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1、第二讲第二讲 机器人组成结构机器人组成结构 1、机器人组成概述 2、机器人机械系统 3、机器人控制系统 4、机器人感知系统 5、机器人驱动系统 2 一一 、机器人组成概述、机器人组成概述 1 机器人系统组成 机器人系统的三大部分机器人系统的三大部分 机械部分机械部分 传感部分传感部分 控制部分控制部分 人机交互系统人机交互系统 控制系统控制系统 驱动系统驱动系统 机械系统机械系统 感感 知知 系系 统统 机器人机器人环境交互系统环境交互系统 控控 制制 部部 分分 机机 械械 部部 分分 传传 感感 部部 分分 3 机械系统机械系统: :由关节连在一起的许多机械连杆的集合体，形成开 环运动学链
2、系; 驱动系统驱动系统: :使使各种机械部件产生运动的装置; 感知系统感知系统: :获取内部和外部环境中的有用信息，通过这些信息 确定机械部件各部分的运行状态; 控制系统控制系统: :通过作业指令及反馈信息支配执行机构完成规定动 作的处理单元,包括闭环和开环系统; 机器人环境交互系统机器人环境交互系统: :实现机器人与外部环境中的设备相互联 系和协调的系统; 人机交互系统人机交互系统: :操作人员参与机器人控制并与机器人进行联系 的装置; 一、机器人组成概述一、机器人组成概述 2 系统概念 4 一、机器人组成概述一、机器人组成概述 3 机器人部分术语及主要技术参数 关关 节节: :即运动副即运
3、动副，即手臂即手臂 各零件之间发生相对运动各零件之间发生相对运动 的机构的机构 连连 杆杆: :机器人手臂上被机器人手臂上被 相邻两关节分开的部分相邻两关节分开的部分 5 自由度自由度: :亦称坐标亦称坐标 轴数轴数，是指描述物是指描述物 体运动所需要的独体运动所需要的独 立坐标数立坐标数 一、机器人组成概述一、机器人组成概述 3 机器人部分术语及主要技术参数 工作空间工作空间：机器人机器人 手腕参考点或末端操手腕参考点或末端操 作器安装点所能到达作器安装点所能到达 的所有空间区域的所有空间区域 PUMA机器人工作空间机器人工作空间 6 思考：人的手臂共有多少个自由度？ 一、机器人组成概述一、
4、机器人组成概述 3 机器人部分术语及主要技术参数 共有共有27个自由度个自由度! 人臂与手的自由度示意图 7 其他重要参数：其他重要参数： 承载能力承载能力: :指机器人在工作范围内的任何位姿指机器人在工作范围内的任何位姿 上所能承受的最大负载上所能承受的最大负载 工作速度工作速度: :单位时间内所移动的距离或转动的单位时间内所移动的距离或转动的 角度。角度。 刚度刚度: :机身或臂部在外力作用下抵抗变形的能机身或臂部在外力作用下抵抗变形的能 力。力。 一、机器人组成概述一、机器人组成概述 3 机器人部分术语及主要技术参数 8 机器人机械结构通常由以下部分组成 二、机械系统组成二、机械系统组成
5、 1 机器人机械系统组成 手臂手臂: :连接机身和手腕的部分 手腕手腕: :连接手部和手臂的部件 手部手部: :手腕上配置的操作机构，也称末端操作器 机身机身: :机器人的基础部分，起支承作用 行走机构行走机构: :机器人用来移动的重要装置 9 二、机械系统组成二、机械系统组成 2 机器人手部 两类：工业机器人工业机器人的手部的手部和仿人机器人的手部仿人机器人的手部。 夹钳式手部示意图 1手指；2、4传动机构；3驱动装置；5工件 工业机器人手工业机器人手部：部： 夹夹钳式钳式手部手部 吸附吸附式手部式手部（气吸式、磁吸式）（气吸式、磁吸式） 吸附式手部示意图 真空吸附式、气流负压气吸式、挤压排
6、气式 10 二、机械系统组成二、机械系统组成 2 机器人手部 仿人机器人的仿人机器人的手部手部 柔性手：柔性手：能抓取不同外形的物体，物体表面受力均匀能抓取不同外形的物体，物体表面受力均匀 多指多指灵巧手：灵巧手：由多个手指组成，每一个手指有三个回转关节由多个手指组成，每一个手指有三个回转关节 多关节柔性手结构图 多指灵巧手结构图 11 单自由度手腕 二自由度手腕 三自由度手腕 二、机械系统组成二、机械系统组成 2 机器人的手腕 单自由度手腕示意图 二自由度手腕示意图 三自由度手腕示意图 12 手臂作用是支承腕部和手部，并将披抓取的 工件运送到给定的位置上 二、机械系统组成二、机械系统组成 3
7、机器人的手臂 机器人手臂机械结构形式 13 机身：机身：与臂部相连，支承臂部 分类：分类： 直线移动机身 回转与升降机身 该类机器人的运动形式大多为该类机器人的运动形式大多为 该类机身主要包括回转与升降两该类机身主要包括回转与升降两 移动式移动式 部分部分 二、机械系统组成二、机械系统组成 4机器人的机身 横梁直线移动式机身 回转与升降式机身 14 回转与俯仰机身：该类机身主要包括回转与俯仰两部分 类人式多自由度机身：与人体结构类似 二、机械系统组成二、机械系统组成 4 机器人的机身 回转与俯仰式机身 类人式多自由度机身 15 固定轨迹固定轨迹式行走机构式行走机构 无固定轨迹式行走机构无固定轨
8、迹式行走机构 (1)轮式行走机构 (2)履带式行走机构 (3)足式行走机构 (4)轮足混合行走机构 二、机械系统组成二、机械系统组成 5机器人的行走机构 行走机构是用来移动的重要装置可分为： 固定轨迹式 无固定轨迹式 起重梁起重梁 16 (1)轮式行走机构 轮式是机器人最流行的行走运动机构，它具有高效率、机械简单等特点 二、机械系统组成二、机械系统组成 5机器人的行走机构 轮式机器人车轮形式 全方位轮 17 (2)履带式行走机构 履带式行走机构的主要特征是将圆环状的无限轨道带绕在多个车轮上， 使车轮不直接与路面接触 二、机械系统组成二、机械系统组成 5机器人的行走机构 18 thunder3仿
9、生履带机器人 履带式侦查机器人 二、机械系统组成二、机械系统组成 5机器人的行走机构 军用履带机器人军用履带机器人 19 （3）足式行走机构 足的数目越多，承载能力越强，运动速度越慢 二、机械系统组成二、机械系统组成 5机器人的行走机构 六足机器人 本田公司的Asimo 双足机器人 20 单足弹跳机器人 (4)轮足混合行走机构 轮足混合型行走机构可提高行走效率 二、机械系统组成二、机械系统组成 5机器人的行走机构 Shrimp全地形移动机器人 问题：大家觉得 轮足混合式机器 人主要优点是什 么？ 轮足混合是机器人 集中了轮式机器人 的高速高效和足式 机器人的特殊地形 适应性两种优势！ 21 科
10、学家最新研制的科学家最新研制的ATHLETE(全地全地 形六足地外探测器形六足地外探测器)机器人机器人 机器人控制系统负责协调、管理、控制系统的所有部件进行工作 ，其基本功能包括： 记忆功能记忆功能 与外围设备联系功能与外围设备联系功能 示教功能示教功能 人机接口人机接口 位置伺服功能位置伺服功能 传感器接口传感器接口 故障诊断安全保护功能故障诊断安全保护功能 三、控制系统三、控制系统 1机器人控制系统的基本功能 22 三、控制系统三、控制系统 机器人控制系统框图 23 三、控制系统三、控制系统 3 机器人控制系统结构 集中控制：所有控制工作由一台计算机（CPU）完成 集中控制系统框图 机器人
11、控制系统可分为集中控制、主从控制、分散控制 24 工业机器人、数控床大 多采用 集中控制系统 三、控制系统三、控制系统 3 机器人控制系统结构 主从控制：采用主处理器、协处理器两部分共同完 成系统的全部控制任务 机器人主从控制系统框图 25 摄像头 裁判机 A 队决策机B 队决策机 机器人足球中的 集 中控制系统 三、控制系统三、控制系统 3 机器人控制系统结构 分散控制：将彼此关联不大彼此关联不大的系统模块分开处理 机器人分散控制系统框图 典型控制系统 26 三、控制系统三、控制系统 4 机器人控制方式 其他控制方式其他控制方式 点位式点位式 轨迹式轨迹式 力（力矩）控制方式力（力矩）控制方
12、式 智能控制方式智能控制方式 27 铝箔生产中的力矩控制 三、控制系统三、控制系统 5 机器人控制系统特点 1、机器人的功能与自由度数目相关 2、机器人的动作需要经过运算处理以便进行最优控制 3、机器人系统需要有机地协调起来 4、机器人控制系统需要利用位置闭环、速度闭环、加速度 闭环进行控制 5、机器人控制系统广泛涉及机构运动学与动力学的知识 28 三、控制系统三、控制系统 6 控制器种类 单片机单片机:使用简单，价格使用简单，价格低廉低廉。 DSP:速度快、实时性速度快、实时性好，好，能够快速地进行大量的能够快速地进行大量的运算运算。 专用运动控制卡专用运动控制卡:是功能强大，价格是功能强大
13、，价格昂贵昂贵。 51单片机单片机 430单片机单片机 AVR单片机单片机 STM32 DSP 专用运动控制卡专用运动控制卡 29 四、感知系统四、感知系统 1 传感器 传感器：传感器： 是一种物理装置或生物器官，能够探测、感受外界的信号、物理条件 机器人传感器功能和作用机器人传感器功能和作用: 检测机器人周围以及自身的环境信息 30 问题：请列举你所了解的传感器类型 四、感知系统四、感知系统 1 传感器 光线类传感器 触觉开关类传感器 超声探测器 温度等检测类传感器 电源检测类传感器 31 常见传感器： 四、感知系统四、感知系统 2 传感器-光传感器 光线传感器光线传感器-激光类激光类： 高
14、高精度、抗干扰能力强精度、抗干扰能力强 普通红激光 传感器 M12对射 激光开关 智能车中的激 光传感器 进口进口激光测距 传感器 32 光线光线传感器功能：测距、目标检测、颜色识传感器功能：测距、目标检测、颜色识 别等，别等， 主要类别：激光、红外、视觉等主要类别：激光、红外、视觉等 四、感知系统四、感知系统 2 传感器-光传感器 光传感器光传感器-红外：红外：灵敏度高、响应快灵敏度高、响应快 红外对射类 红外热释电 红外反射类 普通红外发射接收管 33 四、感知系统四、感知系统 2 传感器-光传感器 光传感器光传感器-摄像头摄像头 分辨率、图像格式、图像压缩方式、视角、输入输出接口 MT9
15、D111 OV7670 34 四、感知系统四、感知系统 3传感器-触碰类传感器 触碰类传感器：触碰类传感器： 非接触式非接触式、接触式接触式 接触式：包括微 动开关、行程开关 、挡铁等 非接触式： 主要为接近开关 35 四、感知系统四、感知系统 4传感器-检测类传感器 其他传感器其他传感器 增量式旋转编码器：增量式旋转编码器： 电机转速和角度的测量电机转速和角度的测量（机械式、电磁式）（机械式、电磁式） 主要技术参数主要技术参数：频率、线数 36 四、感知系统四、感知系统 4传感器-检测类传感器 温度传感器：温度传感器： 数字量输出：数字量输出：以一定协议直接向外输出数字量以一定协议直接向外输
16、出数字量 模拟量输出：模拟量输出：一般为通过电阻的变化间接测量一般为通过电阻的变化间接测量 18B20 PT100 37 四、感知系统四、感知系统 4传感器-检测类传感器 加速度传感器：加速度传感器： 一种能够测量加速力的电子设备一种能够测量加速力的电子设备。 38 四、感知系统四、感知系统 4传感器-检测类传感器 陀螺仪：陀螺仪： 角运动检测装置 在机器人感知系统中，陀螺仪作为一种惯性导航器件 进口单轴陀螺仪模块 国产单轴陀螺仪模块 39 四、感知系统四、感知系统 4传感器-检测类传感器 压力传感器 位移传感器 扭矩传感器 超声波测距传感器 电流检测传感器 40 机器人主要驱动器： （1）电动机：伺服电机、步进电机、直接驱动电机 （2）液压驱动器 （3）气动驱动器 （4）形状记忆合金驱动器 （5）磁滞伸缩驱动器 五、驱动系统五、驱动系统 1驱动器 41 刚性系统：刚
