《機械臂智能控制》 課件 項目1-機器人初識

探索千姿百態(tài)的機器人智能工程系CONTENTS目錄1.機器人概覽2.機器人的組成3.機械臂構(gòu)型4.機器人仿真2.機器人的組成2.舉例：OpenBot——將智能手機變成機器人OpenBot智能小車——人員跟蹤OpenBot智能小車——自主導航OpenBot智能小車——組成OpenBot智能小車DIY構(gòu)建自己的小車刷Arduino固件安裝AndroidAPP駕駛策略

參考網(wǎng)址：

/intel-isl/OpenBot/blob/master/README_CN.mdOpenBot智能小車構(gòu)建——電路設(shè)計OpenBot智能小車構(gòu)建——材料一覽OpenBot——主控ArduinoNano/item.htm?spm=a1z10.5-c-s.w4002-23633313797.99.590d6ea1bwQAuL&id=44900357409OpenBot——車體/item.htm?spm=a1z10.5-c-s.w4002-23633313797.20.35ab3648PYpMD8&id=412936384172輪電機帶測速碼盤OpenBot——電機測速傳感器/item.htm?spm=a1z0d.7625083.1998302264.6.5c5f4e69kOgg9M&id=38024264584OpenBot——超聲波避障/item.htm?spm=a1z0d.7625083.1998302264.6.5c5f4e69zm3R4S&idpenBot——電機驅(qū)動/item.htm?spm=a1z0d.7625083.1998302264.5.5c5f4e69zTKGcH&id=20533464438OpenBot小車材料清單OpenBot小車/item.htm?spm=a230r.be94d65cXQ4pW&id=625881189879&ns=1&abbucket=19#detailOpenBot智能小車構(gòu)建——接線圖OpenBot智能小車構(gòu)建——組裝OpenBot小車——刷Arduino固件參考網(wǎng)址：/intel-isl/OpenBot/blob/master/firmware/README_CN.mdOpenBot小車——刷Arduino固件參考網(wǎng)址：/intel-isl/OpenBot/blob/master/firmware/openbot_v1_nano/openbot_v1_nano.inoOpenBot小車——智能手機智能手機，滿足三個方面需求：處理器（CPU、GPU、 AI計算）、傳感器（GPS、攝像頭等）通信接口（藍牙、 4G/5G網(wǎng)絡(luò)）

機器人DIYOpenBot小車——智能手機AndroidApps：/intel-isl/OpenBot/blob/master/android/README.md

機器人DIYOpenBot小車——智能手機AndroidApps：

機器人DIY2.機器人的組成

機器人的構(gòu)造2.機器人的組成

機器人的構(gòu)造2.1機器人——執(zhí)行機構(gòu)：輪式優(yōu)點：速度快、效率高、運動噪聲低。缺點：越障能力、地形適應(yīng)能力差、轉(zhuǎn)彎效率低，或轉(zhuǎn)彎半徑大。適合：野外、城市環(huán)境都可以，但是地形不能太復雜，如上樓梯難以實現(xiàn)。

機器人的構(gòu)造2.1機器人——執(zhí)行機構(gòu)：差速輪兩輪差速底盤（DifferentialDriverobot）兩個驅(qū)動輪，帶幾個萬向輪，靠差速轉(zhuǎn)彎性價比高、廣泛應(yīng)用的機器人底盤

機器人的構(gòu)造2.1機器人——執(zhí)行機構(gòu)：差速輪四輪滑移底盤（Four-wheelslidingrobot） ——四輪差速底盤四個固定驅(qū)動輪靠左右兩邊速度不一樣實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎當車子差速原地轉(zhuǎn)向的時候，

四個輪子就必定會有一點漂移的

情況出現(xiàn)，就是輪子會出現(xiàn)側(cè)向

滑動，輪子磨損比較大。

機器人的構(gòu)造2.1機器人——執(zhí)行機構(gòu)：阿克曼輪四輪阿克曼底盤（Four-wheeledAckermanrobot）像汽車一樣，前輪轉(zhuǎn)向，后輪驅(qū)動的模型轉(zhuǎn)向靈活性，減小轉(zhuǎn)向時的轉(zhuǎn)向半徑

和輪胎阻力，從而減少輪胎磨損，

減小方向盤的作用力。

機器人的構(gòu)造2.1機器人——執(zhí)行機構(gòu)：麥克納姆輪優(yōu)點：全向移動，可在狹小空間完成移動。缺點：與普通輪胎相比：麥克納姆輪,有N個軸承,但是同一時間只有1個或2個軸承吃力，對于重載的,浪費更嚴重.所以M輪的車通常是一噸以下。耐用性差、速度慢，對地面環(huán)境要求高。適合：室內(nèi)，平坦地面。四輪麥克納姆輪底盤

機器人的組成2.1機器人——執(zhí)行機構(gòu)：麥克納姆輪優(yōu)點：全向移動，可在狹小空間完成移動。缺點：與普通輪胎相比：耐用性差、速度慢，震動，對地面環(huán)境要求高。適合：室內(nèi)，平坦地面。

機器人的組成2.1機器人——執(zhí)行機構(gòu)：全向輪全向輪，包括輪轂和從動輪，該輪轂的外圓周處均勻開設(shè)有3個或3個以上的輪轂齒，每兩個輪轂齒之間裝設(shè)有一從動輪，該從動輪的徑向方向與輪轂外圓周的切線方向垂直。優(yōu)點：全向移動，橫向摩擦力小，增加壽命。缺點：與普通輪胎相比：橫向無法固定，稱重小，震動，耐用性差、速度慢，對地面環(huán)境要求高。適合：室內(nèi)，平坦地面。四輪全向輪底盤三輪全向輪底盤

機器人的組成2.1機器人——執(zhí)行機構(gòu)：履帶式優(yōu)點：越障能力、地形適應(yīng)能力強，可實現(xiàn)原地轉(zhuǎn)彎。缺點：速度相對較低、效率低、運動噪聲較大。適合：野外、城市環(huán)境都可以，尤其在爬樓梯、越障等方面優(yōu)于輪式機器人

機器人的組成2.1機器人——執(zhí)行機構(gòu)：腿式優(yōu)點：幾乎可以適應(yīng)各種復雜地形，能夠跨越障礙。缺點：行進速度較低，且由于重心原因容易側(cè)翻，不穩(wěn)定適合：幾乎所有環(huán)境

機器人的組成2.2機器人——驅(qū)動系統(tǒng)

機器人的組成10標準大氣壓=10公斤力=10㎏/c㎡

=1MPa2.2機器人——驅(qū)動系統(tǒng)：液壓液壓缸

機器人的組成液壓千斤頂2.2機器人——驅(qū)動系統(tǒng)：液壓液壓缸波士頓動力液壓機器人BigDog

機器人的組成破碎機——碎石叉車液壓泵：漏油液壓千斤頂2.2機器人——驅(qū)動系統(tǒng)：氣動機械臂——吸盤氣泵

機器人的組成2.2機器人——驅(qū)動系統(tǒng)：電動直流電機（有刷、無刷）步進電機伺服電機

機器人的組成2.2機器人——驅(qū)動系統(tǒng)：電動直流電機——有刷主要結(jié)構(gòu)：定子+轉(zhuǎn)子+電刷，通過旋轉(zhuǎn)磁場獲得轉(zhuǎn)動力矩，從而輸出動能。電刷與換向器不斷接觸摩擦，在轉(zhuǎn)動中起到導電和換相作用。

機器人的組成2.2機器人——驅(qū)動系統(tǒng)：電動直流電機——有刷優(yōu)點：

結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)成熟；

響應(yīng)速度快，起動扭矩大；

運行平穩(wěn)，起、制動效果好；

控制精度高；成本低，維修方便

機器人的組成2.2機器人——驅(qū)動系統(tǒng)：電動直流電機——有刷缺點：相互滑動，會摩擦碳刷，造成損耗，需要定期更換碳刷;碳刷與線圈接線頭之間通斷交替，會發(fā)生電火花，產(chǎn)生電磁破，干擾電子設(shè)備。

機器人的組成2.2機器人——驅(qū)動系統(tǒng)：電動直流電機——無刷無刷電機中，換相的工作交由控制器中的控制電路(一般為霍爾傳感器+控制器，更先進的技術(shù)是磁編碼器)來完成。通過霍爾元件，感知永磁體磁極的位置，根據(jù)這種感知，使用電子線路，適時切換線圈中電流的方向，保證產(chǎn)生正確方向的磁力，來驅(qū)動電機。

機器人的組成2.2機器人——驅(qū)動系統(tǒng)：電動直流電機——無刷優(yōu)點：

低干擾；

噪音低，運轉(zhuǎn)順暢；

壽命長，低維護成本缺點：

控制器的成本高

機器人的組成2.3機器人——傳感器：視覺3D相機工業(yè)3D相機點云效果圖

機器人的組成2.3機器人——傳感器：視覺3D相機：RealSenseD435i

機器人的組成2.3機器人——傳感器：激光雷達

機器人的組成2.3機器人——傳感器：激光雷達

機器人的組成激光雷達自動駕駛激光雷達進行環(huán)境掃描2.3機器人——傳感器：激光雷達

機器人的組成優(yōu)點：（1）分辨率高；（2）隱蔽性好、抗有源干擾能力強；（3）低空探測性能好；（4）體積小、質(zhì)量輕缺點：工作時受天氣和大氣影響大：激光在晴朗天氣里衰減較小，傳播距離較遠。而在大雨、濃煙、濃霧等壞天氣里，衰減急劇加大，傳播距離大受影響。2.3機器人——傳感器：力傳感器力傳感器位于機器人和夾具之間，這樣，所有反饋到夾具上的力就都在機器人的監(jiān)控之中。有了力傳感器，像裝配，人工引導、示教，力度限制等應(yīng)用才能得以實現(xiàn)。

機器人的組成力傳感器2.3機器人——傳感器：姿態(tài)傳感器

機器人的組成2.4機器人——控制系統(tǒng)機器人是一種非常典型的軟硬結(jié)合、機電一體產(chǎn)品。這樣的產(chǎn)品都遵循這樣一個原則：硬件決定性能邊界，軟件發(fā)揮硬件性能并定義產(chǎn)品（機器人）行為

機器人的組成2.4機器人——控制系統(tǒng)機器人控制系統(tǒng)的功能：接收來自傳感器的檢測信號，根據(jù)操作任務(wù)的要求，驅(qū)動機械臂中的各臺電動機運動。

機器人的組成3.智能機械臂控制——課程簡介專業(yè)拓展課考查課學時32（理論16學時+實驗16學時）核心內(nèi)容：

機器人技術(shù)，機械臂工作原理，機械臂控制技術(shù)3.課程介紹——課程定位

智能機械臂控制與前導課程和后續(xù)課程的銜接智能機械臂控制Python畢業(yè)設(shè)計創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競賽OpenCV相關(guān)就業(yè)電子技術(shù)基礎(chǔ)3.課程介紹——相關(guān)課程

智能機械臂控制教材：《智能機械臂控制與編程》

高等教育出版社

深圳越疆科技有限公司重點

機械臂結(jié)構(gòu)機械臂控制方法

機械臂編程方法

3.課程介紹——教材

智能機械臂控制了解機器人的種類和組成理解機械臂的結(jié)構(gòu)熟悉機械臂的控制方法熟悉機械臂的編程方法3.課程介紹——學習目標

智能機械臂控制機械臂簡介機械臂開發(fā)IDE機械臂SDK開發(fā)包機械臂的基本控制方式機械臂的信息檢測與報警機械臂“示教”&“再現(xiàn)”模式及應(yīng)用機械臂的運動規(guī)劃與控制機械臂擴展接口機械臂擴展：滑軌、傳輸帶，視覺等合計：32學時（理論+實驗）3.課程介紹——學習內(nèi)容

智能機械臂控制平時成績占60%。期末考試占40%（開卷，帶課本）；平時成績考核見下表：項目占比出勤30%提問10%課堂表現(xiàn)5%課內(nèi)實驗35%課堂測試20%

智能機械臂控制3.課程介紹——考核方式平時成績考核——出勤項目得分補救方式全勤2

曠課0無遲到、早退1提前20分鐘到教室缺課超過三分之一不能參加考試無請假（輔導員假條）1無公假2

智能機械臂控制3.課程介紹——考核方式平時成績考核——提問項目得分正確2基本正確1錯誤0平時成績考核——課堂測試項目得分良好2一般1未做0抄襲-5

智能機械臂控制3.課程介紹——考核方式平時成績考核——課堂表現(xiàn)項目得分補救方法玩手機-5一直到學期末，未在上課時看手機課堂說話-2一直到學期末，未在上課時有類似現(xiàn)象不帶書筆-2一直到學期末，未在上課時有類似現(xiàn)象帶耳機-2一直到學期末，未在上課時有類似現(xiàn)象

智能機械臂控制3.課程介紹——考核方式平時成績考核——課內(nèi)實驗項目得分實驗完全正確2實驗基本正確1未做實驗0抄襲實驗作業(yè)-5

智能機械臂控制3.課程介紹——考核方式Thankyou機器人，有“控”玩。探索千姿百態(tài)的機器人CONTENTS目錄1.機器人概覽2.機器人的組成3.機械臂構(gòu)型4.機器人仿真3.機械臂構(gòu)型3.1機械臂構(gòu)型——笛卡爾機械臂機械臂構(gòu)型二維笛卡兒空間三維笛卡兒空間機器人中的xyz坐標系和右手定則旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)方向3.1機械臂構(gòu)型——笛卡爾機械臂機械臂構(gòu)型關(guān)節(jié)1到關(guān)節(jié)3都是移動軸，且相互垂直，分別對應(yīng)于笛卡爾坐標系的X,Y,Z三軸。三個關(guān)節(jié)相互獨立，設(shè)計簡單，控制簡單。占用空間大，靈活度低3.2機械臂構(gòu)型——鉸接/關(guān)節(jié)型機械臂機械臂構(gòu)型通常由兩個肩關(guān)節(jié)J1和J2。一個肘關(guān)節(jié)J3。以及1~3個位于操作臂末端的腕關(guān)節(jié)(J4,J5,J6)組成。靈活度高，精度高，占用空間小，可應(yīng)用于工作空間較小的場合。適應(yīng)性受限（工作空間不規(guī)則，存在空間內(nèi)位置不可達的奇異點），維護成本和價格較高。3.2機械臂構(gòu)型——鉸接/關(guān)節(jié)型機械臂機械臂構(gòu)型通常由兩個肩關(guān)節(jié)J1和J2。一個肘關(guān)節(jié)J3。以及1~3個位于操作臂末端的腕關(guān)節(jié)(J4,J5,J6)組成。靈活度高，精度高，占用空間小，可應(yīng)用于工作空間較小的場合。適應(yīng)性受限（工作空間不規(guī)則，存在空間內(nèi)位置不可達的奇異點），維護成本和價格較高。3.2機械臂構(gòu)型——鉸接/關(guān)節(jié)型機械臂機械臂構(gòu)型舉例：UR機械臂——工作區(qū)空間UR機械臂的工作空間是球形的，它用兩個同心圓表示，一個較小的標記為“推薦范圍”，一個稍大的標記為“最大值”。在工作空間的中心，在基礎(chǔ)接頭的正上方和下方有一個柱子，柱子會限制機器人的運動。3.2機械臂構(gòu)型——鉸接/關(guān)節(jié)型機械臂機械臂構(gòu)型舉例：UR機械臂——外部工作區(qū)限制在推薦的到達范圍內(nèi)（以藍色表示），機器人可以將工具移動到幾乎任何方向的任何位置。在推薦范圍之外的區(qū)域內(nèi)工作但仍在最大工作區(qū)域內(nèi)（以灰色表示）時，大多數(shù)位置都可以到達，但是對工具方向有限制，因為在某些情況下機器人在物理上無法達到足夠遠的距離?！驹趺幢苊狻繉⒃O(shè)備安排在機器人周圍選擇臂展更長的UR機器人。3.2機械臂構(gòu)型——鉸接/關(guān)節(jié)型機械臂機械臂構(gòu)型舉例：UR機械臂——內(nèi)部工作區(qū)限制建議避免機器人基座正上方和下方的柱子中的機器人運動（在下面的動畫中以灰色表示），因為由于關(guān)節(jié)在機器人手臂上的布局方式，許多位置/方向?qū)⒃谖锢砩蠠o法到達。您可能會遇到在此圓柱體外部空間中執(zhí)行線性運動的問題（以橙色表示），因為相對較慢的工具速度需要基礎(chǔ)接頭的非常高的旋轉(zhuǎn)速度，從而使一些工具運動無法實現(xiàn)或不安全。【怎么避免】不在中心圓柱體中或靠近中心圓柱體工作盡量采用關(guān)節(jié)運動MoveJ、不要采用直線運動MoveL。3.3機械臂構(gòu)型——SCARA機械臂機械臂構(gòu)型SCARA(SelectiveComplianceAssemblyRobotArm,中文譯名:選擇順應(yīng)性裝配機器手臂)是一種圓柱坐標型的特殊類型的工業(yè)機器人。也稱作：水平關(guān)節(jié)型機器人。SCARA機器人有3個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié),其軸線相互平行,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于平面的運動。這類機械臂的結(jié)構(gòu)輕便、響應(yīng)快?？杀纫话汴P(guān)節(jié)式機械臂快數(shù)倍。載重小3.3機械臂構(gòu)型——SCARA機械臂機械臂構(gòu)型SCARA機械臂的結(jié)構(gòu)輕便、響應(yīng)快。比一般關(guān)節(jié)式機器人快數(shù)倍。一般用于不僅要求精度高，而且要求速度快的輕小型負載領(lǐng)域，

例如：消費類電子、汽車零部件、塑料、食品飲料和實驗室在內(nèi)的眾多行業(yè)，

參與高速準確的拾取、放置、組裝、測試檢驗和包裝等操作工藝。3.4機械臂構(gòu)型——球面坐標型機械臂機械臂構(gòu)型與鉸接型操作臂有很多相似之處，但是用移動關(guān)節(jié)代替了肘關(guān)節(jié)。這種設(shè)計在某些場合比鉸接型操作臂更加適用。移動連桿可以伸縮，縮回時，甚至可以從后面伸出。3.5機械臂構(gòu)型——圓柱面坐標型機械臂機械臂構(gòu)型圓柱面坐標型操作臂由一個使手臂豎直運動的移動關(guān)節(jié)和一個帶有豎直軸的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)組成，另一個移動關(guān)節(jié)與旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的軸正交，還有一個某種形式的腕關(guān)節(jié)。3.6機械臂構(gòu)型——Delta機械臂機械臂構(gòu)型Delta機器人是典型的空間三自由度并聯(lián)機構(gòu)，整體結(jié)構(gòu)精密、緊湊，驅(qū)動部分均布于固定平臺，這些特點使它具有如下特性：Delta機器人承載能力強、剛度大、自重負荷比小(主要是碳纖維等輕型材料構(gòu)成)、動態(tài)性能好。速度極快，適合超高速拾取物品，一秒鐘多個節(jié)拍。工作范圍小，重復定位精度一般。Thankyou機器人，有“控”玩。探索千姿百態(tài)的機器人CONTENTS目錄1.機器人概覽2.機器人的組成3.機械臂構(gòu)型4.機器人仿真知識鏈接1：機器人仿真技術(shù)仿真

在機器人相關(guān)科研和實際應(yīng)用中，機器人仿真技術(shù)發(fā)揮著重要作用，既可以對機器人相關(guān)算法進行驗證，也為機器人開發(fā)提供了一個低成本、無風險且穩(wěn)定的平臺。常用的機器人仿真軟件有：CoppeliaSim（原名VREP）、Gazebo、Webots、RobotDK、ARS等。CoppeliaSim相對簡單、友好，其Edu版本有完整的模擬和編輯功能，功能齊全，學校師生可以免費使用。任務(wù)實施：探索千姿百態(tài)的機器人Step01:安裝CoppeliaSim安裝（1）登錄CoppeliaSim官網(wǎng)： https:///（2）選擇DownloadsStep01:安裝CoppeliaSim安裝（3）選擇計算機操作系統(tǒng)所對應(yīng)的CoppeliaSim版本并下載。（4）下載的路徑最好是全英文的，雙擊.exe可執(zhí)行文件，逐步安裝即可。Step02:熟悉CoppeliaSim操作界面界面CoppeliaSim操作界面12345678序號名稱1應(yīng)用程序欄菜單欄2水平工具欄3豎直工具欄4模型瀏覽器5場景層次結(jié)構(gòu)6顯示窗口7狀態(tài)欄8Lua源碼輸入行Step02:熟悉CoppeliaSim操作界面界面①【應(yīng)用程序欄】：顯示軟件版本、當前場景文件名、渲染時間、當前模擬器狀態(tài)等。【菜單欄】：可以訪問軟件的所有功能。應(yīng)用程序欄菜單欄Step02:熟悉CoppeliaSim操作界面界面②水平工具欄畫面平移畫面旋轉(zhuǎn)畫面縮放攝像畫面全景顯示選擇模型模型平移模型旋轉(zhuǎn)畫面控制畫面控制裝配集合DNA轉(zhuǎn)移撤銷重做物理引擎啟動仿真暫停仿真停止仿真實時仿真切換仿真速度控制反顯顯示頁面選擇Step02:熟悉CoppeliaSim操作界面界面③豎直工具欄仿真設(shè)置場景對象屬性腳本配置形狀編輯模式顯示/隱藏模型瀏覽器顯示/隱藏場層次結(jié)構(gòu)顯示層級視頻錄制用戶設(shè)置④模型瀏覽器模型文件夾模型縮略圖Step02:熟悉CoppeliaSim操作界面界面⑤場景層次結(jié)構(gòu)：顯示組成場景的所有對象。雙擊對象名稱：重命名雙擊圖標：打開屬