机器人各机构的力或力矩与其位置、速度、加速度关系

的方程式。的方程式。

5、机器人控制技术、机器人控制技术

主要研究的内容有机器人控制方式和机器人控制策略。主要研究的内容有机器人控制方式和机器人控制策略。

6、机器人传感器、机器人传感器

机器人的感觉主要通过传感器来实现。机器人的感觉主要通过传感器来实现。 外部传感器有视觉、触觉、听觉、力

觉传感器，内部传感器主要有位置、姿态、速度、加速度传感器。觉传感器，内部传感器主要有位置、姿态、速度、加速度传感器。 7、机器人语言、机器人语言

机器人语言分为通用计算机语言和专用机器人语言，机器人语言分为通用计算机语言和专用机器人语言，

机器人的组成机器人的组成

1机械部分；机械部分； 2传感器(一个或多个)；3控制器；4驱动源。驱动源。

按机器人的分类按机器人的分类

按照机器人的控制类型和结构坐标系特点分为：(1) 非伺服机器人；(2) 伺服控制机

器人。器人。

伺服控制机器人分为：(1)点位伺服控制；(2)连续轨迹伺服控制。连续轨迹伺服控制。

按机器人结构坐标系特点方式分类(1) 直角坐标机器人；(2) 圆柱坐标型机器人；(3)

极坐标机器人；(4) 多关节机器人。多关节机器人。

机器人的主要技术参数机器人的主要技术参数 １．自由度２．工作空间３．工作速度４．工作载荷５．控制方式６．驱动方式７．精

度、重复精度和分辨率度、重复精度和分辨率

机器人机械结构的组成机器人机械结构的组成

１．手部１．手部

机器人为了进行作业，在手腕上配置了操作机构，有时也称为手爪或末端操作器．机器人为了进行作业，在手腕上配置了操作机构，有时也称为手爪或末端操作器．

２．手腕２．手腕

联接手部和手臂的部分，主要作用是改变手部的空间方向和将作业载荷传递到手臂．联接手部和手臂的部分，主要作用是改变手部的空间方向和将作业载荷传递到手臂．

３．臂部３．臂部

联接机身和手腕的部分，主要作用是改变手部的空间位置，主要作用是改变手部的空间位置，满足机器人的作业空间，满足机器人的作业空间，并

将各种载荷传递到机座．将各种载荷传递到机座．

４．机身４．机身

机器人的基础部分，机器人的基础部分，起支承作用．对固定式机器人，直接联接在地面基础上，对移动式起支承作用．对固定式机器人，直接联接在地面基础上，对移动式机器人，则安装在移动机构上．机器人，则安装在移动机构上．

机器人机构的运动机器人机构的运动

１．手臂的运动１．手臂的运动

1.垂直移动2.径向移动3.回转运动回转运动

２．手腕的运动２．手腕的运动

(1)手腕旋转(2)手腕弯曲(3)手腕侧摆手腕侧摆

常用的机身结构：常用的机身结构： １）升降回转型机身结构２）俯仰型机身结构３）１）升降回转型机身结构２）俯仰型机身结构３）直移型机身结构４）直移型机身结构４）直移型机身结构４）类人机器人机身类人机器人机身

结构结构

手腕是联接手臂和手部的结构部件，它的主要作用是确定手部的作业方向。因此它具有

独立的自由度，以满足机器人手部完成复杂的姿态。独立的自由度，以满足机器人手部完成复杂的姿态。

要确定手部的作业方向，一般需要三个自由度，这三个回转方向为：要确定手部的作业方向，一般需要三个自由度，这三个回转方向为：

１）臂转１）臂转 绕小臂轴线方向的旋转。绕小臂轴线方向的旋转。

２）手转２）手转 使手部绕自身的轴线方向旋转。使手部绕自身的轴线方向旋转。 ３）腕摆３）腕摆 使手部相对于臂进行摆动。使手部相对于臂进行摆动。

机器人的手部是是最重要的执行机构，从功能和形态上看，它可分为工业机器人的手部

和仿人机器人的手部。和仿人机器人的手部。

常用的手部按其握持原理可以分为夹持类和吸附类两大类。常用的手部按其握持原理可以分为夹持类和吸附类两大类。

行走机构行走机构

行走机构是行走机器人的重要执行部件,它由驱动装置、传动机构、位置检测元件、传

感器、感器、电缆及管路等组成。它一方面支承机器人的机身、电缆及管路等组成。它一方面支承机器人的机身、电缆及管路等组成。它一方面支承机器人的机身、臂部和手部，臂部和手部，臂部和手部，另一方面还根据工作另一方面还根据工作任务的要求，带动机器人实现在更广阔的空间内运动。任务的要求，带动机器人实现在更广阔的空间内运动。

一般而言，行走机器人的行走机构主要有车轮式行走机构、履带式行走机构和足式

行走机构，行走机构，此外，还有不进式行走机构、此外，还有不进式行走机构、此外，还有不进式行走机构、蠕动式行走机构、混合式行走机构和蛇行式行走机蠕动式行走机构、混合式行走机构和蛇行式行走机

构等，以适合于各种特别的场合。构等，以适合于各种特别的场合。 履带式行走机构虽然可在高低不平的地面上运动，但它的适应性不够，行走时候晃动太

大，在软地面上行驶运动效率低。大，在软地面上行驶运动效率低。

足式行走对崎岖路面具有很好的适应能力一，足式运动方式的立足点是离散的点，

可以在可能到达的地面上选择最优的支撑点，而轮式和履带行走工具必须面临最坏的地形上

的几乎所有点；足式运动方式还具有主动隔振能力，足式运动方式还具有主动隔振能力，尽管地面高低不平，尽管地面高低不平，机身的运动仍然可

以相当平稳；足式行走在不平地面和松软地面上的运动速度较高，能耗较少。以相当平稳；足式行走在不平地面和松软地面上的运动速度较高，能耗较少。

机器人关节的驱动方式：机器人关节的驱动方式：

１．液压驱动２．气动式３．电动式１．液压驱动２．气动式３．电动式