米兰app直播下载安装機器人知識小講堂—工業機器人基礎知識大匯總

有人認為(wei) ，應用機器人隻是為(wei) 了節省勞動力，而我國勞動力資源豐(feng) 富，發展機器人不一定符合我國國情。其實這是一種誤解，在我國，社會(hui) 主義(yi) 製度的優(you) 越性決(jue) 定了機器人能夠充分發揮其長處，它不僅(jin) 能為(wei) 我國的經濟建設帶來高度的生產(chan) 力和巨大的經濟效益，而且將為(wei) 我國的宇宙開發、海洋開發、核能利用等新興(xing) 領域的發展做出卓越的貢獻。

我國機器人學研究起步較晚，但進步較快，已經在工業(ye) 機器人、特種機器人和智能機器人各個(ge) 方麵區的了明顯的成就，為(wei) 我國機器人學的發展打下了堅實的基礎。

機器人的定義(yi)

美國國家標準局（NBS ）的定義(yi) ：“機器人是一種 能夠進行編程並在自動控製下執行某些操作和移動作業(ye) 任務的機械裝置”。

國際標準化組織(ISO)的定義(yi) ：“機器人是一種自動的、位置可控的、具有編程能力的多功能機械手，這種機械手具有幾個(ge) 軸，能夠借助於(yu) 可編程序操作來處理各種材料、零件、工具和專(zhuan) 用裝置，以執行種種任務。”

機器人具有以下特性：

（1）一種機械電子裝置；

（2）動作具有類似於(yu) 人或其他生物體(ti) 的功能；

（3）可通過編程執行多種工作，有一定的通用性和靈活性；

（4）有一定程度的智能，能夠自主地完成一些操作。

機器人的分類

按照日本工業(ye) 機器人學會(hui) （JIRA）的標準，可將機器人分為(wei) 六類：

第一類：人工操作機器人。由操作員操作的多自由度裝置；

第二類：固定順序機器人。按預定的不變方法有步驟地依此執行任務的設備，其執行順序難以修改；

第三類：可變順序機器人。同第二類，但其順序易於(yu) 修改。

第四類：示教再現（playback）機器人。操作員引導機器人手動執行任務，記錄下這些動作並由機器人以後再現執行，即機器人按照記錄下的信息重複執行同樣的動作。

第五類：數控機器人。操作員為(wei) 機器人提供運動程序，並不是手動示教執行任務。

第六類：智能機器人。機器人具有感知外部環境的能力，即使其工作環境發生變化，也能夠成功地完成任務。

美國機器人學會(hui) （RIA）隻將以上第三類至第六類視做機器人。

我國的機器人專(zhuan) 家從(cong) 應用環境出發，將機器人分為(wei) 兩(liang) 大類，即工業(ye) 機器人和特種機器人。所謂工業(ye) 機器人就是麵向工業(ye) 領域的多關(guan) 節機械手或多自由度機器人。而特種機器人則是除工業(ye) 機器人之外的、用於(yu) 非製造業(ye) 並服務於(yu) 人類的各種先進機器人。

機器人技術涉及的研究領域有：

1、傳(chuan) 感器技術：得到與(yu) 人類感覺機能相似的傳(chuan) 感器技術；

2、人工智能計算機科學：得到與(yu) 人類智能或控製機能相似能力的人工智能或計算機科學；

3、假肢技術；

4、工業(ye) 機器人技術：把人類作業(ye) 技能具體(ti) 化的工業(ye) 機器人技術；

5、移動機械技術：實現動物行走機能的行走技術；

6、生物功能：實現生物機能為(wei) 目的的生物學技術

為(wei) 了防止機器人傷(shang) 害人類，科幻作家阿西莫夫於(yu) 1940年提出了“機器人三原則”：

（1）機器人不應傷(shang) 害人類；

（2）機器人應遵守人類的命令，與(yu) 第一條違背的命令除外；

（3）機器人應能保護自己，與(yu) 第一條相抵觸者除外。

這是給機器人賦予的倫(lun) 理性綱領。機器人學術界一直將這三原則作為(wei) 機器人開發的準則。

1959年第一台工業(ye) 機器人（采用可編程控製器、圓柱坐標機械手）在美國誕生，開創了機器人發展的新紀元。

機器人研究的基礎內(nei) 容

1、空間機構學

機器人機身和臂部機構的設計、機器人手部機構設計、機器人行走機構的設計、機器人關(guan) 節部機構的設計。

2、機器人運動學

研究要涉及到組成這一係統的各杆件之間以及係統與(yu) 對象之間的相互關(guan) 係，為(wei) 此需要一種有效的數學描述方法。

3、機器人靜力學

靜力學主要討論機器人手部端點力與(yu) 驅動器輸入力矩的關(guan) 係。

4、機器人動力學

動力學方程是指作用於(yu) 機器人各機構的力或力矩與(yu) 其位置、速度、加速度關(guan) 係的方程式。

5、機器人控製技術

主要研究的內(nei) 容有機器人控製方式和機器人控製策略。

6、機器人傳(chuan) 感器

機器人的感覺主要通過傳(chuan) 感器來實現。 外部傳(chuan) 感器有視覺、觸覺、聽覺、力覺傳(chuan) 感器，內(nei) 部傳(chuan) 感器主要有位置、姿態、速度、加速度傳(chuan) 感器。

7、機器人語言

機器人語言分為(wei) 通用計算機語言和專(zhuan) 用機器人語言，

機器人的組成

1機械部分；

2傳(chuan) 感器(一個(ge) 或多個(ge) )；

3控製器；

4驅動源。

機器人的分類

按照機器人的控製類型分為(wei) ：

(1)非伺服機器人；

(2)伺服控製機器人，又可分為(wei) 點位伺服控製與(yu) 連續軌跡伺服控製。

按機器人結構坐標係特點方式分類

(1)直角坐標機器人；

(2)圓柱坐標型機器人；

(3)極坐標機器人；

(4)多關(guan) 節機器人。

機器人研究的基礎內(nei) 容

1、空間機構學

機器人機身和臂部機構的設計、機器人手部機構設計、機器人行走機構的設計、機器人關(guan) 節部機構的設計。

2、機器人運動學

研究要涉及到組成這一係統的各杆件之間以及係統與(yu) 對象之間的相互關(guan) 係，為(wei) 此需要一種有效的數學描述方法。

3、機器人靜力學

靜力學主要討論機器人手部端點力與(yu) 驅動器輸入力矩的關(guan) 係。

4、機器人動力學

動力學方程是指作用於(yu) 機器人各機構的力或力矩與(yu) 其位置、速度、加速度關(guan) 係的方程式。

5、機器人控製技術

主要研究的內(nei) 容有機器人控製方式和機器人控製策略。

6、機器人傳(chuan) 感器

機器人的感覺主要通過傳(chuan) 感器來實現。 外部傳(chuan) 感器有視覺、觸覺、聽覺、力覺傳(chuan) 感器，內(nei) 部傳(chuan) 感器主要有位置、姿態、速度、加速度傳(chuan) 感器。

7、機器人語言

機器人語言分為(wei) 通用計算機語言和專(zhuan) 用機器人語言，

機器人的組成

1機械部分；

2傳(chuan) 感器(一個(ge) 或多個(ge) )；

3控製器；

4驅動源。

機器人的分類

按照機器人的控製類型分為(wei) ：

(1)非伺服機器人；

(2)伺服控製機器人，又可分為(wei) 點位伺服控製與(yu) 連續軌跡伺服控製。

按機器人結構坐標係特點方式分類

(1)直角坐標機器人；

(2)圓柱坐標型機器人；

(3)極坐標機器人；

(4)多關(guan) 節機器人。

機器人的主要技術參數

1．自由度2．工作空間3．工作速度4．工作載荷5．控製方式6．驅動方式7．精度、重複精度和分辨率

機器人機械結構的組成

1．手部

機器人為(wei) 了進行作業(ye) ，在手腕上配置了操作機構，有時也稱為(wei) 手爪或末端操作器．

2．手腕

聯接手部和手臂的部分，主要作用是改變手部的空間方向和將作業(ye) 載荷傳(chuan) 遞到手臂．

3．臂部

聯接機身和手腕的部分，主要作用是改變手部的空間位置，滿足機器人的作業(ye) 空間，並將各種載荷傳(chuan) 遞到機座．

4．機身

機器人的基礎部分，起支承作用．對固定式機器人，直接聯接在地麵基礎上，對移動式機器人，則安裝在移動機構上．

常用的機身結構：

１）升降回轉型機身結構２）俯仰型機身結構３）直移型機身結構４）類人機器人機身結構

機器人機構的運動

1．手臂的運動

1.垂直移動2.徑向移動3.回轉運動

2．手腕的運動

(1)手腕旋轉(2)手腕彎曲(3)手腕側(ce) 擺

手腕是聯接手臂和手部的結構部件，它的主要作用是確定手部的作業(ye) 方向。因此它具有獨立的自由度，以滿足機器人手部完成複雜的姿態。

要確定手部的作業(ye) 方向，一般需要三個(ge) 自由度，這三個(ge) 回轉方向為(wei) ：

1）臂轉 繞小臂軸線方向的旋轉。

2）手轉 使手部繞自身的軸線方向旋轉。

3）腕擺 使手部相對於(yu) 臂進行擺動。

機器人的手部是是最重要的執行機構，從(cong) 功能和形態上看，它可分為(wei) 工業(ye) 機器人的手部和仿人機器人的手部。

常用的手部按其握持原理可以分為(wei) 夾持類和吸附類兩(liang) 大類。

行走機構

行走機構是行走機器人的重要執行部件,它由驅動裝置、傳(chuan) 動機構、位置檢測元件、傳(chuan) 感器、電纜及管路等組成。它一方麵支承機器人的機身、臂部和手部，另一方麵還根據工作任務的要求，帶動機器人實現在更廣闊的空間內(nei) 運動。

一般而言，行走機器人的行走機構主要有車輪式行走機構、履帶式行走機構和足式行走機構，此外，還有不進式行走機構、蠕動式行走機構、混合式行走機構和蛇行式行走機構等，以適合於(yu) 各種特別的場合。

履帶式行走機構雖然可在高低不平的地麵上運動，但它的適應性不夠，行走時候晃動太大，在軟地麵上行駛運動效率低。

足式行走對崎嶇路麵具有很好的適應能力一，足式運動方式的立足點是離散的點，可以在可能到達的地麵上選擇最優(you) 的支撐點，而輪式和履帶行走工具必須麵臨(lin) 最壞的地形上的幾乎所有點；足式運動方式還具有主動隔振能力，盡管地麵高低不平，機身的運動仍然可以相當平穩；足式行走在不平地麵和鬆軟地麵上的運動速度較高，能耗較少。

機器人關(guan) 節的驅動方式：

１．液壓驅動２．氣動式３．電動式

自由度：物體(ti) 能夠對坐標係進行獨立運動的數目稱為(wei) 自由度(DOF, degree of freedom)。

剛體(ti) 具有6個(ge) 自由度

三個(ge) 旋轉自由度 R1, R2, R3

三個(ge) 平移自由度T1, T2, T3

研究的對象

機器人從(cong) 機構形式上分為(wei) 兩(liang) 種，一種是關(guan) 節式串聯機器人，另外一種是並聯機器人。

這兩(liang) 種機器人有所不同：

串聯機器人：工作空間大，靈活，剛度差，負載小，誤差累積並放大。

並聯機器人：剛性好，負載大，誤差不積累，工作空間小，姿態範圍不大。

通常串聯機構正向運動學簡單,逆向運動學複雜; 並聯機構正向運動學複雜(多解),逆向運動學簡單。

常見的機器人運動學問題可歸納如下：

1．對一給定的機器人，已知杆件幾何參數和關(guan) 節角矢量求機器人末端執行器相對於(yu) 參考坐標係的位置和姿態。

2．已知機器人杆件的幾何參數，給定機器人末端執行器相對於(yu) 參考坐標係的期望位置和姿態 (位姿)，機器人能否使其末端執行器達到這個(ge) 預期的位姿？如能達到，那麽(me) 機器人有幾種不同形態可滿足同樣的條件?

我們(men) 引入向量分別表示手爪位置和關(guan) 節變量，

因此，利用上述兩(liang) 個(ge) 向量來描述一下這個(ge) 2自由度機器人的運動學問題。

手爪位置的各分量，按幾何學可表示為(wei) ：

坐標變換補充知識:

分別繞x,y,z軸的旋轉變換(基本旋轉變換);

複合變換：平移和旋轉構成複合變換。

所謂機器人的規劃(P1anning)，指的是——機器人根據自身的任務，求得完成這一任務的解決(jue) 方案的過程。這裏所說的任務，具有廣義(yi) 的概念，既可以指機器人要完成的某一具體(ti) 任務，也可以是機器人的某個(ge) 動作，比如手部或關(guan) 節的某個(ge) 規定的運動等。

為(wei) 了實現每一個(ge) 動作，需要對手部的運動軌跡進行必要的規定，這是手部軌跡規劃(Hand trajectory planning )。

為(wei) 了使手部實現預定的運動，就要知道各關(guan) 節的運動規律，這是關(guan) 節軌跡規劃(Joint trajectory planning)。

最後才是關(guan) 節的運動控製(Motion control)。

機器人的規劃是分層次的，從(cong) 高層的任務規劃，動作規劃到手部軌跡規劃和關(guan) 節軌跡規劃，最後才是底層的控製。力的大小也是要控製的，這時，除了手部或關(guan) 節的軌跡規劃，還要進行手部和關(guan) 節輸出力的規劃。

智能化程度越高，規劃的層次越多，操作就越簡單。

對工業(ye) 機器人來說，高層的任務規劃和動作規劃一般是依賴人來完成的。而且一般的工業(ye) 機器人也不具備力的反饋，所以，工業(ye) 機器人通常隻具有軌跡規劃的和底層的控製功能。

機器人規劃分為(wei) 高層規劃和低層規劃。自動規劃在機器人規劃中稱為(wei) 高層規劃。在無特別說明時，機器人規劃都是指自動規劃。自動規劃是一種重要的問題求解技術，它從(cong) 某個(ge) 特定的問題狀態出發，尋求一係列行為(wei) 動作，並建立一個(ge) 操作序列，直到求得目標狀態為(wei) 止。與(yu) 一般問題求解相比，自動規劃更注重於(yu) 問題的求解過程，而不是求解結果。

規劃就是指機器人為(wei) 達到目標而需要的行動過程的描述。 規劃內(nei) 容可能沒有次序，但是一般來說，規劃具有某個(ge) 規劃目標的蘊含排序。

任務規劃有三個(ge) 階段：建立模型、任務說明和操作機程序綜合。任務的世界模型應含有如下的信息:(1)任務環境中的所有物體(ti) 和機器人的幾何描述；(2)所有物體(ti) 的物理描述；(3)所有連接件的運動學描述，(4) 機器人和傳(chuan) 感器特性的描述。在世界模型中，任務狀態模型還必包括全部物體(ti) 和連接件的布局。

軌跡規劃的目的是——將操作人員輸入的簡單的任務描述變為(wei) 詳細的運動軌跡描述。

在關(guan) 節變量空間的規劃有三個(ge) 優(you) 點：

1. 直接用運動時的受控變量規劃軌跡； 2.軌跡規劃可接近實時地進行；3. 關(guan) 節軌跡易於(yu) 規劃。

伴隨的缺點是難於(yu) 確定運動中各杆件和手的位置，但是，為(wei) 了避開軌跡上的障礙．常常又要求知道一些杆件和手位置。

規劃關(guan) 節插值軌跡的約束條件：

(初始位置）1. 位置(給定) 2．速度(給定，通常為(wei) 零) 3. 加速度(給定，通常為(wei) 零)（中間位置）4.提升點位置(給定) 5．提升點位置（與(yu) 前一段軌跡連續） 6.速度（與(yu) 前一段軌跡連續）7．加速度（與(yu) 前一段軌跡連續）8.下放點位置(給定)9．下放點位置（與(yu) 前一段軌跡連續）10. 速度（與(yu) 前一段軌跡連續）11. 加速度（與(yu) 前一段軌跡連續）

（終止位置）12. 位置(給定)13. 速度(給定，通常為(wei) 零)14. 加速度(給定，通常為(wei) 零)

在直角坐標空間內(nei) 規劃的方法主要有：線性函數插值法和圓弧插值法。

離線路徑規劃是基於(yu) 環境先驗完全信息的路徑路徑規劃。完整的先驗信息隻能適用於(yu) 靜態環境，這種情況下，路徑是離線規劃的；在線路徑規劃是基於(yu) 傳(chuan) 感器信息的不確定環境的路徑規劃。在這種情況下，路徑必須是在線規劃的。

機器人在執行操作的同時用傳(chuan) 感器不斷感受周圍工作環境及自身活動的情況，經過不斷的感受、信息反饋、比較修正，保證了可靠地實現期望的操作。

傳(chuan) 感器的作用：

1.是接受外界信息的必要途徑；2.與(yu) 微處理器聯合工作(某些傳(chuan) 感器本身就集成了微處理器)；3.構成反饋的必要環節。

機器人傳(chuan) 感器的分類

機器人用傳(chuan) 感器也可分為(wei) 內(nei) 部傳(chuan) 感器和外部傳(chuan) 感器。

內(nei) 部傳(chuan) 感器是用來確定機器人在其自身坐標係內(nei) 的姿態位置的，如用來測量位移、速度、加速度和應力的通用型傳(chuan) 感器。

而外部傳(chuan) 感器則用於(yu) 機器人本身相對其周圍環境的定位。外部傳(chuan) 感機構的使用使機器人能以柔性方式與(yu) 其環境互相作用。負責檢驗諸如距離、接近程度和接觸程度之類的變量，便於(yu) 機器人的引導及物體(ti) 的識別和處理。

(用途)：

內(nei) 部傳(chuan) 感器：檢測機器人本身狀態（關(guan) 節位移,手臂間角度等）的傳(chuan) 感器。 控製檢測

外部傳(chuan) 感器：檢測機器人所處環境（是什麽(me) 物體(ti) ，離物體(ti) 的距離有多遠等）及狀況（抓取的物體(ti) 滑落等）的傳(chuan) 感器。

外部傳(chuan) 感器分為(wei) 末端執行器傳(chuan) 感器和環境傳(chuan) 感器。

末端執行器傳(chuan) 感器：主要裝在作為(wei) 末端執行器的手上，檢測處理精巧作業(ye) 的感覺信息。相當於(yu) 觸覺。

環境傳(chuan) 感器：用於(yu) 識別物體(ti) 和檢測物體(ti) 與(yu) 機器人的距離,定位,認知環境。相當於(yu) 視覺。

機器人移動的目的：

①為(wei) 實現“代替人”②搬運物體(ti) ③適應環境，進行更多工作

環境整備領域內(nei) 的移動機器人

1）移動環境在導軌上（1維） 軌道機器人

2）移動環境在道路上（2維） 無人駕駛搬運車

沒有整備環境的移動機器人

1）自然環境

①陸上2、3維環境

②海上、海中環境

③空中、宇宙環境

2）人工製作的環境

①陸上建築物內(nei) 外環境（階梯、、電梯、鋼絲(si) ），間隙、溝、踏腳石

②海上、海中的混凝土建築等

步行機器人的機構

目標ZMP和地麵反作用力中心點的錯位是造成失去平衡的主要原因。假若Honda機器人失去平衡有可能跌倒時:

地麵反作用力控製：腳底要能夠適應地麵的不平整，同時還要能穩定的站住。

目標ZMP控製：當由於(yu) 種種原因造成ASIMO無法站立，並開始傾(qing) 倒的時候，需要控製他的上肢反方向運動來控製即將產(chan) 生的摔跤，同時還要加快步速來平衡身體(ti) 。

落腳點控製：當目標ZMP控製被激活的時候，ASIMO需要調節每步的間距來滿足當時身體(ti) 的位置，速度和步長之間的關(guan) 係。

移動的檢測：1.位置檢測2.方位檢測3.自立檢測

引導方式

1）路徑引導方式：路徑給定,希望沿給定路徑移動

2）自主引導方式： 自主規劃路徑,完成路徑的巡航

通常要首先建立評價(jia) 準則函數:障礙規避;任務目的;最短路徑;最節省路徑;多機器人協調工作等…