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第1章
概论
章节题目：第1章
概论 [教学内容] 1-1 工业机器人定义及其工作环境 1-2 工业机器人基本组成及技术参数 1-3 工业机器人的分类及应用 [教学安排] 第1章安排2学时，其中介绍工业机器人定义及特点10分钟，工业机器人与环境交互5分钟，工业机器人的基本组成10分钟，工业机器人的技术参数20分钟，工业机器人的分类20分钟，工业机器人的应用领域及优点25分钟。
通过多媒体课件结合板书的方式，采用课堂讲授和课堂讨论相结合的方法，介绍机器人的定义及工作环境，讲授机器人工作原理，分析机器人的组成，根据以上讲述内容再归纳机器人的特点。结合机器人技术的发展将课程前沿问题介绍给学生。[知识点及其基本要求]
1、工业机器人定义及特点（理解）
2、工业机器人与环境交互（了解）
3、工业机器人的基本组成（掌握）
4、工业机器人的技术参数（掌握）
5、工业机器人的分类（掌握）
6、工业机器人的应用领域及优点（了解）[重点和难点] 重点：
1、工业机器人的定义
2、工业机器人的基本组成3、工业机器人的技术参数
4、工业机器人的分类 难点：
1、工业机器人的技术参数 [教学法设计] 引入新课：
工业机器人的发展离不开工业自动化的需要和发展。工业机器人作业与周围环境有很强的交互作用，这与数控机床之类的设备相比较有明显的不同。本章将通过对工业机器人的定义、组成及应用的介绍，使学生对工业机器人的特点有一个比较清楚的了解。新课讲解： 第1章
1-1 工业机器人定义及其工作环境
一、工业机器人定义及特点
机器人是一个在三维空间中具有较多自由度的，并能实现诸多拟人动作和功能的机器；而工业机器人则是在工业生产上应用的机器人。美国机器人工业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。”
工业机器人最显著的特点有以下几个：
（1）可编程。工业机器人可随其工作环境变化的需要而再编程，因此它在小批量多品种具有均衡高效率的柔性制造过程中能发挥很好的功用，是柔性制造系统中的一个重要组成部分。（2）拟人化。工业机器人在机械结构上有类似人的行走、腰转、大臂、小臂、手腕、手爪等部分，在控制上有电脑。此外，智能化工业机器人还有许多类似人类的“生物传感器”。传感器提高了工业机器人对周围环境的自适应能力。
（3）通用性。除了专门设计的专用的工业机器人外，一般工业机器人在执行不同的作业任务时具有较好的通用性。
（4）机电一体化。工业机器人技术涉及的学科相当广泛，但是归纳起来是机械学和微电子学的结合——机电一体化技术。
二、工业机器人与环境交互
工业机器人所具备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。
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系统的通信。
工业机器人在与外部环境协调、配合中构成外部集成。工业机器人被引导去完成任务时，在任何瞬时都要对实际参数信息与所要求的参数信息进行比较，对外部环境所发生的变化产生新的适应性指令，实现其正确的动作功能，这就是工业机器人的在线自适应能力。
1-2 工业机器人基本组成及技术参数
一、工业机器人的基本组成工业机器人系统由三大部分六个子系统组成。三大部分是：机械部分、传感部分、控制部分。六个子系统是：驱动系统、机械结构系统、感受系统、机器人-环境交互系统、人机交互系统、控制系统。
1、驱动系统
要使机器人运动起来需给各个关节即每个自由度安装传动装置，这就是驱动系统。驱动系统可以使液压传动、气压传动、电动传动，或者把它们结合起来应用的综合系统；可以直接驱动或者通过机械传动机构进行间接驱动。
2、机械结构系统
工业机器人的机械结构系统由机身、手臂、末端操作器三大件组成。每一大件都有若干自由度，构成一个多自由度的机械系统。
3、感受系统
由内部传感器模块和外部传感器模块组成，获取内部和外部环境状态中有意义的信息。
4、机器人-环境交互系统
工业机器人环境交互系统是实现工业机器人与外部环境中的设备相互联系和协调的系统。工业机器人与外部设备集成为一个功能单元。
5、人机交互系统
人机交互系统是使操作人员参与机器人控制与机器人进行联系的装置。归纳起来为两大类：指令给定装置和信息显示装置。
6、控制系统
控制系统的任务是根据机器人的作业指令程序以及从传感器反馈回来的信号支配机器人的执行机构去完成规定的运动和功能。根据控制原理可分为程序控制系统，适应性控制系统和人工智能控制系统。根据控制运动的形式可分为点位控制和轨迹控制。
二、工业机器人技术参数
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。
1、自由度
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。在三维空间中描述一个物体的位姿需要六个自由度。从运动学观点看，在完成某一特定作业时具有多余自由度的机器人，就叫做冗余自由度机器人，亦可简称冗余度机器人。利用冗余的自由度可以增加机器人的灵活性，躲避障碍物和改善动力性能。
2、重复定位精度
工业机器人精度是指定位精度和重复定位精度。定位精度是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于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。
3、工作范围
工作范围是指机器人手臂末端或手腕中心所能到达的所有点的集合，也叫做工作区域。工作范围的形状和大小是十分重要的，机器人在执行某作业时可能会因为存在手部不能到达的作业死区而不能完成任务。
4、最大工作速度
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。显然，工作速度愈高，工作效率愈高。但是工作速度愈高就要花费更多的时间去升速或降速，或者对工业机器人的最大加速度率或最大减速度率的要求更高。
5、承载能力
承载能力是指机器人在工作范围内的任何位姿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。为了安全起见，承载能力是指高速运行时的承载能力。通常，承载能力不仅指负载，而且还包括了机器人末端操作器的质量。
1-3 工业机器人的分类及应用
一、工业机器人的分类
比较好的分类原则是根据构成工业机器人的三大部分来分，如：
直角坐标式圆柱坐标式球坐标式基本结构关节坐标式平面关节式 柔软臂式机械部分冗余自由度式模块式气动驱动源液压电动人工操纵机器人固定程序机器人可变程序机器人 控制部分——（信息输入和示教方法）重演式机器人计算机数控机器人智能机器人视觉传感器传感部分触觉传感器
接近觉传感器
（一）按工业机器人的结构分类
1、五种基本坐标式机器人
机器人的机械结构部分可看作是由一些连杆通过关节组装起来的。通常有两种关节，即转动关节和移动关节。连杆和关节按不同坐标形式组装，机器人可分为五种。
（1）直角坐标式机器人：具有三个移动关节，能使手臂末端沿直角坐标系的X、Y、Z三个坐标轴作直线移动。
（2）圆柱坐标式机器人：具有一个转动关节和两个移动关节，构成圆柱形状的工作范围。（3）球坐标式机器人：具有两个转动关节和一个移动关节，构成球缺形状的工作范围。（4）关节坐标式机器人：具有三个转动关节，其中两个关节轴线是平行的，构成较为复杂形状的工作范围。
（5）平面关节式机器人：可以看作是关节坐标式机器人的特例，它只有平行的肩关节和肘关节，关节轴线共面。
2、两种冗余自由度结构机器人（1）整体控制的柔软臂机器人。
（2）每一关节独立控制的冗余自由度机器人。
3、模块化结构机器人
工业机器人模块化的主要含义是机器人由一些可供选择的标准化模块拼装而成的，标准化模块是具有标准化接口的机械结构模块、驱动模块、控制模块、传感器模块，并已系列化。
模块化机器人的优点主要有：
（1）制造及应用上的灵活性和经济性。制造厂商能使用较大批量的现金制造技术生产易装配的不同规格的整体模块，以最经济的价格供应给客户；用户能根据生产作业的需要容易地选择或改变机器人的组成，可增减机器人自由度。
（2）用具有更好性能的模块来替代旧模块，使服役机器人容易地、经济地更新换代。
（二）按机器人研究、开发和实用化的进程分类
1、第一代机器人
第一代机器人具有示教再现功能，或具有可编程的NC装置，但对外部信息不具备反馈能力。
2、第二代机器人
第二代机器人不仅具有外部传感器，能获取外部环境信息。虽然没有应用人工智能技术，但是能进行机器人-环境交互，具有在线自适应能力。
3、第三代机器人
第三代机器人具有多种智能传感器，能感知和领会外部环境信息，包括具有理解像人下达的语言指令这样的能力。能进行学习，具有决策上的自治能力。
二、工业机器人的应用领域及优点
（一）工业机器人的应用领域
从广义上来说，除了表演机器人外，其余的都可叫作工业机器人。目前，工业机器人的应用领域主要在三个方面：
1、恶劣工作环境，危险工作场合2、特殊作业场合3、自动化生产领域
（二）工业机器人的优点 [应用]
1、简述工业机器人的定义，说明机器人的主要特点是什么？
2、工业机器人和数控机床有什么区别？
3、工业机器人与外界环境有什么关系？
4、说明工业机器人的基本组成及三大部分之间的关系。
5、简述下面几个术语的含义：自由度，重复定位精度，工作范围，工作速度，承载能力。
6、什么叫冗余自由度机器人？
7、图1-15所示的二自由度平面关节机械手，L1=2L2，关节的转角范围是0°≤θ1≤180°，-90°≤θ2≤180°，画出该机械手的工作范围图。（画图时可以设L2=3cm）
8、工业机器人怎样按机械系统的基本结构来分类？
9、工业机器人怎样按控制方式来分类？
10、什么是SCARA机器人，应用上有何特点？
11、总结一下机器人的应用情况。[板书设计] 第1章 1-3 工业机器人的分类及应用 1-1 工业机器人定义及其工作环境
一、工业机器人的分类
一、工业机器人定义及特点
（一）按工业机器人的结构分类（1）可编程
1、五种基本坐标式机器人（2）拟人化（1）直角坐标式机器人（3）通用性（2）圆柱坐标式机器人（4）机电一体化（3）球坐标式机器人
二、工业机器人与环境交互（4）关节坐标式机器人 1-2 工业机器人基本组成及技术参数（5）平面关节式机器人
一、工业机器人的基本组成2、两种冗余自由度结构机器人
1、驱动系统
3、模块化结构机器人
2、机械结构系统
（二）按机器人研究、开发和实用化的进程
3、感受系统 分类
4、机器人-环境交互系统
1、第一代机器人
5、人机交互系统
2、第二代机器人
6、控制系统
3、第三代机器人
二、工业机器人技术参数
二、工业机器人的应用领域及优点
1、自由度
（一）工业机器人的应用领域
2、重复定位精度
1、恶劣工作环境，危险工作场合3、工作范围
2、特殊作业场合4、最大工作速度
3、自动化生产领域
5、承载能力
（二）工业机器人的优点
[小结] 通过本章的教学，使学生对机器人的概念有一个基本的了解，知道机器人的组成、分类和特点，了解一些机器人的应用和工作原理。[教学后记]
[教学资料补充]
