机器人-第1章演示幻灯片

1,教材：机器人学导论（原书第3版）,美JohnJ.Craig著,贠超等译.书名原文:IntroductiontoRobotics:MechanicsandControl.蔡自兴.机器人学，清华大学出版社。参考资料：机器人学导论分析、系统及应用,美SaeedB.Niku著,孙福春等译.书名原文:IntroductiontoRobotics:Analysis,Systems,Applications.谭民，徐德等，先进机器人控制，高等教育出版社。比较知名的刊登机器人方面研究成果的期刊：AdvancedRobotics，AutonomousRobots,JournalofRoboticSystem，机器人，自动化学报，机器人技术与应用，控制理论与应用。MATLAB的Robotics工具箱(byPeterI.Corke)：,2,机器人的由来(1/2)西周时代（公元前1066年前771年），就流传巧匠偃师献给周穆王一个歌舞机器人（艺伎）的故事。公元2012年，央视春晚，机器人舞蹈。东汉时期（公元25年220年）的张衡发明的指南车是世界上最早的机器人雏形,第1章绪论,3,机器人的由来(2/2)1768-1774，瑞士钟表匠制作的木偶机器人，自动书写、自动演奏1893年，加拿大摩尔设计的能行走的机器人“安德罗丁”，以蒸汽为动力。1920年，捷克剧作家KarelCapek首次提出Robota一词1950美国科幻作家Assimov,在我是机器人中，提出机器人三守则：一.机器人不得伤害人，也不得见人受到伤害而袖手旁观二.机器人应服从人的一切命令，但不得违反第一定律三.机器人应保护自身的安全，但不得违反第一、第二定律1954年美国人设计了第一台电子可编程机器人1962年美国万能自动化（Unimation）公司的全球第一台机器人Unimate，在美国通用（GM）公司使用，标志着第一代机器人的诞生。,4,机器人的发展现状(1/3),北美工业机器人的装运量（单位：百万美元）,各种用途工业机器人的年安装量,5,20世纪90年代即机器人价格与人力成本的比较,中国：1.2011年7月29日，身为鸿海精密工业股份有限公司(HonHaiPrecisionIndustryCo.，2317.TW，母公司鸿海科技集团，内地习惯称为“富士康”)董事长兼总裁，郭台铭携妻子在深圳参加公司万人晚会，情绪甚高的他口无遮拦，透露富士康将增加生产线上的机器人数量以完成简单重复的工作：明年达30万台，3年后机器人规模达100万台。（摘自新浪财经,2012）2.新京报讯（2013-2-21,记者林其玲），往年春节过后富士康都会展开大规模劳工招聘，昨天富士康大陆地区新闻发言人刘坤透露，今年春节后，富士康在全国范围内暂停招工。据记者了解，富士康将加快机器人应用。,机器人的发展现状(2/3),6,机器人的发展现状(3/3)2015年1月6日，工信部国际经济技术合作中心主任龚晓峰做客中国经济网经济热点面对面时指出，我国的机器人产业市场近两年来发展迅猛，2013年共销售3.7万台工业机器人，同比增长60%，预计2014年销售5万台，已成为全球最大的市场。龚晓峰说，工信部制定了相关规划，并在近两年间对全国情况进行摸底和调查，在接下来编制“十三五”规划中，将结合智能制造整个大环境，以及从制造大国向制造强国转变的使命来制定相关政策，营造相关环境。目前我国和机器人产业相关的公司有400多家，以中小企业为主，最大的公司产值大概在十几亿元左右。,7,机器人的定义(1/2)英国牛津字典：貌似人的自动机，具有智力和顺从于人但不具有人格的机器。（到目前为止，还没有与人类相似的机器人，理想的机器人）美国机器人协会（RIA-RobotInstituteofAmerica）：一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置的，通过可编程序动作来执行各种任务，并具有编程能力的多功能机械手。（不全面，指工业机器人）日本工业机器人协会（JIRA-JapaneseIndrustrialRobotAssociation）：一种装备有记忆装置和末端执行器的，能够转动并通过自动完成各种移动来代替人类劳动的通用机器。（包括工业机器人和智能机器人）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机械手，这种机械手具有几个轴，能够借助于可编程序操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行种种任务。（与RIA的类似）,8,机器人的定义(2/2)中国：一种拟人功能的机械电子装置。共同属性：1）像人或人的一部分，并模仿人的动作2）具有智能或感觉与识别能力3）是人制造的机器或机械电子装置,9,机器人分类,按执行机构的动力方式来划分：电气驱动液压驱动气动其他：压电陶瓷、形状记忆合金、磁致伸缩驱动器等按智能程度来划分：一般机器人：只具有一般编程能力和操作功能。智能机器人：具有不同程度的智能，如可进行人-机对话、可无需人的干预下的自主执行任务。按移动性来划分：固定式机器人：整台机器人（或机械臂）不能移动，只能移动各个关节移动机器人：轮式、履带式、步行（单足、双足、四足、六足和八足）,10,按用途分,本课程的对象是工业机器人（机械臂、机械手）,机器人,工业机器人,特种机器人,服务机器人,水下机器人,军用机器人,农业机器人,机器人化机器,仿人形机器人,娱乐机器人,空间机器人,微机器人,医用机器人,11,按坐标形式分类：笛卡尔坐标结构、圆柱面坐标结构、极坐标结构、球面坐标结构和关节式球面坐标（铰接型）结构,笛卡尔坐标（直角坐标）,球面坐标,圆柱面坐标,关节式球面坐标（链式坐标）,平面坐标,12,按控制类型来划分：点位控制（非伺服控制）：按照预先编好的程序顺序进行工作，使用终端限位开关、制动器、插销板和定序器来控制机械臂的运动。可靠性强、能力较弱。连续控制（伺服控制）：被控制量（输出）可为机械臂终端执行装置（或工具）的位置、速度、加速度和力等。能力较强，可靠性低一点。,13,机器人技术的发展方向,智能化高性能的传感器，驱动器和执行器的研究解决机器人在特殊领域的逻辑推理、思维和自主决策能力解决人和机器的协调共处让机器人具有情感模块化部件构造上的标准化多机化多机协调作业家庭化极限化太空、深海、火山微型化,14,课程内容（讲授部分）：机器人的空间描述与变换（第2章）机器人运动学（第3章）机器人逆运动学（第4章）机器人速度（第5章）机械臂动力学（第6章）机器人运动规划（第7章）机械臂的机械设计（第8章）机械臂的线性控制（第9章）机械臂的非线性控制（第10章）课程内容（实验部分）：机器人编程语言及编程系统（第12章）,15,位姿描述（第2章）我们关心的是机械臂的杆件、零部件、抓持工具和操作空间内的其他物体的位置和姿态。一般先将一个空间坐标系固连于物体上，然后选一个作为参考坐标系，以此研究空间物体的位置和姿态。任一坐标系都能用作参考坐标系，要研究同一物体在不同坐标系中空间位姿的描述方法和数学计算方法。,16,机械臂正运动学（第3章）运动学：研究物体的运动，不考虑引起这种运动的力。包括位置、速度、加速度等，即运动的全部几何和时间特性。几乎所有的机械臂都是有刚性连杆组成，相邻连杆间由关节连接。关节通常有传感器来测量关节角（转动关节）或关节偏距（移动关节）自由度：指一个点或一个物体运动的方式，或一个动态系统的变化方式。每个自由度可表示一个独立的变量，而利用所有的自由度，就可完全规定所研究的一个物体或一个系统的姿态。1）刚体的自由度任何空间刚体具有6个自由度，即可任意运动。3平移、3旋转2）机器人的自由度操作臂中具有独立位置变量的数目，这些位置变量确定了机构中所有部件的位置。机器人靠末端执行器工作，末端执行器具有6个自由度即可保证其灵活运动。3个位置、3个姿态自由度。,17,注意关键词：独立对于机械机构，不一定有多少个部件就有多少个自由度，如四连杆铰链有三个可移动的连杆，但机构只有一个自由度。典型的工业机器人是一种开放的运动链，每个关节位置通常是一个独立的变量，所以关节的个数等于自由度的数目。,5个自由度（2个冗余自由度）,4个自由度，若要空间内在任何方向上定向，需另外2个自由度,18,工具坐标系：附着在末端执行器上。基坐标系：与机械臂固定底座相连。机械臂正运动学：给定一组关节角的值，计算工具坐标系相对于基坐标系的位置和姿态，如图。称为从关节空间到笛卡儿空间描述的机械臂位置表示。笛卡儿坐标系中，三个变量描述空间一点的位置，另外三个变量描述物体的姿态。也称任务空间或操作空间。,19,机械臂逆运动学（第4章）问题：给定机械臂末端执行器的位置和姿态，计算所有可达给定位置和姿态的关节角，如图。即“定位”映射问题：将机械臂末端的位姿从三维笛卡儿空间向内部关节空间的映射。困难：运动学方程是非线性的，很难得到封闭解，有时甚至无解，还会有多解问题。运动学方程解的存在与否限定了操作臂的工作空间，无解表示目标点处于工作空间之外，因此机械臂不能达到这个期望位姿。,20,机械臂的速度、静力和奇异性（第5章）分析机械臂的运动问题雅可比矩阵：从关节空间速度向笛卡儿空间速度的映射。会随着机械臂位形的变化而变化。在奇异点，雅可比矩阵不可逆。例子：机枪需跟踪飞机两个自由度：方位角、仰角A=15，E=25，容易被击落。A=15，E=70，仰角增大，飞过正上方，容易逃脱。机枪竖直向上或接近这种方位时，工作越来越不理想：目标越接近正上方，需要越大的速度绕方位轴转动。正上方，无穷大的转动速度。,21,机构奇异性：原来有两个自由度来确定机枪的方位，机枪竖直向上时，机枪的方向与方位角转轴共线，此时方位角转动改变不了机枪的方向，即其中一个转动关节失效了，就像只有一个自由度（仅有仰角）。即机构局部退化。机构奇异性不影响机械臂在工作空间内的定位，但在奇异点附近运动时会出现一些问题。一般来说，奇异点不可预测，汽车厂的机械臂有保护网。,22,机械臂动力学（第6章）为了使机械臂从静止开始加速，使末端执行器以恒定的速度作直线运动，最后减速停止，必须通过关节驱动器（电机、气缸、液压缸、人工肌肉等）产生一组复杂的力矩函数来实现。力矩函数取决于路径的空间形式和瞬时特性、连杆和负载的质量特性以及关节摩擦等因素。动力学方程的第一个用途：求解这些关节力矩函数。动力学方程的第二个用途：计算加速度，对机械臂的运动进行仿真，如图。,23,机械臂轨迹生成（第7章）一点运动到另一点，各关节同时开始和停止运动，机械臂的运动才显得协调。通常方法是，每个关节按照指定的时间连续函数来运动。轨迹生成：如何计算这些运动函数。如图中间点：位于初始位置和期望位置之间的过渡点。期望机械臂的运动是平滑的。为了使末端执行器在笛卡儿空间走出一定轨迹，必须将其转化为一系列的等效的关节运动。,24,机械臂设计与传感器（第8章）机械臂是多用途的装置，但经济上考虑，应该有预期执行的任务来决定其设计。考虑：几何尺寸、速度、承载能力、关节数量、关节分布、驱动器的选择、传动系统、传感器等，如图，这些会影响工作空间的大小和性质、结构的刚度等。专用机器人：为特定任务设计。根据任务考虑关节数目：如，电路板装配电器元件的专用机器人，仅需四个关节，三个用于定位，第四个可以使被抓取得元件绕垂直轴旋转。通用机器人：能够完成各种任务。“合适的”最小关节数量是六个。,25,机械臂线性位置控制（第9章）在位置控制问题上，仅依靠动力学本身来计算产生期望运动的力矩不能解决问题，是一种开环的控制。要考虑自动补偿由于系统参数引起的误差，以及抑制引起系统偏离期望轨迹的扰动。为此，通过闭环控制算法对位置和速度传感器进行检测，以计算出驱动器的力矩指令，如图。可对机械臂的动力学进行近似线性化。,26,机械臂非线性位置控制（第10章）一个倒立摆或一个单连杆机械臂的模型，如图：非线性控制技术比简单的线性控制方法具有更好的性能。,27