工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)及應(yīng)用 課件 ch01 認(rèn)知機(jī)器人本體

認(rèn)知機(jī)器人本體第一章工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)及應(yīng)用高等院校公共課系列精品教材工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)通常由四大部分組成，即機(jī)械機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、感知系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。認(rèn)知機(jī)器人本體1）機(jī)械機(jī)構(gòu)機(jī)械機(jī)構(gòu)是由關(guān)節(jié)連在一起的許多機(jī)械連桿的集合體而形成的開環(huán)運(yùn)動(dòng)學(xué)鏈系。2）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)使各種機(jī)械部件產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的裝置為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng)源可以是氣動(dòng)的、液壓的或電動(dòng)的。4）控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)通過(guò)獲取的信息確定機(jī)械部件各部分的正確運(yùn)行軌跡、速度、位置和外部環(huán)境，使機(jī)械部件的各部分按預(yù)定程序在規(guī)定的時(shí)間開始和結(jié)束動(dòng)作。3）感知系統(tǒng)感知系統(tǒng)是由一個(gè)或多個(gè)傳感器組成。傳感器是將有關(guān)機(jī)械部件的內(nèi)部信息和外部信息傳遞給機(jī)器人的控制器。認(rèn)知機(jī)器人本體01PARTONE機(jī)器人的機(jī)械機(jī)構(gòu)1.1機(jī)器人的機(jī)械機(jī)構(gòu)由于應(yīng)用場(chǎng)合的不同，機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式多種多樣，各組成部分的驅(qū)動(dòng)方式、傳動(dòng)原理和機(jī)械結(jié)構(gòu)也各有不同。通常根據(jù)機(jī)器人各部分的功能，其機(jī)械部分主要由以下幾部分組成，如下圖所示。01手部機(jī)器人為了進(jìn)行作業(yè)，在手腕上配置了操作機(jī)構(gòu)，也稱為手爪或未端操作器、末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)等。03臂部連接機(jī)身和手腕的部分，主要作用是改變手部的空間位置，滿足機(jī)器人的作業(yè)空間，并將各種載荷傳遞到機(jī)身。02手腕連接手部和臂部的部分，主要作用是改變手部的空間方向和將作業(yè)載荷傳遞到手部。1.1機(jī)器人的機(jī)械機(jī)構(gòu)04機(jī)身機(jī)身是機(jī)器人的基礎(chǔ)部分，起支撐作用。對(duì)于固定式機(jī)器人，機(jī)身直接連接到地面基礎(chǔ)上:對(duì)于移動(dòng)式機(jī)器人，機(jī)身則安裝在移動(dòng)機(jī)構(gòu)上。02PARTONE機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)01液壓容易達(dá)到較高的單位面壓力(常用油壓為25~63kg/cm2)液驅(qū)動(dòng)裝置體積較小，可以獲得較大的推力或轉(zhuǎn)矩。02液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)介質(zhì)的可壓縮性小，工作平穩(wěn)可靠，并可得到較高的位置精度。03液壓傳動(dòng)中，力、速度和方向比較容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。04液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用油液作介質(zhì)，具有防銹性和自潤(rùn)滑性能，可以提高機(jī)械效率,使用壽命長(zhǎng)。1.2機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)液壓驅(qū)動(dòng)1機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用液壓驅(qū)動(dòng)，有以下優(yōu)點(diǎn):1.2機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)液壓驅(qū)動(dòng)1液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有以下缺點(diǎn):010302油液的黏度隨溫度變化而變化，影響工作性能，高溫容易引起燃燒、爆炸等危險(xiǎn)。液體的泄漏難以克服，要求液壓元件有較高的精度和質(zhì)量，故造價(jià)較高。需要相應(yīng)的供油系統(tǒng)，尤其是電液伺服系統(tǒng)要求有嚴(yán)格的濾油裝置，否則會(huì)引起故障。04液壓驅(qū)動(dòng)方式的輸出力和功率大，能構(gòu)成何服機(jī)構(gòu)，常用于大型機(jī)器人關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)。01壓縮空氣黏度小，容易達(dá)到高速(1m/s)。02利用工廠集中的空氣壓機(jī)站供氣，不必添加動(dòng)力設(shè)備。03空氣介質(zhì)對(duì)環(huán)境無(wú)污染，使用安全，可直接應(yīng)用于高溫作業(yè)。04氣動(dòng)元件工作壓力小，故制造要求也比液壓元件低。1.2機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)氣壓驅(qū)動(dòng)2與液壓驅(qū)動(dòng)相比，氣壓驅(qū)動(dòng)有以下優(yōu)點(diǎn):1.2機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)氣壓驅(qū)動(dòng)2氣壓驅(qū)動(dòng)有以下缺點(diǎn):010302壓縮空氣常用壓力為4~6kg/cm2，若要獲得較大的出力，其結(jié)構(gòu)就要相對(duì)增大?？諝鈮嚎s性大，工作平穩(wěn)性差，速度控制困難，要達(dá)到準(zhǔn)確的位置控制很困難。壓縮空氣的除水問(wèn)題是一個(gè)很重要的問(wèn)題，處理不當(dāng)會(huì)使鋼類零件生銹，導(dǎo)致機(jī)器人失靈。此外，排氣還會(huì)造成噪聲污染。1.2機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)3(1)普通交、直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)需加減速裝置，輸出力矩大，但控制性能差，慣性大，適用于中型或重型機(jī)器人。伺服電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸出力矩相對(duì)小，控制性能好，可實(shí)現(xiàn)速度和位置的精確控制，適用于中小型機(jī)器人。(2)交、直流伺服電動(dòng)機(jī)一般用于閉環(huán)控制系統(tǒng)，而步進(jìn)電動(dòng)機(jī)則主要用于開環(huán)控制系統(tǒng)，一般用于速度和位置精度要求不高的場(chǎng)合。功率在1KW以下的機(jī)器人多采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。03PARTONE機(jī)器人的感知系統(tǒng)1.3機(jī)器人的感知系統(tǒng)感知系統(tǒng)主要靠具有感知不同信息的傳感器構(gòu)成，屬于硬件部分，包括視覺(jué)、聽覺(jué)觸覺(jué)及味覺(jué)、嗅覺(jué)等傳感器。在視覺(jué)方面，目前多利用攝像機(jī)作為視覺(jué)傳感器，它與計(jì)算機(jī)相結(jié)合，并采用電視技術(shù)，使機(jī)器人具有視覺(jué)功能，可以“看到”外界的景物，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)圖像的處理，就可對(duì)機(jī)器人下達(dá)如何動(dòng)作的命令。這類視覺(jué)傳感器在工業(yè)機(jī)器人中，多用于識(shí)別、監(jiān)視和檢測(cè)。機(jī)器人的聽覺(jué)功能，就是指機(jī)器人能夠接收人的語(yǔ)音信息，經(jīng)過(guò)語(yǔ)音識(shí)別、語(yǔ)音處理語(yǔ)句分析和語(yǔ)義分析，最后做出正確回答。語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)一般由傳聲器、語(yǔ)音預(yù)處理器計(jì)算機(jī)及專用軟件所組成。1.3機(jī)器人的感知系統(tǒng)ASIMO是本田公司開發(fā)的類人型機(jī)器人，ASIMO是Advanced(新紀(jì)元)、Stepin(進(jìn)入)、Innovative(創(chuàng)新)、Mobility(移動(dòng)工具)的縮寫。ASIMO可以行走自如，進(jìn)行諸如“8”字形行走、上下臺(tái)階、彎腰等各項(xiàng)“復(fù)雜”動(dòng)作;并可以隨著音樂(lè)翩翩起舞，還能以6km/h的速度奔跑。此外，ASIMO還能與人類動(dòng)協(xié)作，進(jìn)行握手、猜拳等動(dòng)作，似乎科幻電影中的情節(jié)變成了現(xiàn)實(shí)。1.3機(jī)器人的感知系統(tǒng)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人技術(shù)有限公司研制的智能迎賓導(dǎo)游機(jī)器人，其外形與功能已十分像人類，它的手臂、頭部、眼睛、嘴巴、腰部，會(huì)隨著優(yōu)美的樂(lè)曲，做出相應(yīng)的動(dòng)作；它還具有語(yǔ)音功能，會(huì)唱歌、講解、背誦唐詩(shī)、致迎賓詞等。它可廣泛應(yīng)用于展館、游樂(lè)場(chǎng)、酒店、賓館、辦公樓等公共場(chǎng)所。1.3機(jī)器人的感知系統(tǒng)目前，機(jī)器人的語(yǔ)言是一種“合成語(yǔ)言”，與人類的語(yǔ)言有很大區(qū)別。其語(yǔ)音尚沒(méi)有節(jié)奏，沒(méi)有抑、揚(yáng)、頓、挫。機(jī)器人的觸覺(jué)傳感器，多為微動(dòng)開關(guān)、導(dǎo)電橡膠或觸針等，利用它將觸點(diǎn)接觸與否所形成電信號(hào)的“通”與“斷”傳送到控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制。1.3機(jī)器人的感知系統(tǒng)當(dāng)要求機(jī)器人不得接觸某一對(duì)象而又要實(shí)施檢測(cè)時(shí)，就需要為機(jī)器人安裝非接觸式傳感器，目前這類傳感器有電磁渦流式、光學(xué)式和超聲波式等類型。當(dāng)要求機(jī)器人的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)(如靈巧手)具有適度的力量，如握力、擰緊力或壓力時(shí)，就需要有力學(xué)傳感器。力學(xué)傳感器種類較多，常用的是電阻應(yīng)變式傳感器。1.3機(jī)器人的感知系統(tǒng)人類的嗅覺(jué)是通過(guò)鼻黏膜感受氣味的刺激，由嗅覺(jué)神經(jīng)傳遞給大腦，再由大腦將信息與記憶的氣味信息加以比較，從而判定氣味的種類及來(lái)源。科學(xué)家研制出一種能辨別氣味的電子裝置，叫作“電子鼻”，它包括氣味傳感器、氣味儲(chǔ)存器和能識(shí)別與處理有關(guān)數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)。其中，氣味(即嗅覺(jué))傳感器就相當(dāng)于人類的“鼻黏膜”。但是，一種嗅覺(jué)傳感器只能對(duì)一類氣味進(jìn)行識(shí)別，所以，必須研制出對(duì)復(fù)合氣體有識(shí)別能力的“電子鼻”。據(jù)報(bào)道，美國(guó)已研制出用20個(gè)相關(guān)的傳感器和計(jì)算機(jī)相連，將傳感器信號(hào)與計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)的氣味記錄加以比較判定，并可在顯示器上顯示判定結(jié)果的“電子鼻”。人的鼻子對(duì)氣味的判定具有多種性，但因易疲勞和受病痛影響，因此不十分可靠，而電子鼻勝過(guò)人類的鼻子。04PARTONE機(jī)器人的控制系統(tǒng)01伺服控制級(jí)軟件伺服控制級(jí)軟件用于對(duì)驅(qū)動(dòng)器的控制與驅(qū)動(dòng)。把從軌跡生成部分輸出的控制量作為指令值，再把這個(gè)指令值與從位置和速度等傳感器傳來(lái)的信號(hào)進(jìn)行比較，用比較后的指令值控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。1.4機(jī)器人的控制系統(tǒng)機(jī)器人的控制系統(tǒng)由控制計(jì)算機(jī)及相應(yīng)的控制軟件和伺服控制器組成，它相當(dāng)于人的神經(jīng)系統(tǒng)，是機(jī)器人的神經(jīng)中樞，它實(shí)施機(jī)器人的全部信息處理和對(duì)機(jī)器人本體的運(yùn)動(dòng)控制。1.4機(jī)器人的控制系統(tǒng)02機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制級(jí)軟件機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制級(jí)軟件用于對(duì)機(jī)器人進(jìn)行軌跡控制、插補(bǔ)和坐標(biāo)變換。接收示教系統(tǒng)送來(lái)的各示教點(diǎn)位置和姿態(tài)信息、運(yùn)動(dòng)參數(shù)和工藝參數(shù)，并通過(guò)計(jì)算把各點(diǎn)的示教(關(guān)節(jié))坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換成直角坐標(biāo)值存入計(jì)算機(jī)內(nèi)存;機(jī)器人在再現(xiàn)狀態(tài)時(shí)，從內(nèi)存中逐點(diǎn)取出其位置和姿態(tài)坐標(biāo)值，按一定的時(shí)間節(jié)拍(又稱采樣周期)對(duì)它進(jìn)行圓弧或直線插補(bǔ)運(yùn)算，算出各插補(bǔ)點(diǎn)的位置和姿態(tài)坐標(biāo)值，這就是路徑規(guī)劃生成;然后逐點(diǎn)地把各插補(bǔ)點(diǎn)的位置和姿態(tài)坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換成關(guān)節(jié)坐標(biāo)值，分送到各個(gè)關(guān)節(jié)。為了控制機(jī)器人在被示教的作業(yè)點(diǎn)之間按照機(jī)器人語(yǔ)言所描述的指定軌跡運(yùn)動(dòng)，必須計(jì)算配置在機(jī)器人各關(guān)節(jié)處電動(dòng)機(jī)的控制量。1.4機(jī)器人的控制系統(tǒng)03周邊裝置控制級(jí)軟件周邊裝置控制級(jí)軟件用于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制、夾具汽缸控制、各種外部信號(hào)控制及其他輔助周邊設(shè)備控制等。PLC的輸入/輸出點(diǎn)在PLC程序的控制下，在各種外部控制信號(hào)的作用下，將輸出控制信號(hào)發(fā)送到各執(zhí)行器件上，用以實(shí)現(xiàn)各種理想的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。1.4機(jī)器人的控制系統(tǒng)第二級(jí)計(jì)算機(jī)是執(zhí)行計(jì)算機(jī)，它的任務(wù)是進(jìn)行伺服電動(dòng)機(jī)閉環(huán)控制。它接收了第一級(jí)計(jì)算機(jī)送來(lái)的各關(guān)節(jié)下一步期望達(dá)到的位置和姿態(tài)后，又做一次均勻細(xì)分，以求運(yùn)動(dòng)軌跡更為平滑;然后將各關(guān)節(jié)下一細(xì)步期望值逐點(diǎn)送給驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，同時(shí)檢測(cè)光電碼盤信號(hào)，直到其準(zhǔn)確到位。第一級(jí)計(jì)算機(jī)的任務(wù)是規(guī)劃和管理。機(jī)器人示教時(shí)，系統(tǒng)接收示教點(diǎn)位置和姿態(tài)信息、運(yùn)動(dòng)參數(shù)和工藝參數(shù)，并通過(guò)計(jì)算把各點(diǎn)的坐標(biāo)值存入計(jì)算機(jī)內(nèi)存里;機(jī)器人再現(xiàn)時(shí)，從內(nèi)存中逐點(diǎn)取出其位置和姿態(tài)坐標(biāo)值，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行圓弧或直線插補(bǔ)運(yùn)算，生成路徑規(guī)劃;然后把各插補(bǔ)點(diǎn)的位置和姿態(tài)值轉(zhuǎn)換成關(guān)節(jié)坐標(biāo)值，分送到各個(gè)關(guān)節(jié)。工業(yè)機(jī)器人的控制器大多采用二級(jí)計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)。05PARTONE機(jī)器人的主要技術(shù)參數(shù)1.5機(jī)器人的主要技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)機(jī)器人時(shí)，首先要確定機(jī)器人的主要技術(shù)參數(shù)，然后由機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)來(lái)選擇機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)、坐標(biāo)形式和傳動(dòng)裝置等。01自由度自由度指描述物體運(yùn)動(dòng)所需要的獨(dú)立坐標(biāo)數(shù)。02工作速度工作速度指機(jī)器人在工作載荷條件下的勻速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，機(jī)械接口中心或工具中心點(diǎn)在單位時(shí)間內(nèi)所移動(dòng)的距離或轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。1.5機(jī)器人的主要技術(shù)參數(shù)03工作空間機(jī)器人的工作空間指機(jī)器人手臂或手部安裝點(diǎn)所能達(dá)到的所有空間區(qū)域，不包括手部本身所能達(dá)到的區(qū)域。04工作載荷工作載荷指機(jī)器人在