工业机器人技术基础

1. 工业机器人技术基础 计电学院 邹天汉

2. 讲座讲述的主要内容 一、机器人的分类、结构和参数 二、工业机器人位置及姿态描述与控制技术 三、工业机器人动力学分析 四、机器人系统设计方法 五、机器人的编程

3. 机器人（Robot）是可以自动执行工作的机器装置，因此机器人可以看成是专门设计出来的一种可以接受人类指挥，又可以运行预先安装的程序的机器装置。1984年，ISO（国际标准化组织）采纳了美国机器人协会（RIA）的建议，给机器人下了定义，即“A reprogrammable and multifunctional manipulator，devised for the transport of materials ，parts，tools or specialized systems ，with varied and programmed movements ，with the aim of carring out varied tasks（机器人是一种可反复编程和多功能的用来搬运材料、零件、工具的操作工具，为了执行不同任务而具有可改变和可编程动作的专门系统）”。

4. 一、机器人的分类、结构和参数 1.机器人的分类： （1）按机器人发展时期分类：第一代机器人（20世纪70年代）、第二代机器人（20世纪80年代）、第三代机器人（20世纪90年代）、第四代机器人（现代正在研发中）。 （2）按驱动方式分类：电力驱动、液压驱动、气压驱动、新形驱动。 （3）按应用环境分类：工业机器人与特种机器人（服务机器人与特种作业机器人）。 （4）按控制方式分类：非伺服控制机器人与伺服控制机器人。 （5）按几何结构分类：直接坐标机器人、圆柱坐标机器人、极坐标机器人和关节坐标型机器人

5. 直角坐标机器人 圆柱坐标机器人

6. 极坐标机器人 关节坐标型机器人

7. 二、工业机器人的结构

8. 2.工业机器人的机械结构 （1）末端操作器 机器人为了进行作业，在手腕上配置了操作机构，有时也称为手爪或末端操作器。 （2）手腕 连接手部和手臂的部分，主要作用是改变产品的空间方向和将作业载荷传递到手臂。 （3）手臂 连接机身和手腕的部分，主要作用是改变手部的空间位置，满足机器人的作业空间，并将各种载荷传递到机座。 （4）机身 机器人的基础部分，起支承作用。对固定机器人，直接连接在地面基础上，对移动机器人，则安装在移动机构上。

9. 3.工业机器人的参数 工业机器人的技术参数是各工业机器人性能主要表现。 （1）自由度 自由度（Degrees of Freedom）是指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目，不应包括手爪（末端操作器）的开合自由度。 （2）精度 工业机器人精度（Accuracy）是指定位精度和重复定位精度。 （3）工作范围 工作范围（Work Space）是指机器人手臂末端或手腕中心所能到达的所有点的集合。 （4）速度 速度（speed）和加速度是表明机器人运动特性的主要指标。 （5）承载能力 承载能力（Payload）是指机器人在工作范围内的任何位姿上所能承受的最大质量。

10. 二、工业机器人位置及姿态的描述与控制技术工业机器人位置与姿态的描述是借助于齐次坐标变换的概念，它不仅能很好地解决机器人位置与姿态的描述问题，在处理视觉、三维图像识别和计算机辅助作图方面也是有效的工具。二、工业机器人位置及姿态的描述与控制技术工业机器人位置与姿态的描述是借助于齐次坐标变换的概念，它不仅能很好地解决机器人位置与姿态的描述问题，在处理视觉、三维图像识别和计算机辅助作图方面也是有效的工具。 1．工业机器人位置及姿态的描述 （1）工业机器人的坐标系 ①绝对坐标系：参考工作现场地面的坐标系，它是机器人所有构件的公共参考坐标系。 ②机座坐标系：参考机器人机座的坐标系，它是机器人各活动杆件及手部的公共参考座标系。 ③杆件坐标系：参考机器人指定杆件的坐标系，它是在机器人每个活动杆件上固定的坐标系，随着杆件的运动而运动。 ④手部坐标系：参考机器人手部的坐标系，也称为机器人位姿坐标系，它表示机器人手部在指定坐标系中的位置和姿态。

11. 机器人坐标系示意图

12. (2)工业机器人的位姿所谓机器人的位姿主要是指机器人手部在空间的位置和姿态，有时也会用到其他各个活动杆件在空间的位置和姿态。(2)工业机器人的位姿所谓机器人的位姿主要是指机器人手部在空间的位置和姿态，有时也会用到其他各个活动杆件在空间的位置和姿态。

13. 机器人手部和各个活动杆件相对于其他坐标系的位置和姿态用一个3×1的位置矩阵和一个3×3的姿态矩阵。机器人手部和各个活动杆件相对于其他坐标系的位置和姿态用一个3×1的位置矩阵和一个3×3的姿态矩阵。

14. 2.齐次变换及运算

15. （1）平移变换坐标系{i}和坐标系{j}具有相同的姿态，两者的坐标原点不重合，则坐标系{j}可以看成是由坐标系{i}沿矢量P平移变换而来的（1）平移变换坐标系{i}和坐标系{j}具有相同的姿态，两者的坐标原点不重合，则坐标系{j}可以看成是由坐标系{i}沿矢量P平移变换而来的

16. 若空间中有一点在坐标系{i}和坐标系{j}中分别用矢量ri和rj表示，则它们之间有以下的关系 ri=Pij+rj此式称为坐标平移方程。此式称为坐标平移方程。

17. （2）旋转变换设坐标系{i}和坐标系{j}的原点重合，但两者的姿态不同，如图10所示。则坐标系{j}就可以看成是由坐标系{i}旋转变换而来的。（2）旋转变换设坐标系{i}和坐标系{j}的原点重合，但两者的姿态不同，如图10所示。则坐标系{j}就可以看成是由坐标系{i}旋转变换而来的。

18. （3）联合变换所谓联合变换就是平移变换加上旋转变换，则空间任一点p在坐标系{i}和坐标系{j}中矢量ri和rj之间有以下的关系： ri=pij+Rijrj此式称坐标联合变换方程。

19. （3）齐次坐标变换①齐次坐标之间的变换就称为齐次坐标变换。若坐标系{i}是坐标系{j}先沿矢量pij=pxi+pyj+pzk平移，再绕zi轴旋转θ角得到的，则空间任一点p在坐标系{i}和坐标系{j}中的矢量ri和rj和对应的变换矩阵pij和Rij之间就有ri=pij+Rijrj，写成矩阵形式为（3）齐次坐标变换①齐次坐标之间的变换就称为齐次坐标变换。若坐标系{i}是坐标系{j}先沿矢量pij=pxi+pyj+pzk平移，再绕zi轴旋转θ角得到的，则空间任一点p在坐标系{i}和坐标系{j}中的矢量ri和rj和对应的变换矩阵pij和Rij之间就有ri=pij+Rijrj，写成矩阵形式为 ②齐次坐标变换的相对变换 当两个坐标系之间存在连续多次变换时，其既可以是相对于共同参考坐标系的变换，也可以是相对于变换过程中不同的当前坐标系的变换，这样，就产生了坐标系的相对变换问题。 ③两个坐标系之间总的齐坐标变换矩阵等于每次单独变换的齐次坐标变换矩阵的乘积，而相对变换则决定这些矩阵相乘的顺序，称其为左乘和右乘原则：

20. ④多级坐标系间的齐次坐标变换齐次变换矩阵My描述了相邻两个坐标系之间的位置和姿态。当空间有任意多个坐标系时，若已知相邻坐标系之间的齐次坐标变换矩阵M（i-1）i，则任意两个坐标系之间的位置和姿态就可以用齐次坐标变换矩阵来表示。④多级坐标系间的齐次坐标变换齐次变换矩阵My描述了相邻两个坐标系之间的位置和姿态。当空间有任意多个坐标系时，若已知相邻坐标系之间的齐次坐标变换矩阵M（i-1）i，则任意两个坐标系之间的位置和姿态就可以用齐次坐标变换矩阵来表示。

21. 欲知坐标系{n}在坐标系{o}中的位置和姿态，就可以用齐次坐标变换矩阵M0n来表示，由坐标变换原理可知：欲知坐标系{n}在坐标系{o}中的位置和姿态，就可以用齐次坐标变换矩阵M0n来表示，由坐标变换原理可知： M0n=M01M12M…M（i-1）i…M（n-1）n 同理可知，坐标系{o}在坐标系{n}中的位置和姿态矩阵为 Mn0=Mn（n-1）…Mi（i-1）…M21M10 式中，Mn（n-1）…Mi（i-1）…M21M10分别是M（n-1）n，…，M（i-1）i，…，M12， M01的逆矩阵。

22. 3.工业机器人的运动学方程（1）工业机器人运动学方程及D-H表示法描述机器人手部在空间相对于绝对（全局）坐标系或机座（固定）坐标系的位置及姿态的数学表达式，称为工业机器人的运动学方程。M=f（qi） i=1,2,…,n （2）确定参数和关节变量 机器人运动学方程中，所涉及的参数有两类：一类是机器人杆件的几何参数，另一类是关节的运动参数。 ①杆件的几何参数：在工业机器人的机构中，除机座和手部杆件外，其余机器人杆件都是通过两端的关节与其他杆件连接起来的。给定任意一个机器人的活动杆件i，在描述该杆件时，要用到两个几何参数。 ②关节运动参数：当杆件i-1和杆件i通过关节i连接起来以后，当两杆运动时，它们之间的运动关系可以通过关节i的两个运动参数来进行描述：

24. 三、工业机器人动力分析随着工业机器人向高精度、高速、重载及智能化方向发展，对机器人设计和控制方面的要求就更高了，机器人要求动态实时控制的场合越来越多了，所以，机器人的动力学分析尤其重要。三、工业机器人动力分析随着工业机器人向高精度、高速、重载及智能化方向发展，对机器人设计和控制方面的要求就更高了，机器人要求动态实时控制的场合越来越多了，所以，机器人的动力学分析尤其重要。 1.机器人的动力学分析 （1）工业机器人动力学分析的两类问题 ①给出已知的轨迹点的关节变量，即机器人的关节位置、速度和加速度，求相应的关节力矩向量τ，用以实现对机器人的动态控制。 ②已知关节驱动力矩，求机器人系统的相应的各瞬时的运动，用于模拟机器人运动。 （2）拉格朗日动力学方程 拉格朗日动力学方程的求解法是首先定义拉格朗日函数L是一个机械系统的动能Ex和势能Ep之差，即L=Ek-Ep

25. （3）关节空间和操作空间动力学关节空间即n个自由度操作臂末端位姿X是由n个关节变量决定的，这n个关节变量叫n维关节矢量q，q所构成的空间称为关节空间。操作空间即末端操作的作业是在直角坐标空间中进行的，位姿X是在直角坐标空间中描述的，这个空间叫操作空间。（3）关节空间和操作空间动力学关节空间即n个自由度操作臂末端位姿X是由n个关节变量决定的，这n个关节变量叫n维关节矢量q，q所构成的空间称为关节空间。操作空间即末端操作的作业是在直角坐标空间中进行的，位姿X是在直角坐标空间中描述的，这个空间叫操作空间。

26. 2.驱动器是机器人结构中的重要环节，如同人身上的肌肉，是机器人产生运动的源泉。常见的驱动器主要有电驱动器、液压驱动器和气压驱动器。随着技术的发展，现在涌现出许多新型驱动器，像压电元件、超声波电机、形状记忆元件、橡胶驱动器、静电驱动器、氢气吸留合金驱动器、磁流体驱动器、ER流体驱动器、高分子驱动器和光学驱动器等。2.驱动器是机器人结构中的重要环节，如同人身上的肌肉，是机器人产生运动的源泉。常见的驱动器主要有电驱动器、液压驱动器和气压驱动器。随着技术的发展，现在涌现出许多新型驱动器，像压电元件、超声波电机、形状记忆元件、橡胶驱动器、静电驱动器、氢气吸留合金驱动器、磁流体驱动器、ER流体驱动器、高分子驱动器和光学驱动器等。 （1）电驱动器 主要用来实现旋转运动的驱动器，常见的有步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机等。 （i）步进电机 在步进电机控制电路中，给电机输入一个脉冲，电机轴仅旋转一定的角度，称为“一个步长的转动”。这个旋转角理论值称为步距角。 步进电机的驱动方法：有定电压驱动法、定电流驱动法、单相励磁和二相励磁法等。

28. （ii）直流伺服电机 ①直流伺服电机的特点： 之一是转矩T基本与电流i成比例，其比例常数KT称为转矩常数，即 T=KTi 之二是无负载速度与电压基本成比例。直流电机轴在外力作用下旋转，两个端子之间会产生电压，称为反电动势。反电动势e与转动速度ω成比例，比例系数是KE ,有 e=KEω 在无负载运转时，施加的电压基本等于反电动势，与转动速度成正比。前述两个量KE、KT在电学上是同一个量，即 KE＝KT。 ②直流伺服电机的运转方式： 直流伺服电机的运转方式有两种：线性驱动和PWM驱动。

29. （iii）交流伺服电机 交流伺服电机有以下三类：鼠笼式感应型电机、交流整流子型电机和同步电机。机器人中采用交流伺服电机，可以实现精确的速度控制和定位功能。这种电机还具备直流伺服电机的基本性质，又可理解为把电刷和整流子换为半导体元件的装置，所以也称为无刷直流伺服电机。 （iv）直流驱动电机 在齿轮、皮带等减速机构组成的驱动系统中，存在间隙、回差、摩擦等问题。克服这些问题的手段可以借助于直接驱动电机。该电机被广泛地应用于装配SCARA机器人、自动装配机、加工机械、检测机器及印刷机械中。对直接驱动电机的要求是没有减速器，但仍要提供大输出转矩（推力），可控性要好。

30. （2）液压驱动器液压伺服系统主要由液压源、驱动器、伺服阀、传感器、控制器等构成。（2）液压驱动器液压伺服系统主要由液压源、驱动器、伺服阀、传感器、控制器等构成。

31. （3）气动驱动器典型的气压驱动系统由气压发生装置、执行元件、控制元件和辅助元件四个部分组成。（3）气动驱动器典型的气压驱动系统由气压发生装置、执行元件、控制元件和辅助元件四个部分组成。

32. 四、机器人系统的设计方法 1.机器人系统设计的基本原则 机器人系统是一个典型的完整的机电一体化系统，是一个包括机械结构、控制系统、传感器等的整体。 （1）机器人设计的整体性原则。首先表现在机器人系统的任何一个部件或者子模块的设计都会对机器人的整体功能和性能产生重要的影响。 （2）控制系统设计优先于机械结构设计的原则，也有人称之为理论设计优先于实际设计的原则。在设计机器人之初，首先考虑的是机器人要实现的功能。然后，根据功能要求来设计机器人的性能参数。

33. 2.机器人系统设计的阶段 机器人系统的设计一般可分成以下三个阶段。 （1）总体方案设计 在设计之初，应当首先明确机器人的设计目的：机器人面对的什么样的使用群体，应用于什么领域，主要应用目的是什么。 （2）详细设计 在总体方案确定之后，根据控制系统设计优先于机械结构设计的原则，首先根据总体的功能要求选择合适的控制方案。从控制器所能配置的资源来说，有两种控制方式：集中式和分布式。 （3）制造、安装、调试和编写设计文档 在详细设计完成之后，先筛选标准化元器件，对自制零件进行检查，对外购设备器件进行验收。

34. 3.机器人系统设计中问题的解决方法 机器人系统的设计与计算机是紧密相联的。很多困难或者问题都可以通过计算机来化简或解决。在机器人机械结构设计过程中，繁琐的绘图部分可以通过计算机辅助设计（CAD）来完成，CAD技术不仅带来了绘图的便利，还改变了整个设计过程。 机器人系统设计过程中，许多问题可能是十分新颖的、创造性的。对于这种创造性问题，有一种较为普遍的解决方法：将这些有关的知识进行提炼和重新组织，就可以指导后来者的创新和开发。

35. 五、工业机器人的编程 机器人编程就是针对机器人为完成某项作业进行程序设计。当前最常用语言有汇编语言、FORTRAN、PASCAL语言、BASIC语言等。 1.机器人编程语言的基本要求和类别 机器人编程语言是一种程序描述语言，它能十分简洁地描述工作环境和机器人的动作，能把复杂的操作内容通过尽可能简单的程序来实现。机器人编程语言的水平可以分为以下几种。 （1）动作级；（2）对象级；（3）任务级 现在还有人在开发一种系统，它能按某种原则给出最初的环境状态和最终的工作状态，然后让机器人自动进行推理、计算，最后自动生成机器人的动作。

36. 2.编程语言AL的应用 AL语言是一种高级程序系统，描述诸如装配一类的任务。它有类似ALGCL的源语言，有将程序转换为机器码的编译程序和由控制操作机械手和其他设备的实时系统。 （1）变量及坐标系 ①AL变量的基本类型有标量（SCALAR）、矢量（VECTOR）、旋转（ROT）、坐标系（FRAME）和变换（TRANS）。 ②坐标系 坐标系通过调用函数FRAME来构成，该函数有两个参数，一个表示姿态的旋转，另一个表示位置的距离矢量。AL中定义STATION代表工作空间的基准坐标系。 如图所示是机器人插螺钉作业的示意图，可以建立起图中base坐标系、beam坐标系和feeder坐标系。

38. （2）主要语句及其功能 ①运动语句 MOVE语句用来表示机器人由初始位姿到目标位姿的运动。在AL中，定义了barm为蓝色机械手，yarm为黄色机械手，为了保证两台机械手在不使用时能处于平衡状态，AL语言定义了相应的停放位置bpark和ypark。 假定机械手在任意位置，可把它运动到停放位置，所用的语句是： MOVE barm TO bpark； 如果要求在4s内把机械手移动到停放位置，所用指令是： MOVE barm TO bpark WITH DURATION=4﹡seconds 符号“@”可用在语句中，表示当前位置，如 MOVE barm @ -2﹡zhat﹡inches； 该指令表示机械手从当前位置向下移动2in。

39. 基本的MOVE语句具有如下形式： MOVE（机械手）TO（目的地）（修饰子句）； 例如，MOVE barm TO ＜destination＞VIA f1 f2 f3表示机械手经过中间点f1 f2 f3移动到目标坐标系＜destination＞。 MOVE barm TO block WITHAPPROCH=3﹡zhat﹡inches表示把机械手移动到在Z轴方向上离block 3in的地方； 如果DEPARTURE代替APPROCH，则表示离开block。关于接近∕退避点可以用设定坐标系的一个矢量来表示，如： WITH APPROACH =＜表达式＞； WITH DEPARTURE =＜表达式＞；

40. 如图21所示，要求机器人由初始位置经过A点，运动到螺钉处，再经过B，C最后到达D点，描述该运动轨迹的程序如下：如图21所示，要求机器人由初始位置经过A点，运动到螺钉处，再经过B，C最后到达D点，描述该运动轨迹的程序如下： MOVE barm TO blot grasp VIA A WITH APPROACH = -Z WRT feeder； MOVE barm TO B VIA A WITH DEPARTURE = Z WRT feeder； MOVE barm TO B VIA C WITH APPROACH = -Z WRT beam – bore；

41. ②手爪控制语句 手爪控制语句的一般形式为 OPEN ＜hand＞ TO（sval）； CLOSE＜hand＞ TO（sval）； 这两条语句是使手爪张开或闭合后相距（sval）。（sval）是表示开度的距离值。

42. 3.工业机器人程序设计过程 不同的机器人可以应用不同的编程语言来设计，但程序设计的过程都是大同小异，现以电动手爪式的工业机器人为例来说明程序设计的具体过程。 了解装配机器人各硬件的功能； 学习装配机器人的编程语言； 设计流程图； 按功能块进行编程； 按功能块调试修改程序。 设计并编写的机器人程序软件一般可以实现动作过程的模拟，程序编写好后，先用软件进行模拟，确认动作顺序正确后，再下载到机器人的控制器中，进行整机实际调试与检测，完全无误后方能投入使用。