机器人建模与控制绪论

机器人建模与控制

绪论机器人学(Robotics)作为一种综合学科，涉及电子信息、机械设计、传感技术、控制工程、计算机技术等多门学科，其发展与这些相关领域的研究现状密切相关；随着机械设计、控制理论和计算机技术的发展，传统的机器人已发展到冗余操作臂、移动机器人、人形机器人等多种形式机器人学包含运动学、动力学、运动规划等多个方面的内容，通过将实际机器人抽象成物理模型，设计控制策略以达到精准控制机器人的目的1.1

机器人学概述机器人按发展进程一般可分为三代第一代机器人可统称为示教再现型机器人，这种机器人通常是由一个计算机对多自由度的机械进行控制，通过示教对信息进行存储，工作时再读取信息发出指令，使其能够自动重复完成某种操作第二代机器人可统称为感知型机器人，这种机器人在第一代机器人的基础上增加了对环境的感知功能，如力觉、触觉、视觉、听觉等，这一改进使机器人能够获取环境信息，从而完成更复杂的工作第三代机器人可统称为智能型机器人，这种机器人通过多种传感器、测量器来获取环境信息，然后利用智能技术进行复杂的逻辑推理、判断及决策，从而实现在变化的内部状态与外部环境中，机器人能自主决定自身的行为1.1

机器人学概述为了保护人类，早在1940年科幻作家阿西莫夫就提出了“机器人三原则”第一条：机器人不得伤害人类，或看到人类受到伤害而袖手旁观第二条：机器人必须服从人类的命令，除非这条命令与第一条相矛盾第三条：机器人必须保护自己，除非这种保护与以上两条相矛盾1.1

机器人学概述1.2.1

按控制方法分类按照机器人控制方法，可以将其分为伺服

(servo)和非伺服

(non-servo)两种非伺服机器人的主要特征为开环(open-loop)控制，机器人按照预先编好的程序依次完成工作，依靠制动器、定序器、限位开关等机械限位方式对机器人运动进行控制非伺服机器人可以完成较为简单的任务，通常用于物料传送或移动等场景伺服机器人则是采用闭环(closed-loop)的控制方式，可以对机器人末端执行器的位置、速度、力等进行控制，闭环控制结构利用传感器采集的反馈信息与给定信息进行比较，以达到更好的控制效果对于伺服机器人，根据控制器对末端执行器的引导方式不同，可进一步划分为点到点

(point-to-

point)

控制和连续路径

(continuous

path)

控制机器人对于点到点控制机器人，可以通过示教器设置一系列离散点，使得机器人末端按给定顺序在各点位之间移动，但各点位之间的运动轨迹不受控制，通常按照最短路径直接到达给定点，这使得机器人无法对特定轨迹稳定的进行跟踪，也限制了其应用范围连续路径机器人末端执行器在运动过程中的所有路径点均可被控制，故机器人末端可以平滑地跟踪指定路径，同时操作者也可以控制末端的速度、加速度等以达到期望的运动方式，这种机器人适用于焊接、喷漆、机械加工等场景1.2

机器人分类1.2.2

按应用领域分类机器人发展至今已经形成了完善的体系，按照功能和应用场景不同，机器人可划分为：工业

机器人、服务机器人以及特种机器人这三大类工业机器人在焊接、喷涂、装配、搬运、检测等方面发挥着重要的作用，极大地促进了生产效率以及智能制造水平的提升服务机器人主要集中于教学、娱乐、医疗、展务工作、清洁维护等领域，智能控制方法的不断发展使其在安全易用的基础之上更加灵活智能，能够为人们提供更为人性化的服务体验特种机器人在排爆、搜救、勘探、消防、巡检等方面发挥着不可替代的作用，面对恶劣作业环境或者危险工作任务时，特种机器人能避免人员伤亡、减轻经济损失、更好适应环境1.2

机器人分类1.2.3

按移动功能分类按照整体运动能力的不同，机器人可划分为：移动机器人和机械臂两类轮式机器人、履带式机器人、四足机器人、双足机器人和空中机器人等等这类能在环境中产生整体位移的机器人称为移动机器人具有在环境中固定不动的基座的机器人称为机械臂。机械臂在工业中得到广泛应用，大部分工业机器人都是机械臂本课程主要针对工业机器人领域中最常见的串联机械臂进行探讨1.2

机器人分类移动机器人(轮式)移动机器人(足式)人形机器人机械臂➢机电部分–用于实现各种动作➢传感部分–用于感知内部和外部的信息➢控制部分–控制机器人完成各种动作1.3

机械臂系统与机构1.3.1

机械臂系统•驱动系统•提供机器人各部位、各关节动作的原动力。•机械结构系统•完成各种动作。•感受系统•由内部传感器和外部传感器组成。•机器人-环境交互系统•实现机器人与外部设备的联系和协调并构成功能单元。•人机交互系统•人与机器人联系和协调的单元。•控制系统•根据程序和反馈信息控制机器人动作的中心。1.3

机械臂系统与机构1.3.2

串联机械臂从结构和运动的观点来看，机械臂是由一系列关节(joint)连接的连杆(link)组成的运动机械结构

本课程中的关节主要涉及转动型关节和平动型关节两种转动型关节可以使连接的两连杆绕一轴相互转动平动型关节则可以使两个连杆沿轴线进行直线相对运动如果一个机械臂由N个关节和N+1个连杆组成，且其结构呈“连杆(基座)-关节-连杆-关节-…-连杆-关节-连杆”的形式，则称该机械臂为串联机械臂本课程以串联机械臂为对象介绍机器人建模与控制。若无特别说明，本课程所提的机器人和机械臂均指串联机械臂1.3

机械臂系统与机构1.3

机械臂系统与机构1.3.3

常见机械臂几何机构圆柱坐标型球面坐标型SCARA型(平行关节型)转动关节型直角坐标型位姿描述：为了描述空间物体的位置和姿态，需要在物体上设置一个坐标系。

并在某个参考坐标系中对位置和姿态进行描述1.4.1

基本概念•位姿描述•正运动学•逆运动学•速度与静力•轨迹规划•动力学•运动控制•力控制1.4

机器人建模与控制简述正运动学：正运动学方程是各个关节变量的函数，描述了工具坐标系相对

于基坐标系的位置和姿态•位姿描述•正运动学•逆运动学•速度与静力•轨迹规划•动力学•运动控制•力控制1.4

机器人建模与控制简述逆运动学：给定工具坐标系的位置和姿态，通过逆运动学可以计算出各关节变量•位姿描述•正运动学•逆运动学•速度与静力•轨迹规划•动力学•运动控制•力控制1.4

机器人建模与控制简述关节速度和末端执行器速度的几何

关系可以由雅可比矩阵表示•位姿描述•正运动学•逆运动学•速度与静力•轨迹规划•动力学•运动控制•力控制1.4

机器人建模与控制简述轨迹规划：

为了使末端执行器在空间中

从A点运动到B点，必须为各个关节计

算一个连续运动轨迹•位姿描述•正运动学•逆运动学•速度与静力•轨迹规划•动力学•运动控制•力控制1.4

机器人建模与控制简述动力学：

动力学方程描述了驱动器

驱动力矩和机械臂运动之间关系•位姿描述•正运动学•逆运动学•速度与静力•轨迹规划•动力学•运动控制•力控制1.4

机器人建模与控制简述•位姿描述•正运动学•逆运动学•速度与静力•轨迹规划•动力学•运动控制•力控制运动控制：

为了使机械臂沿着期望轨迹运动，必须设计控制系统，通过关节传感器的反馈保持机械臂的轨迹运动1.4

机器人建模与控制简述•位姿描述•正运动学•逆运动学•速度与静力•动力学•轨迹生成•运动控制•力控制力控制：

为了使机械臂以恒力在一个表面上滑动，必须应用力控制系统1.4

机器人建模与控制简述•成本占比：•减速器，

35%~40%•驱动及伺服，

20%~25%•控制器，

10%~15%•机械结构，

15

%~

20%•传感，

10%~15%•分析系统的工作要求，•确定基本参数•选择运动方式•手臂配置设计•选择检测方式•选择驱动方式•选择控制方式•机械结构设计•根据机械臂的使用场合，明确所使用机械臂的目的和任务•分析机械臂所在系统的工作环境，包括机械臂与已有设备的兼容性1.4

机器人建模与控制简述确定机械臂的基本功能和方案1.4.2

机械臂设计方法•臂力的确定对于专用机械臂来说，针对专门的工作对象来设计。臂力主要根据被抓取物体的重量

确定，取1.5~3.0的安全系数对于工业机械臂来说，具有一定的通用性，臂力要根据被抓取物体的重量变化来确定•工作范围的确定根据工艺要求和操作运动的轨迹来确定•运动速度的确定根据生产需要的工作节拍分配每个动作的时间，进而根据机械手各部位的运动行程确

定其运动速度•定位精度的确定

根据使用要求确定的要达到这样的精度取决于机械臂的定位方式、运动速度、控制方式、臂部刚度、驱动

方式、缓冲方法等1.4

机器人建模与控制简述•工作范围•指机器人末端操作器所能到

达的区域。•工作速度•指机器人