機(jī)器人的組成系統(tǒng)

1、工業(yè)機(jī)器人組成系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人由主體、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三個(gè)基本部分組成。主體即機(jī)座和執(zhí)行機(jī)構(gòu)， 包括腰部、肩部、肘部和手腕部，其中手腕部有3個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括動(dòng)力裝置和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，用以使執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作。控制系統(tǒng)是按照輸入的程序?qū)︱?qū)動(dòng)系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令信號(hào)，并進(jìn)行控制。工業(yè)機(jī)器人按執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的控制機(jī)能，又可分點(diǎn)位型和連續(xù)軌跡型。點(diǎn)位型只控制 執(zhí)行機(jī)構(gòu)由一點(diǎn)到另一點(diǎn)的準(zhǔn)確定位，適用于機(jī)床上下料、點(diǎn)焊和一般搬運(yùn)、裝卸等作業(yè)； 連續(xù)軌跡型可控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)按給定軌跡運(yùn)動(dòng)，適用于連續(xù)焊接和涂裝等作業(yè)。工業(yè)機(jī)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(lèi)。編程輸入型是將計(jì) 算機(jī)上已編好

2、的作業(yè)程序文件，通過(guò)RS232串口或者以太網(wǎng)等通信方式傳送到機(jī)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(dòng)控制器(示教操縱盒)，將指令信號(hào)傳給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)按要求的動(dòng)作順序和運(yùn)動(dòng)軌跡操演一遍；另一種是由操作者直接領(lǐng)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)， 按要求的動(dòng)作順序和運(yùn)動(dòng)軌跡操演一遍。在示教過(guò)程的同時(shí)， 工作程序的信息即自動(dòng)存入程序存儲(chǔ)器中在機(jī)器人自動(dòng)工作時(shí)，控制系統(tǒng)從程序存儲(chǔ)器中檢出相應(yīng)信息，將指令信號(hào)傳給驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)再現(xiàn)示教的各種動(dòng)作。示教輸入程序的工業(yè)機(jī)器人稱(chēng)為示教再現(xiàn)型工業(yè)機(jī)器人。幾個(gè)問(wèn)題：(1) 巨輪機(jī)器人JLRB20KGM器人是點(diǎn)位型還是連續(xù)軌跡型？(2) 能不能編寫(xiě)一個(gè)簡(jiǎn)

3、單程序，使機(jī)器人能夠的末端能夠走一個(gè)圓？(3) 能不能控制機(jī)器人中每一個(gè)電機(jī)的輸出功率或扭矩？(4) 機(jī)器人每一個(gè)關(guān)節(jié)從驅(qū)動(dòng)電機(jī)到執(zhí)行機(jī)構(gòu)的傳遞效率有沒(méi)有？2. 工業(yè)機(jī)器人的主體機(jī)器人本體由機(jī)座、腰部、大臂、小臂、手腕、末端執(zhí)行器和驅(qū)動(dòng)裝置組成。共有六個(gè)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(jī)器人采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)分為步進(jìn)電機(jī)或直流伺服電機(jī)。直流伺服電機(jī)能構(gòu)成閉環(huán)控制、精度高、額定轉(zhuǎn)速高、但價(jià)格較高，而步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)具有成本低、控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單。各部件組成和功能描述如下：(1) 基座：基座是機(jī)器人的基礎(chǔ)部分， 起支撐作用。整個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)裝置都安裝在基座。(2)

4、 腰部：腰部是機(jī)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(dòng)器和步進(jìn)電機(jī)等。(3) 大臂：大臂和傳動(dòng)部件(4) 小臂：小臂、減速齒輪箱、傳動(dòng)部件、傳動(dòng)軸等，在小臂前端固定驅(qū)動(dòng)手腕三個(gè)運(yùn)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)。(5) 手腕部件：手腕殼體、傳動(dòng)齒輪和傳動(dòng)軸、機(jī)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(jī)器人中廣泛采用的機(jī)械傳動(dòng)單元是減速器，與通用減速器相比， 機(jī)器人關(guān)節(jié)減速器要求具有傳動(dòng)鏈短、體積小、功率大、質(zhì)量輕和易于控制等特點(diǎn)。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(gè)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(gè)工作時(shí)可產(chǎn)生徑向彈性變形并帶有外齒的柔輪和一個(gè)裝在柔輪部、呈橢圓形、外圈帶有柔性滾動(dòng)軸承的波發(fā)生器等3個(gè)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(zhǎng)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(kāi)，周長(zhǎng) 上其他區(qū)段的齒處于嚙合和脫離的過(guò)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(qiáng)度和剛度以及較長(zhǎng)的壽命，而且回 差精度穩(wěn)定，不想諧波傳動(dòng)，隨著使用時(shí)間的增長(zhǎng)，運(yùn)動(dòng)精度就會(huì)顯著降低，故高 精度機(jī)器人傳動(dòng)多采用 RV減速器，且有逐漸

6、取代諧波減速器的趨勢(shì)。RV減速器是由第一級(jí)漸開(kāi)線(xiàn)圓柱齒輪行星減速機(jī)構(gòu)和第二級(jí)擺線(xiàn)針輪行星減速機(jī)構(gòu)組成，是一 封閉差動(dòng)輪系。目前，在工業(yè)機(jī)器人中常用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)是交流伺服電機(jī)。交流伺服電機(jī)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(jī)具有較強(qiáng)的過(guò)載能力，具有速度過(guò)載和轉(zhuǎn)矩過(guò)載能力，其最大轉(zhuǎn)矩可達(dá)額定轉(zhuǎn)矩的三倍， 可用于克服慣性負(fù)載在啟動(dòng)瞬間的慣性力矩。電機(jī)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(jī)器人的示教器示教器也稱(chēng)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(diǎn)動(dòng)動(dòng)。它是機(jī)器人的人機(jī)交互接口，機(jī)器人的所有操作基本上都是通過(guò)示教器完成的, 機(jī)器人，編寫(xiě)、測(cè)試和運(yùn)行機(jī)器人程序，設(shè)定、查閱機(jī)器人狀態(tài)設(shè)置和位置等。4. 工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)指標(biāo)機(jī)器人的技術(shù)指標(biāo)反映了機(jī)器人的適用圍和工作性能，是選擇、使用機(jī)器人必須考慮的問(wèn)題。(1) 最大負(fù)載：作用于機(jī)器人手腕末端，且不會(huì)使機(jī)器人性能降低的最大載荷(2) 定位精度：又稱(chēng)絕對(duì)定位精度，是指機(jī)器人末端執(zhí)行器實(shí)際到達(dá)位置與目標(biāo)位 置之間的差異。(3) 重復(fù)定位精度：指機(jī)器人重復(fù)到達(dá)某一目標(biāo)位置的差異程度；或在相同

8、的位置 指令下，機(jī)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(jī)器人的 絕對(duì)定位精度要比重復(fù)定位精度低一到兩個(gè)數(shù)量級(jí)，其原因是未考慮機(jī)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(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型 來(lái)確定機(jī)器人末端執(zhí)行器的位置。(4) 最大工作速度。在各軸聯(lián)動(dòng)情況下，機(jī)器人手腕中心所能達(dá)到的最大線(xiàn)速度。 最大工作速度越高，生產(chǎn)效率就越高。5. 工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)機(jī)器人控制系統(tǒng)是機(jī)器人的大腦，是決定機(jī)器人功能和性能的主要因素。機(jī)器人控制器是根據(jù)指令以及傳感信息控制機(jī)器人完成一定動(dòng)作或作業(yè)任務(wù)的裝置。工業(yè)機(jī)器人控制技術(shù)的主要任務(wù)就是控制工業(yè)機(jī)器人在工作空間中的運(yùn)動(dòng)位置、姿態(tài)和

9、軌跡、操作順序及動(dòng)作的時(shí)間等。具有編程簡(jiǎn)單、 軟件菜單操作、友好的人機(jī)交互界面、在線(xiàn)操作提示和使用方便等 特點(diǎn)。其基本功能如下：(1) 示教功能。分為在線(xiàn)示教和離線(xiàn)示教兩種方式。(2) 記憶功能。存儲(chǔ)作業(yè)順序、運(yùn)動(dòng)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(cè)、視覺(jué)、觸覺(jué)、力覺(jué)等。(5) 故障診斷安全保護(hù)功能。 運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)監(jiān)視、 故障狀態(tài)下的安全保護(hù)和自診斷。其關(guān)鍵技術(shù)包括：(6) 開(kāi)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(jī)結(jié)構(gòu)，分為機(jī)器人控制器(RC),運(yùn)動(dòng)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(jī)器人控制器(RC)和編程示教盒通過(guò)串口 /CAN總線(xiàn)進(jìn)行通訊。機(jī)器人 控制器(RC)的主計(jì)算機(jī)完成機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、插補(bǔ)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(kāi)源的實(shí)時(shí)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(jì)，以實(shí)現(xiàn)軟件系統(tǒng)的開(kāi)放性。整個(gè) 控制器軟件系統(tǒng)分為三個(gè)層次：硬件驅(qū)動(dòng)層、核心層和應(yīng)用層。三個(gè)層次分別 面對(duì)不同的功能需求，對(duì)應(yīng)不同層次的開(kāi)發(fā)，系統(tǒng)中各個(gè)層次部由若干個(gè)功能 相對(duì)對(duì)立的模塊組成，這些功能模塊相互協(xié)作共同實(shí)現(xiàn)該層次

11、所提供的功能。(8) 機(jī)器人的故障診斷與安全維護(hù)技術(shù)：通過(guò)各種信息，對(duì)機(jī)器人故障進(jìn)行診斷， 并進(jìn)行相應(yīng)維護(hù)，是保證機(jī)器人安全性的關(guān)鍵技術(shù)。(9) 網(wǎng)絡(luò)化機(jī)器人控制器技術(shù)：當(dāng)前機(jī)器人的應(yīng)用工程由單臺(tái)機(jī)器人工作站向機(jī)器 人生產(chǎn)線(xiàn)發(fā)展，機(jī)器人控制器的聯(lián)網(wǎng)技術(shù)變得越來(lái)越重要。控制器上具有串口、現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)及以太網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)功能?？捎糜跈C(jī)器人控制器之間和機(jī)器人控制器同上 位機(jī)的通訊，便于對(duì)機(jī)器人生產(chǎn)線(xiàn)進(jìn)行監(jiān)控、診斷和管理。根據(jù)計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)、控制方式和控制算法的處理方法，機(jī)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(tái)微型計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的全部控制功能。其優(yōu)點(diǎn)是硬件 成本較低，便于信息的

12、采集和分析，易于實(shí)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(kuò)展方便。其缺點(diǎn)是靈活性、可靠性、實(shí)時(shí)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(jí)控 制方式，由上位機(jī)和下位機(jī)組成。上位機(jī)(機(jī)器人主控制器)負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)管 理以及運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算、軌跡規(guī)劃等，下位機(jī)由多cpum成，每個(gè)cpu$制一個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。上、下位機(jī)通過(guò)通信總線(xiàn)相互協(xié)調(diào)工作。其優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)靈活性好、可 靠性提高、響應(yīng)時(shí)間短，有利于系統(tǒng)功能的并行執(zhí)行。工業(yè)機(jī)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(dòng)部分組成，軟件包括運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃算法和關(guān)節(jié)伺服控

13、制算法與相應(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(cè)工業(yè)機(jī)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(jī)器人感知工作環(huán)境和工作對(duì)象狀態(tài)的 視覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、滑覺(jué)、接近覺(jué)、溫度覺(jué)等傳感器?？刂蒲b置用于處理各種感覺(jué)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(dòng)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(dòng)各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。6. 工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡與位置控制機(jī)器人的作業(yè)實(shí)質(zhì)是控制機(jī)器人末端執(zhí)行器的位姿，以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)或連續(xù)路徑運(yùn)。（1） 點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)（PTP） 。點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)只關(guān)心機(jī)器人末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)的起點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)位姿，而不關(guān)心這兩點(diǎn)之間的運(yùn)動(dòng)軌跡。（2）

14、連續(xù)路徑運(yùn)動(dòng)（CP） 。連續(xù)路徑運(yùn)動(dòng)不僅關(guān)系機(jī)器人末端執(zhí)行器達(dá)到目標(biāo)點(diǎn)的精度， 而且必須保證機(jī)器人能沿所期望的軌跡在一定精度圍重復(fù)運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人連續(xù)路徑運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)是以點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)為基礎(chǔ)，通過(guò)在相鄰兩點(diǎn)之間采用滿(mǎn)足精度要求的直線(xiàn)或圓弧軌跡插補(bǔ)運(yùn)算即可實(shí)現(xiàn)軌跡的連續(xù)化。機(jī)器人再現(xiàn)時(shí)，主控制器 （上位機(jī)） 從存儲(chǔ)器中逐點(diǎn)取出各示教點(diǎn)空間位姿坐標(biāo)值，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行直線(xiàn)或圓弧插補(bǔ)運(yùn)算，生成相應(yīng)路徑規(guī)劃，然后把各插補(bǔ)點(diǎn)的位姿坐標(biāo)值通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解運(yùn)算換成關(guān)節(jié)角度值，分送機(jī)器人各關(guān)節(jié)或關(guān)節(jié)控制器。工業(yè)機(jī)器人控制方式有不同的分類(lèi)，如按被控對(duì)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

15、，而位置控制是工業(yè)機(jī)器人的基本控制任務(wù)。問(wèn)題：1. 要求機(jī)器人系統(tǒng)模塊化，我們可以給機(jī)器人系統(tǒng)中各模塊發(fā)送指令，并獲取各模塊的輸出。機(jī)器人系統(tǒng)部分非核心模塊應(yīng)該可以關(guān)閉或打開(kāi)，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(xiě)自己的模塊，并通過(guò)個(gè)人編寫(xiě)的模塊調(diào)用系統(tǒng)模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)模塊的控制。3. 機(jī)器人路徑規(guī)劃一般給定起始點(diǎn)和終止點(diǎn)，然后通過(guò)插補(bǔ)運(yùn)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(shí)時(shí)發(fā)送終止點(diǎn)指令，獲得規(guī)劃路徑。將路徑送入運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解求解模塊獲取關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，將該轉(zhuǎn)動(dòng)角度與期望速度和加速度（速度、加速度可以實(shí)時(shí)調(diào)整）相結(jié)合控制機(jī)器人的操作空間動(dòng)力學(xué)模型。

16、在必要情況下，在未到達(dá)終止點(diǎn)時(shí)，若終止點(diǎn)發(fā)生變化，可以從當(dāng)前點(diǎn)重新規(guī)劃到新終止點(diǎn)的路徑。4. 將機(jī)器人的坐標(biāo)系（關(guān)節(jié)坐標(biāo)系、全局坐標(biāo)系、工件坐標(biāo)系等）模塊化，可以通過(guò)指令進(jìn)行坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換。5. 將機(jī)器人末端位置、速度、加速度和每一個(gè)關(guān)節(jié)位置、速度、加速度模塊化，我們可以調(diào)取機(jī)器人末端及關(guān)節(jié)信息，并可以直接對(duì)末端及關(guān)節(jié)位置、速度、加速度發(fā)送指令以便于進(jìn)行控制。6. 機(jī)器人中的每一個(gè)關(guān)節(jié)是否都有制動(dòng)器？7. 機(jī)器人末端執(zhí)行器更換時(shí)如何進(jìn)行標(biāo)定？8. 機(jī)器人誤差補(bǔ)償模塊化。9. 機(jī)器人本體的三維建模10. 公司開(kāi)發(fā)的焊接機(jī)器人有沒(méi)有研究在障礙物未知情況下的避障規(guī)劃？有沒(méi)有研究碰撞檢測(cè)方面的工作？11.

17、 把一個(gè)物體隨1. 工業(yè)機(jī)器人的軌跡規(guī)劃1.1 機(jī) 器人規(guī)劃的基本概念所謂機(jī)器人的規(guī)劃(P1anning) ， 指的是機(jī)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(guò)程。這里所說(shuō)的任務(wù)，具有廣義的概念，既可以指機(jī)器人要完成的某一具體任務(wù)，也可以是機(jī)器人的某個(gè)動(dòng)作，比如手部或關(guān)節(jié)的某個(gè)規(guī)定的運(yùn)動(dòng)等。為說(shuō)明機(jī)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(yán)重的國(guó)家，開(kāi)發(fā)了各種各樣的機(jī)器人專(zhuān)門(mén)用于伺候老人， 這些機(jī)器人有不少是采用聲控的方式比如主人用聲音命令機(jī)器人 “給我倒一杯開(kāi)水”，我們先不考慮機(jī)器人是如何識(shí)別人的自然語(yǔ)言，而是著重分析一下機(jī)器人在得到這樣一個(gè)命今后，如何來(lái)完成主人交給的

18、任務(wù)。首先， 機(jī)器人應(yīng)該把任務(wù)進(jìn)行分解，把主人交代的任務(wù)分解成為 “取一個(gè)杯子” 、 “找到水壺”、 “打開(kāi)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(chēng)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(duì)每一個(gè)子任務(wù)進(jìn)行進(jìn)一步的規(guī)劃。以“把水倒入杯中”這一子任務(wù)為例，可以進(jìn)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(dòng)作，這一層次的規(guī)劃稱(chēng)為動(dòng)作規(guī) 劃（Motion Planning）,它把實(shí)現(xiàn)每一個(gè)子任務(wù)的過(guò)程分解為一系列具體的動(dòng)作。為了實(shí)現(xiàn)每一個(gè)動(dòng)作，需要對(duì)手部的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)

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(shí)現(xiàn)預(yù)定的運(yùn)動(dòng)，就要知道各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)控制（Motion control）。上述例子可以看出，機(jī)器人的規(guī)劃是分層次的，從高層的任務(wù)規(guī)劃，動(dòng)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(jiàn)下圖）。在上述例子 中，我們沒(méi)有討論力的問(wèn)題，實(shí)際上，對(duì)有些機(jī)器人來(lái)說(shuō)，力的大小也是要控制 的，這時(shí)，除了手部或關(guān)節(jié)的軌跡規(guī)劃，還要進(jìn)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(jiǎn)單。對(duì)工業(yè)機(jī)器人來(lái)說(shuō)，高層的任務(wù)規(guī)劃和動(dòng)作規(guī)劃一般是依賴(lài)人來(lái)完成的。一般的工業(yè)機(jī)器人不具備力的反饋， 所以，工業(yè)機(jī)器人通常只具有軌跡規(guī)劃的和底 層的控制功能。（要實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)同裝配，則人也負(fù)責(zé)完成軌跡形狀（直角空間） 和時(shí)間（人的動(dòng)作時(shí)間）的規(guī)劃，怎么使機(jī)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(jiǎn)單的任務(wù)描述變?yōu)樵敿?xì)的運(yùn)動(dòng) 軌跡描述。例如，對(duì)一般的工業(yè)機(jī)器人來(lái)說(shuō)，操作員可能只輸入機(jī)械手末端的目 標(biāo)位置和方位，而規(guī)劃的任務(wù)便是要確定出達(dá)到目標(biāo)的關(guān)節(jié)軌跡的形狀、運(yùn)動(dòng)的時(shí)間和速度等。這里所說(shuō)的軌跡是指隨時(shí)間變化的位置、速度和加速度。簡(jiǎn)言之， 機(jī)

21、器人的工作過(guò)程，就是通過(guò)規(guī)劃，將要求的任務(wù)變?yōu)槠谕倪\(yùn)動(dòng)和力（通過(guò)機(jī) 器人動(dòng)力學(xué)方程得到末端的輸出力與轉(zhuǎn)矩， 如何控制機(jī)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(yùn)動(dòng)和力的信號(hào)，產(chǎn)生相應(yīng)的控制作用，以使機(jī) 器人輸出實(shí)際的運(yùn)動(dòng)和力，從而完成期望的任務(wù)。這一過(guò)程表述如下圖所示。這 里，機(jī)器人實(shí)際運(yùn)動(dòng)的情況通常還要反饋給規(guī)劃級(jí)和控制級(jí)，以便對(duì)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(jī)器人， 為了使機(jī)器人操作方便、使 用簡(jiǎn)單，必須允許操作人員給出盡量簡(jiǎn)單的描述。上圖中，期望的運(yùn)動(dòng)和力是進(jìn)行機(jī)器人控制所必需的輸入量，它們是機(jī)械手 末端在每一個(gè)時(shí)刻的位姿和速度， 對(duì)于絕大

22、多數(shù)情況，還要求給出每一時(shí)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(jī)器人PTP控制和CP控制對(duì)于 PTP (Pointto Point )控制:通常只給出機(jī)械手末端的起點(diǎn)和終點(diǎn)， 有時(shí)也給出一些中間經(jīng)過(guò)點(diǎn)，所有這 些點(diǎn)統(tǒng)稱(chēng)為路徑點(diǎn)。應(yīng)注意這里所說(shuō)的“點(diǎn)”不僅包括機(jī)械手末端的位置，而且 包括方位，因此描述一個(gè)點(diǎn)通常需要6個(gè)量。通常希望機(jī)械手末端的運(yùn)動(dòng)是光滑 的，即它具有連續(xù)的一階導(dǎo)數(shù)，有時(shí)甚至要求具有連續(xù)的二階導(dǎo)數(shù)。 不平滑的運(yùn) 動(dòng)容易造成機(jī)構(gòu)的磨損和破壞，甚至可能激發(fā)機(jī)械手的振動(dòng)。因此規(guī)劃的任務(wù)便 是要根據(jù)給定的路徑點(diǎn)規(guī)劃出通過(guò)這些點(diǎn)的光滑的運(yùn)動(dòng)軌跡。對(duì)于CP控制

23、：機(jī)械手末端的運(yùn)動(dòng)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(guò)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)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(lái)擬合這些離散點(diǎn).最后，還有在機(jī)器人的計(jì)算機(jī)部如何表示軌跡，以及如何實(shí)時(shí)地生成軌跡的問(wèn)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(wèn)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(diǎn)，通過(guò)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算，得到期 望的關(guān)節(jié)位置，然后在關(guān)節(jié)空間，給每個(gè)關(guān)節(jié)找到一個(gè)經(jīng)過(guò)中間點(diǎn)到達(dá)目的終點(diǎn) 的光滑函數(shù)，同時(shí)使得每個(gè)關(guān)節(jié)到達(dá)中間點(diǎn)和終點(diǎn)的時(shí)間相同， 這樣便可保證機(jī) 械手工具能夠到達(dá)期望的直角坐標(biāo)位置。 這里只要求各個(gè)關(guān)節(jié)在路徑點(diǎn)之間的時(shí) 間相同，而各個(gè)關(guān)節(jié)的光滑函數(shù)的確定則是互相獨(dú)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(xiàng)式函數(shù)插值考慮機(jī)械手末端在一定時(shí)間從初始位置和方位移動(dòng)到目標(biāo)位置和方位的問(wèn)題。利用逆運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算，可以首先求出一組起始和終了的關(guān)節(jié)位置現(xiàn)