機器人控制技術(shù)課件

第一章緒論§1.1機器人的發(fā)展歷史

古代人們期望生產(chǎn)機器替代人類勞動。

1921年，捷克作家KarelCapek在其科幻小說《羅素姆的萬能勞工（UniversalRobot）》首次使用機器人詞。

Capek夢想著有這樣的情況，即生物過程可以創(chuàng)造出類人的機器，他們雖然缺乏感情和靈魂，但他們身體強壯并服從主人的命令，而且這些機器能夠快速而廉價地生產(chǎn)出來。

第一章緒論§1.1機器人的發(fā)展歷史1

機器人市場很快發(fā)展起來，很多國家都想用成百上千的機器人士兵裝備軍隊，為他們賣命，即使傷亡也不足惜。最終機器人認定自己已經(jīng)比人類優(yōu)越，并試圖從人類手中接管這個世界。這個故事中出現(xiàn)的名字rabota，即勞動者，一直沿用到今天。機器人市場很快發(fā)展起來，很多國家都想用成百上2

機器人主要基于大規(guī)模生產(chǎn)考慮主要有以下兩個原因：

1、勞動強度

2、盡量使用機器人完成簡單、重復的作業(yè)以降低成本。

1950年，Asimov在其出版的《我，機器人》一書中，給機器人定下了三原則：

1、不傷害人類；

2、在原則一下服從人給出的命令；

3、在與上兩個原則不矛盾的前提下保護自身機器人主要基于大規(guī)模生產(chǎn)考慮主要有以下兩個原3

40年代末期美國阿爾貢國家實驗室遙控機械手的發(fā)展用于操作放射性材料(遙控式、雙向主從式機械手)

40年代末期美國阿爾貢國家實驗室遙控機械手的發(fā)展用于操作4

1953年：MIT研制成功第一臺數(shù)控銑床

機械手+NC技術(shù)

—>第一臺工業(yè)機器人的產(chǎn)生

1954年：美國人George.C.Devol申請“可編程序的關(guān)節(jié)型搬運裝置”發(fā)明專利

1958年：約瑟夫恩格爾伯格購買了德沃爾的專利，創(chuàng)造了世界上第一個制造機器人的公司—Unimation1959年：推出了第一臺示教再現(xiàn)式的(Teaching-Playback)PUMA機器人

1961年：Unimation公司生產(chǎn)出第一臺工業(yè)機器人定名為Unimate，62年在GM公司應(yīng)用1953年：MIT研制成功第一臺數(shù)控銑床51967年：豐田和川崎重工引進美國的Unimate和Versatran機器人1968年：通用汽車公司定購68臺工業(yè)機器人1976年：CincinnctiMilacron公司進入工業(yè)機器人市場，廣受歡迎1983機器人學無論是在工業(yè)生產(chǎn)還是在學術(shù)上都是一門受歡迎的學科，開始列入教學計劃80年代日本機器人在世界占主要地位，占世界總產(chǎn)量的一半以上1994年底全世界工業(yè)機器人已發(fā)展到60萬臺2001年底全世界實際裝備工業(yè)機器人102萬臺1967年：豐田和川崎重工引進美國的Unimate和Vers6機器人控制技術(shù)ppt課件7有關(guān)機器人重要術(shù)語機器人（robot）：可編程的多功能操作裝置，通過可變的、預先編程的運動完成各種任務(wù)。遙控手（teleoperator）：遠程操作控制進行工作的機器人叫遙操作機器人?？尚凶邫C器人（mobilerobot）：機座可運動的機器人。機器人學（robotics）：關(guān)于設(shè)計、制造和應(yīng)用機器人的一門學科。有關(guān)機器人重要術(shù)語機器人（robot）：可編程的多功能操作裝8（a）Kuhnezug車載起重機；(b)FanucS-500機器人在卡車上執(zhí)行焊縫任務(wù)

（a）Kuhnezug車載起重機；(b)FanucS-509機器人操作手與起重機進行比較：相似之處（結(jié)構(gòu)、驅(qū)動、負載、控制器）具有許多連桿，這些連桿通過關(guān)節(jié)依次連接；這些關(guān)節(jié)由驅(qū)動器驅(qū)動（電機）；操作機的“手”都能在空中運動，達到工作空間的任何位置，并承載一定的負荷；都用一個中央控制器控制驅(qū)動器。不同之處（控制源、名稱）起重機是由人來控制驅(qū)動器機器人操作手是由計算機編程控制。動作受計算機監(jiān)控的控制器所控制，該控制器本身也運行某種類型程序。程序改變，機器人動作就會相應(yīng)改變。一個稱為機器人，一個稱為操作機。機器人操作手與起重機進行比較：10§1.2機器人的特點、結(jié)構(gòu)及分類

一、機器人的主要特點（通用性、適應(yīng)性）機器人的特點包括如下兩方面內(nèi)容：

1．通用性 機器人的通用性取決于它的幾何特性和機械能力。即指執(zhí)行不同功能完成同一任務(wù)的能力和完成多樣不同簡單任務(wù)的能力?；蛘哒f在機械結(jié)構(gòu)上允許機器人執(zhí)行不同的任務(wù)或以不同的方式完成同一任務(wù)。決定通用性有兩方面因素：一個是機器人自由度；另一個是末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)和操作能力。§1.2機器人的特點、結(jié)構(gòu)及分類一、機器人的主要特點（通11

2．適應(yīng)性 機器人的適應(yīng)性是指其對環(huán)境的自適應(yīng)能力，即要求所設(shè)計的機器人能夠自我執(zhí)行并適應(yīng)未經(jīng)完全指定的任務(wù)，而不管任務(wù)執(zhí)行過程中是否發(fā)生了所沒有預計到的環(huán)境變化。這一能力要求機器人具有人工知覺，即能感知周圍環(huán)境。在這個層次上，機器人運用它的下述能力：

(1)使用傳感器感測環(huán)境的能力；

(2)分析任務(wù)空間和執(zhí)行操作規(guī)劃的能力；

(3)自動指令模式的能力。2．適應(yīng)性 機器人的適應(yīng)性是指其對環(huán)境的自適應(yīng)能力，12

根據(jù)具體作業(yè)對象不同，機器人適應(yīng)性主要考慮三種適應(yīng)性：

(1)點適應(yīng)性：即如何找到點的位置。

(2)曲線適應(yīng)性：即如何利用傳感器得到的信息(或特殊結(jié)構(gòu)、材料等)沿曲面工作。

(3)速度適應(yīng)性：選擇最佳運動速度。（與倒立擺類似的兩輪機器人）根據(jù)具體作業(yè)對象不同，機器人適應(yīng)性主要13二、機器人的結(jié)構(gòu)組成

四大組成部分?執(zhí)行機構(gòu)?驅(qū)動單元?控制系統(tǒng)?智能系統(tǒng)二、機器人的結(jié)構(gòu)組成14執(zhí)行機構(gòu)

執(zhí)行機構(gòu)是機器人完成工作任務(wù)的機械實體一般為“機械手臂+末端操作器”

機械手臂manipulator：一般為由桿件機構(gòu)和關(guān)節(jié)機構(gòu)組成的空間開鏈機構(gòu)常常進一步細分為機座腰部臂部肩和肘腕部

末端操作器end-effector

：按作業(yè)用途定（是機器人完成特定作業(yè)的關(guān)鍵裝置）執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行機構(gòu)是機器人完成工作任務(wù)的機15驅(qū)動單元

包括驅(qū)動器、運動件和傳動機構(gòu)驅(qū)動器：電機（步進電機、伺服電機、DD電機）、氣缸、液壓缸、新型驅(qū)動器。傳動機構(gòu)：諧波傳動、螺旋傳動、鏈傳動、帶傳動、繩傳動、各種齒輪傳動及液力傳動。運動件：機器人本體上的各運動體。驅(qū)動單元包括驅(qū)動器、運動件和傳動機構(gòu)16控制系統(tǒng)

一般由控制計算機、驅(qū)動裝置和伺服控制器（servocontroller）組成

控制計算機：根據(jù)作業(yè)要求接受編程發(fā)出指令控制協(xié)調(diào)運動并根據(jù)環(huán)境信息協(xié)調(diào)運動

伺服控制器：控制各關(guān)節(jié)的驅(qū)動器使其按一定的速度加速度和軌跡要求進行運動控制系統(tǒng)一般由控制計算機、驅(qū)動裝置和伺17智能系統(tǒng)

正在發(fā)展中智能機器人除運動機能外還有如下三種機能

感知機能：獲取外部環(huán)境信息以便進行自我行動決策和監(jiān)視的機能，視覺傳感器是當前發(fā)展的重點

思維機能：求解問題的認識推理和判斷機能——人工智能

人—機通信機能：理解指示命令輸出內(nèi)部狀態(tài)與人進行信息交換的機能智能系統(tǒng)正在發(fā)展中智能機器人除運動機能18三、機器人的分類

1、按機器人結(jié)構(gòu)形式

一般工業(yè)機器人為6個自由度前三個稱為手臂機構(gòu)后三個稱為手腕機構(gòu)。根據(jù)手臂機構(gòu)的運動付不同形式的組合得到不同的機器人機構(gòu)形式。(1)直角坐標式(Cartesian)符號表示PPP三、機器人的分類1、按機器人結(jié)構(gòu)形式19(2)圓柱坐標式(Cylindrical)符號表示RPP

(2)圓柱坐標式(Cylindrical)符號表示RPP20(3)球坐標式(Spherical)符號表示RRP

(3)球坐標式(Spherical)符號表示RRP21(4)多關(guān)節(jié)式(Jointed)符號表示RRR

(4)多關(guān)節(jié)式(Jointed)符號表示RRR22機器人控制技術(shù)ppt課件23(5)SCARA(SelectiveComplianceAssemblyRobotArm)關(guān)節(jié)軸線全平行由日本山梨大學牧野洋教授首先提出

(5)SCARA(SelectiveComplianc24本課程案例教學機器人本課程案例教學機器人252、按機器人控制方式

(1)非伺服控制機器人：這種機器人按照事先編好的程序進行工作，使用限位開關(guān)、制動器、插銷板和定序器控制機器人的工作。主要涉及“終點”、“抓放”或“開關(guān)”式機器人，尤其是有限順序機器人。

(2)伺服控制機器人：通過反饋傳感器取得的反饋信號與來自給定裝置的給定信號，用比較器加以比較后，得到誤差信號，經(jīng)過放大后用以激發(fā)機器人的驅(qū)動裝置，并帶動末端執(zhí)行裝置以一定的運動規(guī)律運動，實現(xiàn)所要求的作業(yè)。

2、按機器人控制方式(1)非伺服26

伺服控制分為點位伺服控制和連續(xù)軌跡伺服控制兩種。

點位伺服控制：機器人以最快和最直接的路徑（省時省力）從一個端點移到另一個端點。通常用于重點考慮終點位置，而對中間的路徑和速度不做主要限制的場合。實際工作路徑可能與示教時不一致。

連續(xù)軌跡伺服控制：機器人能夠平滑地跟蹤某個規(guī)定的路徑。伺服控制分為點位伺服控制和連續(xù)軌跡伺服273．按機器人的信息輸入方式日本工業(yè)機器人協(xié)會把機器人分為六類：1)手動操作手：由操作人員直接進行操作的有幾個自由度的加工裝置；2)定序機器人：按預定的順序、條件和位置，逐步地重復執(zhí)行給定的作業(yè)任務(wù)，其預定信息難以修改；3)變序機器人：和第二類一樣，但預定信息易于修改；4)示教式機器人：能夠按照記憶裝置存儲的信息復現(xiàn)事先由人示教的動作，且這些示教的動作能夠自動重復地進行；5)程控機器人：能夠通過提供的運動程序，執(zhí)行給定的任務(wù)；6)智能機器人：通過感知信息獨立檢測工作環(huán)境或工作條件的變化，借助機器人本身的自我決策能力，進行相應(yīng)的工作。它不受工作環(huán)境或工作條件變化的影響。

美國只將后四種定義為機器人。3．按機器人的信息輸入方式日本工業(yè)機器人協(xié)會把機器人分為六類28§1.3機器人自由度、關(guān)節(jié)及坐標系一、機器人的自由度確定點在空間位置—三個坐標。確定剛體（三維物體，不是一個點）在空間位置—六個坐標（三個確定空間位置，三個確定空間姿態(tài)）。需要六個自由度才能將物體放到空間任意指定位姿（即位置和姿態(tài)）。少于六個自由度，機器人的能力將受到相應(yīng)限制（自由度越少，限制越多）?！?.3機器人自由度、關(guān)節(jié)及坐標系一、機器人的自由度29

1）三自由度機器人只能沿X、Y、Z軸運動不能指定機械手姿態(tài)

2）五自由度機器人

X、Y、Z移動和繞X、Y的轉(zhuǎn)動（焊接、磨削機器人，不要求Z軸轉(zhuǎn)動）

3）七自由度機器人解無窮多，要有附加決策程序使機器人從這些解中選擇一個。（檢驗所有解，根據(jù)決策找出所求解，實際生產(chǎn)不用）1）三自由度機器人30

1、將一個圓柱形零件放置在平板上，機器人應(yīng)具有幾個自由度？

2、人的手臂（包括肩、肘、腕）有幾個自由度？思考題思考題31二、機器人的關(guān)節(jié)

1、直線移動關(guān)節(jié)

2、轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)（驅(qū)動方式）二、機器人的關(guān)節(jié)32滑動關(guān)節(jié)用P表示旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)用R表示球型關(guān)節(jié)用S表示機器人構(gòu)型通?？捎靡幌盗械腜,R,S來描述

思考題三滑動關(guān)節(jié)，三旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)怎樣表示？答案：3P3R三、機器人的坐標

滑動關(guān)節(jié)用P表示旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)用R表示球型關(guān)節(jié)用S表示機器人構(gòu)型通33四、機器人的坐標系

機器人運動學中通常定義以下三種坐標系：

1、全局參考坐標系：此時，機器人是通過各關(guān)節(jié)的組合運動產(chǎn)生沿X、Y、Z三個坐標軸直線運動和繞他們的轉(zhuǎn)動。

四、機器人的坐標系34

2、關(guān)節(jié)參考坐標系：此時，機器人是通過各關(guān)節(jié)獨立運動產(chǎn)生期望運動。

3、工具參考坐標系：是一個活動坐標系，隨機器人手運動而隨之運動，在機器人控制中，它便于對機器人靠近、離開物體或安裝零件進行編程。2、關(guān)節(jié)參考坐標系：此時，機器人是通過各關(guān)35§1.4SCARA教學機器人

SCARA教學機器人為平面關(guān)節(jié)型機器人，具有3個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，其軸線相互平行，可在平面內(nèi)進行定位和定向。另一個關(guān)節(jié)是移動關(guān)節(jié)，用于完成末端件在垂直平面的運動。

§1.4SCARA教學機器人SCARA36一、機器人特點1.機構(gòu)采用平面關(guān)節(jié)型（SCARA）結(jié)構(gòu)，按工業(yè)標準要求設(shè)計，速度快、柔性好；2.采用交流伺服電機和諧波減速器等，模塊化結(jié)構(gòu)，簡單、緊湊；3.控制系統(tǒng)采用Windows系列操作系統(tǒng)，二次開發(fā)方便、快捷，適于教學實驗；4.提供通用機器人語言編程系統(tǒng)，可通過圖形示教自動生成機器人語言等程序；5.內(nèi)容涵蓋機器人運動學、動力學、控制系統(tǒng)的設(shè)計、機器人軌跡規(guī)劃等。一、機器人特點37二、機器人參數(shù)二、機器人參數(shù)38機器人控制技術(shù)ppt課件39機器人控制技術(shù)課程主要內(nèi)容：物體空間位置的表示；機器人的運動學正、逆解；機器人作業(yè)的靜力學分析及力控制技術(shù)；機器人作業(yè)路徑規(guī)劃及驅(qū)動、控制系統(tǒng)的設(shè)計；機器人智能及感知系統(tǒng)；機器人控制技術(shù)課程主要內(nèi)容：40機器人控制技術(shù)課程任務(wù)：使學生對機器人系統(tǒng)有明確概念；掌握機器人運動學、靜力學、動力學