第七章 機器人

第七章機器人第一頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期四本章內容概述機器人運動學機器人動力學機器人控制系統(tǒng)機器人應用的典型實例第二頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期四一、機器人的由來

1920年捷克作家KarelCapek的劇本《Ro-ssam’sUniversalRobots》中，塑造了只會勞動不會思維的機器人形象，捷克語中的Robota意為“苦力”、“勞役”，是一種人造勞動者。英語Robot由此衍生而來。該劇中，卡佩克提出了機器人的安全、感知和自我繁殖問題?？茖W技術的進步很可能引發(fā)人類不希望出現(xiàn)的問題。雖然科幻世界只是一種想象，但人類社會將可能面臨這種現(xiàn)實。第一節(jié)概述第三頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期四機器人三原則與機器人學IsaacAsimov在《I’mRobot》中提出了“機器人三原則”：Arobotmustnotharmahumanbeingor,throughinaction,allowonetocomeharm.Arobotmustalwaysobeyhumanbeingsunlessthatisconflictwiththefirstlaw.Arobotprotectitselffromharmunlessthatisconflictwiththefirstorsecondlaws.并首次出現(xiàn)了“機器人學Robotics”的概念第一節(jié)概述第四頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期四什么是機器人學？機器人學是人們設計和應用機器人的技術和知識。機器人系統(tǒng)不僅由機器人組成，還需要其他裝置和系統(tǒng)連同機器人一起來共同完成必需的任務。機器人學是一門交叉學科，它得益于機械工程、電氣與電子工程、計算機科學、生物學以及其他許多學科。第一節(jié)概述第五頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期四什么是機器人？不同國家、不同學者給出的定義不同ISO采用了美國的定義:

Areprogrammableandmultifunctionalmanipulator,devisedforthetransportofmaterials,parts,toolsorspecializedsystems,withvariedandprogrammedmovements,withtheaimofcarryingoutvariedtasks.不同時期，機器人的內涵也不同第一節(jié)概述第六頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期四機器人的四大特征仿生特征：模仿人的肢體動作柔性特征：對作業(yè)具有廣泛適應性智能特征：具有對外界的感知能力自動特征：自動完成作業(yè)任務第一節(jié)概述第七頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期四二、機器人的組成第一節(jié)概述機械手或移動車末端執(zhí)行器驅動器傳感器控制器和處理器軟件機器人的主體部分，由連桿、活動關節(jié)和其他構件構成。連接在機械手最后一個關節(jié)上，用來執(zhí)行任務。是由公司工程師或外面的顧問為某種用途而專門設計的。通常，其動作有機器人控制器直接控制?！凹∪狻?，常見的驅動器有伺服電機、步進電機、氣缸及液壓缸等，還有一些新型驅動器。它們由控制器控制?！拔骞佟保占瘷C器人內部狀態(tài)的信息或用來與外部環(huán)境進行通信。“大腦”，計算機器人關節(jié)的運動，確定每個關節(jié)應移動多少和多遠才能達到預定的速度和位置，并監(jiān)督控制器和傳感器?！靶∧X”，從計算機獲取數(shù)據(jù)，控制驅動器的動作，并與傳感器反饋信息一起協(xié)調機器人的運動。操作系統(tǒng)：用來操作計算機機器人軟件：根據(jù)機器人的運動方程計算每個關節(jié)的必要動作，然后將這些信息傳給控制器例行程序集合和應用程序：為了使用機器人外部設備或為了執(zhí)行特定任務而開發(fā)第八頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期四三、機器人的分類按照機器人的技術發(fā)展水平分類：示教再現(xiàn)機器人

示教－>記憶－>再現(xiàn)數(shù)控機器人

具有環(huán)境感知裝置，能在一定程度上適應環(huán)境的變化。智能機器人

具有發(fā)現(xiàn)問題并能自主解決問題的能力。第一節(jié)概述第九頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期四三、機器人的分類按照機器人的機構特征分類：直角坐標機器人柱面坐標機器人球面坐標機器人多關節(jié)型機器人第一節(jié)概述第十頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期四三、機器人的分類第一節(jié)概述直角坐標機器人結構簡單；定位精度高；空間因數(shù)低；用于印刷電路基板的元件插入、緊固螺絲等。第十一頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期四三、機器人的分類第一節(jié)概述圓柱坐標型（R2P）結構簡單；剛性好；空間利用率低；用于重物的裝卸和搬運，例如Versatran機器人第十二頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期四三、機器人的分類第一節(jié)概述極坐標、球坐標型（2RP）結構緊湊，所占空間較小。第十三頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期四三、機器人的分類第一節(jié)概述水平多關節(jié)型垂直方向上的剛性好，適于裝配工作第十四頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期四三、機器人的分類第一節(jié)概述垂直多關節(jié)動作范圍寬；結構剛度低；精度較低；裝配、搬運、弧焊、噴涂、點焊等第十五頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期四三、機器人的分類按照機器人的用途分類：工業(yè)機器人：

焊接、噴漆、碼垛、裝配、搬運農業(yè)機器人：

耕種、施肥、噴藥、嫁接、移載、收獲、灌溉、養(yǎng)殖探索機器人：

水下、太空、空間、危險環(huán)境服務機器人：

清潔、護理、救援、娛樂、保安其它機器人：醫(yī)療、福利、林業(yè)·、漁業(yè)、建筑等第一節(jié)概述第十六頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期四四、機器人技術的進展

工業(yè)機器人技術在機械本體、控制系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、可靠性和網(wǎng)絡功能方面取得了突破性進展：機器人操作機已實現(xiàn)了優(yōu)化設計（包括材料、構型和驅動單元方面）；控制軸數(shù)增多，實現(xiàn)了軟件控制和全伺服控制；配備了各種傳感器，提高了作業(yè)性能和對環(huán)境的適應性；實現(xiàn)了與總線和一些網(wǎng)絡的連接；機器人可靠性大幅度提高；第一節(jié)概述第十七頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期四四、機器人技術的進展

各種用于非制造業(yè)的機器人系統(tǒng)有了長足的進展：農業(yè)機器人在土地耕作、作物移栽、噴灑農藥、作物收獲、果蔬采摘方面取得突破性進展；水下機器人；空間和太空機器人；服務機器人成功低用于清潔、保安、醫(yī)療、家用、娛樂等方面；第一節(jié)概述第十八頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期四機器人運動學要解決的問題機器人運動學通過研究機器人的關節(jié)變量和末端執(zhí)行器的位姿關系，建立機器人本體運動的數(shù)學模型，為機器人的運動控制和機構設計提供依據(jù)。正向運動學問題（用于機構設計）已知各關節(jié)變量，求取機械手末端位姿；逆向運動學問題（用于運動控制）已知機械手末端位姿，求取各關節(jié)變量；第二節(jié)機器人運動學第十九頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期四一、基本概念工作空間自由度位姿關節(jié)變量第二節(jié)機器人運動學連桿移動關節(jié)轉動關節(jié)第二十頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期四剛體在空間中的位置描述第二節(jié)機器人運動學在直角坐標系A中，空間任意一點p的位置可用3x1列向量(位置矢量)表示：第二十一頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期四剛體在空間中的姿態(tài)描述第二節(jié)機器人運動學上述矩陣稱為旋轉矩陣第二十二頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期四剛體在空間中的位姿描述剛體位姿(即位置和姿態(tài)),用剛體的方位參考坐標的原點位置矢量和旋轉矩陣表示，即表示位置時，表示姿態(tài)時，第二節(jié)機器人運動學第二十三頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期四齊次坐標變換兩剛體在空間中的位姿關系可通過齊次坐標變換來建立：第二節(jié)機器人運動學yAzAxAOAOByBzBxBPAPAPBOBP第二十四頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期四二、多關節(jié)機器人的運動分析第二節(jié)機器人運動學機械手可以看成由一系列關節(jié)連接起來的連桿組構成。給每一個連桿在關節(jié)處設置一個連桿坐標系，該連桿坐標系隨關節(jié)運動而運動。第二十五頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期四二、多關節(jié)機器人的運動分析用相鄰兩連桿之間的齊次變換矩陣A矩陣來描述它們之間的位姿關系。A1表示第一連桿相對基坐標的位姿，A2表示第二連桿相對第一連桿位姿……則第二連桿對基坐標的位姿為手爪相對于基座的位姿:第二節(jié)機器人運動學注意前后順序第二十六頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期四二、多關節(jié)機器人的運動分析上式稱為機械手的運動學方程。若已知各關節(jié)變量，則所有的矩陣都可以求出，按順序相乘，即可得機械手末端相對于基座的位姿——正向運動學。若已知機械手末端相對于基座的位姿，可反求各關節(jié)變量——逆向運動學。第二節(jié)機器人運動學第二十七頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期四三、多關節(jié)機器人的速度分析速度分析是研究機器人手部操作速度與關節(jié)運動速度之間的關系。設x為表示機械手末端位姿的廣義位置矢量，q為機械手得關節(jié)坐標矢量，則機械手的運動學方程可以寫成：x=x(q)上式兩邊對時間進行求導：為末端在坐標空間得廣義速度矢量；為關節(jié)速度矢量；為雅克比矩陣。第二節(jié)機器人運動學第二十八頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期四第三節(jié)機器人動力學

機器人動力學研究的是機器人手臂的關節(jié)力矩和在關節(jié)力矩作用下的動態(tài)響應之間得關系問題。

首先要建立機器人的動力學方程。

建立動力學方程的方法有兩種：牛頓——歐拉方程法和拉格朗日方程法。第二十九頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期四一、建立動力學方程的步驟計算任一連桿上任一質點得速度；計算各連桿的動能和機械臂的總動能；計算各連桿的位能和機械臂的總位能；建立機械臂系統(tǒng)的拉格朗日函數(shù)；對拉格朗日函數(shù)求導，導出動力學方程。第二節(jié)機器人運動學第三十頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期四二、機器人的動態(tài)特性

動態(tài)特性是機器人設計與分析時必須考慮的重要內容，通常用質量、慣性矩、剛度、阻尼系數(shù)、固有頻率和振動模態(tài)等來描述。減小質量和慣量；提高結構剛度；提高系統(tǒng)的固有頻率；增加阻尼。第三節(jié)機器人動力學第三十一頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期四一、概述控制系統(tǒng)是機器人的指揮中樞，負責對作業(yè)指令、內外環(huán)境信息進行處理，并依據(jù)預定的本體模型、環(huán)境模型和控制程序做出決策，產(chǎn)生相應的控制信號，通過驅動器驅動執(zhí)行機構的各個關節(jié)，按確定的順序、軌跡、速度和加速度運動，完成制定的任務。第四節(jié)機器人控制系統(tǒng)第三十二頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期四一、概述目前，機器人控制器是一個由計算機控制的高性能控制器。

控制軸數(shù)增多，體積減小，價格走低。并實現(xiàn)了軟件控制和數(shù)字控制，系統(tǒng)的可靠性增強。第四節(jié)機器人控制系統(tǒng)第三十三頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期四二、機器人控制系統(tǒng)的組成特點對機器人控制系統(tǒng)的一般要求：實現(xiàn)對機器人位姿、速度、加速度等的控制功能，對于連續(xù)軌跡運動的機器人還必須具有軌跡的規(guī)劃與控制功能。方便的人機交互功能。具有對外部環(huán)境（包括作業(yè)條件）的檢測和感覺功能。具有與外部環(huán)境、控制系統(tǒng)或設備的通訊功能。應具有自我診斷、故障監(jiān)視等功能。第四節(jié)機器人控制系統(tǒng)第三十四頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期四二、機器人控制系統(tǒng)的組成特點第四節(jié)機器人控制系統(tǒng)第三十五頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期四二、機器人控制系統(tǒng)的組成特點機器人控制系統(tǒng)的一般組成第四節(jié)機器人控制系統(tǒng)第三十六頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期四二、機器人控制系統(tǒng)的組成特點主控制計算機接到作業(yè)指令以后執(zhí)行相關程序，分析解釋指令，進行坐標變換、插補計算、矯正計算，最后求取相應的各關節(jié)協(xié)調運動參數(shù)。運動參數(shù)輸出到伺服控制級作為各關節(jié)伺服控制系統(tǒng)的給定信號，實現(xiàn)各關節(jié)的確定運動。

第四節(jié)機器人控制系統(tǒng)第三十七頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期四二、機器人控制系統(tǒng)的組成特點多軸伺服電機的控制則由以插卡形式插在計算機總線（如ISA總線和PCI總線）插槽上的運動控制器實現(xiàn)。這種運動控制器的構成方案主要有以下幾種：基于通用微處理器型基于專用微控制器型基于數(shù)字信號處理器型多軸運動控制卡設計第四節(jié)機器人控制系統(tǒng)第三十八頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期四二、機器人控制系統(tǒng)的組成特點機器人控制系統(tǒng)的特點：機器人的每個關節(jié)由一個伺服系統(tǒng)控制，多個關節(jié)的運動要求各個伺服系統(tǒng)協(xié)同工作。機器人的工作任務是要求操作機的末端執(zhí)行器進行空間點位運動或連續(xù)軌跡運動。對機器人的運動控制，需要進行復雜的坐標變換運算，以及矩陣函數(shù)的逆運算。第四節(jié)機器人控制系統(tǒng)第三十九頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期四二、機器人控制系統(tǒng)的組成特點第四節(jié)機器人控制系統(tǒng)機器人的數(shù)學模型是一個多變量、非線性和變參數(shù)的復雜模型，各變量之間還存在著耦合，因此機器人控制中經(jīng)常使用前饋、補償、解耦和自適應等復雜控制技術。更高級的機器人要求對環(huán)境條件、控制指令進行測定和分析．采用計算機建立龐大的信息庫，用人工智能的方法進行控制、決策、管理和操作，按照給定的要求，自動選擇最佳控制規(guī)律。第四十頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期四三、機器人控制系統(tǒng)實例“精密1號”第四節(jié)機器人控制系統(tǒng)

其控制系統(tǒng)的設計以Intel公司的iSBC386／12系列計算機和iRMXⅢ實時多任務操作系統(tǒng)為基礎，采用上、下兩級分布式計算機結構。第四十一頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期四“精密1號”控制系統(tǒng)的技術規(guī)格控制計算機CPU：80386/80387內存儲器：2MB（上位機），1MB（下位機）外存儲器：105MB硬盤，5.25”軟盤動作控制方式：PTP和CP編程方式：直接示教、示教盒示教和離線編程編程語言：裝配機器人語言ARL開關量I/O：16入/16出采樣周期：16ms（上位機），2ms（下位機）視覺系統(tǒng)：二維多灰度視覺系統(tǒng)，25幀/s，768×572×8bit力傳感器系統(tǒng)：SAFMS六維腕力傳感器，200N，1000N·cm第四節(jié)機器人控制系統(tǒng)第四十二頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期四“精密1號”控制系統(tǒng)的主要特點操作及編程功能完善?？苫谝曈X和力覺傳感器信息對機器人運動進行控制。系統(tǒng)配有一個運行于Windows環(huán)境下的離線編程和圖形仿真系統(tǒng)。針對機器人采用直接驅動方式，在伺服控制算法中采用了動力學前饋補償控制方法，系統(tǒng)具有良好的動態(tài)特性。控制系統(tǒng)的軟/硬件系統(tǒng)采用了模塊化結構設計，易于系統(tǒng)的維護和擴充。第四節(jié)機器人控制系統(tǒng)第四十三頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期四控制器硬件系統(tǒng)的體系結構第四節(jié)機器人控制系統(tǒng)上位計算機的主要功能是進行人機交互控制、機器人運動規(guī)劃、傳感器系統(tǒng)控制和系統(tǒng)通信控制控制系統(tǒng)示教盒不僅具有普通示教盒示教時控制機器人運動的功能，而且具有顯示／修改示教點、編輯程序和數(shù)據(jù)、控制系統(tǒng)運行等功能下位計算機的主要功能是接收上位計算機發(fā)出的各種運動控制命令，控制各關節(jié)的運動，此外，下位計算機還實時檢測伺服系統(tǒng)的狀態(tài)，并向上位機提供伺服系統(tǒng)狀態(tài)的信息。

JCB板的主要功能是對碼盤信號進行處理和計數(shù)、將下位機輸出至功率驅動器的并行數(shù)字給定信號轉換為串行脈沖信號第四十四頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期四控制器軟件系統(tǒng)的體系結構第四節(jié)機器人控制系統(tǒng)上位機軟件系統(tǒng)ARL是對“精密1號”機器人進行編程和控制的軟件系統(tǒng)。ARL系統(tǒng)駐留在系統(tǒng)磁盤上，每次開機時加載到內存。下位機軟件系統(tǒng)主要用于對機器人的四個關節(jié)進行位置伺服控制，利用iRMXIII提供的應用系統(tǒng)固化功能，下位機控