工业机器人课程报告.doc

本科生课程报告实验课程 机器人技术基础 学院名称 核技术与自动化工程学院 专业名称 机械工程及自动化 学生姓名 学生学号 指导教师 实验地点 JB201 实验成绩 二 15 年 5 月 二 15 年 5 月填写说明1、 适用于本科生所有的实验报告（印制实验报告册除外）；2、 专业填写为专业全称，有专业方向的用小括号标明；3、 格式要求： 用A4纸双面打印（封面双面打印）或在A4大小纸上用蓝黑色水笔书写。 打印排版：正文用宋体小四号，1.5倍行距，页边距采取默认形式（上下2.54cm，左右2.54cm，页眉1.5cm，页脚1.75cm）。字符间距为默认值（缩放100%，间距：标准）；页码用小五号字底端居中。 具体要求：题目（二号黑体居中）；摘要（“摘要”二字用小二号黑体居中，隔行书写摘要的文字部分，小4号宋体）；关键词（隔行顶格书写“关键词”三字，提炼3-5个关键词，用分号隔开，小4号黑体)； 正文部分采用三级标题；第1章 (小二号黑体居中，段前0.5行)1.1 小三号黑体（段前、段后0.5行）1.1.1小四号黑体（段前、段后0.5行）参考文献（黑体小二号居中，段前0.5行），参考文献用五号宋体，参照参考文献著录规则（GB/T 77142005）。机器人技术基础课程报告经过一学期的学习，对工业机器人有了自己的了解，望老师指正。1.工业机器人的发展： 1.1 初识工业机器人 工业机器人是机器人家族中的重要一员，也是目前在技术上发展最成熟、应用最多的一类机器人。世界各国对工业机器人的定义不尽相同，但其内涵基本一致。 国际标准化组织(ISO)曾于1987年对工业机器人给出了定义：“工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能，能够完成各种作业的可编程操作机”。日本工业标准(JIS)采用此定义，这也与美国工业机器入学会(RIA)的定义相近。在德国的标准(VDI)中。对工业机器人则给出了更为具体的定义：“工业机器人是具有多自由度的、能进行各种动作的自动机器。它的动作是可以顺序控制的。轴的关节角度或轨迹可以不靠机械调节，而由程序或传感器加以控制。工业机器人具有执行器、工具及制造用的辅助工业，可以完成材料搬运和制造等操作”。ISO 8373对工业机器人给出了更详细、具体的意义：“机器人具备自动控制及可再编程、多用途功能，机器人操作机具有3个或以上的可编程轴，在工业自动化应用中，机器人的底座可固定也可移动。” 1.2国内外工业机器人的发展方向 为进一步提高工业机器人的性能，以满足现代机械高速度、高 精度的要求，世界上各个工业强国纷纷投入t大量的人力和物力来研究工业机器人，使得机器人向养智能化和多功能化的方向发展，主要包含 有以下几个方而: 工业机器人在机械结构方而采用模块化、可重组的结构，提高 自身的材料质量，从而提高其负载能力 工业机器人采用开放式的控制系统，进一步加强声、机交互界而目前世界各国主要研究机器人控制器的标准化和网络化，大大提高在线编程的可操作性，将来主要研究离线编程 在工业机器人中，为t进一步提高机器人与外界的交互能力， 多种传感器的使用是其研究的关键。目前针对于机器人的传感器的研究主要是多传感器的融合算法，将多种功能融合与一个传感器中，同时将传感器进行实用化 现代工业机器人在体积方而越来越小，控制系统采用集成块系 列，逐步朝养一体化的方向发展 采用多传感器、多媒体和虚拟控制系统，实现机器人的虚拟操 作和声、机交互 目前工业机器人研究的一个崭新的领域是多智能体控制技术， 主要对多智能体的群体体系结构、相互间的通信与磋商机理，感知与学习方法，建模不规划、群体行为控制等方而进行研究 2.工业机器人的结构及工作原理 2.1 概述 机器人系统是由机器人和作业对象及环境共同组成的，其中包括机器人机械系统，驱动系统，控制系统，和感知系统四的部分组成。可以说机器人的组成部分与人类极为类似。一个典型的机器人有一套可移动的身体结构、一部类似于马达的装置、一套传感系统、一个电源和一个用来控制所有这些要素的计算机“大脑”。从本质上讲，机器人是由人类制造的“动物”，它们是模仿人类和动物行为的机器。 2.2 结构 工业机器人的机械系统包括机身，臂部，手腕，末端操作器和行走机构等部分组成，每一部分都有若干自由度的机械系统。此外，有的机器人还具有行走机构，若具有行走机构则构成行走机器人，若没有则构成单机器人手臂。工业机器人的机械机械系统相当于人的身体（骨骼，手，臂，腿等）。 驱动系统主要是指驱动机械系统动作的驱动装置。这部分的作用相当于人的肌肉。根据驱动源的不同，驱动系统分为电气，液压，气压以及把它们结合起来应用的综合系统。电气驱动在工业机器人中应用的最为广泛，主要分为步进电动机，直流伺服电机和交流伺服电机三种。液压驱动运动平稳，且负载能力大，对于重载的搬运和零件加工机器人，采用液压驱动比较合理。但液压驱动管道复杂，清洁困难，因此限制了在装配作业中的作用。无论电气还是液压驱动的机器人，其手爪的开合都采用气动形式。 控制系统的任务是根据机器人的作业指令程序及从传感器反馈回来的信号，控制机器人的执行机构，使其完成规定的运动和功能。如果机器人不具备信息反馈特征，则该控制系统称为开环控制系统；如果机器人具备信息反馈特征，则还控制系统称为闭环控制系统。该部分主要由计算机硬件和控制软件组成。软件主要有人与机器人联系的人机交互系统和控制算法等组成。该部分的作用相当于人的大脑。 感知系统由内部传感器和外部传感器组成，其作用是获取机器人内部和外部环境信息，并把这些信息反馈给控制系统。内部状态传感器用于检测各个关节的位置，速度等变量，为闭环伺服控制系统提供反馈信息。外部状态传感器用于检测机器人与周围环境之间的一些状态变量，如距离，接近程度和接触情况等，用于引导机器人，便于其实别物体并作出相应处理。该部分的作用相当于人的五官。3.机器人的运动学和动力学该部分内容我认为是本学期的关键知识点，在这里，仅给出自己的部分理解。工业机器人运动学主要包括正向运动学和反向运动学两类问题。正向运动学是在已知各个关节变量的前提下，解决如何建立工业机器人运动学方程，以及如何求解手部相对固定坐标系位姿的问题。反向运动学则是在已知手部要到达目标位姿的前提下，解决如何求出关节变量的问题。反向运动学也称为求运动学逆解。 在工业机器人控制中，先根据工作任务的要求确定手部要到达的目标位姿，然后根据反向运动学求出关节变量，控制器以求出的关节变量为目标值，对各关节的驱动元件发出控制命令，驱动关节运动，使手部到达并呈现目标位姿。可见，工业机器人反向运动学是工业机器人控制的基础。在后面的介绍中我们会发现，正向运动学又是反向运动学的基础。 工业机器人相邻连杆之间的相对运动不是旋转运动，就是平移运动，这种运动体现在连接两个连杆的关节上。物理上的旋转运动或平移运动在数学上可以用矩阵代数来表达，这种表达称之为坐标变换。与旋转运动对应的是旋转变换，与平移运动对应的是平移变换。坐标系之间的运动关系可以用矩阵之间的乘法运算来表达。用坐标变换来描述坐标系（刚体）之间的运动关系是工业机器人运动学分析的基础。稳态下研究的机器人运动学分析只限于静态位置问题的讨论，未涉及机器人运动的力、速度、加速度等动态过程。实际上，机器人是一个复杂的动力学系统，机器人系统在外载荷和关节驱动力矩(驱动力)的作用下将取得静力平衡，在关节驱动力矩(驱动力)的作用下将发生运动变化。机器人的动态性能不仅与运动学因素有关，还与机器人的结构形式、质量分布、执行机构的位置、传动装置等对动力学产生重要影响的因素有关。 机器人动力学主要研究机器人运动和受力之间的关系，目的是对机器人进行控制、优化设计和仿真。机器人动力学主