機器人-第1章

1、教材：機器人學導論（原書第3版）, [美]John J. Craig著,贠超 等譯. 書名原文: Introduction to Robotics: Mechanics and Control.蔡自興. 《機器人學》，清華大學出版社。參考資料：機器人學導論——分析、系統(tǒng)及應用, [美]Saeed B.Niku著, 孫福春等譯. 書名原文: Introduction to Robotics: Analysis, Systems,

2、 Applications.譚民，徐德等，《先進機器人控制》，高等教育出版社。比較知名的刊登機器人方面研究成果的期刊：《Advanced Robotics》，《Autonomous Robots》, 《Journal of Robotic System》，《機器人》，《自動化學報》，《機器人技術與應用》，《控制理論與應用》。MATLAB的Robotics工具箱(by Peter I. Corke)：http://petercor

3、ke.com/Robotics_Toolbox.html上課形式：講授20學時、實驗12學時考核：仿真作業(yè)，實驗報告，課程論文（綜述）,機器人的由來(1/2)西周時代（公元前1066年～ 前771年），就流傳巧匠偃師獻給周穆王一個歌舞機器人（藝伎）的故事。公元2012年，央視春晚，機器人舞蹈。東漢時期（公元25年～220年）的張衡發(fā)明的指南車是世界上最早的機器人雛形,,第1章 緒論,機器人的由來(2/2)1768-1

4、774，瑞士鐘表匠制作的木偶機器人，自動書寫、自動演奏1893年，加拿大摩爾設計的能行走的機器人“安德羅丁”，以蒸汽為動力。1920年，捷克劇作家Karel Capek首次提出Robota一詞1950美國科幻作家Assimov,在《我是機器人》中，提出機器人三守則：一.機器人不得傷害人，也不得見人受到傷害而袖手旁觀二.機器人應服從人的一切命令，但不得違反第一定律三.機器人應保護自身的安全，但不得違反第一、第二定律 1954

5、年美國人設計了第一臺電子可編程機器人1962年美國萬能自動化（Unimation）公司的全球第一臺機器人Unimate，在美國通用（GM）公司使用，標志著第一代機器人的誕生。,機器人的發(fā)展現狀(1/3),北美工業(yè)機器人的裝運量（單位：百萬美元）,各種用途工業(yè)機器人的年安裝量,20世紀90年代即機器人價格與人力成本的比較,中國：1. 2011年7月29日，身為鴻海精密工業(yè)股份有限公司(Hon Hai Precision Industr

6、y Co.，2317.TW，母公司鴻?？萍技瘓F，內地習慣稱為“富士康”)董事長兼總裁，郭臺銘攜妻子在深圳參加公司萬人晚會，情緒甚高的他口無遮攔，透露富士康將增加生產線上的機器人數量以完成簡單重復的工作：明年達30萬臺，3年后機器人規(guī)模達100萬臺。 （摘自新浪財經,2012）2. 新京報訊 （2013-2-21, 記者林其玲），往年春節(jié)過后富士康都會展開大規(guī)模勞工招聘，昨天富士康大陸地區(qū)新聞發(fā)言人劉坤透露，今年春節(jié)后，富士康在全國范圍

7、內暫停招工。據記者了解，富士康將加快機器人應用。,機器人的發(fā)展現狀(2/3),機器人的發(fā)展現狀(3/3)2015年1月6日，工信部國際經濟技術合作中心主任龔曉峰做客中國經濟網《經濟熱點面對面》時指出，我國的機器人產業(yè)市場近兩年來發(fā)展迅猛，2013年共銷售3.7萬臺工業(yè)機器人，同比增長60%，預計2014年銷售5萬臺，已成為全球最大的市場。龔曉峰說，工信部制定了相關規(guī)劃，并在近兩年間對全國情況進行摸底和調查，在接下來編制“十三五”規(guī)

8、劃中，將結合智能制造整個大環(huán)境，以及從制造大國向制造強國轉變的使命來制定相關政策，營造相關環(huán)境。目前我國和機器人產業(yè)相關的公司有400多家，以中小企業(yè)為主，最大的公司產值大概在十幾億元左右。,機器人的定義(1/2)英國牛津字典：貌似人的自動機，具有智力和順從于人但不具有人格的機器。（到目前為止，還沒有與人類相似的機器人，理想的機器人）美國機器人協(xié)會（RIA-Robot Institute of America）：一種用于移動

9、各種材料、零件、工具或專用裝置的，通過可編程序動作來執(zhí)行各種任務，并具有編程能力的多功能機械手。（不全面，指工業(yè)機器人）日本工業(yè)機器人協(xié)會（JIRA-Japanese Indrustrial Robot Association）：一種裝備有記憶裝置和末端執(zhí)行器的，能夠轉動并通過自動完成各種移動來代替人類勞動的通用機器。（包括工業(yè)機器人和智能機器人）國際標準化組織ISO：機器人是一種自動的、位置可控的、具有編程能力的多功能機械手，

10、這種機械手具有幾個軸，能夠借助于可編程序操作來處理各種材料、零件、工具和專用裝置，以執(zhí)行種種任務。（與RIA的類似）,機器人的定義(2/2)中國：一種擬人功能的機械電子裝置。共同屬性：1）像人或人的一部分，并模仿人的動作2）具有智能或感覺與識別能力3）是人制造的機器或機械電子裝置,機器人分類,按執(zhí)行機構的動力方式來劃分：電氣驅動液壓驅動氣動其他：壓電陶瓷、形狀記憶合金、磁致伸縮驅動器等按智能程度來劃分：一般機

11、器人：只具有一般編程能力和操作功能。智能機器人：具有不同程度的智能，如可進行人-機對話、可無需人的干預下的自主執(zhí)行任務。按移動性來劃分：固定式機器人：整臺機器人（或機械臂）不能移動，只能移動各個關節(jié)移動機器人：輪式、履帶式、步行（單足、雙足、四足、六足和八足）,按用途分,本課程的對象是工業(yè)機器人（機械臂、機械手）,,,,,,,,,,,機器人,,工業(yè)機器人,,特種機器人,,服務機器人,,水下機器人,,軍用機器人,,農業(yè)機器人,,

12、機器人化機器,,仿人形機器人,,娛樂機器人,,空間機器人,,,,,,,,,,,,,微機器人,,,醫(yī)用機器人,,,,按坐標形式分類 ：笛卡爾坐標結構、圓柱面坐標結構、極坐標結構、球面坐標結構和關節(jié)式球面坐標（鉸接型）結構,笛卡爾坐標（直角坐標）,球面坐標,圓柱面坐標,關節(jié)式球面坐標（鏈式坐標）,平面坐標,按控制類型來劃分：點位控制（非伺服控制）：按照預先編好的程序順序進行工作，使用終端限位開關、制動器、插銷板和定序器來控制機械臂的運

13、動。可靠性強、能力較弱。連續(xù)控制（伺服控制）：被控制量（輸出）可為機械臂終端執(zhí)行裝置（或工具）的位置、速度、加速度和力等。能力較強，可靠性低一點。,機器人技術的發(fā)展方向,智能化高性能的傳感器，驅動器和執(zhí)行器的研究解決機器人在特殊領域的邏輯推理、思維和自主決策能力解決人和機器的協(xié)調共處讓機器人具有情感 模塊化 部件構造上的標準化 多機化 多機協(xié)調作業(yè) 家庭化 極限化 太空、深海、火山 微型

14、化,課程內容（講授部分）：機器人的空間描述與變換（第2章）機器人運動學（第3章）機器人逆運動學（第4章）機器人速度（第5章）機械臂動力學 （第6章）機器人運動規(guī)劃 （第7章）機械臂的機械設計 （第8章）機械臂的線性控制 （第9章）機械臂的非線性控制 （第10章）課程內容（實驗部分）：機器人編程語言及編程系統(tǒng) （第12章）,,位姿描述（第2章）我們關心的是機械臂的桿件、零部件、抓持工具和操作空間內的其他物體的位置和

15、姿態(tài)。一般先將一個空間坐標系固連于物體上，然后選一個作為參考坐標系，以此研究空間物體的位置和姿態(tài)。任一坐標系都能用作參考坐標系，要研究同一物體在不同坐標系中空間位姿的描述方法和數學計算方法。,機械臂正運動學（第3章）運動學：研究物體的運動，不考慮引起這種運動的力。包括位置、速度、加速度等，即運動的全部幾何和時間特性。幾乎所有的機械臂都是有剛性連桿組成，相鄰連桿間由關節(jié)連接。關節(jié)通常有傳感器來測量關節(jié)角（轉動關節(jié)）或關節(jié)偏距（移動

16、關節(jié)）自由度：指一個點或一個物體運動的方式，或一個動態(tài)系統(tǒng)的變化方式。每個自由度可表示一個獨立的變量，而利用所有的自由度，就可完全規(guī)定所研究的一個物體或一個系統(tǒng)的姿態(tài)。1）剛體的自由度任何空間剛體具有6個自由度，即可任意運動。3平移、3旋轉2）機器人的自由度操作臂中具有獨立位置變量的數目，這些位置變量確定了機構中所有部件的位置。機器人靠末端執(zhí)行器工作，末端執(zhí)行器具有6個自由度即可保證其靈活運動。3個位置、3個姿態(tài)自

17、由度。,注意關鍵詞：獨立對于機械機構，不一定有多少個部件就有多少個自由度，如四連桿鉸鏈有三個可移動的連桿，但機構只有一個自由度。典型的工業(yè)機器人是一種開放的運動鏈，每個關節(jié)位置通常是一個獨立的變量，所以關節(jié)的個數等于自由度的數目。,5個自由度（2個冗余自由度）,4個自由度，若要空間內在任何方向上定向，需另外2個自由度,工具坐標系：附著在末端執(zhí)行器上?；鴺讼担号c機械臂固定底座相連。機械臂正運動學：給定一組關節(jié)角的值，計算

18、工具坐標系相對于基坐標系的位置和姿態(tài)，如圖。稱為從關節(jié)空間到笛卡兒空間描述的機械臂位置表示。笛卡兒坐標系中，三個變量描述空間一點的位置，另外三個變量描述物體的姿態(tài)。也稱任務空間或操作空間。,機械臂逆運動學（第4章）問題：給定機械臂末端執(zhí)行器的位置和姿態(tài)，計算所有可達給定位置和姿態(tài)的關節(jié)角，如圖。即“定位”映射問題：將機械臂末端的位姿從三維笛卡兒空間向內部關節(jié)空間的映射。困難：運動學方程是非線性的，很難得到封閉解，有時甚至無解，

19、還會有多解問題。運動學方程解的存在與否限定了操作臂的工作空間，無解表示目標點處于工作空間之外，因此機械臂不能達到這個期望位姿。,機械臂的速度、靜力和奇異性（第5章）分析機械臂的運動問題雅可比矩陣：從關節(jié)空間速度向笛卡兒空間速度的映射。會隨著機械臂位形的變化而變化。在奇異點，雅可比矩陣不可逆。例子：機槍需跟蹤飛機兩個自由度：方位角、仰角A=15º，E=25º，容易被擊落。A=15º，

20、E=70º，仰角增大，飛過正上方，容易逃脫。機槍豎直向上或接近這種方位時，工作越來越不理想：目標越接近正上方，需要越大的速度繞方位軸轉動。正上方，無窮大的轉動速度。,機構奇異性：原來有兩個自由度來確定機槍的方位，機槍豎直向上時，機槍的方向與方位角轉軸共線，此時方位角轉動改變不了機槍的方向，即其中一個轉動關節(jié)失效了，就像只有一個自由度（僅有仰角）。即機構局部退化。機構奇異性不影響機械臂在工作空間內的定位，但在奇異

21、點附近運動時會出現一些問題。一般來說，奇異點不可預測，汽車廠的機械臂有保護網。,機械臂動力學（第6章）為了使機械臂從靜止開始加速，使末端執(zhí)行器以恒定的速度作直線運動，最后減速停止，必須通過關節(jié)驅動器（電機、氣缸、液壓缸、人工肌肉等）產生一組復雜的力矩函數來實現。力矩函數取決于路徑的空間形式和瞬時特性、連桿和負載的質量特性以及關節(jié)摩擦等因素。動力學方程的第一個用途：求解這些關節(jié)力矩函數。動力學方程的第二個用途：計算加速度，對

22、機械臂的運動進行仿真，如圖。,機械臂軌跡生成（第7章）一點運動到另一點，各關節(jié)同時開始和停止運動，機械臂的運動才顯得協(xié)調。通常方法是，每個關節(jié)按照指定的時間連續(xù)函數來運動。軌跡生成：如何計算這些運動函數。如圖中間點：位于初始位置和期望位置之間的過渡點。期望機械臂的運動是平滑的。為了使末端執(zhí)行器在笛卡兒空間走出一定軌跡，必須將其轉化為一系列的等效的關節(jié)運動。,機械臂設計與傳感器（第8章）機械臂是多用途的裝置，但經

23、濟上考慮，應該有預期執(zhí)行的任務來決定其設計?？紤]：幾何尺寸、速度、承載能力、關節(jié)數量、關節(jié)分布、驅動器的選擇、傳動系統(tǒng)、傳感器等，如圖，這些會影響工作空間的大小和性質、結構的剛度等。專用機器人：為特定任務設計。根據任務考慮關節(jié)數目：如，電路板裝配電器元件的專用機器人，僅需四個關節(jié)，三個用于定位，第四個可以使被抓取得元件繞垂直軸旋轉。通用機器人：能夠完成各種任務。“合適的”最小關節(jié)數量是六個。,機械臂線性位置控制（第9

24、章）在位置控制問題上，僅依靠動力學本身來計算產生期望運動的力矩不能解決問題，是一種開環(huán)的控制。要考慮自動補償由于系統(tǒng)參數引起的誤差，以及抑制引起系統(tǒng)偏離期望軌跡的擾動。為此，通過閉環(huán)控制算法對位置和速度傳感器進行檢測，以計算出驅動器的力矩指令，如圖?？蓪C械臂的動力學進行近似線性化。,機械臂非線性位置控制（第10章）一個倒立擺或一個單連桿機械臂的模型，如圖：非線性控制技術比簡單的線性控制方法具有更好的性能。,機械臂編程語言

25、及編程系統(tǒng)（第12章）機器人編程語言是用戶和工業(yè)機器人交互的接口。機器人機械臂與專用的自動化裝置不同的是它們具有“柔性”，即可編程。還能與其他的工廠自動化裝備進行通信，在執(zhí)行任務的過程中還能適應各種變化。對機器人編程語言的要求：1.能夠建立世界模型，如坐標系2.能夠描述機器人的作業(yè)，如給出作業(yè)順序3.能夠描述機器人的運動，如VAL中，move goal14.允許用戶規(guī)定執(zhí)行流程，如循環(huán)、轉移、中斷等5.要有良好的編程環(huán)境