機器人基礎

機器人是什么？機器人是如何工作的？機械專業學生對機器人要掌握哪些內容？第一章緒論§1.1機器人的發展歷史

古代人們期望生產機器替代人類勞動。1921年，捷克作家KarelCapek在其科幻小說《羅素姆的萬能勞工（UniversalRobot）》首次使用機器人詞。Capek夢想著有這樣的情況，即生物過程可以創造出類人的機器，他們雖然缺乏感情和靈魂，但他們身體強壯并服從主人的命令，而且這些機器能夠快速而廉價地生產出來。

機器人市場很快發展起來，很多國家都想用成百上千的機器人士兵裝備軍隊，為他們賣命，即使傷亡也不足惜。最終機器人認定自己已經比人類優越，并試圖從人類手中接管這個世界。這個故事中出現的名字rabota，即勞動者，一直沿用到今天。

機器人主要基于大規模生產考慮主要有以下兩個原因：1、勞動強度2、盡量使用機器人完成簡單、重復的作業以降低成本。1950年，Asimov在其出版的《我，機器人》一書中，給機器人定下了三原則：

1、不傷害人類；2、在原則一下服從人給出的命令；3、在與上兩個原則不矛盾的前提下保護自身

40年代末期美國阿爾貢國家實驗室遙控機械手的發展用于操作放射性材料(遙控式、雙向主從式機械手)

1953年：MIT研制成功第一臺數控銑床

機械手+NC技術—>第一臺工業機器人的產生1954年：美國人George.C.Devol申請“可編程序的關節型搬運裝置”發明專利1958年：約瑟夫恩格爾伯格購買了德沃爾的專利，創造了世界上第一個制造機器人的公司—Unimation1959年：推出了第一臺示教再現式的(Teaching-Playback)PUMA機器人1961年：Unimation公司生產出第一臺工業機器人定名為Unimate，62年在GM公司應用1967年：豐田和川崎重工引進美國的Unimate和Versatran機器人1968年：通用汽車公司定購68臺工業機器人1976年：CincinnctiMilacron公司進入工業機器人市場，廣受歡迎1983機器人學無論是在工業生產還是在學術上都是一門受歡迎的學科，開始列入教學計劃80年代日本機器人在世界占主要地位，占世界總產量的一半以上1994年底全世界工業機器人已發展到60萬臺2001年底全世界實際裝備工業機器人102萬臺有關機器人重要術語機器人（robot）：可編程的多功能操作裝置，通過可變的、預先編程的運動完成各種任務。遙控手（teleoperator）：遠程操作控制進行工作的機器人叫遙操作機器人。可行走機器人（mobilerobot）：機座可運動的機器人。機器人學（robotics）：關于設計、制造和應用機器人的一門學科。（a）Kuhnezug車載起重機；(b)FanucS-500機器人在卡車上執行焊縫任務

機器人操作手與起重機進行比較：相似之處（結構、驅動、負載、控制器）具有許多連桿，這些連桿通過關節依次連接；這些關節由驅動器驅動（電機）；操作機的“手”都能在空中運動，達到工作空間的任何位置，并承載一定的負荷；都用一個中央控制器控制驅動器。不同之處（控制源、名稱）起重機是由人來控制驅動器機器人操作手是由計算機編程控制。動作受計算機監控的控制器所控制，該控制器本身也運行某種類型程序。程序改變，機器人動作就會相應改變。一個稱為機器人，一個稱為操作機。§1.2機器人的特點、結構及分類

一、機器人的主要特點（通用性、適應性）機器人的特點包括如下兩方面內容：

1．通用性 機器人的通用性取決于它的幾何特性和機械能力。即指執行不同功能完成同一任務的能力和完成多樣不同簡單任務的能力。或者說在機械結構上允許機器人執行不同的任務或以不同的方式完成同一任務。決定通用性有兩方面因素：一個是機器人自由度；另一個是末端執行器的結構和操作能力。

2．適應性 機器人的適應性是指其對環境的自適應能力，即要求所設計的機器人能夠自我執行并適應未經完全指定的任務，而不管任務執行過程中是否發生了所沒有預計到的環境變化。這一能力要求機器人具有人工知覺，即能感知周圍環境。在這個層次上，機器人運用它的下述能力：(1)使用傳感器感測環境的能力；(2)分析任務空間和執行操作規劃的能力；(3)自動指令模式的能力。

根據具體作業對象不同，機器人適應性主要考慮三種適應性：(1)點適應性：即如何找到點的位置。(2)曲線適應性：即如何利用傳感器得到的信息(或特殊結構、材料等)沿曲面工作。(3)速度適應性：選擇最佳運動速度。（與倒立擺類似的兩輪機器人）二、機器人的結構組成

四大組成部分?執行機構?驅動單元?控制系統?智能系統執行機構

執行機構是機器人完成工作任務的機械實體一般為“機械手臂+末端操作器”

機械手臂manipulator：一般為由桿件機構和關節機構組成的空間開鏈機構常常進一步細分為機座腰部臂部肩和肘腕部

末端操作器end-effector：按作業用途定（是機器人完成特定作業的關鍵裝置）驅動單元

包括驅動器、運動件和傳動機構驅動器：電機（步進電機、伺服電機、DD電機）、氣缸、液壓缸、新型驅動器。傳動機構：諧波傳動、螺旋傳動、鏈傳動、帶傳動、繩傳動、各種齒輪傳動及液力傳動。運動件：機器人本體上的各運動體。控制系統

一般由控制計算機、驅動裝置和伺服控制器（servocontroller）組成

控制計算機：根據作業要求接受編程發出指令控制協調運動并根據環境信息協調運動

伺服控制器：控制各關節的驅動器使其按一定的速度加速度和軌跡要求進行運動智能系統

正在發展中智能機器人除運動機能外還有如下三種機能

感知機能：獲取外部環境信息以便進行自我行動決策和監視的機能，視覺傳感器是當前發展的重點

思維機能：求解問題的認識推理和判斷機能——人工智能

人—機通信機能：理解指示命令輸出內部狀態與人進行信息交換的機能三、機器人的分類

1、按機器人結構形式

一般工業機器人為6個自由度前三個稱為手臂機構后三個稱為手腕機構。根據手臂機構的運動付不同形式的組合得到不同的機器人機構形式。(1)直角坐標式(Cartesian)符號表示PPP(2)圓柱坐標式(Cylindrical)符號表示RPP

(3)球坐標式(Spherical)符號表示RRP

(4)多關節式(Jointed)符號表示RRR

(5)SCARA(SelectiveComplianceAssemblyRobotArm)關節軸線全平行由日本山梨大學牧野洋教授首先提出

本課程案例教學機器人2、按機器人控制方式

(1)非伺服控制機器人：這種機器人按照事先編好的程序進行工作，使用限位開關、制動器、插銷板和定序器控制機器人的工作。主要涉及“終點”、“抓放”或“開關”式機器人，尤其是有限順序機器人。(2)伺服控制機器人：通過反饋傳感器取得的反饋信號與來自給定裝置的給定信號，用比較器加以比較后，得到誤差信號，經過放大后用以激發機器人的驅動裝置，并帶動末端執行裝置以一定的運動規律運動，實現所要求的作業。

伺服控制分為點位伺服控制和連續軌跡伺服控制兩種。

點位伺服控制：機器人以最快和最直接的路徑（省時省力）從一個端點移到另一個端點。通常用于重點考慮終點位置，而對中間的路徑和速度不做主要限制的場合。實際工作路徑可能與示教時不一致。

連續軌跡伺服控制：機器人能夠平滑地跟蹤某個規定的路徑。3．按機器人的信息輸入方式日本工業機器人協會把機器人分為六類：1)手動操作手：由操作人員直接進行操作的有幾個自由度的加工裝置；2)定序機器人：按預定的順序、條件和位置，逐步地重復執行給定的作業任務，其預定信息難以修改；3)變序機器人：和第二類一樣，但預定信息易于修改；4)示教式機器人：能夠按照記憶裝置存儲的信息復現事先由人示教的動作，且這些示教的動作能夠自動重復地進行；5)程控機器人：能夠通過提供的運動程序，執行給定的任務；6)智能機器人：通過感知信息獨立檢測工作環境或工作條件的變化，借助機器人本身的自我決策能力，進行相應的工作。它不受工作環境或工作條件變化的影響。

美國只將后四種定義為機器人。§1.3機器人自由度、關節及坐標系一、機器人的自由度確定點在空間位置—三個坐標。確定剛體（三維物體，不是一個點）在空間位置—六個坐標（三個確定空間位置，三個確定空間姿態）。需要六個自由度才能將物體放到空間任意指定位姿（即位置和姿態）。少于六個自由度，機器人的能力將受到相應限制（自由度越少，限制越多）。

1）三自由度機器人只能沿X、Y、Z軸運動不能指定機械手姿態

2）五自由度機器人X、Y、Z移動和繞X、Y的轉動（焊接、磨削機器人，不要求Z軸轉動）

3）七自由度機器人解無窮多，要有附加決策程序使機器人從這些解中選擇一個。（檢驗所有解，根據決策找出所求解，實際生產不用）

1將一個圓柱形零件放置在平板上，機器人應具有幾個自由度？

思考題二、機器人的關節

1、直線移動關節

2、轉動關節（驅動方式）滑動關節用P表示旋轉關節用R表示球型關節用S表示機器人構型通常可用一系列的P,R,S來描述

思考題三滑動關節，三旋轉關節怎樣表示？答案：3P3R三、機器人的坐標

四、機器人的坐標系

機器人運動學中通常定義以下三種坐標系：

1、全局參考坐標系：此時，機器人是通過各關節的組合運動產生沿X、Y、Z三個坐標軸直線運動和繞他們的轉動。

2、關節參考坐標系：此時，機器人是通過各關節獨立運動產生期望運動。

3、工具參考坐標系：是一個活動坐標系，隨機器人手運動而隨之運動，在機器人控制中，它便于對機器人靠近、離開物體或安裝零件進行編程。§1.4SCARA教學機器人

SCARA教學機器人為平面關節型機器人，具有3個旋轉關節，其軸線相互平行，可在平面內進行定位和定向。另一個關節是移動關節，用于完成末端件在垂直平面的運動。

一、機器人特點1.機構采用平面關節型（SCARA）結構，按工業標準要求設計，速度快、柔性好；2.采用交流伺服電機和諧波減速器等，模塊化結構，簡單、緊湊；3.控制系統采用Windows系列操作系統，二次開發方便、快捷，適于教學實驗；4.提供通用機器人語言編程系統，可通過圖形示教自動生成機器人語言等程序；5.內容涵蓋機器人運動學、動力學、控制系統的設計、機器人軌跡規劃等。二、機器人參數結構形式平面關節式（SCARA型）負載能力1kg運動精度（脈沖當量/轉）關節110000關節210000關節31600pulse/mm關節43200未端重復定位精度±0.1mm每軸最大運動范圍關節10~270°關節20~200°關節30~60mm關節40~345°每軸最大運動速度關節10.5rad/S關節20.5rad/S關節36mm/S關節43.14rda/S最大展開半徑335mm高度480mm本體重量≤25Kg幾何尺寸關節1（長度）200mm關節2（長度）135mm關節3（行程）60mm控制方式PTP/CP操作方式示教再現供電電源二相220U、50HZ安裝要求安裝方式水平安裝安裝環境溫度：0~45℃濕度：20~80％RH（不能結露）震動：0.5G以下避免接觸易燃腐蝕性液體或氣體，遠離電氣噪聲源機器人控制技術課程主要內容：物體空間位置的表示；機器人的運動學正、逆解；機器人作業的靜力學分析及力控制技術；機器人作業路徑規劃及驅動、控制系統的設計；機器人智能及感知系統；機器人控制技術課程任務：使