机器人驱动与运动控制 课件 第1章 机器人的基础概念

第1章机器人的基础概念1.1机器人的定义1.2机器人的组成1.3机器人的分类1.4机器人的技术参数1.5本章小结

1.1-机器人的定义

机器人(robot)一词是1920年由捷克作家卡雷尔·恰佩克(KarelCapek)在他的讽刺剧《罗素姆万能机器人》中首先提出的，描述的仅仅是一种关于人形机器的想象。而到了2022年，由中国空间技术研究院(航天五院)抓总研制的我国空间站天和核心舱上的智能机械臂已经能够在太空与航天员进行协同工作。该机械臂的展开长度达10.2米，最多能承载25吨的重量，主要承担空间站舱段转位、航天员出舱活动、舱外货物搬运、舱外状态检查、舱外大型设备维护等八大类在轨任务，是世界上最为先进的空间机器人之一。

该机械臂有三个肩部关节、一个肘部关节、三个腕部关节，一共七个关节，每个关节对应一个自由度，因此该机械臂具有了七自由度的活动能力。在机械臂的两端——肩部与腕部还各有一个末端执行器，其上装有双目测量相机和多种传感器，可实现机械臂的自主控制和柔顺控制，能够实现在自身前后左右任意角度与位置的抓取和操作。我国空间站机械臂转位货运飞船的情形如图1-1所示。图1-1-我国空间站机械臂转位货运飞船的情形

国际上在机器人领域较有影响力的组织如美国国家标准局定义机器人是“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”；美国机器人工业协会认为机器人是“一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置的，通过可编程的动作来执行种种任务的具有编程能力的多功能机械

手”；国际标准化组织定义机器人是“具有一定程度的自主能力，可在其环境内运动以执行预期任务的可编程执行机构”。在此基础上，中华人民共和国国家标准GB/T36530—2018中定义机器人为“具有两个或两个以上可编程的轴，以及一定程度的自主能力，可在其环境内运动以执行预期的任务的执行机构”。

根据以上的一些定义，一般认为机器人是一个在三维空间中具有多自由度运动能力和一定感知能力，可编程实现诸多拟人动作和功能的智能通用机器。机器人的最显著的四个特点如下。

(1)可编程。

(2)拟人化。

(3)通用性。

(4)交叉性。

1.2机器人的组成

1.机械部分机械部分中的执行机构是机器人赖以完成工作任务的实体，又被称为操作机，通常由连杆和关节组成。机器人典型执行机构示意图如图1-2所示。从功能角度来看，执行机构可分为手部、腕部、臂部、腰部和基座等。图1-2机器人典型执行机构示意图

机器人的驱动系统包括驱动器和传动机构两部分，它们通常与执行机构连成机器人本体。驱动系统的驱动方式主要有电机驱动、液压驱动和气压驱动三种。常用的驱动器有直

流伺服电机、步进电机、永磁同步电机。传动机构包括各种减速器，滚珠丝杠、链、带以及各种齿轮系。其中，减速器是将电机的高速转动转换成低速运动的关键器件，其作用是增加负载和功率，主要有RV减速器、谐波减速器和行星减速器三种。

2.传感部分

传感部分由机器人具体应用时需要的感受系统(包括各种检测器)、传感器组成，用以感知环境信息、检测执行机构的运动状况，并及时进行信息反馈。

机器人的传感器中有主要用来检测机器人本身状态，掌握机器人各执行机构的位置、姿态、运动速度等，以调整和控制机器人自身行动的内部传感器；也有用来检测机器人所

处环境、外部物体的状态及与外部物体的关系等的外部传感器。

3.控制部分

机器人的控制部分主要包括人机交互系统和控制系统，用以实现人机交互和机器人运动控制两个功能。控制系统通过驱动系统操纵执行机构进行动态调整，以保证其动作符合

设计要求。控制系统一般由控制计算机和伺服控制器两部分组成。其中，控制计算机发出指令，协调各关节之间的运动，完成编程、示教或再现，以及与其他设备之间的信息传递和协调工作；伺服控制器是电机的驱动电路，其作用是将控制系统的弱电信号转换成控制电机运转的强电信号。

机器人各组成部分的关系如图1-3所示。图1-3机器人各组成部分的关系

1.3机器人的分类

对于工业机器人而言，根据控制系统工作方式的不同，主要分为非伺服控制机器人和伺服控制机器人两大类。从控制实现的角度来看，非伺服控制是较为简单的形式，非伺服控制机器人又称为开关式机器人。它的工作特点是机器人驱动装置接通能源后，带动执行机构的臂部、腕部和手部等装置运动。

伺服控制系统是使物体的位置、状态等输出被控量能够跟随输入目标或给定值任意变化的自动控制系统。伺服控制机器人工作时通过多源传感器采集各种反馈信号，并用比较

器将反馈信号与来自给定装置的综合设置信号进行比较，对误差信号进行放大后用以激发机器人的驱动装置，进而带动末端执行器进行规律运动，达到规定的位置和速度等。伺服

控制机器人的工作过程如图1-4所示。图1-4伺服控制机器人的工作过程

按照运动控制方式的不同，伺服控制机器人又可细分为连续路径(continuouspath，CP)控制机器人和点位控制机器人两类。点位控制只规定了各关键点的位姿，不规定各点之间的运动轨迹。机器人末端可以调节姿态与路线，完成相邻点间的规划运动。点位控制机器人广泛用于执行部件从某一位置移动到另一位置的操作。例如，图1-5所示的码垛机器人可以完成码垛或装卸托盘作业。连续路径控制机器人不仅需要末端到达设定点，还要沿空间中设计好的轨迹运动。这类工业机器人的应用包括喷漆、抛光、磨削、电弧焊等较为复杂的任务。焊接机器人如图1-6所示。图1-5码垛机器人图1-6焊接机器人

1.4机器人的技术参数

1.自由度自由度(degreeoffreedom，DOF)又称为坐标轴数，有时也直接简称为轴数，指用以确定物体在空间中能独立运动的变量数或描述物体在空间运动所需要的独立坐标数。通常，组成机器人的每个能以直线或回转方式运动的关节就是一个自由度。

当前，工业机器人以六轴关节型机器人最为常用，这是因为在三维空间中，描述物体的位置和姿态需要6个自由度，以安川MA1400六自由度机器人(如图1-7所示)为例。图1-7安川MA1400六自由度机器人

根据需要，常见的工业机器人还有四轴机器人和七轴机器人等。例如，图1-8所示的是埃斯顿ER6-600-SRSCARA机器人。图1-8埃斯顿ER6-600-SRSCARA机器人

七轴机器人多称为协作机器人，如图1-9所示的新松SCR5协作机器人是我国研制的首台七自由度协作机器人。图1-9新松SCR5协作机器人

自由度的增多对机器人的应用有什么实际意义呢?将七自由度机器人和六自由度机器人做一个对比。通过对比可以发现，在保持末端机构位置不变的情况下，一个六自由度机器人在空间中是无法改变其他关节结构的，如图1-10所示。图1-10六自由度机器人扭转示意

我们试想一下，如果机器人末端机构不变，那么机器人能从左边扭转到右边吗?答案是不行的。就像人的手臂和手指一样，不管关节怎么移动，手指的位置肯定是要变的。也就是说，对于一个六自由度机器人，从一个构型移动到另一个构型的时候，无法保持末端机构始终不动。而如图1-11所示的七自由度机器人则可以实现。不过，虽然自由度多的机器人有更高的灵敏性，但自由度越多，其刚度越差，控制也越复杂。图1-11七自由度机器人关节示意图

2.定位精度

定位精度是指机器人末端执行器实际到达位置与目标位置之间的接近程度。影响机器人定位精度的因素有很多，分为内部因素和外部因素，其中，内部因素包括控制系统位姿控制方式、机器人机械结构的刚度、机器人部件的制造精度；外部因素包括负载大小、速度或加速度等运动动量、温度等环境因素。

3.重复定位精度

相较于定位精度，机器人产品的数据手册中常常标注的是重复定位精度参数。重复定位精度是指机器人手腕重复定位于同一目标位置的能力。影响机器人重复定位精度的因素

有很多，分为内部因素和外部因素。内部因素有机器人尺寸、伺服系统特性、驱动装置的间隙与刚性、摩擦特性等；外部因素包括负载大小、运动过程(速度、加速度)、温度等环境因素。重复定位精度代表了末端执行器返回到同一位置的能力。当机器人进行装配类工作时，重复定位精度就非常重要了。

图1-12展示了机器人定位精度和重复定位精度的区别及好坏。在图中，B表示正态分布标准位，h表示重复定位精度，图(a)、(b)、(c)分别表示定位精度合理，重复定位精度良好；定位精度良好，重复定位精度较差；定位精度较差，重复定位精度良好3种情况。图1-12机器人定位精度和重复定位精度示意图

4.工作空间

机器人的工作空间是指其活动部件所能掠过的空间与末端执行器和工件运动时机器人手臂末端或手腕中心所能到达的所有点的集合。描述工作空间的手腕参考点可以选在手部

中心、手腕中心或手指指尖，参考点不同，工作空间的大小、形状也不同。对于多自由度工业机器人，通常在产品数据手册中使用臂展或可达半径等数据值来表达工作空间的大小。

5.最高速度

从功能实现角度来看，机器人的最高速度指的是在各轴联动的情况下机器人手腕中心所能达到的最高线速度，单位为mm/s。从产品设计角度来看，机器人的最高速度指的是机器人主要自由度上的最大稳定角速度，单位是rad/s或°/s。通常，从应用场景来说，装配机器人的最高工作速度要低于搬运机器人的工作速度，因为装配要求非常高的位置精度和稳定性，而搬运小物件更看重工作效率。

6.负载

负载(load)是指在规定的速度和加速度条件下，沿着运动的各个方向，末端执行器安装面或底盘等机器人组件能够承受的力和扭矩。负载是质量、惯性力矩的函数，是机器人

承受的全部静态力和动态力。可通俗地将负载理解为机器人在作业范围内的任何位姿上所能承受的最大质量。为了安全起见，一般将承载能力这一技术指标定义为高速运行时的承

载能力。影响机器人负载能力的因素众多，不仅包括驱动器功率、连杆尺寸和材料刚度、重力浮力等环境条件，还包括速度和加速度的大小、方向等运动参数。

如图1-13所示为发那科M-2000iA/1700L机器人搬运车体的示意图，该机器人不含控制装置的本体质量为12500kg，其手腕部搬运质量可达1700kg。图1-13发那