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有关机器人的基础知识
有关机器人的基础知识
综合知识2009-10-1123:
17:
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第1章基础知识
1.1引言
人们从一开始制作物品时，就有用各种方式制作机器人的想法，也许大家见到过有能工巧匠制作的能够模仿人类动作行为的机器，典型的例子是：
在威尼斯的能准时敲响大钟的雕像和能重复运动的玩具。
好莱坞的电影将这一愿望提升到了一个新的高度，他们制作的机器人其表演效果甚至超过真人。
尽管从原理上类人机器人是机器人，并具有与机器人相同的设计与控制原理，但本书主要研究工业用机械手型机器人。
本书包含了一些研究机器人所必须的基础知识，提出了机器人力学（包括运动学和动力学）的分析方法，讨论了驱动器、传感器、视觉系统等用于机器人的基础部件。
机器人是当今工业的重要组成部分，他们能够精确地执行各种各样的人物和操作，并且无需人们工作时所需的安全措施和舒适的工作条件。
然而，要使机器人很好的工作需要付出很大的努力和代价。
在20世纪80年代中期从事机器人制造的公司现在大都已不复存在，只有一些生产工业机器人的公司（如机器人公司，机器人公司，机器人公司，北美公司等）尚在市场上保留一席之地。
由于目前的机器人尚无法满足人们的较高期望，因此早期对机器人在工业中的使用预测一直未能实现。
结果是，尽管有成千上万的机器人用于工业生产，但他们并没有在总体上替代操作工人，机器人只能用在适合使用他们的一些地方。
相对于人类，机器人并非万能，他们某些工作能做，另外有些工作却不能做。
如果按照期望的用途合理设计机器人，他们就会具有多种用途并经久不衰。
机器人学科覆盖许多不同领域。
单独的机器人只有与其它装置，周边设备以及其他生产机械配合使用才能有效地发挥作用。
他们通常集成为一个系统，该系统作为一个整体来完成任务或执行操作。
本课也将讨论这些与机器人配合使用的外围设备及系统。
1.2什么是机器人
图1.1 机器人与起重机的操作方法和设计方法非常类似。
然而，起重机由操作人员来控制，而机器人由计算机控制。
因此，通过简单修改计算机程序就可以使机器人实现不同的功能。
（a）车载起重机；（b）500机器人在卡车上执行焊缝任务
如果将常规的机器人操作手与挂在多用车或牵引车上的起重机进行比较，可发现两者非常相似：
它们都具有许多连杆，这些连杆通过关节依次连接，这些连杆由驱动器驱动（电机）。
在上述两个系统中，操作机的“手”都能在空中运动，达到工作空间的任何位置，他们都能承载一定的负荷，并都用一个中央控制器控制驱动器。
然而，它们一个称为机器人，另一个称为操作机（也就是起重机），两者最根本的不同是起重机是由人来控制驱动器，机器人操作手是由计算机编程控制。
正是通过这一点可以区别一台设备到底是简单的操作机还是机器人。
通常机器人设计成由计算机来控制，机器人的动作受计算机监控的控制器所控制，该控制器本身也运行某种类型的程序。
程序改变，机器人的动作就会相应改变。
我们希望一台设备能灵活地完成各种不同的工作而无需重新设计硬件装置。
为此，机器人须设计成可以重复编程，通过改变程序来执行不同的任务（当然在能力限制范围以内）。
简单的操作机（或者说起重机）除非一直由操作人员操作，否则无法做到这一点。
目前各国关于机器人的定义都各不相同。
在美国标准中，只有易于再编程的装置才认为是机器人。
因此，手动装置（比如一个多自由度的需要操作员来驱动的装置）或固定顺序机器人（例如有些装置由强制起停控制驱动器控制，其顺序是固定的并且很难更改）都不认为是机器人。
1.3机器人的分类
按照日本工业机器人学会（）的标准，可将机器人进行如下分类：
l 第1类:
人工操作装置——由操作员操作的多自由度装置。
l 第2类:
固定顺序机器人——按预定的不变方法有步骤地依次执行任务的设备，其执行顺序难以修改。
l 第3类:
可变顺序机器人——同第2类，但其顺序易于修改。
l 第4类:
示教再现（）机器人——操作员引导机器人手动执行任务，记录下这些动作并由机器人以后再现执行，即机器人按照记录下的信息重复执行同样的动作。
l 第5类:
数控机器人——操作员为机器人提供运动程序，而不是手动示教执行程序。
l 第6类:
智能机器人——机器人具有感知和理解外部环境的能力，即使其工作环境发生变化，也能够成功地完成任务。
美国机器人学会（）只将以上第3类~第6类视作机器人。
法国机器人学会（）将机器人进行如下分类：
l 类型A:
手动控制远程机器人的操作装置。
l 类型B:
具有预定周期的自动操作装置。
l 类型C:
具有连续轨迹或颠倒点轨迹的可编程伺服控制机器人。
l 类型D:
同类型C,但能够获取环境信息。
1.4什么是机器人学
机器人学是人们设计和应用机器人的技术和知识。
机器人系统不仅由机器人组成，还需要其他装置和系统连同机器人一起来共同来完成必需的任务。
机器人可以用于生产制造，水下作业，空间探测，帮助残疾人甚至娱乐等方面。
通过编程和控制，许多场合均可应用机器人。
机器人学是一门交叉学科，它得益于机械工程，电气与电子工程，计算机科学，生物学以及许多其他学科。
1.5机器人学的发展历史
不考虑早期的模拟人类及其动作的机械，单就近代历史来看，不难发现工业化进程，机械的数字和计算机控制革命以及太空探索的出现都与人们富有创造性的科学想象之间有着密切的联系。
“”在的小说“’s”。
接着出现了电影“”,“”,“”,“”以及“”.我们发现制造能够代替人类工作的机器的时代已经来临（R2D23P0以及继续着这一趋势）。
梦想着有这样的情况，即生物过程可以创造出类人的机器，他们虽然缺乏感情和灵魂，但他们身体强壮并服从主人的命令，而且这些机器能够快速而廉价地生产出来。
机器人市场很快发展起来，很多国家都想用成百上千的奴隶机器人士兵装备军队，为他们卖命，即使伤亡也不足惜。
最终机器人认定自己已经比人类优越，并试图从人类手中接管这个世界。
在这个故事中出现的名字，即劳动者，一直沿用到今天。
第二次世界大战后，人们设计出自动化机械，这提高了生产率。
机床生产商制造出数控（）机床，它能够生产出更好的产品。
与此同时，人们开发出了多自由度的机械手，从事与核材料有关的工作。
随后，机床的数控功能与机械手的操作功能相结合便产生了简单的机器人。
最早的机器人是用打孔纸带控制的，即电子眼识别纸带上的孔，并由此控制机器人的动作。
随着工业的发展，打孔纸带逐渐被磁带，存储设备以及各计算机所代替。
以下列举了机器人工业史上的几个标志性事件：
1922 捷克作家写了一本名为“’s”的小说，引入名词。
1946 开发出磁控制器，它是一种示教再现装置。
和在宾西法尼亚大学建造了计算机。
1952 第一台数控机床在麻省理工学院诞生。
1954开发出第一台可编程机器人。
1955 与提出齐次变换矩阵。
1961 的“可编程的货物运送”获得美国专利，专利号为2988237，该专利技术是机器人的基础。
1962 公司成立，出现了最早的工业机器人，公司安装了第一台公司的机器人。
1967 公司推出机器人，第一台喷涂用机器人出口到日本。
1968 第一台智能机器人在斯坦福研究所（）诞生。
1972 公司开发出内部使用的直角坐标机器人，并最终开发出7565型商用机器人。
1973 公司推出T3型机器人，它在工业应用中广受欢迎。
1978 第一台机器人由装运到公司。
1982 和日本公司签订制造机器人的协议。
兼并,随后又将它卖给了瑞士的公司。
1983 机器人学无论是在工业生产还是在学术上，都是一门广受欢迎的学科，机器人学开始列入教学计划。
1990 公司被瑞士公司兼并。
许多小型的机器人制造公司也从市场上销声匿迹，只有少数主要生产工业机器人的大公司尚存。
1.6机器人的优缺点
机器人使用的优点：
l 机器人和自动化技术在多数情况下可以提高生产率，安全性，效率，产品质量和产品的一性。
l 机器人可以在危险的环境下工作，而无需考虑生命保障或安全的需要。
l 机器人无需舒适的环境，例如考虑照明，空调，通风以及噪音隔离等。
l 机器人能不知疲倦，不知厌烦地持续工作，他们不会有心理问题，做事不拖沓，不需要医疗保险或假期。
l 机器人除了发生故障或磨损外，将始终如一地保持精确度。
l 机器人具有比人高得多的精确度。
直线位移精度可达千分之几英寸（1英寸=2.54），新型的半导体晶片处理机器人具有微英寸级的精度。
l 机器人和其附属设备及传感器具有某些人类所不具备的能力。
l 机器人可以同时响应多个激励或处理多项任务，而人类只能响应一个现行激励。
机器人使用的负面：
l 机器人替代了工人，由此带来经济和社会问题：
l 机器人缺乏应急能能力，除非该紧急情况能够预知并已在系统中设置了应对方案，否则不能很好地处理紧急情况。
同时，还需要有安全措施来确保机器人不会伤害操作人员以及与他一起工作的机器（设备）。
这些情况包括：
n 不恰当或错误的反应
n 缺乏决策的能力
n 断电
n 机器人或其它设备的损伤
n 人员伤害
l 机器人尽管在一定情况下非常出众，但其能力在以下方面仍具有局限性（与人相比），表现在：
n 自由度
n 灵巧度
n 传感器能力
n 视觉系统
n 实时响应
l 机器人费用开销大，主要原因是：
n 原始的设备费
n 安装费
n 需要周边设备
n 需要培训
n 需要编程
1.7机器人的组成部件
机器人作为一个系统，它由如下部件构成：
机械手或移动车这是机器人的主体部分，由连杆，活动关节以及其它结构部件构成，使机器人达到空间的某一位置。
如果没有其它部件，仅机械手本身并不是机器人。
（相当于人的身体或手臂）
末端执行器连接在机械手最后一个关节上的部件，它一般用来抓取物体，与其他机构连接并执行需要的任务（参见图1.2）。
机器人制造上一般不设计或出售末端执行器，多数情况下，他们只提供一个简单的抓持器。
（相当于人的手）
末端执行器安装在机器人上以完成给定环境中的任务，如焊接，喷漆，涂胶以及零件装卸等就是少数几个可能需要机器人来完成的任务。
通常，末端执行器的动作由机器人控制器直接控制，或将机器人控制器的信号传至末端执行器自身的控制装置（如）
图1.2410码垛机器人机械手及它的末端执行器
驱动器驱动器是机械手的“肌肉”。
常见的驱动器有伺服电机，步进电机，气缸及液压缸等，也还有一些用于某些特殊场合的新型驱动器，它们将在第6章进行讨论。
驱动器受控制器的控制。
传感器传感器用来收集机器人内部状态的信息或用来与外部环境进行通信。
机器人控制器需要知道每个连杆的位置才能知道机器人的总体构型。
人即使在完全黑暗中也会知道胳膊和腿在哪里，这是因为肌腱内的中枢神经系统中的神经传感器将信息反馈给了人的大脑。
大脑利用这些信息来测定肌肉伸缩程度进而确定胳膊和腿的状态。
对于机器人，集成在机器人内的传感器将每一个关节和连杆的信息发送给控制器，于是控制器就能决定机器人的构型。
机器人常配有许多外部传感器，例如视觉系统，触觉传感器，语言合成器等，以使机器人能与外界进行通信。
控制器机器人控制器从计算机获取数据，控制驱动器的动作，并与传感器反馈信息一起协调机器人的运动。
假如要机器人从箱柜里取出一个零件，它的第一个关节角度必须为35°，如果第一关节尚未达到这一角度，控制器就会发出一个信号到驱动器（输送电流到电动机），使驱动器运动，然后通过关节上的反馈传感器（电位器或编码器等）测量关节角度的变化，当关节达到预定角度时，停止发送控制信号。
对于更复杂的机器人，机器人的运动速度和力也由控制器控制。
机器人控制器与人的小脑十分相似，虽然小脑的功能没有人的大脑功能强大，但它却控制着人的运动。
处理器处理器是机器人的大脑，用来计算机器人关节的运动，确定每个关节应移动多少和多远才能达到预定的速度和位置，并且监督控制器与传感器协调动作。
处理器通常就是一台计算机（专用）。
它也需要拥有操作系统，程序和像监视器那样的外部设备等。
软件用于机器人的软件大致有三块。
第一块是操作系统，用来操作计算机。
第二块是机器人软件，它根据机器人运动方程计算每一个关节的动作，然后将这些信息传送到控制器，这种软件有多种级别，从机器语言到现代机器人使用的高级语言不等。
第三块是例行程序集合和应用程序，它们是为了使用机器人外部设备而开发的（例如视觉通用程序），或者是为了执行特定任务而开发的。
在许多系统中，控制器和处理器放置在同一单元中。
虽然这两部分放在同一装置盒内甚至集成在同一电路中，但他们有各自的功能。
1.8机器人的自由度
为了确定点在空间的位置，需要指定三个坐标，就像沿直角坐标轴的x,y和z三个坐标。
要确定该点的位置必须要有三个坐标，也就是说只要有三个坐标便可以确定该点的位置。
虽然这三个坐标可以用不同的坐标系来表示，但没有坐标系是不行的。
然而，不能用两个或四个坐标，因为两个坐标不能确定点在空间的位置，而三维空间不可能与所期望的位置。
台架（x，y，z）起重机可以将一个球放到它工作区内操作员所指定的任一位置。
同样，要确定一个刚体（一个三维物体，而不是一个点）在空间的位置，首先需要在该刚体上选择一个点并指定该点的位置，因此需要三个数据来确定该点的位置。
然而，即使物体的位置已确定，仍有无数种方法来确定物体关于所选点的姿势。
这就意味着需要六个数据才能完全确定刚体物体的位置和姿势（以后将位置和姿态简称为位姿）。
基于同样的理由，需要有六个自由度才能够将物体放置到空间的期望位姿。
如果少于六个自由度，机器人的能力将受到很大限制。
设有一个机器人，若为三自由度机器人，它只能沿x，y和z轴运动。
在这种情况下，不能指定机械手的姿态。
此时，机器人只能夹持物件作平行于坐标轴的运动，姿态保持不变。
若有五个自由度，可以绕三个坐标轴旋转，但只能沿x和y轴移动。
这时虽然可以任意地指定姿态，但只可能沿x和y轴而不可能沿z轴给部件定位。
若有七个自由度的系统没有唯一解。
这就意味着，如果一个机器人有七个自由度，那么机器人可以有无穷多种方法在期望位置为部件定位和定姿。
这就要求控制器从无数种方法中只选择最快或最短路径到达目的地。
会耗费许多计算时间，因此这种七个自由度的机器人在工业中是不采用的。
多余的自由度称为冗余的自由度。
图1.315机器人
若不包括手掌和手指，但包括手腕，人的手臂到底有多少个自由度？
人的手臂有三组关节——肩，肘和腕。
肩关节有三个自由度，这是因为上臂（肱骨）可以在径向平面内旋转（平行于身体的中心面），在冠平面内旋转（一肩到另一肩的平面），并可绕肱骨旋转（可以尝试着使肩绕着这三个不同的轴旋转）。
肘关节只有一个自由度，它只能绕着肘关节屈伸。
腕关节也有三个自由度，它可以外展也可以内收，可以屈也可以伸，而且由于桡骨可以在尺骨上滚动，所以可以做纵向旋转（向上和向下）。
因此，人的手臂共有七个自由度（尽管这些动作的范围很小）既然具有七个自由度的系统没有唯一解，那么人到底是如何用手臂来完成任务的？
对于机器人系统，从来不将末端执行器考虑为一个自由度。
所有的机器人都有该附加功能，它看起来类似于一个自由度，但末端执行器的动作并不计入机器人的自由度。
有时会有这样的情况，虽然关节是能够活动的，但它的运动并不完全受控制器控制。
例如，假设一个线性关节由一个气缸驱动，其上的手臂可以全程伸开，也可全程收缩，但不能控制它在两个极限之间的位置。
在这种情况下，通常把这个关节的自由度确定为1/2，它表示这个关节只能在它的运动极限内定位。
自由度为1/2的另一个含义是仅仅只能对该关节赋予一些特定值，例如，假设一个关节的角度只能为0°，30°，60°和90°，那么如前所述，该关节被限定为只有几个可能的取值，从而是一个受限的自由度。
许多工业机器人的自由度都少于6个。
实际上，自由度为3.5个，4个和5个的机器人非常普遍。
只要没有对附加自由度的需要，这些机器人都能够很好地工作。
例如，假设将电子元件插入电路板，电路板放在一个给定的工作台面上，此时，电路板相对于机器人基座的高度（z坐标）是已知的。
因而，只需要沿x轴和y轴方向上的两个自由度就可以确定元件插入电路板的位置。
另外，假设元件要按某个方位插入电路板，而且电路板是平的，此时，则需要一个绕垂直轴（z）旋转的自由度，才能在电路板上给元件定向。
由于这里还需要一个1/2自由度，以便能完全伸展末端执行器来插入元件，或者在运动前能完全收缩将机器人抬起，因而总共需要3.5个自由度，其中两个自由度用来在电路板的上方运动，一个用来旋转元件，还有1/2用来插入和缩回。
插装机器人广泛应用于电子工业，他们的优点是编程简单，价格适中，体积小，速度快。
他们的缺点是虽然他们可以用编程实现在任意型号的电路板上以任意的方位插入元件，以完成在设计范围内的一系列工作，但是他们不能从事除此以外的其他工作。
1.9机器人关节
机器人有许多不同类型的关节，有线性的，旋转的，滑动的或球形的。
虽然球关节在许多系统中使用很普遍，但是由于拥有多个自由度且难以控制，所以在机器人中除了用于研究外并不常用。
大多数机器人关节是线性或旋转型关节。
滑动（）关节是线性的，它不包含旋转运动，并由气缸，液压缸或者线性电驱动器驱动，主要用于台架构型，圆柱构型或类似的关节构型。
回转关节是旋转型的，虽然液压和气动旋转关节使用十分普遍，但大部分旋转关节是电动的，它们由步进电机驱动，或者更普遍地采用伺服电机驱动。
1.10机器人的坐标
机器人的构型通常是根据它们的坐标系来确定，如图1.4所示。
滑动关节用P表示，旋转关节用R表示，球型关节用S表示。
机器人构型通常可用一系列的P,R,S来描述例如三滑动关节，三旋转关节则由3P3R来表示。
以下是用于给机器人手定位的常用构型。
笛卡尔坐标/直角坐标/台架型（3P）这种机器人由三个线形关节，用来确定末端执行器的位置，通常带有附加的旋转关节来确定末端执行器的姿态。
圆柱坐标性（R2P）圆柱坐标机器人有两个滑动关节和一个旋转关节来确定不见的位置，再附加一个旋转关节来确定部件的姿态。
球坐标型
（2）球坐标机器人采用球坐标系，它用一个滑动关节和两个旋转关节来确定部件的位置，再用一个附加的旋转关节确定部件的姿态。
链式/拟人型（3R）（关节）链式机器人的关节全都是旋转的，类似于人的手臂。
它们是工业机器人中最常见的构型。
选择性柔性装配机器人臂（）机器人有两个并联的旋转关节，可以使机器人在水平面上运动，此外，再用一个附加的滑动关节作垂直运动（如图1.5所示）。
机器人常用于装配作业，最显著的特点是它们在平面上的运动具有较大的柔性，而沿Z轴具有很强的刚性，所以它具有选择性的柔性。
这在装配作业中是很重要的问题，后面还将对此进行讨论。
图1.4一些可能的机器人坐标构架形式
图1.5机器人
1.11机器人的参考坐标系
机器人可以相对于不同的坐标系运动，在每一种坐标系中的运动都不相同。
常用坐标系见下图1.6所示。
图1.6 机器人的全局坐标系、关节参考坐标系和工具参考坐标系。
大多数机器人编程都是相对其中一个坐标系
全局参考坐标系通用坐标系，由轴所定义。
在此情况下，通过机器人关节的同时运动来产生沿三个主轴方向的运动。
在这坐标系中，无论手臂在那里，X轴的正向运动就总是在X轴的正方向。
这一坐标通常用来定义机器人相对于其他物体的运动，与机器人通信的其它部件以及运动路径
关节参考坐标系关节参考坐标系用来描述机器人每一个独立关节的运动。
假设希望将机器人的手运动到一个特定的位置，可以每次只运动一个关节，从而把手引导到期望的位置上。
在这种情况下，每一个关节单独控制，从而每次只由一个关节运动。
由于所用关节的类型（滑动型，旋转型，球型）不同，机器人手的动作也各不相同。
例如，如果旋转关节运动，机器人手将绕着关节的轴旋转。
工具参考坐标系工具参考坐标系描述机器人手相对于固连在手上的坐标系的运动。
固连在手上的X’,Y’和Z’轴定义了手相对于本地坐标系的运动。
与通用的全局坐标系不同，本地的工具坐标系随机器人一起运动。
工具坐标系是一个活动的坐标系，当机器人运动是它也随之不断改变。
机器人所有的关节必须同时运动才能产生关于工具坐标系的协调运动。
在机器人编程中，工具坐标系是一个极其有用的坐标系，用它便于对机器人靠近，离开物体或安装零件进行编程。
1.12机器人的编程模式
根据机器人机器复杂程度的不同，可用多种模式为机器人编程。
以下是一些常用的编程模式：
硬件逻辑结构模式在这个模式中，操作员操纵开关和起停按钮控制机器人的运动。
这种模式常与其他装置配合使用，例如可编程序逻辑控制器（）.
引导或示教模式在这种模式中，机器人的各个关节随示教杆运动，当达到期望的位姿时，位姿信息送入控制器。
在再现过程中，控制器控制各关节运动到相同的位子。
这种方式常用于点对点控制，而并不指定或控制两点之间的运动，它只保证示教的各点到位。
（点位控制）
连续轨迹示教模式在种模式中，机器人所有的关节同时运动，此时机器人的运动是连续采样的，并由控制器记录运动信息。
在再现过程中，按照记录的信息准确地执行动作。
操作员给机器人示教通常有两种方法：
一种是通过模型实际运动末端执行器，另一种是直接引导机器人手臂在他的工作空间中运动。
例如，熟练的喷漆工人就是通过这种方式为喷漆机器人编程。
软件模式在这种机器人编程模式中，可以采用离线或在线的方式进行编程，然后由控制器执行这些程序，并控制机器人的运动。
这种编程模式最为先进和通用它可包含传感器信息，条件语句（诸如…语句）和分支语句等。
然而，在编写程序之前必须掌握机器人操作系统的知识。
大部分工业机器人都具有一种以上的编程模式。
软件简介
－400型四自由度机器人的控制系统是基于6.0开发的，如下图所示，具有较好的操作界面，方便用户操作。
软件内部编制了空间直线插补算法，机器人的正运动学算法，机器人的逆运动学算法，用关节空间法对机器人示教的路径进行了详细的规划，对机器人的实验流程做了详细的路径规划。
该软件系统具有很多功能,包括机器人的轴运动卡的测试、机器人的正运动学分析、机器人逆运动学分析、机器人的软件示教、完成具体实验项目（机器人装配、机器人搬运、机器人搭积木），通过软件和限位开关对各个关节的运动范围进行了限定。
软件还提供给用户动态连接库，方便用户利用、调用动态连接库对－400型机器人进行二次开发，以满足不同用户的不同需求，有利于用户学习和理解机器人这门技术。
－400型机器人能用于培养动手能力、创造力、综合能力、合作能力和进取精神。
借助于可视化语言和开放式接口，－400型机器人还可以作为通用的综合实验平台。
1.13机器人的性能指标
以下几项用来定义机器人的性能指标：
负荷能力负荷能力是机器人在满足其它性能要求的情况下，能够承担的负荷重量。
例如，一台机器人的最大负荷能力可能远大于它的额定负荷能力，但是达到最大负荷时，机器人的工作精度可能会降低，可能无法准确地沿着预定的轨迹运动，或者产生额外的偏差。
机器人的负荷量与其自身的重量相比往往非常小。
例如，机器人自身重86磅，而其负荷量仅为6.6磅；M16机器人自身重594磅，而其负荷量
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