《机械臂智能控制》 课件 项目1-机器人初识

探索千姿百态的机器人智能工程系CONTENTS目录1.机器人概览2.机器人的组成3.机械臂构型4.机器人仿真2.机器人的组成2.举例：OpenBot——将智能手机变成机器人OpenBot智能小车——人员跟踪OpenBot智能小车——自主导航OpenBot智能小车——组成OpenBot智能小车DIY构建自己的小车刷Arduino固件安装AndroidAPP驾驶策略

参考网址：

/intel-isl/OpenBot/blob/master/README_CN.mdOpenBot智能小车构建——电路设计OpenBot智能小车构建——材料一览OpenBot——主控ArduinoNano/item.htm?spm=a1z10.5-c-s.w4002-23633313797.99.590d6ea1bwQAuL&id=44900357409OpenBot——车体/item.htm?spm=a1z10.5-c-s.w4002-23633313797.20.35ab3648PYpMD8&id=412936384172轮电机带测速码盘OpenBot——电机测速传感器/item.htm?spm=a1z0d.7625083.1998302264.6.5c5f4e69kOgg9M&id=38024264584OpenBot——超声波避障/item.htm?spm=a1z0d.7625083.1998302264.6.5c5f4e69zm3R4S&idpenBot——电机驱动/item.htm?spm=a1z0d.7625083.1998302264.5.5c5f4e69zTKGcH&id=20533464438OpenBot小车材料清单OpenBot小车/item.htm?spm=a230r.be94d65cXQ4pW&id=625881189879&ns=1&abbucket=19#detailOpenBot智能小车构建——接线图OpenBot智能小车构建——组装OpenBot小车——刷Arduino固件参考网址：/intel-isl/OpenBot/blob/master/firmware/README_CN.mdOpenBot小车——刷Arduino固件参考网址：/intel-isl/OpenBot/blob/master/firmware/openbot_v1_nano/openbot_v1_nano.inoOpenBot小车——智能手机智能手机，满足三个方面需求：处理器（CPU、GPU、 AI计算）、传感器（GPS、摄像头等）通信接口（蓝牙、 4G/5G网络）

机器人DIYOpenBot小车——智能手机AndroidApps：/intel-isl/OpenBot/blob/master/android/README.md

机器人DIYOpenBot小车——智能手机AndroidApps：

机器人DIY2.机器人的组成

机器人的构造2.机器人的组成

机器人的构造2.1机器人——执行机构：轮式优点：速度快、效率高、运动噪声低。缺点：越障能力、地形适应能力差、转弯效率低，或转弯半径大。适合：野外、城市环境都可以，但是地形不能太复杂，如上楼梯难以实现。

机器人的构造2.1机器人——执行机构：差速轮两轮差速底盘（DifferentialDriverobot）两个驱动轮，带几个万向轮，靠差速转弯性价比高、广泛应用的机器人底盘

机器人的构造2.1机器人——执行机构：差速轮四轮滑移底盘（Four-wheelslidingrobot） ——四轮差速底盘四个固定驱动轮靠左右两边速度不一样实现转弯当车子差速原地转向的时候，

四个轮子就必定会有一点漂移的

情况出现，就是轮子会出现侧向

滑动，轮子磨损比较大。

机器人的构造2.1机器人——执行机构：阿克曼轮四轮阿克曼底盘（Four-wheeledAckermanrobot）像汽车一样，前轮转向，后轮驱动的模型转向灵活性，减小转向时的转向半径

和轮胎阻力，从而减少轮胎磨损，

减小方向盘的作用力。

机器人的构造2.1机器人——执行机构：麦克纳姆轮优点：全向移动，可在狭小空间完成移动。缺点：与普通轮胎相比：麦克纳姆轮,有N个轴承,但是同一时间只有1个或2个轴承吃力，对于重载的,浪费更严重.所以M轮的车通常是一吨以下。耐用性差、速度慢，对地面环境要求高。适合：室内，平坦地面。四轮麦克纳姆轮底盘

机器人的组成2.1机器人——执行机构：麦克纳姆轮优点：全向移动，可在狭小空间完成移动。缺点：与普通轮胎相比：耐用性差、速度慢，震动，对地面环境要求高。适合：室内，平坦地面。

机器人的组成2.1机器人——执行机构：全向轮全向轮，包括轮毂和从动轮，该轮毂的外圆周处均匀开设有3个或3个以上的轮毂齿，每两个轮毂齿之间装设有一从动轮，该从动轮的径向方向与轮毂外圆周的切线方向垂直。优点：全向移动，横向摩擦力小，增加寿命。缺点：与普通轮胎相比：横向无法固定，称重小，震动，耐用性差、速度慢，对地面环境要求高。适合：室内，平坦地面。四轮全向轮底盘三轮全向轮底盘

机器人的组成2.1机器人——执行机构：履带式优点：越障能力、地形适应能力强，可实现原地转弯。缺点：速度相对较低、效率低、运动噪声较大。适合：野外、城市环境都可以，尤其在爬楼梯、越障等方面优于轮式机器人

机器人的组成2.1机器人——执行机构：腿式优点：几乎可以适应各种复杂地形，能够跨越障碍。缺点：行进速度较低，且由于重心原因容易侧翻，不稳定适合：几乎所有环境

机器人的组成2.2机器人——驱动系统

机器人的组成10标准大气压=10公斤力=10㎏/c㎡

=1MPa2.2机器人——驱动系统：液压液压缸

机器人的组成液压千斤顶2.2机器人——驱动系统：液压液压缸波士顿动力液压机器人BigDog

机器人的组成破碎机——碎石叉车液压泵：漏油液压千斤顶2.2机器人——驱动系统：气动机械臂——吸盘气泵

机器人的组成2.2机器人——驱动系统：电动直流电机（有刷、无刷）步进电机伺服电机

机器人的组成2.2机器人——驱动系统：电动直流电机——有刷主要结构：定子+转子+电刷，通过旋转磁场获得转动力矩，从而输出动能。电刷与换向器不断接触摩擦，在转动中起到导电和换相作用。

机器人的组成2.2机器人——驱动系统：电动直流电机——有刷优点：

结构简单、技术成熟；

响应速度快，起动扭矩大；

运行平稳，起、制动效果好；

控制精度高；成本低，维修方便

机器人的组成2.2机器人——驱动系统：电动直流电机——有刷缺点：相互滑动，会摩擦碳刷，造成损耗，需要定期更换碳刷;碳刷与线圈接线头之间通断交替，会发生电火花，产生电磁破，干扰电子设备。

机器人的组成2.2机器人——驱动系统：电动直流电机——无刷无刷电机中，换相的工作交由控制器中的控制电路(一般为霍尔传感器+控制器，更先进的技术是磁编码器)来完成。通过霍尔元件，感知永磁体磁极的位置，根据这种感知，使用电子线路，适时切换线圈中电流的方向，保证产生正确方向的磁力，来驱动电机。

机器人的组成2.2机器人——驱动系统：电动直流电机——无刷优点：

低干扰；

噪音低，运转顺畅；

寿命长，低维护成本缺点：

控制器的成本高

机器人的组成2.3机器人——传感器：视觉3D相机工业3D相机点云效果图

机器人的组成2.3机器人——传感器：视觉3D相机：RealSenseD435i

机器人的组成2.3机器人——传感器：激光雷达

机器人的组成2.3机器人——传感器：激光雷达

机器人的组成激光雷达自动驾驶激光雷达进行环境扫描2.3机器人——传感器：激光雷达

机器人的组成优点：（1）分辨率高；（2）隐蔽性好、抗有源干扰能力强；（3）低空探测性能好；（4）体积小、质量轻缺点：工作时受天气和大气影响大：激光在晴朗天气里衰减较小，传播距离较远。而在大雨、浓烟、浓雾等坏天气里，衰减急剧加大，传播距离大受影响。2.3机器人——传感器：力传感器力传感器位于机器人和夹具之间，这样，所有反馈到夹具上的力就都在机器人的监控之中。有了力传感器，像装配，人工引导、示教，力度限制等应用才能得以实现。

机器人的组成力传感器2.3机器人——传感器：姿态传感器

机器人的组成2.4机器人——控制系统机器人是一种非常典型的软硬结合、机电一体产品。这样的产品都遵循这样一个原则：硬件决定性能边界，软件发挥硬件性能并定义产品（机器人）行为

机器人的组成2.4机器人——控制系统机器人控制系统的功能：接收来自传感器的检测信号，根据操作任务的要求，驱动机械臂中的各台电动机运动。

机器人的组成3.智能机械臂控制——课程简介专业拓展课考查课学时32（理论16学时+实验16学时）核心内容：

机器人技术，机械臂工作原理，机械臂控制技术3.课程介绍——课程定位

智能机械臂控制与前导课程和后续课程的衔接智能机械臂控制Python毕业设计创新创业竞赛OpenCV相关就业电子技术基础3.课程介绍——相关课程

智能机械臂控制教材：《智能机械臂控制与编程》

高等教育出版社

深圳越疆科技有限公司重点

机械臂结构机械臂控制方法

机械臂编程方法

3.课程介绍——教材

智能机械臂控制了解机器人的种类和组成理解机械臂的结构熟悉机械臂的控制方法熟悉机械臂的编程方法3.课程介绍——学习目标

智能机械臂控制机械臂简介机械臂开发IDE机械臂SDK开发包机械臂的基本控制方式机械臂的信息检测与报警机械臂“示教”&“再现”模式及应用机械臂的运动规划与控制机械臂扩展接口机械臂扩展：滑轨、传输带，视觉等合计：32学时（理论+实验）3.课程介绍——学习内容

智能机械臂控制平时成绩占60%。期末考试占40%（开卷，带课本）；平时成绩考核见下表：项目占比出勤30%提问10%课堂表现5%课内实验35%课堂测试20%

智能机械臂控制3.课程介绍——考核方式平时成绩考核——出勤项目得分补救方式全勤2

旷课0无迟到、早退1提前20分钟到教室缺课超过三分之一不能参加考试无请假（辅导员假条）1无公假2

智能机械臂控制3.课程介绍——考核方式平时成绩考核——提问项目得分正确2基本正确1错误0平时成绩考核——课堂测试项目得分良好2一般1未做0抄袭-5

智能机械臂控制3.课程介绍——考核方式平时成绩考核——课堂表现项目得分补救方法玩手机-5一直到学期末，未在上课时看手机课堂说话-2一直到学期末，未在上课时有类似现象不带书笔-2一直到学期末，未在上课时有类似现象带耳机-2一直到学期末，未在上课时有类似现象

智能机械臂控制3.课程介绍——考核方式平时成绩考核——课内实验项目得分实验完全正确2实验基本正确1未做实验0抄袭实验作业-5

智能机械臂控制3.课程介绍——考核方式Thankyou机器人，有“控”玩。探索千姿百态的机器人CONTENTS目录1.机器人概览2.机器人的组成3.机械臂构型4.机器人仿真3.机械臂构型3.1机械臂构型——笛卡尔机械臂机械臂构型二维笛卡儿空间三维笛卡儿空间机器人中的xyz坐标系和右手定则旋转轴旋转方向3.1机械臂构型——笛卡尔机械臂机械臂构型关节1到关节3都是移动轴，且相互垂直，分别对应于笛卡尔坐标系的X,Y,Z三轴。三个关节相互独立，设计简单，控制简单。占用空间大，灵活度低3.2机械臂构型——铰接/关节型机械臂机械臂构型通常由两个肩关节J1和J2。一个肘关节J3。以及1~3个位于操作臂末端的腕关节(J4,J5,J6)组成。灵活度高，精度高，占用空间小，可应用于工作空间较小的场合。适应性受限（工作空间不规则，存在空间内位置不可达的奇异点），维护成本和价格较高。3.2机械臂构型——铰接/关节型机械臂机械臂构型通常由两个肩关节J1和J2。一个肘关节J3。以及1~3个位于操作臂末端的腕关节(J4,J5,J6)组成。灵活度高，精度高，占用空间小，可应用于工作空间较小的场合。适应性受限（工作空间不规则，存在空间内位置不可达的奇异点），维护成本和价格较高。3.2机械臂构型——铰接/关节型机械臂机械臂构型举例：UR机械臂——工作区空间UR机械臂的工作空间是球形的，它用两个同心圆表示，一个较小的标记为“推荐范围”，一个稍大的标记为“最大值”。在工作空间的中心，在基础接头的正上方和下方有一个柱子，柱子会限制机器人的运动。3.2机械臂构型——铰接/关节型机械臂机械臂构型举例：UR机械臂——外部工作区限制在推荐的到达范围内（以蓝色表示），机器人可以将工具移动到几乎任何方向的任何位置。在推荐范围之外的区域内工作但仍在最大工作区域内（以灰色表示）时，大多数位置都可以到达，但是对工具方向有限制，因为在某些情况下机器人在物理上无法达到足够远的距离。【怎么避免】将设备安排在机器人周围选择臂展更长的UR机器人。3.2机械臂构型——铰接/关节型机械臂机械臂构型举例：UR机械臂——内部工作区限制建议避免机器人基座正上方和下方的柱子中的机器人运动（在下面的动画中以灰色表示），因为由于关节在机器人手臂上的布局方式，许多位置/方向将在物理上无法到达。您可能会遇到在此圆柱体外部空间中执行线性运动的问题（以橙色表示），因为相对较慢的工具速度需要基础接头的非常高的旋转速度，从而使一些工具运动无法实现或不安全。【怎么避免】不在中心圆柱体中或靠近中心圆柱体工作尽量采用关节运动MoveJ、不要采用直线运动MoveL。3.3机械臂构型——SCARA机械臂机械臂构型SCARA(SelectiveComplianceAssemblyRobotArm,中文译名:选择顺应性装配机器手臂)是一种圆柱坐标型的特殊类型的工业机器人。也称作：水平关节型机器人。SCARA机器人有3个旋转关节,其轴线相互平行,在平面内进行定位和定向。另一个关节是移动关节,用于完成末端件在垂直于平面的运动。这类机械臂的结构轻便、响应快。可比一般关节式机械臂快数倍。载重小3.3机械臂构型——SCARA机械臂机械臂构型SCARA机械臂的结构轻便、响应快。比一般关节式机器人快数倍。一般用于不仅要求精度高，而且要求速度快的轻小型负载领域，

例如：消费类电子、汽车零部件、塑料、食品饮料和实验室在内的众多行业，

参与高速准确的拾取、放置、组装、测试检验和包装等操作工艺。3.4机械臂构型——球面坐标型机械臂机械臂构型与铰接型操作臂有很多相似之处，但是用移动关节代替了肘关节。这种设计在某些场合比铰接型操作臂更加适用。移动连杆可以伸缩，缩回时，甚至可以从后面伸出。3.5机械臂构型——圆柱面坐标型机械臂机械臂构型圆柱面坐标型操作臂由一个使手臂竖直运动的移动关节和一个带有竖直轴的旋转关节组成，另一个移动关节与旋转关节的轴正交，还有一个某种形式的腕关节。3.6机械臂构型——Delta机械臂机械臂构型Delta机器人是典型的空间三自由度并联机构，整体结构精密、紧凑，驱动部分均布于固定平台，这些特点使它具有如下特性：Delta机器人承载能力强、刚度大、自重负荷比小(主要是碳纤维等轻型材料构成)、动态性能好。速度极快，适合超高速拾取物品，一秒钟多个节拍。工作范围小，重复定位精度一般。Thankyou机器人，有“控”玩。探索千姿百态的机器人CONTENTS目录1.机器人概览2.机器人的组成3.机械臂构型4.机器人仿真知识链接1：机器人仿真技术仿真

在机器人相关科研和实际应用中，机器人仿真技术发挥着重要作用，既可以对机器人相关算法进行验证，也为机器人开发提供了一个低成本、无风险且稳定的平台。常用的机器人仿真软件有：CoppeliaSim（原名VREP）、Gazebo、Webots、RobotDK、ARS等。CoppeliaSim相对简单、友好，其Edu版本有完整的模拟和编辑功能，功能齐全，学校师生可以免费使用。任务实施：探索千姿百态的机器人Step01:安装CoppeliaSim安装（1）登录CoppeliaSim官网： https:///（2）选择DownloadsStep01:安装CoppeliaSim安装（3）选择计算机操作系统所对应的CoppeliaSim版本并下载。（4）下载的路径最好是全英文的，双击.exe可执行文件，逐步安装即可。Step02:熟悉CoppeliaSim操作界面界面CoppeliaSim操作界面12345678序号名称1应用程序栏菜单栏2水平工具栏3竖直工具栏4模型浏览器5场景层次结构6显示窗口7状态栏8Lua源码输入行Step02:熟悉CoppeliaSim操作界面界面①【应用程序栏】：显示软件版本、当前场景文件名、渲染时间、当前模拟器状态等。【菜单栏】：可以访问软件的所有功能。应用程序栏菜单栏Step02:熟悉CoppeliaSim操作界面界面②水平工具栏画面平移画面旋转画面缩放摄像画面全景显示选择模型模型平移模型旋转画面控制画面控制装配集合DNA转移撤销重做物理引擎启动仿真暂停仿真停止仿真实时仿真切换仿真速度控制反显显示页面选择Step02:熟悉CoppeliaSim操作界面界面③竖直工具栏仿真设置场景对象属性脚本配置形状编辑模式显示/隐藏模型浏览器显示/隐藏场层次结构显示层级视频录制用户设置④模型浏览器模型文件夹模型缩略图Step02:熟悉CoppeliaSim操作界面界面⑤场景层次结构：显示组成场景的所有对象。双击对象名称：重命名双击图标：打开属