机器人技术基础复习资料

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1、1886年法国作家利尔亚当在他的小说未来夏娃中将外表像人的机器起名为“安德罗丁” (android)，它由4部分组成：1，生命系统；2,造型解质；3,人造肌肉；4,人造皮肤。1920年捷克作家卡雷尔卡佩克发表了科幻剧本罗萨姆的万能机器人。在剧本中，构想 TRUR机器人，卡佩克把捷克语“Robota”写成7Robot” 。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”：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。在1967年日本召开的第一届机器人学术会议上，提出了两个有代表性的定义。

2、一是森政弘 与合田周平提出的“机器人是一种具有移动性、个体性、智能性、通用性、半机械半人性、 自动性、奴隶性等7个特征的柔性机器”。1987年国际标准化组织对工业机器人进行了定义“工业机器人是一种具有自动控制的操作 和移动功能，能完成各种作业的可编程操作机。”我国科学家对机器人的定义是：“机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或动物相似 的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活 性的自动化机器”。1. 1988年法国的埃斯皮奥将机器人学定义为：“机器人学是指设计能根据传感器信息实现预 先规划任务的作业系统，并以此系统的使用方法作为研究对象”。2

3、. 公元前2世纪，亚历山大时代的古希腊人发明了最原始的机器人一一自动机。3.1800年前的汉代，大科学家张衡不仅发明了地动仪，而且发明了指南车，计里鼓车。4. 后汉三国时期，蜀国丞相诸葛亮成功地创造出了 “木牛流马”。5.1662年，日本的竹田近江利用钟表技术发明了自动机器玩偶；6. 1738年，法国天才技师杰克戴瓦克逊发明了一只机器鸭。7. 现在保留下来的最早的机器人是瑞士努萨蒂尔历史博物馆里的少女玩偶，杰克道罗斯制 作于二百多年前，两只手的十个手指可以按动风琴的琴键而弹奏音乐。8. 现代机器人的研究始于20世纪中期，其技术背景是计算机和自动化的发展，以及原子能 的开发利用。9. 1954年

4、美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。这就是所谓的示教再 现机器人。1959年第一台工业机器人(可编程、圆坐标)在美国诞生，开创了机器人发展 的新纪元。作为机器人产品最早的实用机型(示教再现)是1962年美国AMF公司推出的 “VERSTRAN”(万能搬运)和UNIMATION公司推出的“UNIMATE”。一商业化的工业机器人10. 1970年在美国召开了第一届国际工业机器人学术会议。11.1969年日本早稻田大学加藤一郎实验室研发出第一台以双脚走路的机器人。加藤一郎 长期致力于研究仿人机器人，被誉为“仿人机器人之父”。日本专家一向以研发仿人机器人 和娱乐机器人的技术见长，后来更

5、进一步，催生出本田公司的ASIMO(2002年)和索尼公司 的 QRIO。12.到了 1980年，工业机器人才真正在日本普及，故称该年为“机器人元年”。随后，工业 机器人在日本得到了巨大发展，日本也因此而赢得了 “机器人王国”的美称。13.80年代，将具有感觉、思考、决策和动作能力的机器人系统称为智能机器人，这是一个 概括的、含义广泛的概念。第三代机器人14.2002年 丹麦iRobot公司推出了吸尘器机器人Roomba,它能避开障碍，自动设计行进路 线，还能在电量不足时，自动驶向充电座Roomba是世界上销量很大的一种家用机器人。当前与信息技术的交互和融合又产生了 “软件机器人”、“网络机器

6、人”的名称，这也说明了 机器人所具有的创新活力。按机器人的开发内容与应用分类：一、工业机器人(industrial robot)二、操纵型机器人(teleoperator robot)三、智能机器人(intelligent robot)按机器人的发展程度分类：一、第一代机器人第一代机器人主要指只能以示教-再现方式工作的工业机器人，称为示教-再现型。二、第二代机器人 第二代机器人带有一些可感知环境的装置，通过反馈控制，使机器人 能在一定程度上适应变化的环境。三、第三代机器人 第三代机器人是智能机器人，它具有多种感知功能，可进行复杂的逻辑 推理、判断及决策，可在作业环境中独立行动；它具有发现问题且

7、能自主地解决问题的能力。我国的机器人专家从应用环境出发，将机器人分为两大类，即工业机器人和特种机器人 目前，国际上的机器人学者，从应用环境出发将机器人也分为两类：制造环境下的工业机器 人和非制造环境下的服务与仿人型机器人，这和我国的分类是一致的。没有机器人，人将变为机器；有了机器人，人仍然是主人。美国“索杰纳”火星探测机器人自主式的机器人小车，同时又可从地面对它进行遥控。它的重量不超过11.5公斤，车的 尺寸为630毫米X480毫米，有六个轮子.最大速度为每秒0.4米.1997年7月4日，美国航空航天局（NASA）发射的火星探路者号宇宙飞船携带“索杰纳” 火星车登上了火星。2002年日本本田公

8、司最新研制的新一代机器人与一名模特握手。这种机器人拥有三项关键 技术“调整姿势”技术使之能象人一样自然跑动“自行连续运动”技术使之能自行变更目 的地行走路线“加强视觉和动力传感器”技术使之在与人碰面时能顺畅地交流。它的跑步 时速可达3公里，和人的慢跑速度差不多。2. 机器人机构机器人本体主要包括：（1）机身；（2）臂部；（3）腕部；（4）手部；（5）行走机构；（6）传动部件。工业机器人手臂由连杆和关节构成。工业机器人手臂的关节常为单自由度主动运动副。连杆（Link）:机器人手臂上被相邻两关节分开的部分。关节（Joint）：即运动副，允许机器人手臂各零件之间发生相对运动的机构。机器人机构的自由度

9、是指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目，不包括手爪的开合自由度。称6个自由度的机 器人为满自由度机器人；少于6个自由度的机器人为欠自由度机器人；多于6个自由度的机 器人为冗余自由度机器人。三、机器人机构的工作空间1. 机器人手臂正常运动时手腕部坐标系原点P能到达的空间的集合，即由手腕参考点所掠 过的空间，记作W（P）,又称可达空间，或总工作空间.SCARA（Selective Compliance Assembly Robot Arm） 机器人3个旋转关节，其轴线相互平行，在平面内进行定位和定向。（平面式关节机器人）2.2机身和臂部结构2.2.1机器人机身结构的基本形式和特点机身：机身是连接、

10、支撑手臂及行走机构的部件。作用：安装臂部的驱动装置或传动装置。 类型：固定式、行走式2.2.2机器人臂部结构的基本形式和特点手臂:手臂件是机器人的主要执行部件.作用:支撑腕部和手部，带动手及腕在空间运动。特点:结构类型多，受力复杂.2.3 腕部和手部结构腕部是臂部与手部的连接部件，起支承手部和改变手部姿态的作用。目前，RRR型三自由度 手腕应用较普遍。机器人的手部作为末端执行器，是完成抓握工件或执行特定作业的重要部件。2.3.1 机器人腕部结构的基本形式和特点腕部是机器人的小臂与末端执行器（手部或称手爪）之间的连接部件，其作用是利用自身的活 动度确定手部的空间姿态。从驱动方式看，手腕一般有两种

11、形式，即远程驱动和直接驱动。直接驱动是指驱动器安装在 手腕运动关节的附近直接驱动关节运动。远程驱动方式的驱动器安装在机器人的大臂、基座 或小臂远端上，通过连杆、链条或其他传动机构间接驱动腕部关节运动。按转动特点的不同，用于手腕关节的转动又可细分为滚转和弯转两种。二、RRR型手腕RRR型手腕容易实现远距离传动，RRR型手腕制造简单，润滑条件好，机械效率高，应用较 为普遍。2.3.2机器人手部结构的基本形式和特点安装在机器人腕部末端，直接作用于对象的装置叫做末端执行器.也可使用手部(hand)这个 术语来代替末端执行器，它是装在机器人手腕上直接抓握工件或执行作业的部件。人的手有 两种定义：第一种定

12、义是医学上把包括上臂、手腕在内的整体叫做手；第二种定义是把手掌 和手指部分叫做手。1. 按用途分1)手爪2)工具三、手爪设计和选用的要求手爪设计和选用时最主要的是满足功能上的要求，具体来说要围绕以下几个方面进行调查， 提出设计参数和要求。1. 被抓握的对象物2.物料馈送器或储存装置3.手爪和腕部匹配4.环境条件。四、手爪的典型结构1.机械手爪2.磁力吸盘3.真空式吸盘2.4行走机构行走机构按其行走移动轨迹可分为固定轨迹式和无固定轨迹式2.4.2履带式移动机构履带式移动机构称为无限轨道方式.优点：(1)能登上较高的台阶；(2)着地压强小，与地面的粘着力也较强，适合于在荒地上 移动；(3)能够原地

13、旋转；(4)重心低,稳定。3机器人控制什么是控制？简单地说，控制就是为了达到一定目的而实行的适当操作。3.1.1机器人控制系统的组成构成机器人控制系统的要素主要有：输入/输出设备；计算机硬件系统及控制软件；驱动器； 传感器系统。3.1.3机器人的控制方式开环控制和闭环控制1、开环控制系统(o pen loop control system)如果系统的输出量与输入量间不存在反馈的通道，这种控制系统称为开环控制系统。在 开环控制系统中，不需要对输出量进行测量，也不需要将输出量反馈到系统输入端与输入量 进行比较。3.1.3机器人的控制方式2、闭环控制系统(closed loop control sy

14、stem)如果系统的输出量通过反馈环节回来作用于控制部分，形成闭合环路，则这样的系统称 为闭环控制系统，又称为反馈控制系统(Feedback Control System)o3、开环控制系统与闭环控制系统的比较开环控制：顺向作用，没有反向的联系，没有修正偏差能力，抗扰动性较差。结构简单、调 整方便、成本低。在精度要求不高或扰动影响较小的情况下，这种控制方式还有一定的实用 价值。闭环控制：有反向的联系，偏差控制，可以抑制内、外扰动对被控制量产生的影响。精度高、 结构复杂，设计、分析麻烦。机器人的控制系统一般都是闭环控制系统！3.1.4机器人的控制方式分类1.直接示教法2.遥控示教法3.间接示教法

15、4.离线示教法机器人手爪与外界接触有两种极端状态：一种是手爪在空间中可以自由运动，这种属于位置控制问题；另一种是手爪与环境固接在一起，手爪完全不能自由改变位置，可在任意方向施加力和力矩， 属于力控制问题。大多数是位置/力的混合控制问题。机器人的速度、加速度控制。3.3 PID (proportional， integral ， derivative)控制算法下面给大家介绍一下在反馈控制中常用的PID控制。在PID控制的名称中，P指proportional（比例），I指integral（积分），D指derivative （微分），这意味着可利用偏 差的比例值、偏差的积分值、偏差的微分值来控制。PID控制器的三个参数有不同的控制作用：（1）P控制器实质上是一个具有可调增益的放大器。在控制系统中，增大kP可加快响应速 度，但过大容易出现振荡；（2）积分控制器能消除或减弱稳态偏差，但它的存在会使系统到达稳态的时间变长，限制 系统的快速性；（3）微分控制规律能反映输入信号的变化趋势，相对比例控制规律而言具有预见性，有助 于减少超调量，克服振荡，使系统趋于稳定，加快系统的跟踪速度，但对输入信号的噪声很 敏感。第4章工业机器人轨迹规划与智能机器人自主导航1.轨迹规划概述a）、定义这里所谓的轨迹是指末端操作器或关节在运