机器人系统组成结构
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机器人控制系统负责协调、管理、控制系统的所有部件进行工作 ，其基本功能包括：
记忆功能 与外围设备联系功能 示教功能 人机接口 位置伺服功能 传感器接口 故障诊断安全保护功能
22
三、控制系统
机器人控制系统框图
23
三、控制系统
3 机器人控制系统结构
机器人控制系统可分为集中控制、主从控制、分散控制
集中控制：所有控制工作由一台计算机（CPU）完成
2 系统概念
机械系统:由关节连在一起的许多机械连杆的集合体，形成开 环运动学链系;
驱动系统:使各种机械部件产生运动的装置; 感知系统:获取内部和外部环境中的有用信息，通过这些信息
确定机械部件各部分的运行状态; 控制系统:通过作业指令及反馈信息支配执行机构完成规定动
作的处理单元,包括闭环和开环系统; 机器人环境交互系统:实现机器人与外部环境中的设备相互联
系和协调的系统; 人机交互系统:操作人员参与机器人控制并与机器人进行联系
的装置;
4
一、机器人组成概述
3 机器人部分术语及主要技术参数
关 节:即运动副，即手臂
各零件之间发生相对运动 的机构
连 杆:机器人手臂上被
相邻两关节分开的部分
5
一、机器人组成概述
3 机器人部分术语及主要技术参数
自由度:亦称坐标
柔性手：能抓取不同外形的物体，物体表面受力均匀 多指灵巧手：由多个手指组成，每一个手指有三个回转关节
多关节柔性手结构图
多指灵巧手结构图
11
二、机械系统组成
2 机器人的手腕
单自由度手腕 二自由度手腕 三自由度手腕
单自由度手腕示意图 二自由度手腕示意图
三自由度手腕示意图
12
二、机械系统组成
舵机 一种位置（角度）伺服的驱动器
以FUTABA-S3003为例，输出转角与输出 信号脉宽的关系如下图所示
一般舵机接口示意图
FUTABA-S3003
47
五、驱动系统
6 电动机-力矩电动机 力矩电动机 （torque motor）
直流力矩电机、交流力矩电机、和无刷直流力矩电机。
力矩电动机的轴不是以恒功率输出动力而是以恒力矩输出 动力。
36
四、感知系统
4传感器-检测类传感器
温度传感器： 数字量输出：以一定协议直接向外输出数字量 模拟量输出：一般为通过电阻的变化间接测量
18B20
PT100
37
四、感知系统
4传感器-检测类传感器
加速度传感器： 一种能够测量加速力的电子设备。
38
四、感知系统
4传感器-检测类传感器
陀螺仪： 角运动检测装置
其他重要参数：
承载能力:指机器人在工作范围内的任何位姿
上所能承受的最大负载
工作速度:单位时间内所移动的距离或转动的
角度。
刚度:机身或臂部在外力作用下抵抗变形的能
力。
8
二、机械系统组成
1 机器人机械系统组成
机器人机械结构通常由以下部分组成
手臂:连接机身和手腕的部分
手腕:连接手部和手臂的部件 手部:手腕上配置的操作机构，也称末端操作器 机身:机器人的基础部分，起支承作用 行走机构:机器人用来移动的重要装置
轮足混合型行走机构可提高行走效率
问题：大家觉得 轮足混合式机器 人主要优点是什 么？？
科学家最新研制的ATHLETE(全地 S形hrim六p全足地地形移外动探机器测人器)机器人
轮足混合是机器人 集中了轮式机器人 的高速高效和足式 机器人的特殊地形 适应性两种优势！
Fra Baidu bibliotek
21
三、控制系统
1机器人控制系统的基本功能
轴数，是指描述物 体运动所需要的独 立坐标数
工作空间：机器人
手腕参考点或末端操 作器安装点所能到达 的所有空间区域
PUMA机器人工作空间
6
一、机器人组成概述
3 机器人部分术语及主要技术参数
思考：人的手臂共有多少个自由度？
共有27个自由度!!
人臂与手的自由度示意图
7
一、机器人组成概述
3 机器人部分术语及主要技术参数
机器人传感器功能和作用: 检测机器人周围以及自身的环境信息
30
四、感知系统
1 传感器
问题：请列举你所了解的传感器类型
常见传感器：
光线类传感器 触觉开关类传感器 超声探测器 温度等检测类传感器 电源检测类传感器
31
四、感知系统
2 传感器-光传感器
光线传感器功能：测距、目标检测、颜色识 别等，
主要类别：激光、红外、视觉等
41
五、驱动系统
2驱动系统几个概念
刚性系统：对变化负载响应快、精度高 柔性系统：对变化负载响应慢、精度低 减速齿轮：用来增大工作转矩
如图电机及负载上的力矩及速 度比为：
Tl NTm
l
1 N
m
42
五、驱动系统
3电动类驱动器 电动驱动器类型和特点
电驱动
直流伺服电机驱动（包括直线电机） 交流伺服电机驱动 步进电机伺服驱动 舵机驱动 力矩电机
3机器人的手臂
手臂作用是支承腕部和手部，并将披抓取的 工件运送到给定的位置上
机器人手臂机械结构形式
13
二、机械系统组成
4机器人的机身
机身：与臂部相连，支承臂部
分类：
直线移动机身
回转与升降机身
该类机器人的运动形式大多为
该类机身主要包括回转与升降两
移动式
部分
横梁直线移动式机身
回转与升降式机身
14
9
二、机械系统组成
2 机器人手部
两类：工业机器人的手部和仿人机器人的手部。
工业机器人手部： 夹钳式手部 吸附式手部（气吸式、磁吸式）
夹钳式手部示意图 1手指；2、4传动机构；3驱动装置；5工件
吸附式手部示意图 真空吸附式、气流负压气吸式、挤压排气式
10
二、机械系统组成
2 机器人手部
仿人机器人的手部
MT9D111
OV7670
34
四、感知系统
3传感器-触碰类传感器
触碰类传感器： 非接触式、接触式
接触式：包括微
动开关、行程开关 、挡铁等
非接触式：
主要为接近开关
35
四、感知系统
4传感器-检测类传感器 其他传感器
增量式旋转编码器： 电机转速和角度的测量（机械式、电磁式）
主要技术参数：频率、线数
有刷 无刷
43
五、驱动系统
3电动机-直流电机的控制
直流 (DC)伺服电机
开环脉冲宽度调速系统的组成：
直流电机调速系统结构（开环）
44
五、驱动系统
4电动机-步进电机的控制
结构与工作原理描述
工作原理：
0100
0010
控制方法：
1000
0001
(1)给脉冲,对应一个步距
(2)改变频率,控制速度
(3)改变脉冲顺序,改变转动方向
在机器人感知系统中，陀螺仪作为一种惯性导航器件
国产单轴陀螺仪模块
进口单轴陀螺仪模块
39
四、感知系统
4传感器-检测类传感器
压力传感器
位移传感器
扭矩传感器
超声波测距传感器
电流检测传感器
40
五、驱动系统
1驱动器 机器人主要驱动器：
（1）电动机：伺服电机、步进电机、直接驱动电机 （2）液压驱动器 （3）气动驱动器 （4）形状记忆合金驱动器 （5）磁滞伸缩驱动器
机器人分散控制系统框图
典型控制系统
26
三、控制系统
4 机器人控制方式
其他控制方式
点位式 轨迹式 力（力矩）控制方式 智能控制方式
铝箔生产中的力矩控制
27
三、控制系统
5 机器人控制系统特点
1、机器人的功能与自由度数目相关 2、机器人的动作需要经过运算处理以便进行最优控制 3、机器人系统需要有机地协调起来 4、机器人控制系统需要利用位置闭环、速度闭环、加速度 闭环进行控制 5、机器人控制系统广泛涉及机构运动学与动力学的知识
履带式侦查机器人
thunder3仿生履带机器人
18
二、机械系统组成
5机器人的行走机构
军用履带机器人
19
二、机械系统组成
5机器人的行走机构
（3）足式行走机构
本田公司的Asimo
足的数目越多，承载能力越强，运动速度越慢 双足机器人
六足机器人
单足弹跳机器人
20
二、机械系统组成
5机器人的行走机构
(4)轮足混合行走机构
集中控制系统框图
工业机器人、数控床大
多采用 集中控制系统
24
三、控制系统
3 机器人控制系统结构
主从控制：采用主处理器、协处理器两部分共同完
成系统的全部控制任务
A 队决策机
摄像头
裁判机 B 队决策机
机器人主从控制系统框图
机器人足球中的 集 中控制系统 25
三、控制系统
3 机器人控制系统结构
分散控制：将彼此关联不大的系统模块分开处理
典型气动系统如下图所示
优点：系统结构简单，价格低； 高速直线运动； 容易实现力和缓冲控制；
缺点：高精度的位置控制和速度控制都比较困难，驱动刚性比较差。
51
谢谢
52
48
五、驱动系统
7液压驱动 利用液体的抗挤压力来实现力的传递.
典型液压伺服控制系统
d 2 d (Vol) dx
4
Q d (Vol) d 2 dx d 2 x
dt
4 dt 4
dx表示期望的位移； dv是期望的速度;
控制液体流入速度--实现控制活塞速度
位置控制阀原理
49
五、驱动系统
7液压驱动
步进电机驱动结构图
反应式步进电机结构
45
五、驱动系统
5 电动机-无刷电机的控制
定子
永磁转子 传感器定子 传感器转子
一体式无刷直流电机由电动 机主体和驱动器组成
无刷直流电动机自控式运
行：
直流电 源
控制信号
无刷电机结构示意图
逆变器
电机本体
控制器
位置检测器
无刷电机内部控制结构
输出
46
五、驱动系统
6 电动机-舵机的控制
光线传感器-激光类：
高精度、抗干扰能力强
智能车中的激
M12对射
光传感器
激光开关
普通红激光 传感器
进口激光测距 传感器
32
四、感知系统
2 传感器-光传感器
光传感器-红外：灵敏度高、响应快
普通红外发射接收管
红外对射类
红外反射类
红外热释电
33
四、感知系统
2 传感器-光传感器
光传感器-摄像头
分辨率、图像格式、图像压缩方式、视角、输入输出接口
二、机械系统组成
4 机器人的机身
回转与俯仰机身：该类机身主要包括回转与俯仰两部分 类人式多自由度机身：与人体结构类似
回转与俯仰式机身
类人式多自由度机身
15
二、机械系统组成
5机器人的行走机构
行走机构是用来移动的重要装置可分为： 固定轨迹式 无固定轨迹式
固定轨迹式行走机构
无固定轨迹式行走机构 (1)轮式行走机构 (2)履带式行走机构 (3)足式行走机构 (4)轮足混合行走机构
液压驱动器的优点 具有比较大的扭矩和功率,功率/重量比大; 减小执行装置的体积、刚度高; 实现高速、高精度的位置控制、通过流量控制可以实 现无级变速。 液压驱动器的缺点 稳定性较差、有因漏油而发生火灾的危险; 压油源和进油、回油管路等附属设备占空间较大。
50
8 气动驱动
五、驱动系统
利用气体压缩装置实现力和行程的控制过程。
28
三、控制系统
6 控制器种类
单片机:使用简单，价格低廉。 DSP:速度快、实时性好，能够快速地进行大量的运算。 专用运动控制卡:是功能强大，价格昂贵。
51单片机
430单片机
AVR单片机
STM32
DSP
专用运动控制卡
29
四、感知系统
1 传感器
传感器：
是一种物理装置或生物器官，能够探测、感受外界的信号、物理条件
起重梁
16
二、机械系统组成
5机器人的行走机构
(1)轮式行走机构
轮式是机器人最流行的行走运动机构，它具有高效率、机械简单等特点
全方位轮
轮式机器人车轮形式
17
二、机械系统组成
5机器人的行走机构
(2)履带式行走机构 履带式行走机构的主要特征是将圆环状的无限轨道带绕在多个车轮上， 使车轮不直接与路面接触
第二讲 机器人组成结构
1、机器人组成概述 2、机器人机械系统 3、机器人控制系统 4、机器人感知系统 5、机器人驱动系统
2
一 、机器人组成概述
1 机器人系统组成
机器人系统的三大部分
机械部分
传
感
部
传感部分
分
控制部分
人机交互系统
控
制
部
感
控制系统
分
知
系
统
驱动系统
机
械
部
机械系统
分
机器人—环境交互系统
3
一、机器人组成概述
记忆功能 与外围设备联系功能 示教功能 人机接口 位置伺服功能 传感器接口 故障诊断安全保护功能
22
三、控制系统
机器人控制系统框图
23
三、控制系统
3 机器人控制系统结构
机器人控制系统可分为集中控制、主从控制、分散控制
集中控制：所有控制工作由一台计算机（CPU）完成
2 系统概念
机械系统:由关节连在一起的许多机械连杆的集合体，形成开 环运动学链系;
驱动系统:使各种机械部件产生运动的装置; 感知系统:获取内部和外部环境中的有用信息，通过这些信息
确定机械部件各部分的运行状态; 控制系统:通过作业指令及反馈信息支配执行机构完成规定动
作的处理单元,包括闭环和开环系统; 机器人环境交互系统:实现机器人与外部环境中的设备相互联
系和协调的系统; 人机交互系统:操作人员参与机器人控制并与机器人进行联系
的装置;
4
一、机器人组成概述
3 机器人部分术语及主要技术参数
关 节:即运动副，即手臂
各零件之间发生相对运动 的机构
连 杆:机器人手臂上被
相邻两关节分开的部分
5
一、机器人组成概述
3 机器人部分术语及主要技术参数
自由度:亦称坐标
柔性手：能抓取不同外形的物体，物体表面受力均匀 多指灵巧手：由多个手指组成，每一个手指有三个回转关节
多关节柔性手结构图
多指灵巧手结构图
11
二、机械系统组成
2 机器人的手腕
单自由度手腕 二自由度手腕 三自由度手腕
单自由度手腕示意图 二自由度手腕示意图
三自由度手腕示意图
12
二、机械系统组成
舵机 一种位置（角度）伺服的驱动器
以FUTABA-S3003为例，输出转角与输出 信号脉宽的关系如下图所示
一般舵机接口示意图
FUTABA-S3003
47
五、驱动系统
6 电动机-力矩电动机 力矩电动机 （torque motor）
直流力矩电机、交流力矩电机、和无刷直流力矩电机。
力矩电动机的轴不是以恒功率输出动力而是以恒力矩输出 动力。
36
四、感知系统
4传感器-检测类传感器
温度传感器： 数字量输出：以一定协议直接向外输出数字量 模拟量输出：一般为通过电阻的变化间接测量
18B20
PT100
37
四、感知系统
4传感器-检测类传感器
加速度传感器： 一种能够测量加速力的电子设备。
38
四、感知系统
4传感器-检测类传感器
陀螺仪： 角运动检测装置
其他重要参数：
承载能力:指机器人在工作范围内的任何位姿
上所能承受的最大负载
工作速度:单位时间内所移动的距离或转动的
角度。
刚度:机身或臂部在外力作用下抵抗变形的能
力。
8
二、机械系统组成
1 机器人机械系统组成
机器人机械结构通常由以下部分组成
手臂:连接机身和手腕的部分
手腕:连接手部和手臂的部件 手部:手腕上配置的操作机构，也称末端操作器 机身:机器人的基础部分，起支承作用 行走机构:机器人用来移动的重要装置
轮足混合型行走机构可提高行走效率
问题：大家觉得 轮足混合式机器 人主要优点是什 么？？
科学家最新研制的ATHLETE(全地 S形hrim六p全足地地形移外动探机器测人器)机器人
轮足混合是机器人 集中了轮式机器人 的高速高效和足式 机器人的特殊地形 适应性两种优势！
Fra Baidu bibliotek
21
三、控制系统
1机器人控制系统的基本功能
轴数，是指描述物 体运动所需要的独 立坐标数
工作空间：机器人
手腕参考点或末端操 作器安装点所能到达 的所有空间区域
PUMA机器人工作空间
6
一、机器人组成概述
3 机器人部分术语及主要技术参数
思考：人的手臂共有多少个自由度？
共有27个自由度!!
人臂与手的自由度示意图
7
一、机器人组成概述
3 机器人部分术语及主要技术参数
机器人传感器功能和作用: 检测机器人周围以及自身的环境信息
30
四、感知系统
1 传感器
问题：请列举你所了解的传感器类型
常见传感器：
光线类传感器 触觉开关类传感器 超声探测器 温度等检测类传感器 电源检测类传感器
31
四、感知系统
2 传感器-光传感器
光线传感器功能：测距、目标检测、颜色识 别等，
主要类别：激光、红外、视觉等
41
五、驱动系统
2驱动系统几个概念
刚性系统：对变化负载响应快、精度高 柔性系统：对变化负载响应慢、精度低 减速齿轮：用来增大工作转矩
如图电机及负载上的力矩及速 度比为：
Tl NTm
l
1 N
m
42
五、驱动系统
3电动类驱动器 电动驱动器类型和特点
电驱动
直流伺服电机驱动（包括直线电机） 交流伺服电机驱动 步进电机伺服驱动 舵机驱动 力矩电机
3机器人的手臂
手臂作用是支承腕部和手部，并将披抓取的 工件运送到给定的位置上
机器人手臂机械结构形式
13
二、机械系统组成
4机器人的机身
机身：与臂部相连，支承臂部
分类：
直线移动机身
回转与升降机身
该类机器人的运动形式大多为
该类机身主要包括回转与升降两
移动式
部分
横梁直线移动式机身
回转与升降式机身
14
9
二、机械系统组成
2 机器人手部
两类：工业机器人的手部和仿人机器人的手部。
工业机器人手部： 夹钳式手部 吸附式手部（气吸式、磁吸式）
夹钳式手部示意图 1手指；2、4传动机构；3驱动装置；5工件
吸附式手部示意图 真空吸附式、气流负压气吸式、挤压排气式
10
二、机械系统组成
2 机器人手部
仿人机器人的手部
MT9D111
OV7670
34
四、感知系统
3传感器-触碰类传感器
触碰类传感器： 非接触式、接触式
接触式：包括微
动开关、行程开关 、挡铁等
非接触式：
主要为接近开关
35
四、感知系统
4传感器-检测类传感器 其他传感器
增量式旋转编码器： 电机转速和角度的测量（机械式、电磁式）
主要技术参数：频率、线数
有刷 无刷
43
五、驱动系统
3电动机-直流电机的控制
直流 (DC)伺服电机
开环脉冲宽度调速系统的组成：
直流电机调速系统结构（开环）
44
五、驱动系统
4电动机-步进电机的控制
结构与工作原理描述
工作原理：
0100
0010
控制方法：
1000
0001
(1)给脉冲,对应一个步距
(2)改变频率,控制速度
(3)改变脉冲顺序,改变转动方向
在机器人感知系统中，陀螺仪作为一种惯性导航器件
国产单轴陀螺仪模块
进口单轴陀螺仪模块
39
四、感知系统
4传感器-检测类传感器
压力传感器
位移传感器
扭矩传感器
超声波测距传感器
电流检测传感器
40
五、驱动系统
1驱动器 机器人主要驱动器：
（1）电动机：伺服电机、步进电机、直接驱动电机 （2）液压驱动器 （3）气动驱动器 （4）形状记忆合金驱动器 （5）磁滞伸缩驱动器
机器人分散控制系统框图
典型控制系统
26
三、控制系统
4 机器人控制方式
其他控制方式
点位式 轨迹式 力（力矩）控制方式 智能控制方式
铝箔生产中的力矩控制
27
三、控制系统
5 机器人控制系统特点
1、机器人的功能与自由度数目相关 2、机器人的动作需要经过运算处理以便进行最优控制 3、机器人系统需要有机地协调起来 4、机器人控制系统需要利用位置闭环、速度闭环、加速度 闭环进行控制 5、机器人控制系统广泛涉及机构运动学与动力学的知识
履带式侦查机器人
thunder3仿生履带机器人
18
二、机械系统组成
5机器人的行走机构
军用履带机器人
19
二、机械系统组成
5机器人的行走机构
（3）足式行走机构
本田公司的Asimo
足的数目越多，承载能力越强，运动速度越慢 双足机器人
六足机器人
单足弹跳机器人
20
二、机械系统组成
5机器人的行走机构
(4)轮足混合行走机构
集中控制系统框图
工业机器人、数控床大
多采用 集中控制系统
24
三、控制系统
3 机器人控制系统结构
主从控制：采用主处理器、协处理器两部分共同完
成系统的全部控制任务
A 队决策机
摄像头
裁判机 B 队决策机
机器人主从控制系统框图
机器人足球中的 集 中控制系统 25
三、控制系统
3 机器人控制系统结构
分散控制：将彼此关联不大的系统模块分开处理
典型气动系统如下图所示
优点：系统结构简单，价格低； 高速直线运动； 容易实现力和缓冲控制；
缺点：高精度的位置控制和速度控制都比较困难，驱动刚性比较差。
51
谢谢
52
48
五、驱动系统
7液压驱动 利用液体的抗挤压力来实现力的传递.
典型液压伺服控制系统
d 2 d (Vol) dx
4
Q d (Vol) d 2 dx d 2 x
dt
4 dt 4
dx表示期望的位移； dv是期望的速度;
控制液体流入速度--实现控制活塞速度
位置控制阀原理
49
五、驱动系统
7液压驱动
步进电机驱动结构图
反应式步进电机结构
45
五、驱动系统
5 电动机-无刷电机的控制
定子
永磁转子 传感器定子 传感器转子
一体式无刷直流电机由电动 机主体和驱动器组成
无刷直流电动机自控式运
行：
直流电 源
控制信号
无刷电机结构示意图
逆变器
电机本体
控制器
位置检测器
无刷电机内部控制结构
输出
46
五、驱动系统
6 电动机-舵机的控制
光线传感器-激光类：
高精度、抗干扰能力强
智能车中的激
M12对射
光传感器
激光开关
普通红激光 传感器
进口激光测距 传感器
32
四、感知系统
2 传感器-光传感器
光传感器-红外：灵敏度高、响应快
普通红外发射接收管
红外对射类
红外反射类
红外热释电
33
四、感知系统
2 传感器-光传感器
光传感器-摄像头
分辨率、图像格式、图像压缩方式、视角、输入输出接口
二、机械系统组成
4 机器人的机身
回转与俯仰机身：该类机身主要包括回转与俯仰两部分 类人式多自由度机身：与人体结构类似
回转与俯仰式机身
类人式多自由度机身
15
二、机械系统组成
5机器人的行走机构
行走机构是用来移动的重要装置可分为： 固定轨迹式 无固定轨迹式
固定轨迹式行走机构
无固定轨迹式行走机构 (1)轮式行走机构 (2)履带式行走机构 (3)足式行走机构 (4)轮足混合行走机构
液压驱动器的优点 具有比较大的扭矩和功率,功率/重量比大; 减小执行装置的体积、刚度高; 实现高速、高精度的位置控制、通过流量控制可以实 现无级变速。 液压驱动器的缺点 稳定性较差、有因漏油而发生火灾的危险; 压油源和进油、回油管路等附属设备占空间较大。
50
8 气动驱动
五、驱动系统
利用气体压缩装置实现力和行程的控制过程。
28
三、控制系统
6 控制器种类
单片机:使用简单，价格低廉。 DSP:速度快、实时性好，能够快速地进行大量的运算。 专用运动控制卡:是功能强大，价格昂贵。
51单片机
430单片机
AVR单片机
STM32
DSP
专用运动控制卡
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四、感知系统
1 传感器
传感器：
是一种物理装置或生物器官，能够探测、感受外界的信号、物理条件
起重梁
16
二、机械系统组成
5机器人的行走机构
(1)轮式行走机构
轮式是机器人最流行的行走运动机构，它具有高效率、机械简单等特点
全方位轮
轮式机器人车轮形式
17
二、机械系统组成
5机器人的行走机构
(2)履带式行走机构 履带式行走机构的主要特征是将圆环状的无限轨道带绕在多个车轮上， 使车轮不直接与路面接触
第二讲 机器人组成结构
1、机器人组成概述 2、机器人机械系统 3、机器人控制系统 4、机器人感知系统 5、机器人驱动系统
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一 、机器人组成概述
1 机器人系统组成
机器人系统的三大部分
机械部分
传
感
部
传感部分
分
控制部分
人机交互系统
控
制
部
感
控制系统
分
知
系
统
驱动系统
机
械
部
机械系统
分
机器人—环境交互系统
3
一、机器人组成概述