機器人的組成系統(tǒng)

1、工業(yè)機器人由主體、驅動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三個基本部分組成。主體即機座和執(zhí)行機構，包括腰部、肩部、肘部和手腕部，其中手腕部有3 個運動自由度。驅動系統(tǒng)包括動力裝置和傳動機構，用以使執(zhí)行機構產生相應的動作。控制系統(tǒng)是按照輸入的程序對驅動系統(tǒng)和執(zhí)行機構發(fā)出指令信號，并進行控制。工業(yè)機器人按執(zhí)行機構運動的控制機能，又可分點位型和連續(xù)軌跡型。點位型只控制執(zhí)行機構由一點到另一點的準確定位，適用于機床上下料、點焊和一般搬運、裝卸等作業(yè)；連續(xù)軌跡型可控制執(zhí)行機構按給定軌跡運動，適用于連續(xù)焊接和涂裝等作業(yè)。工業(yè)機器人按程序輸入方式區(qū)分有編程輸入型和示教輸入型兩類。編程輸入型是將計算機上已編好的作業(yè)程序文件，通過RS

2、232 串口或者以太網等通信方式傳送到機器人控制柜。示教輸入型的示教方法有兩種：一種是由操作者用手動控制器（示教操縱盒）， 將指令信號傳給驅動系統(tǒng)，使執(zhí)行機構按要求的動作順序和運動軌跡操演一遍；另一種是由操作者直接領動執(zhí)行機構，按要求的動作順序和運動軌跡操演一遍。在示教過程的同時，工作程序的信息即自動存入程序存儲器中在機器人自動工作時，控制系統(tǒng)從程序存儲器中檢出相應信息，將指令信號傳給驅動機構，使執(zhí)行機構再現(xiàn)示教的各種動作。示教輸入程序的工業(yè)機器人稱為示教再現(xiàn)型工業(yè)機器人。幾個問題：（1 ）巨輪機器人JLRB20KG 機器人是點位型還是連續(xù)軌跡型？（2 ）能不能編寫一個簡單程序，使機器人能夠的

3、末端能夠走一個圓？（3 ）能不能控制機器人中每一個電機的輸出功率或扭矩？（4）機器人每一個關節(jié)從驅動電機到執(zhí)行機構的傳遞效率有沒有？二 工業(yè)機器人的主體機器人本體由機座、腰部、大臂、小臂、手腕、末端執(zhí)行器和驅動裝置組成。共有六個自由度，依次為腰部回轉、大臂俯仰、小臂俯仰、手腕回轉、手腕俯仰、手腕側擺。機器人采用電機驅動，電機分為步進電機或直流伺服電機。直流伺服電機能構成閉環(huán)控制、精度高、額定轉速高、但價格較高，而步進電機驅動具有成本低、控制系統(tǒng)簡單。各部件組成和功能描述如下：（ 1 ） 基座： 基座是機器人的基礎部分，起支撐作用。整個執(zhí)行機構和驅動裝置都安裝在基座。腰部： 腰部是機器人手臂的支

4、撐部分，腰部回轉部件包括腰部支架、回轉軸、 支架、諧波減速器、制動器和步進電機等。大臂：大臂和傳動部件小臂：小臂、減速齒輪箱、傳動部件、傳動軸等，在小臂前端固定驅動手腕三個運動的步進電機。手腕部件：手腕殼體、傳動齒輪和傳動軸、機械接口等。末端執(zhí)行器：根據(jù)抓取物體的形狀、材質等選擇合理的結構。目前， 在工業(yè)機器人中廣泛采用的機械傳動單元是減速器，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、質量輕和易于控制等特點。常用的減速器主要有：RV 減速器和諧波減速器。RV 減速器一般用在腰關節(jié)、肩關節(jié)和肘關節(jié)等重載位置處，而諧波減速器用于手腕的三個關節(jié)等輕載位置處。1 ） 諧波減速

5、器諧波減速器由固定的剛性內齒輪、一個工作時可產生徑向彈性變形并帶有外齒的柔輪和一個裝在柔輪內部、呈橢圓形、外圈帶有柔性滾動軸承的波發(fā)生器等3 個基本構件組成。當波發(fā)生器轉入柔輪后，迫使柔輪的剖面由原先的圓形變?yōu)闄E圓形，其長軸兩端附近的齒與剛輪的齒完全嚙合，而短軸兩端附近的齒則與剛輪完全脫開，周長上其他區(qū)段的齒處于嚙合和脫離的過渡狀態(tài)。（ 2）RV 減速器與諧波減速器相比，RV 減速器具有較高的疲勞強度和剛度以及較長的壽命，而且回差精度穩(wěn)定，不想諧波傳動，隨著使用時間的增長，運動精度就會顯著降低，故高精度機器人傳動多采用RV 減速器，且有逐漸取代諧波減速器的趨勢。RV 減速器是由第一級漸開線圓柱

6、齒輪行星減速機構和第二級擺線針輪行星減速機構組成，是一封閉差動輪系。目前，在工業(yè)機器人中常用的驅動電機是交流伺服電機。交流伺服電機為恒力矩輸出，即在其額定轉速（一般為2000RPM 或 3000RPM）以內，都能輸出額定轉矩，在額定轉速以上為恒功率輸出。交流伺服電機具有較強的過載能力，具有速度過載和轉矩過載能力，其最大轉矩可達額定轉矩的三倍，可用于克服慣性負載在啟動瞬間的慣性力矩。電機的輸出扭矩與功率的關系：T = 9550 P / n 。 T，扭矩，Nm； P，功率，KW； n，轉速，r/min ； 9550 是系數(shù)。扭矩、功率、轉速之間，有關系。工業(yè)機器人的示教器示教器也稱示教編程器或示教

7、盒，主要由液晶屏幕和操作按鍵組成，可由操作者手持移動。 它是機器人的人機交互接口，機器人的所有操作基本上都是通過示教器完成的，如點動機器人，編寫、測試和運行機器人程序，設定、查閱機器人狀態(tài)設置和位置等。工業(yè)機器人的技術指標機器人的技術指標反映了機器人的適用范圍和工作性能，是選擇、 使用機器人必須考慮的問題。最大負載：作用于機器人手腕末端，且不會使機器人性能降低的最大載荷定位精度：又稱絕對定位精度，是指機器人末端執(zhí)行器實際到達位置與目標位置之間的差異。重復定位精度：指機器人重復到達某一目標位置的差異程度；或在相同的位置指令下，機器人連續(xù)重復若干次其位置的分散情況。一般而言，工業(yè)機器人的絕對定位精

8、度要比重復定位精度低一到兩個數(shù)量級，其原因是未考慮機器人本體的制造誤差、工件加工誤差及工件定位誤差情況下使用機器人的運動學模型來確定機器人末端執(zhí)行器的位置。最大工作速度。在各軸聯(lián)動情況下，機器人手腕中心所能達到的最大線速度。最大工作速度越高，生產效率就越高。工業(yè)機器人的控制系統(tǒng)機器人控制系統(tǒng)是機器人的大腦，是決定機器人功能和性能的主要因素。機器人控制器是根據(jù)指令以及傳感信息控制機器人完成一定動作或作業(yè)任務的裝置。工業(yè)機器人控制技術的主要任務就是控制工業(yè)機器人在工作空間中的運動位置、姿態(tài)和軌跡、操作順序及動作的時間等。具有編程簡單、軟件菜單操作、友好的人機交互界面、在線操作提示和使用方便等特點。

9、其基本功能如下：示教功能。分為在線示教和離線示教兩種方式。記憶功能。存儲作業(yè)順序、運動路徑和方式及與生產工藝有關的信息等。與外圍設備聯(lián)系功能。包括輸入/輸出接口、通信接口、網絡接口等。傳感器接口。位置檢測、視覺、觸覺、力覺等。故障診斷安全保護功能。運行時的狀態(tài)監(jiān)視、故障狀態(tài)下的安全保護和自診斷。其關鍵技術包括：開放性模塊化的控制系統(tǒng)體系結構：采用分布式CPU 計算機結構，分為機器人控制器（RC），運動控制器（MC） ，光電隔離I/O 控制板、傳感器處理板和編程示教盒等。機器人控制器（RC）和編程示教盒通過串口/CAN 總線進行通訊。機器人控制器（RC）的主計算機完成機器人的運動規(guī)劃、插補和位置

10、伺服以及主控邏輯、數(shù)字 I/O、 傳感器處理等功能，而編程示教盒完成信息的顯示和按鍵的輸入。模塊化層次化的控制器軟件系統(tǒng)：軟件系統(tǒng)建立在基于開源的實時多任務操作系統(tǒng) Linux 上，采用分層和模塊化結構設計，以實現(xiàn)軟件系統(tǒng)的開放性。整個控制器軟件系統(tǒng)分為三個層次：硬件驅動層、核心層和應用層。三個層次分別面對不同的功能需求，對應不同層次的開發(fā)，系統(tǒng)中各個層次內部由若干個功能相對對立的模塊組成，這些功能模塊相互協(xié)作共同實現(xiàn)該層次所提供的功能。機器人的故障診斷與安全維護技術：通過各種信息，對機器人故障進行診斷，并進行相應維護，是保證機器人安全性的關鍵技術。網絡化機器人控制器技術：當前機器人的應用工程

11、由單臺機器人工作站向機器人生產線發(fā)展，機器人控制器的聯(lián)網技術變得越來越重要。控制器上具有串口、現(xiàn)場總線及以太網的聯(lián)網功能?？捎糜跈C器人控制器之間和機器人控制器同上 位機的通訊，便于對機器人生產線進行監(jiān)控、診斷和管理。根據(jù)計算機結構、控制方式和控制算法的處理方法，機器人控制器又可分為集中式控制和分布式控制。集中式控制器。利用一臺微型計算機實現(xiàn)系統(tǒng)的全部控制功能。其優(yōu)點是硬件成本較低，便于信息的采集和分析，易于實現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)控制，整體性與協(xié)調性較好，基于PC 的硬件擴展方便。其缺點是靈活性、可靠性、實時性較差。分布式控制器。主要思想是“分散控制，集中管理”，分布式系統(tǒng)常采用兩級控制方式，由上位機和

12、下位機組成。上位機（機器人主控制器）負責整個系統(tǒng)管理以及運動學計算、軌跡規(guī)劃等，下位機由多CPU 組成，每個CPU 控制一個關節(jié)運動。上、下位機通過通信總線相互協(xié)調工作。其優(yōu)點是系統(tǒng)靈活性好、可靠性提高、響應時間短，有利于系統(tǒng)功能的并行執(zhí)行。工業(yè)機器人的控制系統(tǒng)需要由相應的硬件和軟件組成，硬件主要由傳感裝置、控制裝置及關節(jié)伺服驅動部分組成，軟件包括運動軌跡規(guī)劃算法和關節(jié)伺服控制算法與相應的工作程序。 傳感裝置分為內部傳感器和外部傳感器，內部傳感器主要用于檢測工業(yè)機器人內部的各關節(jié)的位置、速度和加速度等，而外部傳感器是可以使工業(yè)機器人感知工作環(huán)境和工作對象狀態(tài)的視覺、力覺、觸覺、聽覺、滑覺、接近

13、覺、溫度覺等傳感器?？刂蒲b置用于處理各種感覺信息，執(zhí)行控制軟件，產生控制指令。關節(jié)伺服驅動部分主要根據(jù)控制裝置的指令，按作業(yè)任務的要求驅動各關節(jié)運動。工業(yè)機器人的運動軌跡與位置控制機器人的作業(yè)實質是控制機器人末端執(zhí)行器的位姿，以實現(xiàn)點位運動或連續(xù)路徑運。點位運動 （ PTP） 。 點位運動只關心機器人末端執(zhí)行器運動的起點和目標點位姿，而不關心這兩點之間的運動軌跡。連續(xù)路徑運動（CP） 。連續(xù)路徑運動不僅關系機器人末端執(zhí)行器達到目標點的精度， 而且必須保證機器人能沿所期望的軌跡在一定精度范圍內重復運動。機器人連續(xù)路徑運動的實現(xiàn)是以點位運動為基礎，通過在相鄰兩點之間采用滿足精度要求的直線或圓弧軌跡

14、插補運算即可實現(xiàn)軌跡的連續(xù)化。機器人再現(xiàn)時，主控制器（上位機）從存儲器中逐點取出各示教點空間位姿坐標值，通過對其進行直線或圓弧插補運算，生成相應路徑規(guī)劃，然后把各插補點的位姿坐標值通過運動學逆解運算換成關節(jié)角度值，分送機器人各關節(jié)或關節(jié)控制器。工業(yè)機器人控制方式有不同的分類，如按被控對象不同可分為位置控制、速度控制、加速度控制、力控制、力矩控制、力和位置混合控制等，而位置控制是工業(yè)機器人的基本控制任務。問題：要求機器人系統(tǒng)模塊化，我們可以給機器人系統(tǒng)中各模塊發(fā)送指令，并獲取各模塊的輸出。機器人系統(tǒng)部分非核心模塊應該可以關閉或打開，被關閉的模塊即使接受到指令也應處非活躍狀態(tài)。我們可以寫自己的模塊

15、，并通過個人編寫的模塊調用系統(tǒng)模塊，實現(xiàn)對系統(tǒng)模塊的控制。機器人路徑規(guī)劃一般給定起始點和終止點，然后通過插補運算得到路徑，但我希望能將路徑規(guī)劃模塊化，我可以給路徑規(guī)劃模塊實時發(fā)送終止點指令，獲得規(guī)劃路徑。將路徑送入運動學逆解求解模塊獲取關節(jié)的轉動角度，將該轉動角度與期望速度和加速度（速度、加速度可以實時調整）相結合控制機器人的操作空間動力學模型。在必要情況下，在未到達終止點時，若終止點發(fā)生變化，可以從當前點重新規(guī)劃到新終止點的路徑。將機器人的坐標系（關節(jié)坐標系、全局坐標系、工件坐標系等）模塊化，可以通過指令進行坐標系轉換。將機器人末端位置、速度、加速度和每一個關節(jié)位置、速度、加速度模塊化，我們

16、可以調取機器人末端及關節(jié)信息，并可以直接對末端及關節(jié)位置、速度、加速度發(fā)送指令以便于進行控制。機器人中的每一個關節(jié)是否都有制動器？機器人末端執(zhí)行器更換時如何進行標定？機器人誤差補償模塊化。機器人本體的三維建模公司開發(fā)的焊接機器人有沒有研究在障礙物未知情況下的避障規(guī)劃？有沒有研究碰撞檢測方面的工作？把一個物體隨工業(yè)機器人的軌跡規(guī)劃機器人規(guī)劃的基本概念所謂機器人的規(guī)劃(P1anning)，指的是機器人根據(jù)自身的任務，求得完成這一任務的解決方案的過程。這里所說的任務，具有廣義的概念，既可以指機器人要完成的某一具體任務，也可以是機器人的某個動作，比如手部或關節(jié)的某個規(guī)定的運動等。為說明機器人規(guī)劃的概念

17、，我們舉下面的例子：在一些老齡化比較嚴重的國家，開發(fā)了各種各樣的機器人專門用于伺候老人，這些機器人有不少是采用聲控的方式比如主人用聲音命令機器人 “給我倒一杯開水” ，我們先不考慮機器人是如何識別人的自然語言，而是著重分析一下機器人在得到這樣一個命今后，如何來完成主人交給的任務。首先， 機器人應該把任務進行分解，把主人交代的任務分解成為 “取一個杯子” 、 “找到水壺”、 “打開瓶塞”、 “把水倒人杯中”、 “把水送給主人”等一系列子任務。這一層次的規(guī)劃稱為任務規(guī)劃 (Task planning)，它完成總體任務的分解。然后再針對每一個子任務進行進一步的規(guī)劃。以 “把水倒入杯中”這一子任務為例

18、， 可以進一步分解成為 “把水壺提到杯口上方”、 “把水壺傾斜倒水入杯”、“把水壺豎直”、 “把水壺放回原處”等一系列動作，這一層次的規(guī)劃稱為動作規(guī)劃 (Motion P1anning)，它把實現(xiàn)每一個子任務的過程分解為一系列具體的動作。為了實現(xiàn)每一個動作，需要對手部的運動軌跡進行必要的規(guī)定，這是 手部軌跡規(guī)劃 (Hand trajectory planning )。為了使手部實現(xiàn)預定的運動，就要知道各關節(jié)的運動規(guī)律，這是 關節(jié)軌跡規(guī)劃 (Joint trajectory planning)。最后才是關節(jié)的運動控制(Motion control)。上述例子可以看出，機器人的規(guī)劃是分層次的，從高

19、層的任務規(guī)劃，動作規(guī)劃到手部軌跡規(guī)劃和關節(jié)軌跡規(guī)劃，最后才是底層的控制（見下圖）。在上述例子中，我們沒有討論力的問題，實際上，對有些機器人來說，力的大小也是要控制的，這時，除了手部或關節(jié)的軌跡規(guī)劃，還要進行手部和關節(jié)輸出力的規(guī)劃。智能化程度越高，規(guī)劃的層次越多，操作就越簡單。對工業(yè)機器人來說，高層的任務規(guī)劃和動作規(guī)劃一般是依賴人來完成的。般的工業(yè)機器人不具備力的反饋，所以， 工業(yè)機器人通常只具有軌跡規(guī)劃的和底層的控制功能。（要實現(xiàn)人機協(xié)同裝配，則人也負責完成軌跡形狀（直角空間）和時間 （人的動作時間）的規(guī)劃， 怎么使機器人理解人的軌跡形狀并得到關節(jié)轉角、速度、加速度等呢？）軌跡規(guī)劃的目的是將操

20、作人員輸入的簡單的任務描述變?yōu)樵敿毜倪\動軌跡描述。例如， 對一般的工業(yè)機器人來說，操作員可能只輸入機械手末端的目標位置和方位，而規(guī)劃的任務便是要確定出達到目標的關節(jié)軌跡的形狀、運動的時間和速度等。這里所說的軌跡是指隨時間變化的位置、速度和加速度。簡言之，機器人的工作過程，就是通過規(guī)劃，將要求的任務變?yōu)槠谕倪\動和力（通過機器人動力學方程得到末端的輸出力與轉矩，如何控制機器人末端輸出的力和轉矩，由控制環(huán)節(jié)根據(jù)期望的運動和力的信號，產生相應的控制作用，以使機 TOC o 1-5 h z 器人輸出實際的運動和力，從而完成期望的任務。這一過程表述如下圖所示。這里， 機器人實際運動的情況通常還要反饋給規(guī)

21、劃級和控制級，以便對規(guī)劃和控制上圖中， 要求的任務由操作人員輸入給機器人，為了使機器人操作方便、使用簡單， 必須允許操作人員給出盡量簡單的描述。上圖中， 期望的運動和力是進行機器人控制所必需的輸入量，它們是機械手末端在每一個時刻的位姿和速度，對于絕大多數(shù)情況，還要求給出每一時刻期望的關節(jié)位移和速度，有些控制方法還要求給出期望的加速度等。機器人 PTP控制和 CP控制對于PTP( Pointto Point)控制:通常只給出機械手末端的起點和終點，有時也給出一些中間經過點，所有這些點統(tǒng)稱為路徑點 。應注意這里所說的“點”不僅包括機械手末端的位置，而且包括方位，因此描述一個點通常需要6 個量。 通

22、常希望機械手末端的運動是光滑的， 即它具有連續(xù)的一階導數(shù)，有時甚至要求具有連續(xù)的二階導數(shù)。不平滑的運動容易造成機構的磨損和破壞，甚至可能激發(fā)機械手的振動。因此規(guī)劃的任務便是要根據(jù)給定的路徑點規(guī)劃出通過這些點的光滑的運動軌跡。對于 CP 控制 :機械手末端的運動軌跡是根據(jù)任務的需要給定的， 但是它也必須按照一定的采樣間隔，通過逆運動學計算，將其變換到關節(jié)空間，然后在關節(jié)空間中尋找光滑函數(shù)來擬合這些離散點最后， 還有在機器人的計算機內部如何表示軌跡，以及如何實時地生成軌跡的問題。關節(jié)空間軌跡規(guī)劃和直角空間軌跡規(guī)劃軌跡規(guī)劃問題又可以分為關節(jié)空間的軌跡規(guī)劃和直角空間的軌跡規(guī)劃。（ 1）關節(jié)空間軌跡規(guī)劃

23、關節(jié)空間法首先將在工具空間中期望的路徑點，通過逆運動學計算，得到期望的關節(jié)位置，然后在關節(jié)空間內，給每個關節(jié)找到一個經過中間點到達目的終點的光滑函數(shù)，同時使得每個關節(jié)到達中間點和終點的時間相同，這樣便可保證機械手工具能夠到達期望的直角坐標位置。這里只要求各個關節(jié)在路徑點之間的時間相同，而各個關節(jié)的光滑函數(shù)的確定則是互相獨立的。下面具體介紹在關節(jié)空間內常用的兩種規(guī)劃方法1）三次多項式函數(shù)插值考慮機械手末端在一定時間內從初始位置和方位移動到目標位置和方位的問題。利用逆運動學計算，可以首先求出一組起始和終了的關節(jié)位置現(xiàn)在的問題是求出一組通過起點和終點的光滑函數(shù)。滿足這個條件的光滑函數(shù)可以有許多條，如下圖所示：顯然，這些光滑函數(shù)必須滿足以下條件：a0q0a103a22 qf q0tf2a33 q fq0tf2）拋