第七章機器人第1頁，課件共49頁，創作于2023年2月本章內容概述機器人運動學機器人動力學機器人控制系統機器人應用的典型實例第2頁，課件共49頁，創作于2023年2月一、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。科學技術的進步很可能引發人類不希望出現的問題。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實。第一節概述第3頁，課件共49頁，創作于2023年2月機器人三原則與機器人學IsaacAsimov在《I’mRobot》中提出了“機器人三原則”：Arobotmustnotharmahumanbeingor,throughinaction,allowonetocomeharm.Arobotmustalwaysobeyhumanbeingsunlessthatisconflictwiththefirstlaw.Arobotprotectitselffromharmunlessthatisconflictwiththefirstorsecondlaws.并首次出現了“機器人學Robotics”的概念第一節概述第4頁，課件共49頁，創作于2023年2月什么是機器人學？機器人學是人們設計和應用機器人的技術和知識。機器人系統不僅由機器人組成，還需要其他裝置和系統連同機器人一起來共同完成必需的任務。機器人學是一門交叉學科，它得益于機械工程、電氣與電子工程、計算機科學、生物學以及其他許多學科。第一節概述第5頁，課件共49頁，創作于2023年2月什么是機器人？不同國家、不同學者給出的定義不同ISO采用了美國的定義:

Areprogrammableandmultifunctionalmanipulator,devisedforthetransportofmaterials,parts,toolsorspecializedsystems,withvariedandprogrammedmovements,withtheaimofcarryingoutvariedtasks.不同時期，機器人的內涵也不同第一節概述第6頁，課件共49頁，創作于2023年2月機器人的四大特征仿生特征：模仿人的肢體動作柔性特征：對作業具有廣泛適應性智能特征：具有對外界的感知能力自動特征：自動完成作業任務第一節概述第7頁，課件共49頁，創作于2023年2月二、機器人的組成第一節概述機械手或移動車末端執行器驅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、活動關節和其他構件構成。連接在機械手最后一個關節上，用來執行任務。是由公司工程師或外面的顧問為某種用途而專門設計的。通常，其動作有機器人控制器直接控制。“肌肉”，常見的驅動器有伺服電機、步進電機、氣缸及液壓缸等，還有一些新型驅動器。它們由控制器控制。“五官”，收集機器人內部狀態的信息或用來與外部環境進行通信。“大腦”，計算機器人關節的運動，確定每個關節應移動多少和多遠才能達到預定的速度和位置，并監督控制器和傳感器。“小腦”，從計算機獲取數據，控制驅動器的動作，并與傳感器反饋信息一起協調機器人的運動。操作系統：用來操作計算機機器人軟件：根據機器人的運動方程計算每個關節的必要動作，然后將這些信息傳給控制器例行程序集合和應用程序：為了使用機器人外部設備或為了執行特定任務而開發第8頁，課件共49頁，創作于2023年2月三、機器人的分類按照機器人的技術發展水平分類：示教再現機器人

示教－>記憶－>再現數控機器人

具有環境感知裝置，能在一定程度上適應環境的變化。智能機器人

具有發現問題并能自主解決問題的能力。第一節概述第9頁，課件共49頁，創作于2023年2月三、機器人的分類按照機器人的機構特征分類：直角坐標機器人柱面坐標機器人球面坐標機器人多關節型機器人第一節概述第10頁，課件共49頁，創作于2023年2月三、機器人的分類第一節概述直角坐標機器人結構簡單；定位精度高；空間因數低；用于印刷電路基板的元件插入、緊固螺絲等。第11頁，課件共49頁，創作于2023年2月三、機器人的分類第一節概述圓柱坐標型（R2P）結構簡單；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12頁，課件共49頁，創作于2023年2月三、機器人的分類第一節概述極坐標、球坐標型（2RP）結構緊湊，所占空間較小。第13頁，課件共49頁，創作于2023年2月三、機器人的分類第一節概述水平多關節型垂直方向上的剛性好，適于裝配工作第14頁，課件共49頁，創作于2023年2月三、機器人的分類第一節概述垂直多關節動作范圍寬；結構剛度低；精度較低；裝配、搬運、弧焊、噴涂、點焊等第15頁，課件共49頁，創作于2023年2月三、機器人的分類按照機器人的用途分類：工業機器人：

焊接、噴漆、碼垛、裝配、搬運農業機器人：

耕種、施肥、噴藥、嫁接、移載、收獲、灌溉、養殖探索機器人：

水下、太空、空間、危險環境服務機器人：

清潔、護理、救援、娛樂、保安其它機器人：醫療、福利、林業·、漁業、建筑等第一節概述第16頁，課件共49頁，創作于2023年2月四、機器人技術的進展

工業機器人技術在機械本體、控制系統、傳感系統、可靠性和網絡功能方面取得了突破性進展：機器人操作機已實現了優化設計（包括材料、構型和驅動單元方面）；控制軸數增多，實現了軟件控制和全伺服控制；配備了各種傳感器，提高了作業性能和對環境的適應性；實現了與總線和一些網絡的連接；機器人可靠性大幅度提高；第一節概述第17頁，課件共49頁，創作于2023年2月四、機器人技術的進展

各種用于非制造業的機器人系統有了長足的進展：農業機器人在土地耕作、作物移栽、噴灑農藥、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；服務機器人成功低用于清潔、保安、醫療、家用、娛樂等方面；第一節概述第18頁，課件共49頁，創作于2023年2月機器人運動學要解決的問題機器人運動學通過研究機器人的關節變量和末端執行器的位姿關系，建立機器人本體運動的數學模型，為機器人的運動控制和機構設計提供依據。正向運動學問題（用于機構設計）已知各關節變量，求取機械手末端位姿；逆向運動學問題（用于運動控制）已知機械手末端位姿，求取各關節變量；第二節機器人運動學第19頁，課件共49頁，創作于2023年2月一、基本概念工作空間自由度位姿關節變量第二節機器人運動學連桿移動關節轉動關節第20頁，課件共49頁，創作于2023年2月剛體在空間中的位置描述第二節機器人運動學在直角坐標系A中，空間任意一點p的位置可用3x1列向量(位置矢量)表示：第21頁，課件共49頁，創作于2023年2月剛體在空間中的姿態描述第二節機器人運動學上述矩陣稱為旋轉矩陣第22頁，課件共49頁，創作于2023年2月剛體在空間中的位姿描述剛體位姿(即位置和姿態),用剛體的方位參考坐標的原點位置矢量和旋轉矩陣表示，即表示位置時，表示姿態時，第二節機器人運動學第23頁，課件共49頁，創作于2023年2月齊次坐標變換兩剛體在空間中的位姿關系可通過齊次坐標變換來建立：第二節機器人運動學yAzAxAOAOByBzBxBPAPAPBOBP第24頁，課件共49頁，創作于2023年2月二、多關節機器人的運動分析第二節機器人運動學機械手可以看成由一系列關節連接起來的連桿組構成。給每一個連桿在關節處設置一個連桿坐標系，該連桿坐標系隨關節運動而運動。第25頁，課件共49頁，創作于2023年2月二、多關節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:第二節機器人運動學注意前后順序第26頁，課件共49頁，創作于2023年2月二、多關節機器人的運動分析上式稱為機械手的運動學方程。若已知各關節變量，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。若已知機械手末端相對于基座的位姿，可反求各關節變量——逆向運動學。第二節機器人運動學第27頁，課件共49頁，創作于2023年2月三、多關節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節運動速度之間的關系。設x為表示機械手末端位姿的廣義位置矢量，q為機械手得關節坐標矢量，則機械手的運動學方程可以寫成：x=x(q)上式兩邊對時間進行求導：為末端在坐標空間得廣義速度矢量；為關節速度矢量；為雅克比矩陣。第二節機器人運動學第28頁，課件共49頁，創作于2023年2月第三節機器人動力學

機器人動力學研究的是機器人手臂的關節力矩和在關節力矩作用下的動態響應之間得關系問題。

首先要建立機器人的動力學方程。

建立動力學方程的方法有兩種：牛頓——歐拉方程法和拉格朗日方程法。第29頁，課件共49頁，創作于2023年2月一、建立動力學方程的步驟計算任一連桿上任一質點得速度；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；建立機械臂系統的拉格朗日函數；對拉格朗日函數求導，導出動力學方程。第二節機器人運動學第30頁，課件共49頁，創作于2023年2月二、機器人的動態特性

動態特性是機器人設計與分析時必須考慮的重要內容，通常用質量、慣性矩、剛度、阻尼系數、固有頻率和振動模態等來描述。減小質量和慣量；提高結構剛度；提高系統的固有頻率；增加阻尼。第三節機器人動力學第31頁，課件共49頁，創作于2023年2月一、概述控制系統是機器人的指揮中樞，負責對作業指令、內外環境信息進行處理，并依據預定的本體模型、環境模型和控制程序做出決策，產生相應的控制信號，通過驅動器驅動執行機構的各個關節，按確定的順序、軌跡、速度和加速度運動，完成制定的任務。第四節機器人控制系統第32頁，課件共49頁，創作于2023年2月一、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。

控制軸數增多，體積減小，價格走低。并實現了軟件控制和數字控制，系統的可靠性增強。第四節機器人控制系統第33頁，課件共49頁，創作于2023年2月二、機器人控制系統的組成特點對機器人控制系統的一般要求：實現對機器人位姿、速度、加速度等的控制功能，對于連續軌跡運動的機器人還必須具有軌跡的規劃與控制功能。方便的人機交互功能。具有對外部環境（包括作業條件）的檢測和感覺功能。具有與外部環境、控制系統或設備的通訊功能。應具有自我診斷、故障監視等功能。第四節機器人控制系統第34頁，課件共49頁，創作于2023年2月二、機器人控制系統的組成特點第四節機器人控制系統第35頁，課件共49頁，創作于2023年2月二、機器人控制系統的組成特點機器人控制系統的一般組成第四節機器人控制系統第36頁，課件共49頁，創作于2023年2月二、機器人控制系統的組成特點主控制計算機接到作業指令以后執行相關程序，分析解釋指令，進行坐標變換、插補計算、矯正計算，最后求取相應的各關節協調運動參數。運動參數輸出到伺服控制級作為各關節伺服控制系統的給定信號，實現各關節的確定運動。

第四節機器人控制系統第37頁，課件共49頁，創作于2023年2月二、機器人控制系統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。這種運動控制器的構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字信號處理器型多軸運動控制卡設計第四節機器人控制系統第38頁，課件共49頁，創作于2023年2月二、機器人控制系統的組成特點機器人控制系統的特點：機器人的每個關節由一個伺服系統控制，多個關節的運動要求各個伺服系統協同工作。機器人的工作任務是要求操作機的末端執行器進行空間點位運動或連續軌跡運動。對機器人的運動控制，需要進行復雜的坐標變換運算，以及矩陣函數的逆運算。第四節機器人控制系統第39頁，課件共49頁，創作于2023年2月二、機器人控制系統的組成特點第四節機器人控制系統機器人的數學模型是一個多變量、非線性和變參數的復雜模型，各變量之間還存在著耦合，因此機器人控制中經常使用前饋、補償、解耦和自適應等復雜控制技術。更高級的機器人要求對環境條件、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律。第40頁，課件共49頁，創作于2023年2月三、機器人控制系統實例“精密1號”第四節機器人控制系統

其控制系統的設計以Intel公司的iSBC386／12系列計算機和iRMXⅢ實時多任務操作系統為基礎，采用上、下兩級分布式計算機結構。第41頁，課件共49頁，創作于2023年2月“精密1號”控制系統的技術規格控制計算機CPU：80386/80387內存儲器：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開關量I/O：16入/16出采樣周期：16ms（上位機），2ms（下位機）視覺系統：二維多灰度視覺系統，25幀/s，768×572×8bit力傳感器系統：SAFMS六維腕力傳感器，200N，1000N·cm第四節機器人控制系統第42頁，課件共49頁，創作于2023年2月“精密1號”控制系統的主要特點操作及編程功能完善。可基于視覺和力覺傳感器信息對機器人運動進行控制。系統配有一個運行于Windows環境下的離線編程和圖形仿真系統。針對機器人采用直接驅動方式，在伺服控制算法中采用了動力學前饋補償控制方法，系統具有良好的動態特性。控制系統的軟/硬件系統采用了模塊化結構設計，易于系統的維護和擴充。第四節機器人控制系統第43頁，課件共49頁，創作于2023年2月控制器硬件系統的體系結構第四節機器人控制系統上位計算機的主要功能是進行人機交互控制、機器人運動規劃、傳感器系統控制和系統通信控制控制系統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、編輯程序和數據、控制系統運行等功能下位計算機的主要功能是接收上位計算機發出的各種運動控制命令，控制各關節的運動，此外，下位計算機還實時檢測伺服系統的狀態，并向上位機提供伺服系統狀態的信息。

JCB板的主要功能是對碼盤信號進行處理和計數、將下位機輸出至功率驅動器的并行數字給定信號轉換為串行脈沖信號第44頁，課件共49頁，創作于2023年2月控制器軟件系統的體系結構第四節機器人控制系統上位機軟件系統ARL是對“精密1號”機器人進行編程和控制的軟件系統。ARL系統駐留在系統磁盤上，每次開機時加載到內存。下位機軟件系統主要用于對機器人的四個關節進行位置伺服控制，利用iRMXIII提供的應用系統固化功能，下