機(jī)器人-第1章

1、教材：機(jī)器人學(xué)導(dǎo)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(jī)器人學(xué)》，清華大學(xué)出版社。參考資料：機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論——分析、系統(tǒng)及應(yīng)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(jìn)機(jī)器人控制》，高等教育出版社。比較知名的刊登機(jī)器人方面研究成果的期刊：《Advanced Robotics》，《Autonomous Robots》, 《Journal of Robotic System》，《機(jī)器人》，《自動化學(xué)報》，《機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用》，《控制理論與應(yīng)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(xué)時、實驗12學(xué)時考核：仿真作業(yè)，實驗報告，課程論文（綜述）,機(jī)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(xiàn)給周穆王一個歌舞機(jī)器人（藝伎）的故事。公元2012年，央視春晚，機(jī)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(jī)器人雛形,,第1章 緒論,機(jī)器人的由來(2/2)1768-1

4、774，瑞士鐘表匠制作的木偶機(jī)器人，自動書寫、自動演奏1893年，加拿大摩爾設(shè)計的能行走的機(jī)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(jī)器人》中，提出機(jī)器人三守則：一.機(jī)器人不得傷害人，也不得見人受到傷害而袖手旁觀二.機(jī)器人應(yīng)服從人的一切命令，但不得違反第一定律三.機(jī)器人應(yīng)保護(hù)自身的安全，但不得違反第一、第二定律 1954

5、年美國人設(shè)計了第一臺電子可編程機(jī)器人1962年美國萬能自動化（Unimation）公司的全球第一臺機(jī)器人Unimate，在美國通用（GM）公司使用，標(biāo)志著第一代機(jī)器人的誕生。,機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀(1/3),北美工業(yè)機(jī)器人的裝運量（單位：百萬美元）,各種用途工業(yè)機(jī)器人的年安裝量,20世紀(jì)90年代即機(jī)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，母公司鴻海科技集團(tuán)，內(nèi)地習(xí)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(chǎn)線上的機(jī)器人數(shù)量以完成簡單重復(fù)的工作：明年達(dá)30萬臺，3年后機(jī)器人規(guī)模達(dá)100萬臺。 （摘自新浪財經(jīng),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(nèi)暫停招工。據(jù)記者了解，富士康將加快機(jī)器人應(yīng)用。,機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀(2/3),機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀(3/3)2015年1月6日，工信部國際經(jīng)濟(jì)技術(shù)合作中心主任龔曉峰做客中國經(jīng)濟(jì)網(wǎng)《經(jīng)濟(jì)熱點面對面》時指出，我國的機(jī)器人產(chǎn)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(jī)器人，同比增長60%，預(yù)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(guān)規(guī)劃，并在近兩年間對全國情況進(jìn)行摸底和調(diào)查，在接下來編制“十三五”規(guī)

8、劃中，將結(jié)合智能制造整個大環(huán)境，以及從制造大國向制造強(qiáng)國轉(zhuǎn)變的使命來制定相關(guān)政策，營造相關(guān)環(huán)境。目前我國和機(jī)器人產(chǎn)業(yè)相關(guān)的公司有400多家，以中小企業(yè)為主，最大的公司產(chǎn)值大概在十幾億元左右。,機(jī)器人的定義(1/2)英國牛津字典：貌似人的自動機(jī)，具有智力和順從于人但不具有人格的機(jī)器。（到目前為止，還沒有與人類相似的機(jī)器人，理想的機(jī)器人）美國機(jī)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?qū)Ｓ醚b置的，通過可編程序動作來執(zhí)行各種任務(wù)，并具有編程能力的多功能機(jī)械手。（不全面，指工業(yè)機(jī)器人）日本工業(yè)機(jī)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(zhuǎn)動并通過自動完成各種移動來代替人類勞動的通用機(jī)器。（包括工業(yè)機(jī)器人和智能機(jī)器人）國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO：機(jī)器人是一種自動的、位置可控的、具有編程能力的多功能機(jī)械手，

10、這種機(jī)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(wù)。（與RIA的類似）,機(jī)器人的定義(2/2)中國：一種擬人功能的機(jī)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(jī)器或機(jī)械電子裝置,機(jī)器人分類,按執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動力方式來劃分：電氣驅(qū)動液壓驅(qū)動氣動其他：壓電陶瓷、形狀記憶合金、磁致伸縮驅(qū)動器等按智能程度來劃分：一般機(jī)

11、器人：只具有一般編程能力和操作功能。智能機(jī)器人：具有不同程度的智能，如可進(jìn)行人-機(jī)對話、可無需人的干預(yù)下的自主執(zhí)行任務(wù)。按移動性來劃分：固定式機(jī)器人：整臺機(jī)器人（或機(jī)械臂）不能移動，只能移動各個關(guān)節(jié)移動機(jī)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(jī)器人（機(jī)械臂、機(jī)械手）,,,,,,,,,,,機(jī)器人,,工業(yè)機(jī)器人,,特種機(jī)器人,,服務(wù)機(jī)器人,,水下機(jī)器人,,軍用機(jī)器人,,農(nóng)業(yè)機(jī)器人,,

12、機(jī)器人化機(jī)器,,仿人形機(jī)器人,,娛樂機(jī)器人,,空間機(jī)器人,,,,,,,,,,,,,微機(jī)器人,,,醫(yī)用機(jī)器人,,,,按坐標(biāo)形式分類 ：笛卡爾坐標(biāo)結(jié)構(gòu)、圓柱面坐標(biāo)結(jié)構(gòu)、極坐標(biāo)結(jié)構(gòu)、球面坐標(biāo)結(jié)構(gòu)和關(guān)節(jié)式球面坐標(biāo)（鉸接型）結(jié)構(gòu),笛卡爾坐標(biāo)（直角坐標(biāo)）,球面坐標(biāo),圓柱面坐標(biāo),關(guān)節(jié)式球面坐標(biāo)（鏈?zhǔn)阶鴺?biāo)）,平面坐標(biāo),按控制類型來劃分：點位控制（非伺服控制）：按照預(yù)先編好的程序順序進(jìn)行工作，使用終端限位開關(guān)、制動器、插銷板和定序器來控制機(jī)械臂的運

13、動。可靠性強(qiáng)、能力較弱。連續(xù)控制（伺服控制）：被控制量（輸出）可為機(jī)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(qiáng)，可靠性低一點。,機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展方向,智能化高性能的傳感器，驅(qū)動器和執(zhí)行器的研究解決機(jī)器人在特殊領(lǐng)域的邏輯推理、思維和自主決策能力解決人和機(jī)器的協(xié)調(diào)共處讓機(jī)器人具有情感 模塊化 部件構(gòu)造上的標(biāo)準(zhǔn)化 多機(jī)化 多機(jī)協(xié)調(diào)作業(yè) 家庭化 極限化 太空、深海、火山 微型

14、化,課程內(nèi)容（講授部分）：機(jī)器人的空間描述與變換（第2章）機(jī)器人運動學(xué)（第3章）機(jī)器人逆運動學(xué)（第4章）機(jī)器人速度（第5章）機(jī)械臂動力學(xué) （第6章）機(jī)器人運動規(guī)劃 （第7章）機(jī)械臂的機(jī)械設(shè)計 （第8章）機(jī)械臂的線性控制 （第9章）機(jī)械臂的非線性控制 （第10章）課程內(nèi)容（實驗部分）：機(jī)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(guān)心的是機(jī)械臂的桿件、零部件、抓持工具和操作空間內(nèi)的其他物體的位置和

15、姿態(tài)。一般先將一個空間坐標(biāo)系固連于物體上，然后選一個作為參考坐標(biāo)系，以此研究空間物體的位置和姿態(tài)。任一坐標(biāo)系都能用作參考坐標(biāo)系，要研究同一物體在不同坐標(biāo)系中空間位姿的描述方法和數(shù)學(xué)計算方法。,機(jī)械臂正運動學(xué)（第3章）運動學(xué)：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(jī)械臂都是有剛性連桿組成，相鄰連桿間由關(guān)節(jié)連接。關(guān)節(jié)通常有傳感器來測量關(guān)節(jié)角（轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)）或關(guān)節(jié)偏距（移動

16、關(guān)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(zhuǎn)2）機(jī)器人的自由度操作臂中具有獨立位置變量的數(shù)目，這些位置變量確定了機(jī)構(gòu)中所有部件的位置。機(jī)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(guān)鍵詞：獨立對于機(jī)械機(jī)構(gòu)，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(jī)構(gòu)只有一個自由度。典型的工業(yè)機(jī)器人是一種開放的運動鏈，每個關(guān)節(jié)位置通常是一個獨立的變量，所以關(guān)節(jié)的個數(shù)等于自由度的數(shù)目。,5個自由度（2個冗余自由度）,4個自由度，若要空間內(nèi)在任何方向上定向，需另外2個自由度,工具坐標(biāo)系：附著在末端執(zhí)行器上?；鴺?biāo)系：與機(jī)械臂固定底座相連。機(jī)械臂正運動學(xué)：給定一組關(guān)節(jié)角的值，計算

18、工具坐標(biāo)系相對于基坐標(biāo)系的位置和姿態(tài)，如圖。稱為從關(guān)節(jié)空間到笛卡兒空間描述的機(jī)械臂位置表示。笛卡兒坐標(biāo)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(wù)空間或操作空間。,機(jī)械臂逆運動學(xué)（第4章）問題：給定機(jī)械臂末端執(zhí)行器的位置和姿態(tài)，計算所有可達(dá)給定位置和姿態(tài)的關(guān)節(jié)角，如圖。即“定位”映射問題：將機(jī)械臂末端的位姿從三維笛卡兒空間向內(nèi)部關(guān)節(jié)空間的映射。困難：運動學(xué)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(xué)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(biāo)點處于工作空間之外，因此機(jī)械臂不能達(dá)到這個期望位姿。,機(jī)械臂的速度、靜力和奇異性（第5章）分析機(jī)械臂的運動問題雅可比矩陣：從關(guān)節(jié)空間速度向笛卡兒空間速度的映射。會隨著機(jī)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(jī)槍需跟蹤飛機(jī)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(jī)槍豎直向上或接近這種方位時，工作越來越不理想：目標(biāo)越接近正上方，需要越大的速度繞方位軸轉(zhuǎn)動。正上方，無窮大的轉(zhuǎn)動速度。,機(jī)構(gòu)奇異性：原來有兩個自由度來確定機(jī)槍的方位，機(jī)槍豎直向上時，機(jī)槍的方向與方位角轉(zhuǎn)軸共線，此時方位角轉(zhuǎn)動改變不了機(jī)槍的方向，即其中一個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)失效了，就像只有一個自由度（僅有仰角）。即機(jī)構(gòu)局部退化。機(jī)構(gòu)奇異性不影響機(jī)械臂在工作空間內(nèi)的定位，但在奇異

21、點附近運動時會出現(xiàn)一些問題。一般來說，奇異點不可預(yù)測，汽車廠的機(jī)械臂有保護(hù)網(wǎng)。,機(jī)械臂動力學(xué)（第6章）為了使機(jī)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(guān)節(jié)驅(qū)動器（電機(jī)、氣缸、液壓缸、人工肌肉等）產(chǎn)生一組復(fù)雜的力矩函數(shù)來實現(xiàn)。力矩函數(shù)取決于路徑的空間形式和瞬時特性、連桿和負(fù)載的質(zhì)量特性以及關(guān)節(jié)摩擦等因素。動力學(xué)方程的第一個用途：求解這些關(guān)節(jié)力矩函數(shù)。動力學(xué)方程的第二個用途：計算加速度，對

22、機(jī)械臂的運動進(jìn)行仿真，如圖。,機(jī)械臂軌跡生成（第7章）一點運動到另一點，各關(guān)節(jié)同時開始和停止運動，機(jī)械臂的運動才顯得協(xié)調(diào)。通常方法是，每個關(guān)節(jié)按照指定的時間連續(xù)函數(shù)來運動。軌跡生成：如何計算這些運動函數(shù)。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(jī)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(zhuǎn)化為一系列的等效的關(guān)節(jié)運動。,機(jī)械臂設(shè)計與傳感器（第8章）機(jī)械臂是多用途的裝置，但經(jīng)

23、濟(jì)上考慮，應(yīng)該有預(yù)期執(zhí)行的任務(wù)來決定其設(shè)計?？紤]：幾何尺寸、速度、承載能力、關(guān)節(jié)數(shù)量、關(guān)節(jié)分布、驅(qū)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(zhì)、結(jié)構(gòu)的剛度等。專用機(jī)器人：為特定任務(wù)設(shè)計。根據(jù)任務(wù)考慮關(guān)節(jié)數(shù)目：如，電路板裝配電器元件的專用機(jī)器人，僅需四個關(guān)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(zhuǎn)。通用機(jī)器人：能夠完成各種任務(wù)?！昂线m的”最小關(guān)節(jié)數(shù)量是六個。,機(jī)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(xué)本身來計算產(chǎn)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(bǔ)償由于系統(tǒng)參數(shù)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(jìn)行檢測，以計算出驅(qū)動器的力矩指令，如圖?？蓪C(jī)械臂的動力學(xué)進(jìn)行近似線性化。,機(jī)械臂非線性位置控制（第10章）一個倒立擺或一個單連桿機(jī)械臂的模型，如圖：非線性控制技術(shù)比簡單的線性控制方法具有更好的性能。,機(jī)械臂編程語言

25、及編程系統(tǒng)（第12章）機(jī)器人編程語言是用戶和工業(yè)機(jī)器人交互的接口。機(jī)器人機(jī)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(jìn)行通信，在執(zhí)行任務(wù)的過程中還能適應(yīng)各種變化。對機(jī)器人編程語言的要求：1.能夠建立世界模型，如坐標(biāo)系2.能夠描述機(jī)器人的作業(yè)，如給出作業(yè)順序3.能夠描述機(jī)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(zhuǎn)移、中斷等5.要有良好的編程環(huán)境