機(jī)器人-第1章

1、教材：機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論（原書(shū)第3版）, [美]John J. Craig著,贠超 等譯. 書(shū)名原文: Introduction to Robotics: Mechanics and Control.蔡自興. 《機(jī)器人學(xué)》，清華大學(xué)出版社。參考資料：機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論——分析、系統(tǒng)及應(yīng)用, [美]Saeed B.Niku著, 孫福春等譯. 書(shū)名原文: Introduction to Robotics: Analysis, Systems,

2、 Applications.譚民，徐德等，《先進(jìn)機(jī)器人控制》，高等教育出版社。比較知名的刊登機(jī)器人方面研究成果的期刊：《Advanced Robotics》，《Autonomous Robots》, 《Journal of Robotic System》，《機(jī)器人》，《自動(dòng)化學(xué)報(bào)》，《機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用》，《控制理論與應(yīng)用》。MATLAB的Robotics工具箱(by Peter I. Corke)：http://petercor

3、ke.com/Robotics_Toolbox.html上課形式：講授20學(xué)時(shí)、實(shí)驗(yàn)12學(xué)時(shí)考核：仿真作業(yè)，實(shí)驗(yàn)報(bào)告，課程論文（綜述）,機(jī)器人的由來(lái)(1/2)西周時(shí)代（公元前1066年～ 前771年），就流傳巧匠偃師獻(xiàn)給周穆王一個(gè)歌舞機(jī)器人（藝伎）的故事。公元2012年，央視春晚，機(jī)器人舞蹈。東漢時(shí)期（公元25年～220年）的張衡發(fā)明的指南車(chē)是世界上最早的機(jī)器人雛形,,第1章 緒論,機(jī)器人的由來(lái)(2/2)1768-1

4、774，瑞士鐘表匠制作的木偶機(jī)器人，自動(dòng)書(shū)寫(xiě)、自動(dòng)演奏1893年，加拿大摩爾設(shè)計(jì)的能行走的機(jī)器人“安德羅丁”，以蒸汽為動(dòng)力。1920年，捷克劇作家Karel Capek首次提出Robota一詞1950美國(guó)科幻作家Assimov,在《我是機(jī)器人》中，提出機(jī)器人三守則：一.機(jī)器人不得傷害人，也不得見(jiàn)人受到傷害而袖手旁觀(guān)二.機(jī)器人應(yīng)服從人的一切命令，但不得違反第一定律三.機(jī)器人應(yīng)保護(hù)自身的安全，但不得違反第一、第二定律 1954

5、年美國(guó)人設(shè)計(jì)了第一臺(tái)電子可編程機(jī)器人1962年美國(guó)萬(wàn)能自動(dòng)化（Unimation）公司的全球第一臺(tái)機(jī)器人Unimate，在美國(guó)通用（GM）公司使用，標(biāo)志著第一代機(jī)器人的誕生。,機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀(1/3),北美工業(yè)機(jī)器人的裝運(yùn)量（單位：百萬(wàn)美元）,各種用途工業(yè)機(jī)器人的年安裝量,20世紀(jì)90年代即機(jī)器人價(jià)格與人力成本的比較,中國(guó)：1. 2011年7月29日，身為鴻海精密工業(yè)股份有限公司(Hon Hai Precision Industr

6、y Co.，2317.TW，母公司鴻海科技集團(tuán)，內(nèi)地習(xí)慣稱(chēng)為“富士康”)董事長(zhǎng)兼總裁，郭臺(tái)銘攜妻子在深圳參加公司萬(wàn)人晚會(huì)，情緒甚高的他口無(wú)遮攔，透露富士康將增加生產(chǎn)線(xiàn)上的機(jī)器人數(shù)量以完成簡(jiǎn)單重復(fù)的工作：明年達(dá)30萬(wàn)臺(tái)，3年后機(jī)器人規(guī)模達(dá)100萬(wàn)臺(tái)。 （摘自新浪財(cái)經(jīng),2012）2. 新京報(bào)訊 （2013-2-21, 記者林其玲），往年春節(jié)過(guò)后富士康都會(huì)展開(kāi)大規(guī)模勞工招聘，昨天富士康大陸地區(qū)新聞發(fā)言人劉坤透露，今年春節(jié)后，富士康在全國(guó)范圍

7、內(nèi)暫停招工。據(jù)記者了解，富士康將加快機(jī)器人應(yīng)用。,機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀(2/3),機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀(3/3)2015年1月6日，工信部國(guó)際經(jīng)濟(jì)技術(shù)合作中心主任龔曉峰做客中國(guó)經(jīng)濟(jì)網(wǎng)《經(jīng)濟(jì)熱點(diǎn)面對(duì)面》時(shí)指出，我國(guó)的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)近兩年來(lái)發(fā)展迅猛，2013年共銷(xiāo)售3.7萬(wàn)臺(tái)工業(yè)機(jī)器人，同比增長(zhǎng)60%，預(yù)計(jì)2014年銷(xiāo)售5萬(wàn)臺(tái)，已成為全球最大的市場(chǎng)。龔曉峰說(shuō)，工信部制定了相關(guān)規(guī)劃，并在近兩年間對(duì)全國(guó)情況進(jìn)行摸底和調(diào)查，在接下來(lái)編制“十三五”規(guī)

8、劃中，將結(jié)合智能制造整個(gè)大環(huán)境，以及從制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)變的使命來(lái)制定相關(guān)政策，營(yíng)造相關(guān)環(huán)境。目前我國(guó)和機(jī)器人產(chǎn)業(yè)相關(guān)的公司有400多家，以中小企業(yè)為主，最大的公司產(chǎn)值大概在十幾億元左右。,機(jī)器人的定義(1/2)英國(guó)牛津字典：貌似人的自動(dòng)機(jī)，具有智力和順從于人但不具有人格的機(jī)器。（到目前為止，還沒(méi)有與人類(lèi)相似的機(jī)器人，理想的機(jī)器人）美國(guó)機(jī)器人協(xié)會(huì)（RIA-Robot Institute of America）：一種用于移動(dòng)

9、各種材料、零件、工具或?qū)Ｓ醚b置的，通過(guò)可編程序動(dòng)作來(lái)執(zhí)行各種任務(wù)，并具有編程能力的多功能機(jī)械手。（不全面，指工業(yè)機(jī)器人）日本工業(yè)機(jī)器人協(xié)會(huì)（JIRA-Japanese Indrustrial Robot Association）：一種裝備有記憶裝置和末端執(zhí)行器的，能夠轉(zhuǎn)動(dòng)并通過(guò)自動(dòng)完成各種移動(dòng)來(lái)代替人類(lèi)勞動(dòng)的通用機(jī)器。（包括工業(yè)機(jī)器人和智能機(jī)器人）國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO：機(jī)器人是一種自動(dòng)的、位置可控的、具有編程能力的多功能機(jī)械手，

10、這種機(jī)械手具有幾個(gè)軸，能夠借助于可編程序操作來(lái)處理各種材料、零件、工具和專(zhuān)用裝置，以執(zhí)行種種任務(wù)。（與RIA的類(lèi)似）,機(jī)器人的定義(2/2)中國(guó)：一種擬人功能的機(jī)械電子裝置。共同屬性：1）像人或人的一部分，并模仿人的動(dòng)作2）具有智能或感覺(jué)與識(shí)別能力3）是人制造的機(jī)器或機(jī)械電子裝置,機(jī)器人分類(lèi),按執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)力方式來(lái)劃分：電氣驅(qū)動(dòng)液壓驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)其他：壓電陶瓷、形狀記憶合金、磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器等按智能程度來(lái)劃分：一般機(jī)

11、器人：只具有一般編程能力和操作功能。智能機(jī)器人：具有不同程度的智能，如可進(jìn)行人-機(jī)對(duì)話(huà)、可無(wú)需人的干預(yù)下的自主執(zhí)行任務(wù)。按移動(dòng)性來(lái)劃分：固定式機(jī)器人：整臺(tái)機(jī)器人（或機(jī)械臂）不能移動(dòng)，只能移動(dòng)各個(gè)關(guān)節(jié)移動(dòng)機(jī)器人：輪式、履帶式、步行（單足、雙足、四足、六足和八足）,按用途分,本課程的對(duì)象是工業(yè)機(jī)器人（機(jī)械臂、機(jī)械手）,,,,,,,,,,,機(jī)器人,,工業(yè)機(jī)器人,,特種機(jī)器人,,服務(wù)機(jī)器人,,水下機(jī)器人,,軍用機(jī)器人,,農(nóng)業(yè)機(jī)器人,,

12、機(jī)器人化機(jī)器,,仿人形機(jī)器人,,娛樂(lè)機(jī)器人,,空間機(jī)器人,,,,,,,,,,,,,微機(jī)器人,,,醫(yī)用機(jī)器人,,,,按坐標(biāo)形式分類(lèi) ：笛卡爾坐標(biāo)結(jié)構(gòu)、圓柱面坐標(biāo)結(jié)構(gòu)、極坐標(biāo)結(jié)構(gòu)、球面坐標(biāo)結(jié)構(gòu)和關(guān)節(jié)式球面坐標(biāo)（鉸接型）結(jié)構(gòu),笛卡爾坐標(biāo)（直角坐標(biāo)）,球面坐標(biāo),圓柱面坐標(biāo),關(guān)節(jié)式球面坐標(biāo)（鏈?zhǔn)阶鴺?biāo)）,平面坐標(biāo),按控制類(lèi)型來(lái)劃分：點(diǎn)位控制（非伺服控制）：按照預(yù)先編好的程序順序進(jìn)行工作，使用終端限位開(kāi)關(guān)、制動(dòng)器、插銷(xiāo)板和定序器來(lái)控制機(jī)械臂的運(yùn)

13、動(dòng)。可靠性強(qiáng)、能力較弱。連續(xù)控制（伺服控制）：被控制量（輸出）可為機(jī)械臂終端執(zhí)行裝置（或工具）的位置、速度、加速度和力等。能力較強(qiáng)，可靠性低一點(diǎn)。,機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展方向,智能化高性能的傳感器，驅(qū)動(dòng)器和執(zhí)行器的研究解決機(jī)器人在特殊領(lǐng)域的邏輯推理、思維和自主決策能力解決人和機(jī)器的協(xié)調(diào)共處讓機(jī)器人具有情感 模塊化 部件構(gòu)造上的標(biāo)準(zhǔn)化 多機(jī)化 多機(jī)協(xié)調(diào)作業(yè) 家庭化 極限化 太空、深海、火山 微型

14、化,課程內(nèi)容（講授部分）：機(jī)器人的空間描述與變換（第2章）機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)（第3章）機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)（第4章）機(jī)器人速度（第5章）機(jī)械臂動(dòng)力學(xué) （第6章）機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃 （第7章）機(jī)械臂的機(jī)械設(shè)計(jì) （第8章）機(jī)械臂的線(xiàn)性控制 （第9章）機(jī)械臂的非線(xiàn)性控制 （第10章）課程內(nèi)容（實(shí)驗(yàn)部分）：機(jī)器人編程語(yǔ)言及編程系統(tǒng) （第12章）,,位姿描述（第2章）我們關(guān)心的是機(jī)械臂的桿件、零部件、抓持工具和操作空間內(nèi)的其他物體的位置和

15、姿態(tài)。一般先將一個(gè)空間坐標(biāo)系固連于物體上，然后選一個(gè)作為參考坐標(biāo)系，以此研究空間物體的位置和姿態(tài)。任一坐標(biāo)系都能用作參考坐標(biāo)系，要研究同一物體在不同坐標(biāo)系中空間位姿的描述方法和數(shù)學(xué)計(jì)算方法。,機(jī)械臂正運(yùn)動(dòng)學(xué)（第3章）運(yùn)動(dòng)學(xué)：研究物體的運(yùn)動(dòng)，不考慮引起這種運(yùn)動(dòng)的力。包括位置、速度、加速度等，即運(yùn)動(dòng)的全部幾何和時(shí)間特性。幾乎所有的機(jī)械臂都是有剛性連桿組成，相鄰連桿間由關(guān)節(jié)連接。關(guān)節(jié)通常有傳感器來(lái)測(cè)量關(guān)節(jié)角（轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)）或關(guān)節(jié)偏距（移動(dòng)

16、關(guān)節(jié)）自由度：指一個(gè)點(diǎn)或一個(gè)物體運(yùn)動(dòng)的方式，或一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的變化方式。每個(gè)自由度可表示一個(gè)獨(dú)立的變量，而利用所有的自由度，就可完全規(guī)定所研究的一個(gè)物體或一個(gè)系統(tǒng)的姿態(tài)。1）剛體的自由度任何空間剛體具有6個(gè)自由度，即可任意運(yùn)動(dòng)。3平移、3旋轉(zhuǎn)2）機(jī)器人的自由度操作臂中具有獨(dú)立位置變量的數(shù)目，這些位置變量確定了機(jī)構(gòu)中所有部件的位置。機(jī)器人靠末端執(zhí)行器工作，末端執(zhí)行器具有6個(gè)自由度即可保證其靈活運(yùn)動(dòng)。3個(gè)位置、3個(gè)姿態(tài)自

17、由度。,注意關(guān)鍵詞：獨(dú)立對(duì)于機(jī)械機(jī)構(gòu)，不一定有多少個(gè)部件就有多少個(gè)自由度，如四連桿鉸鏈有三個(gè)可移動(dòng)的連桿，但機(jī)構(gòu)只有一個(gè)自由度。典型的工業(yè)機(jī)器人是一種開(kāi)放的運(yùn)動(dòng)鏈，每個(gè)關(guān)節(jié)位置通常是一個(gè)獨(dú)立的變量，所以關(guān)節(jié)的個(gè)數(shù)等于自由度的數(shù)目。,5個(gè)自由度（2個(gè)冗余自由度）,4個(gè)自由度，若要空間內(nèi)在任何方向上定向，需另外2個(gè)自由度,工具坐標(biāo)系：附著在末端執(zhí)行器上?；鴺?biāo)系：與機(jī)械臂固定底座相連。機(jī)械臂正運(yùn)動(dòng)學(xué)：給定一組關(guān)節(jié)角的值，計(jì)算

18、工具坐標(biāo)系相對(duì)于基坐標(biāo)系的位置和姿態(tài)，如圖。稱(chēng)為從關(guān)節(jié)空間到笛卡兒空間描述的機(jī)械臂位置表示。笛卡兒坐標(biāo)系中，三個(gè)變量描述空間一點(diǎn)的位置，另外三個(gè)變量描述物體的姿態(tài)。也稱(chēng)任務(wù)空間或操作空間。,機(jī)械臂逆運(yùn)動(dòng)學(xué)（第4章）問(wèn)題：給定機(jī)械臂末端執(zhí)行器的位置和姿態(tài)，計(jì)算所有可達(dá)給定位置和姿態(tài)的關(guān)節(jié)角，如圖。即“定位”映射問(wèn)題：將機(jī)械臂末端的位姿從三維笛卡兒空間向內(nèi)部關(guān)節(jié)空間的映射。困難：運(yùn)動(dòng)學(xué)方程是非線(xiàn)性的，很難得到封閉解，有時(shí)甚至無(wú)解，

19、還會(huì)有多解問(wèn)題。運(yùn)動(dòng)學(xué)方程解的存在與否限定了操作臂的工作空間，無(wú)解表示目標(biāo)點(diǎn)處于工作空間之外，因此機(jī)械臂不能達(dá)到這個(gè)期望位姿。,機(jī)械臂的速度、靜力和奇異性（第5章）分析機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)問(wèn)題雅可比矩陣：從關(guān)節(jié)空間速度向笛卡兒空間速度的映射。會(huì)隨著機(jī)械臂位形的變化而變化。在奇異點(diǎn)，雅可比矩陣不可逆。例子：機(jī)槍需跟蹤飛機(jī)兩個(gè)自由度：方位角、仰角A=15º，E=25º，容易被擊落。A=15º，

20、E=70º，仰角增大，飛過(guò)正上方，容易逃脫。機(jī)槍豎直向上或接近這種方位時(shí)，工作越來(lái)越不理想：目標(biāo)越接近正上方，需要越大的速度繞方位軸轉(zhuǎn)動(dòng)。正上方，無(wú)窮大的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。,機(jī)構(gòu)奇異性：原來(lái)有兩個(gè)自由度來(lái)確定機(jī)槍的方位，機(jī)槍豎直向上時(shí)，機(jī)槍的方向與方位角轉(zhuǎn)軸共線(xiàn)，此時(shí)方位角轉(zhuǎn)動(dòng)改變不了機(jī)槍的方向，即其中一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)失效了，就像只有一個(gè)自由度（僅有仰角）。即機(jī)構(gòu)局部退化。機(jī)構(gòu)奇異性不影響機(jī)械臂在工作空間內(nèi)的定位，但在奇異

21、點(diǎn)附近運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)一些問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō)，奇異點(diǎn)不可預(yù)測(cè)，汽車(chē)廠(chǎng)的機(jī)械臂有保護(hù)網(wǎng)。,機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)（第6章）為了使機(jī)械臂從靜止開(kāi)始加速，使末端執(zhí)行器以恒定的速度作直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，最后減速停止，必須通過(guò)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器（電機(jī)、氣缸、液壓缸、人工肌肉等）產(chǎn)生一組復(fù)雜的力矩函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。力矩函數(shù)取決于路徑的空間形式和瞬時(shí)特性、連桿和負(fù)載的質(zhì)量特性以及關(guān)節(jié)摩擦等因素。動(dòng)力學(xué)方程的第一個(gè)用途：求解這些關(guān)節(jié)力矩函數(shù)。動(dòng)力學(xué)方程的第二個(gè)用途：計(jì)算加速度，對(duì)

22、機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真，如圖。,機(jī)械臂軌跡生成（第7章）一點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到另一點(diǎn)，各關(guān)節(jié)同時(shí)開(kāi)始和停止運(yùn)動(dòng)，機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)才顯得協(xié)調(diào)。通常方法是，每個(gè)關(guān)節(jié)按照指定的時(shí)間連續(xù)函數(shù)來(lái)運(yùn)動(dòng)。軌跡生成：如何計(jì)算這些運(yùn)動(dòng)函數(shù)。如圖中間點(diǎn)：位于初始位置和期望位置之間的過(guò)渡點(diǎn)。期望機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)是平滑的。為了使末端執(zhí)行器在笛卡兒空間走出一定軌跡，必須將其轉(zhuǎn)化為一系列的等效的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。,機(jī)械臂設(shè)計(jì)與傳感器（第8章）機(jī)械臂是多用途的裝置，但經(jīng)

23、濟(jì)上考慮，應(yīng)該有預(yù)期執(zhí)行的任務(wù)來(lái)決定其設(shè)計(jì)?？紤]：幾何尺寸、速度、承載能力、關(guān)節(jié)數(shù)量、關(guān)節(jié)分布、驅(qū)動(dòng)器的選擇、傳動(dòng)系統(tǒng)、傳感器等，如圖，這些會(huì)影響工作空間的大小和性質(zhì)、結(jié)構(gòu)的剛度等。專(zhuān)用機(jī)器人：為特定任務(wù)設(shè)計(jì)。根據(jù)任務(wù)考慮關(guān)節(jié)數(shù)目：如，電路板裝配電器元件的專(zhuān)用機(jī)器人，僅需四個(gè)關(guān)節(jié)，三個(gè)用于定位，第四個(gè)可以使被抓取得元件繞垂直軸旋轉(zhuǎn)。通用機(jī)器人：能夠完成各種任務(wù)?！昂线m的”最小關(guān)節(jié)數(shù)量是六個(gè)。,機(jī)械臂線(xiàn)性位置控制（第9

24、章）在位置控制問(wèn)題上，僅依靠動(dòng)力學(xué)本身來(lái)計(jì)算產(chǎn)生期望運(yùn)動(dòng)的力矩不能解決問(wèn)題，是一種開(kāi)環(huán)的控制。要考慮自動(dòng)補(bǔ)償由于系統(tǒng)參數(shù)引起的誤差，以及抑制引起系統(tǒng)偏離期望軌跡的擾動(dòng)。為此，通過(guò)閉環(huán)控制算法對(duì)位置和速度傳感器進(jìn)行檢測(cè)，以計(jì)算出驅(qū)動(dòng)器的力矩指令，如圖?？蓪?duì)機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)進(jìn)行近似線(xiàn)性化。,機(jī)械臂非線(xiàn)性位置控制（第10章）一個(gè)倒立擺或一個(gè)單連桿機(jī)械臂的模型，如圖：非線(xiàn)性控制技術(shù)比簡(jiǎn)單的線(xiàn)性控制方法具有更好的性能。,機(jī)械臂編程語(yǔ)言

25、及編程系統(tǒng)（第12章）機(jī)器人編程語(yǔ)言是用戶(hù)和工業(yè)機(jī)器人交互的接口。機(jī)器人機(jī)械臂與專(zhuān)用的自動(dòng)化裝置不同的是它們具有“柔性”，即可編程。還能與其他的工廠(chǎng)自動(dòng)化裝備進(jìn)行通信，在執(zhí)行任務(wù)的過(guò)程中還能適應(yīng)各種變化。對(duì)機(jī)器人編程語(yǔ)言的要求：1.能夠建立世界模型，如坐標(biāo)系2.能夠描述機(jī)器人的作業(yè)，如給出作業(yè)順序3.能夠描述機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，如VAL中，move goal14.允許用戶(hù)規(guī)定執(zhí)行流程，如循環(huán)、轉(zhuǎn)移、中斷等5.要有良好的編程環(huán)境