机器人编程控制原理

机器人编程控制原理

第一章机器人系统简介

2.1 机器人的运动机构（执行机构）

机器人的运动机构是机器人实现对象操作及移动自身功能的载体，可以大体

分为操作手（包括臂和手）和移动机构两类。对机器人的操作手而言，它应该象

人的手臂那样，能把（抓持装工具的）手依次伸到预定的操作位置，并保持相应

的姿态，完成给定的操作；或者能够以一定速度，沿预定空间曲线移动并保持手

的姿态，并在运动过程中完成预定的操作。移动机构应能将机器人移动到任意位

置，并保持预定方位姿势。为此，它应能实现前进、后退、各方向的转弯等基本

移动功能。在结构上它可以象人、兽、昆虫，具有二足、四足或六足的步行机构，

也可以象车或坦克那样采用轮或履带结构

2.1.1 机器人的臂结构

机器人的臂通常采用关节——连杆链形结构，它由连杆和连杆间的关节组

成。关节，又称运动副，是两个构件组成相对运动的联接。在关节的约束下，两

连杆间只能有简单的相对运动。机器人中常用的关节主要有两类：

(1) 滑动关节(Prismatic joint): 与关节相连的两连杆只能沿滑动轴做直

线位移运动，移动的距离是滑动关节的主要变量，滑动轴一般和杆的轴线重合或

平行。

(2)转动关节(Revolute joint): 与关节相连的两连杆只能绕关节轴做相对

旋转运动，其转动角度是关节的主要变量，转动轴的方向通常与轴线重合或垂

直。

杆件和关节的构成方法大致可分为两种：(1) 杆件和手臂串联连接，开链机

械手(2) 杆件和手臂串联连接，闭链机械手。

以操作对象为理想刚体为例，物体的位置和姿态各需要3 个独立变量来描

述。我们将确定物体在坐标系中位姿的独立坐标数目称为自由度（DOF（degree

of freedom））。而机器人的自由度是由有关节数和每个关节所具有的自由度数决

定的（每个关节可以有一个或多个自由度，通常为1 个）。机器人的自由度是独

立的单独运动的数目，是表示机器人运动灵活性的尺度。（由驱动器能产生主动

动作的自由度称为主动自由度，不能产生驱动力的自由度称为被动自由度。通常

开链机构仅使用主动自由度）机器人自由度的构成，取决于它应能保证完成与目

标作业相适应的动作。分析可知，为使机器人能任意操纵物体的位姿，至少须

6DOF，通常用三个自由度确定手的空间位置（手臂），三个自由度确定手的姿态

（手）。比较而言，人的臂有七个自由度，手有二十个自由度，其中肩3DOF，肘

2 DOF，碗2DOF。这种比6 还多的自由度称为冗余自由度。人的臂由于有这样的

冗余性，在固定手的位置和姿态的情况下，肘的位置不唯一。因此人的手臂能灵

活回避障碍物。对机器人而言，冗余自由度的设置易于增强运动的灵活性，但由

于存在多解，需要在约束条件下寻优，计算量和控制的难度相对增大。

典型的机器人臂结构有以下几种：

(1)直角坐标型(Cartesian/rectanglar/gantry) (3P)

由三个线性滑动关节组成。

三个关节的滑动方向分别和直角坐标轴x,y,z 平行。

工作空间是个立方体

(2)圆柱坐标型(cylindrical)(R2P)

由一个转动关节和两个滑动关节组成。

两个滑动关节分别对应于圆柱坐标的径向和垂直方向位置，一个旋

转关节对应关于圆柱轴线的转角。

工作区域为矩形截面的旋转体。

(3) 球坐标型(spherical) (2RP)

两个转动关节和一个滑动关节分别实现手的左右，上下及前后运动。

工作区域是扇形旋转体。

(4)关节坐标型(articulated/anthropomorphic)(3R)

用三个转动关节实现手在工作空间的任意定位。

工作区域是一个旋转体，其截面由转动关节转动行程角所确定的一

些弧线构成。

(5)平面关节型SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm)

由两个转动关节和一个滑动关节组成。

两个转动关节控制前后，左右运动；滑动关节实现上下运动。

工作区域是截面为矩形的旋转体

这里只给出了几种简单的臂结构。各类型结构的优缺点简要分析如下：

直角坐标型结构：三个关节分别沿着直角坐标的三坐标轴移动，几何运动直观，计算简单，便于控制。该结构刚度好，可得到较高精度。但机器人所占运行空间大，滑动关节密封性及操作的灵活性差。

多转动关节型：灵活性最强，可以避开一些障碍物到达操作点。运行所占空

间及占地面积小，关节易于密封。但是关节角与空间位置的关系复杂且相互关联，因此控制计算量大，控制相对复杂。

圆柱坐标型和球坐标型的优缺点介于上述两类结构之间。

平面关节型：结构简单，特别适合小型零件的插接装配。

注：机器人的腕和手（操作器）的结构略

2.1.1 机器人的移动机构

对机器人移动机构的基本要求是能承受机器人自身重力及操作过程中存在

的力和力矩，并保持平衡和具有一定的刚度；具有较高的机动性。

目前移动机构的主要类型有轮式、履带式、足式及其它（如机器鱼，爬壁机

器人等），下面对移动机器人的几种典型机构及特点给出简要介绍。

轮式移动机构：

轮式移动机构有移动平稳、机动性高、便于操纵等特点。但只适合在平坦地

面运行，不能上下阶梯、越沟。轮式移动机构一般具有三轮、四轮式两种，其中驱动轮用以驱动机器人运动，控制移动的速度，有时也用以控制移动方向；转向轮用以控制机器人移动方向；小脚轮和自由轮：用以支撑机器人保持平衡，

被动地适应机器人转向运动的要求。

几种轮式移动机构。三轮机构，四轮移动机构，全转向三轮移动机构，每个轮子都同时用作驱动和转向轮，能随时向任意方向做直线运动，这时三轮的轴线均与运动方向垂直。它也能作任意孤线运动，只要三轮轴线均通过弧线的曲率中心点，就可以作就地转动，以及完成这些运动的组合。因此，这类机构又称为全方位移动机构。

履带式移动机构

这是类似于履带坦克及拖拉机的移动机构，其特点是能在凹凸不平的地面上

行走，稳定性好，能跨越障碍物，爬越较大斜坡或阶梯。但是履带式移动机构运动方向的操纵，由左右履带的速度差值所控制。因此，转向时必出现滑动，阻力较大，转向半径及中心准确度较差。有关各种特效的履带移动机构，可参考有关文献。

步行式移动机构

步行式移动机构是指采用了类似人、兽或

昆虫用脚迈步移动的机构，有两足、四足、六

足、八足等移动机构，它们的特点是只需要离

散的着地点，能在平地也能在凹凸不平的地面