機(jī)器人建模與控制緒論

機(jī)器人建模與控制

緒論機(jī)器人學(xué)(Robotics)作為一種綜合學(xué)科，涉及電子信息、機(jī)械設(shè)計(jì)、傳感技術(shù)、控制工程、計(jì)算機(jī)技術(shù)等多門學(xué)科，其發(fā)展與這些相關(guān)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀密切相關(guān)；隨著機(jī)械設(shè)計(jì)、控制理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的機(jī)器人已發(fā)展到冗余操作臂、移動機(jī)器人、人形機(jī)器人等多種形式機(jī)器人學(xué)包含運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)、運(yùn)動規(guī)劃等多個方面的內(nèi)容，通過將實(shí)際機(jī)器人抽象成物理模型，設(shè)計(jì)控制策略以達(dá)到精準(zhǔn)控制機(jī)器人的目的1.1

機(jī)器人學(xué)概述機(jī)器人按發(fā)展進(jìn)程一般可分為三代第一代機(jī)器人可統(tǒng)稱為示教再現(xiàn)型機(jī)器人，這種機(jī)器人通常是由一個計(jì)算機(jī)對多自由度的機(jī)械進(jìn)行控制，通過示教對信息進(jìn)行存儲，工作時再讀取信息發(fā)出指令，使其能夠自動重復(fù)完成某種操作第二代機(jī)器人可統(tǒng)稱為感知型機(jī)器人，這種機(jī)器人在第一代機(jī)器人的基礎(chǔ)上增加了對環(huán)境的感知功能，如力覺、觸覺、視覺、聽覺等，這一改進(jìn)使機(jī)器人能夠獲取環(huán)境信息，從而完成更復(fù)雜的工作第三代機(jī)器人可統(tǒng)稱為智能型機(jī)器人，這種機(jī)器人通過多種傳感器、測量器來獲取環(huán)境信息，然后利用智能技術(shù)進(jìn)行復(fù)雜的邏輯推理、判斷及決策，從而實(shí)現(xiàn)在變化的內(nèi)部狀態(tài)與外部環(huán)境中，機(jī)器人能自主決定自身的行為1.1

機(jī)器人學(xué)概述為了保護(hù)人類，早在1940年科幻作家阿西莫夫就提出了“機(jī)器人三原則”第一條：機(jī)器人不得傷害人類，或看到人類受到傷害而袖手旁觀第二條：機(jī)器人必須服從人類的命令，除非這條命令與第一條相矛盾第三條：機(jī)器人必須保護(hù)自己，除非這種保護(hù)與以上兩條相矛盾1.1

機(jī)器人學(xué)概述1.2.1

按控制方法分類按照機(jī)器人控制方法，可以將其分為伺服

(servo)和非伺服

(non-servo)兩種非伺服機(jī)器人的主要特征為開環(huán)(open-loop)控制，機(jī)器人按照預(yù)先編好的程序依次完成工作，依靠制動器、定序器、限位開關(guān)等機(jī)械限位方式對機(jī)器人運(yùn)動進(jìn)行控制非伺服機(jī)器人可以完成較為簡單的任務(wù)，通常用于物料傳送或移動等場景伺服機(jī)器人則是采用閉環(huán)(closed-loop)的控制方式，可以對機(jī)器人末端執(zhí)行器的位置、速度、力等進(jìn)行控制，閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)利用傳感器采集的反饋信息與給定信息進(jìn)行比較，以達(dá)到更好的控制效果對于伺服機(jī)器人，根據(jù)控制器對末端執(zhí)行器的引導(dǎo)方式不同，可進(jìn)一步劃分為點(diǎn)到點(diǎn)

(point-to-

point)

控制和連續(xù)路徑

(continuous

path)

控制機(jī)器人對于點(diǎn)到點(diǎn)控制機(jī)器人，可以通過示教器設(shè)置一系列離散點(diǎn)，使得機(jī)器人末端按給定順序在各點(diǎn)位之間移動，但各點(diǎn)位之間的運(yùn)動軌跡不受控制，通常按照最短路徑直接到達(dá)給定點(diǎn)，這使得機(jī)器人無法對特定軌跡穩(wěn)定的進(jìn)行跟蹤，也限制了其應(yīng)用范圍連續(xù)路徑機(jī)器人末端執(zhí)行器在運(yùn)動過程中的所有路徑點(diǎn)均可被控制，故機(jī)器人末端可以平滑地跟蹤指定路徑，同時操作者也可以控制末端的速度、加速度等以達(dá)到期望的運(yùn)動方式，這種機(jī)器人適用于焊接、噴漆、機(jī)械加工等場景1.2

機(jī)器人分類1.2.2

按應(yīng)用領(lǐng)域分類機(jī)器人發(fā)展至今已經(jīng)形成了完善的體系，按照功能和應(yīng)用場景不同，機(jī)器人可劃分為：工業(yè)

機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人以及特種機(jī)器人這三大類工業(yè)機(jī)器人在焊接、噴涂、裝配、搬運(yùn)、檢測等方面發(fā)揮著重要的作用，極大地促進(jìn)了生產(chǎn)效率以及智能制造水平的提升服務(wù)機(jī)器人主要集中于教學(xué)、娛樂、醫(yī)療、展務(wù)工作、清潔維護(hù)等領(lǐng)域，智能控制方法的不斷發(fā)展使其在安全易用的基礎(chǔ)之上更加靈活智能，能夠?yàn)槿藗兲峁└鼮槿诵曰姆?wù)體驗(yàn)特種機(jī)器人在排爆、搜救、勘探、消防、巡檢等方面發(fā)揮著不可替代的作用，面對惡劣作業(yè)環(huán)境或者危險(xiǎn)工作任務(wù)時，特種機(jī)器人能避免人員傷亡、減輕經(jīng)濟(jì)損失、更好適應(yīng)環(huán)境1.2

機(jī)器人分類1.2.3

按移動功能分類按照整體運(yùn)動能力的不同，機(jī)器人可劃分為：移動機(jī)器人和機(jī)械臂兩類輪式機(jī)器人、履帶式機(jī)器人、四足機(jī)器人、雙足機(jī)器人和空中機(jī)器人等等這類能在環(huán)境中產(chǎn)生整體位移的機(jī)器人稱為移動機(jī)器人具有在環(huán)境中固定不動的基座的機(jī)器人稱為機(jī)械臂。機(jī)械臂在工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，大部分工業(yè)機(jī)器人都是機(jī)械臂本課程主要針對工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域中最常見的串聯(lián)機(jī)械臂進(jìn)行探討1.2

機(jī)器人分類移動機(jī)器人(輪式)移動機(jī)器人(足式)人形機(jī)器人機(jī)械臂?機(jī)電部分–用于實(shí)現(xiàn)各種動作?傳感部分–用于感知內(nèi)部和外部的信息?控制部分–控制機(jī)器人完成各種動作1.3

機(jī)械臂系統(tǒng)與機(jī)構(gòu)1.3.1

機(jī)械臂系統(tǒng)?驅(qū)動系統(tǒng)?提供機(jī)器人各部位、各關(guān)節(jié)動作的原動力。?機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)?完成各種動作。?感受系統(tǒng)?由內(nèi)部傳感器和外部傳感器組成。?機(jī)器人-環(huán)境交互系統(tǒng)?實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與外部設(shè)備的聯(lián)系和協(xié)調(diào)并構(gòu)成功能單元。?人機(jī)交互系統(tǒng)?人與機(jī)器人聯(lián)系和協(xié)調(diào)的單元。?控制系統(tǒng)?根據(jù)程序和反饋信息控制機(jī)器人動作的中心。1.3

機(jī)械臂系統(tǒng)與機(jī)構(gòu)1.3.2

串聯(lián)機(jī)械臂從結(jié)構(gòu)和運(yùn)動的觀點(diǎn)來看，機(jī)械臂是由一系列關(guān)節(jié)(joint)連接的連桿(link)組成的運(yùn)動機(jī)械結(jié)構(gòu)

本課程中的關(guān)節(jié)主要涉及轉(zhuǎn)動型關(guān)節(jié)和平動型關(guān)節(jié)兩種轉(zhuǎn)動型關(guān)節(jié)可以使連接的兩連桿繞一軸相互轉(zhuǎn)動平動型關(guān)節(jié)則可以使兩個連桿沿軸線進(jìn)行直線相對運(yùn)動如果一個機(jī)械臂由N個關(guān)節(jié)和N+1個連桿組成，且其結(jié)構(gòu)呈“連桿(基座)-關(guān)節(jié)-連桿-關(guān)節(jié)-…-連桿-關(guān)節(jié)-連桿”的形式，則稱該機(jī)械臂為串聯(lián)機(jī)械臂本課程以串聯(lián)機(jī)械臂為對象介紹機(jī)器人建模與控制。若無特別說明，本課程所提的機(jī)器人和機(jī)械臂均指串聯(lián)機(jī)械臂1.3

機(jī)械臂系統(tǒng)與機(jī)構(gòu)1.3

機(jī)械臂系統(tǒng)與機(jī)構(gòu)1.3.3

常見機(jī)械臂幾何機(jī)構(gòu)圓柱坐標(biāo)型球面坐標(biāo)型SCARA型(平行關(guān)節(jié)型)轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)型直角坐標(biāo)型位姿描述：為了描述空間物體的位置和姿態(tài)，需要在物體上設(shè)置一個坐標(biāo)系。

并在某個參考坐標(biāo)系中對位置和姿態(tài)進(jìn)行描述1.4.1

基本概念?位姿描述?正運(yùn)動學(xué)?逆運(yùn)動學(xué)?速度與靜力?軌跡規(guī)劃?動力學(xué)?運(yùn)動控制?力控制1.4

機(jī)器人建模與控制簡述正運(yùn)動學(xué)：正運(yùn)動學(xué)方程是各個關(guān)節(jié)變量的函數(shù)，描述了工具坐標(biāo)系相對

于基坐標(biāo)系的位置和姿態(tài)?位姿描述?正運(yùn)動學(xué)?逆運(yùn)動學(xué)?速度與靜力?軌跡規(guī)劃?動力學(xué)?運(yùn)動控制?力控制1.4

機(jī)器人建模與控制簡述逆運(yùn)動學(xué)：給定工具坐標(biāo)系的位置和姿態(tài)，通過逆運(yùn)動學(xué)可以計(jì)算出各關(guān)節(jié)變量?位姿描述?正運(yùn)動學(xué)?逆運(yùn)動學(xué)?速度與靜力?軌跡規(guī)劃?動力學(xué)?運(yùn)動控制?力控制1.4

機(jī)器人建模與控制簡述關(guān)節(jié)速度和末端執(zhí)行器速度的幾何

關(guān)系可以由雅可比矩陣表示?位姿描述?正運(yùn)動學(xué)?逆運(yùn)動學(xué)?速度與靜力?軌跡規(guī)劃?動力學(xué)?運(yùn)動控制?力控制1.4

機(jī)器人建模與控制簡述軌跡規(guī)劃：

為了使末端執(zhí)行器在空間中

從A點(diǎn)運(yùn)動到B點(diǎn)，必須為各個關(guān)節(jié)計(jì)

算一個連續(xù)運(yùn)動軌跡?位姿描述?正運(yùn)動學(xué)?逆運(yùn)動學(xué)?速度與靜力?軌跡規(guī)劃?動力學(xué)?運(yùn)動控制?力控制1.4

機(jī)器人建模與控制簡述動力學(xué)：

動力學(xué)方程描述了驅(qū)動器

驅(qū)動力矩和機(jī)械臂運(yùn)動之間關(guān)系?位姿描述?正運(yùn)動學(xué)?逆運(yùn)動學(xué)?速度與靜力?軌跡規(guī)劃?動力學(xué)?運(yùn)動控制?力控制1.4

機(jī)器人建模與控制簡述?位姿描述?正運(yùn)動學(xué)?逆運(yùn)動學(xué)?速度與靜力?軌跡規(guī)劃?動力學(xué)?運(yùn)動控制?力控制運(yùn)動控制：

為了使機(jī)械臂沿著期望軌跡運(yùn)動，必須設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，通過關(guān)節(jié)傳感器的反饋保持機(jī)械臂的軌跡運(yùn)動1.4

機(jī)器人建模與控制簡述?位姿描述?正運(yùn)動學(xué)?逆運(yùn)動學(xué)?速度與靜力?動力學(xué)?軌跡生成?運(yùn)動控制?力控制力控制：

為了使機(jī)械臂以恒力在一個表面上滑動，必須應(yīng)用力控制系統(tǒng)1.4

機(jī)器人建模與控制簡述?成本占比：?減速器，

35%~40%?驅(qū)動及伺服，

20%~25%?控制器，

10%~15%?機(jī)械結(jié)構(gòu)，

15

%~

20%?傳感，

10%~15%?分析系統(tǒng)的工作要求，?確定基本參數(shù)?選擇運(yùn)動方式?手臂配置設(shè)計(jì)?選擇檢測方式?選擇驅(qū)動方式?選擇控制方式?機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)?根據(jù)機(jī)械臂的使用場合，明確所使用機(jī)械臂的目的和任務(wù)?分析機(jī)械臂所在系統(tǒng)的工作環(huán)境，包括機(jī)械臂與已有設(shè)備的兼容性1.4

機(jī)器人建模與控制簡述確定機(jī)械臂的基本功能和方案1.4.2

機(jī)械臂設(shè)計(jì)方法?臂力的確定對于專用機(jī)械臂來說，針對專門的工作對象來設(shè)計(jì)。臂力主要根據(jù)被抓取物體的重量

確定，取1.5~3.0的安全系數(shù)對于工業(yè)機(jī)械臂來說，具有一定的通用性，臂力要根據(jù)被抓取物體的重量變化來確定?工作范圍的確定根據(jù)工藝要求和操作運(yùn)動的軌跡來確定?運(yùn)動速度的確定根據(jù)生產(chǎn)需要的工作節(jié)拍分配每個動作的時間，進(jìn)而根據(jù)機(jī)械手各部位的運(yùn)動行程確

定其運(yùn)動速度?定位精度的確定

根據(jù)使用要求確定的要達(dá)到這樣的精度取決于機(jī)械臂的定位方式、運(yùn)動速度、控制方式、臂部剛度、驅(qū)動

方式、緩沖方法等1.4

機(jī)器人建模與控制簡述?工作范圍?指機(jī)器人末端操作器所能到

達(dá)的區(qū)域。?工作速度?指機(jī)器人