机器人学

智能机器人最大特点是:只需要告诉它"做什么" 智能机器人最大特点是:只需要告诉它"做什么",而不用告诉 怎么做" 它 "怎么做". 智能机器人应具有四种机能: 智能机器人应具有四种机能: 运动机能——相当于人的手和脚,臂和腿的工作机能,对环境 相当于人的手和脚,臂和腿的工作机能, 运动机能 相当于人的手和脚 施加作用; 施加作用; 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 获取外部环境信息以便进行自我行动决策和监视 感知机能 的机能,通常讲的视觉,听觉等; 的机能,通常讲的视觉,听觉等; 思维机能——求解问题的认识,推理,判断机能; 求解问题的认识,推理,判断机能; 思维机能 求解问题的认识 机通信机能——理解指示命令,输出内部状态,与人进行 理解指示命令, 人— 机通信机能 理解指示命令 输出内部状态, 信息交换的机能. 信息交换的机能. 智能" 特征在于它具有与外部世界:对象, 智能机器人的 "智能" 特征在于它具有与外部世界:对象,环 境和人相适应,相协调的工作机能.从控制方式看, 境和人相适应,相协调的工作机能.从控制方式看,智能机器人不 同于工业机器人的 " 示教再现 " ,也不同于遥控机器人的 认知— " 主—从操纵 " ,而是以一种 " 认知 适应 " 的方式自律的进 从操纵 行操作. 行操作.
机 器 人 技 术 基 础
教学内容: 教学内容:机器人运动学 机器人动力学 机器人轨迹规划 机器人的控制 教学时数: 学时 教学时数:32学时
第一章
概
述
通常讲的机器人,是指工业机器人,机械手等, 通常讲的机器人,是指工业机器人,机械手等, 从外形来看,它和人的手臂相似, 从外形来看,它和人的手臂相似,和"人"并不相似 工业机器人的连杆相当于人的骨架,分别类似 工业机器人的连杆相当于人的骨架, 于胸, 于胸,上臂和小臂 工业机器人的关节相当于人的腰关节,肩关节, 工业机器人的关节相当于人的腰关节,肩关节, 肘关节和腕关节 操作臂的前端装有末端执行器和相应的工具, 操作臂的前端装有末端执行器和相应的工具, 也常称为手和手爪. 也常称为手和手爪.
* P表示移动关节;R表示转动关节
1. 直角坐标机器人
这种机器人的三个关节都是移动副,关节轴线相互垂直. 这种机器人的三个关节都是移动副,关节轴线相互垂直.手腕参考 点P的位置可表示为 P=P (x,y,z).主要特点是:结构刚度高;运动学求 的位置可表示为 .主要特点是:结构刚度高; 解简单;工件的装卸,夹具的安装等受到立柱,横梁等构件的限制; 解简单;工件的装卸,夹具的安装等受到立柱,横梁等构件的限制; 占地面积大,动作范围小;操作灵活性差. 占地面积大,动作范围小;操作灵活性差.
一,操作臂工作空间形式 操作臂工作空间形式 机器人手臂关节的种类决定了操作臂工作空间的形式.按关节的 形式操作臂工作空间形式分成五类 机器人 直角坐标式 圆柱坐标式 球(极)坐标式 SCARA 关节式 关节 1 P R R R R 关节 2 P P R R R 关节 3 P P P P R 旋转关节数 0 1 2 2 3
2.三轴垂直相交的手腕
三自由度手腕的θ1与 , 与 的轴线垂直 三轴交于一点. 的轴线垂直, 三自由度手腕的 与θ2,θ2与θ3的轴线垂直,三轴交于一点. 它是由安装在远距离的驱动装置带动几组伞齿轮旋转. 它是由安装在远距离的驱动装置带动几组伞齿轮旋转. 设输入的转角是φ 相互啮合的齿轮齿数相等, 设输入的转角是 1,φ2和φ3 ,相互啮合的齿轮齿数相等,则输 θ3 =2φ1+φ2-φ3 出的关节角为 θ1=φ1 θ2 =φ1-φ2 三轴垂直相交的手腕,在理论上(即关节角可转3600的情况下) 三轴垂直相交的手腕,在理论上(即关节角可转 的情况下) 可以达到任意的姿态,但是由于关节角通常受到结构的限制, ,可以达到任意的姿态,但是由于关节角通常受到结构的限制,并非 能够达到任意姿态. 能够达到任意姿态.
§1.3 机器人结构
机器人操作臂:由连杆和关节顺序相连的开式链. 机器人操作臂:由连杆和关节顺序相连的开式链. 机器人关节: 称运动副,决定两个相邻连杆之间的连接关系. 机器人关节: 称运动副,决定两个相邻连杆之间的连接关系. 运动副高副和低副: 运动副高副和低副: 两连杆之间相对运动, 若是面接触,称为低副结构; 两连杆之间相对运动, 若是面接触,称为低副结构; 若是线接触或点接触,则称为高副结构. 若是线接触或点接触,则称为高副结构. 常见的低副结构有六种:旋转副,移动副和螺旋副具有一个自由度; 常见的低副结构有六种: 旋转副 ,移动副和螺旋副具有一个自由度; 圆柱副具有两个自由度; 圆柱副具有两个自由度; 平面副和球面副具有三个自由度. 平面副和球面副具有三个自由度.
5.关节式机器人 . 这类机器人有三个转动关节,一个肩关节绕铅直轴旋转, 这类机器人有三个转动关节,一个肩关节绕铅直轴旋转,另一个 肩关节实现俯仰,这两个肩关节轴线正交.手腕参考点P的位置可表 肩关节实现俯仰,这两个肩关节轴线正交.手腕参考点 的位置可表 示为P=P (φ1, φ2 , φ3 ).在作业空间内手臂的干涉最小,结构紧凑, 示为 .在作业空间内手臂的干涉最小,结构紧凑, 占地面积小,关节上相对运动部位容易密封防尘, 占地面积小,关节上相对运动部位容易密封防尘,这类机器人运动学 较复杂,运动学反解困难;确定末端件的位姿不直观,进行控制时, 较复杂,运动学反解困难;确定末端件的位姿不直观,进行控制时, 计算量比较大. 计算量比较大.
§1.2 机器人的应用
二,机器人研究的现状 第一代机器人具有示教再现功能或可编程的数控系统,设有位置, 第一代机器人具有示教再现功能或可编程的数控系统,设有位置, 速度,力等内部传感器及其控制系统和伺服机构. 速度,力等内部传感器及其控制系统和伺服机构. 第二代机器人:不仅具有内部传感器,还能利用外部传感器探测 第二代机器人:不仅具有内部传感器, 外部环境和操作对象的有关信息,来改变行动,进行规划, 外部环境和操作对象的有关信息,来改变行动,进行规划,适应外界 的变化和干扰. 的变化和干扰.第二代机器人的中心技术是传感器技术和微机控制技 术. 第三代机器人:即智能机器人,极大的扩展机器人的应用领域, 第三代机器人:即智能机器人,极大的扩展机器人的应用领域, 是当前研究的重点.智能机器人本身能够认识工作环境, 是当前研究的重点.智能机器人本身能够认识工作环境,工作对象及 其状态, 认识环境的结果, 其状态,它根据人给与的指令和 " 自身 " 认识环境的结果,独立的 决定工作方式,由操作机构和移动机构实现任务目标, 决定工作方式,由操作机构和移动机构实现任务目标,并能适应工作 环境的变化. 环境的变化.
3. 连续转动的手腕
这种手腕有三个相交的关节轴,但不相互垂直.其特点是三个关节 角不受限制,可以转3600,达到连续转动.但是这种非正交轴的手腕不可 能使末端件达到任意的姿态,手腕的第三轴不可达到的方位在空间是一个 维体.在使用时,将手腕安装到手臂上的位置使得手臂连杆恰好占据不可 达到的锥空间. ,
Z P
θ
r
φ
y
4.SCARA机器人 这类机器人有两(或三)个轴线平行的转动关节,另有一个 移动关节,手腕参考点P的位置可表示为 P=P (φ1, φ2 , Z ). 这类机器人结构轻便,响应快,机器人运动速度可达 10m/s ,比一般关节式机器人快数倍.他最适用于平面定位,垂直方向 进行装配的作业.
§1.2 机器人的应用
一,机器人的应用 1,工业机器人 , 工业机器人大多用于简单,重复,繁重的工作,如上,下料,搬 运等,以及工作环境恶劣的场所,如喷漆,焊接,清砂和清理核废料 等. 2,极限环境作业机器人 , 机器人代替人类在有危险的环境里工作,如有放射性的地方,被 污染的环境,煤矿,深海和太空等极限恶劣 环境,高层建筑或油田灭 火等环境. 3,医疗福利机器人 , 对患有先天性疾病,慢性病或因意外事故失去部分人体机能的病 人进行补偿的机械和用来为残疾人服务的机械统称医疗福利机器人. 如动力假肢,护理机器人,导盲犬机器人等.
Z P X Y
2.圆柱坐标机器人 . 这种机器人的两个关节是移动副,一个关节是转动副.以θ,z ,r 构成圆柱坐标系,手腕参考点P的位置可表示为 P=P (θ,z , r ). 这种机器人的主要特点是空间定位比较直观.手臂收回后,其后 端可能与工作空间的其它物体相碰,移动副不易保护.
Z P
θ r
3.球(极)坐标机器人 . 这种机器人的两个关节是转动副,一个关节是移动副. 这种机器人的两个关节是转动副,一个关节是移动副.以θ,φ ,r , 构成极坐标系 手腕参考点P的位置可表示为 坐标系, 构成极坐标系,手腕参考点 的位置可表示为 P=P (θ, φ , r ). . 这类机器人占地面积小,工作空间较大,但移动关节不易防护. 这类机器人占地面积小,工作空间较大,但移动关节不易防护.
二,手腕的形式 机器人的手腕是手臂与手爪之间的衔接部分, 机器人的手腕是手臂与手爪之间的衔接部分,用于改变手爪在空间 的方位.有些手腕往往还装有力传感器,用于检测外力的作用. 的方位.有些手腕往往还装有力传感器,用于检测外力的作用.手腕的 结构一般比较复杂,直接影响机器人的灵巧性. 结构一般比较复杂,直接影响机器人的灵巧性.最普遍的手腕是由二个 或三个相互垂直的关节轴组成, 或三个相互垂直的关节轴组成,手腕的第一个关节就是机器人的第四个 关节. 关节. 1. 二自由度球形手腕 最简单的手腕是Picth-Roll球形手腕 最简单的手腕是 球形手腕 由三个锥齿轮A, , 组成差动机 .由三个锥齿轮 ,B,C组成差动机 其中齿轮C与工具 与工具Roll轴固接,而 轴固接, 构,其中齿轮 与工具 轴固接 齿轮A和 分别通过链传动 分别通过链传动( 齿轮 和B分别通过链传动(或齿形皮 与两个驱动马达相连, 带)与两个驱动马达相连,形成差动机 当齿轮A和 同速反向旋转时 同速反向旋转时, 构.当齿轮 和B同速反向旋转时,工 具绕Roll轴转动,转速与 轴转动, 相同; 具绕 轴转动 转速与A(B)相同;当 相同 齿轮A和 同速同向旋转时 同速同向旋转时, 齿轮 和B同速同向旋转时,工具将绕 Picth轴转动.一般情况下,其转动是 轴转动. 轴转动 一般情况下, 上述两种旋转的合成. 上述两种旋转的合成.即 θr=1/2(φA-φB),θp=1/2(φA+φB)
机器人定义
机器人是实现柔性自动化中最典型的机电 一体化装置,是由各种外部传感器引导的, 一体化装置,是由各种外部传感器引导的,带 有一个或多个末端执行器,利用计算机软件, 有一个或多个末端执行器,利用计算机软件, 在其工作空间内对真实物体进行操作的, 在其工作空间内对真实物体进行操作的,可控 制的机械装置. 制的机械装置
机器人学是一门研究机器人的设计, 机器人学是一门研究机器人的设计,制造和使用的学科 机器人的出现引起了许多科学和技术的变革,特别的,对于设 计和控制领域的影响是难以估量的. 机器人设计的特点: 机器人设计的特点: 1. 操作臂的串联开式结构,存在误差和变形的累积,机械刚度, 精度都很差. 2. 操作臂的开链结构使得操作臂的位移方程非常复杂,因此, 需要寻求有效的分析方法来建立操作臂的运动方程及其反解. 3. 操作臂的动力学求解非常复杂,是个多输入,多输出的非线 性的强耦合的位置时变的动力学系统. 4. 建立机器人有效的控制系统设计方法 5. 开发有效的手段和装置来识别工件位置,并将其坐标信息与 其它外设进行通信.
腰关节 肩关节 肘关节 腕关节
§1.1 机器人ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ自动化
数控(NC)装置是柔性自动化的中心环节,也是工 数控(NC)装置是柔性自动化的中心环节, 基础之一.图示为带视觉系统的NC搬 业机器人技术 基础之一.图示为带视觉系统的NC搬 运机器人的工作情况. 运机器人的工作情况.
工业机器人的产生还和遥控机械手有关系