工業機器人原理

第一部分—機器人的發展概況

     “機器人”一詞的由來，1920年，捷克劇作家卡里洛·奇別克在其科幻劇本《羅薩姆萬能機器人制造公司》(Rossum’s Universal Robots)首次使用了ROBOT這個名詞，意思是“人造的人”?，F在已被人們作為機器人的專用名詞。

第一代機器人

    19世紀50、60年代，隨著機構理論和伺服理論的發展，機器人進入了實用階段。1954年美國的G. C. Devol發表了“通用機器人”專利；1960年美國AMF公司生產了柱坐標型Versatran機器人，可進行點位和軌跡控制，這是世界上第一種應用于工業生產的機器人。

        70年代，隨著計算機技術、現代控制技術、傳感技術、人工智能技術的發展，機器人也得到了迅速的發展。1974年Cincinnati Milacron公司成功開發了多關節機器人；1979年，Unimation公司又推出了PUMA機器人，它是一種多關節、全電機驅動、多CPU二級控制的機器人，采用VAL專用語言，可配視覺、觸覺、力覺傳感器，在當時是技術最先進的工業機器人?，F在的工業機器人在結構上大體都以此為基礎。這一時期的機器人屬于“示教再現”（Teach-in / Playback）型機器人，只具有記憶、存儲能力，按相應程序重復作業，對周圍環境基本沒有感知與反饋控制能力。

第二代機器人

    進入80年代，隨著傳感技術，包括視覺傳感器、非視覺傳感器（力覺、觸覺、接近覺等）以及信息處理技術的發展，出現了第二代機器人——有感覺的機器人。它能夠獲得作業環境和作業對象的部分相關信息，進行一定的實時處理，引導機器人進行作業。第二代機器人已進入了使用化，在工業生產中得到了廣泛應用。

第三代機器人

   目前正在研究的“智能機器人”，它不僅具有比第二代機器人更加完善的環境感知能力，而且還具有邏輯思維、判斷和決策能力，可根據作業要求與環境信息自主地進行工作。

第二部分—機器人的定義

美國機器人協會(RIA):機器人是一種用于移動各種材料、零件、工具或專用裝置，通過程序動作來執行各種任務，并具有編程能力的多功能操作機?？梢?，這里的機器人是指工業機器人。

日本工業機器人協會(JIRA):工業機器人是一種裝備有記憶裝置和末端執行裝置的、能夠完成各種移動來代替人類勞動的通用機器。

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操作機，這種操作機具有幾個軸，能夠借助可編程操作來處理各類材料、零件、工具和專用裝置，以執行各種任務。

機器人集中了機械工程、電子技術、計算機技術、自動控制原理以及人工智能等多學科的最新研究成果，代表了機電一體化的最高成就，是當代科學技術發展最活躍的領域之一。工程技術人員了解和學習機器人學具有重要的意義。

第三部分—機器人系統的基本結構

1.機械本體：機器人的機械本體機構基本上分為兩大類，一類是操作本體機構，它類似人的手臂和手腕，另一類為移動型本體結構，主要實現移動功能。
 2.驅動伺服單元：伺服單元的作用是使驅動單元驅動關節并帶動負載按預定的軌跡運動。已廣泛采用的驅動方式有：液壓伺服驅動、電機伺服驅動，氣動伺服驅動。

3.計算機控制系統：各關節伺服驅動的指令值由主計算機計算后，在各采樣周期給出。機器人通常采用主計算機與關節驅動伺服計算機兩級計算機控制。

4.傳感系統：除了關節伺服驅動系統的位置傳感器（稱作內部傳感器）外，還配備視覺、力覺、觸覺、接近覺等多種類型的傳感器（稱作外部傳感器）。

5.輸入/輸出系統接口：為了與周邊系統及相應操作進行聯系與應答，還應有各種通訊接口和人機通信裝置。

第四部分—機器人的技術參數

?自由度：機器人所具有的獨立運動坐標軸的數目，有時海包括手爪（末端操作器）的開合自由度。在三維空間中描述一個物體的位姿（位置和姿態）需要6個自由度。工業機器人的自由度是根據其用途而設計的，可能小于6個自由度，也可能大于6個自由度。例如，A4020裝配機器人具有4個自由度，可以在印刷電路板上接插電子器件，PUMA562機器人具有6個自由度，可以進行復雜空間曲面的弧焊作業。

?精度：包括定位精度和重復定位精度。定位精度是指機器人手部實際到達位置與目標位置之間的差異。重復定位精度是指機器人手部重復定位于同一目標位置的能力（用標準偏差表示）。

?工作空間：機器人手臂末端或手腕中心所能達到的所有點的集合（包括形狀和大?。?。

?最大工作速度：指工業機器人主要自由度上最大的穩定速度，或手臂末端的最大合成速度。

?承載能力：指機器人在工作范圍內的任何位姿上所能承受的最大重量。承載能力不僅不僅決定于負載的質量，還與機器人運行的速度和加速度有關。

第五部分—機器人運動學

運動學正問題：已知機器人各桿件的幾何參數和關節變量，求末端執行器相對于笛卡兒坐標系的位置和姿態。

運動學逆問題：已知機器人各桿件的幾何參數，給定末端執行器相對于笛卡兒坐標系的位置和姿態，確定關節變量的大小。

一個剛體在三維空間中具有6個自由度，即3個移動自由度和3個轉動自由度。

雅可比矩陣在機器人技術中占有重要地位：利用雅可比矩陣可以建立機器人末端執行器在笛卡兒坐標系中的速度與各關節速度間的關系，以及外界環境對末端執行器的作用力/力矩與各關節力/力矩間的關系。

對于n自由度的機器人，其關節變量為 ,機器人末端執行器在笛卡兒坐標系中的位置求導可得

雅可比矩陣的應用之一：分離速度控制

當n≠6時，J不是方陣，雅可比矩陣的逆用其偽逆

當采用計算機控制時，把速度表示為位置增量的形式

當要求機器人沿某軌跡運動時，△P為已知，由上式求得關節變量的增量△Q，于是可以確定各關節的變量值，由伺服系統實現位置控制。

雅可比矩陣的應用之二：靜力學分析

機器人末端執行器與外界環境的接觸力為 n個關節的驅動力為 

則

第六部分—機器人動力學

機器人動力學是研究機器人各關節的驅動力/力矩與機器人末端執行器的位姿、速度和加速度之間的動態關系。由于機器人的復雜性，其動力學模型通常是一個多自由度、多變量、高度非線性、多參數耦合的復雜系統。建立機器人動力學模型的方法主要有拉格朗日法和牛頓－歐拉法。

第七部分—機器人的控制—軌跡控制

“運動控制”控制律簡單，易于實現。但難以保證機器人具有良好的動態和靜態品質，主要應用于定點控制。

“動態控制”可使機器人具有良好的動態和靜態品質，但需要在線進行機器人動力學計算，主要應用于軌跡跟蹤控制。

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