第七章机器人

1、安全、感安全、感知和自我繁殖知和自我繁殖第一节 概述nA robot must not harm a human being or, through inaction, allow one to come harm.nA robot must always obey human beings unless that is conflict with the first law.nA robot protect itself from harm unless that is conflict with the first or second laws.并首次出现了并首次出现了的概念的概念第一节

2、概述第一节 概述第一节 概述第一节 概述第一节 概述机器人的主体部分，由连杆、活动关节和其他构件构成。机器人的主体部分，由连杆、活动关节和其他构件构成。连接在机械手最后一个关节上，用来执行任务。是由公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，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。其动作有机器人控制器直接控制。“肌肉肌肉”，常见的驱动器有伺服电机、步进电机、气缸，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。及液压缸等，还有一些新型驱动器。它们由控制器控制。

3、“五官五官”，收集机器人内部状态的信息或用来与外部环，收集机器人内部状态的信息或用来与外部环境进行通信。境进行通信。“大脑大脑”，计算机器人关节的运动，确定每个关节应移，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。器和传感器。“小脑小脑”，从计算机获取数据，控制驱动器的动作，并，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。与传感器反馈信息一起协调机器人的运动。操作系统：用来操作计算机操作系统：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机器人软件

4、：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或为了执行特定任务而开发按照机器人的技术发展水平分类：按照机器人的技术发展水平分类：n示教再现机器人示教再现机器人 示教示教记忆记忆再现再现n数控机器人数控机器人 具有环境感知装置，能在一定程度上适应环境的变化。具有环境感知装置，能在一定程度上适应环境的变化。n智能机器人智能机器人 具有发现问题并能自主解决问题的能力。具有发现问题并能自主解决问题的能力。第一节 概述按照机器人

5、的机构特征分类：按照机器人的机构特征分类：n直角坐标机器人直角坐标机器人n柱面坐标机器人柱面坐标机器人n球面坐标机器人球面坐标机器人n多关节型机器人多关节型机器人第一节 概述第一节 概述直角坐标机器人直角坐标机器人结构简单；结构简单；定位精度高；定位精度高；空间因数低；空间因数低；用于印刷电路基用于印刷电路基板的元件插入、板的元件插入、紧固螺丝等。紧固螺丝等。第一节 概述圆柱坐标型（圆柱坐标型（R2P）结构简单；结构简单；刚性好；刚性好；空间利用率低；空间利用率低；用于重物的装卸和搬用于重物的装卸和搬运，例如运，例如Versatran机器人机器人第一节 概述极坐标、球坐标型（极坐标、球坐标型（

6、2RP）结构紧凑，所结构紧凑，所占空间较小。占空间较小。第一节 概述水平多关节型水平多关节型垂直方向上的垂直方向上的刚性好，适于刚性好，适于装配工作装配工作第一节 概述垂直多关节垂直多关节动作范围宽；动作范围宽；结构刚度低；结构刚度低；精度较低；精度较低；装配、搬运、装配、搬运、弧焊、喷涂、弧焊、喷涂、点焊等点焊等第一节 概述第一节 概述第一节 概述第二节 机器人运动学第二节 机器人运动学连杆连杆移动关节移动关节转动关节转动关节第二节 机器人运动学TzyxApppP第二节 机器人运动学333231232221131211rrrrrrrrrzyxBABABAABR上述矩阵称为旋转矩阵第二节 机器

7、人运动学 430BAABpRBRAB00BApn两两刚体在空间中的位姿关系可通过齐次刚体在空间中的位姿关系可通过齐次坐标变换来建立：坐标变换来建立：第二节 机器人运动学yAzAxAOAOByBzBxBPAPAPBOBP10,0BAABABBABAPRTPTP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，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。该连杆坐标系随关节运动而运动。第二节 机器人运动学212AAT 6543216AAAAAAT 注意前后注意前后顺序顺序第二节 机器人运动学6543216AAAAAA

8、T 第二节 机器人运动学qqJx)(x )(qJq 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机器人动力学研究的是机器人手臂的关节力矩和在力矩和在作用下的动态响应之间得关作用下的动态响应之间得关系问题。系问题。 首先要建立机器人的动力学方程。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：建立动力学方程的方法有两种：牛顿牛顿欧拉方程法欧拉方程法和和拉格朗日方程法拉格朗日方程法。第二节 机器人运动学第三节 机器人动力学第四节 机器人控制系统n目前，机器人控制器是一个由计算机控目前，机器人控制器是一个由计算机控制的高性能控制器。制的高性能控制器。第四节 机器人控制系统对

9、机器人控制系统的一般要求：对机器人控制系统的一般要求：n实现对机器人位姿、速度、加速度等的控制功能，对实现对机器人位姿、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制功能 。n方便的人机交互功能。方便的人机交互功能。n具有对外部环境（包括作业条件）的检测和感觉功能。具有对外部环境（包括作业条件）的检测和感觉功能。n具有与外部环境、控制系统或设备的通讯功能。具有与外部环境、控制系统或设备的通讯功能。n应具有自我诊断、故障监视等功能。应具有自我诊断、故障监视等功能。第四节 机器人控制系统第四节 机器人控制系统第四节

10、机器人控制系统n主控制计算机接到作业指令以后执行相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、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。给定信号，实现各关节的确定运动。第四节 机器人控制系统第四节 机器人控制系统机器人控制系统的特点：机器人控制系统的特点：n机器人的每个关节由一个伺服系统控制，多个机器人的每个关节由一个伺服系统控制，多个关节的

11、运动要求各个伺服系统协同工作。关节的运动要求各个伺服系统协同工作。n机器人的工作任务是要求操作机的末端执行器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，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。以及矩阵函数的逆运算。第四节 机器人控制系统第四节 机器人控制系统n机器人的数学模型是一个多变量、非线性和变参数的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、

12、补偿、解耦和自适应等复杂控制制中经常使用前馈、补偿、解耦和自适应等复杂控制技术技术n更高级的机器人要求对环境条件、控制指令进行测定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。求，自动选择最佳控制规律。“精密精密1号号”第四节 机器人控制系统 其控制系统的设计以其控制系统的设计以Intel公司的公司的iSBC 38612系列计算机和系列计算机和iRMX 实时多任务操作系统为实时多任务操作系统

13、为基础，采用上、下两级分布式计算机结构基础，采用上、下两级分布式计算机结构 。第四节 机器人控制系统n操作及编程功能完善。操作及编程功能完善。n可基于视觉和力觉传感器信息对机器人运动进可基于视觉和力觉传感器信息对机器人运动进行控制。行控制。n系统配有一个运行于系统配有一个运行于Windows环境下的离线编环境下的离线编程和图形仿真系统。程和图形仿真系统。n针对机器人采用直接驱动方式，在伺服控制算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。有良好的动态特性。n控制系统的软控制系统的软/硬件系统采用了模块

14、化结构设硬件系统采用了模块化结构设计，易于系统的维护和扩充。计，易于系统的维护和扩充。第四节 机器人控制系统第四节 机器人控制系统上位计算机的主要功能是进行人机交互控制、机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、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编辑程序和数据、控制系统运行等功能 下位计算机的主要下位计算机的主要功能是接收上位计功能是接收上位计

15、算机发出的各种运算机发出的各种运动控制命令，控制动控制命令，控制各关节的运动，此各关节的运动，此外，下位计算机还外，下位计算机还实时检测伺服系统实时检测伺服系统的状态，并向上位的状态，并向上位机提供伺服系统状机提供伺服系统状态的信息。态的信息。 JCB板的主要功能是对码盘板的主要功能是对码盘信号进行处理和计数、将下信号进行处理和计数、将下位机输出至功率驱动器的并位机输出至功率驱动器的并行数字给定信号转换为串行行数字给定信号转换为串行脉冲信号脉冲信号 第四节 机器人控制系统上位机软件系统上位机软件系统ARL是对是对“精密精密1号号”机器人进行机器人进行编程和控制的软件系统。编程和控制的软件系统。

16、 ARL系统驻留在系统磁系统驻留在系统磁盘上，每次开机时加载到内存。盘上，每次开机时加载到内存。下位机软件系统主要用于对机器人的四个关节进行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，利用位置伺服控制，利用iRMX III提供的应用系统固化提供的应用系统固化功能，下位机控制软件固化于功能，下位机控制软件固化于EPROM中。中。下位机软件系统主要包括如下一些模块：下位机软件系统主要包括如下一些模块：n位置伺服位置伺服PIDPID算法算法n关节关节1 1与与2 2动力学前馈补偿算法动力学前馈补偿算法 n速度反馈滤波算法速度反馈滤波算法n关节关节1 1与与2 2变磁阻电机驱动控制变磁阻

17、电机驱动控制 n关节关节3 3与与4 4直流无刷电机驱动控制直流无刷电机驱动控制n与上位机通信模块与上位机通信模块 n状态检测及报警模块状态检测及报警模块 第四节 机器人控制系统n在在“精密精密1号号”机器人控制系统中包括了一个机器人控制系统中包括了一个离线编程和图形仿真系统离线编程和图形仿真系统ARPS。这个系。这个系统能独立地在统能独立地在PC机上机上Windows环境下运行，环境下运行，可进行可进行“精密精密1号号”机器人应用程序的离线编机器人应用程序的离线编程和图形动画仿真调试。程和图形动画仿真调试。nARL系统与离线编程系统之间采用串口通信方系统与离线编程系统之间采用串口通信方式。式。ARL系统中设置了一个与离线编程系统通系统中设置了一个与离线编程系统通信的系统开关信的系统开关SIMULATION。第四节 机器人控制系统n用用ARL语言对语言对“精密精密1号号”机器人作业进行离线编程。机器人作业进行离线编程。n利用图