工业机器人基础知识

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1、机器人的定义美国国家标准局（NBS ）的定义：机器人是一种能够进行编程并在自动控制下执行某些操作和移动作业任务的机械装置 ”。国际标准化组织（ISO）的定义：机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能机械 手，这种机械手具有几个轴，能够借助于可编程序操作来处理各种材料、零件、工具和 专用装置，以 执行种种任务。”机器人具有以下特性：（1）一种机械电子装置；（2）动作具有类似于人或其他生物体的功能；（3）可通过编程执行多种工作，有一定的通用性和灵活性；（4）有一定程度的智能，能够自主地完成一些操作。机器人的分类按照日本工业机器人学会（JIRA）的标准，可将机器人分为六类： 第一类：人工

2、操作机器人。由操作员操作的多自由度装置； 第二类：固定顺序机器人。按预定的不变方法有步骤地依此执行任务的设备，其执行顺序难以修改；第三类：可变顺序机器人。同第二类，但其顺序易于修改。第四类：示教再现（playback）机器人。操作员引导机器人手动执行任务，记录下这些动作 并由机器人以后再现执行，即机器人按照记录下的信息重复执行同样的动作。 第五类：数控机器人。操作员为机器人提供运动程序，并不是手动示教执行任务。 第六类：智能机器人。机器人具有感知外部环境的能力， 即使其工作环境发生变化，也能够 成功地完成任务。美国机器人学会（RIA）只将以上第三类至第六类视做机器人。 我国的机器人专家从应用环

3、境出发，将机器人分为两大类，即工业机器人和特种机器人。 所谓 工业机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。而特种机器人则是除工业机器人之外的、用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人。机器人技术涉及的研究领域有：1、传感器技术：得到与人类感觉机能相似的传感器技术；2、人工智能计算机科学：得到与人类智能或控制机能相似能力的人工智能或计算机科 学；3、假肢技术；4、工业机器人技术：把人类作业技能具体化的工业机器人技术；5、移动机械技术：实现动物行走机能的行走技术；6、生物功能：实现生物机能为目的的生物学技术为了防止机器人伤害人类，科幻作家阿西莫夫于 1940 年提出了 机器人三原则”

4、：（1 ）机器人不应伤害人类；（2）机器人应遵守人类的命令，与第一条违背的命令除外；（3）机器人应能保护自己，与第一条相抵触者除外。 这是给机器人赋予的伦理性纲领。机器人学术界一直将这三原则作为机器人开发的准则。1959 年第一台工业机器人（采用可编程控制器、圆柱坐标机械手）在美国诞生，开创了机 器人发展 的新纪元。我国机器人的发展有人认为，应用机器人只是为了节省劳动力， 而我国劳动力资源丰富， 发展机器人不一定符 合我国国情。其实这是一种误解，在我国，社会主义制度的优越性决定了机器人能够充分发 挥其长 处，它不仅能为我国的经济建设带来高度的生产力和巨大的经济效益， 而且将为我国 的宇宙开发、

5、海洋开发、核能利用等新兴领域的发展做出卓越的贡献。我国机器人学研究起步较晚， 但进步较快，已经在工业机器人、 特种机器人和智能机器人各 个方面区的了明显的成就，为我国机器人学的发展打下了坚实的基础。机器人研究的基础内容1、空间机构学机器人机身和臂部机构的设计、 机器人手部机构设计、机器人行走机构的设计、机器 人关节部机构的设计。2、机器人运动学研究要涉及到组成这一系统的各杆件之间以及系统与对象之间的相互关系， 为 此需要一种有效的数学描述方法。3、机器人静力学静力学主要讨论机器人手部端点力与驱动器输入力矩的关系。4、机器人动力学动力学方程是指作用于机器人各机构的力或力矩与其位置、 速度、加速度

6、关系 的方程式。5、机器人控制技术主要研究的内容有机器人控制方式和机器人控制策略。6、机器人传感器机器人的感觉主要通过传感器来实现。 外部传感器有视觉、触觉、听觉、力 觉传感器，内部传感器主要有位置、姿态、速度、加速度传感器。7、机器人语言机器人语言分为通用计算机语言和专用机器人语言，机器人的组成1 机械部分；2 传感器 （一个或多个 ）；3 控制器；4 驱动源。按机器人的分类按照机器人的控制类型和结构坐标系特点分为：（1）非伺服机器人；（2）伺服控制机器人。伺服控制机器人分为：（1）点位伺服控制；（2）连续轨迹伺服控制。按机器人结构坐标系特点方式分类 （1）直角坐标机器人；（2）圆柱坐标型机

7、器人；（3） 极 坐标机器人；（4）多关节机器人。机器人的主要技术参数1.自由度 2 .工作空间 3 .工作速度4.工作载荷 5 .控制方式 6 .驱动方式 7.精 度、重复精度和分辨率机器人机械结构的组成1 手部机器人为了进行作业，在手腕上配置了操作机构，有时也称为手爪或末端操作器.2 .手腕联接手部和手臂的部分，主要作用是改变手部的空间方向和将作业载荷传递到手臂.3 臂部联接机身和手腕的部分，主要作用是改变手部的空间位置， 满足机器人的作业空间，并 将各种 载荷传递到机座.4.机身机器人的基础部分， 起支承作用对固定式机器人，直接联接在地面基础上，对移动式 机器 人，则安装在移动机构上.机

8、器人机构的运动1 手臂的运动1.垂直移动 2.径向移动 3.回转运动2 .手腕的运动（1）手腕旋转（2）手腕弯曲（3）手腕侧摆常用的机身结构：1）升降回转型机身结构 2）俯仰型机身结构 3）直移型机身结构 4） 类人机器人机身结构手腕是联接手臂和手部的结构部件， 它的主要作用是确定手部的作业方向。 因此它具有 独立的自由度，以满足机器人手部完成复杂的姿态。要确定手部的作业方向，一般需要三个自由度，这三个回转方向为：1） 臂转 绕小臂轴线方向的旋转。2）手转 使手部绕自身的轴线方向旋转。3）腕摆使手部相对于臂进行摆动。 机器人的手部是是最重要的执行机构， 从功能和形态上看，它可分为工业机器人的手

9、部 和仿人机器人的手部。常用的手部按其握持原理可以分为夹持类和吸附类两大类。行走机构行走机构是行走机器人的重要执行部件，它由驱动装置、传动机构、位置检测元件、传感器、电缆及管路等组成。它一方面支承机器人的机身、 臂部和手部，另一方面还根据工作 任务的要求，带动机器人实现在更广阔的空间内运动。一般而言，行走机器人的行走机构主要有车轮式行走机构、 履带式行走机构和足式 行走机构，此外，还有不进式行走机构、 蠕动式行走机构、混合式行走机构和蛇行式行走机 构等，以适合于各种特别的场合。履带式行走机构 虽然可在高低不平的地面上运动， 但它的适应性不够，行走时候晃动太 大，在软地面上行驶运动效率低。足式行

10、走对崎岖路面具有很好的适应能力一，足式运动方式的立足点是离散的点， 可以在 可能到达的地面上选择最优的支撑点， 而轮式和履带行走工具必须面临最坏的地形上 的几乎所有点；足式运动方式还具有主动隔振能力， 尽管地面高低不平， 机身的运动仍然可 以相当平稳；足式行走在不平地面和松软地面上的运动速度较高，能耗较少。机器人关节的驱动方式：1 .液压驱动 2 .气动式 3 .电动式 自由度：物体能够对坐标系进行独立运动的数目称为自由度（DOF, degree offreedom）。刚体具有 6个自由度三个旋转自由度 R1, R2, R3三个平移自由度 T1, T2, T3 研究的对象机器人从机构形式上分为

11、两种，一种是关节式串联机器人，另外一种是并联机器人 这两种机器人有所不同： 串联机器人：工作空间大，灵活，刚度差，负载小，误差累积并放大。并联机器人：刚性好，负载大，误差不积累，工作空间小，姿态范围不大。通常串联机构正向运动学简单，逆向运动学复杂；并联机构正向运动学复杂（多解），逆向 运动学简单常见的机器人运动学问题可归纳如下：1 对一给定的机器人，已知杆件几何参数和关节角矢量求机器人末端执行器相对于参 考坐标 系的位置和姿态。2 已知机器人杆件的几何参数，给定机器人末端执行器相对于参考坐标系的期望位置和姿态 （位姿），机器人能否使其末端执行器达到这个预期的位姿？如能达到，那么机器人 有几种

12、不同形态可满足同样的条件 ？我们引入向量分别表示手爪位置和关节变量，x = Lt cos 二 L2 COS(H ?2)y = LtSi nA Lsi n(：vv)r=f(v)2自由度机器人的运动学问题。因此，利用上述两个向量来描述一下这个手爪位置的各分量，按几何学可表示为：刁00 1C日0s6 C日-s 日 01R(x,日)=0c日-S日R(y,日)=010 1,R(z,8)= s0c0 00s日C日-S日0c日丄0 1 坐标变换补充知识分别绕x,y,z轴的旋转变换（基本旋转变换）；复合变换：平移和旋转构成复合变换。所谓机器人的规划（P1a nning）,指的是一一机器人根据自身的任务，求得完

13、成这一任务的解决方案 的过程。这里所说的任务，具有广义的概念，既可以指机器人要完成的某一具体任务， 也可以是机器 人的某个动作，比如手部或关节的某个规定的运动等。为了实现每一个动作，需要对手部的运动轨迹进行必要的规定，这是手部轨迹规划（ Hand trajectory planning ） 。为了使手部实现预定的运动，就要知道各关节的运动规律，这是关节轨迹规划Joi nt trajectory planning）。最后才是关节的运动控制 （Motion control） 。机器人的规划是分层次的， 从高层的任务规划，动作规划到手部轨迹规划和关节轨迹规划， 最后才是底层的控制。力的大小也是要控制

14、的，这时，除了手部或关节的轨迹规划，还要进 行手部和 关节输出力的规划。智能化程度越高，规划的层次越多，操作就越简单。对工业机器人来说，高层的任务规划和动作规划一般是依赖人来完成的。而且一般的工业机器人也不具备力的反馈， 所以，工业机器人通常只具有轨迹规划的和底层的控制功 能。机器人规划分为高层规划和低层规划。 自动规划在机器人规划中称为高层规划。 在无特 别说明时，机器人规划都是指自动规划。 自动规划是一种重要的问题求解技术， 它从某个特 定的问题状态出发，寻求一系列行为动作，并建立一个操作序列，直到求得目标状态为止。 与一般问题求解相比，自动规划更注重于问题的求解过程，而不是求解结果。规划

15、就是指机器人为达到目标而需要的行动过程的描述。规划内容可能没有次序，但是一般来说，规划具有某个规划目标的蕴含排序。任务规划有三个阶段：建立模型、任务说明和操作机程序综合。任务的世界模型应含有如下的信息:（1）任务环境中的所有物体和机器人的几何描述；（2）所有物体的物理描述；（3）所有连接件的运动学描述，（4） 机器人和传感器特性的描述。在世界模型中，任务状态模型 还必包 括全部物体和连接件的布局。轨迹规划的目的是 将操作人员输入的简单的任务描述变为详细的运动轨迹描述。 在关节变量空间的规划有三个优点：1.直接用运动时的受控变量规划轨迹；2 轨迹规划可接近实时地进行； 3.关节轨迹易于规划。伴随的缺点是难于确定运动中各杆件和手的位置， 但是，为了避开轨迹上的障碍. 常 常又要求知道一些杆件和手位置。规划关节插值轨迹的约束条件：（ 初始位置） 1.位置 （ 给定 ）2 .速度 （给定，通常为零 ）3. 加速度 （给定，通常为零 ） （中间位置）4.提升点位置（给定）5.提升点位置（与前一段轨迹连续）6.速度（与前一段轨迹连