《機器人基礎與數(shù)字孿生系統(tǒng)》 課件 第1、2章 緒論、機器人機構

第1章緒論1.1機器人學介紹1.1.1機器人的起源機器人的起源可以追溯到3000多年前。我國西周時代，巧匠偃師獻給周穆王一個能歌善舞的木偶；公元前2世紀出現(xiàn)的書籍中，描寫過一個具有類似機器人角色的機械化劇院；我國東漢時期，張衡發(fā)明的指南車是世界上最早的機器人雛形；公元618至907年間，四川能工巧匠楊行廉制作的能走會動的“木僧”，江蘇馬待封制作的“酒山”；民間流傳十分廣泛的三國諸葛亮制作的木牛流馬。1.1機器人學介紹近代之后，人類期望發(fā)明各種機械工具和動力機器，用以協(xié)助甚至代替人們從事各種體力勞動的夢想更加強烈。瑞士鐘表名匠德羅斯父子三人于1768—1774年間，設計制造出三個像真人一樣大小的機器人——寫字偶人、繪圖偶人和彈風琴偶人；德國梅林制造的巨型泥塑偶人“巨龍哥雷姆”；日本物理學家細川半藏設計的各種自動機械圖形；法國杰夸特設計的機械式可編程序織造機；加拿大摩爾設計的能行走的機器人“安德羅丁”；1.1機器人學介紹機器人一詞的起源1920年，捷克劇作家卡雷爾·恰佩克（KarelCapek）在他的科幻情節(jié)劇《羅薩姆的萬能機器人》中，第一次提出了“Robot”這個名詞，被認為是機器人一詞的起源。機器人三守則美國著名科學幻想小說家阿西莫夫于1950年在他的小說《我是機器人》中，提出了有名的“機器人三守則”：機器人必須不危害人類，也不允許它眼看人將受害而袖手旁觀；機器人必須絕對服從于人類，除非這種服從有害于人類；機器人必須保護自身不受傷害，除非為了保護人類或者是人類命令它做出犧牲。第一代機器人的誕生美國人喬治·德沃爾在1954年設計了第一臺電子程序可編的工業(yè)機器人，并于1961年發(fā)表了該項機器人專利。1962年，美國萬能自動化（Unimati-on）公司的第一臺機器人Unimate在美國通用汽車公司投入使用，標志著第一代機器人的誕生。1.1機器人學介紹1.1.2機器人學的發(fā)展1.國際機器人學的發(fā)展近年來，全球機器人行業(yè)發(fā)展迅速，據(jù)國際機器人聯(lián)合會統(tǒng)計，2019年全球機器人市場規(guī)模達到294.1億美元，其中，工業(yè)機器人159.2億美元，服務機器人94.6億美元，特種機器人40.3億美元。2014—2019年的平均增長率約為12.3％。此時全世界運行的工業(yè)機器人總數(shù)在200萬臺以上。2019年全球機器人市場規(guī)模（單位：億美元）2.國內(nèi)機器人學的發(fā)展1.1機器人學介紹中國于1972年開始研制工業(yè)機器人，雖起步較晚但進步較快，已在工業(yè)機器人、特種機器人和智能機器人各方面取得明顯成績，為我國機器人技術的發(fā)展打下基礎。工業(yè)機器人進入21世紀以來，中國工業(yè)機器人市場迅速增長，經(jīng)過一段產(chǎn)業(yè)化過程后，其市場發(fā)展已呈井噴之勢。2019年，中國新增工業(yè)機器人裝機量為14.05萬臺，累計裝機78.3萬臺，總量居亞洲第一，年增長率為12％。智能機器人1986年3月，中國啟動實施了“國家高技術研究發(fā)展計劃”（簡稱“863”計劃）。按照“863”計劃智能機器人主題的總體戰(zhàn)略目標，智能機器人研究開發(fā)工作的實施分為型號和應用工程、基礎技術開發(fā)、實用技術開發(fā)、成果推廣4個層次，通過各層次的工作體現(xiàn)和實現(xiàn)戰(zhàn)略目標。特種機器人在“863”計劃的支持下，特種機器人的開發(fā)包括管道機器人、爬壁機器人、水下機器人、自動導引車和排險機器人等。1.1機器人學介紹1.1.3機器人的定義至今還沒有對機器人的統(tǒng)一定義，要給機器人下一個合適的和為人們普遍接受的定義是困難的?，F(xiàn)在，世界上對機器人還沒有統(tǒng)一的定義，各國有自己的定義，專家們也采用不同的方法來定義這個術語。英國簡明牛津字典的定義。機器人是“貌似人的自動機，是具有智力的和順從于人的但不具人格的機器”。美國機器人協(xié)會的定義。機器人是“一種用于移動各種材料、零件、工具或專用裝置的，通過可編程序動作來執(zhí)行種種任務的，并具有編程能力的多功能機械手（manipulator）”。日本工業(yè)機器人協(xié)會（JapanRobotAssociation，JARA）的定義。工業(yè)機器人是“一種裝備有記憶裝置和末端執(zhí)行器（endeffecter）的，能夠轉動并通過自動完成各種移動來代替人類勞動的通用機器”。1.1機器人學介紹美國國家標準和技術研究所（NationalInstituteofStandardsandTechnology，NIST）的定義。機器人是“一種能夠進行編程并在自動控制下執(zhí)行某些操作和移動作業(yè)任務的機械裝置”。國際標準組織（InternationalOrganizationforStandardization，ISO）的定義。機器人是“一種自動的、位置可控的、具有編程能力的多功能機械手，這種機械手具有幾個軸，能夠借助于可編程序操作來處理各種材料、零件、工具和專用裝置，以執(zhí)行種種任務”?！吨袊蟀倏迫珪穼C器人的定義。能靈活地完成特定的操作和運動任務，并可再編程序的多功能操作器。而對機械手的定義為：一種模擬人手操作的自動機械，它可按固定程序抓取、搬運物件或操持工具完成某些特定操作。1.2機器人的分類1.2.1操作機器人操作型機器人通常是指機械手或機械臂。機械手工作空間是指末端執(zhí)行器可以達到的空間范圍。按照工作空間的幾何形狀，可將機械手劃分為笛卡爾、圓柱型、球形和關節(jié)機械手。通常，機械手由諸如PPP或RPP之類的序列指定，這些序列指示組成機器人的移動（P）和轉動（R）關節(jié)的類型和順序。例如，一個PPP機械手是由三個移動關節(jié)構成的，而一個RPP機器人是由一個轉動關節(jié)和兩個連續(xù)的移動關節(jié)構成。1.2機器人的分類1.笛卡爾機械手笛卡爾機器人（Cartesianrobot）是由三個相互正交的移動關節(jié)定義的PPP機械手，PPP手臂是最簡單的機械手之一。特征模型以及用于定位和移動這些機器人的控制定律都易于推導；系統(tǒng)趨向于剛性；可以承受和傳遞大負載，并實現(xiàn)高精度的定位；需要大面積的操作空間，并且工作空間小于機器人本身；用于移動關節(jié)的導向裝置必須密封，以防異物進入，這會使維護變得困難。實例Sepro集團的笛卡爾機器人1.2機器人的分類2.圓柱坐標型機械手假設笛卡爾機器人中的第一個移動關節(jié)被轉動關節(jié)代替。通過適當選擇旋轉軸的方向，RPP機器人就是圓柱坐標型機器人（cylindricalrobot）的示例。特征機械手結構簡單；運動學和動力學模型容易推導，關聯(lián)的控制定律同樣非常容易確定；非常適合進入具有型腔或其他類似復雜幾何形狀的工件；精度很高，可用于流水線上的拾取和放置操作；在某些構形中，機器人的背面可能伸入工作空間，這可能會干擾工作空間并使路徑規(guī)劃和控制變得復雜；導向裝置表面必須清潔且無碎屑，使維護和保養(yǎng)更加困難。實例STRobotics的圓柱坐標型機器人1.2機器人的分類3.SCARA機械手引人SCARA（SelectiveComplianceArticulatedRobotArm）RRP機器人是在高剛性機器人（例如笛卡爾機器人）和可訪問幾何形狀復雜的工作空間（例如球形機械手）的機器人之間的折中方案。特征機器人在水平平面內(nèi)的運動中相對柔順，而在垂直于該平面的運動中剛度較大；工作空間是高度結構化的；十分適用于精確的拾取和放置操作。實例EpsonSynthisTMT3多合一SCARA機器人1.2機器人的分類4.球形機械手RRP球形機械手（sphericalroboticmanipulator）由兩個垂直的轉動關節(jié)和一個移動關節(jié)組成。對于某些關節(jié)之間固定偏置的選擇，工具或機械臂末端的運動可以用球坐標表示，成為該機器人名字來源。特征適用于必須在復雜幾何形狀上執(zhí)行的各種任務；可容納的球形工作空間更大；運動學和動力學模型比笛卡爾或圓柱坐標型機器人的運動學和動力學模型更為復雜，控制定律也更加復雜；機器人的剛性要比笛卡爾機械手小，定位精度可能會降低；可能更適合于諸如焊接或噴漆之類的任務。實例Unimate球形機器人1.2機器人的分類5.PUMA機械手歷史上，裝配線上使用最廣泛的機械手之一是PUMA（ProgrammableUniversalMachineforAssembly）RRR機器人。該機器人的第一個轉動關節(jié)圍繞垂直軸，接下來的兩個平行的轉動關節(jié)垂直于垂直軸。特征具有豐富的運動學特性并且可以到達較大的半球形工作空間；剛性不如笛卡爾機器人；非常適合需要大型且可配置程度高的工作空間的應用。實例PUMA機器人1.2機器人的分類關節(jié)型機械臂（articulatedrobotarm）或仿人機械臂（anthropomorphicrobotarm）是一種能夠實現(xiàn)類似人手臂動作的機械手。所有仿人的機械手臂至少具有三個轉動關節(jié)，并且通常有五個、六個或更多的轉動關節(jié)。特征可以進入較大的工作空間，并且可以將位于其尖端的工具以任意方向擺放；在裝配線上的焊接和噴涂中得到了廣泛的應用；該臂具有復雜的幾何形狀；描述此機器人系統(tǒng)的運動學和動力學的相應方程式形式復雜，從這些模型得出的控制定律也是如此。實例KUKA關節(jié)型機器人6.關節(jié)型機器人1.2機器人的分類1.2.2移動型機器人1.仿人機器人從出現(xiàn)機器人技術領域的最早階段開始，設計師就夢想著創(chuàng)造出外觀和功能都與人類相似的機器人。如今，仿人機器人已經(jīng)發(fā)展到能夠執(zhí)行非常復雜任務的程度。2022年在泰國曼谷舉行的RoboCup機器人比賽上，來自德國波恩大學的NimbRo團隊贏得了類人組中成人組的冠軍和最佳人形獎。世界各地的研究人員目前也在開發(fā)全尺寸仿人機器人，其潛在應用領域廣闊。右下圖為波士頓動力公司研發(fā)的Atlas機器人，該款機器人經(jīng)過多年的改進已能夠完成跑酷動作。1.2機器人的分類2.自主地面車輛如右上圖所示，Waymo公司在舊金山的道路上測試全自動駕駛車輛JaguarI-PACE。右下圖展示了百度第六代量產(chǎn)無人車ApolloRT6。該產(chǎn)品是百度面向未來出行自主研發(fā)、正向設計的量產(chǎn)車，整車針對乘客需求和無人駕駛出行場景進行了深度設計。自主地面車輛（autonomousgroundvehicle，AGV）的設計、分析和制造已經(jīng)在美國和世界各地進行了多年。近年來，AGV機器人技術已經(jīng)接近成熟，并出現(xiàn)了一些可靠的、高性能的商用和軍事機器人。1.2機器人的分類3.無人機近幾年，無人機（autonomousaerialvehicle，AAV）的應用在商業(yè)領域不斷擴展，已被提議用于農(nóng)業(yè)、救災、警察監(jiān)視和邊境安全等領域。2022年11月，DJI大疆農(nóng)業(yè)正式發(fā)布T50、T25農(nóng)業(yè)無人飛機以及Mavic3多光譜版無人飛機。兩款全新農(nóng)業(yè)無人機全面升級，針對大田噴灑、肥料播撒，果樹噴灑等應用場景進行多項優(yōu)化。如右上圖所示，T50農(nóng)業(yè)無人機正在執(zhí)行噴灑作業(yè)。右下圖展示了弗吉尼亞理工大學的CraigWoolsey教授在各種研究活動中使用的SPAARO自主無人機。這款無人機支持從農(nóng)業(yè)自動化和氣載病原體遙感到自主無人機梯隊的協(xié)調控制等方面的研究。1.2機器人的分類4.自主海上航行器自主海上航行器的發(fā)展如同AGV、AAV一樣面臨著特殊挑戰(zhàn)，這些障礙在過去幾年里開發(fā)的許多自主水面船舶（autonomoussurfacevehicle，ASV）和自主水下機器人（autonomousunderwatervehicle，AUV）中得到了說明。如右上圖所示，美國在ASV上安裝了武器，并于2016年試航了一艘名為“SeaHawk”的新型無人反潛艦艇。如右下圖所示，海豚一號是一種小型AUV，搭載浙江大學研制的合成孔徑聲納，主要用于探測水下小目標和掩埋目標。1.3數(shù)字孿生系統(tǒng)介紹1.3.1數(shù)字孿生的發(fā)展歷程數(shù)字孿生國外發(fā)展進程如下圖所示。美國NASA在1969年阿波羅計劃時就開始利用鏡像系統(tǒng)來管理航空和航天設備；2003年，數(shù)字孿生技術概念，由MichaelGrieves教授提出；經(jīng)過多年發(fā)展，國外的一些大公司開始針對數(shù)字孿生進行了大量的研究，全球著名IT研究機構Gartner在2017年至2019年連續(xù)三年將數(shù)字孿生列為十大戰(zhàn)略性科技趨勢之一。1.3數(shù)字孿生系統(tǒng)介紹公司數(shù)字孿生平臺功能優(yōu)勢GEPredix物理機械和分析技術結合，利用虛實互聯(lián)，構建飛機發(fā)動機數(shù)字孿生使維修過程變得更加細致、透明ANSYSTwinBuilder構建真實世界系統(tǒng)的完整虛擬模型，實現(xiàn)設備的調度維護，對響應進行反饋實現(xiàn)對產(chǎn)品和資產(chǎn)的全生命周期管理，防止計劃外停機，降低成本SiemensTeamcenterX部署產(chǎn)品、生產(chǎn)和性能數(shù)字孿生，構建多域和材料集成的數(shù)字孿生減少物理原型的需求、縮短開發(fā)時間、提高質量PTCThingWorx可視化物聯(lián)網(wǎng)收集的重要信息，并與ANSYS連接可布置于云端和本地，可視化方式更加靈活VuforiaEngineAreaTargets實現(xiàn)完全數(shù)字化沉浸式互動，進行機械虛擬操作提高效率，具有強大的擴增環(huán)境能力和靈活性SAPSAPLeonardo實現(xiàn)網(wǎng)絡化部署數(shù)字孿生，進行數(shù)據(jù)快速計算采用邊云協(xié)同方式，實現(xiàn)數(shù)據(jù)快速傳輸和反饋MicrosoftAzureDigitalTwins實現(xiàn)物理世界業(yè)務流程的構建，輔助更好的優(yōu)化產(chǎn)品和管理采用物聯(lián)網(wǎng)，打破連接孤島，建立于可信的企業(yè)級平臺Dassault3DEXPERIENCE快速實現(xiàn)設計與制造之間的無縫銜接，并提供對應的標準件優(yōu)化設計與制造間的協(xié)同，確保產(chǎn)品的可追溯性AutodeskInfraWorks、Tandem面向工程建筑等，提供更好的決策和前瞻性洞察創(chuàng)建最新的易于訪問的數(shù)據(jù)，提供更智能的決策IBMDigitalTwinExchange智能評估管理、監(jiān)測、預測維護，確保安全性和可靠性可下載3DCAD文件、工程手冊等，建立信息模型，更靈活右表所示為部分國外企業(yè)在數(shù)字孿生領域的研究成果。顯而易見，國外著名工業(yè)或軟件企業(yè)緊跟潮流，分別通過不同的方式探索數(shù)字孿生概念與應用場景。從諸多企業(yè)的競相追逐中也不難看出，數(shù)字孿生具有深厚的發(fā)展?jié)摿蛷V闊的應用前景。1.3數(shù)字孿生系統(tǒng)介紹相較于國外，在國內(nèi)也有學者在數(shù)字孿生方面取得了一些研究成果。北京航空航天大學的陶飛于2019年提出數(shù)字孿生五維架構體系。同濟大學的屈國強等人提出了類似NIST的數(shù)字孿生車間概念。莊存波教授提出了全新的數(shù)字孿生體系架構，并基于該數(shù)字孿生體系架構詳細分析了數(shù)字孿生的可能應用領域與發(fā)展前景。陳振把數(shù)字孿生技術應用在飛機零部件的裝配工作上，并進一步研究了如何基于數(shù)字孿生技術高效管理工業(yè)生產(chǎn)。從數(shù)字孿生的概念誕生以來，數(shù)字孿生技術已得到了快速發(fā)展，各主流架構和關鍵技術相繼被提出，以數(shù)字孿生為標題的論文數(shù)量亦逐年上升，現(xiàn)在數(shù)字孿生領域的研究已經(jīng)進入成長期階段，發(fā)展勢頭正盛，其發(fā)展趨勢如下圖：1.3數(shù)字孿生系統(tǒng)介紹目前而言，對于數(shù)字孿生沒有統(tǒng)一共識的定義，不同的學者、企業(yè)、研究機構等對數(shù)字孿生的理解也存在著不同的認識。1.3.2數(shù)字孿生的定義MichaelGrieves教授認為，數(shù)字孿生是一組虛擬信息結構，可以從微觀原子級別到宏觀幾何級別全面描述潛在的物理制成品。在最佳狀態(tài)下，可以通過數(shù)字孿生獲得任何物理制成品的信息。李培根院士指出,“物理生命體”是指“孕、育”過程（即實體的設計開發(fā)過程）和服役過程（運行、使用）中的物理實體（如產(chǎn)品或裝備），數(shù)字孿生體是“物理生命體”在其孕育和服役過程中的數(shù)字化模型。北京航空航天大學陶飛教授提出，數(shù)字孿生是以數(shù)字化方式創(chuàng)建物理實體的虛擬模型，借助數(shù)據(jù)模擬物理實體在現(xiàn)實環(huán)境中的行為，通過虛實交互反饋、數(shù)據(jù)融合分析、決策迭代優(yōu)化等手段，為物理實體增加或擴展新的能力。……以衛(wèi)星的監(jiān)測、優(yōu)化、管理和控制為例，如圖所示，通過獲取衛(wèi)星近實時遙測數(shù)據(jù)在地面站構建數(shù)字孿生體，實時反映衛(wèi)星的健康狀態(tài)并預估衛(wèi)星各系統(tǒng)、各部件的使用壽命，并對衛(wèi)星狀態(tài)進行分析和計算，呈現(xiàn)給使用者全面細致的衛(wèi)星狀態(tài)監(jiān)測接口，同時還優(yōu)化了衛(wèi)星的調度管理和控制，實現(xiàn)衛(wèi)星使用壽命的延長。1.3數(shù)字孿生系統(tǒng)介紹1.4數(shù)字孿生的關鍵技術1.4.1數(shù)字孿生的技術劃分數(shù)字孿生技術的實現(xiàn)依賴于諸多先進技術的發(fā)展和應用，其技術按照從基礎數(shù)據(jù)采集層到頂層應用層依次可以分為數(shù)據(jù)保障層、建模計算層、數(shù)字孿生功能層和沉浸式體驗層共四層，每一層的實現(xiàn)都建立在前面各層的基礎之上，是對前面各層功能的進一步豐富和拓展。1.4數(shù)字孿生的關鍵技術數(shù)據(jù)保障層是整個數(shù)字孿生技術層面的基礎，支撐著整個上層體系的運作，其主要由高性能傳感器數(shù)據(jù)采集、高速數(shù)據(jù)傳輸和全壽命周期數(shù)據(jù)管理三部分構成。先進傳感器技術及分布式傳感技術使整個數(shù)字孿生系統(tǒng)能夠獲得更加準確、充分的數(shù)據(jù)源支撐；高帶寬光纖技術的采用使得海量傳感器數(shù)據(jù)的傳輸不再受帶寬的限制，保障了系統(tǒng)實時性；分布式云服務器存儲技術的發(fā)展為全壽命周期數(shù)據(jù)的存儲和管理提供了平臺保障。1.4數(shù)字孿生的關鍵技術建模計算層在獲得數(shù)據(jù)保障層提供的數(shù)據(jù)后，利用數(shù)據(jù)驅動方法和基于數(shù)學模型的方法對系統(tǒng)進行多物理、多尺度層面的建模，使所建立的模型與實際系統(tǒng)準備匹配、實時同步，并能預測系統(tǒng)未來狀態(tài)和壽命，依據(jù)其當前和未來健康狀態(tài)評估其執(zhí)行任務成功的可能性。建模計算層主要由建模算法和一體化計算平臺兩部分構成，智能算法部分實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的深度特征提取和建模，計算部分包括系統(tǒng)嵌入式計算和云服務器計算兩部分，協(xié)同完成系統(tǒng)的計算任務。1.4數(shù)字孿生的關鍵技術功能層面向實際的系統(tǒng)設計、生產(chǎn)、使用和維護需求提供相應的功能，包括多層級系統(tǒng)壽命估計、系統(tǒng)集群執(zhí)行任務能力的評估、系統(tǒng)集群維護保障、系統(tǒng)生產(chǎn)過程監(jiān)控以及系統(tǒng)設計決策等功能。作為整個數(shù)字孿生系統(tǒng)的直接價值體現(xiàn)，功能層可以根據(jù)實際系統(tǒng)需要進行定制，在建模計算層提供的強大信息接口的基礎上，功能層可以滿足高可靠性、高準確度、高實時性以及智能輔助決策等多個性能指標，提升產(chǎn)品在整個壽命周期內(nèi)的表現(xiàn)性能。1.4數(shù)字孿生的關鍵技術沉浸式體驗層的主要目的在于提供給使用者人機交互良好的使用環(huán)境，令使用者獲得身臨其境般的技術體驗，迅速了解和掌握復雜系統(tǒng)的特性和功能，并能便捷地通過語音和肢體動作，來訪問數(shù)字孿生體功能層提供的信息，獲得分析和決策方面的信息支持。體驗層是直接面向用戶的層級，以用戶可用性和交互友好性為主要參考指標。1.4.2數(shù)字孿生的核心技術1.多領域多尺度融合建模1.4數(shù)字孿生的關鍵技術方法當前大部分建模方法是在特定領域進行模型開發(fā)和熟化，然后在后期采用集成和數(shù)據(jù)融合的方法將來自不同領域的獨立的模型融合為一個綜合的系統(tǒng)級模型，但這種融合方法融合深度不夠且缺乏合理解釋，限制了將來自不同領域的模型進行深度融合的能力。多領域建模是指在正常和非正常工況下從不同領域視角對物理系統(tǒng)進行跨領域融合建模，且從最初的概念設計階段開始實施，從深層次的機理層面進行融合設計理解和建模。難點多領域融合建模的難點，在于多種特性的融合會導致系統(tǒng)方程具有很大的自由度，同時傳感器采集的數(shù)據(jù)要求與實際系統(tǒng)數(shù)據(jù)高度一致，以確?；诟呔葌鞲袦y量的模型動態(tài)更新。2.數(shù)據(jù)驅動與物理模型融合的狀態(tài)評估1.4數(shù)字孿生的關鍵技術難點目前數(shù)據(jù)與模型融合的難點，在于兩者原理層面的融合與互補，如何將高精度的傳感數(shù)據(jù)統(tǒng)計特性與系統(tǒng)的機理模型合理、有效地結合起來，獲得更好的狀態(tài)評估與監(jiān)測效果，是亟待考慮和解決的問題。采用數(shù)據(jù)驅動的方法，利用系統(tǒng)的歷史和實時運行數(shù)據(jù)，對物理模型進行更新、修正、連接和補充，充分融合系統(tǒng)機理特性和運行數(shù)據(jù)特性，能夠更好地結合系統(tǒng)的實時運行狀態(tài)，獲得動態(tài)實時跟隨目標系統(tǒng)狀態(tài)的評估系統(tǒng)。方法目前數(shù)據(jù)驅動與解析模型相融合的方法主要有兩種思路，一種是以解析模型為主，利用數(shù)據(jù)驅動的方法對解析模型的參數(shù)進行修正;另一種是將兩種方法并行使用，最后依據(jù)兩者輸出的可靠度進行加權，得到最后的評估結果。3.數(shù)據(jù)采集和傳輸1.4數(shù)字孿生的關鍵技術高精度傳感器數(shù)據(jù)的采集和快速傳輸是整個數(shù)字孿生系統(tǒng)體系的基礎，溫度、壓力、振動等各個類型的傳感器性能都要最優(yōu)，以復現(xiàn)實體目標系統(tǒng)的運行狀態(tài)。數(shù)字孿生系統(tǒng)是物理實體系統(tǒng)的實時動態(tài)超現(xiàn)實映射，數(shù)據(jù)的實時采集傳輸和更新對于數(shù)字孿生具有至關重要的作用。方法微機電系統(tǒng)傳感器日趨低成本和高集成度；高帶寬和低成本的無線傳輸，能夠為獲取更多用于表征和評價對象系統(tǒng)運行狀態(tài)或異常、故障、退化等復雜狀態(tài)提供前提。難點目前數(shù)字孿生系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的難點在于傳感器的種類、精度、可靠性、工作環(huán)境等受到當前技術發(fā)展水平的限制，采集數(shù)據(jù)的方式也受到局限。數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P鍵在于實時性和安全性，網(wǎng)絡傳輸設備和網(wǎng)絡結構受限于當前技術水平，無法滿足更高級別的傳輸速率，網(wǎng)絡安全性保障在實際應用中同樣應予以重視。4.全壽命周期數(shù)據(jù)管理1.4數(shù)字孿生的關鍵技術復雜系統(tǒng)的全壽命周期數(shù)據(jù)存儲和管理是數(shù)字孿生系統(tǒng)的重要支撐，采用云服務器對系統(tǒng)的海量運行數(shù)據(jù)進行分布式管理，對維持整個數(shù)字孿生系統(tǒng)的運行起著重要作用。難點全壽命周期數(shù)據(jù)存儲和管理的實現(xiàn)需要借助于服務器的分布式和冗余存儲，由于數(shù)字孿生系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的實時性要求很高，如何優(yōu)化數(shù)據(jù)的分布架構、存儲方式和檢索方法，獲得實時可靠的數(shù)據(jù)讀取性能，是其應用于數(shù)字孿生系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)。方法考慮工業(yè)企業(yè)的數(shù)據(jù)安全以及裝備領域的信息保護，構建以安全私有云為核心的數(shù)據(jù)中心或數(shù)據(jù)管理體系，是目前較為可行的技術解決方案。5.VR呈現(xiàn)1.4數(shù)字孿生的關鍵技術虛擬現(xiàn)實技術（VirtualReality，VR）可以將系統(tǒng)狀態(tài)以超現(xiàn)實的形式給出，對系統(tǒng)的各個子系統(tǒng)進行狀態(tài)監(jiān)測和評估，將結果附加到系統(tǒng)的各個子系統(tǒng)、部件，在完美復現(xiàn)實體系統(tǒng)的同時將數(shù)字分析結果以虛擬映射的方式疊加到所創(chuàng)造的孿生系統(tǒng)中，從各個方面提供沉浸式的虛擬現(xiàn)實體驗，實現(xiàn)實時連續(xù)的人機互動。難點復雜系統(tǒng)的VR技術，難點在于需要布置大量的高精度傳感器來采集系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)，為虛擬現(xiàn)實技術提供必要的數(shù)據(jù)來源和支撐，同時，虛擬現(xiàn)實技術本身的技術瓶頸也亟待突破和提升，以提供更真實的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)體驗。6.高性能計算1.4數(shù)字孿生的關鍵技術數(shù)字孿生系統(tǒng)復雜功能的實現(xiàn)依賴于其背后的計算平臺，實時性是衡量數(shù)字孿生系統(tǒng)性能的重要指標。平臺數(shù)字計算能力的高低直接決定系統(tǒng)的整體性能，作為整個系統(tǒng)的計算基礎，其重要性毋庸置疑。難點數(shù)字孿生系統(tǒng)的實時性要求系統(tǒng)具有極高的運算性能，這有賴于計算平臺的提升和計算結構的優(yōu)化，系統(tǒng)的運算性能受限于當前的計算機發(fā)展水平和算法設計優(yōu)化水平，因此，應在這兩方面做突破以服務于數(shù)字孿生技術的發(fā)展。方法在現(xiàn)有云計算基礎上，高性能數(shù)據(jù)分析算法的云化和異構加速的計算體系（如CPU+GPU、CPU+FPGA），是可以考慮的能夠滿足工業(yè)實時場景下高性能計算的兩個方向。1.5本書主要內(nèi)容機器人學作為一門高度交叉的前沿學科，已被許多學者深入研究并獲得快速發(fā)展。數(shù)字孿生作為近年來的新興技術，正深入應用至多種場景與領域中。為實現(xiàn)智能制造領域的人才培養(yǎng)，本書將這兩項關鍵技術進行統(tǒng)一融合，講述相關理論與應用實例。第1章緒論第2章機器人機構學第3章機器人運動學第4章機器人動力學第5章機器人系統(tǒng)的傳感與控制第6章機器人數(shù)字孿生系統(tǒng)開發(fā)第7章人-機共融的數(shù)字孿生系統(tǒng)第8章數(shù)字孿生系統(tǒng)的故障診斷第9章數(shù)字孿生系統(tǒng)的生命周期管理本書章節(jié)目錄：習題1.簡述“機器人”一詞的由來。2.“機器人三守則”是什么？它的重要意義是什么？3.區(qū)分下列機械手，描述它們的特征，并找出每種機械手在商用機器人中的實例。笛卡爾機器人圓柱坐標型機器人球形機器人SCARA機器人PUMA機器人仿人機械臂4.結合1~2個實例，談談你對數(shù)字孿生的理解。5.選取數(shù)字孿生的一項技術，查閱相關資料對其簡要介紹。第2章機器人機構運動副又稱關節(jié)或鉸鏈，它決定了兩相鄰連桿之間的連接關系。通常把運動副分為兩類：高副和低副。低副：兩連桿之間通過面接觸高副：若連桿之間通過線接觸或點接觸

低副分為六種，如圖2-1所示，（a）旋轉副

（b）移動副

（c）螺旋副

（d）圓柱副

（e）平面副

（f）球面副圖2–1六種低副機構2.1運動副旋轉副（1個自由度）移動副（1個自由度）螺旋副（1個自由度）圓柱副（2個自由度）平面副（3個自由度）球面副（3個自由度）串聯(lián)機器人廣泛應用在工業(yè)生產(chǎn)線中，因此，又稱這類機器人為工業(yè)機器人，也稱作操作手。工業(yè)機器人一般指機械制造業(yè)中代替人完成具有大批量、重復性要求的工作，如汽車制造，摩托車制造，艦船制造，自動化生產(chǎn)線中的點焊、弧焊、噴漆、切割、電子裝配，以及物流系統(tǒng)的搬運、包裝、碼垛等作業(yè)的機器人。一個典型的串聯(lián)機器人通常由手臂機構、手腕機構和末端執(zhí)行器3個部分組成，如圖2-2所示。圖2–2典型串聯(lián)機器人的組成2.2串聯(lián)機器人1）手臂機構：機器人機構的主要部分，其作用是支承腕部和末端執(zhí)行器，并確定腕部中心點在

空間中的位置坐標，通常具有3個自由度，個別為4個自由度。

2）手腕機構：連接手臂和末端執(zhí)行器的部件，其作用主要是改變和調整末端執(zhí)行器在空間中的

方位，即姿態(tài)，一般具有3個旋轉自由度，個別為2個旋轉自由度。3）末端執(zhí)行器：機器人作業(yè)時安裝在腕部的工具，根據(jù)任務選裝。機器人手臂的主體機構一般為3自由度機構，主要包括直角坐標式、圓柱坐標式、球面坐標式、關節(jié)式四種基本結構型式。1）直角坐標式：由3個相互垂直的移動副組成，每個關節(jié)獨立分布在直角坐標的3個坐標軸上（圖2-3）。其結構簡單、控制簡單、精度較高。2）圓柱坐標式：將直角坐標機器人中某一個移動副代替（圖2-4）。該結構運動范圍較大。3）球面坐標式：前2個鉸鏈為相互匯交的轉動副而第3個為移動副（圖2-5）。該結構運動范圍較大。4）關節(jié)式：所有3個鉸鏈均為轉動副（圖2-6）。這種結構對作業(yè)的適應性較好，而且更接近人的手臂。圖2–3直角坐標式機器人

圖2–4圓柱坐標式機器人圖2–5球面坐標式機器人

圖2–6關節(jié)式機器人2.2.1手臂機構腕部是連接臂部和手爪的部件，其作用主要是改變和調整手爪在空間的方位，從而使手爪所握持的工具或工件到達某一指定的姿態(tài)。因此，手腕機構通常也稱為動向機構，或調姿機構。最普遍的手腕是由2個或3個相互垂直的關節(jié)軸組成的，手腕的第一個關節(jié)就是機器人的第四個關節(jié)。1）二自由度球形手腕最簡單的手腕是圖2-7所示的Pitch-Roll球形手腕。由3個錐齒輪A,B,C組成差動機構，其中齒輪C與工具Roll軸固聯(lián)，而齒輪A和B分別通過鏈傳動（或同步帶傳動）與兩個驅動馬達相連，形成差動機構。當齒輪A和B同速反向旋轉時，末端執(zhí)行器繞Roll軸轉動，轉速與A（或B）相同；當齒輪A和B同速同向旋轉使，末端執(zhí)行器將繞Pitch軸轉動。一般情況下，末端執(zhí)行器的轉動是上述兩種轉動的合成，即圖

2–7Pitch-Roll球形手腕2.2.2手腕機構2）三軸垂直相交的手腕圖2-8中，

和

對應得軸線相互垂直，

和

對應的軸線相互垂直，三軸交于一點。由遠距離安裝的驅動裝置帶動幾組錐齒輪旋轉，如果三個軸輸入的轉角分別為

，

和

，相互嚙合的齒輪齒數(shù)相等，則輸出的關節(jié)角分別為：

。三軸垂直相交的手腕，在理論上可以達到任意的姿態(tài)，但是，由于關節(jié)角通常受到結構的限制，并非能夠達到任意姿態(tài)。圖2–8

三軸垂直相交手腕（a）示意圖（b）傳動圖3）可連續(xù)轉動的手腕如圖2-9所示，這種手腕有3個相交的關節(jié)軸，但各關節(jié)軸不相互垂直。其特點是3個關節(jié)角不受限制，可以連續(xù)轉動360°。但是這種非正交軸的手腕不可能使末端執(zhí)行器達到任意的姿態(tài)，手腕的第三軸不可達的方位在空間構成一個錐體。在使用時，將手腕安裝的手臂上的位置使得手臂連桿恰好占據(jù)不可達的錐空間。圖

2–9可連續(xù)轉動手腕（a）外觀圖（b）傳動圖

機器人手爪，學名為末端執(zhí)行器，是指安裝在機器人末端的執(zhí)行裝置，它直接與工作接觸，用于實現(xiàn)對工件的處理、傳輸、夾持、放置和釋放等作業(yè)。末端執(zhí)行器可以是一種單純的機械裝置，也可以是包含工具快速轉換裝置、傳感器或柔順裝置等的集成執(zhí)行裝置。大多數(shù)末端執(zhí)行器的功能、構型及結構尺寸都是根據(jù)具體的作業(yè)任務要求進行設計和集成的，其種類繁多、形式多樣。結構緊湊、輕量化及模塊化是末端執(zhí)行器設計的主要目標。(1)夾持式手爪

根據(jù)作業(yè)任務的不同，末端執(zhí)行器可以是夾持裝置或專用工具。其中，夾持裝置包括機械手爪、吸盤等，專用工具有氣焊槍、電焊槍、研磨頭、銑刀、鉆頭等。夾持裝置是應用最為廣泛的一類末端執(zhí)行器。圖2-10所示為一種夾持式手爪的工作過程。當手爪加緊和松開物體時，手指做回轉運動。當被抓物體的直徑大小變化時，需要調整手爪的位置才能保持物體的中心位置不變。圖2–10夾持式手爪2.2.3機器人手爪(2)多指靈巧手這類手爪一般由3個或4個手指構成，每個手指相當于一個操作臂，有3個或4個關節(jié)，與人的手十分相似，用于抓取復雜形狀的物體，實現(xiàn)精細操作。Okada靈巧手，如圖2-11所示，具有3個手指和一個手掌，拇指有3個自由度，另外兩個手指各有4個自由度，采用電機驅動和肌腱傳動方式。Stanford/JPL靈巧手，如圖2-12所示，該手有3個手指，每指各有3自由度，采用12個直流伺服電機作為關節(jié)驅動器，采用N+1型腱驅動系統(tǒng)傳遞運動和動力。Utah/MIT靈巧手，如圖2-13所示，具有完全相同的4個手指，每個手指有4個自由度，采用2N型腱驅動系統(tǒng)傳遞運動和動力，整手有16個關節(jié)，驅動器數(shù)量達到了32個。上述三只靈巧手是該領域研究初始階段的典型代表，為后續(xù)仿人型多指靈巧手的研究建立了理論基礎。圖2–11

Okada靈巧手

圖2–12

Stanford/JPL靈巧手圖

2–13

Utah/MIT

靈巧手(3)欠驅動擬人手這類手爪的外形與多指靈巧手類似，但各關節(jié)不是電機獨立驅動，而是由少量的電動機以差動的方式驅動，電動機的數(shù)量遠小于關節(jié)的數(shù)量。圖2-14（a）表示欠驅動擬人手中的一個手指。擬人手的5個手指的構型一致，通過手指之間的差動實現(xiàn)對物體的包絡。手指包絡運動可通過腱（繩索）牽引（見圖2-14（a））或者通過連桿機構實現(xiàn)（見圖2-14（b）、（c））。

與多指靈巧手不同，欠驅動擬人手一般具有良好的形狀自適應能力，由于驅動電動機的數(shù)量遠小于關節(jié)的數(shù)量，因而欠驅動擬人手的控制要比多指靈巧手的控制簡單，但抓握模式相對來說不如多指靈巧手豐富。圖

2–14欠驅動擬人手手指并聯(lián)機器人機構是一種多閉環(huán)機構，它由動平臺、定平臺和連接兩個平臺的多個支鏈（或分支，或腿）組成。如果支鏈數(shù)與動平臺的自由度數(shù)相同，每個支鏈由一個驅動器驅動，并且所有驅動器均安放在或接近定平臺的地方，這種并聯(lián)機構稱為完全并聯(lián)機構。為簡單描述并聯(lián)機器人機構，可采用數(shù)字與符號組合的命名方式，以并聯(lián)機構為例，每個支鏈用運動副符號組合來表示，并按照從基座到動平臺的順序。例如圖2-15所示的3-RPS機構，3表示該機構有三個相同的支鏈，RPS表示每個支鏈含有R、P、S副，遵循從基座到動平臺的順序。有時為了區(qū)分運動副中哪個是驅動副，上面的機構還可表示成3-RPS機構，表示P為驅動副。對于不同支鏈組成的并聯(lián)機構，如有3個支鏈為UPS，另一個支鏈為UP，所組成的并聯(lián)機構即可表示成3-UPS&1-UP。圖2–153-RPS并聯(lián)機構的組成與命名2.3并聯(lián)機構1.Gough-Stewart平臺并聯(lián)機器人機構的概念設計可以追溯到1947年，Gough建立了具有閉環(huán)結構的機構設計基本原理，這種機構可以控制平臺的位置和姿態(tài)，從而實現(xiàn)輪胎的檢測。在該構型中，運動構件使一個六邊形平臺，平臺的各個頂點通過球鉸與可伸縮桿相連，桿件的另一端通過虎克鉸與定平臺連接，動平臺的位置和姿態(tài)通過6個直線電動機改變桿件的長度來實現(xiàn)。Stewart在1965年設計了用作飛行模擬器的執(zhí)行機構。該機構的運動構件是一個三角平臺，其個頂點通過球鉸鏈與連桿相連接，其機架也呈三角布置。這是兩種最早出現(xiàn)的并聯(lián)機構、后人稱為Gough-Stewart平臺，有時簡稱Stewart平臺。這類機構共同的特征是：連接上、下平臺的每個支鏈都由兩段組成，兩段之間通過移動副相連，可以伸長或縮短，支鏈的兩端通過球副（或者一端是球副、另一端是虎克鉸）分別與上、下平臺連接，都具有6個自由度。基于運動平臺所展現(xiàn)的六邊形和三角形特征，又可細分為Hexapod機器人和Tripod機器人兩類，如圖2-16所示。圖2–16Gough-Steward平臺2.Delta機器人并聯(lián)機構中最著名的當屬Delta機器人機構。1986年，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院（EPFL）的Clavel教授創(chuàng)造性地提出了一種全新的并聯(lián)機器人機構——Delata機器人，其機構簡圖如圖2-17所示。設計該機器人的基本思想在于巧妙地利用了一種開放式鉸鏈和空間平行四邊形機構。平行四邊形機構保證了末端執(zhí)行器始終與基座保持平行，從而使該機器人只有3個移動自由度的運動輸出；開放式鉸鏈使其易于組裝和拆卸，且運動靈活快速，極大地方便了工業(yè)應用。圖

2–17Delta機器人機構3.平面/球面3-RRR機構平面/球面3-RRR并聯(lián)機構是由加拿大拉瓦爾大學的Gosselin教授提出并開始系統(tǒng)研究的，它們也是并聯(lián)機構家族中應用較廣的類型。如圖2-18所示，平面3-RRR機構的動平臺相對于中心具有3個平面自由度：兩個平面內(nèi)的移動和一個繞垂直于該平面軸線的轉動，其運動類型與串聯(lián)3R機器人完全一致。圖

2–18平面3-RRR機構圖2-19所示是球面3-RRR機構，該機構所有轉動副的軸線交于空間一點，該點稱為機構的轉動中心，動平臺可實現(xiàn)繞轉動中心的3個轉動，因此，該機構也稱為調資機構或指向機構。圖2–19球面3-RRR機構移動機器人(mobilerobot)是指一類能夠感知環(huán)境和自身狀態(tài)，在結構、非結構化環(huán)境中自主運動，并能實現(xiàn)指定操作和任務的機器人。移動機器人的運動載體也是機構。與平臺型機器人機構類似的是，很多移動機器人的運動機構也來自于自然、仿生的啟示，如行走類、跳躍類、攀爬類、飛行類、泳動類、蠕動類、擺動類、翻滾類等。但也有例外，輪式和履帶式機器人是人類發(fā)明的以輪子(或履帶)為載體的杰作。移動機器人按照不同標準有不同的分類方法：1.按工作環(huán)境分為：陸地機器人、水下機器人、飛行機器人等；2.按功能用途分為：醫(yī)療機器人、服務機器人、軍用機器人等；3.按運動載體主要分為：輪式、足式和履帶式。

移動機器人正逐漸應用于醫(yī)療、服務、工業(yè)生產(chǎn)、災難救援、軍事偵察等領域，將人類從繁雜的體力勞動中解放出來，緩解了人口老齡化和勞動力成本增加等帶來的社會問題，給人類生活帶來極大便利。尤其在惡少或極其危險的環(huán)境中（如外太空、深海、雷區(qū)、狹窄管道、核輻射區(qū)等)，使用移動機器人完成偵察、探測和操作任務已經(jīng)成為一種必要手段。鑒于移動機器人種類繁多，這里只介紹兩種基本類型：輪式（含履帶式）和足式。2.4移動機器人機構2.4.1輪式移動機器人機構車輪式行走機構具有移動平穩(wěn)、能耗小，以及容易控制移動速度和方向等優(yōu)點，因此得到了普遍的應用。目前應用的車輪式行走機構主要為三輪式或四輪式。三輪式行走機構具有最基本的穩(wěn)定性，其主要問題是如何實現(xiàn)移動方向的控制。典型車輪的配置方法是一個前輪、兩個后輪，前輪作為操縱舵，用來改變方向，后輪用來驅動；另一種是用后兩輪獨立驅動，另一個輪僅起支承作用，并靠兩輪的轉速差或轉向來改變移動方向，從而實現(xiàn)整體靈活的、小范圍的移動。不過，要做較長距離的直線移動時，兩驅動輪的直徑差會影響前進的方向。四輪式行走機構也是一種應用廣泛的行走機構，其基本原理類似于三輪式行走機構。圖2-20所示為四輪式行走機構。其中（a）、（b）所示機構采用了兩個驅動輪和兩個自位輪（（a）中后面兩輪和（b）中左、右兩輪是驅動輪）；（c）所示是和汽車行走方式相同的移動機構，為轉向采用了四連桿機構，回轉中心大致在后輪車軸的延長線上；（d）所示機構可以獨立地進行左、右轉向，因而可以提高回轉精度；（e）所示機構的全部輪子都可以進行轉向，能夠減小轉彎半徑。圖

2–20四輪機構（a）、（b）采用兩個驅動輪和兩個自位輪的行走機構；（c）移動機構；（d）可獨立轉向的機構；（e）全部輪子均可轉向的機構履帶式行走機構的特點很突出，采用該類行走機構的機器人可以在凸凹不平的地面上行走，也可以跨越障礙物、爬不太高的臺階等。一般類似于坦克的履帶式機器人，由于沒有自位輪和轉向機構，要轉彎時只能靠左、右兩個履帶的速度差，所以不僅在橫向，而且在前進方向上也會產(chǎn)生滑動，轉彎阻力大，不能準確地確定回轉半徑。圖2-21中（a）所示是主體前、后裝有轉向器的履帶式機器人，它沒有上述的缺點，可以上、下臺階。它具有提起機構，該機構可以使轉向器繞著（a）中的A-A軸旋轉，這使得機器人上、下臺階非常順利，能實現(xiàn)諸如用折疊方式向高處伸臂、在斜面上保持主體水平等各種各樣的姿勢。（b）所示機器人的履帶形狀可為適應臺階形狀而改變，也比一般履帶式機器人的動作更為自如。（a）雙重履帶式機器人；（b）形狀可變式履帶機構圖2–21上、下臺階的履帶式機器人2.4.2多足步行機器人機構類似于動物那樣，利用腳部關節(jié)機構、用步行方式實現(xiàn)移動的機構，稱為步行機構。采用步行機構的步行機器人，能夠在凸凹不平的地上行走、跨越溝壑，還可以上、下臺階，因而具有廣泛的適應性。但控制上有相當?shù)碾y度，完全實現(xiàn)上述要求的實際例子很少。步行機構有兩足、三足、四足、六足、八足等形式，其中兩足步行機構具有最好的適應性，也最接近人類，故又稱為類人雙足行走機構。1.兩足步行機構兩足步行機構是多自由度的控制系統(tǒng)，是現(xiàn)代控制理論很好的應用對象。這種機構結構簡單，但其靜、動行走性能及穩(wěn)定性和高速運動性能都較難實現(xiàn)。如圖2-22所示，兩足步行機構是一空間連桿機構。在行走過程中，行走機構始終滿足靜力學的靜平衡條件，也就是機器人的重心始終落在支持地面的一腳上。這種行走方式稱為靜止步態(tài)行走。圖2–22兩足步行機構原理圖及其靜止步態(tài)2.四足步行機構四足步行機構比兩足步行機構承載能力強、穩(wěn)定性好，其結構也比六足、八足步行機器人簡單。四足步行機構在行走時機體首先要保證靜態(tài)穩(wěn)定，因此，其在運動的任一時刻至少應有三條腿與地面接觸，以支撐機體，且機體的重心必須落在三足支撐點構成的三角形區(qū)域內(nèi)，如圖2-23所示。在這個前提下，四條腿才能按一定的順序抬起和落地，實現(xiàn)行走。在行走的時候，機體相對地面始終向前運動，重心始終在移動。四條腿輪流抬、跨，相對機體也向前運動，不斷改變足落地的位置，構成新的穩(wěn)定三角形，從而保證靜態(tài)穩(wěn)定。圖2–23四足步行機構運動時形態(tài)3.六足步行機構六足步行機器人的控制比四足步行機器人的控制更容易，六足步行機構也更加穩(wěn)定。圖2-24（a）所示為有十八個自由度的六足步行機器人，該機器人能夠實現(xiàn)相當從容的步態(tài)。但要實現(xiàn)十八個自由度及包含力傳感器、接觸傳感器、傾斜傳感器在內(nèi)的穩(wěn)定的步行控制也是相當困難的。圖2-24(b)所示的仿形式六足步行機構僅有一個繞載荷平臺的旋轉關節(jié)，無腿部屈伸關節(jié)，每條腿均為半圓弧結構，具有一定的柔性。該類型的六足步行機器人具有很強的機動性，對崎嶇地面也具有非常強的適應性，它可以成功通過巖石地面、沙地、草地、斜坡、階梯等復雜路面。圖2–24六足步行機構機器人的自由度是指確定機器人位形（位姿）所需要的最小獨立變量數(shù)目。對串聯(lián)機器人來說

，其各關節(jié)位置能唯一確定機器人的位形。因此，串聯(lián)機器人的自由度數(shù)往往就等于關節(jié)數(shù)；而對并聯(lián)機器人來說，其自由度相對復雜得多。不過，并聯(lián)機器人的自由度一般等于末端的輸出自由度。2.5機器人的自由度1）全自由度機器人：當機器人的自由度與末端執(zhí)行器的輸出自由度相等時，就稱為全自由度機器人。一般空間機器人的全自由度為6，平面/球面機器人的全自由度為3。因此，PUMA機器人、平面3R機械手、平面/球面3-RRR機構等都為全自由度機器人機構。2）少自由度機器人：自由度小于6的空間機器人稱為少自由度機器人。平面2R機械手、SCARA機器人、Delta機構等都是少自由度機器人。3）冗余自由度機器人：當機器人的自由度大于末端執(zhí)行器的輸出自由度時，該機器人稱為冗余自由度機器人，簡稱冗余機器人。ABBYumi、KUKAIIWA等都是7自由度機器人，因此，它們都是冗余度機器人。2.5.1機器人按自由度分類2.5.2自由度計算公式在三維空間中有N個完全不受約束的物體，選中其中一個為固定參考物，這時，每個物體相對參照物都有6個自由度的運動。若將所有的物體之間用運動副連接起來，便構成了一個空間運動鏈。該運動鏈中含有N-1個或n個活動構件，連接構件的運動副用來限制構件間的相互運動。采用類似于平面機構自由度計算方法，得到兩種形式的公式：式中，其中，

為機構的自由度；

為運動副數(shù)；

為第

個運動副的自由度；

為機構的階數(shù)。一般情況下，當機構為空間機構時，式中的

；為p為平面機構或球面機構時，式中的

。為各級運動副的數(shù)目。不過上式更為普遍的表達式是公式：

但是傳統(tǒng)的

1.存在局部自由度（圖2-25）盡管連接兩構件的運動副具有較多的自由度，但由于特殊的幾何設計及裝配條件，這個運動副在實際運動中并沒有完全實現(xiàn)所有可能的相對運動，即產(chǎn)生了局部自由度，其結果會導致機構的自由度數(shù)增加。對于有局部自由度的機器人機構自由度計算，將局部自由度從中減掉即可。2.存在過約束（圖2-26）在某些機器人中，由于運動副或構件幾何位置的特殊位置，或者使所有構件都失去了某些可能的運動，這等于對機構所有構件的運動加上了公共約束，或者使某些運動副全部或部分失去約束功能。也就是說，機構中運動副的約束功能并沒有完全體現(xiàn)出來。圖2–25局部自由度示例

圖2–26冗余自由度示例

公式尚需改善與修正，原于如下兩個方面：由于以上兩個原因，如果機構或機器人具有公共約束數(shù)為

，則機構或機器人的階數(shù)

。這時，機構或機器人自由度的計算公式就變?yōu)榱诵拚蟮?/p>

公式。式中，

為機構或機器人的階數(shù)，由公共約束數(shù)來決定，而不是傳統(tǒng)公式中的3或6。平面及球面機構的階數(shù)為3，即

。對于一般沒有公共約束的空間機構，

。而對于存在公共約束的空間機構而言，

為3～6之間的自然數(shù)。不過，還需考慮冗余約束和局部自由度對機構的影響。這時，上式進一步修正為：式中，

為冗余約束數(shù)。

為局部自由度數(shù)。2.6驅動機構、傳動機構與機器人用減速器2.6.1驅動機構驅動器的主要功能在于為機器人提供動力。目前，大多數(shù)機器人的驅動器都已商業(yè)化。最常用的驅動器包括電磁式、液壓式和氣動式等。1.電磁驅動器1)伺服電動機。目前大多數(shù)機器人使用伺服電動機作為動力源，因為伺服電動機可以實現(xiàn)位置、速度或者轉矩等精確的信號輸出。機器人中最常用的是永磁式直流電動機和無刷直流電動機。其中，永磁電動機可產(chǎn)生大轉矩，速度控制范圍大，轉矩-轉速性能好，適用于不同控制類型。無刷電動機因為成本相對較低，通常應用在工業(yè)機器人領域。2)步進電動機。一些小型機器人中通常使用步進或脈沖電動機。這類機器人的位置和速度采用開環(huán)控制即可，這樣，成本相對較低并且容易與電子驅動電路對接，細分控制可以產(chǎn)生更多的獨立機器關節(jié)位置。此外，步進電動機的比功率比其他類型的電動機更小。3)直驅電動機。近年來已開發(fā)出了商用的直驅電動機，即電動機與載荷直接耦合，其結構特點是轉子為一圓環(huán)，置于內(nèi)外定子之間，由電動機直接驅動機器人關節(jié)軸，從而減少了轉子的轉動慣量，增大了轉矩。2.氣動驅動器

氣動驅動器和液壓驅動器類似，它將氣體壓縮時產(chǎn)生的能量轉化為直線或旋轉運動。氣動驅動器最初應用在簡單的執(zhí)行裝置中。氣動驅動器結構簡單且成本低廉，而且具有電動機沒有的許多優(yōu)點。例如，它在易爆場合使用更安全、受周圍環(huán)境溫度和濕度影響更小等。但是，一些小型驅動器需要又氣源才能工作，對于那些大量使用氣動驅動器的機器人來說仍需要安裝昂貴的空氣壓縮系統(tǒng)，此外，氣動驅動器的能效相對也較低。

盡管氣動驅動器不使用在重載條件下，但是它可用于功率-質量比的機器人手指或者人造肌肉中，例如，氣動驅動器通過控制壓縮氣體充填氣囊進而實現(xiàn)收縮或擴張肌肉。另外，由于氣動驅動器不會受到磁場的影響，它可以應用在醫(yī)療領域；同樣，由于沒有電弧，它還可以用在易燃場合。4.其他類型的特殊驅動器機器人中還存在其他類型的驅動器。如利用熱學、形狀記憶元件、化學、壓電、超聲、磁致伸縮、電聚合物（EAP）、電流、磁流、橡膠、高分子、氣囊和微機電系統(tǒng)（MEMS）等原理或材料制成的各類新型驅動器，包括形狀記憶合金（SMA）、壓電陶瓷、人工肌肉、超聲電機、音圈電機等。這些驅動器大多用于特種機器人的研究，而不是配備在大量生產(chǎn)的工業(yè)機器人上。3.液壓驅動器液壓驅動器是指將液壓能轉變?yōu)闄C械能的機器。由于采用高壓液體，液壓驅動器既帶來了優(yōu)點，也不可避免地產(chǎn)生了一些缺點。液壓油能提供非常大的力和力矩，以及非常高的功率-質量比，而且可以使運動部件在小慣性條件下實現(xiàn)直線和旋轉運動。但液壓驅動器需要消耗大的功率，同時需要快速反應的伺服閥，成本也非常高，而且漏液以及復雜的維護需求也限制了液壓驅動機器人的應用。目前，液壓驅動器主要應用在需要力或者力矩大、速度快的場合，它比現(xiàn)有的電磁驅動器表現(xiàn)更優(yōu)異，典型的如高承載的運動模擬器等。2.6.2傳動機構機器人傳動機構或傳動系統(tǒng)的主要功能是將機械動力從來源處轉移到受載荷處。傳動系統(tǒng)的設計和選擇需要考慮運動、負載和電源的要求，首先考慮的就是傳動機構的剛度、效率和成本。體積過大的傳動系統(tǒng)會增加系統(tǒng)的質量、慣性和摩擦損失。對于那些剛度較低的傳動系統(tǒng)，在持續(xù)的或是高負載的工作循環(huán)下會快速磨損，或者在偶然過載下失效。以串聯(lián)機器人為例，其關節(jié)的驅動基本上都要通過傳動裝置來實現(xiàn)。其中，傳動比決定了驅動器的轉矩與速度。合理的傳動系統(tǒng)的布置、尺寸以及機構的設計決定了機器人的剛度、質量和整體操作性能。目前，大多數(shù)現(xiàn)代機器人都應用了高效的、扛過載破壞的，以及可反向的傳動裝置。1.帶傳動機器人用的帶傳動通常是指將由合金鋼或鈦材料制成的薄履帶固定在驅動軸和被驅動的連桿之間，用來產(chǎn)生有限的旋轉或直線運動。傳動裝置的傳動比可以高達10:1。這種薄履帶形式的帶傳動相比纜繩或皮帶傳動而言，是一種更柔順并且剛性更好的傳動系統(tǒng)。同步帶往往應用在小型機器人的傳動機構和一些大型機器人的軸上，其功能大體和帶傳動相同，但具有連續(xù)驅動的能力。多級帶傳動有時用來產(chǎn)生大的傳動比（高達100:1）。2.齒輪傳動直齒輪或斜齒輪傳動為機器人提供了可靠、密封性能好、維護成本低的動力傳遞方式。它們主要應用在機器人手腕處，在這些手腕的結構中要求多條軸線相交并且驅動器布置要緊湊。大直徑的轉盤齒輪用于大型機器人的基座關節(jié)，以提供高剛度來傳遞大轉矩。齒輪傳動常用于基座，而且往往與長傳動軸聯(lián)合，實現(xiàn)驅動器和驅動關節(jié)之間的長距離動力傳輸。例如，驅動器和第一級減速器可能被安裝在肘部附近，通過一個長的空心傳動軸來驅動另一級減速器。行星齒輪傳動常常應用在緊湊型齒輪電動機中，為了盡量減小節(jié)點齒輪驅動時的間隙，齒輪傳動系統(tǒng)需要進行精心的設計，只有這樣才能實現(xiàn)不以犧牲剛度、效率和精度為代價的小間隙的傳動。3.蝸桿傳動蝸桿傳動偶爾應用在低俗機器人上，其特點是可以使動力發(fā)生正交偏移或者平移，同時傳動比高，結構簡單，具有良好的剛性和承載能力，以及在大傳動比時具有反向自鎖特性，這意味著在沒有動力時，關節(jié)會自鎖在當前位置。但是蝸桿傳動的傳動率較低。5.直線傳動機構直驅式直線傳動機構裝置將直線電動機與軸整合在一起，這種關聯(lián)往往只是驅動機器人和機器人連桿之間的一個剛性或柔性連接，或者由一個直線電動機和其導軌組合后直接連接到直線軸上。直線電磁驅動器的特點是零齒隙、高剛度、高速，以及具有優(yōu)良的性能，但是其質量大、效率低，成本比其他類型的直線驅4.滾珠絲杠基于滾珠絲杠的直線傳動裝置能平穩(wěn)有效地將原動件的旋轉運動變成直線運動。通常情況下，螺母通過與絲杠配合將旋轉運動轉換成直線運動。目前已有高性能的商用滾珠絲杠傳動系統(tǒng)。盡管對于短距或中距的滾珠絲杠，剛度可以達到要求，但在長距離行程中由于絲杠只能支承在兩端是的剛性較差。另外，通過采用精密絲杠可以獲得很小甚至為零的齒隙。另一方面，該傳動裝置的運行速度被絲杠的力學穩(wěn)定性所制約，所以一般情況下使用旋轉螺母來獲得更高的速度。2.6.3減速器減速器在機械傳動領域是連接動力源和傳動機構之間的中間裝置，通常通過輸入軸上的小齒輪嚙合輸出軸上的大齒輪來達到減速的目的，并傳遞更大的轉矩。相比較通用減速器，機器人專業(yè)減速器更加精密。精密減速器的存在使伺服電動機在一個合適的速度下運轉，并精確地將轉速降到工業(yè)機器人各部位需要的速度，提高機械體剛度的同時輸出更大的轉矩。與通用減速器相比，機器人關節(jié)減速器要求具有傳動鏈短、體積小、功率大、質量小和易于控制的特點。目前，大量應用在關節(jié)型機器人上的減速器主要由兩類：RV減速器和諧波減速器。其中，諧波減速器常用在關節(jié)型機器人上，這些傳動裝置齒隙小，但柔性齒輪在反向運動時會產(chǎn)生彈性翹曲以及低剛度；RV減速器更適用于大型機器人，特別是超載和受沖擊載荷的機器人。RV減速器是一種兩級行星齒輪傳動減速機構。第一級減速是通過漸開線中心輪1與行星輪的嚙合實現(xiàn)的，按照中心輪與行星齒輪的齒數(shù)比進行減速。傳動過程中如果中心輪1順時針轉動，那么行星輪2將既繞自身軸線逆時針自轉，又繞中心輪軸線公轉。第一級傳動部分中的漸開線行星輪2與曲柄軸3連成一體，并通過曲柄軸3帶動擺線輪4做偏心運動，該偏心運動為第二級傳動部分的輸入。第二級減速是通過擺線輪4與針輪5嚙合實現(xiàn)的。在擺線輪與針輪嚙合傳動過程中，擺線輪在繞針輪軸線公轉的同時，還將反方向自轉，即順時針轉動。最后，傳動力通過曲柄軸推動行星架輸出機構順時針轉動。傳動原理如圖2-27所示。圖2–27RV減速器及其傳動原理1-漸開線中心輪；2-漸開線行星輪；3-曲柄軸；4-擺線輪；5-針輪；6-輸出機構；7-針齒殼1.RV減速器RV減速器的傳動比計算公式為：

式中：

為漸開線中心輪1的齒數(shù)；

為漸開線行星輪2的齒數(shù)；

為針輪5的齒數(shù)；

為擺線輪4的齒數(shù)。

RV減速器具有如下特點：(1)傳動比范圍大：只要改變漸開線齒輪的齒數(shù)比