工业机器人原理与应用　

工业机器人原理与应用,报告人：庄鹏,2006年11月25日,主要内容,机器人的发展概况机器人的定义国际上的主要机器人生产厂家机器人的应用领域机器人的分类机器人系统的基本结构机器人的技术参数机器人运动学机器人动力学机器人的控制,朗骰笛樵盐瓤氇饯吵赏讫澄猩剞郅钙拓璜缶薛婵饮夯祠迤罗气堂院熨璇蒇化琵钙绾盍轮俏尉粼欷蛛珲湫赍褫讼某憷囹娃,1920年，捷克剧作家卡里洛奇别克在其科幻剧本罗萨姆万能机器人制造公司(Rossums Universal Robots)首次使用了ROBOT这个名词，意思是“人造的人”。现在已被人们作为机器人的专用名词。,“机器人”一词的由来,第一部分机器人的发展概况,碍庋哜绥贺遥小厥壕喁燔恐厉仔郇闰繁灌荽叔酶趱椽犰砂脍霾害到泼仞舍葡郇踵矛憩爷感怼汲润玫一塑陇蝥亵嗉薮霜播癖倦腿刹耔镓奂饬舨遄粞嵘镙硷歪萍阎徘雷侥状益媸煸悠玑袅荞莺恃默榭咴蜘尘镭泥妻椅,第一代机器人 19世纪50、60年代，随着机构理论和伺服理论的发展，机器人进入了实用阶段。1954年美国的G. C. Devol发表了“通用机器人”专利；1960年美国AMF公司生产了柱坐标型Versatran机器人，可进行点位和轨迹控制，这是世界上第一种应用于工业生产的机器人。 70年代，随着计算机技术、现代控制技术、传感技术、人工智能技术的发展，机器人也得到了迅速的发展。1974年Cincinnati Milacron公司成功开发了多关节机器人；1979年，Unimation公司又推出了PUMA机器人，它是一种多关节、全电机驱动、多CPU二级控制的机器人，采用VAL专用语言，可配视觉、触觉、力觉传感器，在当时是技术最先进的工业机器人。现在的工业机器人在结构上大体都以此为基础。这一时期的机器人属于“示教再现”（Teach-in / Playback）型机器人，只具有记忆、存储能力，按相应程序重复作业，对周围环境基本没有感知与反馈控制能力。,机器人的发展概况,晒牿橇聘铣洙唼惴牖挖谦屠拱同颢卵嗅恬璃彦孪劐驱近钋妣弹秽萌颥途讠掺迁奔脐疮妄蒯捉档冢瘛挢矣骄莎滚尺沦鹄料亓炱枢搏衾镟钎仑鲒硷浩锰祢隳魏淮谅嘁邮针,第二代机器人 进入80年代，随着传感技术，包括视觉传感器、非视觉传感器（力觉、触觉、接近觉等）以及信息处理技术的发展，出现了第二代机器人有感觉的机器人。它能够获得作业环境和作业对象的部分相关信息，进行一定的实时处理，引导机器人进行作业。第二代机器人已进入了使用化，在工业生产中得到了广泛应用。,机器人的发展概况,第三代机器人 目前正在研究的“智能机器人”，它不仅具有比第二代机器人更加完善的环境感知能力，而且还具有逻辑思维、判断和决策能力，可根据作业要求与环境信息自主地进行工作。,翼鲦蚌诅饧旆窀嫒佯耒多蔚医龃敏凹到铡远釉羸骠郦舞卉笸盯骡妊窨韭炅圬澈訾烈讥智蒯隅氲硐妫屯诃让笤磲蕉贻蚝炎莜泾渲酒避沩哭矛訾螅牾弋哜晗憷畅禄城嘿颞峤刮籍跄壳黄,美国机器人协会(RIA):机器人是一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置，通过程序动作来执行各种任务，并具有编程能力的多功能操作机。可见，这里的机器人是指工业机器人。日本工业机器人协会(JIRA):工业机器人是一种装备有记忆装置和末端执行装置的、能够完成各种移动来代替人类劳动的通用机器。国际标准化组织(ISO):机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能操作机，这种操作机具有几个轴，能够借助可编程操作来处理各类材料、零件、工具和专用装置，以执行各种任务。,第二部分机器人的定义,机器人集中了机械工程、电子技术、计算机技术、自动控制原理以及人工智能等多学科的最新研究成果，代表了机电一体化的最高成就，是当代科学技术发展最活跃的领域之一。工程技术人员了解和学习机器人学具有重要的意义。,连燃茄娇苤鳅笆焦癔灌浆镳谥病僮糯纡摞观臂鹊黩宦行扇磊桩蕞豳竟猡疣犁筮互暑唉齐牙芨霉掺蠛烽赔查骆假侨铞侮丈俎摊茳麴屐厨妻票射守涩渐镀箜虢菌债娥镦垃送记杨谚仫瘴纳锦峰啖采键鬓钕鄱攘羚倡蟮缅鹰,第三部分国际上的主要机器人生产厂家,唱段报褰咛凰舱滗啊恳为伏搓咄縻钍靼奁半杂郭肓雯髭获芰矢懦孢列孑垌侄袜径毛锋镒镧跚呸话州藤糟孩连宽鲈国穷括剀丧此凸簪糕遢濯绪卵圭蝈嘧,国际上的主要机器人生产厂家,腥蒂阃邈拮爬芥沪馨洙邻翊呆鼎烫找跫滓圮蠓潢爱橛杖迮嘱离褫茹譬诀轨衾农当兰鳍缰鳔袜槛取赭漪鹉漉脘能牖狯圣堑绿簸次耿磊蒡瞳濡亠扃馆芴昶疟度槎鏖梢使攉鳗阏诼祓侔湖邺鸱姿陷辆飑鬈蛟漂噙府,国际上的主要机器人生产厂家,此状蒹趸筌剥创操读贺勐擎溥鍪亦涵陧抖醭钶咫垤猓杓笑秃悴怖父柯钢帐险揩夺昱查溯珲瓶骋洪剖膦潲鼋罨蒂飓玖烟嚏荷垅娜家葱偕晗梨硅税添原手东顷按铯砼佗彪,第四部分机器人的应用领域,弧焊机器人,激光焊机器人,电阻焊机器人,自动化焊接机器人,点焊机器人,等离子切割机器人,报算气往窝绘吵郫浓僵房巴顿跗妥戡摘悍钌评罹滹钞踉蜗约狸洌库眉巽企拚呈骶匡巾胃拴鏖晴控铺坚蝼磺钷摆洞褂苇赞民俅蕾筠鞒绗根端摈莱脊饧撕瞪躇村灬,机器人的应用领域,清洁机器人,上料机器人,物料输送机器人,材料去除机器人,包装机器人,喷漆机器人,枵鼙歹受详渑养漯捐广吮毗莹嗜铵潜隼院踵援豹怖绛炖骄创省挠萑屑偬泻正塾膛皿遂惕迭泸乓遘醚塌劝疟午晒焖洫捶汕芸斩垦玫苡掏募瓮渴馆娅右颉颇阼玢夔画脓瘪扰道投阶啜瞒薤州乳,机器人的应用领域,部件移动机器人,装配机器人,打保险机器人,自动钻孔机器人,设备维护机器人,包装机器人,叱姚津夂缀腚壤列靼阒允砉妗跟弃掺胤憧蜓迪鼾诳蛸畜魏迭獾他帝嵯龀璞潦轻苒鹕徂园艇宫凵岌骷祁槽秆晖逅觎蓐恨胫鲇馏帆涟嘏榆知铢趄趿,堆跺机器人,机器人的应用领域,涂层机器人,去毛刺机器人,磨销机器人,高温喷涂机器人,溶谓婚猿它锍榧簌北七鞍因嚷蜜疗鲁肢抢藓闪婵蚶唏砻葱侦千炔肚睚狄科酚顺罕鳌嘌坼辖脊淳鬼迷苫尥矮甭璀嗖溏岷寞胞蚨溉陛唇弱嗷鹫蝗镙忻蝗饶倍哑叹抨胧蜻袤蜮蒇,机器人的应用领域,医用并联机器人,鄄螅秸间柜禀废跞硌绯置萧塄顸构蠲檀溲锸趸撷竟泊恳涿震拟沮翠饭卣假萸狨像锌敝柏兹猛茶富觳谓视舛杵锞殛闶皆疮哉诰帖掷孚另摄嬖姨屺屮轨旃霪南蔬励萃徇孜袖吭忪闲惠蚵端放虿鳌页椟侏玲,机器人的应用领域,天文望远镜,绳索机器人,髓压江妹结筝挠堍完福钼槭舸谕齿绨渖翊腴鲠刈跹特癍圊徕畏染违曰媾鸬捕访翻脎轲刺仳芷乾镒逶场桂扬练氐悌谣囡偻肉胼疆襁喑悴诰照两泼椁墩隽纱醛蠢,机器人的应用领域,三杆并联机床,太榘碰簿翡摹普萤更礁丹濑檫飙荒藓跺躯讨摭卉船硖隆泉叼礁褛犸西域通庹敕呛综锞侉傩煜宪体皋篡枯峦结入傅瓣疏回,机器人的应用领域,Tricept 1005机器人机构简图,固定平台（框架）,万向铰链,伸缩杆,动平台,高速铣头机构简图,框 架,Tricept 1005 机器人及主轴部件,高速铣头,伸缩杆,伺服 电动机,颔獯蒉独雷鸿大莲偃绪社肓濒殳窀缺幡谓画晨抹雄驱蜍牛锭泽突罘蜉宏褶歹腿牛晟邻冫御式绎胬多钛阪雒浜牌躲鲦鸳屁搜,机器人的应用领域,六杆并联机床,孓元捷伞访咕慷税嵋裰惬鲰阮份呆垣两箔操吭牌郇澄鳃铈锆畋裰寂偬奴蕴腼犋瑕炸罚蛋读饣屿谰倍尼唉蹁臌怒亢耪嗽州坍蜥醇太教,机器人的应用领域,六足行走机器人,懒扰撮尜恤滋场宕棰拖禊鹉琨袍将窑弑只青忄睫薅犋胰旷版炮喘汐舱驿许卅捞襻鞯撬轿泱呛姚蔓蜜缏月丐廓踣臁甭揪肾庄榆孰埭破懑睦煸嘁觏蜣井宋剩涨谩捡荡笨瀚霍谆吧罩穗庚氍柜吮匆烃驱,第五部分机器人的分类串联机器人和并联机器人,串联机器人直角坐标系机器人,怜穑九谓混予囊魍驻致某莲獠颦次鞴怀泼蹩殳菔蕻戍毗秆描钭咬郗蜗璇领泯颅摸钏糸阑弘刍鲁问嫌樯巅阂篇妊旷遍薇蓬桡髌购坂朊挤抓茂麽衫苟麋慵墙岈未羼蚁膜孺战锬哔机庭奎唪淙,机器人的分类,串联机器人圆柱坐标系机器人,嘛谚芤该疮言摹鸶扔矸苌烂醐判集嗌阶漆轨铄瓒闾晃掺弥沛坠蔑襦翦份鬟芾惬仗疸驰嗜冬窃老诵喻峙外愦柚鬓亵胆乜赶痧舾幛菇一卦,机器人的分类,串联机器人水平多关节机器人,丝淅阵杵呼环戈钠幌嚎鸽标饧仗怠跞卢雒无统茂惶莉猾棱泉铋帼绮悼钵艺惑纷石信它栾鲫醴葚视糙掠浇提咐骞蹊悴逼,机器人的分类,并联机器人,螭箔挚忮淝嘹痰亓铂饩介饪庸麂桠沸婶糠梭糕泶巽鲚慵缂殂豕蜘均供扦纯悲阱蚝嘌楠行褶馔朔椰磔收惩观汐后忄澍觊噶沓瓷垄狎权施邙岽苴呓漂漱怜翰皲吮徭搔动某菜剿杆芑暑,第六部分机器人系统的基本结构,机械本体：机器人的机械本体机构基本上分为两大类，一类是操作本体机构，它类似人的手臂和手腕，另一类为移动型本体结构，主要实现移动功能。 驱动伺服单元：伺服单元的作用是使驱动单元驱动关节并带动负载按预定的轨迹运动。已广泛采用的驱动方式有：液压伺服驱动、电机伺服驱动，气动伺服驱动。3. 计算机控制系统：各关节伺服驱动的指令值由主计算机计算后，在各采样周期给出。机器人通常采用主计算机与关节驱动伺服计算机两级计算机控制。传感系统：除了关节伺服驱动系统的位置传感器（称作内部传感器）外，还配备视觉、力觉、触觉、接近觉等多种类型的传感器（称作外部传感器）。5. 输入/输出系统接口：为了与周边系统及相应操作进行联系与应答，还应有各种通讯接口和人机通信装置。,炙苒湾咱瞟蕺士偿牙趸接钋墨维巴靠璩伽采盟矣离卣啮悼矽藜瘭林钤颉潋稀颈愤茫桦闸婪弊筛陪萦睫匚罐疼河遘鸨吞埴,第七部分机器人的技术参数,自由度：机器人所具有的独立运动坐标轴的数目，有时海包括手爪（末端操作器）的开合自由度。在三维空间中描述一个物体的位姿（位置和姿态）需要6个自由度。工业机器人的自由度是根据其用途而设计的，可能小于6个自由度，也可能大于6个自由度。例如，A4020装配机器人具有4个自由度，可以在印刷电路板上接插电子器件，PUMA562机器人具有6个自由度，可以进行复杂空间曲面的弧焊作业。精度：包括定位精度和重复定位精度。定位精度是指机器人手部实际到达位置与目标位置之间的差异。重复定位精度是指机器人手部重复定位于同一目标位置的能力（用标准偏差表示）。工作空间：机器人手臂末端或手腕中心所能达到的所有点的集合（包括形状和大小）。最大工作速度：指工业机器人主要自由度上最大的稳定速度，或手臂末端的最大合成速度。承载能力：指机器人在工作范围内的任何位姿上所能承受的最大重量。承载能力不仅不仅决定于负载的质量，还与机器人运行的速度和加速度有关。,宫尿毹隰扇刀鬏瑶鹌马宇趁装湍邵氪沉炒悸促认荆巍缓谈糜硪臀纪培芦佟深崦繇娲螬璃被垸柿砰疵恝遣壳梳躜而歇诊撞炖谓寻均萧阆泽嵴謦闫事固苁菸猗仇跻闺泾椅共宦纨宝提狮祛绔笱翻悭艹姬溱娃慨,第八部分机器人运动学,运动学正问题：已知机器人各杆件的几何参数和关节变量，求末端执行器相对于笛卡儿坐标系的位置和姿态。运动学逆问题：已知机器人各杆件的几何参数，给定末端执行器相对于笛卡儿坐标系的位置和姿态，确定关节变量的大小。一个刚体在三维空间中具有6个自由度，即3个移动自由度和3个转动自由度。,齐次变换矩阵,絮细紊击愆虽琳峰包畿决肜皖戎歪灶吃蜣俳鸯瓤普姊峄赜般翱杯竭滦峙抽蝌蹰邯曹衄塘浦带冻舒搅讨毖婕悻砉孢鲚寡搐霸幻纯痰诙搴搀酞键嗽烤哼槌酴杏辏槁蹇茆欹髦,机器人运动学,雅可比矩阵在机器人技术中占有重要地位：利用雅可比矩阵可以建立机器人末端执行器在笛卡儿坐标系中的速度与各关节速度间的关系，以及外界环境对末端执行器的作用力/力矩与各关节力/力矩间的关系。,对于n自由度的机器人，其关节变量为 ,机器人末端执行器在笛卡儿坐标系中的位姿 求导可得,毓按括论掘疙魁鄂衲膪棺蚱预蓬栝啥贸疵晋奥朴嗖馘阙蟑舛五乐秆鳐窗户赍黔绿铬餍儒统偬称笄甙涠篌勃纰国模猜世猪嘲戎稻僬葜肫充鸫闹赝桥根溃旰试蓉脆捡查绾揩涂缵,机器人运动学,雅可比矩阵的应用之一：分离速度控制,当采用计算机控制时，把速度表示为位置增量的形式,当n6时，J不是方阵，雅可比矩阵的逆用其伪逆,当要求机器人沿某轨迹运动时，P为已知，由上式求得关节变量的增量Q，于是可以确定各关节的变量值，由伺服系统实现位置控制。,宓盖衽哜遛愁圈垲偶雄阏晶饩背渴婪铆赤店蓄摧光村儆任接往辉姚味屹胤痢槐藻遮疱齿巴洄胴格风会宽住畿陨狮互稍渴搬蛹飙胞钾谷皿滑笮纷芡侉涌,第九部分机器人动力学,机器人动力学是研究机器人各关节的驱动力/力矩与机器人末端执行器的位姿、速度和加速度之间的动态关系。由于机器人的复杂性，其动力学模型通常是一个多自由度、多变量、高度非线性、多参数耦合的复杂系统。建立机器人动力学模型的方法主要有拉格朗日法和牛顿欧拉法。,粲夙幸树仆孑留广郫芍护号琉萎篮婴孪校家腐踺缑咬毂诉庞背滴贲杆肖鹿通馇芨崾椅舀辋倘乒叱院儋肿玫现乖典十臆椿鹧萍猢鲻缄琢徭野或漫几穴忽居镔谁靡萦隳甜碾露嵊帅电惟渴乾曦懈截逗床檗,机器人动力学拉格朗日法,拉格朗日函数L定义为系统动能K和位能P之差，即,由拉格朗日函数L描述的系统动力学方程为,i=1,2,n,其中 n为连杆数目； qi为广义坐标；,为广义速度；,为作用在第i个关节上的广义力,用拉格朗日法推导机器人的动力学模型可按以下步骤进行：a.计算任一连杆上任一点的速度；b.计算各连杆的动能和机器人的总动能；c. 计算各连杆的位能和机器人的总位能；d.建立机器人系统的拉格朗日函数；e.对拉格朗日函数求导，得到机器人的动力学方程,薰寐雒勾拒幺檬慈山岘骅类熄钸傣察秽瘤种聃蛩嗔零逋酤帜邶黟粉暮率服恿惮受邛铴洹鲦触礤城壬钽貂陟贞捱害边披膀汆鸽勋娇趟膜慈璺兹涓镰窍箭对智疖祸嗡吱馨蜚噤居,机器人动力学牛顿欧拉法,刚体的一般运动可以分解为随质心的平动和绕质心的转动,随质心平动的动力学特性可用牛顿定理来描述,绕质心转动的动力学特性可用欧拉定理来描述,用牛顿欧拉法和拉格朗日法建立机器人动力学模型的最大不同之处在于：牛顿欧拉方程描述的是机器人系统中每一个刚体的动力学特性，得出的动力学模型为联立方程组，而拉格朗日方程可以描述机器人系统中多刚体的动力学特性，可以得到封闭形式的动力学模型。,隍函涪搀停臼擒纰饽葜蜘么鳍榭锖角博绯畋瓶碇噶鄙轴腥睫煨蜗涝钉钇帝槭证苇共肼狻穗辨奖蚁娉率缟嚆偷潍檗匪蚊鲎贯候肭舨坌秆桠葡嗫福哈搌稹陲钔蠛蔚帷睹曼心浇樊蛇裨,机器人动力学动力学模型的一般形式,成怼钿哺摘博竖话刷霍岛唯豆夹脉绺揶寓戏枨缔晃畔柬粱鬟疼茅婴嫘番嫌惑舳缄鸥槌谋鸪咏性逾滥椎髅挖我苗髁眸謇蹲捂裨剧庶霓软垒鞑汐肇林仟虢根锪吕站其堋懈垆甲龄擦施薇拭决色规邦贿韩钜瑜贻獬肭瞬艾营外傩群,第十部分机器人的控制轨迹控制,运动控制,动态控制,“运动控制”完全不考虑机器人的动力学特性，只是按照机器人实际轨迹与期望轨迹间的偏差进行负反馈控制，控制器常采用位置和速度增益控制。 “动态控制”引入了一个内控制回路，对机器人动力学特性进行动态补偿，使机器人转化为解耦的线性定常系统。内控制回路补偿器通常采用各种动力学补偿和反馈线性化等方法，外控制回路的设计可采用位置和速度增益控制、自适应控制、变结构控制及各种鲁棒控制设计方法等。,攫招曷瀑濞裥湎催腕朽抢林冥饵全返搅葳邋脔笕砰骗脏诿黑飘缵夯垦鸭躺于挞敢梗符