机器人原理与实践-组成课件.ppt

1、机器人原理与实践 它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。它的任务也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。它的任务是协助或取代人类工作的工作，例如生产业、建筑业，或是是协助或取代人类工作的工作，例如生产业、建筑业，或是危险的工作。危险的工作。现在，国际上一致认为：现在，国际上一致认为：机器人是靠自身动力和控制能力机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能来实现各种功能的一种机器。的一种机器。第一章第一章 机器人概述机器人概述机器人（机器人（Robot）是）是自动执行工作自动执行工作的机器装置

2、。的机器装置。一一、什么是机器人什么是机器人 联合国标准化组织采纳了美国机器人协会给机器人下联合国标准化组织采纳了美国机器人协会给机器人下的定义：的定义：“一种可编程和多功能的，用来搬运材料、零件、一种可编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机；工具的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可改变和或是为了执行不同的任务而具有可改变和可编程动作的专门系统可编程动作的专门系统。”机器人是高级整合控制论、机械电子、计算机、材料机器人是高级整合控制论、机械电子、计算机、材料和仿生学的产物。目前在工业、医学、农业、建筑业甚至和仿生学的产物。目前在工业、医学、农业、建筑业甚至军事等领域中均有重要用途

3、。军事等领域中均有重要用途。机器人系统的结构由机器人系统的结构由执行机构执行机构、传感器传感器、电脑电脑及及信息处理信息处理四部分组成。四部分组成。（1 1）机构部分包括机械手和移动机构，机械手相当于人手，）机构部分包括机械手和移动机构，机械手相当于人手，可完成各种工作；移动机构相当于人的脚，机器人靠它来可完成各种工作；移动机构相当于人的脚，机器人靠它来“走路走路”。（2 2）传感器部分是机器人对自身或外部环境变化信息的感）传感器部分是机器人对自身或外部环境变化信息的感觉器官，相当于人的眼、耳、皮肤等，它包括内传感器和外觉器官，相当于人的眼、耳、皮肤等，它包括内传感器和外传感器。传感器。二二

4、机器人系统的组成机器人系统的组成 （3 3）电脑是机器人的指挥中心，相当于人脑或中枢神）电脑是机器人的指挥中心，相当于人脑或中枢神经，它能控制机器人各部位协调动经，它能控制机器人各部位协调动 作；作；（4 4）信息处理装置（电子计算机），是人与机器人沟）信息处理装置（电子计算机），是人与机器人沟通的工具，可根据外界的环境变化、灵活变更机器人的动通的工具，可根据外界的环境变化、灵活变更机器人的动作。作。1 1执行机构执行机构 执行机构即机器人本体。其臂部一般采用空间开链连杆执行机构即机器人本体。其臂部一般采用空间开链连杆机构，其中的运动副常称为关节，关节个数通常即为机器机构，其中的运动副常称为关

5、节，关节个数通常即为机器人的自由度数。人的自由度数。出于拟人化的考虑，常将机器人本体的有关部位分别称出于拟人化的考虑，常将机器人本体的有关部位分别称为基座、腰部、臂部、腕部、手部（夹持器或末端执行器）为基座、腰部、臂部、腕部、手部（夹持器或末端执行器）和行走部（对于移动机器人）等。和行走部（对于移动机器人）等。机器人的机构包括执行机构、传动机构和驱动机构三大机器人的机构包括执行机构、传动机构和驱动机构三大类。类。（一）机构部分（一）机构部分 传动机构用于把驱动器产生的动力传递到机器人的各个传动机构用于把驱动器产生的动力传递到机器人的各个关节和动作部位，实现机器人平稳运动。常见的传动机构有关节和

6、动作部位，实现机器人平稳运动。常见的传动机构有以下几种：以下几种：（1 1）齿轮传动齿轮传动：它通过均匀分布在轮边缘的齿的直接接触：它通过均匀分布在轮边缘的齿的直接接触传递动力。它主要用于改变力的大小、方向和速度。传递动力。它主要用于改变力的大小、方向和速度。（2 2）丝杠传动机构丝杠传动机构：丝杠是具有螺纹的杆，通过丝杠转：丝杠是具有螺纹的杆，通过丝杠转动把旋转的运动改变为直线运动。丝杠传动机构主要有滚珠动把旋转的运动改变为直线运动。丝杠传动机构主要有滚珠丝杠、行星轮式丝杠。丝杠、行星轮式丝杠。2传动机构传动机构 （3 3）皮带传动和链传动机构皮带传动和链传动机构：它利用皮带或链条传递平行：

7、它利用皮带或链条传递平行轴之间的回转运动，或把回转运动转换成直线运动。它主要轴之间的回转运动，或把回转运动转换成直线运动。它主要有齿形带传动。及滚子链传动。有齿形带传动。及滚子链传动。（4 4）流体传动流体传动：分为液压和气压传动，即利用液体和气体：分为液压和气压传动，即利用液体和气体为媒介传递能量。液压传动驱动精度高，功率大，适用于搬为媒介传递能量。液压传动驱动精度高，功率大，适用于搬运笨重物品的机器人上；气压传动成本低，容易达到高速，运笨重物品的机器人上；气压传动成本低，容易达到高速，多用于完成简单工作多用于完成简单工作 机器人。机器人。（5 5）连杆传动连杆传动：它利用一根杆的形式把力传

8、递到被动机械，：它利用一根杆的形式把力传递到被动机械，在传递过程中改变力的大小、方向，连轩可长可短，使被动在传递过程中改变力的大小、方向，连轩可长可短，使被动机械可移动很大的距离，这种传动机构多用于完成简单工作机械可移动很大的距离，这种传动机构多用于完成简单工作的机器人上。的机器人上。人和动物之所以能维持生命和运动，是因为肌肉系统人和动物之所以能维持生命和运动，是因为肌肉系统能收缩并产生能量的原因。驱动器相当于机器人的能收缩并产生能量的原因。驱动器相当于机器人的 肌肉肌肉。机器人身上主要采用机器人身上主要采用电动驱动器电动驱动器（电机）、（电机）、流体流体（液体或（液体或气体）驱动器。气体）驱

9、动器。根据机器人上使用的驱动器的不同可分为三类：根据机器人上使用的驱动器的不同可分为三类：（1 1）电动驱动器电动驱动器从从8080年代开始被应用于机器人上，它由年代开始被应用于机器人上，它由电能产生动能，驱动机器人各关节动作。电能产生动能，驱动机器人各关节动作。电动机器人电动机器人能完成高速运动，具有传动机构少，成本能完成高速运动，具有传动机构少，成本低等优点，在现代工业生产中已基本普及。低等优点，在现代工业生产中已基本普及。3 驱动机构驱动机构 （2 2）液压机器人液压机器人具有精度高，反应速度快的优点但液具有精度高，反应速度快的优点但液压机构维护复杂，成本高，现已基本被电动机器人取代。压

10、机构维护复杂，成本高，现已基本被电动机器人取代。（3 3）气动机器人气动机器人由气动机构产生动力驱动关节运动。由气动机构产生动力驱动关节运动。气动方式受空气可压缩性影响，稳定性差，定位精度低，气动方式受空气可压缩性影响，稳定性差，定位精度低，目前应用较少。目前应用较少。现在，科学家们正智力研制一种现在，科学家们正智力研制一种聚合物的肌肉组织聚合物的肌肉组织。这种肌肉材料能把化学能转化为机械能，靠自身的伸缩实这种肌肉材料能把化学能转化为机械能，靠自身的伸缩实现人工肌肉的功能。我们称为特殊驱动器。现人工肌肉的功能。我们称为特殊驱动器。比如一种由比如一种由形状记忆形状记忆元件组成的特殊驱动器，无论形

11、元件组成的特殊驱动器，无论形状记忆元件变形到什么形状，加热后都能完全恢复到原来状记忆元件变形到什么形状，加热后都能完全恢复到原来的形状，目前用于机器人驱动器上的只限于的形状，目前用于机器人驱动器上的只限于 TiTi 和和 NiNi 组组成的形状成的形状 记忆合金。记忆合金。（二）传感器部分（二）传感器部分传感器是机器人的感觉器官，传感器置的作用是实时检测传感器是机器人的感觉器官，传感器置的作用是实时检测机器人的运动及工作情况，根据需要反馈给控制系统，与设机器人的运动及工作情况，根据需要反馈给控制系统，与设定信息进行比较后，对执行机构进行调整，以保证机器人的定信息进行比较后，对执行机构进行调整，

12、以保证机器人的动作符合预定的要求。动作符合预定的要求。检测装置的传感器可分为两类：内部传感器和外部传感器检测装置的传感器可分为两类：内部传感器和外部传感器 内部传感器内部传感器：用于检测机器人自身的状态，它安装在驱动：用于检测机器人自身的状态，它安装在驱动装置内，用以测量手臂、手爪等的运动位置和速度，以控制装置内，用以测量手臂、手爪等的运动位置和速度，以控制机器人定位精确和运动平稳，如角度传感器、关节传感器。机器人定位精确和运动平稳，如角度传感器、关节传感器。并将所测得的信息作为反馈信号送至控制器，形成闭环控制并将所测得的信息作为反馈信号送至控制器，形成闭环控制。外部传感器外部传感器：用于获取

13、有关机器人的作业对象及外界环境等：用于获取有关机器人的作业对象及外界环境等方面的信息，以使机器人的动作能适应外界情况的变化，使之方面的信息，以使机器人的动作能适应外界情况的变化，使之达到更高层次的自动化，甚至使机器人具有某种达到更高层次的自动化，甚至使机器人具有某种“感觉感觉”，向智，向智能化发展。能化发展。如：如：视觉传感器视觉传感器是机器人的是机器人的眼睛眼睛，它可测量物体的距离和，它可测量物体的距离和位置，识别物体的形状、颜色等特位置，识别物体的形状、颜色等特 性；性；温度传感器温度传感器相当于人的相当于人的皮肤，机器人通过它感知环境温度的变化；移动机器人在工作皮肤，机器人通过它感知环境

14、温度的变化；移动机器人在工作时，采用时，采用距离传感器距离传感器检测障碍物的位置，告诉机器人及时躲避，检测障碍物的位置，告诉机器人及时躲避，确保工作安全。利用这些信息可以构成一个大的反馈回路，从确保工作安全。利用这些信息可以构成一个大的反馈回路，从而将大大提高机器人的工作精度。而将大大提高机器人的工作精度。传感器的优劣是机器人技术进步的关键，实现未来的高智能传感器的优劣是机器人技术进步的关键，实现未来的高智能机器人，一定要依赖于传感器技术的提高。机器人，一定要依赖于传感器技术的提高。机器人的控制是由一台或多台微型计算机完成的。机器人的控制是由一台或多台微型计算机完成的。单片机是指集成在一块单片

15、机是指集成在一块芯片芯片上的完整计算机上的完整计算机系统系统。尽管他的大部分功能集成在一块小芯片上，但是它具有一尽管他的大部分功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：个完整计算机所需要的大部分部件：CPUCPU、内存内存、内部和外部、内部和外部总线总线系统，目前大部分还会具有外存。系统，目前大部分还会具有外存。同时还集成有同时还集成有通讯接口通讯接口、定时器定时器，时钟时钟等外围设备。等外围设备。现在最强大的单片机系统甚至可以将现在最强大的单片机系统甚至可以将声音声音、图像图像、网络网络、输入输出系统输入输出系统集成在一块芯片上。集成在一块芯片上。（三）大脑部分（三

16、）大脑部分 单片机也被称为单片机也被称为微控制器微控制器（Microcontroller），是因为它），是因为它最早被用在工业控制领域。最早被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有单片机由芯片内仅有CPU的专用的专用处理器处理器发展而来。发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。求严格的控制设备当中。INTEL的的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器，从此是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单

17、片机和专用处理器的发展便分道扬镳。以后，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。C51单片机单片机 MCS51是美国是美国INTEL公司生成的一系列单片机的总称。公司生成的一系列单片机的总称。包括包括8031、8751等。其中等。其中8051是最典型的一种，亦称是最典型的一种，亦称MCS51系列单片机。系列单片机。以以8051为内核发展起来一种为内核发展起来一种 AT89C51（简称（简称C51），），其改进型是其改进型是 AT89S52，这是一种，这是一种 高性能、低功耗的高性能、低功耗的8位单片机；位单片机；内含内含8K字节可编程系统字节可编程系统 ISP；可反复擦鞋可反复擦鞋1000次的次的

18、FLASH只读程序存储器；只读程序存储器；兼容标准兼容标准MCS指令系统及其引脚结构。指令系统及其引脚结构。本课程学习的教育机器人使用的就是本课程学习的教育机器人使用的就是 AT89S52 单片机。单片机。机器人控制系统有两种方式机器人控制系统有两种方式 一种是一种是集中式控制集中式控制，即机器人的全部控制由一台微型计，即机器人的全部控制由一台微型计算机完成。算机完成。另一种是另一种是分散（级）控制分散（级）控制，即采用多台微机来分担机器，即采用多台微机来分担机器人的控制，如当采用上、下两级微机共同完成机器人的控人的控制，如当采用上、下两级微机共同完成机器人的控制时，主机常用于负责系统的管理、

19、通讯、运动学和动力制时，主机常用于负责系统的管理、通讯、运动学和动力学计算，并向下级微机发送指令信息；作为下级从机，各学计算，并向下级微机发送指令信息；作为下级从机，各关节分别对应一个关节分别对应一个CPUCPU，进行插补运算和伺服控制处理，进行插补运算和伺服控制处理，实现给定的运动，并向主机反馈信息。实现给定的运动，并向主机反馈信息。根据作业任务要求的不同，机器人的控制方式又可分为根据作业任务要求的不同，机器人的控制方式又可分为点位控制、连续轨迹控制和力（力矩）控制。点位控制、连续轨迹控制和力（力矩）控制。（四）控制部分（四）控制部分 工业机器人电动伺服系统的一般结构为三个闭环控制，工业机器

20、人电动伺服系统的一般结构为三个闭环控制，即电流环、速度环和位置环。即电流环、速度环和位置环。目前国外许多电动机生产厂家均开发出与交流伺服电目前国外许多电动机生产厂家均开发出与交流伺服电动机相适配的驱动产品，用户根据自己所需功能侧重不同而动机相适配的驱动产品，用户根据自己所需功能侧重不同而选择不同的伺服控制方式，一般情况下，交流伺服驱动器，选择不同的伺服控制方式，一般情况下，交流伺服驱动器，可通过对其内部功能参数进行人工设定而实现以下功能：可通过对其内部功能参数进行人工设定而实现以下功能：1 1位置控制方式；位置控制方式；2 2速度控制方式；速度控制方式；3 3转矩控制方式；转矩控制方式；4 4

21、位置、速度混合方式；位置、速度混合方式；5 5位置、转矩混合方式；位置、转矩混合方式；6 6速度、转矩混合方式；速度、转矩混合方式；7 7转矩限制；转矩限制；8 8位置偏差过大报警；位置偏差过大报警；9 9速度速度PIDPID参数设置；参数设置；1010速度及加速度前馈参数设置；速度及加速度前馈参数设置；1111零漂补偿参数设置；零漂补偿参数设置；1212加减速时间设置等。加减速时间设置等。19661966年，美国海军就是用装有钳形人工指的机器人年，美国海军就是用装有钳形人工指的机器人“科沃科沃”把因飞机失事掉入西班牙近海的一颗氢弹从七百把因飞机失事掉入西班牙近海的一颗氢弹从七百五十米深的海底捞上来。五十米深的海底捞上来。19671967年，美国飞船年，美国飞船“探测者三号探测者三号”就把一台遥控操就把一台遥控操作的机器人送上月球。它在地球上的人的控制下，可以在作的机器人送上月球。它在地球上的人的控制下，可以在两平方米左右的范围里挖掘月球表面四十厘米深处的土壤两平方米左右的范围里挖掘月球表面四十厘米深处的土壤样品，并且放在规定的位置，还能对样品进行初步分析，样品，并且放在规定的位置，还能对样品进行初步分析，如确定土壤的硬度，重量等。它为如确定土壤的硬度，重量等。它为“阿波罗阿波罗”载人飞船登载人飞船登月当了开路先锋。月当了开路先锋。