機器人的組成系統(tǒng)

1、工業(yè)機器人組成系統(tǒng)工業(yè)機器人由主體、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三個基本部分組成。主體即機座和執(zhí)行機構(gòu)， 包括腰部、肩部、肘部和手腕部，其中手腕部有3個運動自由度。驅(qū)動系統(tǒng)包括動力裝置和傳動機構(gòu)，用以使執(zhí)行機構(gòu)產(chǎn)生相應(yīng)的動作。控制系統(tǒng)是按照輸入的程序?qū)︱?qū)動系統(tǒng)和執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出指令信號，并進行控制。工業(yè)機器人按執(zhí)行機構(gòu)運動的控制機能，又可分點位型和連續(xù)軌跡型。點位型只控制 執(zhí)行機構(gòu)由一點到另一點的準確定位，適用于機床上下料、點焊和一般搬運、裝卸等作業(yè)； 連續(xù)軌跡型可控制執(zhí)行機構(gòu)按給定軌跡運動，適用于連續(xù)焊接和涂裝等作業(yè)。工業(yè)機器人按程序輸入方式區(qū)分有編程輸入型和示教輸入型兩類。編程輸入型是將計 算機上已編好

2、的作業(yè)程序文件，通過RS232串口或者以太網(wǎng)等通信方式傳送到機器人控制柜。示教輸入型的示教方法有兩種：一種是由操作者用手動控制器(示教操縱盒)，將指令信號傳給驅(qū)動系統(tǒng)，使執(zhí)行機構(gòu)按要求的動作順序和運動軌跡操演一遍；另一種是由操作者直接領(lǐng)動執(zhí)行機構(gòu)， 按要求的動作順序和運動軌跡操演一遍。在示教過程的同時， 工作程序的信息即自動存入程序存儲器中在機器人自動工作時，控制系統(tǒng)從程序存儲器中檢出相應(yīng)信息，將指令信號傳給驅(qū)動機構(gòu)，使執(zhí)行機構(gòu)再現(xiàn)示教的各種動作。示教輸入程序的工業(yè)機器人稱為示教再現(xiàn)型工業(yè)機器人。幾個問題：(1) 巨輪機器人JLRB20KGM器人是點位型還是連續(xù)軌跡型？(2) 能不能編寫一個簡

3、單程序，使機器人能夠的末端能夠走一個圓？(3) 能不能控制機器人中每一個電機的輸出功率或扭矩？(4) 機器人每一個關(guān)節(jié)從驅(qū)動電機到執(zhí)行機構(gòu)的傳遞效率有沒有？2. 工業(yè)機器人的主體機器人本體由機座、腰部、大臂、小臂、手腕、末端執(zhí)行器和驅(qū)動裝置組成。共有六個自由度，依次為腰部回轉(zhuǎn)、大臂俯仰、小臂俯仰、手腕回轉(zhuǎn)、手腕俯仰、手腕側(cè)擺。機器人采用電機驅(qū)動，電機分為步進電機或直流伺服電機。直流伺服電機能構(gòu)成閉環(huán)控制、精度高、額定轉(zhuǎn)速高、但價格較高，而步進電機驅(qū)動具有成本低、控制系統(tǒng)簡單。各部件組成和功能描述如下：(1) 基座：基座是機器人的基礎(chǔ)部分， 起支撐作用。整個執(zhí)行機構(gòu)和驅(qū)動裝置都安裝在基座。(2)

4、 腰部：腰部是機器人手臂的支撐部分，腰部回轉(zhuǎn)部件包括腰部支架、回轉(zhuǎn)軸、支架、諧波減速器、制動器和步進電機等。(3) 大臂：大臂和傳動部件(4) 小臂：小臂、減速齒輪箱、傳動部件、傳動軸等，在小臂前端固定驅(qū)動手腕三個運動的步進電機。(5) 手腕部件：手腕殼體、傳動齒輪和傳動軸、機械接口等。(6) 末端執(zhí)行器：根據(jù)抓取物體的形狀、材質(zhì)等選擇合理的結(jié)構(gòu)。目前，在工業(yè)機器人中廣泛采用的機械傳動單元是減速器，與通用減速器相比， 機器人關(guān)節(jié)減速器要求具有傳動鏈短、體積小、功率大、質(zhì)量輕和易于控制等特點。常用的減速器主要有：RV減速器和諧波減速器。RV減速器一般用在腰關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)等重載位置 處，而諧

5、波減速器用于手腕的三個關(guān)節(jié)等輕載位置處。(7) 諧波減速器諧波減速器由固定的剛性齒輪、一個工作時可產(chǎn)生徑向彈性變形并帶有外齒的柔輪和一個裝在柔輪部、呈橢圓形、外圈帶有柔性滾動軸承的波發(fā)生器等3個基本構(gòu)件組成。當(dāng)波發(fā)生器轉(zhuǎn)入柔輪后，迫使柔輪的剖面由原先的圓形變?yōu)闄E圓形，其長軸 兩端附近的齒與剛輪的齒完全嚙合，而短軸兩端附近的齒則與剛輪完全脫開，周長 上其他區(qū)段的齒處于嚙合和脫離的過渡狀態(tài)。(8) RV減速器與諧波減速器相比，RV減速器具有較高的疲勞強度和剛度以及較長的壽命，而且回 差精度穩(wěn)定，不想諧波傳動，隨著使用時間的增長，運動精度就會顯著降低，故高 精度機器人傳動多采用 RV減速器，且有逐漸

6、取代諧波減速器的趨勢。RV減速器是由第一級漸開線圓柱齒輪行星減速機構(gòu)和第二級擺線針輪行星減速機構(gòu)組成，是一 封閉差動輪系。目前，在工業(yè)機器人中常用的驅(qū)動電機是交流伺服電機。交流伺服電機為恒力矩輸出，即在其額定轉(zhuǎn)速(一般為 2000RPM 3000RPM以，都能輸出額定轉(zhuǎn)矩，在額定轉(zhuǎn)速以上為 恒功率輸出。交流伺服電機具有較強的過載能力，具有速度過載和轉(zhuǎn)矩過載能力，其最大轉(zhuǎn)矩可達額定轉(zhuǎn)矩的三倍， 可用于克服慣性負載在啟動瞬間的慣性力矩。電機的輸出扭矩與功率的關(guān)系：T = 9550 P / n 。 T,扭矩，Nm P,功率，KVy n,轉(zhuǎn)速，r/min ; 9550 是系數(shù)。扭矩、功率、轉(zhuǎn)速之間，有

7、關(guān)系。3. 工業(yè)機器人的示教器示教器也稱示教編程器或示教盒，主要由液晶屏幕和操作按鍵組成，可由操作者手持移如點動動。它是機器人的人機交互接口，機器人的所有操作基本上都是通過示教器完成的, 機器人，編寫、測試和運行機器人程序，設(shè)定、查閱機器人狀態(tài)設(shè)置和位置等。4. 工業(yè)機器人的技術(shù)指標機器人的技術(shù)指標反映了機器人的適用圍和工作性能，是選擇、使用機器人必須考慮的問題。(1) 最大負載：作用于機器人手腕末端，且不會使機器人性能降低的最大載荷(2) 定位精度：又稱絕對定位精度，是指機器人末端執(zhí)行器實際到達位置與目標位 置之間的差異。(3) 重復(fù)定位精度：指機器人重復(fù)到達某一目標位置的差異程度；或在相同

8、的位置 指令下，機器人連續(xù)重復(fù)若干次其位置的分散情況。一般而言，工業(yè)機器人的 絕對定位精度要比重復(fù)定位精度低一到兩個數(shù)量級，其原因是未考慮機器人本 體的制造誤差、工件加工誤差及工件定位誤差情況下使用機器人的運動學(xué)模型 來確定機器人末端執(zhí)行器的位置。(4) 最大工作速度。在各軸聯(lián)動情況下，機器人手腕中心所能達到的最大線速度。 最大工作速度越高，生產(chǎn)效率就越高。5. 工業(yè)機器人的控制系統(tǒng)機器人控制系統(tǒng)是機器人的大腦，是決定機器人功能和性能的主要因素。機器人控制器是根據(jù)指令以及傳感信息控制機器人完成一定動作或作業(yè)任務(wù)的裝置。工業(yè)機器人控制技術(shù)的主要任務(wù)就是控制工業(yè)機器人在工作空間中的運動位置、姿態(tài)和

9、軌跡、操作順序及動作的時間等。具有編程簡單、 軟件菜單操作、友好的人機交互界面、在線操作提示和使用方便等 特點。其基本功能如下：(1) 示教功能。分為在線示教和離線示教兩種方式。(2) 記憶功能。存儲作業(yè)順序、運動路徑和方式及與生產(chǎn)工藝有關(guān)的信息等。(3) 與外圍設(shè)備聯(lián)系功能。包括輸入 /輸出接口、通信接口、網(wǎng)絡(luò)接口等。(4) 傳感器接口。位置檢測、視覺、觸覺、力覺等。(5) 故障診斷安全保護功能。 運行時的狀態(tài)監(jiān)視、 故障狀態(tài)下的安全保護和自診斷。其關(guān)鍵技術(shù)包括：(6) 開放性模塊化的控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)：采用分布式CPU十算機結(jié)構(gòu)，分為機器人控制器(RC),運動控制器(MC),光電隔離I/O控

10、制板、傳感器處理板和編程示 教盒等。機器人控制器(RC)和編程示教盒通過串口 /CAN總線進行通訊。機器人 控制器(RC)的主計算機完成機器人的運動規(guī)劃、插補和位置伺服以及主控邏輯、 數(shù)字I/O、傳感器處理等功能，而編程示教盒完成信息的顯示和按鍵的輸入。(7) 模塊化層次化的控制器軟件系統(tǒng)：軟件系統(tǒng)建立在基于開源的實時多任務(wù)操作 系統(tǒng)Linux上，采用分層和模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，以實現(xiàn)軟件系統(tǒng)的開放性。整個 控制器軟件系統(tǒng)分為三個層次：硬件驅(qū)動層、核心層和應(yīng)用層。三個層次分別 面對不同的功能需求，對應(yīng)不同層次的開發(fā)，系統(tǒng)中各個層次部由若干個功能 相對對立的模塊組成，這些功能模塊相互協(xié)作共同實現(xiàn)該層次

11、所提供的功能。(8) 機器人的故障診斷與安全維護技術(shù)：通過各種信息，對機器人故障進行診斷， 并進行相應(yīng)維護，是保證機器人安全性的關(guān)鍵技術(shù)。(9) 網(wǎng)絡(luò)化機器人控制器技術(shù)：當(dāng)前機器人的應(yīng)用工程由單臺機器人工作站向機器 人生產(chǎn)線發(fā)展，機器人控制器的聯(lián)網(wǎng)技術(shù)變得越來越重要?？刂破魃暇哂写?、現(xiàn)場總線及以太網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)功能?？捎糜跈C器人控制器之間和機器人控制器同上 位機的通訊，便于對機器人生產(chǎn)線進行監(jiān)控、診斷和管理。根據(jù)計算機結(jié)構(gòu)、控制方式和控制算法的處理方法，機器人控制器又可分為集中式控制 和分布式控制。(10) 集中式控制器。利用一臺微型計算機實現(xiàn)系統(tǒng)的全部控制功能。其優(yōu)點是硬件 成本較低，便于信息的

12、采集和分析，易于實現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)控制，整體性與協(xié)調(diào) 性較好，基于PC的硬件擴展方便。其缺點是靈活性、可靠性、實時性較差。(11) 分布式控制器。主要思想是“分散控制，集中管理” ，分布式系統(tǒng)常采用兩級控 制方式，由上位機和下位機組成。上位機(機器人主控制器)負責(zé)整個系統(tǒng)管 理以及運動學(xué)計算、軌跡規(guī)劃等，下位機由多CPH成，每個CP曲制一個關(guān)節(jié)運動。上、下位機通過通信總線相互協(xié)調(diào)工作。其優(yōu)點是系統(tǒng)靈活性好、可 靠性提高、響應(yīng)時間短，有利于系統(tǒng)功能的并行執(zhí)行。工業(yè)機器人的控制系統(tǒng)需要由相應(yīng)的硬件和軟件組成，硬件主要由傳感裝置、 控制裝置及關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動部分組成，軟件包括運動軌跡規(guī)劃算法和關(guān)節(jié)伺服控制算

13、法與相應(yīng)的工作程 序。傳感裝置分為部傳感器和外部傳感器，部傳感器主要用于檢測工業(yè)機器人部的各關(guān)節(jié)的位置、速度和加速度等，而外部傳感器是可以使工業(yè)機器人感知工作環(huán)境和工作對象狀態(tài)的 視覺、力覺、觸覺、聽覺、滑覺、接近覺、溫度覺等傳感器。控制裝置用于處理各種感覺信息，執(zhí)行控制軟件，產(chǎn)生控制指令。關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動部分主要根據(jù)控制裝置的指令，按作業(yè)任務(wù)的要求驅(qū)動各關(guān)節(jié)運動。6. 工業(yè)機器人的運動軌跡與位置控制機器人的作業(yè)實質(zhì)是控制機器人末端執(zhí)行器的位姿，以實現(xiàn)點位運動或連續(xù)路徑運。（1）點位運動（PTP）。點位運動只關(guān)心機器人末端執(zhí)行器運動的起點和目標點位姿,而不關(guān)心這兩點之間的運動軌跡。（2）連續(xù)路徑運

14、動（CP）。連續(xù)路徑運動不僅關(guān)系機器人末端執(zhí)行器達到目標點的精度，而且必須保證機器人能沿所期望的軌跡在一定精度圍重復(fù)運動。機器人連續(xù)路徑運動的實現(xiàn)是以點位運動為基礎(chǔ)，通過在相鄰兩點之間采用滿足精度要求的直線或圓弧軌跡插補運算即可實現(xiàn)軌跡的連續(xù)化。機器人再現(xiàn)時，主控制器（上位機）從存儲器中逐點取出各示教點空間位姿坐標值，通過對其進行直線或圓弧插補運算，生成相應(yīng)路徑規(guī)劃，然后把各插補點的位姿坐標值通過運動學(xué)逆解運 算換成關(guān)節(jié)角度值，分送機器人各關(guān)節(jié)或關(guān)節(jié)控制器。工業(yè)機器人控制方式有不同的分類，如按被控對象不同可分為位置控制、速度控制、加速度控制、力控制、力矩控制、力和位置混合控制等，而位置控制是工

15、業(yè)機器人的基本控制 任務(wù)。問題：1 .要求機器人系統(tǒng)模塊化，我們可以給機器人系統(tǒng)中各模塊發(fā)送指令，并獲取各模塊的輸 出。機器人系統(tǒng)部分非核心模塊應(yīng)該可以關(guān)閉或打開，被關(guān)閉的模塊即使接受到指令也 應(yīng)處非活躍狀態(tài)。2 .我們可以寫自己的模塊， 并通過個人編寫的模塊調(diào)用系統(tǒng)模塊，實現(xiàn)對系統(tǒng)模塊的控制。3 .機器人路徑規(guī)劃一般給定起始點和終止點，然后通過插補運算得到路徑，但我希望能將 路徑規(guī)劃模塊化，我可以給路徑規(guī)劃模塊實時發(fā)送終止點指令，獲得規(guī)劃路徑。將路徑 送入運動學(xué)逆解求解模塊獲取關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動角度，將該轉(zhuǎn)動角度與期望速度和加速度（速 度、加速度可以實時調(diào)整）相結(jié)合控制機器人的操作空間動力學(xué)模型。在

16、必要情況下， 在未到達終止點時，若終止點發(fā)生變化，可以從當(dāng)前點重新規(guī)劃到新終止點的路徑。4 .將機器人的坐標系（關(guān)節(jié)坐標系、全局坐標系、工件坐標系等）模塊化，可以通過指令 進行坐標系轉(zhuǎn)換。5 .將機器人末端位置、速度、加速度和每一個關(guān)節(jié)位置、速度、加速度模塊化，我們可以 調(diào)取機器人末端及關(guān)節(jié)信息，并可以直接對末端及關(guān)節(jié)位置、速度、加速度發(fā)送指令以 便于進行控制。6 .機器人中的每一個關(guān)節(jié)是否都有制動器？7 .機器人末端執(zhí)行器更換時如何進行標定？8 .機器人誤差補償模塊化。9 .機器人本體的三維建模10 .公司開發(fā)的焊接機器人有沒有研究在障礙物未知情況下的避障規(guī)劃？有沒有研究碰撞檢測方面的工作？

17、11 .把一個物體隨1 .工業(yè)機器人的軌跡規(guī)劃1.1 機器人規(guī)劃的基本概念所謂機器人的規(guī)劃(P1anning),指的是一一機器人根據(jù)自身的任務(wù)， 求得完 成這一任務(wù)的解決方案的過程。這里所說的任務(wù)，具有廣義的概念，既可以指機 器人要完成的某一具體任務(wù)，也可以是機器人的某個動作，比如手部或關(guān)節(jié)的某 個規(guī)定的運動等。為說明機器人規(guī)劃的概念，我們舉下面的例子：在一些老齡化比較嚴重的國家，開發(fā)了各種各樣的機器人專門用于伺候老 人，這些機器人有不少是采用聲控的方式. 比如主人用聲音命令機器人“給我倒 一杯開水”，我們先不考慮機器人是如何識別人的自然語言，而是著重分析一下 機器人在得到這樣一個命今后，如何

18、來完成主人交給的任務(wù)。首先，機器人應(yīng)該把任務(wù)進行分解，把主人交代的任務(wù)分解成為“取一個杯 子”、“找到水壺”、“打開瓶塞”、“把水倒人杯中”、“把水送給主人”等一系列子 任務(wù)。這一層次的規(guī)劃稱為任務(wù)規(guī)劃(Task planning),它完成總體任務(wù)的分解然后再針對每一個子任務(wù)進行進一步的規(guī)劃。以“把水倒入杯中”這一子任務(wù)為例，可以進一步分解成為“把水壺提到杯口上方”、“把水壺傾斜倒水入杯”、 “把水壺豎直”、“把水壺放回原處”等一系列動作，這一層次的規(guī)劃稱為動作規(guī) 劃（Motion Planning）,它把實現(xiàn)每一個子任務(wù)的過程分解為一系列具體的動作。為了實現(xiàn)每一個動作，需要對手部的運動軌跡進

19、行必要的規(guī)定，這是手部軌跡規(guī)戈U （Hand trajectory planning ）。為了使手部實現(xiàn)預(yù)定的運動，就要知道各關(guān)節(jié)的運動規(guī)律，這是關(guān)節(jié)軌跡規(guī) 戈 U （Joint trajectory planning）。最后才是關(guān)節(jié)的 運動控制（Motion control）。上述例子可以看出，機器人的規(guī)劃是分層次的，從高層的任務(wù)規(guī)劃，動作規(guī) 劃到手部軌跡規(guī)劃和關(guān)節(jié)軌跡規(guī)劃，最后才是底層的控制（見下圖）。在上述例子 中，我們沒有討論力的問題，實際上，對有些機器人來說，力的大小也是要控制 的，這時，除了手部或關(guān)節(jié)的軌跡規(guī)劃，還要進行手部和關(guān)節(jié)輸出力的規(guī)劃。智能化程度越高，規(guī)劃的層次越多，操作就

20、越簡單。對工業(yè)機器人來說，高層的任務(wù)規(guī)劃和動作規(guī)劃一般是依賴人來完成的。一般的工業(yè)機器人不具備力的反饋， 所以，工業(yè)機器人通常只具有軌跡規(guī)劃的和底 層的控制功能。（要實現(xiàn)人機協(xié)同裝配，則人也負責(zé)完成軌跡形狀（直角空間） 和時間（人的動作時間）的規(guī)劃，怎么使機器人理解人的軌跡形狀并得到關(guān)節(jié)轉(zhuǎn) 角、速度、加速度等呢？）軌跡規(guī)劃的目的是一一將操作人員輸入的簡單的任務(wù)描述變?yōu)樵敿毜倪\動 軌跡描述。例如，對一般的工業(yè)機器人來說，操作員可能只輸入機械手末端的目 標位置和方位，而規(guī)劃的任務(wù)便是要確定出達到目標的關(guān)節(jié)軌跡的形狀、運動的時間和速度等。這里所說的軌跡是指隨時間變化的位置、速度和加速度。簡言之， 機

21、器人的工作過程，就是通過規(guī)劃，將要求的任務(wù)變?yōu)槠谕倪\動和力（通過機 器人動力學(xué)方程得到末端的輸出力與轉(zhuǎn)矩， 如何控制機器人末端輸出的力和轉(zhuǎn)矩 呢？），由控制環(huán)節(jié)根據(jù)期望的運動和力的信號，產(chǎn)生相應(yīng)的控制作用，以使機 器人輸出實際的運動和力，從而完成期望的任務(wù)。這一過程表述如下圖所示。這 里，機器人實際運動的情況通常還要反饋給規(guī)劃級和控制級，以便對規(guī)劃和控制的結(jié)果做出適當(dāng)?shù)男拚蠄D中，要求的任務(wù)由操作人員輸入給機器人， 為了使機器人操作方便、使 用簡單，必須允許操作人員給出盡量簡單的描述。上圖中，期望的運動和力是進行機器人控制所必需的輸入量，它們是機械手 末端在每一個時刻的位姿和速度， 對于絕大

22、多數(shù)情況，還要求給出每一時刻期望 的關(guān)節(jié)位移和速度，有些控制方法還要求給出期望的加速度等1.2 機器人PTP控制和CP控制對于 PTP (Pointto Point )控制:通常只給出機械手末端的起點和終點， 有時也給出一些中間經(jīng)過點，所有這 些點統(tǒng)稱為路徑點。應(yīng)注意這里所說的“點”不僅包括機械手末端的位置，而且 包括方位，因此描述一個點通常需要6個量。通常希望機械手末端的運動是光滑 的，即它具有連續(xù)的一階導(dǎo)數(shù)，有時甚至要求具有連續(xù)的二階導(dǎo)數(shù)。 不平滑的運 動容易造成機構(gòu)的磨損和破壞，甚至可能激發(fā)機械手的振動。因此規(guī)劃的任務(wù)便 是要根據(jù)給定的路徑點規(guī)劃出通過這些點的光滑的運動軌跡。對于CP控制

23、：機械手末端的運動軌跡是根據(jù)任務(wù)的需要給定的，但是它也必須按照一定的 采樣間隔，通過逆運動學(xué)計算，將其變換到關(guān)節(jié)空間，然后在關(guān)節(jié)空間中尋找光 滑函數(shù)來擬合這些離散點.最后，還有在機器人的計算機部如何表示軌跡，以及如何實時地生成軌跡的問題。1.3 關(guān)節(jié)空間軌跡規(guī)劃和直角空間軌跡規(guī)劃軌跡規(guī)劃問題又可以分為關(guān)節(jié)空間的軌跡規(guī)劃和直角空間的軌跡規(guī)劃。(1)關(guān)節(jié)空間軌跡規(guī)劃關(guān)節(jié)空間法首先將在工具空間中期望的路徑點，通過逆運動學(xué)計算，得到期 望的關(guān)節(jié)位置，然后在關(guān)節(jié)空間，給每個關(guān)節(jié)找到一個經(jīng)過中間點到達目的終點 的光滑函數(shù)，同時使得每個關(guān)節(jié)到達中間點和終點的時間相同， 這樣便可保證機 械手工具能夠到達期望的直角坐標位置。 這里只要求各個關(guān)節(jié)在路徑點之間的時 間相同，而各個關(guān)節(jié)的光滑函數(shù)的確定則是互相獨立的。下面具體介紹在關(guān)節(jié)空間常用的兩種規(guī)劃方法1)三次多項式函數(shù)插值考慮機械手末端在一定時間從初始位置和方位移動到目標位置和方位的問題。利用逆運動學(xué)計算，可以首先求出一組起始和終了的關(guān)節(jié)位置. 現(xiàn)在的問題是求出 一