工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)知識(shí)

機(jī)器人的定義美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局（NBS）的定義：“機(jī)器人是一種能夠進(jìn)行編程并在自動(dòng)控制下執(zhí)行某些操作和移動(dòng)作業(yè)任務(wù)的機(jī)械裝置”。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)的定義：“機(jī)器人是一種自動(dòng)的、位置可控的、具有編程能力的多功能機(jī)械手，這種機(jī)械手具有幾個(gè)軸，能夠借助于可編程序操作來(lái)處理各種材料、零件、工具和專用裝置，以執(zhí)行種種任務(wù)?！睓C(jī)器人具有以下特性：（1）一種機(jī)械電子裝置；（2）動(dòng)作具有類似于人或其他生物體的功能；（3）可通過(guò)編程執(zhí)行多種工作，有一定的通用性和靈活性；（4）有一定程度的智能，能夠自主地完成一些操作。機(jī)器人的分類按照日本工業(yè)機(jī)器人學(xué)會(huì)（JIRA）的標(biāo)準(zhǔn)，可將機(jī)器人分為六類：第一類：人工操作機(jī)器人。由操作員操作的多自由度裝置；第二類：固定順序機(jī)器人。按預(yù)定的不變方法有步驟地依此執(zhí)行任務(wù)的設(shè)備，其執(zhí)行順序難以修改；第三類：可變順序機(jī)器人。同第二類，但其順序易于修改。第四類：示教再現(xiàn)（playback）機(jī)器人。操作員引導(dǎo)機(jī)器人手動(dòng)執(zhí)行任務(wù)，記錄下這些動(dòng)作并由機(jī)器人以后再現(xiàn)執(zhí)行，即機(jī)器人按照記錄下的信息重復(fù)執(zhí)行同樣的動(dòng)作。第五類：數(shù)控機(jī)器人。操作員為機(jī)器人提供運(yùn)動(dòng)程序，并不是手動(dòng)示教執(zhí)行任務(wù)。第六類：智能機(jī)器人。機(jī)器人具有感知外部環(huán)境的能力，即使其工作環(huán)境發(fā)生變化，也能夠成功地完成任務(wù)。美國(guó)機(jī)器人學(xué)會(huì)（RIA）只將以上第三類至第六類視做機(jī)器人。我國(guó)的機(jī)器人專家從應(yīng)用環(huán)境出發(fā)，將機(jī)器人分為兩大類，即工業(yè)機(jī)器人和特種機(jī)器人。所謂工業(yè)機(jī)器人就是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度機(jī)器人。而特種機(jī)器人則是除工業(yè)機(jī)器人之外的、用于非制造業(yè)并服務(wù)于人類的各種先進(jìn)機(jī)器人。機(jī)器人技術(shù)涉及的研究領(lǐng)域有：1、傳感器技術(shù)：得到與人類感覺(jué)機(jī)能相似的傳感器技術(shù)；2、人工智能計(jì)算機(jī)科學(xué)：得到與人類智能或控制機(jī)能相似能力的人工智能或計(jì)算機(jī)科學(xué)；3、假肢技術(shù)；4、工業(yè)機(jī)器人技術(shù)：把人類作業(yè)技能具體化的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)；5、移動(dòng)機(jī)械技術(shù)：實(shí)現(xiàn)動(dòng)物行走機(jī)能的行走技術(shù)；6、生物功能：實(shí)現(xiàn)生物機(jī)能為目的的生物學(xué)技術(shù)為了防止機(jī)器人傷害人類，科幻作家阿西莫夫于1940年提出了“機(jī)器人三原則”：（1）機(jī)器人不應(yīng)傷害人類；（2）機(jī)器人應(yīng)遵守人類的命令，與第一條違背的命令除外；（3）機(jī)器人應(yīng)能保護(hù)自己，與第一條相抵觸者除外。這是給機(jī)器人賦予的倫理性綱領(lǐng)。機(jī)器人學(xué)術(shù)界一直將這三原則作為機(jī)器人開(kāi)發(fā)的準(zhǔn)則。1959年第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人（采用可編程控制器、圓柱坐標(biāo)機(jī)械手）在美國(guó)誕生，開(kāi)創(chuàng)了機(jī)器人發(fā)展的新紀(jì)元。我國(guó)機(jī)器人的發(fā)展有人認(rèn)為，應(yīng)用機(jī)器人只是為了節(jié)省勞動(dòng)力，而我國(guó)勞動(dòng)力資源豐富，發(fā)展機(jī)器人不一定符合我國(guó)國(guó)情。其實(shí)這是一種誤解，在我國(guó)，社會(huì)主義制度的優(yōu)越性決定了機(jī)器人能夠充分發(fā)揮其長(zhǎng)處，它不僅能為我國(guó)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)帶來(lái)高度的生產(chǎn)力和巨大的經(jīng)濟(jì)效益，而且將為我國(guó)的宇宙開(kāi)發(fā)、海洋開(kāi)發(fā)、核能利用等新興領(lǐng)域的發(fā)展做出卓越的貢獻(xiàn)。我國(guó)機(jī)器人學(xué)研究起步較晚，但進(jìn)步較快，已經(jīng)在工業(yè)機(jī)器人、特種機(jī)器人和智能機(jī)器人各個(gè)方面區(qū)的了明顯的成就，為我國(guó)機(jī)器人學(xué)的發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。機(jī)器人研究的基礎(chǔ)內(nèi)容1、空間機(jī)構(gòu)學(xué)機(jī)器人機(jī)身和臂部機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、機(jī)器人手部機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、機(jī)器人關(guān)節(jié)部機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。2、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)研究要涉及到組成這一系統(tǒng)的各桿件之間以及系統(tǒng)與對(duì)象之間的相互關(guān)系，為此需要一種有效的數(shù)學(xué)描述方法。3、機(jī)器人靜力學(xué)靜力學(xué)主要討論機(jī)器人手部端點(diǎn)力與驅(qū)動(dòng)器輸入力矩的關(guān)系。4、機(jī)器人動(dòng)力學(xué)動(dòng)力學(xué)方程是指作用于機(jī)器人各機(jī)構(gòu)的力或力矩與其位置、速度、加速度關(guān)系的方程式。5、機(jī)器人控制技術(shù)主要研究的內(nèi)容有機(jī)器人控制方式和機(jī)器人控制策略。6、機(jī)器人傳感器機(jī)器人的感覺(jué)主要通過(guò)傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)。外部傳感器有視覺(jué)、觸覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、力覺(jué)傳感器，內(nèi)部傳感器主要有位置、姿態(tài)、速度、加速度傳感器。7、機(jī)器人語(yǔ)言機(jī)器人語(yǔ)言分為通用計(jì)算機(jī)語(yǔ)言和專用機(jī)器人語(yǔ)言，機(jī)器人的組成1機(jī)械部分；2傳感器(一個(gè)或多個(gè))；3控制器；4驅(qū)動(dòng)源。按機(jī)器人的分類按照機(jī)器人的控制類型和結(jié)構(gòu)坐標(biāo)系特點(diǎn)分為：(1)非伺服機(jī)器人；(2)伺服控制機(jī)器人。伺服控制機(jī)器人分為：(1)點(diǎn)位伺服控制；(2)連續(xù)軌跡伺服控制。按機(jī)器人結(jié)構(gòu)坐標(biāo)系特點(diǎn)方式分類(1)直角坐標(biāo)機(jī)器人；(2)圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人；(3)極坐標(biāo)機(jī)器人；(4)多關(guān)節(jié)機(jī)器人。機(jī)器人的主要技術(shù)參數(shù)１．自由度２．工作空間３．工作速度４．工作載荷５．控制方式６．驅(qū)動(dòng)方式７．精度、重復(fù)精度和分辨率機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的組成１．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)，有時(shí)也稱為手爪或末端操作器．２．手腕聯(lián)接手部和手臂的部分，主要作用是改變手部的空間方向和將作業(yè)載荷傳遞到手臂．３．臂部聯(lián)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)座．４．機(jī)身機(jī)器人的基礎(chǔ)部分，起支承作用．對(duì)固定式機(jī)器人，直接聯(lián)接在地面基礎(chǔ)上，對(duì)移動(dòng)式機(jī)器人，則安裝在移動(dòng)機(jī)構(gòu)上．機(jī)器人機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)１．手臂的運(yùn)動(dòng)1.垂直移動(dòng)2.徑向移動(dòng)3.回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)２．手腕的運(yùn)動(dòng)(1)手腕旋轉(zhuǎn)(2)手腕彎曲(3)手腕側(cè)擺常用的機(jī)身結(jié)構(gòu)：１）升降回轉(zhuǎn)型機(jī)身結(jié)構(gòu)２）俯仰型機(jī)身結(jié)構(gòu)３）直移型機(jī)身結(jié)構(gòu)４）類人機(jī)器人機(jī)身結(jié)構(gòu)手腕是聯(lián)接手臂和手部的結(jié)構(gòu)部件，它的主要作用是確定手部的作業(yè)方向。因此它具有獨(dú)立的自由度，以滿足機(jī)器人手部完成復(fù)雜的姿態(tài)。要確定手部的作業(yè)方向，一般需要三個(gè)自由度，這三個(gè)回轉(zhuǎn)方向?yàn)椋海保┍坜D(zhuǎn)繞小臂軸線方向的旋轉(zhuǎn)。２）手轉(zhuǎn)使手部繞自身的軸線方向旋轉(zhuǎn)。３）腕擺使手部相對(duì)于臂進(jìn)行擺動(dòng)。機(jī)器人的手部是是最重要的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從功能和形態(tài)上看，它可分為工業(yè)機(jī)器人的手部和仿人機(jī)器人的手部。常用的手部按其握持原理可以分為夾持類和吸附類兩大類。行走機(jī)構(gòu)行走機(jī)構(gòu)是行走機(jī)器人的重要執(zhí)行部件,它由驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、位置檢測(cè)元件、傳感器、電纜及管路等組成。它一方面支承機(jī)器人的機(jī)身、臂部和手部，另一方面還根據(jù)工作任務(wù)的要求，帶動(dòng)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)在更廣闊的空間內(nèi)運(yùn)動(dòng)。一般而言，行走機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)主要有車輪式行走機(jī)構(gòu)、履帶式行走機(jī)構(gòu)和足式行走機(jī)構(gòu)，此外，還有不進(jìn)式行走機(jī)構(gòu)、蠕動(dòng)式行走機(jī)構(gòu)、混合式行走機(jī)構(gòu)和蛇行式行走機(jī)構(gòu)等，以適合于各種特別的場(chǎng)合。履帶式行走機(jī)構(gòu)雖然可在高低不平的地面上運(yùn)動(dòng)，但它的適應(yīng)性不夠，行走時(shí)候晃動(dòng)太大，在軟地面上行駛運(yùn)動(dòng)效率低。足式行走對(duì)崎嶇路面具有很好的適應(yīng)能力一，足式運(yùn)動(dòng)方式的立足點(diǎn)是離散的點(diǎn)，可以在可能到達(dá)的地面上選擇最優(yōu)的支撐點(diǎn)，而輪式和履帶行走工具必須面臨最壞的地形上的幾乎所有點(diǎn)；足式運(yùn)動(dòng)方式還具有主動(dòng)隔振能力，盡管地面高低不平，機(jī)身的運(yùn)動(dòng)仍然可以相當(dāng)平穩(wěn)；足式行走在不平地面和松軟地面上的運(yùn)動(dòng)速度較高，能耗較少。機(jī)器人關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)方式：１．液壓驅(qū)動(dòng)２．氣動(dòng)式３．電動(dòng)式自由度：物體能夠?qū)ψ鴺?biāo)系進(jìn)行獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的數(shù)目稱為自由度(DOF,degreeoffreedom)。剛體具有6個(gè)自由度三個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度R1,R2,R3三個(gè)平移自由度T1,T2,T3研究的對(duì)象機(jī)器人從機(jī)構(gòu)形式上分為兩種，一種是關(guān)節(jié)式串聯(lián)機(jī)器人，另外一種是并聯(lián)機(jī)器人。這兩種機(jī)器人有所不同：串聯(lián)機(jī)器人：工作空間大，靈活，剛度差，負(fù)載小，誤差累積并放大。并聯(lián)機(jī)器人：剛性好，負(fù)載大，誤差不積累，工作空間小，姿態(tài)范圍不大。通常串聯(lián)機(jī)構(gòu)正向運(yùn)動(dòng)學(xué)簡(jiǎn)單,逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)復(fù)雜;并聯(lián)機(jī)構(gòu)正向運(yùn)動(dòng)學(xué)復(fù)雜(多解),逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)簡(jiǎn)單常見(jiàn)的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題可歸納如下：1．對(duì)一給定的機(jī)器人，已知桿件幾何參數(shù)和關(guān)節(jié)角矢量求機(jī)器人末端執(zhí)行器相對(duì)于參考坐標(biāo)系的位置和姿態(tài)。2．已知機(jī)器人桿件的幾何參數(shù)，給定機(jī)器人末端執(zhí)行器相對(duì)于參考坐標(biāo)系的期望位置和姿態(tài)(位姿)，機(jī)器人能否使其末端執(zhí)行器達(dá)到這個(gè)預(yù)期的位姿？如能達(dá)到，那么機(jī)器人有幾種不同形態(tài)可滿足同樣的條件?我們引入向量分別表示手爪位置和關(guān)節(jié)變量，因此，利用上述兩個(gè)向量來(lái)描述一下這個(gè)2自由度機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題。手爪位置的各分量，按幾何學(xué)可表示為：

坐標(biāo)變換補(bǔ)充知識(shí)分別繞x,y,z軸的旋轉(zhuǎn)變換(基本旋轉(zhuǎn)變換);復(fù)合變換：平移和旋轉(zhuǎn)構(gòu)成復(fù)合變換。所謂機(jī)器人的規(guī)劃(P1anning)，指的是——機(jī)器人根據(jù)自身的任務(wù)，求得完成這一任務(wù)的解決方案的過(guò)程。這里所說(shuō)的任務(wù)，具有廣義的概念，既可以指機(jī)器人要完成的某一具體任務(wù)，也可以是機(jī)器人的某個(gè)動(dòng)作，比如手部或關(guān)節(jié)的某個(gè)規(guī)定的運(yùn)動(dòng)等。為了實(shí)現(xiàn)每一個(gè)動(dòng)作，需要對(duì)手部的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行必要的規(guī)定，這是手部軌跡規(guī)劃(Handtrajectoryplanning)。為了使手部實(shí)現(xiàn)預(yù)定的運(yùn)動(dòng)，就要知道各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，這是關(guān)節(jié)軌跡規(guī)劃(Jointtrajectoryplanning)。最后才是關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)控制(Motioncontrol)。機(jī)器人的規(guī)劃是分層次的，從高層的任務(wù)規(guī)劃，動(dòng)作規(guī)劃到手部軌跡規(guī)劃和關(guān)節(jié)軌跡規(guī)劃，最后才是底層的控制。力的大小也是要控制的，這時(shí)，除了手部或關(guān)節(jié)的軌跡規(guī)劃，還要進(jìn)行手部和關(guān)節(jié)輸出力的規(guī)劃。智能化程度越高，規(guī)劃的層次越多，操作就越簡(jiǎn)單。對(duì)工業(yè)機(jī)器人來(lái)說(shuō)，高層的任務(wù)規(guī)劃和動(dòng)作規(guī)劃一般是依賴人來(lái)完成的。而且一般的工業(yè)機(jī)器人也不具備力的反饋，所以，工業(yè)機(jī)器人通常只具有軌跡規(guī)劃的和底層的控制功能。機(jī)器人規(guī)劃分為高層規(guī)劃和低層規(guī)劃。自動(dòng)規(guī)劃在機(jī)器人規(guī)劃中稱為高層規(guī)劃。在無(wú)特別說(shuō)明時(shí)，機(jī)器人規(guī)劃都是指自動(dòng)規(guī)劃。自動(dòng)規(guī)劃是一種重要的問(wèn)題求解技術(shù)，它從某個(gè)特定的問(wèn)題狀態(tài)出發(fā)，尋求一系列行為動(dòng)作，并建立一個(gè)操作序列，直到求得目標(biāo)狀態(tài)為止。與一般問(wèn)題求解相比，自動(dòng)規(guī)劃更注重于問(wèn)題的求解過(guò)程，而不是求解結(jié)果。規(guī)劃就是指機(jī)器人為達(dá)到目標(biāo)而需要的行動(dòng)過(guò)程的描述。規(guī)劃內(nèi)容可能沒(méi)有次序，但是一般來(lái)說(shuō)，規(guī)劃具有某個(gè)規(guī)劃目標(biāo)的蘊(yùn)含排序。任務(wù)規(guī)劃有三個(gè)階段：建立模型、任務(wù)說(shuō)明和操作機(jī)程序綜合。任務(wù)的世界模型應(yīng)含有如下的信息:(1)任務(wù)環(huán)境中的所有物體和機(jī)器人的幾何描述；(2)所有物體的物理描述；(3)所有連接件的運(yùn)動(dòng)學(xué)描述，(4)機(jī)器人和傳感器特性的描述。在世界模型中，任務(wù)狀態(tài)模型還必包括全部物體和連接件的布局。軌跡規(guī)劃的目的是——將操作人員輸入的簡(jiǎn)單的任務(wù)描述變?yōu)樵敿?xì)的運(yùn)動(dòng)軌跡描述。在關(guān)節(jié)變量空間的規(guī)劃有三個(gè)優(yōu)點(diǎn)：1.直接用運(yùn)動(dòng)時(shí)的受控變量規(guī)劃軌跡；2.軌跡規(guī)劃可接近實(shí)時(shí)地進(jìn)行；3.關(guān)節(jié)軌跡易于規(guī)劃。伴隨的缺點(diǎn)是難于確定運(yùn)動(dòng)中各桿件和手的位置，但是，為了避開(kāi)軌跡上的障礙．常常又要求知道一些桿件和手位置。規(guī)劃關(guān)節(jié)插值軌跡的約束條件：(初始位置）1.位置(給定)2．速度(給定，通常為零)3.加速度(給定，通常為零)（中間位置）4.提升點(diǎn)位置(給定)5．提升點(diǎn)位置（與前一段軌跡連續(xù)）6.速度（與前一段軌跡連續(xù)）7．加速度（與前一段軌跡連續(xù)）8.下放點(diǎn)位置(給定)9．下放點(diǎn)位置（與前一段軌跡連續(xù)）10.速度（與前一段軌跡連續(xù)）11.加速度（與前一段軌跡連續(xù)）（終止位置）12.位置(給定)13.速度(給定，通常為零)14.加速度(給定，通常為零)在直角坐標(biāo)空間內(nèi)規(guī)劃的方法主要有：線性函數(shù)插值法和圓弧插值法。離線路徑規(guī)劃是基于環(huán)境先驗(yàn)完全信息的路徑路徑規(guī)劃。完整的先驗(yàn)信息只能適用于靜態(tài)環(huán)境，這種情況下，路徑是離線規(guī)劃的；在線路徑規(guī)劃是基于傳感器信息的不確定環(huán)境的路徑規(guī)劃。在這種情況下，路徑必須是在線規(guī)劃的。機(jī)器人在執(zhí)行操作的同時(shí)用傳感器不斷感受周圍工作環(huán)境及自身活動(dòng)的情況，經(jīng)過(guò)不斷的感受、信息反饋、比較修正，保證了可靠地實(shí)現(xiàn)期望的操作。傳感器的作用：1.是接受外界信息的必要途徑；2.與微處理器聯(lián)合工作(某些傳感器本身就集成了微處理器)；3.構(gòu)成反饋的必要環(huán)節(jié)。機(jī)器人傳感器的分類機(jī)器人用傳感器也可分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器。內(nèi)部傳感器是用來(lái)確定機(jī)器人在其自身坐標(biāo)系內(nèi)的姿態(tài)位置的，如用來(lái)測(cè)量位移、速度、加速度和應(yīng)力的通用型傳感器。而外部傳感器則用于機(jī)器人本身相對(duì)其周圍環(huán)境的定位。外部傳感機(jī)構(gòu)的使用使機(jī)器人能以柔性方式與其環(huán)境互相作用。負(fù)責(zé)檢驗(yàn)諸如距離、接近程度和接觸程度之類的變量，便于機(jī)器人的引導(dǎo)及物體的識(shí)別和處理。(用途)內(nèi)部傳感器：檢測(cè)機(jī)器人本身狀態(tài)（關(guān)節(jié)位移,手臂間角度等）的傳感器?？刂茩z測(cè)外部傳感器：檢測(cè)機(jī)器人所處環(huán)境（是什么物體，離物體的距離有多遠(yuǎn)等）及狀況（抓取的物體滑落等）的傳感器。與環(huán)境的交互外部傳感器分為末端執(zhí)行器傳感器和環(huán)境傳感器。末端執(zhí)行器傳感器：主要裝在作為末端執(zhí)行器的手上，檢測(cè)處理精巧作業(yè)的感覺(jué)信息。相當(dāng)于觸覺(jué)。環(huán)境傳感器：用于識(shí)別物體和檢測(cè)物體與機(jī)器人的距離,定位,認(rèn)知環(huán)境。相當(dāng)于視覺(jué)。機(jī)器人移動(dòng)的目的：①為實(shí)現(xiàn)“代替人”②搬運(yùn)物體③適應(yīng)環(huán)境，進(jìn)行更多工作環(huán)境整備領(lǐng)域內(nèi)的移動(dòng)機(jī)器人1）移動(dòng)環(huán)境在導(dǎo)軌上（1維）軌道機(jī)器人2）移動(dòng)環(huán)境在道路上（2維）無(wú)人駕駛搬運(yùn)車沒(méi)有整備環(huán)境的移動(dòng)機(jī)器人1）自然環(huán)境①陸上2、3維環(huán)境②海上、海中環(huán)境③空中、宇宙環(huán)境2）人工制作的環(huán)境①陸上建筑物內(nèi)外環(huán)境（階梯、、電梯、鋼絲），間隙、溝、踏腳石②海上、海中的混凝土建筑等可以模擬動(dòng)物、人、飛鳥(niǎo)等制作移動(dòng)機(jī)構(gòu)步行機(jī)器人的機(jī)構(gòu)目標(biāo)ZMP和地面反作用力中心點(diǎn)的錯(cuò)位是造成失去平衡的主要原因。假若Honda機(jī)器人失