工業(yè)機(jī)器人技術(shù)課程總結(jié)

工業(yè)機(jī)器人技術(shù)課程總結(jié)任課：班級(jí)：學(xué)號(hào)：姓名：之前在工廠實(shí)習(xí)見(jiàn)識(shí)和操作過(guò)很多工業(yè)機(jī)器人，有焊接機(jī)器人，涂裝機(jī)器人，總裝機(jī)器人等，但是學(xué)習(xí)了蓋老師教授的工業(yè)機(jī)器人課程，才真正算是進(jìn)入了工業(yè)機(jī)器人的理論世界學(xué)習(xí)機(jī)器人的相關(guān)知識(shí)。以下是課程總結(jié)。第一章主要是對(duì)機(jī)器人的概述，從機(jī)器人的功能和應(yīng)用、機(jī)器人的機(jī)構(gòu)以及機(jī)器人的規(guī)格全面呈現(xiàn)學(xué)習(xí)機(jī)器人的框架。研制機(jī)器人的最初目的是為了幫助人們擺脫繁重勞動(dòng)或簡(jiǎn)單的重復(fù)勞動(dòng)，以及替代人到有輻射等危險(xiǎn)環(huán)境中進(jìn)行作業(yè)，因此機(jī)器人最早在汽車制造業(yè)和核工業(yè)領(lǐng)域得以應(yīng)用。隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，工業(yè)領(lǐng)域的焊接、噴漆、搬運(yùn)、裝配、鑄造等場(chǎng)合，己經(jīng)開(kāi)始大量使用機(jī)器人。另外在軍事、海洋探測(cè)、航天、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)、林業(yè)甚到服務(wù)娛樂(lè)行業(yè)，也都開(kāi)始使用機(jī)器人。本書(shū)主要介紹工業(yè)機(jī)器人，對(duì)譬如軍用機(jī)器人等涉及不多。機(jī)器人的機(jī)構(gòu)方面，主要介紹了操作臂的工作空間形式、手腕、手爪、和閉鏈結(jié)構(gòu)操作臂。工作空間形式常見(jiàn)的有直角坐標(biāo)式機(jī)器人、圓柱坐標(biāo)式機(jī)器人、球（極）坐標(biāo)式機(jī)器人、SCARA機(jī)器人以及關(guān)節(jié)式機(jī)器人。手腕的形式也可分為二自由度球形手腕、三軸垂直相交的手腕以及連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)手腕。同時(shí)手爪也可分為夾持式手爪、多關(guān)節(jié)多指手爪、順應(yīng)手爪。機(jī)器人的其他規(guī)格主要介紹驅(qū)動(dòng)方式、自動(dòng)插補(bǔ)放大、坐標(biāo)軸數(shù)、工作空間、承載能力、速度和循環(huán)時(shí)間、定位基準(zhǔn)和重復(fù)性以及機(jī)器人的運(yùn)行環(huán)境。第一章的內(nèi)容主要是對(duì)機(jī)器人各個(gè)方面有個(gè)簡(jiǎn)單的介紹使機(jī)器人更形象化和具體化。工業(yè)機(jī)器人定義為一種擬人手臂、手腕和手功能的機(jī)電一體化裝置，能將對(duì)象或工具按照空間位置姿態(tài)的要求移動(dòng)，從而完成某一生產(chǎn)的作業(yè)要求。工業(yè)機(jī)械應(yīng)用：主要代替人從事危險(xiǎn)、有害、有毒、低溫和高熱等惡劣環(huán)境中的工作；代替人完成繁重、單調(diào)重復(fù)勞動(dòng)。它帶來(lái)的好處：減少勞動(dòng)力費(fèi)用提高生產(chǎn)率改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量增加制造過(guò)程柔性減少材料浪費(fèi)控制和加運(yùn)動(dòng)學(xué)正解（where）：根據(jù)關(guān)節(jié)變量qi的值，計(jì)算機(jī)器人末端抓手或工具相對(duì)于工作站的位姿。（對(duì)于每一組關(guān)節(jié)變量值，有唯一確定的解，求解簡(jiǎn)單。）運(yùn)動(dòng)學(xué)反解（solve）：為了使機(jī)器人所握工具相對(duì)于工作站的位姿滿足給定要求，計(jì)算相應(yīng)的關(guān)節(jié)變量。運(yùn)動(dòng)學(xué)反解的幾個(gè)重要特征：a、將問(wèn)題細(xì)分成幾個(gè)子問(wèn)題b、每個(gè)子問(wèn)題可能無(wú)解、有一個(gè)解或多個(gè)解（與執(zhí)行的形體有關(guān)）c、如果某個(gè)子問(wèn)題有多解，整個(gè)求解過(guò)程應(yīng)考慮對(duì)應(yīng)子問(wèn)題每一個(gè)解的情況。求解方法：Paul的反變換法，Lee幾何法和Pieper的方法。6個(gè)自由度的機(jī)器人具有封閉反解的充分條件（Pieper準(zhǔn)則）(1)三個(gè)相鄰關(guān)節(jié)軸交于一點(diǎn)；（PUMA、Stanford機(jī)器人）(2)三個(gè)相鄰關(guān)節(jié)軸相互平行；（ASEA，MINIMOVER機(jī)器人）對(duì)于滿足條件（1）的機(jī)器人（如PUMA），運(yùn)動(dòng)學(xué)方程可分解為式中：規(guī)定腕部參考點(diǎn)的位置，規(guī)定腕部的方位。求解步驟：（1）腕部位置的反解，依次解出3→2→1，主要利用消元法和三角函數(shù)中的幾何代換公式，將超越方程→代數(shù)方程.（2）腕部方程的反解，求出數(shù)值，利用相對(duì)應(yīng)的歐拉角求解方法。機(jī)器人操作臂運(yùn)動(dòng)學(xué)反解的數(shù)目決定于：關(guān)節(jié)數(shù)目連桿參數(shù)和關(guān)節(jié)變量的活動(dòng)范圍。一般而言，非零連桿參數(shù)愈多，運(yùn)動(dòng)學(xué)反解的數(shù)目愈多。例如PUMA560最優(yōu)解：如何從多重解中選擇一個(gè)最優(yōu)解？最優(yōu)準(zhǔn)則？尋求方法？在避免碰撞的前提下，通常按“最短行程”準(zhǔn)則——使每個(gè)關(guān)節(jié)的移動(dòng)量為最小。對(duì)于典型工業(yè)機(jī)器人應(yīng)遵循“多移動(dòng)小關(guān)節(jié)、少移動(dòng)大關(guān)節(jié)”的原則。第四章主要學(xué)習(xí)操作臂的雅可比。位移分析：第三章的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析：速度分析：操作空間速度與關(guān)節(jié)空間速度之間的線性映射關(guān)系——雅可比矩陣J(q)力分析：末端操作力與各關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力之間的線性映射關(guān)系——力雅可比矩陣JT(q)操作臂的雅可比矩陣是指操作速度與關(guān)節(jié)速度的線性變換。奇異形位(singularconfiguration)：操作臂的雅可比矩陣的秩減少的形位（數(shù)學(xué)上）；操作臂在操作空間的自由度將減少（物理上）。雅可比矩陣的行列式判別奇異形位：。當(dāng)2=0或2=180時(shí)，雅可比行列式為0，矩陣秩為1，因而處于奇異狀態(tài)。從幾何上看，機(jī)械手完全伸直(θ2=0)，或完全縮回(θ2=180)，機(jī)械手末端不能實(shí)現(xiàn)徑向自由度，只能沿切向運(yùn)動(dòng)。奇異時(shí)，自由度減少。而微分運(yùn)動(dòng)與廣義速度則指出剛體或坐標(biāo)系的微分運(yùn)動(dòng)包含微分移動(dòng)矢量d和微分轉(zhuǎn)動(dòng)。d由沿三個(gè)坐標(biāo)軸的微分移動(dòng)組成；由繞三個(gè)坐標(biāo)軸的微分轉(zhuǎn)動(dòng)組成。雅可比矩陣的構(gòu)造法：雅可比矩陣J(q)：既可當(dāng)成是從關(guān)節(jié)空間向操作空間的速度傳遞的線性關(guān)系也可看成是微分運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換的線性關(guān)系因此，可將雅可比J(q)分塊，PUMA560的雅可比的計(jì)算有一、用微分變換法計(jì)算TJ(q)二、用矢量積方法計(jì)算J(q)。力雅可比末端廣義力矢量其中，f——力，n——力矩末端廣義虛位移其中，d——微分移動(dòng)，在靜態(tài)條件下，廣義操作力矢量應(yīng)與各關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)力相平衡利用虛功原理，可以導(dǎo)出關(guān)節(jié)力矢量和廣義力矢量之間的關(guān)系?？偺摴榱?。同樣也表示操作臂的力雅可比就是它的運(yùn)動(dòng)雅可比轉(zhuǎn)置?？梢钥闯隽ρ趴杀扰c運(yùn)動(dòng)雅可比之間的緊密關(guān)系——對(duì)偶關(guān)系。J(q)是m*n階矩陣，n表示關(guān)節(jié)數(shù)，m表示操作空間的維數(shù)。對(duì)于給定的q，J(q)的值域空間R(J(q))表示關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)能夠產(chǎn)生的全部操作速度的集合第五章主要學(xué)習(xí)了操作臂動(dòng)力學(xué)。動(dòng)力學(xué)研究的是物體運(yùn)動(dòng)和受力之間的關(guān)系：動(dòng)力學(xué)正問(wèn)題——根據(jù)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力或力矩，計(jì)算操作臂的運(yùn)動(dòng)(位移、速度和加速度）動(dòng)力學(xué)逆問(wèn)題——根據(jù)軌跡運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)關(guān)節(jié)的位移、速度和加速度，計(jì)算所需的關(guān)節(jié)力或力矩動(dòng)力學(xué)建模方法主要有：拉格朗日——Lagrange方法：牛頓-歐拉——Newton-Euler方法，高斯——Gauss方法，凱恩——Kane方法，旋量對(duì)偶數(shù)方法，羅伯遜-魏登堡——Roberson-Wittenburg方法。牛頓-歐拉——Newton-Euler方法————基于運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系和達(dá)朗貝爾原理的優(yōu)缺點(diǎn)：沒(méi)有多余信息，計(jì)算速度快建立復(fù)雜系統(tǒng)比較麻煩同時(shí)動(dòng)力學(xué)研究的目的也是利用動(dòng)力學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制，以期達(dá)到良好的動(dòng)態(tài)性能和最優(yōu)指標(biāo)操作臂動(dòng)力學(xué)：復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)——多連桿、多輸入、多輸出系統(tǒng)，耦合關(guān)系和非線性。多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)——多剛體系統(tǒng)和剛-柔耦合多體系統(tǒng)。由旋轉(zhuǎn)通式(2.58)可知，R(t+⊿t)可看成R(t)在時(shí)間間隔⊿t內(nèi)繞某軸k轉(zhuǎn)動(dòng)微分角度得到兩端除以⊿t，并取極限，可以定義角速度算子矩陣：剛體的速度和加速度表示為：根據(jù)不同的情況可以對(duì)上式進(jìn)行簡(jiǎn)化：{A}固定不動(dòng)，剛體與{B}固接；{B}只相對(duì)于{A}移動(dòng)；{B}只相對(duì)于{A}滾動(dòng)而關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力或力矩計(jì)算各連桿所承受的力和力矩向量中，某些分量由操作臂本身的連桿結(jié)構(gòu)所平衡，一些分量由各關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)力或力矩所平衡力雅可比矩陣的遞推方法類似于速度雅可比矩陣遞推法。對(duì)于連桿靜力學(xué)分析，靜力分析：首先考慮一個(gè)連桿i，然后建立該連桿的力和力矩平衡方程，力雅可比矩陣的遞推方法類似于速度雅可比矩陣遞推法操作臂動(dòng)力學(xué)的研究有很多方法拉格朗日——Lagrange方法牛頓-歐拉——Newton-Euler方法高斯——Gauss方法凱恩——Kane方法旋量對(duì)偶數(shù)方法羅伯遜-魏登堡——Roberson-Wittenbrug方法本節(jié)用運(yùn)動(dòng)（速度和加速度）遞推和力遞推來(lái)建立操作臂動(dòng)力學(xué)方程并討論動(dòng)力學(xué)逆問(wèn)題的求解方法一、牛頓-歐拉方程：操作臂=剛體質(zhì)心加速度，總質(zhì)量m與產(chǎn)生這一加速度的作用力f之間滿足牛頓第二定理：當(dāng)剛體繞過(guò)質(zhì)心的軸線旋轉(zhuǎn)時(shí)，角速度，角加速度，慣性張量，與作用力矩之間滿足歐拉方程：慣性張量——表示剛體質(zhì)量分布的特征，其值與選取的參考值坐標(biāo)系有關(guān)。若所選取的坐標(biāo)系{c}的方位使各慣性積均為零慣性張量變成對(duì)角型則此坐標(biāo)系的各軸稱為慣性主軸，相應(yīng)的質(zhì)量慣性矩稱為主慣性矩。動(dòng)力學(xué)逆問(wèn)題根據(jù)關(guān)節(jié)位移、速度和加速度。求所需的關(guān)節(jié)力矩或力。整個(gè)算法由兩部分組成：向外遞推：計(jì)算各連桿的速度和加速度。，由牛頓-歐拉公式計(jì)算各連桿的慣性力和力矩。向內(nèi)遞推：計(jì)算各連桿相互作用的力和力矩，以及關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力或力矩封閉形式的動(dòng)力學(xué)方程。遞推公式(5.64~5.72)有兩種用途——數(shù)值計(jì)算和推導(dǎo)封閉形式動(dòng)力學(xué)方程。只要知道各桿的質(zhì)量、慣性張量、質(zhì)心和旋轉(zhuǎn)矩陣的值，即可直接計(jì)算實(shí)現(xiàn)給定運(yùn)動(dòng)所需的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩和力（數(shù)值計(jì)算）。然而，為了闡明動(dòng)力學(xué)方程的結(jié)構(gòu)，比較重力和慣性力影響的主次，分析向心力和哥氏力的影響是否可以忽略等，通常希望將某一機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)方程(5.64~5.72)寫成封閉解的形式，即將關(guān)節(jié)力矩和力寫成關(guān)節(jié)位移、速度和加速度的顯函數(shù)形式。仍以平面2R機(jī)械手為例說(shuō)明之。第六章主要跟隨老師一起學(xué)習(xí)軌跡規(guī)劃相關(guān)知識(shí)。在機(jī)器人完成給定作業(yè)任務(wù)之前，應(yīng)該規(guī)定他的操作順序，行動(dòng)步驟和作業(yè)進(jìn)程。人工智能范圍內(nèi)，規(guī)劃就是問(wèn)題求解技術(shù)，從某個(gè)特定的初始狀態(tài)出發(fā)，構(gòu)造一系列操作，使之達(dá)到解決該問(wèn)題的目標(biāo)狀態(tài)軌跡：操作臂在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的位移、速度和加速度。軌跡規(guī)劃：根據(jù)作業(yè)任務(wù)要求，計(jì)算出預(yù)期的運(yùn)動(dòng)軌跡。首先，對(duì)機(jī)器人的任務(wù)、運(yùn)動(dòng)路徑和軌跡進(jìn)行描述。其次，在計(jì)算機(jī)內(nèi)部描述所要求的軌跡，即選擇習(xí)慣規(guī)定及合理的軟件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。最后，對(duì)內(nèi)部描述的軌跡，實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)的位移、速度和加速度，生成運(yùn)動(dòng)軌跡。常用的兩種軌跡規(guī)劃方法：1）對(duì)于選定的軌跡結(jié)點(diǎn)上的位姿、速度和加速度給出一組顯式約束，軌跡規(guī)劃器從一類函數(shù)中選取參數(shù)化軌跡，對(duì)結(jié)點(diǎn)進(jìn)行插值，并滿足約束條件。2）給出運(yùn)動(dòng)路徑的解析式，如：直角坐標(biāo)空間中的直線路徑，軌跡規(guī)劃器在關(guān)節(jié)空間或直角坐標(biāo)空間中確定一條軌跡來(lái)逼近預(yù)定的路徑第一種方法：約束的設(shè)定和軌跡規(guī)劃均在關(guān)節(jié)空間中進(jìn)行。不足：操作臂手部沒(méi)有施加任何約束，很難弄清手部的實(shí)際路徑。碰撞第二種方法：路徑約束是在直角坐標(biāo)空間中給定的，而關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器是在關(guān)節(jié)空間中受控的。因此，為了得到與給定路徑十分接近的軌跡，首先必須采用某種函數(shù)逼近的方法將直角坐標(biāo)路徑約束轉(zhuǎn)化為關(guān)節(jié)路徑約束，而后確定滿足關(guān)節(jié)路徑約束的參數(shù)化路徑。軌跡規(guī)劃既可以在直角空間中進(jìn)行，也可以在關(guān)節(jié)空間中進(jìn)行，但所規(guī)劃的軌跡函數(shù)都必須連續(xù)和平滑，使得操作臂的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。在關(guān)節(jié)空間進(jìn)行規(guī)劃時(shí)，是將關(guān)節(jié)變量表示成時(shí)間的函數(shù)，并規(guī)劃它的一階和二階時(shí)間導(dǎo)數(shù)；在直角空間進(jìn)行規(guī)劃時(shí)，是將手部位姿、速度和加速度表示為時(shí)間的函數(shù)，相應(yīng)的關(guān)節(jié)信息由手部信息導(dǎo)出。用戶：根據(jù)作業(yè)給出各個(gè)路徑節(jié)點(diǎn)，規(guī)劃器的任務(wù)包含：解變換方程、進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)反解和插值運(yùn)算等；在關(guān)節(jié)空間進(jìn)行規(guī)劃時(shí)，大量工作是對(duì)關(guān)節(jié)變量的插值運(yùn)算。確定路徑點(diǎn)上的關(guān)節(jié)速度，可有以下三種方法規(guī)定：（1）根據(jù)工具坐標(biāo)系在直角坐標(biāo)空間中的瞬時(shí)線速度和角速度來(lái)確定每個(gè)路徑點(diǎn)的關(guān)節(jié)速度；（2）在直角坐標(biāo)空間或關(guān)節(jié)空間中采用適當(dāng)?shù)膯l(fā)式方法，由控制系統(tǒng)自動(dòng)地選擇路徑點(diǎn)的速度。（3）為了保證每個(gè)路徑點(diǎn)上的加速度連續(xù)，由控制系統(tǒng)按此要求自動(dòng)地選擇路徑點(diǎn)的速度。方法（1），利用操作臂在此路徑點(diǎn)上的雅可比，把該點(diǎn)的直角坐標(biāo)速度映射為所要求的關(guān)節(jié)速度。當(dāng)然，如果操作臂的某個(gè)路徑點(diǎn)是奇異點(diǎn)，這時(shí)就不能任意設(shè)置速度值。按照方法（1）生成的軌跡雖然能滿足用戶設(shè)置速度的需要，但是逐點(diǎn)設(shè)置速度畢竟要耗費(fèi)很大的工作量。因此，機(jī)器人的控制系統(tǒng)最好具有方法（2）和（3）的功能，或者二者兼而有之方法（2），系統(tǒng)采用某種啟發(fā)式方法自動(dòng)選取合適的路徑。方法（3），保證路徑點(diǎn)處的加速度連續(xù)——設(shè)法用兩條三次曲線在路徑點(diǎn)處按一定規(guī)則連接起來(lái)，拼湊成所要求的軌跡。約束條件：速度和加速度連續(xù)設(shè)所經(jīng)過(guò)的路徑點(diǎn)處的關(guān)節(jié)角度為v，與該點(diǎn)相鄰的前后兩點(diǎn)的關(guān)節(jié)角分別為0和g從0到v的插值三次多項(xiàng)式為從v到g的插值三次多項(xiàng)式為兩個(gè)三次多項(xiàng)式的時(shí)間區(qū)間分別為[0,tf1]和[0,tf2]。對(duì)這兩個(gè)多項(xiàng)式的約束是：對(duì)于差值，對(duì)于給定的起始點(diǎn)和終止點(diǎn)的關(guān)節(jié)角度，可選擇直線插值函數(shù)來(lái)表示路徑的形狀。單純線性插值將導(dǎo)致在結(jié)點(diǎn)處關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)速度不連續(xù)，加速度無(wú)限大。在每個(gè)結(jié)點(diǎn)的鄰域內(nèi)增加一段拋物線的緩沖區(qū)。（線性函數(shù)+兩端拋物線函數(shù)）形成的軌跡=帶有拋物線過(guò)度域的線性軌跡。拋物線對(duì)時(shí)間的二階導(dǎo)數(shù)為常數(shù)，不致在節(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生速度跳躍，從而使整個(gè)軌跡上的位移和速度都連續(xù)笛卡爾空間規(guī)劃方法：作業(yè)是用操作臂終端抓手位姿的笛卡爾坐標(biāo)結(jié)點(diǎn)序列規(guī)定的結(jié)點(diǎn)是指表示抓手位姿的齊次變換矩陣。作業(yè)是用操作臂終端抓手位姿的笛卡爾坐標(biāo)結(jié)點(diǎn)序列規(guī)定的結(jié)點(diǎn)是指表示抓手位姿的齊次變換矩陣。第七章主要學(xué)習(xí)了操作臂的控制。單關(guān)節(jié)的線性模型和控制主要為建立操作臂單個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的線性模型。推導(dǎo)傳遞函數(shù)和比例函數(shù)PD控制規(guī)律，SISO系統(tǒng)，MIMO系統(tǒng)，PID控制這一方程代表單關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)的輸入電壓與關(guān)節(jié)角位移之間的傳遞。單關(guān)節(jié)位置控制器中位置控制器的作用：利用電機(jī)組成的伺服系統(tǒng)使關(guān)節(jié)的實(shí)際角位移跟蹤期望的角位移。