《機器人技術-建模、仿真及應用》課件 第一章 緒論

ROBOT機器人技術——建模、仿真及應用緒論第一章

目錄PART.1PART.4PART.3PART.21.1機器人的定義1.2機器人的分類1.3機器人基礎知識1.4機器人的主要研究內容注：本書后續(xù)所有仿真程序基于2016b版MATLAB，需安裝RoboticsToolbox（機器人工具箱）機器人的定義PART.1概念在發(fā)展，定義在變化，關于機器人有多種定義國際標準化組織（InternationalOraganizationforStandardization,IOS）

機器人是一種自動的、位置可控的、具有編程能力的多功能機械手，這種機械手具有幾個軸，能夠借助于可編程序操作來處理各種材料、零件、工具和專用裝置，以執(zhí)行種種任務。美國國家標準局（NationalBureauofStandards,NBS）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)任務的機械裝置。機器人的定義概念在發(fā)展，定義在變化，關于機器人有多種定義日本工業(yè)機器人協(xié)會（JapaneseIndustrialRobotAssociation，JIRA）

工業(yè)機器人是一種帶有存儲器件和末端執(zhí)行器的通用機械，它能夠通過自動化的動作替代人類勞動。GB/T12643---2013<<機器人與機器人裝備詞匯>>

機器人是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，可在其工作環(huán)境內運動以執(zhí)行預期的任務的執(zhí)行機構。機器人的定義機器人特征如下:動作機構具有類似于人或其他生物體某些器官（肢體、感官等）的功能具有通用性，工作種類多樣，動作程序靈活易變具有不同程度的智能性，如記憶、感知、推理、決策、學習等具有獨立性，完整的機器人系統(tǒng)，在工作中可以不依賴于人的干預機器人的定義機器人的分類PART.2機構形式/運動形態(tài)分類驅動方式分類控制器信息輸入/示教方法用途分類直角坐標機器人直角坐標機器人定義：直角坐標型機器人手部空間位置的改變是通過沿3個互相垂直軸線的移動來實。優(yōu)點：位置精度高、控制簡單、避障性好。缺點：結構較龐大、動作范圍小、靈活性差。圓柱坐標機器人圓柱坐標機器人定義：機器人手臂的運動系由垂直立柱內的伸縮和沿著立柱的升降兩個直線運動，以及手臂繞立柱的轉動復合而成。優(yōu)點：位置精度高、控制簡單、避障性好。缺點：結構龐大、設計復雜移動軸。機構形式/運動形態(tài)分類定義：球坐標型機器人手臂的運動由一個移動和兩個轉動組成，即手臂沿軸的伸縮、繞軸的俯仰和繞軸的回轉。優(yōu)點：占地面積小、結構緊湊等。缺點：避障性差、平衡性差等定義：

SCARA型機器人手臂的前端結構采用在二維空間內能任意移動的自由度。SCARA型機器人更能簡單地實現(xiàn)二維平面上的動作，常用于裝配作業(yè)中。特征：垂直方向剛性高，水平面內剛性低等。球坐標機器人球坐標機器人SCARA型機器人SCARA型機器人機構形式/運動形態(tài)分類定義：球坐標型機器人手臂的運動由一個移動和兩個轉動組成，即手臂沿軸的伸縮、繞軸的俯仰和繞軸的回轉。優(yōu)點：占地面積小、結構緊湊等。缺點：避障性差、平衡性差等。關節(jié)型機器人機構形式/運動形態(tài)分類并聯(lián)型機器人關節(jié)型機器人并聯(lián)型機器人定義：球坐標型機器人手臂的運動由一個移動和兩個轉動組成，即手臂沿軸的伸縮、繞軸的俯仰和繞軸的回轉。優(yōu)點：占地面積小、結構緊湊等。缺點：避障性差、平衡性差等。驅動形式氣力驅動式液力驅動式定義：以壓縮空氣來驅動執(zhí)行機構。優(yōu)點：空氣來源方便，動作迅速，結構簡單，造價低。缺點：空氣具有可壓縮性，使得工作速度的穩(wěn)定性較差。氣力驅動式定義：利用液體在封閉系統(tǒng)內傳遞壓力來產生力和運動。優(yōu)點：結構緊湊、傳動平穩(wěn)且動作靈敏等。缺點：對密封的要求較高，不宜在高、低溫場合工作，且制造精度要求高，成本高。液力驅動式定義：電力驅動式機器人利用各種電動機產生的力和力矩，直接或通過減速機構驅動機器人。優(yōu)點：無環(huán)境污染、易于控制、運動精度高、成本低、驅動效率高等優(yōu)點。定義：由各種新技術如壓電、靜電、記憶合金驅動器以及人工肌肉驅動器等對機器人進行驅動。電力驅動式電力驅動式新型驅動方式驅動形式人工肌肉驅動器控制器信息輸入/示教方法示教機器人可變程序機器人固定程序機器人程控機器人智能機器人按照預先設定好的順序、條件、位置，逐步完成各個階段的預設任務，但是要更改預先設定的條件非常不方便。按照預先設定好的順序、條件、位置，逐步完成各個階段的預設任務，并且可以很方便地更改預先的設定程序。預先由人對機器人的機械臂及機械手或生產工具的動作進行示教，并將作業(yè)的順序、位置等信息記錄下來，在工作時再將記錄信息讀取，由機械臂及機械手或生產工具完成相關作業(yè)。操作人員并不是對機器人進行手動示教，而是向機器人提供運動程序，使得機器人執(zhí)行給定的任務，其控制方式與數控機床一樣。智能機器人能夠基于傳感信息來獨立檢測其工作環(huán)境或工作條件的變化，并借助其自我決策能力，執(zhí)行相應的工作任務。用途分類工業(yè)機器人工作站IndustrialRobotWorkingStation

由一臺或兩臺機器人所構成的生產體系。工業(yè)機器人工業(yè)機器人：工業(yè)機器人主要應用于工業(yè)生產中，進行焊接、噴漆、裝配、搬運、檢驗等作業(yè)。工業(yè)機器人生產線IndustrialRobotProductionLine由若干機器人工作站和物流系統(tǒng)組成，完成多項復雜作業(yè)的生產體系。用途分類焊接機器人噴涂機器人搬運機器人工業(yè)機器人用途分類服務機器人跳舞機器人福娃機器人清掃機器人服務機器人：服務機器人是除工業(yè)機器人之外，服務人類非生產性活動的機器人總稱。用途分類服務機器人救援機器人導盲機器人醫(yī)療機器人水下機器人CanadaArm太空機械臂軍用機器人機器人基礎知識PART.3機器人的基本術語機器人的結構機器人的主要技術參數機器人的控制機器人的基本術語世界坐標系一般是指建立在地球上的笛卡兒角坐標系，也稱為大地坐標系?；鴺讼狄卜Q為基坐標系，一般用于描述機器人操作臂，是指建立在機器人不運動的基座上的坐標系通常用作描述機器人各關節(jié)運動及末端位姿的參考坐標系。關節(jié)坐標系是設定在機器人關節(jié)中的坐標系，在關節(jié)坐標系下機器人各軸可實現(xiàn)單獨正向或反向運動。工具坐標系是用來定義工具中心點的位置和工具姿態(tài)的坐標系，其原點定義在工具中心點，但軸的方向定義因生產廠商而異。工件坐標系也稱為用戶坐標系，是用戶對每個工作空間進行定義的直角坐標系。該坐標系以基坐標系為參考，通常建立在工件或工作臺上。坐標變換是指將一個點的坐標描述從一個坐標系轉換到另一個坐標系下的過程。在機器人的運動學中，坐標變換非常重要，通常用于兩個相鄰連桿之間的位姿轉換。世界坐標系基座坐標系關節(jié)坐標系工具坐標系工件坐標系坐標變換機器人的基本術語機器人轉動關節(jié)機器人移動關節(jié)定義：移動關節(jié)又稱移動副、滑動關節(jié)，是使兩個連桿的組件中的一件相對于另一件做直線運動的關節(jié)，兩個連桿之間只做相對移動。機器人移動關節(jié)機器人轉動關節(jié)定義：轉動關節(jié)又稱轉動副，是使連續(xù)兩個連桿的組成件中的一個相對于另一個繞固定軸線轉動的關節(jié)，兩個連桿之間只做相對轉動。按照軸線的方向，轉動關節(jié)可分為回轉關節(jié)和擺動關節(jié)。操作臂末端執(zhí)行器手腕機器人的機構機器人的基本術語關節(jié)空間是機器人關節(jié)變量所構成的數學意義上的空間集合。機器人工作空間有兩層含義。一層是數學意義上，指機器人工作空間變量所構成的空間集合。另一層含義是幾何層面上，指機器人運動描述參考點所能達到的空間的集合，它是由操作臂的連桿尺寸、關節(jié)運動范圍和構型決定的。額定負載是指機器人在規(guī)定的性能范圍內末端機械接口處能夠承受的最大負載量。該指標反映了機器人搬運重物的能力，通常用來表示機械臂的承載力。分辨率是指機器人每個關節(jié)能夠實現(xiàn)的最小移動距離或最小轉動角度。該指標反映了機器人關節(jié)傳感器的檢測精度及關節(jié)的運動精度。定位精度是指機器人執(zhí)行指令設定位姿與實際到達位姿的一致程度。在機器人的技術指標中，定位精度通常用重復定位精度來表示。不同廠家對最大工作速度規(guī)定內容不同，有的廠家定義為工業(yè)機器人主要自由度上最大的穩(wěn)定速度，有的廠家定義為手臂末端最大的合成速度。關節(jié)空間工作空間額定負載分辨率定位精度最大工作速度機器人的控制伺服系統(tǒng)是控制機器人的位姿和速度等使其跟隨目標值變化的控制系統(tǒng)。在機器人的早期階段，需要采用專用的計算機編程語言編寫機器人的控制程序。離線編程是機器人作業(yè)方式的信息記憶過程與作業(yè)對象不發(fā)生直接關系的編程方式。在線編程是讓機器人在執(zhí)行任務的過程中記住運動參數及軌跡的一種編程方式。在線編程最常用的方式是人工示教。機器人采用傳感器感知自己和周圍環(huán)境，因此機器人傳感器分為內部傳感器和外部傳感器。點位控制是機器人的一種典型控制方式，可控制機器人從一個位姿運動到下一個位姿伺服系統(tǒng)機器人語言離線編程在線編程傳感器點位控制連續(xù)控制軌跡協(xié)調控制連續(xù)軌跡控制是一種比點位控制更復雜的控制方式，它能夠控制機器人的機械接口在指定的軌跡上按照編程規(guī)定的位姿和速度移動協(xié)調控制是對多個機器人而言的，該控制方式可以協(xié)調控制多個手臂或多臺機器人同時進行某種作業(yè)。機器人的主要研究內容PART.4機器人系統(tǒng)組成不同類型的機器人的機械、電氣和控制結構千差萬別，但是一個機器人系統(tǒng)通常由3部分、6個子系統(tǒng)組成。3部分分別是機械部分、傳感部分和控制部分，6個子系統(tǒng)分別是機械系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、人機交互系統(tǒng)、感知系統(tǒng)，以及機器人環(huán)境交互系統(tǒng)。主要研究內容機器人機構是用來將輸入的運動和力轉換成期望的力和運動并輸出的機構。機器人機構按工作空間可分為平面機構和空間機構，按剛度可分為剛性機構和柔性機構。機器人機構研究主要體現(xiàn)在機器人本體機構的構型、尺度、速度、負載能力及機構剛度的設計等方面。機器人的執(zhí)行機構實際上是一個多剛體系統(tǒng)，基于機器人數學描述方法，機器人運動學主要研究機器人的位置、速度、加速度及其他位置變量的高階導數，包括正運動學和逆運動學兩大類問題。機器人動力學是研究機器人產生預定運動需要的力，這方面的研究需要建立機器人動力學方程，即建立作用于機器人各機構的力或力矩及其位置、速度、加速度關系的方程。機器人動力學的基礎是牛頓力學、拉格朗日力學等。機器人感知是通過不同的傳感器來實現(xiàn)，分內部傳感器和外部傳感器兩大類。機器人感知主要研究專用傳感器的研制及傳感器信息的處理方法和技術。機器人控制以機器人的運動學和動力學為基礎，主要研究內容有機器人控制方式和機器人控制策略。機