《机器人机械系统》课件

机器人机械系统机器人机械系统是现代机器人技术的重要组成部分。它涵盖了机器人的运动学、动力学、控制、传感等方面。课程简介课程内容机器人机械系统基础知识机器人机械结构设计机器人运动学分析机器人动力学分析机器人控制方法机器人应用案例学习目标掌握机器人机械系统基础理论了解机器人设计与制造流程具备机器人应用开发能力课程特色理论与实践相结合，案例教学，注重动手能力培养。机器人概述机器人是能够自动执行任务的机器。它们被设计用来执行各种各样的任务，从简单的重复性工作到复杂的认知任务。机器人通常由机械结构、驱动系统、传动系统、控制系统、感知系统等组成。机器人的历史发展机器人技术的发展历程可以追溯到古代，但现代机器人的发展主要得益于20世纪的科技进步。1早期雏形古代的自动机和机械玩具2工业机器人20世纪50年代的工业自动化3智能机器人21世纪的智能化和应用拓展机器人的特点高精度机器人可以执行精密任务，例如组装微型电子元件或进行外科手术。高效率机器人可以完成重复性工作，比人类效率高得多，而且可以持续工作。高可靠性机器人可以执行危险或人类难以完成的任务，例如在危险环境中工作或执行精细操作。可编程机器人可以根据不同的任务进行编程，灵活适应不同的应用场景。机器人的分类按结构分类常见类型包括关节型机器人、直角坐标型机器人、SCARA机器人和并联机器人，它们适用于不同的任务和工作环境。按应用分类工业机器人、服务机器人和特种机器人是三大主要类别，它们分别在制造、服务和特殊领域发挥着重要作用。按控制方式分类程序控制机器人、示教再现机器人、智能机器人和遥控机器人等，展现了不同级别的自动化和智能化水平。机器人的基本构成11.机械结构机械结构是机器人的“躯体”，由连杆、关节和执行机构组成，用于完成各种动作。22.传动系统传动系统负责将动力传递到执行机构，实现机器人的运动。33.控制系统控制系统是机器人的“大脑”，负责接收外部信号，并根据预设程序控制机器人完成任务。44.感知系统感知系统是机器人的“感觉器官”，用于感知外部环境，并反馈给控制系统。驱动系统电机电机将电能转换为机械能，为机器人提供动力。液压系统液压系统利用液体的压力驱动执行器，适用于高负载和高功率的机器人。气动系统气动系统利用压缩空气驱动执行器，特点是轻便、快速响应。传动系统齿轮传动齿轮传动用于改变转速和扭矩，实现不同部件之间的动力传递。例如，减速器利用齿轮传动降低电机转速，增加扭矩。链条传动链条传动适用于高速、重载的场合，例如机器人手臂的旋转运动。皮带传动皮带传动在机器人中用于实现平稳、静音的运动，例如机器人手臂的移动。谐波传动谐波传动可实现高精度、高减速比的传动，常用于机器人关节的驱动。操作系统操作系统功能为机器人提供基础运行环境，管理硬件资源，执行应用程序。人机交互提供用户界面，方便用户操控机器人。控制策略实现运动控制、感知处理和决策规划。控制系统11.控制指令控制系统接收来自操作员或上位机的控制指令，并将其转化为机器人执行的动作命令。22.运动规划控制系统根据控制指令，规划机器人的运动路径，并生成相应的运动轨迹。33.运动控制控制系统通过驱动器控制电机，使机器人按照规划的轨迹运动，并实时监控机器人的状态。44.故障诊断控制系统还具有故障诊断功能，能够监测机器人的运行状态，并及时发现和处理故障。感知系统视觉传感器视觉传感器可以帮助机器人识别物体、定位自身以及导航。例如，机器视觉可以帮助机器人识别生产线上是否有瑕疵产品，识别不同的环境和障碍物，进行自动导航等。触觉传感器触觉传感器可以帮助机器人感知物体表面的形状、纹理和温度。例如，触觉传感器可以帮助机器人抓取物体时更加精准地控制力道，避免对物体造成损坏。机器人的机械结构设计机器人的机械结构设计是机器人系统设计的重要组成部分，决定着机器人的运动能力、工作空间和负载能力。机械结构设计需要考虑运动学、动力学、材料强度、加工工艺等因素。常见的机器人机械结构类型包括串联结构、并联结构、混合结构等。串联结构机器人结构简单，运动灵活，但工作空间有限；并联结构机器人工作空间大，精度高，但运动灵活度较低；混合结构机器人则结合了两种结构的优点，具有较好的灵活性、精度和工作空间。机器人的运动学分析1关节空间描述机器人各关节的运动范围和关系。2任务空间描述机器人末端执行器在三维空间中的位置和姿态。3运动学模型建立关节空间与任务空间之间的数学关系。机器人的动力学分析1运动方程牛顿定律描述机器人运动2关节扭矩计算每个关节所需的力矩3轨迹规划优化运动轨迹，提高效率4控制策略稳定控制机器人运动，避免振动动力学分析是机器人控制的基础。通过建立运动方程，计算每个关节所需力矩，机器人可以精确控制运动轨迹。轨迹规划和控制策略确保机器人稳定运行，避免振动和碰撞。机器人的控制方法工业机器人控制方法工业机器人控制方法包括位置控制、轨迹控制和力控制。移动机器人控制方法移动机器人控制方法包括运动规划、路径规划和避障。机器人控制系统机器人控制系统包括硬件和软件，负责接收指令、处理数据、控制执行机构。机器人的运动规划路径规划机器人从起点到终点，避开障碍物的路径。轨迹规划机器人沿规划路径运动的轨迹，包括时间和速度信息。运动控制根据轨迹信息，精确控制机器人的运动，使其能够顺利执行任务。机器人的路径规划路径规划是机器人运动控制的重要组成部分，它涉及规划机器人在复杂环境中从起点到目标点的最优路径。1路径规划算法A*2环境模型地图3机器人模型尺寸、运动范围路径规划算法根据环境模型和机器人模型，计算出安全、高效的路径。路径规划算法包括A*算法、Dijkstra算法等，环境模型通常使用地图的形式表示，机器人模型则包括其尺寸、运动范围等信息。机器人的轨迹规划1路径规划确定机器人运动的路径，避开障碍物，完成任务。2轨迹生成根据路径，生成机器人运动的轨迹，包含时间信息。3轨迹优化优化轨迹，减少时间和能量消耗，提高效率。4轨迹跟踪控制机器人沿着规划的轨迹运动，保持精度。轨迹规划是机器人控制的重要组成部分，决定机器人运动的效率和精度。规划合理的轨迹，可以最大程度地发挥机器人的性能，实现高效的任务执行。机器人的传感技术11.视觉传感器视觉传感器通过摄像头采集图像，识别物体形状、颜色、纹理等信息，为机器人提供环境感知能力。22.触觉传感器触觉传感器用于感知机器人与物体之间的接触，测量接触力的大小和方向，帮助机器人完成精细操作。33.力觉传感器力觉传感器能够测量机器人关节和末端执行器施加的力和扭矩，实现对机器人动作的精确控制。44.其他传感器除了上述传感器外，机器人还可配备距离传感器、温度传感器、气体传感器等，满足不同应用场景的感知需求。机器人的视觉技术视觉传感器视觉传感器是机器人感知外部环境的重要组成部分，能够采集图像信息，并将其转换为数字信号，以便进行后续处理和分析。图像处理与分析图像处理与分析是机器视觉技术的核心，包括图像增强、特征提取、目标识别和场景理解等技术，使机器人能够理解图像信息并做出相应的反应。视觉引导视觉引导技术利用视觉信息来指导机器人的运动，例如导航、抓取、操作等，提高机器人的操作精度和灵活性。机器人的触觉技术触觉传感器触觉传感器可以感知环境中物体的形状、大小、纹理和硬度，并将其转化为电信号。应用场景触觉技术在机器人领域具有广泛应用，例如物体抓取、碰撞检测、精密操作等。未来发展随着传感器技术的不断发展，机器人的触觉感知能力将进一步提升，使其能够更加灵敏地感知周围环境。机器人的力觉技术力觉传感器力觉传感器用于测量机器人与环境之间的力或力矩。力反馈控制力反馈控制使机器人能够根据感知到的力和力矩进行调整。精密装配力觉技术在精密装配、医疗手术等领域应用广泛。机器人的听觉技术声音感知机器人通过麦克风采集声音信号，将声波转换为电信号。机器人的听觉系统可以识别各种声音，例如语音、音乐、环境噪声等。声音处理机器人会对声音信号进行处理，例如降噪、滤波、特征提取等。处理后的声音信号可以用于语音识别、声源定位、声音分类等应用。机器人的智能控制技术学习能力机器人可以从环境中学习，适应新的情况，提高自身性能，例如深度学习和强化学习。决策能力基于环境感知信息和自身状态，机器人能够做出最优决策，例如路径规划和任务分配。自适应能力机器人可以根据环境变化自动调整参数，保持稳定性和可靠性，例如自适应控制和模糊控制。协同能力多个机器人可以协同合作，完成复杂任务，例如多机器人协同控制和集群控制。机器人的编程技术编程语言机器人编程语言通常专为机器人控制和操作而设计，它们允许用户编写代码以控制机器人执行特定任务。图形化编程图形化编程环境为用户提供直观的界面，使用拖放块和图形元素创建机器人程序，无需编写传统的代码。机器人编程流程编程流程通常涉及定义机器人任务，创建程序，测试程序并调试任何错误，以确保机器人按预期执行。机器人的仿真技术1虚拟环境机器人仿真软件可以创建虚拟环境，模拟真实环境，并测试机器人的运动和行为。2成本效益仿真技术可以降低开发成本，避免真实环境中的错误，提高效率。3优化设计工程师可以使用仿真软件对机器人设计进行优化，提高机器人性能。4安全保障仿真技术可以帮助工程师预判机器人操作中的风险，确保安全运行。机器人的应用领域工业机器人广泛应用于汽车制造、电子制造、食品加工等工业领域。它们可以完成各种任务，例如焊接、喷涂、装配、搬运等，提高生产效率和产品质量。医疗机器人可以协助医生进行手术，例如腹腔镜手术、脑外科手术等。它们可以帮助医生更精准地操作，降低手术风险。农业农业机器人可以用于田间管理，例如播种、除草、收获等。它们可以提高农业生产效率，降低生产成本，并保护环境。服务服务机器人可以用于酒店、餐厅、商场等场所，提供各种服务，例如迎宾、送餐、导购等。它们可以提高服务质量，并为顾客提供个性化的服务。机器人的发展趋势智能化机器人的智能化水平不断提升，更智能，自主性更强，更加适应复杂环境。小型化机器人小型化趋势明显，体积更小，更加灵活，更容易融入日常生活。协作化人机协作机器人更加普及，更加安全，更易于与人类协同工作。专业化机器人更