机器人控制技术

第一章绪论§1.1机器人的发展历史古代人们期望生产机器替代人类劳动。1921年，捷克作家KarelCapek在其科幻小说《罗素姆的万能劳工（UniversalRobot）》首次使用机器人词。Capek梦想着有这样的情况，即生物过程可以创造出类人的机器，他们虽然缺乏感情和灵魂，但他们身体强壮并服从主人的命令，而且这些机器能够快速而廉价地生产出来。机器人市场很快发展起来，很多国家都想用成百上千的机器人士兵装备军队，为他们卖命，即使伤亡也不足惜。最终机器人认定自己已经比人类优越，并试图从人类手中接管这个世界。这个故事中出现的名字rabota，即劳动者，一直沿用到今天。机器人主要基于大规模生产考虑主要有以下两个原因：1、劳动强度2、尽量使用机器人完成简单、重复的作业以降低成本。1950年，Asimov在其出版的《我，机器人》一书中，给机器人定下了三原则：1、不伤害人类；2、在原则一下服从人给出的命令；3、在与上两个原则不矛盾的前提下保护自身•40年代末期美国阿尔贡国家实验室遥控机械手的发展用于操作放射性材料(遥控式、双向主从式机械手)1953年：MIT研制成功第一台数控铣床机械手+NC技术—第一台工业机器人的产生1954年：美国人George.C.Devol申请“可编程序的关节型搬运装置”发明专利1958年：约瑟夫恩格尔伯格购买了德沃尔的专利，创造了世界上第一个制造机器人的公司—Unimation1959年：推出了第一台示教再现式的(Teaching-Playback)PUMA机器人1961年：Unimation公司生产出第一台工业机器人定名为Unimate，62年在GM公司应用1967年：丰田和川崎重工引进美国的Unimate和Versatran机器人1968年：通用汽车公司定购68台工业机器人1976年：CincinnctiMilacron公司进入工业机器人市场，广受欢迎1983机器人学无论是在工业生产还是在学术上都是一门受欢迎的学科，开始列入教学计划80年代日本机器人在世界占主要地位，占世界总产量的一半以上1994年底全世界工业机器人已发展到60万台2001年底全世界实际装备工业机器人102万台有关机器人重要术语机器人（robot）：可编程的多功能操作装置，通过可变的、预先编程的运动完成各种任务。遥控手（teleoperator）：远程操作控制进行工作的机器人叫遥操作机器人。可行走机器人（mobilerobot）：机座可运动的机器人。机器人学（robotics）：关于设计、制造和应用机器人的一门学科。（a）Kuhnezug车载起重机；(b)FanucS-500机器人在卡车上执行焊缝任务机器人操作手与起重机进行比较：相似之处（结构、驱动、负载、控制器）具有许多连杆，这些连杆通过关节依次连接；这些关节由驱动器驱动（电机）；操作机的“手”都能在空中运动，达到工作空间的任何位置，并承载一定的负荷；都用一个中央控制器控制驱动器。不同之处（控制源、名称）起重机是由人来控制驱动器机器人操作手是由计算机编程控制。动作受计算机监控的控制器所控制，该控制器本身也运行某种类型程序。程序改变，机器人动作就会相应改变。一个称为机器人，一个称为操作机。§1.2机器人的特点、结构及分类一、机器人的主要特点（通用性、适应性）机器人的特点包括如下两方面内容：1．通用性机器人的通用性取决于它的几何特性和机械能力。即指执行不同功能完成同一任务的能力和完成多样不同简单任务的能力。或者说在机械结构上允许机器人执行不同的任务或以不同的方式完成同一任务。决定通用性有两方面因素：一个是机器人自由度；另一个是末端执行器的结构和操作能力。2．适应性机器人的适应性是指其对环境的自适应能力，即要求所设计的机器人能够自我执行并适应未经完全指定的任务，而不管任务执行过程中是否发生了所没有预计到的环境变化。这一能力要求机器人具有人工知觉，即能感知周围环境。在这个层次上，机器人运用它的下述能力：(1)使用传感器感测环境的能力；(2)分析任务空间和执行操作规划的能力；(3)自动指令模式的能力。根据具体作业对象不同，机器人适应性主要考虑三种适应性：(1)点适应性：即如何找到点的位置。(2)曲线适应性：即如何利用传感器得到的信息(或特殊结构、材料等)沿曲面工作。(3)速度适应性：选择最佳运动速度。（与倒立摆类似的两轮机器人）二、机器人的结构组成四大组成部分•执行机构•驱动单元•控制系统•智能系统执行机构执行机构是机器人完成工作任务的机械实体一般为“机械手臂+末端操作器”机械手臂manipulator：一般为由杆件机构和关节机构组成的空间开链机构常常进一步细分为机座腰部臂部肩和肘腕部末端操作器end-effector：按作业用途定（是机器人完成特定作业的关键装置）驱动单元包括驱动器、运动件和传动机构驱动器：电机（步进电机、伺服电机、DD电机）、气缸、液压缸、新型驱动器。传动机构：谐波传动、螺旋传动、链传动、带传动、绳传动、各种齿轮传动及液力传动。运动件：机器人本体上的各运动体。控制系统一般由控制计算机、驱动装置和伺服控制器（servocontroller）组成控制计算机：根据作业要求接受编程发出指令控制协调运动并根据环境信息协调运动伺服控制器：控制各关节的驱动器使其按一定的速度加速度和轨迹要求进行运动智能系统正在发展中智能机器人除运动机能外还有如下三种机能感知机能：获取外部环境信息以便进行自我行动决策和监视的机能，视觉传感器是当前发展的重点思维机能：求解问题的认识推理和判断机能——人工智能人—机通信机能：理解指示命令输出内部状态与人进行信息交换的机能三、机器人的分类1、按机器人结构形式一般工业机器人为6个自由度前三个称为手臂机构后三个称为手腕机构。根据手臂机构的运动付不同形式的组合得到不同的机器人机构形式。(1)直角坐标式(Cartesian)符号表示PPP(2)圆柱坐标式(Cylindrical)符号表示RPP(3)球坐标式(Spherical)符号表示RRP(4)多关节式(Jointed)符号表示RRR(5)SCARA(SelectiveComplianceAssemblyRobotArm)关节轴线全平行由日本山梨大学牧野洋教授首先提出本课程案例教学机器人2、按机器人控制方式(1)非伺服控制机器人：这种机器人按照事先编好的程序进行工作，使用限位开关、制动器、插销板和定序器控制机器人的工作。主要涉及“终点”、“抓放”或“开关”式机器人，尤其是有限顺序机器人。(2)伺服控制机器人：通过反馈传感器取得的反馈信号与来自给定装置的给定信号，用比较器加以比较后，得到误差信号，经过放大后用以激发机器人的驱动装置，并带动末端执行装置以一定的运动规律运动，实现所要求的作业。伺服控制分为点位伺服控制和连续轨迹伺服控制两种。点位伺服控制：机器人以最快和最直接的路径（省时省力）从一个端点移到另一个端点。通常用于重点考虑终点位置，而对中间的路径和速度不做主要限制的场合。实际工作路径可能与示教时不一致。连续轨迹伺服控制：机器人能够平滑地跟踪某个规定的路径。3．按机器人的信息输入方式日本工业机器人协会把机器人分为六类：1)手动操作手：由操作人员直接进行操作的有几个自由度的加工装置；2)定序机器人：按预定的顺序、条件和位置，逐步地重复执行给定的作业任务，其预定信息难以修改；3)变序机器人：和第二类一样，但预定信息易于修改；4)示教式机器人：能够按照记忆装置存储的信息复现事先由人示教的动作，且这些示教的动作能够自动重复地进行；5)程控机器人：能够通过提供的运动程序，执行给定的任务；6)智能机器人：通过感知信息独立检测工作环境或工作条件的变化，借助机器人本身的自我决策能力，进行相应的工作。它不受工作环境或工作条件变化的影响。美国只将后四种定义为机器人。§1.3机器人自由度、关节及坐标系一、机器人的自由度确定点在空间位置—三个坐标。确定刚体（三维物体，不是一个点）在空间位置—六个坐标（三个确定空间位置，三个确定空间姿态）。需要六个自由度才能将物体放到空间任意指定位姿（即位置和姿态）。少于六个自由度，机器人的能力将受到相应限制（自由度越少，限制越多）。1）三自由度机器人只能沿X、Y、Z轴运动不能指定机械手姿态2）五自由度机器人X、Y、Z移动和绕X、Y的转动（焊接、磨削机器人，不要求Z轴转动）3）七自由度机器人解无穷多，要有附加决策程序使机器人从这些解中选择一个。（检验所有解，根据决策找出所求解，实际生产不用）1、将一个圆柱形零件放置在平板上，机器人应具有几个自由度？2、人的手臂（包括肩、肘、腕）有几个自由度？二、机器人的关节1、直线移动关节2、转动关节（驱动方式）滑动关节用P表示旋转关节用R表示球型关节用S表示机器人构型通常可用一系列的P,R,S来描述三滑动关节，三旋转关节怎样表示？答案：3P3R三、机器人的坐标四、机器人的坐标系机器人运动学中通常定义以下三种坐标系：1、全局参考坐标系：此时，机器人是通过各关节的组合运动产生沿X、Y、Z三个坐标轴直线运动和绕他们的转动。2、关节参考坐标系：此时，机器人是通过各关节独立运动产生期望运动。3、工具参考坐标系：是一个活动坐标系，随机器人手运动而随之运动，在机器人控制中，它便于对机器人靠近、离开物体或安装零件进行编程。§1.4SCARA教学机器人SCARA教学机器人为平面关节型机器人，具有3个旋转关节，其轴线相互平行，可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平面的运动。一、机器人特点1.机构采用平面关节型（SCARA）结构，按工业标准要求设计，速度快、柔性好；2.采用交流伺服电机和谐波减速器等，模块化结构，简单、紧凑；3.控制系统采用Windows系列操作系统，二次开发方便、快捷，适于教学实验；4.提供通用机器人语言编程系统，可通过图形示教自动生成机器人语言等程序；5.内容涵盖机器人运动学、动力学、控制系统的设计、机器人轨迹规划等。二、机器人参数结构形式平面关节式（SCARA型）负载能力1kg运动精度（脉冲当量/转）关节110000关节210000关节31600pulse/mm关节43200未端重复定位精度±0.1mm每轴最大运动范围关节10~270°关节20~200°关节30~60mm关节40~345°每轴最大运动速度关节10.5rad/S关节20.5rad/S关节36mm/S关节43.14rda/S最大展开半径335mm高度480mm本体重量≤25Kg几何尺寸关节1（长度）200mm关节2（长度）135mm关节3（行程）60mm控制方式PTP/CP操作方式示教再现供电电源二相220U、50HZ安装要求安装方式水平安装安装环境温度：0~45℃湿度：20~80％RH（不能结露）震动：0.5G以下避免接触易燃腐蚀性液体或气体，远离电气噪声源机器人控制技术课程主要内容：物体空间位置的表示；机器人的运动学正、逆解；机器人作业的静力学分析及力控制技术；机器人作业路径规划及驱动、控制系统的设计；机器人智能及感知系统；机器人控制技术课程任务：使学生对机器人系统有明确概念；掌握机器人运动学、静力学、动力学计算及运动规划设计方法；了解工业机器人的机械结构及驱动系统的运动控制并能够对简单结构机器人控制系统进行设计。机器人控制技术基本要求：在熟练掌握三维空间中点、物体及坐标系变换的基础上，可熟练地对物体进行三维空间的解析表示；以上述内容为基础，熟练应用D-H方法确定机器人各杆件坐标系及D-H矩阵，熟练掌握齐次变换和正、逆运动学的解法；了解机器人各相关子系统的功能及其作用；机器人控制技术能够对机器人机构及其作业进行静力学分析，并能够以此为基础进行力控制分析；能够对一般的机器人作业进行作业任务及运动规划，并能够以此为基础，针对特定的驱动控制器，从运动学控制方面进行作业及运动规划。机器人控制技术实验项目：实验一：机器人认知及示教设计实验；实验二：机器人运动学分析及控制；