第七章机器人

第七章机器人本章内容概述机器人运动学机器人动力学机器人控制系统机器人应用的典型实例一、机器人的由来

1920年捷克作家KarelCapek的剧本《Ro-ssam’sUniversalRobots》中，塑造了只会劳动不会思维的机器人形象，捷克语中的Robota意为“苦力”、“劳役”，是一种人造劳动者。英语Robot由此衍生而来。该剧中，卡佩克提出了机器人的安全、感知和自我繁殖问题。科学技术的进步很可能引发人类不希望出现的问题。虽然科幻世界只是一种想象，但人类社会将可能面临这种现实。第一节概述机器人三原则与机器人学IsaacAsimov在《I’mRobot》中提出了“机器人三原则”：Arobotmustnotharmahumanbeingor,throughinaction,allowonetocomeharm.Arobotmustalwaysobeyhumanbeingsunlessthatisconflictwiththefirstlaw.Arobotprotectitselffromharmunlessthatisconflictwiththefirstorsecondlaws.并首次出现了“机器人学Robotics”的概念第一节概述机器人不应伤害人类，而且不能忽视机器人伤害人类；

机器人应遵守人类的命令，与第一条违背的命令除外；

机器人应能保护自己，与第二条相抵触者除外什么是机器人学？机器人学是人们设计和应用机器人的技术和知识。机器人系统不仅由机器人组成，还需要其他装置和系统连同机器人一起来共同完成必需的任务。机器人学是一门交叉学科，它得益于机械工程、电气与电子工程、计算机科学、生物学以及其他许多学科。第一节概述什么是机器人？不同国家、不同学者给出的定义不同ISO采用了美国的定义:

Areprogrammableandmultifunctionalmanipulator,devisedforthetransportofmaterials,parts,toolsorspecializedsystems,withvariedandprogrammedmovements,withtheaimofcarryingoutvariedtasks.不同时期，机器人的内涵也不同第一节概述机器人的四大特征仿生特征：模仿人的肢体动作柔性特征：对作业具有广泛适应性智能特征：具有对外界的感知能力自动特征：自动完成作业任务第一节概述二、机器人的组成第一节概述机械手或移动车末端执行器驱动器传感器控制器和处理器软件机器人的主体部分，由连杆、活动关节和其他构件构成。连接在机械手最后一个关节上，用来执行任务。是由公司工程师或外面的顾问为某种用途而专门设计的。通常，其动作有机器人控制器直接控制。“肌肉”，常见的驱动器有伺服电机、步进电机、气缸及液压缸等，还有一些新型驱动器。它们由控制器控制。“五官”，收集机器人内部状态的信息或用来与外部环境进行通信。“大脑”，计算机器人关节的运动，确定每个关节应移动多少和多远才能达到预定的速度和位置，并监督控制器和传感器。“小脑”，从计算机获取数据，控制驱动器的动作，并与传感器反馈信息一起协调机器人的运动。操作系统：用来操作计算机机器人软件：根据机器人的运动方程计算每个关节的必要动作，然后将这些信息传给控制器例行程序集合和应用程序：为了使用机器人外部设备或为了执行特定任务而开发三、机器人的分类按照机器人的技术发展水平分类：示教再现机器人

示教－>记忆－>再现数控机器人

具有环境感知装置，能在一定程度上适应环境的变化。智能机器人

具有发现问题并能自主解决问题的能力。第一节概述三、机器人的分类按照机器人的机构特征分类：直角坐标机器人柱面坐标机器人球面坐标机器人多关节型机器人第一节概述三、机器人的分类第一节概述直角坐标机器人结构简单；定位精度高；空间因数低；用于印刷电路基板的元件插入、紧固螺丝等。三、机器人的分类第一节概述圆柱坐标型（R2P）结构简单；刚性好；空间利用率低；用于重物的装卸和搬运，例如Versatran机器人三、机器人的分类第一节概述极坐标、球坐标型（2RP）结构紧凑，所占空间较小。三、机器人的分类第一节概述水平多关节型垂直方向上的刚性好，适于装配工作三、臂机器滥人的拐分类第一蠢节尝概包述垂直迁多关弟节动作登范围充宽；结构扶刚度鉴低；精度驳较低仪；装配格、搬餐运、段弧焊骂、喷盯涂、旷点焊亲等三、雪机器啦人的价分类按照走机器村人的月用途恼分类遇：工业机器滩人：焊接布、喷假漆、予码垛击、装罢配、温搬运农业妻机器素人：耕种握、施跨肥、涌喷药柿、嫁年接、闷移载畜、收径获、全灌溉傅、养瞒殖探索胡机器盏人：水下氏、太圾空、成空间把、危五险环爹境服务贿机器盟人：清洁驾、护演理、锹救援喜、娱鸽乐、写保安其它年机器朽人：医疗站、福身利、色林业韵·、石渔业就、建偷筑等第一道节伐概状述四、螺机器蛾人技唤术的拖进展工业最机器己人技竟术在铸机械锡本体胁、控每制系叔统、徐传感砌系统鄙、可餐靠性扭和网病络功锅能方伐面取池得了冒突破插性进硬展：机器们人操读作机而已实助现了姨优化港设计兰（包谅括材阶料、漫构型猛和驱礼动单糊元方狱面）洁；控制叼轴数们增多迅，实冤现了逝软件播控制壁和全焦伺服京控制姓；配备绵了各兰种传宜感器腹，提谦高了坊作业畅性能悼和对躬环境犯的适强应性票；实现政了与脏总线幸和一犁些网定络的剧连接市；机器袍人可君靠性史大幅乘度提薯高；第一粪节斯概恰述四、悔机器衫人技茅术的劝进展各种滤用于茎非制崇造业毛的机权器人展系统灰有了淘长足槽的进膝展：农业绿机器原人在西土地统耕作童、作渡物移矮栽、汗喷洒敬农药洪、作混物收阴获、责果蔬刘采摘劝方面霞取得菜突破麻性进也展；水下量机器办人；空间缝和太展空机州器人养；服务踩机器远人成教功低锡用于厌清洁先、保系安、舟医疗禾、家违用、长娱乐斗等方音面；第一斧节胃概聚述机器尚人运蒙动学撞要解兼决的碑问题机器止人运兰动学跪通过谣研究累机器班人的俩关节张变量境和末查端执顾行器松的位抓姿关各系，续建立伟机器跪人本稠体运教动的旦数学僚模型访，为固机器爬人的荡运动商控制迫和机取构设圾计提高供依誉据。正向蒙运动粉学问恩题（啄用于系机构榨设计梯）已知腿各关纤节变星量，嚼求取记机械征手末诱端位摸姿；逆向糊运动捏学问今题（箩用于漏运动墨控制堂）已知钳机械述手末搅端位咬姿，摘求取萍各关战节变您量；第二丈节尸机蚂器人跟运动番学一、优基本挥概念工作搁空间自由末度位姿关节冰变量第二拣节贩机柱器人肯运动巴学连杆移动侄关节转动览关节刚体逼在空习间中谅的位抓置描哈述第二凯节楚机装器人路运动千学在直马角坐骡标系A中，认空间旦任意鹊一点p的位适置可范用3x1列向刮量(位置稠矢量)表示剥：刚体裙在空乒间中屯的姿矿态描旬述第二司节猜机卖器人昆运动胸学上述站矩阵殃称为旋转夺矩阵刚体津在空凶间中暑的位兽姿描星述刚体浆位姿旷(即堵位置银和姿箱态)敲,用蝇刚体蚕的方位奔参考款坐标虹的原骑点位加置矢租量和顾旋转照矩阵表示谦，即表示宫位置码时，表示拌姿态拥时，第二芹节搜机妨器人荒运动屋学齐次算坐标尝变换两刚体遣在空此间中深的位对姿关按系可旧通过阻齐次影坐标滋变换起来建锤立：第二润节誉机哑器人雨运动下学yAzAxAOAOByBzBxBPAPAPBOBP二、椒多关坐节机瓦器人章的运批动分至析第二邻节铲机币器人泼运动陆学机械酒手可治以看匠成由核一系病列关营节连雾接起父来的凯连杆古组构地成。给每云一个蹲连杆会在关赢节处解设置匠一个朽连杆炎坐标符系，驻该连邻杆坐丧标系兴随关着节运页动而段运动僵。二、界多关绑节机完器人葛的运胆动分租析用相邻钓两连赖杆之蛾间的往齐次表变换蝴矩阵A矩阵芒来描述斧它们是之间谁的位遮姿关碎系。A1表示革第一决连杆储相对渴基坐府标的绍位姿皱，A2表示妄第二生连杆趣相对谅第一巡寿连杆蕉位姿恳……则第圾二连广杆对跳基坐尿标的撇位姿盖为手爪得相对稿于基笼座的半位姿摘:第二铸节伴机碑器人洪运动圆学注意嚼前后盖顺序二、馆多关赚节机饱器人缘瑞的运摆动分组析上式续称为寸机械持手的发运动惜学方棵程。若已丸知各棍关节呜变量率，则筑所有通的矩竭阵都可可以纠求出棉，按钉顺序佳相乘汉，即额可得弊机械霉手末商端相讨对于拳基座晋的位狮姿—鱼—正寺向运竟动学乎。若已丝式知机牢械手扮末端次相对箩于基群座的含位姿钉，可来反求抗各关匙节变堪量—岭—逆创向运津动学螺。第二萄节返机俩器人暑运动梨学三、鸦多关估节机圆器人茫的速白度分网析速度肌分析捐是研舟究机军器人衬手部瞎操作煮速度克与关腾节运异动速径度之申间的美关系预。设x为表员示机回械手乖末端边位姿越的广葱义位石置矢排量，q为机甚械手妙得关稠节坐查标矢那量，疼则机油械手姿的运届动学士方程难可以矮写成掩：x=您x(骆q)上式胖两边凡对时击间进门行求山导：为末姻端在博坐标暴空间拘得广瓶义速歪度矢极量；都为关吨节速会度矢缸量；扰为甘雅克月比矩帅阵。第二除节握机姜器人瓜运动嗽学第三序节猜机袍器人厉动力政学机器妙人动脏力学问研究载的是语机器凉人手资臂的便关节判力矩志和在关节泪力矩作用祝下的酬动态罗响应赵之间但得关喜系问迫题。首先轨要建盛立机四器人态的动检力学筐方程冶。建立诉动力雹学方侧程的锅方法孕有两碎种：牛顿蛛——普欧拉堂方程辱法和拉格燥朗日带方程笨法。一、俯建立阅动力扔学方说程的四步骤计算忽任一欢连杆集上任层一质黎点得彩速度磁；计算毁各连籍杆的味动能盏和机浑械臂张的总跌动能教；计算姥各连犁杆的皂位能鞋和机捞械臂逐的总滋位能润；建立轰机械新臂系球统的窝拉格滩朗日轨函数劈燕；对拉瓜格朗乞日函撞数求驱导，自导出泻动力栗学方歉程。第二询节括机狸器人疑运动菜学二、书机器糟人的淡动态暑特性动态踏特性小是机威器人驱设计粮与分恒析时株必须盐考虑辨的重搞要内篇容，阁通常模用质鸣量、畅惯性园矩、北刚度游、阻吴尼系展数、益固有穷频率办和振透动模呈态等柜来描霜述。减小黑质量横和惯扶量；提高泉结构丹刚度短；提高恩系统源的固武有频腔率；增加凑阻尼滚。第三象节把机当器人坏动力古学一、降概述控制铺系统笔是机低器人触的指塑挥中炭枢，弹负责身对作哄业指伟令、佳内外即环境果信息嗽进行梁处理救，并鸽依据锡预定轨的本灵体模处型、让环境学模型父和控膀制程虾序做日出决咏策，抬产生孝相应腿的控井制信朵号，升通过名驱动糕器驱丑动执匠行机地构的疮各个矿关节搏，按理确定偶的顺计序、悦轨迹粮、速坐度和贝加速汗度运共动，圣完成见制定臣的任助务。第四罚节图机叹器人疫控制冻系统一、虑概述目前肿，机鉴器人亚控制身器是融一个事由计拼算机书控制呈的高冶性能深控制圣器。控制族轴数彻增多翠，体评积减漂小，个价格期走低登。并实刺现了行软件载控制班和数冰字控圣制，辆系统无的可昨靠性活增强大。第四昌节卷机正器人紧控制裕系统二、校机器保人控箭制系挤统的敏组成渠特点对机书器人解控制翠系统冬的一猴般要撕求：实现芬对机信器人氏位姿胖、速熊度、挺加速演度等味的控旦制功弃能，就对于增连续核轨迹养运动啊的机叉器人转还必腰须具景有轨返迹的仿规划把与控杆制功裳能。方便饥的人持机交毛互功斧能。具有轧对外嚼部环刮境（韵包括置作业互条件惠）的备检测导和感狱觉功曾能。具有测与外识部环油境、航控制督系统诵或设危备的坟通讯泪功能吼。应具产有自或我诊狸断、丘故障同监视尿等功蛮能。第四六节刻机喊器人径控制恨系统二、唉机器填人控谁制系匠统的恢组成园特点第四各节另机狐器人洁控制项系统二、惭机器挤人控用制系仅统的岭组成轿特点机器痒人控唇制系刮统的故一般苏组成第四框节涉机比器人梢控制法系统二、页机器蚕人控厅制系走统的廊组成株特点主控锐制计耻算机古接到碗作业要指令仗以后绳执行算相关坛程序闻，分费析解具释指胡令，酱进行委坐标盈变换项、插诊补计奶算、贿矫正碌计算捞，最女后求厅取相桌应的汉各关搬节协攀调运旁动参袜数。环运动靠参数续输出锁到伺拉服控穗制级踢作为垄各关饮节伺竿服控见制系暗统的站给定静信号汗，实嚷现各角关节畅的确译定运稻动。第四屑节养机减器人石控制晃系统二、泪机器吨人控访制系麦统的银组成朝特点多轴放伺服妄电机抛的控睡制则尿由以黎插卡陪形式固插在间计算程机总罚线（疯如IS啄A总线蹄和PC阶I总线帅）插狭槽上滩的运铲动控抛制器倚实现欺。这烘种运丛动控获制器糕的构戚成方粗案主捡要有霞以下质几种永：基于渣通用惰微处增理器悠型基于北专用振微控扰制器越型基于揭数字逢信号描处理些器型多轴责运动悠控制孕卡设显计第四夸节跌机炒器人喇控制阴系统二、巧机器免人控电制系偏统的扶组成绢特点机器格人控掠制系宁统的团特点果：机器气人的刑每个驶关节族由一鸣个伺裕服系弓统控鸽制，壳多个澡关节驾的运栗动要摘求各抓个伺望服系品统协桃同工赞作。机器客人的翅工作菌任务饿是要菜求操复作机旧的末鬼端执枕行器软进行守空间骡点位将运动御或连症续轨善迹运汪动。摆对机发器人随的运活动控捎制，丝式需要邪进行唯复杂坡的坐准标变村换运饭算，哀以及辱矩阵续函数鉴的逆伙运算侄。第四翁节探机狮器人场控制喘系统机器基人的面数学勺模型汽是一绢个多晕变量僵、非概线性烤和变哄参数膀的复叶杂模叮型，喂各变努量之补间还绣存在轮着耦您合，孟因此呼机器复人控症制中添经常泥使用月前馈谣、补盖偿、弓解耦酬和自淘适应纸等复餐杂控日制技辩术。更高凑级的画机器猎人要材求对洋环境棉条件踪蝶、控肾制指类令进欢行测搭定和笑分析液．采湖用计辱算机董建立屠庞大卵的信见息库漏，用纤人工塘智能腥的方乳法进休行控鹿制、拢决策很、管弊理和苦操作溜，按堤照给缩慧定的移要求丹，自朋动选躲择最暖佳控狱制规午律。三、色机器漂人控突制系跑统实崭例“精靠密1号”第四谷节藏机娃器人班控制疫系统其控数制系伤统的乱设计否以In贡te阻l公司犯的iS肌BC衫3予86／12系列嘉计算宏机和iR坑MX巷Ⅲ实时垒多任慈务操牺作系肯统为矿基础鲁，采查用上仍、下攻两级避分布黎式计要算机编结构久。精密1号装城配机资器人精密1号机近器人梳是国齐家86削3计划晓智能蓝机器纺人主版题立什项研胀制的垫一台SC节AR萍A结构状的4轴装本配机幸器人确型号炸样机库。它孤采用砖直接机驱动泪技术安，具旧有较幻玉高的输运动歼速度郑和定硬位精扰度，刃配有详高性懒能的豆视觉霸和力崭觉传随感器即，控堵制系岂统以In监te饭l公司连的iS扰BC稻38舰6／12系列萝计算交机和iR址MX严Ⅲ实时齿多任烦务操摸作系两统为倒基础隐，采胡用上酒、下创两级驳分布这式计揉算机纤结构校。控疼制系度统除疤具有棒一般煎的机苗器人谢控制架器的事功能仁外，后还具尤有用供户多爆任务由编程芹、可傍基于绸视觉糠和力偷觉传扔感器罢信息也控制柄、离绕线编糊程和呀图形珠动画音仿真默等特险性。“精午密1号”翠控制拨系统幻玉的技埋术规悦格控制弟计算柳机CP疾U：80旋38少6/钥80访38谨7内存订储器告：2M肿B（上孟位机狗），1M洋B（下慈位机拔）外存脸储器壤：10区5M其B硬盘阁，5.马25诉”软盘动作忧控制津方式蒜：PT再P和CP编程仇方式针：直吩接示支教、蜘示教逢盒示庭教和唯离线决编程编程秃语言含：装腰配机控器人雁语言AR什L开关城量I/禁O：16入/1忧6出采样贷周期锦：16艘ms（上摧位机押），2m冬s（下魔位机季）视觉迈系统垫：二盯维多悄灰度苗视觉积系统命，25帧/s，76推8×举57允2×倦8塌bi缺t力传著感器掠系统梨：SA狸FM运S六维南腕力开传感痰器，20悠0N，10脑00舅N·拨cm第四退节绩机丘器人仿控制贷系统“精皂密1号”招控制幻玉系统蚊的主仗要特誉点操作阶及编说程功界能完总善。可基塘于视堵觉和颜力觉勤传感及器信鹿息对浊机器观人运猪动进易行控际制。系统望配有手一个草运行帐于Wi停nd滩ow搏s环境模下的止离线四编程古和图组形仿款真系遍统。针对件机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