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Artificial Intelligence and Robotics 山东大学创新教育通识核心课程 人工智能与机器人 cyj@sdu.edu.cn 86358137、88399323 山东大学
Artificial Intelligence and Robotics 第 四章 机器人的分类
Artificial Intelligence and Robotics • 目前，世界上已经有了上万种机器人。这些形状各异、功能不同、种类众多的机器人，根据分类方法的不同，可以分成不同的类别，而且有着不同的认识。 • 关于机器人如何分类，国际上没有制定统一的标准，有的按负载重量分，有的按控制方式分，有的按自由度分，有的按结构分，有的按应用领域分。
Artificial Intelligence and Robotics • 经过几十年的发展，机器人的技术水平不断提高，应用范围越来越广，从早期的焊接、装配等工业应用，逐步向军事、空间、水下、农业、建筑、服务和娱乐等领域不断扩展，结构形式也多种多样。因此，机器人的分类也出现了多种方法、多种标准。
Artificial Intelligence and Robotics • 第 四章 机器人的分类 • 4.1 按机器人的机构特征来分 • 4.2 按机器人技术水平发展分 • 4.3 按照机器人的用途分 • 4.4 其他机器人分类 2014/9/5 5
Artificial Intelligence and Robotics • 第 四章 机器人的分类 • 4.1 按机器人的机构特征来分 • 4.2 按机器人技术水平发展分 • 4.3 按照机器人的用途分 • 4.4 其他机器人分类 2014/9/5 6
4.1 按机器人的机构特征来分 按其构成机构的不同分类 直角坐标机器人 Cartesian coordinate 圆柱坐标机器人 Cylindrical coordinate 球面坐标机器人 spherical surface coordinate 极坐标机器人 Polar coordinate 多关节型机器人 Articulated robot 并联关节机器人 Parallel linked robot 串并联关节机器人 Hybrid linked robot
4.1 按机器人的机构特征来分 • 机器人的机械配置形式多种多样，典型机器人的机构运动特征是用其坐标特性来描述的。按机构运动特征，机器人通常可分为直角坐标机器人、柱面坐标机器人、球面坐标机器人和关节型机器人等类型。
4.1 按机器人的机构特征来分 4.1.1 直角坐标机器人 其运动是直线，控制简单。但运动灵活性较差，自身占据空间最大。
4.1 按机器人的机构特征来分 创新实验室 直角坐标型操作机如图所示，它有三个移动关节(PPP)，可使末端操作器作三个方向的独立位移。 2014/9/5 10
4.1 按机器人的机构特征来分 • 直角坐标机器人具有空间上相互垂直的两根或三根直线移动轴，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。 • 直角坐标机器人结构简单，定位精度高，空间轨迹易于求解；但其动作范围相对较小，设备的空间因数较低，实现相同的动作空间要求时，机体本身的体积较大。 • 主要用于印刷电路基板的元件插入、紧固螺丝等作业。
4.1 按机器人的机构特征来分 • 直角坐标机器人概念：工业应用中，能够实现自动控制的、可重复编程的、多功能的、多自由度的、运动自由度间成空间直角关系、多用途的操作机。他能够搬运物体、操作工具，以完成各种作业。关于机器人的定义随着科技的不断发展，在不断的完善，直角坐标机器人作为机器人的一种，其含义也在不断的完善中。
4.1 按机器人的机构特征来分 • 一、直角坐标机器人的特点： 1. 多自由度运动，每个运动自由度之间的空间夹角为直角。 2. 自动控制的，可重复编程，所有的运动均按程序运行。 3. 一般由控制系统、驱动系统、机械系统、操作工具等组成。 4. 灵活，多功能，因操作工具的不同功能也不同。 5. 高可靠性、高速度、高精度。 6. 可用于恶劣的环境，可长期工作，便于操作维修。
4.1 按机器人的机构特征来分 • 二、直角坐标机器人的应用： • 因末端操作工具的不同，直角坐标机器人可以非常方便的用作各种自动化设备，完成如焊接、搬运、上下料、包装、码垛、拆垛、检测、探伤、分类、装配、贴标、喷码、打码、（软仿型）喷涂、目标跟随、排爆等一系列工作。特别适用于多品种，便批量的柔性化作业，对于稳定，提高产品质量，提高劳动生产率，改善劳动条件和产品的快速更新换代期着十分重要的作用。
4.1 按机器人的机构特征来分 • 三、直角坐标机器人的分类： • 1.按用途分：焊接机器人、码垛机器人、涂胶（点胶）机器人、检测（监测）机器人、分拣（分类）机器人、装配机器人、 排爆机器人、医疗机器人、特种机器人等。 • 2.按结构形式分：壁挂（悬臂）机器人、龙门机器人、倒挂机器人等 • 3.按自由度分：两坐标机器人、三坐标机器人、四坐标机器人、五坐标机器人、六坐标机器人。 还有其他一些分法，这里就不一一介绍了。
4.1 按机器人的机构特征来分 • 圆柱坐标型操作机如图所示，它有两个移动关节和一个转动关节(PPR)，末端操作器的安装轴线之位姿由(z，r，θ)坐标予以表示。 该种型式的工业机器人，空间尺 寸较小，工作范围较大，末端操作器 可获得较高的运动速度。它的缺点是 末端操作器离z轴愈远，其切向线位 移的分辨精度就愈低。 4.1.2 圆柱坐标机器人
4.1 按机器人的机构特征来分 控制也较简单，运动灵活性稍好。但自身占据空间也较大。 圆柱坐标型机器人模型 Verstran 机器人 Verstran 机器人
4.1 按机器人的机构特征来分 • 圆柱坐标机器人 手臂至少有一个回转关节和一个棱柱关节，其轴线按圆柱坐标配置，运动学模型简单直观，易于进入开口部分。
4.1 按机器人的机构特征来分 • 圆柱坐标机器人。柱面坐标机器人的空间位置机构主要由旋转基座、垂直移动和水平移动轴构成，具有一个回转和两个平移自由度，其动作空间呈圆柱形。 • 这种机器人结构简单、刚性好，但缺点是在机器人的动作范围内，必须有沿轴线前后方向的移动空间，空间利用率较低。 • 主要用于重物的装卸、搬运等作业。著名的Versatran机器人就是一种典型的柱面坐标机器人。
4.1 按机器人的机构特征来分 • 4.1.3 球面坐标机器人 • 如图所示，其空间位置分别由旋转、摆动和平移3个自由度确定，动作空间形成球面的一部分。其机械手能够作前后伸缩移动、在垂直平面上摆动以及绕底座在水平面上转动。著名的Unimate就是这种类型的机器人。其特点是结构紧凑，所占空间体积小于直角坐标和柱面坐标机器人，但仍大于多关节型机器人。
4.1 按机器人的机构特征来分 • 球坐标型操作机如图所示，它有两个转动关节和一个移动关节(RRP)，末端操作器的安装轴线之位姿由(θ，φ， r)坐标予以表示。该种型式的工业机器人，空间尺寸较小，工作范围较大
4.1 按机器人的机构特征来分 • 4.1.4 多关节型 ( RRR ) • 关节型操作机如图所示，它有三个转动关节(RRR)，即机身上部相对于下部的转动θY0，肩关节的转动θZ1和肘关节的转动θZ2。 • 腕关节的转动θZ3属于末端操作器的自由度。该种结构的工业机器人，空间尺寸相对较小，工作范围相对较大，还可以绕过机座周围的障碍物，是目前应用较多的一种机型。
4.1 按机器人的机构特征来分 关节坐标型 (3R) 其运动耦合性强，控制较复杂。但运动灵活性最好，自身占据空间最小。 关节型机器人模型 关节型搬运机器人 关节型焊接机器人
4.1 按机器人的机构特征来分 平面关节型 (SCARA) 仅平面运动有耦合性，控制较通用关节型简单。但运动灵活性更好，铅垂平面刚性好。 SCARA型装配机器人
4.1 按机器人的机构特征来分 • 多关节型机器人。 • 由多个旋转和摆动机构组合而成。这类机器人结构紧凑、工作空间大、动作最接近人的动作，对喷漆、装配、焊接等多种作业都有良好的适应性，应用范围越来越广。不少著名的机器人都采用了这种型式，其摆动方向主要有铅垂方向和水平方向两种，因此这类机器人又可分为垂直多关节机器人和水平多关节机器人。如美国Unimation公司20世纪70年代末推出的机器人PUMA就是一种垂直多关节机器人，而日本山梨大学研制的机器人SCARA则是一种典型的水平多关节机器人。
4.1 按机器人的机构特征来分 4.1.5 极坐标型 ( RRP ) 2014/9/5 35
4.1 按机器人的机构特征来分 • 极坐标系 • 在 平面内取一个定点O， 叫极点，引一条射线Ox，叫做极轴，再选定一个长度单位和角度的正方向(通常取逆时针方向)。对于平面内任何一点M，用ρ表示线段OM的长度，θ表示从Ox到OM的角度， ρ叫做点M的极径，θ叫做点M的 极角，有序数对 (ρ,θ)就叫点M 的极坐标，这样建立的坐标系叫 做极坐标系。 M ρ x
4.1 按机器人的机构特征来分 极坐标型（也称球面坐标型）(2RP) 其运动耦合性较强，控制也较复杂。但运动灵活性好。占自身据空间也较小。 极坐标型机器人模型 Unimate 机器人
4.1 按机器人的机构特征来分 • 极坐标机器人 手臂有两个回转关节和一个棱柱关节，其轴线按极坐标配置，运动学模型较复杂，占用空间较小，操作范围大且灵活。
Artificial Intelligence and Robotics • 第 四章 机器人的分类 • 4.1 按机器人的机构特征来分 • 4.2 按机器人技术水平发展分 • 4.3 按照机器人的用途分 • 4.4 机器人 • 4.5 机器 2014/9/5 42
4.2 按照机器人的技术发展水平分 • 按照机器人的技术发展水平可以将机器人分为三代。 • 4.2.1 第一代机器人是“示教再现”型。 • 这类机器人能够按照人类预先示教的轨迹、行为、顺序和速度重复作业。示教可以由操作员“手把手”地进行，比如，操作人员抓住机器人上的喷枪，沿喷漆路线示范一遍，机器人记住了这一连串运动，工作时，自动重复这些运动，从而完成给定位置的喷漆工作。这种方式即是所谓的“直接示教”。 • 但是，比较普遍的方式是通过控制面板示教。操作人员利用控制面板上的开关或键盘来控制机器人一步一步地运动，机器人自动记录下每一步，然后重复。 • 目前在工业现场应用的机器人大多属于第一代。
4.2 按照机器人的技术发展水平分 • 工业机器人按程序输入方式区分有编程输入型和示教输入型两类。编程输入型是将计算机上已编好的作业程序文件，通过RS232串口或者以太网等通信方式传送到机器人控制柜。
4.2 按照机器人的技术发展水平分 • 示教输入型的示教方法有两种： • 一种是由操作者用手动控制器(示教操纵盒)，将指令信号传给驱动系统，使执行机构按要求的动作顺序和运动轨迹操演一遍； • 另一种是由操作者直接领动执行机构，按要求的动作顺序和运动轨迹操演一遍。在示教过程的同时，工作程序的信息即自动存入程序存储器中在机器人自动工作时，控制系统从程序存储器中检出相应信息，将指令信号传给驱动机构，使执行机构再现示教的各种动作。
4.2 按照机器人的技术发展水平分 • 示教输入程序的工业机器人称为示教再现型工业机器人。具有触觉、力觉或简单的视觉的工业机器人，能在较为复杂的环境下工作；如具有识别功能或更进一步增加自适应、自学习功能，即成为智能型工业机器人。它能按照人给的“宏指令”自选或自编程序去适应环境，并自动完成更为复杂的工作。
4.2 按照机器人的技术发展水平分 • 4.2.2 第二代机器人具有环境感知装置 • 能在一定程度上适应环境的变化。以焊接机器人为例，机器人焊接的过程一般是通过示教方式给出机器人的运动曲线，机器人携带焊枪走这个曲线，进行焊接。这就要求工件的一致性很好，也就是说工件被焊接的位置必须十分准确。否则，机器人走的曲线和工件上的实际焊缝位置会有偏差。为了解决这个问题，第二代机器人采用了焊缝跟踪技术，通过传感器感知焊缝的位置，再通过反馈控制，机器人就能够自动跟踪焊缝，从而对示教的位置进行修正，即使实际焊缝相对于原始设定的位置有变化，机器人仍然可以很好地完成焊接工作。类似的技术正越来越多地应用在机器人上。
4.2 按照机器人的技术发展水平分 • 4.2.3 第三代机器人称为“智能机器人” • 具有发现问题，并且能自主地解决问题的能力。作为发展目标，这类机器人具有多种传感器，不仅可以感知自身的状态，比如所处的位置、自身的故障情况等等；而且能够感知外部环境的状态，比如自动发现路况、测出协作机器的相对位置、相互作用的力等等。更为重要的是，能够根据获得的信息，进行逻辑推理、判断决策，在变化的内部状态与变化的外部环境中，自主决定自身的行为。这类机器人具有高度的适应性和自治能力。尽管经过多年来的不懈研究，人们研制了很多各具特点的试验装置，提出大量新思想、新方法，但现有机器人的自适应技术还是十分有限的。
Artificial Intelligence and Robotics • 第 四章 机器人的分类 • 4.1 按机器人的机构特征来分 • 4.2 按机器人技术水平发展分 • 4.3 按照机器人的用途分 • 4.4 其他机器人分类 2014/9/5 49
4.3 按照机器人的用途分 • 机器人首先在制造业大规模应用，所以，机器人曾被简单地分为两类，即用于汽车等制造业的机器人称为工业机器人，其他的机器人称为特种机器人。随着机器人应用的日益广泛，这种分类显得过于粗糙。现在除工业领域之外，机器人技术已经广泛地应用于农业、建筑、医疗、服务、娱乐，以及空间和水下探索等多种领域。
