第五講機器人控制技術(shù)

第五講機器人控制技術(shù)

機器人是什么？機器人是如何工作的？要掌握哪些內(nèi)容？§8.1機器人的發(fā)展歷史

古代人們期望生產(chǎn)機器替代人類勞動。

1921年，捷克作家KarelCapek在其科幻小說《羅素姆的萬能勞工（UniversalRobot）》首次使用機器人詞。

Capek夢想著有這樣的情況，即生物過程可以創(chuàng)造出類人的機器，他們雖然缺乏感情和靈魂，但他們身體強壯并服從主人的命令，而且這些機器能夠快速而廉價地生產(chǎn)出來。

機器人市場很快發(fā)展起來，很多國家都想用成百上千的機器人士兵裝備軍隊，為他們賣命，即使傷亡也不足惜。最終機器人認定自己已經(jīng)比人類優(yōu)越，并試圖從人類手中接管這個世界。這個故事中出現(xiàn)的名字rabota，即勞動者，一直沿用到今天。

機器人主要基于大規(guī)模生產(chǎn)考慮主要有以下兩個原因：

1、勞動強度

2、盡量使用機器人完成簡單、重復的作業(yè)以降低成本。

1950年，Asimov在其出版的《我，機器人》一書中，給機器人定下了三原則：

1、不傷害人類；

2、在原則一下服從人給出的命令；

3、在與上兩個原則不矛盾的前提下保護自身

40年代末期美國阿爾貢國家實驗室遙控機械手用于操作放射性材料(遙控式、雙向主從式機械手)

1953年：MIT研制成功第一臺數(shù)控銑床

機械手+NC技術(shù)

—>第一臺工業(yè)機器人的產(chǎn)生

1954年：美國人George.C.Devol

申請“可編程序的關(guān)節(jié)型搬運裝置”發(fā)明專利

1958年：約瑟夫恩格爾伯格購買了德沃爾的專利，創(chuàng)造了世界上第一個制造機器人的公司—Unimation1959年：推出了第一臺示教再現(xiàn)式的(Teaching-Playback)PUMA機器人

1961年：Unimation

公司生產(chǎn)出第一臺工業(yè)機器人定名為Unimate，62年在GM公司應用1967年：豐田和川崎重工引進美國的Unimate和Versatran機器人1968年：通用汽車公司定購68臺工業(yè)機器人1976年：CincinnctiMilacron公司進入工業(yè)機器人市場，廣受歡迎1983機器人學無論是在工業(yè)生產(chǎn)還是在學術(shù)上都是一門受歡迎的學科，開始列入教學計劃80年代日本機器人在世界占主要地位，占世界總產(chǎn)量的一半以上1994年底全世界工業(yè)機器人已發(fā)展到60萬臺2001年底全世界實際裝備工業(yè)機器人102萬臺.2013年共裝備7600多萬臺。有關(guān)機器人重要術(shù)語機器人（robot）：可編程的多功能操作裝置，通過可變的、預先編程的運動完成各種任務(wù)。遙控手（teleoperator）：遠程操作控制進行工作的機器人叫遙操作機器人?？尚凶邫C器人（mobilerobot）：機座可運動的機器人。機器人學（robotics）：關(guān)于設(shè)計、制造和應用機器人的一門學科。（a）Kuhnezug車載起重機；(b)FanucS-500機器人在卡車上執(zhí)行焊縫任務(wù)

機器人操作手與起重機進行比較：相似之處（結(jié)構(gòu)、驅(qū)動、負載、控制器）具有許多連桿，這些連桿通過關(guān)節(jié)依次連接；這些關(guān)節(jié)由驅(qū)動器驅(qū)動（電機）；操作機的“手”都能在空中運動，達到工作空間的任何位置，并承載一定的負荷；都用一個中央控制器控制驅(qū)動器。不同之處（控制源、名稱）起重機是由人來控制驅(qū)動器機器人操作手是由計算機編程控制。動作受計算機監(jiān)控的控制器所控制，該控制器本身也運行某種類型程序。程序改變，機器人動作就會相應改變。一個稱為機器人，一個稱為操作機?！?.2機器人的特點、結(jié)構(gòu)及分類

一、機器人的主要特點（通用性、適應性）機器人的特點包括如下兩方面內(nèi)容：

1．通用性 機器人的通用性取決于它的幾何特性和機械能力。即指執(zhí)行不同功能完成同一任務(wù)的能力和完成多樣不同簡單任務(wù)的能力?；蛘哒f在機械結(jié)構(gòu)上允許機器人執(zhí)行不同的任務(wù)或以不同的方式完成同一任務(wù)。決定通用性有兩方面因素：一個是機器人自由度；另一個是末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)和操作能力。

2．適應性 機器人的適應性是指其對環(huán)境的自適應能力，即要求所設(shè)計的機器人能夠自我執(zhí)行并適應未經(jīng)完全指定的任務(wù)，而不管任務(wù)執(zhí)行過程中是否發(fā)生了所沒有預計到的環(huán)境變化。這一能力要求機器人具有人工知覺，即能感知周圍環(huán)境。在這個層次上，機器人運用它的下述能力：

(1)使用傳感器感測環(huán)境的能力；

(2)分析任務(wù)空間和執(zhí)行操作規(guī)劃的能力；

(3)自動指令模式的能力。

根據(jù)具體作業(yè)對象不同，機器人適應性主要考慮三種適應性：

(1)點適應性：即如何找到點的位置。

(2)曲線適應性：即如何利用傳感器得到的信息(或特殊結(jié)構(gòu)、材料等)沿曲面工作。

(3)速度適應性：選擇最佳運動速度。（與倒立擺類似的兩輪機器人）工業(yè)機器人系統(tǒng)組成執(zhí)行系統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)控制系統(tǒng)人工智能系統(tǒng)工業(yè)機器人臂部腕部機身手部行走機構(gòu)各種電、液、氣裝置運動控制裝置位置檢測裝置示教再現(xiàn)裝置語音識別裝置邏輯判斷裝置學習裝置觸覺、聽覺、嗅覺、視覺裝置二、機器人的結(jié)構(gòu)組成

四大組成部分?執(zhí)行機構(gòu)?驅(qū)動單元?控制系統(tǒng)?智能系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)

執(zhí)行機構(gòu)是機器人完成工作任務(wù)的機械實體一般為“機械手臂+末端操作器”

機械手臂manipulator：

一般為由桿件機構(gòu)和關(guān)節(jié)機構(gòu)組成的空間開鏈機構(gòu)常常進一步細分為機座腰部臂部肩和肘腕部

末端操作器end-effector

：按作業(yè)用途定（是機器人完成特定作業(yè)的關(guān)鍵裝置）驅(qū)動單元

包括驅(qū)動器、運動件和傳動機構(gòu)驅(qū)動器：電機（步進電機、伺服電機、DD電機）、氣缸、液壓缸、新型驅(qū)動器。傳動機構(gòu)：諧波傳動、螺旋傳動、鏈傳動、帶傳動、繩傳動、各種齒輪傳動及液力傳動。運動件：機器人本體上的各運動體?？刂葡到y(tǒng)

一般由控制計算機、驅(qū)動裝置和伺服控制器（servocontroller）組成

控制計算機：根據(jù)作業(yè)要求接受編程發(fā)出指令控制協(xié)調(diào)運動并根據(jù)環(huán)境信息協(xié)調(diào)運動

伺服控制器：控制各關(guān)節(jié)的驅(qū)動器使其按一定的速度加速度和軌跡要求進行運動智能系統(tǒng)

正在發(fā)展中智能機器人除運動機能外還有如下三種機能

感知機能：獲取外部環(huán)境信息以便進行自我行動決策和監(jiān)視的機能，視覺傳感器是當前發(fā)展的重點

思維機能：求解問題的認識推理和判斷機能——人工智能

人—機通信機能：理解指示命令輸出內(nèi)部狀態(tài)與人進行信息交換的機能取一個杯子找到水壺打開水壺把水倒入杯中把水送給主人給主人倒一杯水提起水壺到杯口上方把水壺傾斜把水壺豎直把水壺放回原處手部從A點移到B 點關(guān)節(jié)從A點移到B點智能機器人動作規(guī)劃

動作規(guī)劃的目的是——將操作人員輸入的簡單的任務(wù)描述變?yōu)樵敿毜倪\動軌跡描述。

例如，對一般的工業(yè)機器人來說，操作員可能只輸入機械手末端的目標位置和方位，而規(guī)劃的任務(wù)便是要確定出達到目標的關(guān)節(jié)軌跡的形狀、運動的時間和速度等。這里所說的軌跡是指隨時間變化的位置、速度和加速度。

簡言之，機器人的工作過程，就是通過規(guī)劃，將要求的任務(wù)變?yōu)槠谕倪\動和力，由控制環(huán)節(jié)根據(jù)期望的運動和力的信號，產(chǎn)生相應的控制作用，以使機器人輸出實際的運動和力，從而完成期望的任務(wù)。這一過程表述如下圖所示。這里，機器人實際運動的情況通常還要反饋給規(guī)劃級和控制級，以便對規(guī)劃和控制的結(jié)果做出適當?shù)男拚?。人機接口規(guī)劃控制機器人本體要求的任務(wù)期望的運動和力實際的運動和力控制作用機器人的工作原理示意圖

上圖中，要求的任務(wù)由操作人員輸入給機器人，為了使機器人操作方便、使用簡單，必須允許操作人員給出盡量簡單的描述。上圖中，期望的運動和力是進行機器人控制所必需的輸入量，它們是機械手末端在每一個時刻的位姿和速度，對于絕大多數(shù)情況，還要求給出每一時刻期望的關(guān)節(jié)位移和速度，有些控制方法還要求給出期望的加速度等。對于PTP控制:通常只給出機械手末端的起點和終點，有時也給出一些中間經(jīng)過點，所有這些點統(tǒng)稱為路徑點。應注意這里所說的“點”不僅包括機械手末端的位置，而且包括方位，因此描述一個點通常需要6個量。通常希望機械手末端的運動是光滑的，即它具有連續(xù)的一階導數(shù)，有時甚至要求具有連續(xù)的二階導數(shù)。不平滑的運動容易造成機構(gòu)的磨損和破壞，甚至可能激發(fā)機械手的振動。因此規(guī)劃的任務(wù)便是要根據(jù)給定的路徑點規(guī)劃出通過這些點的光滑的運動軌跡。三、機器人的分類

1、按機器人結(jié)構(gòu)形式

一般工業(yè)機器人為6個自由度前三個稱為手臂機構(gòu)，后三個稱為手腕機構(gòu)。根據(jù)手臂機構(gòu)的運動付不同形式的組合得到不同的機器人機構(gòu)形式。(1)直角坐標式(Cartesian)符號表示PPP(2)圓柱坐標式(Cylindrical)符號表示RPP

(3)球坐標式(Spherical)符號表示RRP

(4)多關(guān)節(jié)式(Jointed)符號表示RRR

(5)SCARA(SelectiveComplianceAssemblyRobotArm)關(guān)節(jié)軸線全平行由日本山梨大學牧野洋教授首先提出

2、按機器人控制方式

(1)非伺服控制機器人：這種機器人按照事先編好的程序進行工作，使用限位開關(guān)、制動器、插銷板和定序器控制機器人的工作。主要涉及“終點”、“抓放”或“開關(guān)”式機器人，尤其是有限順序機器人。

(2)伺服控制機器人：通過反饋傳感器取得的反饋信號與來自給定裝置的給定信號，用比較器加以比較后，得到誤差信號，經(jīng)過放大后用以激發(fā)機器人的驅(qū)動裝置，并帶動末端執(zhí)行裝置以一定的運動規(guī)律運動，實現(xiàn)所要求的作業(yè)。

伺服控制分為點位伺服控制和連續(xù)軌跡伺服控制兩種。

點位伺服控制：機器人以最快和最直接的路徑（省時省力）從一個端點移到另一個端點。通常用于重點考慮終點位置，而對中間的路徑和速度不做主要限制的場合。實際工作路徑可能與示教時不一致。

連續(xù)軌跡伺服控制：機器人能夠平滑地跟蹤某個規(guī)定的路徑。3．按機器人的信息輸入方式日本工業(yè)機器人協(xié)會把機器人分為六類：1)手動操作手：由操作人員直接進行操作的有幾個自由度的加工裝置；2)定序機器人：按預定的順序、條件和位置，逐步地重復執(zhí)行給定的作業(yè)任務(wù)，其預定信息難以修改；3)變序機器人：和第二類一樣，但預定信息易于修改；4)示教式機器人：能夠按照記憶裝置存儲的信息復現(xiàn)事先由人示教的動作，且這些示教的動作能夠自動重復地進行；5)程控機器人：能夠通過提供的運動程序，執(zhí)行給定的任務(wù)；6)智能機器人：通過感知信息獨立檢測工作環(huán)境或工作條件的變化，借助機器人本身的自我決策能力，進行相應的工作。它不受工作環(huán)境或工作條件變化的影響。

美國只將后四種定義為機器人?！?.3機器人自由度、關(guān)節(jié)及坐標系一、機器人的自由度確定點在空間位置—三個坐標。確定剛體（三維物體，不是一個點）在空間位置—六個坐標（三個確定空間位置，三個確定空間姿態(tài)）。需要六個自由度才能將物體放到空間任意指定位姿（即位置和姿態(tài)）。少于六個自由度，機器人的能力將受到相應限制（自由度越少，限制越多）。

1）三自由度機器人

只能沿X、Y、Z軸運動不能指定機械手姿態(tài)

2）五自由度機器人

X、Y、Z移動和繞X、Y的轉(zhuǎn)動（焊接、磨削機器人，不要求Z軸轉(zhuǎn)動）

3）七自由度機器人解無窮多，要有附加決策程序使機器人從這些解中選擇一個。（檢驗所有解，根據(jù)決策找出所求解，實際生產(chǎn)不用）二、機器人的關(guān)節(jié)

1、直線移動關(guān)節(jié)

2、轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)（驅(qū)動方式）三、機器人的坐標系

機器人運動學中通常定義以下三種坐標系：

1、全局參考坐標系：此時，機器人是通過各關(guān)節(jié)的組合運動產(chǎn)生沿X、Y、Z三個坐標軸直線運動和繞他們的轉(zhuǎn)動。

2、關(guān)節(jié)參考坐標系：此時，機器人是通過各關(guān)節(jié)獨立運動產(chǎn)生期望運動。

3、工具參考坐標系：是一個活動坐標系，隨機器人手運動而隨之運動，在機器人控制中，它便于對機器人靠近、離開物體或安裝零件進行編程。機器人控制系統(tǒng)的特點1)機器人有若干個關(guān)節(jié)，典型工業(yè)業(yè)機器人有5至6個關(guān)節(jié)。每個關(guān)節(jié)由一個伺服系統(tǒng)控制，多個關(guān)節(jié)的運動要求各個伺服系統(tǒng)協(xié)同工作。2)機器人的工作任務(wù)是要求操作機的末端執(zhí)行器進行空間點位運動或軌跡運動。對機器人運動的控制，需要進行復雜的坐標變換運算，以及矩陣函數(shù)的逆運算。3)機器人的數(shù)學模型是一個多變量、非線性和變參數(shù)的復雜模型，各變量之間還存在著耦合，因此機器人的控制中經(jīng)常使用前饋、補償、解耦、自適應等復雜控制技術(shù)。4)較高級的機器人要求對環(huán)境條件、控制指令進行測定和分析，采用計算機建立龐大的信息庫，用人工智能的方法進行控制、決策、管理和操作，按照給定的要求自動選擇最佳控制規(guī)律。機器人控制系統(tǒng)的功能(1)伺服控制功能

該功能主要是指機器人的運動控制，實現(xiàn)機器人各關(guān)節(jié)的位置、速度、加速度等的控制。(2)運算功能

機器人運動學的正運算和逆運算是其中最基本的部分。對于具有連續(xù)軌跡控制功能的機器人來說，還需要有直角坐標軌跡插補功能和一些必要的函數(shù)運算功能。在一些高速度、高精度的機器人控制系統(tǒng)當中，系統(tǒng)往往還要完成機器人動力學模型和復雜控制算法等運算功能。(3)系統(tǒng)的管理功能

①方便的人機交互功能。②具有對外部環(huán)境(包括作業(yè)條件)的檢測和感覺功能。⑤系統(tǒng)的監(jiān)控與故障診斷功能。機器人控制的特點機器人的控制問題是與其運動學和動力學問題密切相關(guān)從控制觀點看，機器人系統(tǒng)代表冗余的、多變量和本質(zhì)上非線性的控制系統(tǒng)，同時又是復雜的耦合動態(tài)系統(tǒng)。每個控制任務(wù)本身就是一個動力學任務(wù)。在實際研究中，往往把機器人控制系統(tǒng)簡化為若干個低階子系統(tǒng)來描述。機器人控制方法的分類

根據(jù)不同的分類方法，機器人控制方式可以有不同的分類。下圖是一種常用的分類方法。從總體上，機器人的控制方式可以分為動作控制方式和示教控制方式。按照被控對象來分，可以分為位置控制、速度控制、加速度控制、力控制、力矩控制、力和位置混合控制等等。無論是位置控制或速度控制，從伺服反饋信號的形式來看，又可以分為基于關(guān)節(jié)空間的伺服控制和基于作業(yè)空間(手部坐標)的伺服控制。機器人控制系統(tǒng)的功能、組成

基本功能構(gòu)成

·記憶功能：存儲作業(yè)順序、運動路徑、運動方式、運動速度和與生產(chǎn)工藝有關(guān)的信息。

·示教功能：離線編程，在線示教，間接示教。在線示教包括示教盒和導引示教兩種。

·與外圍設(shè)備聯(lián)系功能：輸入和輸出接口、通信接口、網(wǎng)絡(luò)接口、同步接口。

·坐標設(shè)置功能：有關(guān)節(jié)、絕對、工具、用戶自定義四種坐標系。

·人機接口：示教盒、操作面板、顯示屏。

·傳感器接口：位置檢測、視覺、觸覺、力覺等

·位置伺服功能：機器人多軸聯(lián)動、運動控制、速度和加速度控制、動態(tài)補償?shù)取?/p>

·故障診斷安全保護功能：運行時系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)視、故障狀態(tài)下的安全保護和故障自診斷。

機器人控制系統(tǒng)的組成

（1）控制計算機

控制系統(tǒng)的調(diào)度指揮機構(gòu)。一般為微型機、微處理器有32位、64位等，如奔騰系列CPU以及其他類型CPU；（2）示教盒

示教機器人的工作軌跡和參數(shù)設(shè)定，以及所有人機交互操作，擁有自己獨立的CPU以及存儲單元，與主計算機之間以串行通信方式實現(xiàn)信息交互；（3）操作面板

由各種操作按鍵、狀態(tài)指示燈構(gòu)成，只完成基本功能操作；（4）硬盤和軟盤存儲存儲機器人工作程序的外圍存儲器；（5）數(shù)字和模擬量輸入輸出

各種狀態(tài)和控制命