1、 機器人技術概論講義目錄第一章 機器人概論 . . - 1 -機器人概論研究的內容 . . - 1 - 什么是機器人？ . . - 1 - 機器人的發(fā)展 . . - 2 - 為什么要發(fā)展機器人？ . . - 3 - 機器人發(fā)展的三個階段 . . - 3 - 機器人學 . . - 4 - 機器人的分類 . . - 4 -第二章 機器人的數學基礎 . . - 6 -第一節(jié) 位置和姿態(tài)的表示 . . - 6 -第二節(jié) 坐標變換 . . - 7 -第三節(jié) 齊次變換 . . - 8 -第三章 機器人運動學 . . - 11 -第一節(jié) 機器人運動方程的表示 . . - 11 -第二節(jié) 連桿變換矩陣及其乘積

2、 . . - 12 -第四章 機器人的感覺系統(tǒng) . . - 18 -第一節(jié) 傳感器原理簡介 . . - 18 -第二節(jié) 傳感器在機器人中的應用 . . - 20 -第五章 機器人驅動與控制技術 . . - 28 -第一節(jié) 驅動電機 . . - 28 -第二節(jié) 位置控制 . . - 30 -第六章 機器人軌跡規(guī)劃 . . - 35 -第一節(jié) 軌跡規(guī)劃的一般性問題 . . - 35 -第二節(jié) 關節(jié)軌跡的插值 . . - 35 -第三節(jié) 移動機器人路徑規(guī)劃 . . - 38 -機器人技術概論講義- 1 - 第一章 機器人概論機器人概論研究的內容在機器人研究中，我們通常在三維空間中研究物體的位置。這些

3、物體可用兩個非常重要的特性來描述：位置和姿態(tài)。我們會首先研究如何用數學的方法表示和計算這些參量。運動學研究物體的運動，而不考慮引起這種運動的力。在運動學中，我們研究位置、速度、加速度和位置變量對于時間和其它變量的高階微分。其中，正運動學方程描述各個關節(jié)變量在工具坐標系與基坐標系間的函數關系；逆運動學通過給定工具坐標系的位置和姿態(tài)，計算各個關節(jié)變量。機器人與外界環(huán)境相互作用時，在接觸的地方要產生力 和力矩 ，統(tǒng)稱為操作力矢量。n 個關節(jié)的驅動力（或力矩）組成的n 維矢量，稱為關節(jié)力矢量。靜力學研究在靜態(tài)平衡狀態(tài)下，操作力向關節(jié)力映射存在著的線性關系。動力學主要研究產生運動所需要的力。為了使操作臂

4、從靜止開始加速，使末端執(zhí)行器以一定的速度作直線運動，最后減速停止，必須通過關節(jié)驅動器產生一組復雜的力矩函數來實現。機器人的感覺主要介紹產生機器人的力覺、視覺、觸覺、接近覺等相關的傳感器。機器人的控制在前面的基礎上設計位置控制系統(tǒng)，討論控制算法及給機器人編程等。什么是機器人？一般的理解：機器人是具有一些類似人的功能的機械電子裝置或者叫自動化裝置，它是個機器。特點： 有類人的功能。作業(yè)功能；感知功能；行走功能；能完成各種動作. 根據人的編程能自動的工作。通過編程改變它的工作、動作、工作的對象和工作的一些要求。 是人造的機器或機械電子裝置，仍然是個機器機器人的定義：機器人學是一門不斷發(fā)展的科學，上世

5、紀60年代，可實用機械機器人被稱為工業(yè)機器人；上世紀80年代到現在，正越來越向智能化方向發(fā)展。因此，對機器人的定義也隨其發(fā)展而變化。國際上對機器人的定義很多：The Webster dictionary (Webster, 1993 ：“An automatic device that performs functions normally ascribed to humans or a machine in the form of a human.” 一個自動化設備，它能執(zhí)行通常由人執(zhí)行的任務；或一個人型的機器美國機器人學會（The Robot Institute of America，19

6、79 ：“A reprogrammable, multifunctional manipulator designed to move materials, parts, tools, or specialized devices through various programmed motions for the performance of a variety of tasks.” 一個可再編程的多功能操作器，用來移動材料、零部件、工具等；或一個通過編程用于完成各種任務的專用設備。ISO ，1987：工業(yè)機器人是一種具有自動控制的操作和移動功能，能完成各種作業(yè)的可編程操作機。從完整的更為深

7、遠的機器人定義來看，應該更強調機器人智能，因此，機器人的定義是能夠感知環(huán)境，能夠有學習、情感和對外界一種邏輯判斷思維的機器。機器人是一種計算機控制的可以編程的自動機械電子裝置，能感知環(huán)境，識別對象，理解指示命令，有記憶和學習功能，具有情感和邏輯判斷思維，能自身進化，能計劃其操作程序來完成任務。機器人技術是集機械學、力學、電子學、 生物學、控制論、人工智能、系統(tǒng)工程等多種學科于一體的綜合性很強的新技術機器人的發(fā)展1954年，美國人G .Devol 和J.Engleberger 設計了一臺可編程的機器人 1961年，他們生產了世界上第一臺工業(yè)機器人“Unimates ”，并獲得了專利 1962年，

8、Engleberger 成立了Unimation 公司，他被稱為“機器人之父” 日本從上世紀70年代中后期開始開發(fā)工業(yè)機器人，15年后就成為產量最多、應用最廣的世界工業(yè)機器人“王國”。1978年 美國Unimation 公司推出通用工業(yè)機器人PUMA ，這標志著工業(yè)機器人技術已經完全成熟。PUMA 至今仍然工作在工廠第一線。1984年 英格伯格再推機器人Helpmate ，這種機器人能在醫(yī)院里為病人送飯、送藥、送郵件。同年，他還預言：“我要讓機器人擦地板，做飯，出去幫我洗車，檢查安全”。1998年 丹麥樂高公司推出機器人(Mind-storms套件，讓機器人制造變得跟搭積木一樣，相對簡單又能任

9、意拼裝，使機器人開始走入個人世界。1999年 日本索尼公司推出犬型機器人愛寶(AIBO，當即銷售一空，從此娛樂機器人成為目前機器人邁進普通家庭的途徑之一。2002年 丹麥iRobot 公司推出了吸塵器機器人Roomba ，它能避開障礙，自動設計行進路線，還能在電量不足時，自動駛向充電座。Roomba 是目前世界上銷量最大、最商業(yè)化的家用機器人。2006年 6月，微軟公司推出Microsoft Robotics Studio ，機器人模塊化、平臺統(tǒng)一化的趨勢越來越明顯，比爾蓋茨預言，家用機器人很快將席卷全球主要機器人廠家日本：Motoman 、OTC 、Panasonic 、FANUC 等 美國

10、：Adept 等歐洲：奧地利IGM 、德國CLOOS 、KUKA 、瑞典ABB 韓國：HYUNDAI沈陽新松 首鋼莫托曼 上海ABB為什么要發(fā)展機器人？簡單說，機器人有三個方面是我們必要去發(fā)展的理由：一個是機器人做人不愿意做的事，把人從有毒的、有害的、高溫的或危險的，這樣的環(huán)境中解放出來，機器人可以做人做不好的活，比方說在汽車生產線上工人天天拿著一百多公斤的焊鉗，一天焊幾千個點，做重復性的勞動，一方面他很累，但是產品的質量仍然很低；另一方面機器人做人做不了的活，這也是非常重要的機器人發(fā)展的一個理由，比方說人們對太空的認識，人上不去的時候，叫機器人上天，上月球，以及到海洋，進入到人體的小機器人，

11、以及在微觀環(huán)境下，對原子分子進行搬遷的機器人，都是人們不可達的工作。上述方面的三個問題，也就是說機器人發(fā)展的三個理由。機器人發(fā)展的三個階段第一代機器人，也叫示教再現型機器人，它是通過一個計算機，來控制一個多自由度的一個機械，通過示教存儲程序和信息，工作時把信息讀取出來，然后發(fā)出指令，機器人可以重復的根據人當時示教的結果，再現出這種動作，比方說汽車的點焊機器人，它只要把這個點焊的過程示教完以后，它總是重復這樣一種工作，它對于外界的環(huán)境沒有感知，這個力操作力的大小，這個工件存在不存在，焊的好與壞，它并不知道，第一代機器人存在這種缺陷。在20世紀70年代后期，人們開始研究第二代機器人，叫帶感覺的機器

12、人，這種帶感覺的機器人是類似人在某種功能的感覺，比如說力覺、觸覺、滑覺、視覺、聽覺和人進行相類比，有了各種各樣的感覺，比方說在機器人抓一個物體的時候，它實際上力的大小能感覺出來，它能夠通過視覺，能夠去感受和識別它的形狀、大小、顏色。抓一個雞蛋，它能通過一個觸覺，知道它的力的大小和滑動的情況。第三代機器人，是機器人學中一個理想的所追求的最高級的階段，叫智能機器人，只要告訴它做什么，不用告訴它怎么去做，它就能完成運動，感知思維和人機通訊的這種功能和機能，這個目前的發(fā)展還是相對的只是在局部有這種智能的概念和含義，但真正完整意義的這種智能機器人實際上并沒有存在，而只是隨著我們不斷的科學技術的發(fā)展，智能

13、的概念越來越豐富，它內涵越來越寬。機器人學（1）機器人基礎理論與方法，如運動學和動力學，作業(yè)與運動規(guī)劃、控制與感知理論與技術、機器人智能。（2）機器人設計理論與技術，機器人機構分析和綜合、機器人結構設計優(yōu)化、機器人關鍵器件設計、機器人仿真等。（3）機器人仿生學，仿生運動和動力學、仿生機構學、仿生感知和控制理論、仿生器件設計和制造等（4）機器人系統(tǒng)理論，多機器人系統(tǒng)理論、機器人-人融合、以及機器人與其它機器系統(tǒng)的協(xié)調和交互。（5）機器人操作和移動理論，機器人裝配理論、機器人移動理論、足式機器人步態(tài)理論等。（6）微機器人學，微機器人的分析、設計、制造和控制等理論方法機器人的分類機器人分類方法很多

14、按照技術水平劃分第一代：示教再現型，具有記憶能力。目前，絕大部分應用中的工業(yè)機器人均屬于這一類。缺點是操作人員的水平影響工作質量。第二代：初步智能機器人，對外界有反饋能力。部分已經應用到生產中。 第三代：智能機器人，具有高度的適應性，有自行學習、推理、決策等功能，處在研究階段。 按照基本結構劃分 直角坐標型， 也稱“機床型” 圓柱坐標型 球坐標型全關節(jié)型 按照受控運動方式劃分點位控制（PTP ）型，Point to Point, 如點焊、搬運機器人 連續(xù)軌跡控制（CP ）型，Continous Path，如弧焊、噴漆機器人 按驅動方式劃分 氣壓驅動（壓縮空氣）液壓驅動（重型機器人，如搬運、點焊

15、機器人） 電驅動（電動機），應用最多 按照應用領域劃分工業(yè)機器人，面向工業(yè)領域的多關節(jié)機械手或多自由度機器人。特種機器人，用于非制造業(yè)的各種機器人，服務機器人、水下機器人、農業(yè)機器人、軍用機器人等第二章 機器人的數學基礎第一節(jié) 位置和姿態(tài)的表示研究機器人的機械系統(tǒng)的運動需要建立一套運動的表示方法。為了描述機器人本身各連桿之間、機器人和環(huán)境之間的運動關系，通常將它們看作剛體。剛體的位置和姿態(tài)描述 在直角坐標系A 中，任意一點P 的位置可以用31列向量表示。稱為位置矢量 為了確定剛體B 的姿態(tài)（也稱方位），設一個坐標系B 與該剛體固接。用坐標系的三個單位主矢量x B ， y B ，z B 相對于參

16、考坐標系A 的方向余弦組成的33矩陣表示剛體B 相對于坐標系A 的姿態(tài)。(A A AABBBB R x y z =稱為旋轉矩陣，也可表示成：111213212223313233A B r r r R r r r r r r = 旋轉矩陣是正交的。 按照上述定義，繞 x 軸旋轉了為：同樣也可以寫出R （y ，），R （z ，），注意：旋轉方向按照右手法則x Ay z p p p p = 100(, 0cos sin 0sin cos R x =- cos 0sin (, 010sin 0cos R y = -cos sin 0(, sin cos 0001R z -= 總之，用位置矢量描述剛體的

17、位置，用旋轉矩陣描述剛體的姿態(tài)（方位） 為了完全描述剛體B 在空間的位置和姿態(tài)，通常將剛體B 與某一坐標系相固接，通常記為B ，B 的原點一般選在剛體B 的特征點上，如質心或對稱中心等。對弧焊機器人中的焊槍可以將原點選在焊槍電極端部。則相對于參考坐標系A ，用位置矢量o AB P 和旋轉矩陣AB R 分別描述B 原點位置及坐標系的方位，即剛體B 的位置和姿態(tài)可由坐標系B 來描述：當表示位置時，旋轉矩陣為單位陣； 當表示姿態(tài)時，位置矢量等于零。第二節(jié) 坐標變換1、坐標平移坐標系B 與A 具有相同的方位，但B 的原點與A 的原點不重合，則空間任意點P 在A 中的描述可以表示為：O AB A B p

18、 p p =+，稱為坐標平移方程。 2、坐標旋轉坐標系B 與A 原點重合，但兩者的方位不同，則空間任意點P 在A 中的描述可以表示為：AA BB p R p =，稱為坐標旋轉方程。3、一般變換坐標系B 與A 既不共原點，方位亦不同，此時，,OAABB B R p =OAA B ABB p R p p =+例題2-1：已知坐標系B 的初始位姿與A 重合，首先B 相對于坐標系A 的A z 軸轉30度，再沿A 的A x 軸移動12個單位，并沿A 的A y 軸移動6個單位。求位置矢量o A B p 和旋轉矩陣AB R 。假設點p 在坐標系B 中的描述為5, 9, 0TBp =，求它在坐標系A 中的描述

19、A p 。解：根據題意得則第三節(jié) 齊次變換在空間直角坐標系中，任意一點可用一個三維坐標矩陣x y z表示。如果將該點用一個四維坐標的矩陣Hx Hy Hz H表示時，則稱為齊次坐標表示方法。在齊次坐標中，最后一維坐標H 稱為比例因子。比如齊次坐標8,4,2、4,2,1表示的都是二維點2,1。 (1從普通坐標轉換成齊次坐標時 如果(x,y,z是個點，則變?yōu)?x,y,z,1； 如果(x,y,z是個向量，則變?yōu)?x,y,z,0 (2從齊次坐標轉換成普通坐標時如果是(x,y,z,1，則知道它是個點，變成(x,y,z； 如果是(x,y,z,0，則知道它是個向量，仍然變成(x,y,z 齊次坐標變換用41列向

20、量表示三維空間坐標系中的點： 稱為齊次坐標，齊次坐標具有不唯一性。x a y xyzb a b c z c = 0001001A B R R z -=1260o AB p =+=+=引入齊次坐標后，一般變換變?yōu)椋?稱為齊次變換矩陣 例題2-2：已知點732u i j k =+，對它進行繞軸z 旋轉90度至點v ，點v 繞y 軸旋轉90度至點w ，求點w 的坐標。在此基礎上再進行平移變換437i j k -+，求點w 的坐標。 解：由旋轉齊次坐標變換得同理AA BBp T p=0001O AAB B AB R p T = 000070100739090003100037909000(,90 20

21、01022001c s s c v Rot z u -=0010320=-經過平移變換后，新的w 的坐標為3100426010374(4,3,7 001731001000111oA B I p w Tans w w -=-=第三章 機器人運動學第一節(jié) 機器人運動方程的表示A 矩陣：一個描述連桿坐標系間相對平移和旋轉的齊次變換 。 T 矩陣：A 矩陣的乘積對于六連桿機械手，有下列T 矩陣 ：6123456T A A A A A A =一個六連桿機械手可具有六個自由度，每個連桿含有一個自由度，并能在其運動范圍內任意定位與定向。機械手的運動方向 原點由矢量p 表示。 接近矢量a ：z 向矢量 方向矢

22、量o ：y 向矢量法線矢量n ：它與矢量o 和a 一起構成一個右手 矢量集合，并由矢量的交乘所規(guī)定：n o a =。因此，變換T6具有下列元素。601x x x x yy y y z z z z n o a p n o a p T n o a p =六連桿機械手的T 矩陣（ T6 ）可由指定其16個元素的數值來決定。在這16個元素中，只有12個元素具有實際含義。機械手的運動姿態(tài)由某個姿態(tài)變換規(guī)定之后，它在基系中的位置就能夠由左乘一個對應于矢量p 的平移變換來確定：61000100010001x yz p p T p =某姿態(tài)變換第二節(jié) 連桿變換矩陣及其乘積廣義連桿相鄰坐標系間及其相應連桿可以用

23、齊次變換矩陣來表示。要求出操作手所需要的變換矩陣，每個連桿都要用廣義連桿來描述。在求得相應的廣義變換矩陣之后，可對其加以修正，以適合每個具體的連桿。機器人機械手是由一系列連接在一起的連桿（桿件）構成的。需要用兩個參數來描述一個連桿，即公共法線距離i a 和垂直于i a 所在平面內兩軸的夾角i ；需要另外兩個參數來表示相鄰兩桿的關系，即兩連桿的相對位置i d 和兩連桿法線的夾角i ，如圖所示。一般稱為i a 連桿長度，i 為連桿扭角，i d 為兩連桿距離，i 為兩連桿夾角。 機器人機械手上坐標系的配置取決于機械手連桿連接的類型。有兩種連接轉動關節(jié)和棱柱聯軸節(jié)。對于轉動關節(jié)，其特征參數為, , ,

24、 i i i i a d ，i 為關節(jié)變量；對于棱柱聯軸節(jié)，其特征參數為, , i i i d ，i d 為關節(jié)變量，連桿長度i a 沒有意義，令其為0。連桿坐標系與連桿參數為了確定機器人各連桿之間的相對運動關系，需要確定連桿坐標系，規(guī)定： 1. 坐標系1i -的z 軸1i z -與關節(jié)軸1i -共線，指向任意；2. 坐標系1i -的x 軸1i x -與與連桿1i -的公垂線重合，指向由關節(jié)1i -到關節(jié)i ； 3. 坐標系1i -的y 軸1i y -按照右手法則規(guī)定，即111i i i y z x -=根據所設定的連桿坐標系，相應的連桿參數定義如下：11i i i a z x -=i-1從z

25、 到沿測量的距離；111=i i i i z z x -從到繞旋轉的角度；1i i i d -=i-1從x 到x 沿z 測量的距離；11=i i i -i 從x 到x 繞z 旋轉的角度； 如圖所示：i y 用A 矩陣表示T 矩陣機械手的末端裝置即為連桿6的坐標系，它與連桿1i -坐標系的關系可由16i T -表示為：1616i i i T A A A -+=可得連桿變換通式為 ：1111111111001ii i i i i i i i i i i i i i i i i i c s s c c c s d s T s s c s c d c -=例1：如圖所示為具有三個旋轉關節(jié)的3R 機械手

26、，求末端機械手在基坐標系00X Y 下的運動學方程。 解：建立如圖所示的參考坐標系 y1111022122120000010001c s L s c T -=33233230000010001c s L s c T -=12311212001c s L c L c sc L s L s T T T T -+=s =+=+例2：如圖所示的三自由度機械手（兩個旋轉關節(jié)加一個平移關節(jié)，簡稱RPR 機械手），求末端機械手的運動學方程。 解：建立如圖的坐標系，則各連桿的D-H 參數為： 3由連桿的齊次坐標公式111111111100001i i i i i i i i i i i i i i i i i

27、 i i c s a s c c c s d s T s s c s c d c -=有111101100000010 33332320000001001c s s c T L -= 所以 c c s s s L s d s c s s c c L c d T T T T s c L -+-=式中 1111sin cos s c =例3 PUMA 560機器人運動學方程PUMA 560是屬于關節(jié)式機器人，6個關節(jié)都是轉動關節(jié)。前3個關節(jié)確定手腕參考點的位置，后3個關節(jié)確定手腕的方位。各連桿坐標系如下圖所示。相應的連桿參數列于表3.1中。 表3.1 PUMA560機器人

28、的連桿參數 11110100000010001c s s c T -=22212220000100001c s d T s c -=-33233230000010001c s a s c T -= 443434440001000001c s a d T s c -=-55455500001000001c s T s c -=665666000010000001c s T s c -=-各連桿變換矩陣相乘，得PUMA 560的機械手變換矩陣：即126, , , 為關節(jié)變量的函數。第四章 機器人的感覺系統(tǒng)第一節(jié) 傳感器原理簡介傳感器的定義傳感器：把被測非電量轉換成為與之有確定對應關系，且便于應用的

29、某些物理量（通常為電量）的測量裝置。 傳感器是測量裝置，能完成檢測任務； 它的輸入量是某一被測量，可能是物理量，也可能是化學量、生物量等； 它的輸出量是某種物理量，這種量要便于傳輸、轉換、處理、顯示等等，這種量可以是氣、光、電量，但主要是電量； 輸出輸入有對應關系，且應有一定的精確程度。傳感器的組成及類型 傳感器的組成 常見的傳感器類型： 電阻式傳感器 變阻抗式傳感器 光電式傳感器 電勢式傳感器傳感器的原理 應變片：壓力 電阻 光敏電阻：光強 電阻 熱敏電阻： 溫度 電阻霍爾元件： 磁感應強度 電壓非電學量 電學量傳感器示例-電阻式傳感器 原理：金屬的電阻應變效應當金屬絲在外力作用下發(fā)生機械變

30、形時，其電阻值將發(fā)生變化。（公式略） 力形變 電阻變化 電壓應變片的作用應變式加速度傳感器 應變式加速度傳感器結構示意圖1等強度梁 2質量塊 3殼體 4電阻應變片在低頻（1060Hz）振動測量中得到廣泛的應用。傳感器示例-光電式傳感器 光敏電阻的工作原理及結構當無光照時，光敏電阻值(暗電阻 很大，電路中電流很小 當有光照時，光敏電阻值(亮電阻 急劇減少，電流迅速增加光電碼盤傳感器-工作原理用光電方法把被測角位移轉換成以數字代碼形式表示的電信號的轉換部件。 1光源 2柱面鏡 3碼盤 4狹縫 5元件第二節(jié) 傳感器在機器人中的應用多傳感器在移動機器人中的應用 幾種主要的機器人傳感器簡介視覺 20世紀

31、50年代后期出現，發(fā)展十分迅速，是機器人中最重要的傳感器之一。 機器視覺從20世紀60年代開始首先處理積木世界，后來發(fā)展到處理室外的現實世界。 20世紀70年代以后，實用性的視覺系統(tǒng)出現了。視覺一般包括三個過程：圖像獲取、圖像處理和圖像理解。相對而言，圖像理解技術還很落后。 力覺 機器人力傳感器就安裝部位來講，可以分為關節(jié)力傳感器、腕力傳感器和指力傳感器。國際上對腕力傳感器的研究是從20世紀70年代開始的。 觸覺 作為視覺的補充，觸覺能感知目標物體的表面性能和物理特性：柔軟性、硬度、彈性、粗糙度和導熱性等。對它的研究從20世紀80年代初開始，到20世紀90年代初已取得了大量的成果。接近覺 研究

32、它的目的是是使機器人在移動或操作過程中獲知目標（障礙）物的接近程度。移動機器人可以實現避障，操作機器人可避免手爪對目標物由于接近速度過快造成的沖擊。機器人傳感器的分類根據檢測對象的不同可分為內部傳感器和外部傳感器。 a. 內部傳感器用來檢測機器人本身狀態(tài)（如手臂間角度）的傳感器。多為檢測位置和角度的傳感器。（1）位置傳感器 （2）角度傳感器 b. 外部傳感器用來檢測機器人所處環(huán)境（如是什么物體，離物體的距離有多遠等）及狀況（如抓取的物體是否滑落）的傳感器。具體有物體識別傳感器、物體探傷傳感器、接近覺傳感器、距離傳感器、力覺傳感器，聽覺傳感器等。 機器人的觸覺一般認為觸覺包括接觸覺、壓覺、滑覺、

33、力覺四種，狹義的觸覺按字面上來看是指前三種感知接觸的感覺。 1. 接觸覺傳感器 例如，開關式觸覺傳感器 特點：外形尺寸十分大 空間分辨率低 利用陣列這一概念已開發(fā)了許多重要的傳感器。碳氈（CSA ）碳氈（CSA ）靈敏度高，具有較強的耐過載能力。缺點是有遲滯，線性差。 導電橡膠的電阻也會隨壓力的變化而變化，因此也常用來作為觸覺傳感器的敏感材料。 擬人化皮膚傳感器利用一種具有壓電和熱釋電性的高分子材料研制而成。 另外還有光學式觸覺傳感器、電容式陣列觸覺傳感器等。 2. 壓覺傳感器（略） 3. 力覺傳感器 力覺傳感器使用的主要元件是電阻應變片。 通常我們將機器人的力傳感器分為三類：（1）裝在關節(jié)驅

34、動器上的力傳感器，稱為關節(jié)力傳感器。用于控制中的力反饋。（2）裝在末端執(zhí)行器和機器人最后一個關節(jié)之間的力傳感器，稱為腕力傳感器。（3）裝在機器人手爪指關節(jié)（或手指上）的力傳感器，稱為指力傳感器。SRI 傳感器 SRI （Stanford Research Institute ）研制的六維腕力傳感器，如圖所示。它由一只直徑為75mm 的鋁管銑削而成，具有八個窄長的彈性梁，每個梁的頸部只傳遞力，扭矩作用很小。梁的另一頭貼有應變片。圖中從Px+到Qy-代表了8根應變梁的變形信號的輸出。日本大和制衡株式會社林純一研制的腕力傳感器。它是一種整體輪輻式結構，傳感器在十字梁與輪緣聯結處有一個柔性環(huán)節(jié)，在四根

35、交叉梁上共貼有32個應變片（圖中以小方塊），組成8路全橋輸出 。 三梁腕力傳感器傳感器的內圈和外圈分別固定于機器人的手臂和手爪，力沿與內圈相切的三根梁進行傳遞。每根梁上下、左右個貼一對應變片，三根梁上共有6對應變片，分別組成六組半橋，對這6組電橋信號進行解耦可得到六維力（力矩）的精確解。 4. 滑覺傳感器機械手一般采用兩種抓取方式：硬抓取和軟抓取。硬抓取（無感知時采用） ：末端執(zhí)行器利用最大的夾緊力抓取工件。軟抓?。ㄓ谢X傳感器時采用）：末端執(zhí)行器使夾緊力保持在能穩(wěn)固抓取工件的最小值，以免損傷工件。 采用壓覺傳感器實現滑覺感知滾輪式滑覺傳感器 它由一個金屬球和觸針組成，金屬球表面分成許多個相間

36、排列的導電和絕緣小格。觸針頭很細，每次只能觸及一格。當工件滑動時，金屬球也隨之轉動，在觸針上輸出脈沖信號，脈沖信號的頻率反映了滑移速度，個數對應滑移的距離。 根據振動原理制成的滑覺傳感器。鋼球指針與被抓物體接觸。若工件滑動，則指針振動，線圈輸出信號。機器人的接近覺 接近覺主要感知傳感器與對象物之間的接近程度?；魻栃傅氖墙饘倩虬雽w片置于磁場中，當有電流流過時，在垂直于電流和磁場的方向上產生電動勢。霍爾傳感器單獨使用時，只能檢測有磁性物體。當與用磁體聯合使用時，可以用來檢測所有的鐵磁物體。傳感器附近沒有鐵磁物體時，霍爾傳感器感受一個強磁場；若有鐵磁物體時，由于磁力線被鐵磁物體旁路，傳感器感受

37、到的磁場將減弱。 其它還有光學接近覺、超聲波接近覺傳感器等。另外還有接觸覺、滑覺和接近覺三種感覺組合為一體的傳感器。 機器人的視覺 1、超聲波傳感器從廣義上講，我們也把它算成機器人視覺中的一種。超聲波探測原理比較簡單，一般是采用時差法。=t 2其中（的函數）為超聲波波速，為環(huán)境攝氏溫度 超聲波傳感器主要用途：（1）實時地檢測自身所處空間的位置，用以進行自定位； （2）實時地檢測障礙物，為行動決策提供依據； （3）檢測目標姿態(tài)以及進行簡單形體的識別； （4）用于導航目標跟蹤。2、CCD （電荷耦合器件：charge coupled devices）CCD （電荷耦合器件）的基本結構是一個間隙很小

38、的光敏電極陣列，即無數個CCD 單元組成，也稱為像素點（如448380）。它可以是一維的線陣，也可以是二維的面陣。 機器人的聽覺（略）多傳感器信息融合多傳感器信息融合技術是通過對這些傳感器及其觀測信息的合理支配和使用，把多個傳感器在時間和空間上的冗余或互補信息依據某種準則進行組合，以獲取被觀測對象的一致性解釋或描述。多傳感與單傳感的比較：多傳感器數據融合系統(tǒng)可更大程度獲取被探測目標和環(huán)境的信息量。單傳感器信號處理或低層次的數據處理方式只是對人腦信息處理的一種低水平模仿。多傳感器融合系統(tǒng)主要特點是：（1）提供了冗余、互補信息。（2）信息分層的結構特性。（3）實時性。（4）低代價性。三種結構形式：

39、串聯、并聯和混合融合形式 多傳感器融合常用的方法有：加權平均法、貝葉斯估計、卡爾曼濾波、DS 證據推理、模糊邏輯、產生式規(guī)則、人工神經網絡等人工智能的方法。第五章 機器人驅動與控制技術第一節(jié) 驅動電機驅動器就是驅動機器人運動的部件，最常用的是電機，此外還有液壓、氣動等驅動方式。 一個機器人最主要的控制量就是控制機器人的移動，無論是自身的移動還是手臂等關節(jié)的移動，所以機器人驅動器中最根本的問題就是控制電機。控制電機轉的圈數，就可以控制機器人移動的距離和方向，機械手臂的彎曲的程度或者移動的距離等。 第一個要解決的問題是如何讓電機能根據要求轉動。一般來說，有專門的控制卡和控制芯片來進行控制的。通過把

40、微控制器和控制卡連接起來，就可以用程序來控制電機了。 第二個問題是控制電機的速度，在機器人上的實際表現就是機器人或者手臂的實際運動速度。機器人運動的快慢全靠電機的轉速，因此，需要控制卡對電機有速度控制。電動機是機器人驅動系統(tǒng)中的執(zhí)行元件。常采用的電動機為： 直流電機 步進電機 直流、交流伺服電機直流電機是最普通的電機，速度控制相對比較簡單。直流電機最大的問題是沒法精確控制電機轉的圈數，也就位置控制。必須加上一個編碼盤，來進行反饋，來獲得實際轉的圈數。步進電機顧名思義是一步一步前進的，也就是說它可以一個角度一個角度旋轉，不象直流電機，可以很輕松的調節(jié)步進電機的轉角位置。如果發(fā)出一個轉10圈的指令

41、，步進電機就不會轉11圈，但是如果是直流電機，由于慣性作用，它可能轉11圈半。步進電機的調速是通過控制電機的頻率來獲得的。一般控制信號頻率越高，電機轉的越快，頻率越低，轉的越慢。步進電機經常應用于開環(huán)控制系統(tǒng)，特點為具有較大的低速轉矩，可直接驅動。主要分為三類： 永磁式步進電動機：轉子由磁性材料制成，具有低力矩、低速度、低成本的特點。一般用于計算機外圍設備（打印機、光驅等） 變磁阻式步進電動機：沒有磁性材料，不通電時，沒有保持力矩，也稱感應式步進電機混合式步進電動機：上述原理的結合，是目前應用越來越廣的一種。 直流伺服電機20世紀80年代中期以前被廣泛使用，優(yōu)點為易于控制，缺點是需要定期維護，

42、速度不 能太高，功率不能太大。定子磁場是永磁鐵提供的，線圈中通入電流，產生轉矩，轉一個角度后，需要換向器改變電流方向。受換向器（電刷）影響，需要定期維護，且速度不能太高。由于線圈繞在轉子上，散熱問題不易解決，功率不能太大。交流伺服電動機轉子是永磁的，線圈繞在定子上，沒有電刷。線 圈中通交變電流。轉子上裝有碼盤傳感器，檢測轉子所處的位置，根據轉子的位置，控制通電方向。由于線圈繞在定子上，可以通過外殼散熱，可做成大功率電機。沒有電刷，免維護。是目前在機器人上應用最多的電動機。和步進電機相比，伺服電機有以下幾點優(yōu)勢：1、實現了位置，速度和力矩的閉環(huán)控制；克服了步進電機失步的問題；2、高速性能好，一般

43、額定轉速能達到20003000轉；3、抗過載能力強，能承受三倍于額定轉矩的負載，對有瞬間負載波動和要求快速起動的場合特別適用；4、低速運行平穩(wěn)，低速運行時不會產生類似于步進電機的步進運行現象。5、電機加減速的動態(tài)相應時間短，一般在幾十毫秒之內；6、發(fā)熱和噪音明顯降低。減速機一般情況下，電機都沒法直接帶動輪子或者手臂等機器人部件，因為速度過高力矩不夠大，所以為了提高控制精度，增大驅動力矩，一般均需配置減速機（減速箱）。配置減速機的代價是電機速度的減小。例如，一個1:250的齒輪減速箱，會讓電機的輸出力矩增大250倍，但速度只有原來的1/250。通常先計算出機器人所需要的速度與力矩大小，然后根據速

44、度與力矩選擇電機與減速器。 微型伺服電機示意圖第二節(jié) 位置控制工業(yè)機器人常用的控制結構形式：機器人控制器具有多種結構形式，包括非伺服控制、伺服控制、位置和速度反饋控制、力（力矩）控制、基于傳感器的控制、非線性控制、分解加速度控制、滑?？刂啤⒆顑?yōu)控制、自適應控制、遞階控制以及各種智能控制。機器人控制器的選擇是由機器人所執(zhí)行的任務決定的，技術水平越高的機器人所需要的“智能”越高機器人的主要控制層次分三個層次：人工智能級、控制模式級、伺服系統(tǒng)級1）人工智能級完成從機器人工作任務的語言描述 生成X(t；仍處于研究階段。2）控制模式級建立X(tT(t之間的雙向關系。( ( ( ( t t t t X C

45、 T電機模型傳動模型關節(jié)動力學模型機器人模型 ( ( ( ( t t t t T C X3）伺服系統(tǒng)級解決關節(jié)伺服控制問題 機器人是由多軸（關節(jié)）組成，每軸的運動都影響機器人未端的位置和姿態(tài)。如何協(xié)調各軸的運動，使機器人末端完成要求的軌跡， 是需要解決的問題。由于絕大多數機器人是關節(jié)式運動形式，很難直接檢測機器人末端的運動，只能對各關節(jié)進行控制。屬于半閉環(huán)系統(tǒng)，即僅從電動機軸上閉環(huán)。 微型伺服電機工作示例減速齒輪組由馬達驅動，其終端（輸出端）帶動一個線性的比例電位器作位置檢測，該電位器把轉角坐標轉換為一比例電壓反饋給控制線路板，控制線路板將其與輸入的控制脈沖信號比較，產生糾正脈沖，并驅動馬達正

46、向或反向地轉動，使齒輪組的輸出位置與期望值相符，令糾正脈沖趨于為0，從而達到使伺服馬達精確定位的目的。 控制周期脈沖寬度為20ms 。送出不同的正脈沖寬度時，就可以得到不同的控制效果。控制正脈沖寬度如下：正脈沖寬度為0.3ms 時，伺服馬達反轉。 正脈沖寬度為2.5ms 時，伺服馬達正轉。 正脈沖寬度為1.4ms 時，伺服馬達回到中點。目前機器人基本操作方式為示教再現，示教時，不能將軌跡上的所有點都示教一遍，一是費時，二是占用大量的存儲器。實際上，對于有規(guī)律的軌跡，僅示教幾個特征點。對直線軌跡，僅示教兩個端點；對圓弧軌跡，示教三點（起點、終點、中間點），軌跡上其它中間點的坐標通過插補方法獲得。 插補方式： 定時插補每隔一定時間插補一次，插補時間間隔Ts 一般不超過25ms 定距插補每隔一定距離插補一次，可避免快速運動時，定時插補造成的軌跡失真。但也受伺服周期限制。插補算法： 直線插補將兩示教點之間按照直線規(guī)律計算中間點坐標。 圓弧插補按圓弧規(guī)律計算中間點。 實際運行中機器人的各個關節(jié)不是獨立運動的，而是協(xié)調運動的。即需要對各關節(jié)以協(xié)調的位置和速度進行控制。因此，有必要研究機器人