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机器人原理与实践它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。它的任务是协助或取代人类工作的工作，例如生产业、建筑业，或是危险的工作。现在，国际上一致认为：机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。第一章机器人概述机器人（Robot）是自动执行工作的机器装置。一、什么是机器人联合国标准化组织采纳了美国机器人协会给机器人下的定义：“一种可编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可改变和可编程动作的专门系统。”机器人是高级整合控制论、机械电子、计算机、材料和仿生学的产物。目前在工业、医学、农业、建筑业甚至军事等领域中均有重要用途。机器人系统的结构由执行机构、传感器、电脑及信息处理四部分组成。（1）机构部分包括机械手和移动机构，机械手相当于人手，可完成各种工作；移动机构相当于人的脚，机器人靠它来“走路”。（2）传感器部分是机器人对自身或外部环境变化信息的感觉器官，相当于人的眼、耳、皮肤等，它包括内传感器和外传感器。二机器人系统的组成（3）电脑是机器人的指挥中心，相当于人脑或中枢神经，它能控制机器人各部位协调动作；（4）信息处理装置（电子计算机），是人与机器人沟通的工具，可根据外界的环境变化、灵活变更机器人的动作。1．执行机构执行机构即机器人本体。其臂部一般采用空间开链连杆机构，其中的运动副常称为关节，关节个数通常即为机器人的自由度数。出于拟人化的考虑，常将机器人本体的有关部位分别称为基座、腰部、臂部、腕部、手部（夹持器或末端执行器）和行走部（对于移动机器人）等。机器人的机构包括执行机构、传动机构和驱动机构三大类。（一）机构部分传动机构用于把驱动器产生的动力传递到机器人的各个关节和动作部位，实现机器人平稳运动。常见的传动机构有以下几种：（1）齿轮传动：它通过均匀分布在轮边缘的齿的直接接触传递动力。它主要用于改变力的大小、方向和速度。（2）丝杠传动机构：丝杠是具有螺纹的杆，通过丝杠转动把旋转的运动改变为直线运动。丝杠传动机构主要有滚珠丝杠、行星轮式丝杠。2．传动机构（3）皮带传动和链传动机构：它利用皮带或链条传递平行轴之间的回转运动，或把回转运动转换成直线运动。它主要有齿形带传动。及滚子链传动。（4）流体传动：分为液压和气压传动，即利用液体和气体为媒介传递能量。液压传动驱动精度高，功率大，适用于搬运笨重物品的机器人上；气压传动成本低，容易达到高速，多用于完成简单工作机器人。（5）连杆传动：它利用一根杆的形式把力传递到被动机械，在传递过程中改变力的大小、方向，连轩可长可短，使被动机械可移动很大的距离，这种传动机构多用于完成简单工作的机器人上。人和动物之所以能维持生命和运动，是因为肌肉系统能收缩并产生能量的原因。驱动器相当于机器人的肌肉。机器人身上主要采用电动驱动器（电机）、流体（液体或气体）驱动器。根据机器人上使用的驱动器的不同可分为三类：（1）电动驱动器从80年代开始被应用于机器人上，它由电能产生动能，驱动机器人各关节动作。电动机器人能完成高速运动，具有传动机构少，成本低等优点，在现代工业生产中已基本普及。3驱动机构（2）液压机器人具有精度高，反应速度快的优点但液压机构维护复杂，成本高，现已基本被电动机器人取代。（3）气动机器人由气动机构产生动力驱动关节运动。气动方式受空气可压缩性影响，稳定性差，定位精度低，目前应用较少。现在，科学家们正智力研制一种聚合物的肌肉组织。这种肌肉材料能把化学能转化为机械能，靠自身的伸缩实现人工肌肉的功能。我们称为特殊驱动器。比如一种由形状记忆元件组成的特殊驱动器，无论形状记忆元件变形到什么形状，加热后都能完全恢复到原来的形状，目前用于机器人驱动器上的只限于Ti和Ni组成的形状记忆合金。（二）传感器部分传感器是机器人的感觉器官，传感器置的作用是实时检测机器人的运动及工作情况，根据需要反馈给控制系统，与设定信息进行比较后，对执行机构进行调整，以保证机器人的动作符合预定的要求。检测装置的传感器可分为两类：内部传感器和外部传感器内部传感器：用于检测机器人自身的状态，它安装在驱动装置内，用以测量手臂、手爪等的运动位置和速度，以控制机器人定位精确和运动平稳，如角度传感器、关节传感器。并将所测得的信息作为反馈信号送至控制器，形成闭环控制。外部传感器：用于获取有关机器人的作业对象及外界环境等方面的信息，以使机器人的动作能适应外界情况的变化，使之达到更高层次的自动化，甚至使机器人具有某种“感觉”，向智能化发展。如：视觉传感器是机器人的眼睛，它可测量物体的距离和位置，识别物体的形状、颜色等特性；温度传感器相当于人的皮肤，机器人通过它感知环境温度的变化；移动机器人在工作时，采用距离传感器检测障碍物的位置，告诉机器人及时躲避，确保工作安全。利用这些信息可以构成一个大的反馈回路，从而将大大提高机器人的工作精度。传感器的优劣是机器人技术进步的关键，实现未来的高智能机器人，一定要依赖于传感器技术的提高。机器人的控制是由一台或多台微型计算机完成的。单片机是指集成在一块芯片上的完整计算机系统。尽管他的大部分功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：CPU、内存、内部和外部总线系统，目前大部分还会具有外存。同时还集成有通讯接口、定时器，时钟等外围设备。现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、输入输出系统集成在一块芯片上。（三）大脑部分单片机也被称为微控制器（Microcontroller），是因为它最早被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。C51单片机MCS51是美国INTEL公司生成的一系列单片机的总称。包括8031、8751等。其中8051是最典型的一种，亦称MCS51系列单片机。以8051为内核发展起来一种AT89C51（简称C51），其改进型是AT89S52，这是一种高性能、低功耗的8位单片机；内含8K字节可编程系统ISP；可反复擦鞋1000次的FLASH只读程序存储器；兼容标准MCS指令系统及其引脚结构。本课程学习的教育机器人使用的就是AT89S52单片机。机器人控制系统有两种方式一种是集中式控制，即机器人的全部控制由一台微型计算机完成。另一种是分散（级）控制，即采用多台微机来分担机器人的控制，如当采用上、下两级微机共同完成机器人的控制时，主机常用于负责系统的管理、通讯、运动学和动力学计算，并向下级微机发送指令信息；作为下级从机，各关节分别对应一个CPU，进行插补运算和伺服控制处理，实现给定的运动，并向主机反馈信息。根据作业任务要求的不同，机器人的控制方式又可分为点位控制、连续轨迹控制和力（力矩）控制。（四）控制部分工业机器人电动伺服系统的一般结构为三个闭环控制，即电流环、速度环和位置环。目前国外许多电动机生产厂家均开发出与交流伺服电动机相适配的驱动产品，用户根据自己所需功能侧重不同而选择不同的伺服控制方式，一般情况下，交流伺服驱动器，可通过对其内部功能参数进行人工设定而实现以下功能：1．位置控制方式；2．速度控制方式；3．转矩控制方式；4．位置、速度混合方式；5．位置、转矩混合方式；6．速度、转矩混合方式；7．转矩限制；8．位置偏差过大报警；9．速度PID参数设置；10．速度及加速度前馈参数设置；11．零漂补偿参数设置；12．加减速时间设置等。1966年，美国海军就是用装有钳形人工指的机器人“科沃”把因飞机失事掉入西班牙近海的一颗氢弹从七百五十米深的海底捞上来。1967年，美国飞船“探测者三号”就把一台遥控操作的机器人送上月球。它在地球上的人的控制下，可以在两平方米左右的范围里挖掘月球表面四十厘米深处的土壤样品，并且放在规定的位置，还能对样品进行初步分析，如确定土壤的硬度，重量等。它为“阿波罗”载人飞船登月当了开路先锋。