機器人驅(qū)動與運動控制 課件 第1章 機器人的基礎(chǔ)概念

第1章機器人的基礎(chǔ)概念1.1機器人的定義1.2機器人的組成1.3機器人的分類1.4機器人的技術(shù)參數(shù)1.5本章小結(jié)

1.1-機器人的定義

機器人(robot)一詞是1920年由捷克作家卡雷爾·恰佩克(KarelCapek)在他的諷刺劇《羅素姆萬能機器人》中首先提出的，描述的僅僅是一種關(guān)于人形機器的想象。而到了2022年，由中國空間技術(shù)研究院(航天五院)抓總研制的我國空間站天和核心艙上的智能機械臂已經(jīng)能夠在太空與航天員進行協(xié)同工作。該機械臂的展開長度達10.2米，最多能承載25噸的重量，主要承擔(dān)空間站艙段轉(zhuǎn)位、航天員出艙活動、艙外貨物搬運、艙外狀態(tài)檢查、艙外大型設(shè)備維護等八大類在軌任務(wù)，是世界上最為先進的空間機器人之一。

該機械臂有三個肩部關(guān)節(jié)、一個肘部關(guān)節(jié)、三個腕部關(guān)節(jié)，一共七個關(guān)節(jié)，每個關(guān)節(jié)對應(yīng)一個自由度，因此該機械臂具有了七自由度的活動能力。在機械臂的兩端——肩部與腕部還各有一個末端執(zhí)行器，其上裝有雙目測量相機和多種傳感器，可實現(xiàn)機械臂的自主控制和柔順控制，能夠?qū)崿F(xiàn)在自身前后左右任意角度與位置的抓取和操作。我國空間站機械臂轉(zhuǎn)位貨運飛船的情形如圖1-1所示。圖1-1-我國空間站機械臂轉(zhuǎn)位貨運飛船的情形

國際上在機器人領(lǐng)域較有影響力的組織如美國國家標(biāo)準(zhǔn)局定義機器人是“一種能夠進行編程并在自動控制下執(zhí)行某些操作和移動作業(yè)任務(wù)的機械裝置”；美國機器人工業(yè)協(xié)會認(rèn)為機器人是“一種用于移動各種材料、零件、工具或?qū)Ｓ醚b置的，通過可編程的動作來執(zhí)行種種任務(wù)的具有編程能力的多功能機械

手”；國際標(biāo)準(zhǔn)化組織定義機器人是“具有一定程度的自主能力，可在其環(huán)境內(nèi)運動以執(zhí)行預(yù)期任務(wù)的可編程執(zhí)行機構(gòu)”。在此基礎(chǔ)上，中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T36530—2018中定義機器人為“具有兩個或兩個以上可編程的軸，以及一定程度的自主能力，可在其環(huán)境內(nèi)運動以執(zhí)行預(yù)期的任務(wù)的執(zhí)行機構(gòu)”。

根據(jù)以上的一些定義，一般認(rèn)為機器人是一個在三維空間中具有多自由度運動能力和一定感知能力，可編程實現(xiàn)諸多擬人動作和功能的智能通用機器。機器人的最顯著的四個特點如下。

(1)可編程。

(2)擬人化。

(3)通用性。

(4)交叉性。

1.2機器人的組成

1.機械部分機械部分中的執(zhí)行機構(gòu)是機器人賴以完成工作任務(wù)的實體，又被稱為操作機，通常由連桿和關(guān)節(jié)組成。機器人典型執(zhí)行機構(gòu)示意圖如圖1-2所示。從功能角度來看，執(zhí)行機構(gòu)可分為手部、腕部、臂部、腰部和基座等。圖1-2機器人典型執(zhí)行機構(gòu)示意圖

機器人的驅(qū)動系統(tǒng)包括驅(qū)動器和傳動機構(gòu)兩部分，它們通常與執(zhí)行機構(gòu)連成機器人本體。驅(qū)動系統(tǒng)的驅(qū)動方式主要有電機驅(qū)動、液壓驅(qū)動和氣壓驅(qū)動三種。常用的驅(qū)動器有直

流伺服電機、步進電機、永磁同步電機。傳動機構(gòu)包括各種減速器，滾珠絲杠、鏈、帶以及各種齒輪系。其中，減速器是將電機的高速轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換成低速運動的關(guān)鍵器件，其作用是增加負(fù)載和功率，主要有RV減速器、諧波減速器和行星減速器三種。

2.傳感部分

傳感部分由機器人具體應(yīng)用時需要的感受系統(tǒng)(包括各種檢測器)、傳感器組成，用以感知環(huán)境信息、檢測執(zhí)行機構(gòu)的運動狀況，并及時進行信息反饋。

機器人的傳感器中有主要用來檢測機器人本身狀態(tài)，掌握機器人各執(zhí)行機構(gòu)的位置、姿態(tài)、運動速度等，以調(diào)整和控制機器人自身行動的內(nèi)部傳感器；也有用來檢測機器人所

處環(huán)境、外部物體的狀態(tài)及與外部物體的關(guān)系等的外部傳感器。

3.控制部分

機器人的控制部分主要包括人機交互系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，用以實現(xiàn)人機交互和機器人運動控制兩個功能。控制系統(tǒng)通過驅(qū)動系統(tǒng)操縱執(zhí)行機構(gòu)進行動態(tài)調(diào)整，以保證其動作符合

設(shè)計要求?？刂葡到y(tǒng)一般由控制計算機和伺服控制器兩部分組成。其中，控制計算機發(fā)出指令，協(xié)調(diào)各關(guān)節(jié)之間的運動，完成編程、示教或再現(xiàn)，以及與其他設(shè)備之間的信息傳遞和協(xié)調(diào)工作；伺服控制器是電機的驅(qū)動電路，其作用是將控制系統(tǒng)的弱電信號轉(zhuǎn)換成控制電機運轉(zhuǎn)的強電信號。

機器人各組成部分的關(guān)系如圖1-3所示。圖1-3機器人各組成部分的關(guān)系

1.3機器人的分類

對于工業(yè)機器人而言，根據(jù)控制系統(tǒng)工作方式的不同，主要分為非伺服控制機器人和伺服控制機器人兩大類。從控制實現(xiàn)的角度來看，非伺服控制是較為簡單的形式，非伺服控制機器人又稱為開關(guān)式機器人。它的工作特點是機器人驅(qū)動裝置接通能源后，帶動執(zhí)行機構(gòu)的臂部、腕部和手部等裝置運動。

伺服控制系統(tǒng)是使物體的位置、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標(biāo)或給定值任意變化的自動控制系統(tǒng)。伺服控制機器人工作時通過多源傳感器采集各種反饋信號，并用比較

器將反饋信號與來自給定裝置的綜合設(shè)置信號進行比較，對誤差信號進行放大后用以激發(fā)機器人的驅(qū)動裝置，進而帶動末端執(zhí)行器進行規(guī)律運動，達到規(guī)定的位置和速度等。伺服

控制機器人的工作過程如圖1-4所示。圖1-4伺服控制機器人的工作過程

按照運動控制方式的不同，伺服控制機器人又可細(xì)分為連續(xù)路徑(continuouspath，CP)控制機器人和點位控制機器人兩類。點位控制只規(guī)定了各關(guān)鍵點的位姿，不規(guī)定各點之間的運動軌跡。機器人末端可以調(diào)節(jié)姿態(tài)與路線，完成相鄰點間的規(guī)劃運動。點位控制機器人廣泛用于執(zhí)行部件從某一位置移動到另一位置的操作。例如，圖1-5所示的碼垛機器人可以完成碼垛或裝卸托盤作業(yè)。連續(xù)路徑控制機器人不僅需要末端到達設(shè)定點，還要沿空間中設(shè)計好的軌跡運動。這類工業(yè)機器人的應(yīng)用包括噴漆、拋光、磨削、電弧焊等較為復(fù)雜的任務(wù)。焊接機器人如圖1-6所示。圖1-5碼垛機器人圖1-6焊接機器人

1.4機器人的技術(shù)參數(shù)

1.自由度自由度(degreeoffreedom，DOF)又稱為坐標(biāo)軸數(shù)，有時也直接簡稱為軸數(shù)，指用以確定物體在空間中能獨立運動的變量數(shù)或描述物體在空間運動所需要的獨立坐標(biāo)數(shù)。通常，組成機器人的每個能以直線或回轉(zhuǎn)方式運動的關(guān)節(jié)就是一個自由度。

當(dāng)前，工業(yè)機器人以六軸關(guān)節(jié)型機器人最為常用，這是因為在三維空間中，描述物體的位置和姿態(tài)需要6個自由度，以安川MA1400六自由度機器人(如圖1-7所示)為例。圖1-7安川MA1400六自由度機器人

根據(jù)需要，常見的工業(yè)機器人還有四軸機器人和七軸機器人等。例如，圖1-8所示的是埃斯頓ER6-600-SRSCARA機器人。圖1-8埃斯頓ER6-600-SRSCARA機器人

七軸機器人多稱為協(xié)作機器人，如圖1-9所示的新松SCR5協(xié)作機器人是我國研制的首臺七自由度協(xié)作機器人。圖1-9新松SCR5協(xié)作機器人

自由度的增多對機器人的應(yīng)用有什么實際意義呢?將七自由度機器人和六自由度機器人做一個對比。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，在保持末端機構(gòu)位置不變的情況下，一個六自由度機器人在空間中是無法改變其他關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的，如圖1-10所示。圖1-10六自由度機器人扭轉(zhuǎn)示意

我們試想一下，如果機器人末端機構(gòu)不變，那么機器人能從左邊扭轉(zhuǎn)到右邊嗎?答案是不行的。就像人的手臂和手指一樣，不管關(guān)節(jié)怎么移動，手指的位置肯定是要變的。也就是說，對于一個六自由度機器人，從一個構(gòu)型移動到另一個構(gòu)型的時候，無法保持末端機構(gòu)始終不動。而如圖1-11所示的七自由度機器人則可以實現(xiàn)。不過，雖然自由度多的機器人有更高的靈敏性，但自由度越多，其剛度越差，控制也越復(fù)雜。圖1-11七自由度機器人關(guān)節(jié)示意圖

2.定位精度

定位精度是指機器人末端執(zhí)行器實際到達位置與目標(biāo)位置之間的接近程度。影響機器人定位精度的因素有很多，分為內(nèi)部因素和外部因素，其中，內(nèi)部因素包括控制系統(tǒng)位姿控制方式、機器人機械結(jié)構(gòu)的剛度、機器人部件的制造精度；外部因素包括負(fù)載大小、速度或加速度等運動動量、溫度等環(huán)境因素。

3.重復(fù)定位精度

相較于定位精度，機器人產(chǎn)品的數(shù)據(jù)手冊中常常標(biāo)注的是重復(fù)定位精度參數(shù)。重復(fù)定位精度是指機器人手腕重復(fù)定位于同一目標(biāo)位置的能力。影響機器人重復(fù)定位精度的因素

有很多，分為內(nèi)部因素和外部因素。內(nèi)部因素有機器人尺寸、伺服系統(tǒng)特性、驅(qū)動裝置的間隙與剛性、摩擦特性等；外部因素包括負(fù)載大小、運動過程(速度、加速度)、溫度等環(huán)境因素。重復(fù)定位精度代表了末端執(zhí)行器返回到同一位置的能力。當(dāng)機器人進行裝配類工作時，重復(fù)定位精度就非常重要了。

圖1-12展示了機器人定位精度和重復(fù)定位精度的區(qū)別及好壞。在圖中，B表示正態(tài)分布標(biāo)準(zhǔn)位，h表示重復(fù)定位精度，圖(a)、(b)、(c)分別表示定位精度合理，重復(fù)定位精度良好；定位精度良好，重復(fù)定位精度較差；定位精度較差，重復(fù)定位精度良好3種情況。圖1-12機器人定位精度和重復(fù)定位精度示意圖

4.工作空間

機器人的工作空間是指其活動部件所能掠過的空間與末端執(zhí)行器和工件運動時機器人手臂末端或手腕中心所能到達的所有點的集合。描述工作空間的手腕參考點可以選在手部

中心、手腕中心或手指指尖，參考點不同，工作空間的大小、形狀也不同。對于多自由度工業(yè)機器人，通常在產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊中使用臂展或可達半徑等數(shù)據(jù)值來表達工作空間的大小。

5.最高速度

從功能實現(xiàn)角度來看，機器人的最高速度指的是在各軸聯(lián)動的情況下機器人手腕中心所能達到的最高線速度，單位為mm/s。從產(chǎn)品設(shè)計角度來看，機器人的最高速度指的是機器人主要自由度上的最大穩(wěn)定角速度，單位是rad/s或°/s。通常，從應(yīng)用場景來說，裝配機器人的最高工作速度要低于搬運機器人的工作速度，因為裝配要求非常高的位置精度和穩(wěn)定性，而搬運小物件更看重工作效率。

6.負(fù)載

負(fù)載(load)是指在規(guī)定的速度和加速度條件下，沿著運動的各個方向，末端執(zhí)行器安裝面或底盤等機器人組件能夠承受的力和扭矩。負(fù)載是質(zhì)量、慣性力矩的函數(shù)，是機器人

承受的全部靜態(tài)力和動態(tài)力?？赏ㄋ椎貙⒇?fù)載理解為機器人在作業(yè)范圍內(nèi)的任何位姿上所能承受的最大質(zhì)量。為了安全起見，一般將承載能力這一技術(shù)指標(biāo)定義為高速運行時的承

載能力。影響機器人負(fù)載能力的因素眾多，不僅包括驅(qū)動器功率、連桿尺寸和材料剛度、重力浮力等環(huán)境條件，還包括速度和加速度的大小、方向等運動參數(shù)。

如圖1-13所示為發(fā)那科M-2000iA/1700L機器人搬運車體的示意圖，該機器人不含控制裝置的本體質(zhì)量為12500kg，其手腕部搬運質(zhì)量可達1700kg。圖1-13發(fā)那