第七章 機(jī)器人課件

第七章機(jī)器人第七章機(jī)器人本章內(nèi)容概述機(jī)器人運(yùn)動學(xué)機(jī)器人動力學(xué)機(jī)器人控制系統(tǒng)機(jī)器人應(yīng)用的典型實(shí)例第七章機(jī)器人一、機(jī)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(jī)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(jī)器人的安全、感知和自我繁殖問題。科學(xué)技術(shù)的進(jìn)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(shí)。第一節(jié)概述第七章機(jī)器人機(jī)器人三原則與機(jī)器人學(xué)IsaacAsimov在《I’mRobot》中提出了“機(jī)器人三原則”：Arobotmustnotharmahumanbeingor,throughinaction,allowonetocomeharm.Arobotmustalwaysobeyhumanbeingsunlessthatisconflictwiththefirstlaw.Arobotprotectitselffromharmunlessthatisconflictwiththefirstorsecondlaws.并首次出現(xiàn)了“機(jī)器人學(xué)Robotics”的概念第一節(jié)概述第七章機(jī)器人機(jī)器人不應(yīng)傷害人類，而且不能忽視機(jī)器人傷害人類；

機(jī)器人應(yīng)遵守人類的命令，與第一條違背的命令除外；

機(jī)器人應(yīng)能保護(hù)自己，與第二條相抵觸者除外第七章機(jī)器人什么是機(jī)器人學(xué)？機(jī)器人學(xué)是人們設(shè)計(jì)和應(yīng)用機(jī)器人的技術(shù)和知識。機(jī)器人系統(tǒng)不僅由機(jī)器人組成，還需要其他裝置和系統(tǒng)連同機(jī)器人一起來共同完成必需的任務(wù)。機(jī)器人學(xué)是一門交叉學(xué)科，它得益于機(jī)械工程、電氣與電子工程、計(jì)算機(jī)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(jī)器人什么是機(jī)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(shí)期，機(jī)器人的內(nèi)涵也不同第一節(jié)概述第七章機(jī)器人機(jī)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(jī)器人二、機(jī)器人的組成第一節(jié)概述機(jī)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(jī)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(jī)械手最后一個(gè)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(jì)的。通常，其動作有機(jī)器人控制器直接控制?！凹∪狻?，常見的驅(qū)動器有伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、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(jī)器人內(nèi)部狀態(tài)的信息或用來與外部環(huán)境進(jìn)行通信?！按竽X”，計(jì)算機(jī)器人關(guān)節(jié)的運(yùn)動，確定每個(gè)關(guān)節(jié)應(yīng)移動多少和多遠(yuǎn)才能達(dá)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(jì)算機(jī)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(jī)器人的運(yùn)動。操作系統(tǒng)：用來操作計(jì)算機(jī)機(jī)器人軟件：根據(jù)機(jī)器人的運(yùn)動方程計(jì)算每個(gè)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(jī)器人外部設(shè)備或?yàn)榱藞?zhí)行特定任務(wù)而開發(fā)第七章機(jī)器人三、機(jī)器人的分類按照機(jī)器人的技術(shù)發(fā)展水平分類：示教再現(xiàn)機(jī)器人

示教－>記憶－>再現(xiàn)數(shù)控機(jī)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(jī)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(jī)器人三、機(jī)器人的分類按照機(jī)器人的機(jī)構(gòu)特征分類：直角坐標(biāo)機(jī)器人柱面坐標(biāo)機(jī)器人球面坐標(biāo)機(jī)器人多關(guān)節(jié)型機(jī)器人第一節(jié)概述第七章機(jī)器人三、機(jī)器人的分類第一節(jié)概述直角坐標(biāo)機(jī)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(jī)器人三、機(jī)器人的分類第一節(jié)概述圓柱坐標(biāo)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(yùn)，例如Versatran機(jī)器人第七章機(jī)器人三、機(jī)器人的分類第一節(jié)概述極坐標(biāo)、球坐標(biāo)型（2RP）結(jié)構(gòu)緊湊，所占空間較小。第七章機(jī)器人三、機(jī)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(jī)器人三、機(jī)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(yùn)、弧焊、噴涂、點(diǎn)焊等第七章機(jī)器人三、機(jī)器人的分類按照機(jī)器人的用途分類：工業(yè)機(jī)器人：

焊接、噴漆、碼垛、裝配、搬運(yùn)農(nóng)業(yè)機(jī)器人：

耕種、施肥、噴藥、嫁接、移載、收獲、灌溉、養(yǎng)殖探索機(jī)器人：

水下、太空、空間、危險(xiǎn)環(huán)境服務(wù)機(jī)器人：

清潔、護(hù)理、救援、娛樂、保安其它機(jī)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(jī)器人四、機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)展

工業(yè)機(jī)器人技術(shù)在機(jī)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(jìn)展：機(jī)器人操作機(jī)已實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化設(shè)計(jì)（包括材料、構(gòu)型和驅(qū)動單元方面）；控制軸數(shù)增多，實(shí)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(shí)現(xiàn)了與總線和一些網(wǎng)絡(luò)的連接；機(jī)器人可靠性大幅度提高；第一節(jié)概述第七章機(jī)器人四、機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)展各種用于非制造業(yè)的機(jī)器人系統(tǒng)有了長足的進(jìn)展：農(nóng)業(yè)機(jī)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(jìn)展；水下機(jī)器人；空間和太空機(jī)器人；服務(wù)機(jī)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(jī)器人機(jī)器人運(yùn)動學(xué)要解決的問題機(jī)器人運(yùn)動學(xué)通過研究機(jī)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(jī)器人本體運(yùn)動的數(shù)學(xué)模型，為機(jī)器人的運(yùn)動控制和機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。正向運(yùn)動學(xué)問題（用于機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)）已知各關(guān)節(jié)變量，求取機(jī)械手末端位姿；逆向運(yùn)動學(xué)問題（用于運(yùn)動控制）已知機(jī)械手末端位姿，求取各關(guān)節(jié)變量；第二節(jié)機(jī)器人運(yùn)動學(xué)第七章機(jī)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(jī)器人運(yùn)動學(xué)連桿移動關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)第七章機(jī)器人剛體在空間中的位置描述第二節(jié)機(jī)器人運(yùn)動學(xué)在直角坐標(biāo)系A(chǔ)中，空間任意一點(diǎn)p的位置可用3x1列向量(位置矢量)表示：第七章機(jī)器人剛體在空間中的姿態(tài)描述第二節(jié)機(jī)器人運(yùn)動學(xué)上述矩陣稱為旋轉(zhuǎn)矩陣第七章機(jī)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(biāo)的原點(diǎn)位置矢量和旋轉(zhuǎn)矩陣表示，即表示位置時(shí)，表示姿態(tài)時(shí)，第二節(jié)機(jī)器人運(yùn)動學(xué)第七章機(jī)器人齊次坐標(biāo)變換兩剛體在空間中的位姿關(guān)系可通過齊次坐標(biāo)變換來建立：第二節(jié)機(jī)器人運(yùn)動學(xué)yAzAxAOAOByBzBxBPAPAPBOBP第七章機(jī)器人二、多關(guān)節(jié)機(jī)器人的運(yùn)動分析第二節(jié)機(jī)器人運(yùn)動學(xué)機(jī)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(gè)連桿在關(guān)節(jié)處設(shè)置一個(gè)連桿坐標(biāo)系，該連桿坐標(biāo)系隨關(guān)節(jié)運(yùn)動而運(yùn)動。第七章機(jī)器人二、多關(guān)節(jié)機(jī)器人的運(yùn)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(biāo)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(biāo)的位姿為手爪相對于基座的位姿:第二節(jié)機(jī)器人運(yùn)動學(xué)注意前后順序第七章機(jī)器人二、多關(guān)節(jié)機(jī)器人的運(yùn)動分析上式稱為機(jī)械手的運(yùn)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(jī)械手末端相對于基座的位姿——正向運(yùn)動學(xué)。若已知機(jī)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(yùn)動學(xué)。第二節(jié)機(jī)器人運(yùn)動學(xué)第七章機(jī)器人三、多關(guān)節(jié)機(jī)器人的速度分析速度分析是研究機(jī)器人手部操作速度與關(guān)節(jié)運(yùn)動速度之間的關(guān)系。設(shè)x為表示機(jī)械手末端位姿的廣義位置矢量，q為機(jī)械手得關(guān)節(jié)坐標(biāo)矢量，則機(jī)械手的運(yùn)動學(xué)方程可以寫成：x=x(q)上式兩邊對時(shí)間進(jìn)行求導(dǎo)：為末端在坐標(biāo)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(jī)器人運(yùn)動學(xué)第七章機(jī)器人第三節(jié)機(jī)器人動力學(xué)

機(jī)器人動力學(xué)研究的是機(jī)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(jī)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——?dú)W拉方程法和拉格朗日方程法。第七章機(jī)器人一、建立動力學(xué)方程的步驟計(jì)算任一連桿上任一質(zhì)點(diǎn)得速度；計(jì)算各連桿的動能和機(jī)械臂的總動能；計(jì)算各連桿的位能和機(jī)械臂的總位能；建立機(jī)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(jī)器人運(yùn)動學(xué)第七章機(jī)器人二、機(jī)器人的動態(tài)特性動態(tài)特性是機(jī)器人設(shè)計(jì)與分析時(shí)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(jī)器人動力學(xué)第七章機(jī)器人一、概述控制系統(tǒng)是機(jī)器人的指揮中樞，負(fù)責(zé)對作業(yè)指令、內(nèi)外環(huán)境信息進(jìn)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(jī)構(gòu)的各個(gè)關(guān)節(jié)，按確定的順序、軌跡、速度和加速度運(yùn)動，完成制定的任務(wù)。第四節(jié)機(jī)器人控制系統(tǒng)第七章機(jī)器人一、概述目前，機(jī)器人控制器是一個(gè)由計(jì)算機(jī)控制的高性能控制器。

控制軸數(shù)增多，體積減小，價(jià)格走低。并實(shí)現(xiàn)了軟件控制和數(shù)字控制，系統(tǒng)的可靠性增強(qiáng)。第四節(jié)機(jī)器人控制系統(tǒng)第七章機(jī)器人二、機(jī)器人控制系統(tǒng)的組成特點(diǎn)對機(jī)器人控制系統(tǒng)的一般要求：實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人位姿、速度、加速度等的控制功能，對于連續(xù)軌跡運(yùn)動的機(jī)器人還必須具有軌跡的規(guī)劃與控制功能。方便的人機(jī)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(jī)器人控制系統(tǒng)第七章機(jī)器人二、機(jī)器人控制系統(tǒng)的組成特點(diǎn)第四節(jié)機(jī)器人控制系統(tǒng)第七章機(jī)器人二、機(jī)器人控制系統(tǒng)的組成特點(diǎn)機(jī)器人控制系統(tǒng)的一般組成第四節(jié)機(jī)器人控制系統(tǒng)第七章機(jī)器人二、機(jī)器人控制系統(tǒng)的組成特點(diǎn)主控制計(jì)算機(jī)接到作業(yè)指令以后執(zhí)行相關(guān)程序，分析解釋指令，進(jìn)行坐標(biāo)變換、插補(bǔ)計(jì)算、矯正計(jì)算，最后求取相應(yīng)的各關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)運(yùn)動參數(shù)。運(yùn)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(shí)現(xiàn)各關(guān)節(jié)的確定運(yùn)動。

第四節(jié)機(jī)器人控制系統(tǒng)第七章機(jī)器人二、機(jī)器人控制系統(tǒng)的組成特點(diǎn)多軸伺服電機(jī)的控制則由以插卡形式插在計(jì)算機(jī)總線（如ISA總線和PCI總線）插槽上的運(yùn)動控制器實(shí)現(xiàn)。這種運(yùn)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(yùn)動控制卡設(shè)計(jì)第四節(jié)機(jī)器人控制系統(tǒng)第七章機(jī)器人二、機(jī)器人控制系統(tǒng)的組成特點(diǎn)機(jī)器人控制系統(tǒng)的特點(diǎn)：機(jī)器人的每個(gè)關(guān)節(jié)由一個(gè)伺服系統(tǒng)控制，多個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動要求各個(gè)伺服系統(tǒng)協(xié)同工作。機(jī)器人的工作任務(wù)是要求操作機(jī)的末端執(zhí)行器進(jìn)行空間點(diǎn)位運(yùn)動或連續(xù)軌跡運(yùn)動。對機(jī)器人的運(yùn)動控制，需要進(jìn)行復(fù)雜的坐標(biāo)變換運(yùn)算，以及矩陣函數(shù)的逆運(yùn)算。第四節(jié)機(jī)器人控制系統(tǒng)機(jī)器人的數(shù)學(xué)模型是一個(gè)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(jī)器人控制中經(jīng)常使用前饋、補(bǔ)償、解耦和自適應(yīng)等復(fù)雜控制技術(shù)。更高級的機(jī)器人要求對環(huán)境條件、控制指令進(jìn)行測定和分析．采用計(jì)算機(jī)建立龐大的信息庫，用人工智能的方法進(jìn)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(jī)器人三、機(jī)器人控制系統(tǒng)實(shí)例“精密1號”第四節(jié)機(jī)器人控制系統(tǒng)

其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以Intel公司的iSBC386／12系列計(jì)算機(jī)和iRMXⅢ實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)，采用上、下兩級分布式計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)。第七章機(jī)器人精密1號裝配機(jī)器人精密1號機(jī)器人是國家863計(jì)劃智能機(jī)器人主題立項(xiàng)研制的一臺SCARA結(jié)構(gòu)的4軸裝配機(jī)器人型號樣機(jī)。它采用直接驅(qū)動技術(shù)，具有較高的運(yùn)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(jì)算機(jī)和iRMXⅢ實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)，采用上、下兩級分布式計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)?？刂葡到y(tǒng)除具有一般的機(jī)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(jī)器人“精密1號”控制系統(tǒng)的技術(shù)規(guī)格控制計(jì)算機(jī)CPU：80386/80387內(nèi)存儲器：2MB（上位機(jī)），1MB（下位機(jī)）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(jī)器人語言ARL開關(guān)量I/O：16入/16出采樣周期：16ms（上位機(jī)），2ms（下位機(jī)）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(jī)器人控制系統(tǒng)第七章機(jī)器人“精密1號”控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)操作及編程功能完善?？苫谝曈X和力覺傳感器信息對機(jī)器人運(yùn)動進(jìn)行控制。系統(tǒng)配有一個(gè)運(yùn)行于Windows環(huán)境下的離線編程和圖形仿真系統(tǒng)。針對機(jī)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(bǔ)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(jì)，易于系統(tǒng)的維護(hù)和擴(kuò)充。第四節(jié)機(jī)器人控制系統(tǒng)第七章機(jī)器人控制器硬件系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)第四節(jié)機(jī)器人控制系統(tǒng)上位計(jì)算機(jī)的主要功能是進(jìn)行人機(jī)交互控制、機(jī)器人運(yùn)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(shí)控制機(jī)器人運(yùn)動的功能，而且具有顯示／修改示教點(diǎn)、編輯程序和數(shù)據(jù)、控制系統(tǒng)運(yùn)行等功能下位計(jì)算機(jī)的主要功能是接收上位計(jì)算機(jī)發(fā)出的各種運(yùn)動控制命令，控制各關(guān)節(jié)的運(yùn)動，此外，下位計(jì)算機(jī)還實(shí)時(shí)檢測伺服系統(tǒng)的狀態(tài)，并向上位機(jī)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(jìn)行處理和計(jì)數(shù)、將下位機(jī)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(jī)器人控制器軟件系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)第四節(jié)機(jī)器人控制系統(tǒng)上位機(jī)軟件系統(tǒng)ARL是對“精密1號”機(jī)器人進(jìn)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(jī)時(shí)加載到內(nèi)存。下位機(jī)軟件系統(tǒng)主要用于對機(jī)器人的四個(gè)關(guān)節(jié)進(jìn)行位置伺服控制，利用iRM