第七章機器人第七章機器人本章內(nèi)容概述機器人運動學(xué)機器人動力學(xué)機器人控制系統(tǒng)機器人應(yīng)用的典型實例第七章機器人一、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(xué)技術(shù)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)概述第七章機器人機器人三原則與機器人學(xué)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(xué)Robotics”的概念第一節(jié)概述第七章機器人機器人不應(yīng)傷害人類，而且不能忽視機器人傷害人類；

機器人應(yīng)遵守人類的命令，與第一條違背的命令除外；

機器人應(yīng)能保護自己，與第二條相抵觸者除外第七章機器人什么是機器人學(xué)？機器人學(xué)是人們設(shè)計和應(yīng)用機器人的技術(shù)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(wù)。機器人學(xué)是一門交叉學(xué)科，它得益于機械工程、電氣與電子工程、計算機科學(xué)、生物學(xué)以及其他許多學(xué)科。第一節(jié)概述第七章機器人什么是機器人？不同國家、不同學(xué)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(nèi)涵也不同第一節(jié)概述第七章機器人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(yīng)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(wù)第一節(jié)概述第七章機器人二、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(qū)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(guān)節(jié)和其他構(gòu)件構(gòu)成。連接在機械手最后一個關(guān)節(jié)上，用來執(zhí)行任務(wù)。是由公司工程師或外面的顧問為某種用途而專門設(shè)計的。通常，其動作有機器人控制器直接控制?！凹∪狻保Ｒ姷尿?qū)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(qū)動器。它們由控制器控制。“五官”，收集機器人內(nèi)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(guān)節(jié)的運動，確定每個關(guān)節(jié)應(yīng)移動多少和多遠才能達到預(yù)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(qū)動器的動作，并與傳感器反饋信息一起協(xié)調(diào)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(guān)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(yīng)用程序：為了使用機器人外部設(shè)備或為了執(zhí)行特定任務(wù)而開發(fā)第七章機器人三、機器人的分類按照機器人的技術(shù)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(yīng)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)概述第七章機器人三、機器人的分類按照機器人的機構(gòu)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(guān)節(jié)型機器人第一節(jié)概述第七章機器人三、機器人的分類第一節(jié)概述直角坐標機器人結(jié)構(gòu)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。第七章機器人三、機器人的分類第一節(jié)概述圓柱坐標型（R2P）結(jié)構(gòu)簡單；剛性好；空間利用率低；用于重物的裝卸和搬運，例如Versatran機器人第七章機器人三、機器人的分類第一節(jié)概述極坐標、球坐標型（2RP）結(jié)構(gòu)緊湊，所占空間較小。第七章機器人三、機器人的分類第一節(jié)概述水平多關(guān)節(jié)型垂直方向上的剛性好，適于裝配工作第七章機器人三、機器人的分類第一節(jié)概述垂直多關(guān)節(jié)動作范圍寬；結(jié)構(gòu)剛度低；精度較低；裝配、搬運、弧焊、噴涂、點焊等第七章機器人三、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(nóng)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(wù)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)概述第七章機器人四、機器人技術(shù)的進展

工業(yè)機器人技術(shù)在機械本體、控制系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、可靠性和網(wǎng)絡(luò)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(shè)計（包括材料、構(gòu)型和驅(qū)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(yīng)性；實現(xiàn)了與總線和一些網(wǎng)絡(luò)的連接；機器人可靠性大幅度提高；第一節(jié)概述第七章機器人四、機器人技術(shù)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(nóng)業(yè)機器人在土地耕作、作物移栽、噴灑農(nóng)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(wù)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)概述第七章機器人機器人運動學(xué)要解決的問題機器人運動學(xué)通過研究機器人的關(guān)節(jié)變量和末端執(zhí)行器的位姿關(guān)系，建立機器人本體運動的數(shù)學(xué)模型，為機器人的運動控制和機構(gòu)設(shè)計提供依據(jù)。正向運動學(xué)問題（用于機構(gòu)設(shè)計）已知各關(guān)節(jié)變量，求取機械手末端位姿；逆向運動學(xué)問題（用于運動控制）已知機械手末端位姿，求取各關(guān)節(jié)變量；第二節(jié)機器人運動學(xué)第七章機器人一、基本概念工作空間自由度位姿關(guān)節(jié)變量第二節(jié)機器人運動學(xué)連桿移動關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)第七章機器人剛體在空間中的位置描述第二節(jié)機器人運動學(xué)在直角坐標系A(chǔ)中，空間任意一點p的位置可用3x1列向量(位置矢量)表示：第七章機器人剛體在空間中的姿態(tài)描述第二節(jié)機器人運動學(xué)上述矩陣稱為旋轉(zhuǎn)矩陣第七章機器人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(zhuǎn)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(xué)第七章機器人齊次坐標變換兩剛體在空間中的位姿關(guān)系可通過齊次坐標變換來建立：第二節(jié)機器人運動學(xué)yAzAxAOAOByBzBxBPAPAPBOBP第七章機器人二、多關(guān)節(jié)機器人的運動分析第二節(jié)機器人運動學(xué)機械手可以看成由一系列關(guān)節(jié)連接起來的連桿組構(gòu)成。給每一個連桿在關(guān)節(jié)處設(shè)置一個連桿坐標系，該連桿坐標系隨關(guān)節(jié)運動而運動。第七章機器人二、多關(guān)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(guān)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(xué)注意前后順序第七章機器人二、多關(guān)節(jié)機器人的運動分析上式稱為機械手的運動學(xué)方程。若已知各關(guān)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(xué)。若已知機械手末端相對于基座的位姿，可反求各關(guān)節(jié)變量——逆向運動學(xué)。第二節(jié)機器人運動學(xué)第七章機器人三、多關(guān)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(guān)節(jié)運動速度之間的關(guān)系。設(shè)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(guān)節(jié)坐標矢量，則機械手的運動學(xué)方程可以寫成：x=x(q)上式兩邊對時間進行求導(dǎo)：為末端在坐標空間得廣義速度矢量；為關(guān)節(jié)速度矢量；為雅克比矩陣。第二節(jié)機器人運動學(xué)第七章機器人第三節(jié)機器人動力學(xué)

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

首先要建立機器人的動力學(xué)方程。

建立動力學(xué)方程的方法有兩種：牛頓——歐拉方程法和拉格朗日方程法。第七章機器人一、建立動力學(xué)方程的步驟計算任一連桿上任一質(zhì)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(dǎo)，導(dǎo)出動力學(xué)方程。第二節(jié)機器人運動學(xué)第七章機器人二、機器人的動態(tài)特性動態(tài)特性是機器人設(shè)計與分析時必須考慮的重要內(nèi)容，通常用質(zhì)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(zhì)量和慣量；提高結(jié)構(gòu)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(xué)第七章機器人一、概述控制系統(tǒng)是機器人的指揮中樞，負責(zé)對作業(yè)指令、內(nèi)外環(huán)境信息進行處理，并依據(jù)預(yù)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(yīng)的控制信號，通過驅(qū)動器驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)的各個關(guān)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(wù)。第四節(jié)機器人控制系統(tǒng)第七章機器人一、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)第七章機器人二、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(shè)備的通訊功能。應(yīng)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)第七章機器人二、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)第七章機器人二、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)第七章機器人二、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(guān)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(yīng)的各關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)運動參數(shù)。運動參數(shù)輸出到伺服控制級作為各關(guān)節(jié)伺服控制系統(tǒng)的給定信號，實現(xiàn)各關(guān)節(jié)的確定運動。

第四節(jié)機器人控制系統(tǒng)第七章機器人二、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(gòu)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(shè)計第四節(jié)機器人控制系統(tǒng)第七章機器人二、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(guān)節(jié)由一個伺服系統(tǒng)控制，多個關(guān)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(wù)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(fù)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)機器人的數(shù)學(xué)模型是一個多變量、非線性和變參數(shù)的復(fù)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(yīng)等復(fù)雜控制技術(shù)。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。第七章機器人三、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(shè)計以Intel公司的iSBC386／12系列計算機和iRMXⅢ實時多任務(wù)操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)，采用上、下兩級分布式計算機結(jié)構(gòu)。第七章機器人精密1號裝配機器人精密1號機器人是國家863計劃智能機器人主題立項研制的一臺SCARA結(jié)構(gòu)的4軸裝配機器人型號樣機。它采用直接驅(qū)動技術(shù)，具有較高的運動速度和定位精度，配有高性能的視覺和力覺傳感器，控制系統(tǒng)以Intel公司的iSBC386／12系列計算機和iRMXⅢ實時多任務(wù)操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)，采用上、下兩級分布式計算機結(jié)構(gòu)?？刂葡到y(tǒng)除具有一般的機器人控制器的功能外，還具有用戶多任務(wù)編程、可基于視覺和力覺傳感器信息控制、離線編程和圖形動畫仿真等特性。

第七章機器人“精密1號”控制系統(tǒng)的技術(shù)規(guī)格控制計算機CPU：80386/80387內(nèi)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(guān)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)第七章機器人“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(qū)動方式，在伺服控制算法中采用了動力學(xué)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(jié)構(gòu)設(shè)計，易于系統(tǒng)的維護和擴充。第四節(jié)機器人控制系統(tǒng)第七章機器人控制器硬件系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)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(guān)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(qū)動器的并行數(shù)字給定信號轉(zhuǎn)換為串行脈沖信號第七章機器人控制器軟件系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)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(nèi)存。下位機軟件系統(tǒng)主要用于對機器人的四個關(guān)節(jié)進行位置伺服控制，利用iRM