第七章 机器人

1. 第七章 机器人

2. 本章内容 • 概述 • 机器人运动学 • 机器人动力学 • 机器人控制系统 • 机器人应用的典型实例

3. 一、机器人的由来 第一节 概述 1920年捷克作家Karel Capek的剧本《 Ro-ssam’s Universal Robots 》中，塑造了只会劳动不会思维的机器人形象，捷克语中的Robota 意为“苦力”、 “劳役”，是一种人造劳动者。英语Robot由此衍生而来。 该剧中，卡佩克提出了机器人的安全、感知和自我繁殖问题。科学技术的进步很可能引发人类不希望出现的问题。虽然科幻世界只是一种想象，但人类社会将可能面临这种现实。

4. 机器人三原则与机器人学 第一节 概述 Isaac Asimov 在《I’m Robot》中提出了“机器人三原则” ： • A robot must not harm a human being or, through inaction, allow one to come harm. • A robot must always obey human beings unless that is conflict with the first law. • A robot protect itself from harm unless that is conflict with the first or second laws. 并首次出现了“机器人学Robotics”的概念

5. 什么是机器人学？ 第一节 概述 • 机器人学是人们设计和应用机器人的技术和知识。 • 机器人系统不仅由机器人组成，还需要其他装置和系统连同机器人一起来共同完成必需的任务。 • 机器人学是一门交叉学科，它得益于机械工程、电气与电子工程、计算机科学、生物学以及其他许多学科。

6. 什么是机器人？ 第一节 概述 • 不同国家、不同学者给出的定义不同 • ISO采用了美国的定义: 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 carrying out varied tasks. • 不同时期，机器人的内涵也不同

7. 机器人的四大特征 第一节 概述 • 仿生特征：模仿人的肢体动作 • 柔性特征：对作业具有广泛适应性 • 智能特征：具有对外界的感知能力 • 自动特征：自动完成作业任务

8. 机械手或移动车 末端执行器 驱动器 二、机器人的组成 第一节 概述 • 传感器 • 控制器和处理器 • 软件 机器人的主体部分，由连杆、活动关节和其他构件构成。 “五官”，收集机器人内部状态的信息或用来与外部环境进行通信。 • 操作系统：用来操作计算机 • 机器人软件：根据机器人的运动方程计算每个关节的 必要动作，然后将这些信息传给控制器 • 例行程序集合和应用程序：为了使用机器人外部设备或为了执行特定任务而开发 连接在机械手最后一个关节上，用来执行任务。是由公司工程师或外面的顾问为某种用途而专门设计的。通常，其动作有机器人控制器直接控制。 “大脑”，计算机器人关节的运动，确定每个关节应移动多少和多远才能达到预定的速度和位置，并监督控制器和传感器。 “肌肉”，常见的驱动器有伺服电机、步进电机、气缸及液压缸等，还有一些新型驱动器。它们由控制器控制。 “小脑”，从计算机获取数据，控制驱动器的动作，并与传感器反馈信息一起协调机器人的运动。

9. 三、机器人的分类 第一节 概述 按照机器人的技术发展水平分类： • 示教再现机器人 示教－>记忆－>再现 • 数控机器人 具有环境感知装置，能在一定程度上适应环境的变化。 • 智能机器人 具有发现问题并能自主解决问题的能力。

10. 三、机器人的分类 第一节 概述 按照机器人的机构特征分类： • 直角坐标机器人 • 柱面坐标机器人 • 球面坐标机器人 • 多关节型机器人

11. 三、机器人的分类 第一节 概述 结构简单； 定位精度高； 空间因数低； 用于印刷电路基板的元件插入、紧固螺丝等。 直角坐标机器人

12. 三、机器人的分类 第一节 概述 结构简单； 刚性好； 空间利用率低； 用于重物的装卸和搬运，例如Versatran机器人 圆柱坐标型（R2P）

13. 三、机器人的分类 第一节 概述 结构紧凑，所占空间较小。 极坐标、球坐标型（2RP）

14. 三、机器人的分类 第一节 概述 垂直方向上的刚性好，适于装配工作 水平多关节型

15. 三、机器人的分类 第一节 概述 动作范围宽； 结构刚度低； 精度较低； 装配、搬运、弧焊、喷涂、点焊等 垂直多关节

16. 三、机器人的分类 第一节 概述 按照机器人的用途分类： • 工业机器人： 焊接、喷漆、码垛、装配、搬运 • 农业机器人： 耕种、施肥、喷药、嫁接、移载、收获、灌溉、养殖 • 探索机器人： 水下、太空、空间、危险环境 • 服务机器人： 清洁、护理、救援、娱乐、保安 • 其它机器人：医疗、福利、林业·、渔业、建筑等

17. 四、机器人技术的进展 第一节 概述 工业机器人技术在机械本体、控制系统、传感系统、可靠性和网络功能方面取得了突破性进展： • 机器人操作机已实现了优化设计（包括材料、构型和驱动单元方面）； • 控制轴数增多，实现了软件控制和全伺服控制； • 配备了各种传感器，提高了作业性能和对环境的适应性； • 实现了与总线和一些网络的连接； • 机器人可靠性大幅度提高；

18. 四、机器人技术的进展 第一节 概述 各种用于非制造业的机器人系统有了长足的进展： • 农业机器人在土地耕作、作物移栽、喷洒农药、作物收获、果蔬采摘方面取得突破性进展； • 水下机器人； • 空间和太空机器人； • 服务机器人成功低用于清洁、保安、医疗、家用、娱乐等方面；

19. 机器人运动学要解决的问题 第二节 机器人运动学 • 机器人运动学通过研究机器人的关节变量和末端执行器的位姿关系，建立机器人本体运动的数学模型，为机器人的运动控制和机构设计提供依据。 • 正向运动学问题（用于机构设计） 已知各关节变量，求取机械手末端位姿； • 逆向运动学问题（用于运动控制） 已知机械手末端位姿，求取各关节变量；

20. 一、基本概念 第二节 机器人运动学 转动关节 • 工作空间 • 自由度 • 位姿 • 关节变量 移动关节 连杆

21. 刚体在空间中的位置描述 第二节 机器人运动学 在直角坐标系A中，空间任意一点p的位置可用3x1列向量(位置矢量)表示：

22. 刚体在空间中的姿态描述 第二节 机器人运动学 上述矩阵称为旋转矩阵

23. 刚体在空间中的位姿描述 第二节 机器人运动学 • 刚体位姿(即位置和姿态),用刚体的方位参考坐标的原点位置矢量和旋转矩阵表示，即 • 表示位置时， • 表示姿态时，

24. 齐次坐标变换 第二节 机器人运动学 • 两刚体在空间中的位姿关系可通过齐次坐标变换来建立： P yB BP xB yA AP OB APBO zB xA OA zA

25. 二、多关节机器人的运动分析 第二节 机器人运动学 机械手可以看成由一系列关节连接起来的连杆组构成。 给每一个连杆在关节处设置一个连杆坐标系，该连杆坐标系随关节运动而运动。

26. 二、多关节机器人的运动分析 第二节 机器人运动学 • 用相邻两连杆之间的齐次变换矩阵A矩阵来描述它们之间的位姿关系。 • A1表示第一连杆相对基坐标的位姿， A2表示第二连杆相对第一连杆位姿…… • 则第二连杆对基坐标的位姿为 • 手爪相对于基座的位姿: 注意前后顺序

27. 二、多关节机器人的运动分析 第二节 机器人运动学 • 上式称为机械手的运动学方程。 • 若已知各关节变量，则所有的矩阵都可以求出，按顺序相乘，即可得机械手末端相对于基座的位姿——正向运动学。 • 若已知机械手末端相对于基座的位姿，可反求各关节变量——逆向运动学。

28. 三、多关节机器人的速度分析 第二节 机器人运动学 • 速度分析是研究机器人手部操作速度与关节运动速度之间的关系。 • 设x为表示机械手末端位姿的广义位置矢量，q为机械手得关节坐标矢量，则机械手的运动学方程可以写成：x=x(q) • 上式两边对时间进行求导： 为末端在坐标空间得广义速度矢量； 为关节速度矢量； 为雅克比矩阵。

29. 第三节 机器人动力学 机器人动力学研究的是机器人手臂的关节力矩和在关节力矩作用下的动态响应之间得关系问题。 首先要建立机器人的动力学方程。 建立动力学方程的方法有两种：牛顿——欧拉方程法和拉格朗日方程法。

30. 一、建立动力学方程的步骤 第二节 机器人运动学 • 计算任一连杆上任一质点得速度； • 计算各连杆的动能和机械臂的总动能； • 计算各连杆的位能和机械臂的总位能； • 建立机械臂系统的拉格朗日函数； • 对拉格朗日函数求导，导出动力学方程。

31. 二、机器人的动态特性 第三节 机器人动力学 动态特性是机器人设计与分析时必须考虑的重要内容，通常用质量、惯性矩、刚度、阻尼系数、固有频率和振动模态等来描述。 • 减小质量和惯量； • 提高结构刚度； • 提高系统的固有频率； • 增加阻尼。

32. 一、概述 第四节 机器人控制系统 • 控制系统是机器人的指挥中枢，负责对作业指令、内外环境信息进行处理，并依据预定的本体模型、环境模型和控制程序做出决策，产生相应的控制信号，通过驱动器驱动执行机构的各个关节，按确定的顺序、轨迹、速度和加速度运动，完成制定的任务。

33. 一、概述 第四节 机器人控制系统 • 目前，机器人控制器是一个由计算机控制的高性能控制器。 • 控制轴数增多，体积减小，价格走低。 • 并实现了软件控制和数字控制，系统的可靠性增强。

34. 二、机器人控制系统的组成特点 第四节 机器人控制系统 对机器人控制系统的一般要求： • 实现对机器人位姿、速度、加速度等的控制功能，对于连续轨迹运动的机器人还必须具有轨迹的规划与控制功能 。 • 方便的人机交互功能。 • 具有对外部环境（包括作业条件）的检测和感觉功能。 • 具有与外部环境、控制系统或设备的通讯功能。 • 应具有自我诊断、故障监视等功能。

35. 二、机器人控制系统的组成特点 第四节 机器人控制系统

36. 二、机器人控制系统的组成特点 第四节 机器人控制系统 • 机器人控制系统的一般组成

37. 二、机器人控制系统的组成特点 第四节 机器人控制系统 • 主控制计算机接到作业指令以后执行相关程序，分析解释指令，进行坐标变换、插补计算、矫正计算，最后求取相应的各关节协调运动参数。运动参数输出到伺服控制级作为各关节伺服控制系统的给定信号，实现各关节的确定运动。

38. 二、机器人控制系统的组成特点 第四节 机器人控制系统 多轴伺服电机的控制则由以插卡形式插在计算机总线（如 ISA总线和PCI总线）插槽上的运动控制器实现。这种运动控制器的构成方案主要有以下几种： • 基于通用微处理器型 • 基于专用微控制器型 • 基于数字信号处理器型 • 多轴运动控制卡设计

39. 二、机器人控制系统的组成特点 第四节 机器人控制系统 机器人控制系统的特点： • 机器人的每个关节由一个伺服系统控制，多个关节的运动要求各个伺服系统协同工作。 • 机器人的工作任务是要求操作机的末端执行器进行空间点位运动或连续轨迹运动。对机器人的运动控制，需要进行复杂的坐标变换运算，以及矩阵函数的逆运算。 • 机器人的数学模型是一个多变量、非线性和变参数的复杂模型，各变量之间还存在着耦合，因此机器人控制中经常使用前馈、补偿、解耦和自适应等复杂控制技术 。 • 更高级的机器人要求对环境条件、控制指令进行测定和分析．采用计算机建立庞大的信息库，用人工智能的方法进行控制、决策、管理和操作，按照给定的要求，自动选择最佳控制规律。

40. 第四节 机器人控制系统 三、机器人控制系统实例 “精密1号” 其控制系统的设计以Intel公司的iSBC 386／12系列计算机和iRMX Ⅲ实时多任务操作系统为基础，采用上、下两级分布式计算机结构 。

41. “精密1号”控制系统的技术规格 第四节 机器人控制系统 • 控制计算机CPU：80386/80387 • 内存储器：2MB（上位机），1MB（下位机） • 外存储器：105MB硬盘，5.25”软盘 • 动作控制方式：PTP和CP • 编程方式：直接示教、示教盒示教和离线编程 • 编程语言：装配机器人语言 ARL • 开关量 I/O：16入/16出 • 采样周期：16ms（上位机），2ms（下位机） • 视觉系统：二维多灰度视觉系统，25帧/s， 768×572×8 bit • 力传感器系统：SAFMS六维腕力传感器，200N，1000N·cm

42. “精密1号”控制系统的主要特点 第四节 机器人控制系统 • 操作及编程功能完善。 • 可基于视觉和力觉传感器信息对机器人运动进行控制。 • 系统配有一个运行于Windows环境下的离线编程和图形仿真系统。 • 针对机器人采用直接驱动方式，在伺服控制算法中采用了动力学前馈补偿控制方法，系统具有良好的动态特性。 • 控制系统的软/硬件系统采用了模块化结构设计，易于系统的维护和扩充。

43. 控制器硬件系统的体系结构 第四节 机器人控制系统 JCB板的主要功能是对码盘信号进行处理和计数、将下位机输出至功率驱动器的并行数字给定信号转换为串行脉冲信号 下位计算机的主要功能是接收上位计算机发出的各种运动控制命令，控制各关节的运动，此外，下位计算机还实时检测伺服系统的状态，并向上位机提供伺服系统状态的信息。 上位计算机的主要功能是进行人机交互控制、机器人运动规划、传感器系统控制和系统通信控制 控制系统示教盒不仅具有普通示教盒示教时控制机器人运动的功能，而且具有显示／修改示教点、编辑程序和数据、控制系统运行等功能

44. 控制器软件系统的体系结构 第四节 机器人控制系统 下位机软件系统主要用于对机器人的四个关节进行位置伺服控制，利用iRMX III提供的应用系统固化功能，下位机控制软件固化于EPROM中。 上位机软件系统ARL是对“精密1号”机器人进行编程和控制的软件系统。 ARL系统驻留在系统磁盘上，每次开机时加载到内存。

45. 控制器软件系统的体系结构 第四节 机器人控制系统 下位机软件系统主要包括如下一些模块： • 位置伺服PID算法 • 关节1与2动力学前馈补偿算法 • 速度反馈滤波算法 • 关节1与2变磁阻电机驱动控制 • 关节3与4直流无刷电机驱动控制 • 与上位机通信模块 • 状态检测及报警模块

46. 离线编程与图形仿真系统 第四节 机器人控制系统 • 在“精密1号”机器人控制系统中包括了一个离线编程和图形仿真系统——ARPS。这个系统能独立地在PC机上Windows环境下运行，可进行“精密1号”机器人应用程序的离线编程和图形动画仿真调试。 • ARL系统与离线编程系统之间采用串口通信方式。ARL系统中设置了一个与离线编程系统通信的系统开关SIMULA－TION。

47. ARPS的功能 第四节 机器人控制系统 • 用ARL语言对“精密1号”机器人作业进行离线编程。 • 利用图形仿真器对机器人作业程序仿真运行并调试，可验证作业的程序、逻辑关系、运动学特性、碰撞检查、规划的正确性等。 • 经动画仿真验证的ARL语言程序及数据可下载到机器人控制器的上位机中。 • 采用交互方式可建立机器人及周围环境图形模型和典型装配作业过程模拟。

48. 第四节 机器人应用实例 • 机器人在工业中的应用实例 • 机器人在农业中的应用实例 • 机器人在其它行业中的应用实例： • 残疾人助手 • 我有灵巧手 • 护士助手 • 脑手术助手 • 网球陪练 • 我很聪明 • 微型机器人 • 新型机器人 • 舞蹈机器人 • 大有作为的机器人