1、- - - .可修編 . z.機器人技術(shù)概論講義-. z.目錄TOC o 1-3 h z uHYPERLINK l _Toc343368883第一章機器人概論 PAGEREF _Toc343368883 h - 1 -HYPERLINK l _Toc343368884機器人概論研究的容 PAGEREF _Toc343368884 h - 1 -HYPERLINK l _Toc343368885什么是機器人？ PAGEREF _Toc343368885 h - 1 -HYPERLINK l _Toc343368886機器人的開展 PAGEREF _Toc343368886 h - 2 -HYPE

2、RLINK l _Toc343368887為什么要開展機器人？ PAGEREF _Toc343368887 h - 3 -HYPERLINK l _Toc343368888機器人開展的三個階段 PAGEREF _Toc343368888 h - 3 -HYPERLINK l _Toc343368889機器人學(xué) PAGEREF _Toc343368889 h - 4 -HYPERLINK l _Toc343368890機器人的分類 PAGEREF _Toc343368890 h - 4 -HYPERLINK l _Toc343368891第二章機器人的數(shù)學(xué)根底 PAGEREF _Toc34336

3、8891 h - 6 -HYPERLINK l _Toc343368892第一節(jié)位置和姿態(tài)的表示 PAGEREF _Toc343368892 h - 6 -HYPERLINK l _Toc343368893第二節(jié)坐標(biāo)變換 PAGEREF _Toc343368893 h - 7 -HYPERLINK l _Toc343368894第三節(jié)齊次變換 PAGEREF _Toc343368894 h - 8 -HYPERLINK l _Toc343368895第三章機器人運動學(xué) PAGEREF _Toc343368895 h - 11 -HYPERLINK l _Toc343368896第一節(jié)機器人運動

4、方程的表示 PAGEREF _Toc343368896 h - 11 -HYPERLINK l _Toc343368897第二節(jié)連桿變換矩陣及其乘積 PAGEREF _Toc343368897 h - 12 -HYPERLINK l _Toc343368898第四章機器人的感覺系統(tǒng) PAGEREF _Toc343368898 h - 18 -HYPERLINK l _Toc343368899第一節(jié)傳感器原理簡介 PAGEREF _Toc343368899 h - 18 -HYPERLINK l _Toc343368900第二節(jié)傳感器在機器人中的應(yīng)用 PAGEREF _Toc343368900

5、h - 20 -HYPERLINK l _Toc343368901第五章機器人驅(qū)動與控制技術(shù) PAGEREF _Toc343368901 h - 28 -HYPERLINK l _Toc343368902第一節(jié)驅(qū)動電機 PAGEREF _Toc343368902 h - 28 -HYPERLINK l _Toc343368903第二節(jié)位置控制 PAGEREF _Toc343368903 h - 30 -HYPERLINK l _Toc343368904第六章機器人軌跡規(guī)劃 PAGEREF _Toc343368904 h - 35 -HYPERLINK l _Toc343368905第一節(jié)軌跡規(guī)

6、劃的一般性問題 PAGEREF _Toc343368905 h - 35 -HYPERLINK l _Toc343368906第二節(jié)關(guān)節(jié)軌跡的插值 PAGEREF _Toc343368906 h - 35 -HYPERLINK l _Toc343368907第三節(jié)移動機器人路徑規(guī)劃 PAGEREF _Toc343368907 h - 38 - - -. z.第一章 機器人概論機器人概論研究的容在機器人研究中，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(shù)學(xué)的方法表示和計算這些參量。運動學(xué)研究物體的運動，而不考慮引起這種運動的力。在運

7、動學(xué)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(xué)方程描述各個關(guān)節(jié)變量在工具坐標(biāo)系與基坐標(biāo)系間的函數(shù)關(guān)系；逆運動學(xué)通過給定工具坐標(biāo)系的位置和姿態(tài)，計算各個關(guān)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(chǎn)生力 和力矩 ，統(tǒng)稱為操作力矢量。n個關(guān)節(jié)的驅(qū)動力或力矩組成的n維矢量，稱為關(guān)節(jié)力矢量。靜力學(xué)研究在靜態(tài)平衡狀態(tài)下，操作力向關(guān)節(jié)力映射存在著的線性關(guān)系。動力學(xué)主要研究產(chǎn)生運動所需要的力。為了使操作臂從靜止開場加速，使末端執(zhí)行器以一定的速度作直線運動，最后減速停頓，必須通過關(guān)節(jié)驅(qū)動器產(chǎn)生一組復(fù)雜的力矩函數(shù)來實現(xiàn)。機器人的感覺主要介紹產(chǎn)生機器人的力覺、視覺

8、、觸覺、接近覺等相關(guān)的傳感器。機器人的控制在前面的根底上設(shè)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(jù)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(xué)是一門不斷開展的科學(xué)，上世紀(jì)60年代，可實用機械機器人被稱為工業(yè)機器人；上世紀(jì)80年代到現(xiàn)在，正越來越向智能化方向開展。因此，對機器人的定義也隨其開展而變化。國際上對機器人的定義很多：Th

9、e 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(shè)備，它能執(zhí)行通常由人執(zhí)行的任務(wù)；或一個人型的機器美國機器人學(xué)會The Robot Institute of America，1979)：A reprogrammable, multifunctional manipulator designed to move materials, parts

10、, 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(wù)的專用設(shè)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。從完整的更為深遠的機器人定義來看，應(yīng)該更強調(diào)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(xué)習(xí)、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

11、置，能感知環(huán)境，識別對象，理解指示命令，有記憶和學(xué)習(xí)功能，具有情感和邏輯判斷思維，能自身進化，能方案其操作程序來完成任務(wù)。機器人技術(shù)是集機械學(xué)、力學(xué)、電子學(xué)、 生物學(xué)、控制論、人工智能、系統(tǒng)工程等多種學(xué)科于一體的綜合性很強的新技術(shù)機器人的開展1954年，美國人G.Devol 和J.Engleberger設(shè)計了一臺可編程的機器人1961年，他們生產(chǎn)了世界上第一臺工業(yè)機器人Unimates，并獲得了專利1962年，Engleberger 成立了Unimation公司，他被稱為機器人之父日本從上世紀(jì)70年代中后期開場開發(fā)工業(yè)機器人，15年后就成為產(chǎn)量最多、應(yīng)用最廣的世界工業(yè)機器人王國。 1978年

12、美國Unimation公司推出通用工業(yè)機器人PUMA，這標(biāo)志著工業(yè)機器人技術(shù)已經(jīng)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。同年，他還預(yù)言：我要讓機器人擦地板，做飯，出去幫我洗車，檢查平安。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，相對簡單又能任意拼裝，使機器人開場走入個人世界。1999年 日本索尼公司推出犬型機器人愛寶(AIBO)，當(dāng)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Ro

13、omba，它能避開障礙，自動設(shè)計行進路線，還能在電量缺乏時，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(yù)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：Adept等歐洲：奧地利IGM、德國CLOOS、KUKA、瑞典ABB國：HYUNDAI新松 首鋼莫托曼 ABB為什么要開展機器人？簡單說，機器人有三個方面是我們必要去開展的理由：一個是機器人做人不愿意做的事，把人從有毒的、有

14、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(chǎn)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(fù)性的勞動，一方面他很累，但是產(chǎn)品的質(zhì)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開展的一個理由，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，以及在微觀環(huán)境下，對原子分子進展搬遷的機器人，都是人們不可達的工作。上述方面的三個問題，也就是說機器人開展的三個理由。機器人開展的三個階段第一代機器人，也叫示教再現(xiàn)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

15、，工作時把信息讀取出來，然后發(fā)出指令，機器人可以重復(fù)的根據(jù)人當(dāng)時示教的結(jié)果，再現(xiàn)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(fù)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(jì)70年代后期，人們開場研究第二代機器人，叫帶感覺的機器人，這種帶感覺的機器人是類似人在*種功能的感覺，比方說力覺、觸覺、滑覺、視覺、聽覺和人進展相類比，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

16、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(xué)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，這個目前的開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(xué)技術(shù)的開展，智能的概念越來越豐富，它涵越來越寬。機器人學(xué)1機器人根底理論與方法，如運動學(xué)和動力學(xué)，作業(yè)與運動規(guī)劃、控制與感知理論與技術(shù)、機器人智能。2機器人設(shè)計理論與技術(shù)，機器人機構(gòu)分析和綜合、機器人構(gòu)造設(shè)計優(yōu)化、機器人關(guān)鍵器件設(shè)計、機器人仿真等。3機器人仿生學(xué)

17、，仿生運動和動力學(xué)、仿生機構(gòu)學(xué)、仿生感知和控制理論、仿生器件設(shè)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(diào)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(xué)，微機器人的分析、設(shè)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按照技術(shù)水平劃分第一代：示教再現(xiàn)型，具有記憶能力。目前，絕大局部應(yīng)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(zhì)量。第二代：初步智能機器人，對外界有反應(yīng)能力。局部已經(jīng)應(yīng)用到生產(chǎn)中。第三代：智能機器人，具有高度的適應(yīng)性，有自行學(xué)習(xí)、推理、決策等功能，處在研究階段

18、。按照根本構(gòu)造劃分直角坐標(biāo)型，也稱機床型圓柱坐標(biāo)型球坐標(biāo)型全關(guān)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(qū)動方式劃分氣壓驅(qū)動壓縮空氣液壓驅(qū)動重型機器人，如搬運、點焊機器人電驅(qū)動電動機，應(yīng)用最多按照應(yīng)用領(lǐng)域劃分工業(yè)機器人，面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)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，效勞機器人、水下機器人、農(nóng)業(yè)機器人、軍用機器人等-. z.第二章機器人的數(shù)學(xué)根底第一節(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

19、連桿之間、機器人和環(huán)境之間的運動關(guān)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(biāo)系A(chǔ)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(shè)一個坐標(biāo)系B與該剛體固接。用坐標(biāo)系的三個單位主矢量*B，yB，zB相對于參考坐標(biāo)系A(chǔ)的方向余弦組成的33矩陣表示剛體B相對于坐標(biāo)系A(chǔ)的姿態(tài)。稱為旋轉(zhuǎn)矩陣，也可表示成：旋轉(zhuǎn)矩陣是正交的。按照上述定義，繞 * 軸旋轉(zhuǎn)了 角的旋轉(zhuǎn)矩陣，為：同樣也可以寫出Ry，Rz，注意：旋轉(zhuǎn)方向按照右手法則總之，用位置矢量描述剛體的位置，用旋轉(zhuǎn)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*一坐標(biāo)系相固接，通常記

20、為B，B的原點一般選在剛體B的特征點上，如質(zhì)心或?qū)ΨQ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(biāo)系A(chǔ)，用位置矢量和旋轉(zhuǎn)矩陣分別描述B原點位置及坐標(biāo)系的方位，即剛體B的位置和姿態(tài)可由坐標(biāo)系B來描述：當(dāng)表示位置時，旋轉(zhuǎn)矩陣為單位陣；當(dāng)表示姿態(tài)時，位置矢量等于零。第二節(jié) 坐標(biāo)變換1、坐標(biāo)平移坐標(biāo)系B與A具有一樣的方位，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：，稱為坐標(biāo)平移方程。2、坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)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：，稱為坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)方程。3、一般變換坐標(biāo)系B與A既不共原點，方位亦不同，此時，例題2-

21、1：坐標(biāo)系的初始位姿與重合，首先相對于坐標(biāo)系的軸轉(zhuǎn)30度，再沿的軸移動12個單位，并沿的軸移動6個單位。求位置矢量和旋轉(zhuǎn)矩陣。假設(shè)點p在坐標(biāo)系中的描述為，求它在坐標(biāo)系中的描述。解：根據(jù)題意得則第三節(jié) 齊次變換在空間直角坐標(biāo)系中，任意一點可用一個三維坐標(biāo)矩陣* y z表示。如果將該點用一個四維坐標(biāo)的矩陣H* Hy Hz H表示時，則稱為齊次坐標(biāo)表示方法。在齊次坐標(biāo)中，最后一維坐標(biāo)H稱為比例因子。比方齊次坐標(biāo)8,4,2、4,2,1表示的都是二維點2,1。(1)從普通坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成齊次坐標(biāo)時如果(*,y,z)是個點，則變?yōu)?*,y,z,1)；如果(*,y,z)是個向量，則變?yōu)?*,y,z,0)(2)從齊

22、次坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成普通坐標(biāo)時如果是(*,y,z,1)，則知道它是個點，變成(*,y,z)；如果是(*,y,z,0)，則知道它是個向量，仍然變成(*,y,z)齊次坐標(biāo)變換用41列向量表示三維空間坐標(biāo)系中的點：稱為齊次坐標(biāo)，齊次坐標(biāo)具有不唯一性。引入齊次坐標(biāo)后，一般變換變?yōu)椋悍Q為齊次變換矩陣例題2-2：點，對它進展繞軸z旋轉(zhuǎn)90度至點v，點v繞y軸旋轉(zhuǎn)90度至點w，求點w的坐標(biāo)。在此根底上再進展平移變換，求點w的坐標(biāo)。解：由旋轉(zhuǎn)齊次坐標(biāo)變換得同理經(jīng)過平移變換后，新的w的坐標(biāo)為-. z.第三章 機器人運動學(xué)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(biāo)系間相對平移和旋轉(zhuǎn)的齊次變換 。T矩陣：A矩陣的

23、乘積對于六連桿機械手，有以下T矩陣 ：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，并能在其運動圍任意定位與定向。機械手的運動方向原點由矢量p表示。接近矢量a：z向矢量方向矢量o：y向矢量法線矢量n：它與矢量o和a一起構(gòu)成一個右手矢量集合，并由矢量的交乘所規(guī)定：。因此，變換T6具有以下元素。六連桿機械手的T矩陣 T6 可由指定其16個元素的數(shù)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*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(yīng)于矢量p的平移變換來確定：第二節(jié) 連桿變換矩陣及其乘積廣義連桿 相鄰坐標(biāo)系間及其相應(yīng)連桿可以用齊次變換矩陣來表示

24、。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(yīng)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(gòu)成的。需要用兩個參數(shù)來描述一個連桿，即公共法線距離和垂直于所在平面兩軸的夾角；需要另外兩個參數(shù)來表示相鄰兩桿的關(guān)系，即兩連桿的相對位置和兩連桿法線的夾角，如下圖。一般稱為連桿長度，為連桿扭角，為兩連桿距離，為兩連桿夾角。機器人機械手上坐標(biāo)系的配置取決于機械手連桿連接的類型。有兩種連接轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和棱柱聯(lián)軸節(jié)。對于轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，其特征參數(shù)為，為關(guān)節(jié)變量；對于棱柱聯(lián)軸節(jié)，其特征參數(shù)為，為關(guān)節(jié)變量，連桿長度沒有意義，令其為0。連桿坐標(biāo)系

25、與連桿參數(shù)為了確定機器人各連桿之間的相對運動關(guān)系，需要確定連桿坐標(biāo)系，規(guī)定：坐標(biāo)系的z軸與關(guān)節(jié)軸共線，指向任意；坐標(biāo)系的*軸與與連桿的公垂線重合，指向由關(guān)節(jié)到關(guān)節(jié)；坐標(biāo)系的y軸按照右手法則規(guī)定，即根據(jù)所設(shè)定的連桿坐標(biāo)系，相應(yīng)的連桿參數(shù)定義如下：如下圖：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(biāo)系，它與連桿坐標(biāo)系的關(guān)系可由表示為：可得連桿變換通式為 ：例1：如下圖為具有三個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的3R機械手，求末端機械手在基坐標(biāo)系下的運動學(xué)方程。解：建立如下圖的參考坐標(biāo)系其中，例2：如下圖的三自由度機械手兩個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)加一個平移關(guān)節(jié)，簡稱RPR機械手，求末端機械手的運動學(xué)方程。解：建立如圖的坐標(biāo)系，則各

26、連桿的D-H參數(shù)為：由連桿的齊次坐標(biāo)公式有所以 式中 例3 PUMA 560機器人運動學(xué)方程PUMA 560是屬于關(guān)節(jié)式機器人，6個關(guān)節(jié)都是轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)。前3個關(guān)節(jié)確定手腕參考點的位置，后3個關(guān)節(jié)確定手腕的方位。各連桿坐標(biāo)系如以下圖所示。相應(yīng)的連桿參數(shù)列于表3.1中。表3.1 PUMA560機器人的連桿參數(shù)據(jù)課本公式(3.16)和表3.1所示連桿參數(shù)，可求得各連桿變換矩陣如下：各連桿變換矩陣相乘，得PUMA 560的機械手變換矩陣：即為關(guān)節(jié)變量的函數(shù)。-. z.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(zhuǎn)換成為與之有確定對應(yīng)關(guān)系，且便于應(yīng)用的*些物理量通常為電量

27、的測量裝置。 傳感器是測量裝置，能完成檢測任務(wù)； 它的輸入量是*一被測量，可能是物理量，也可能是化學(xué)量、生物量等； 它的輸出量是*種物理量，這種量要便于傳輸、轉(zhuǎn)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(yīng)關(guān)系，且應(yīng)有一定的準(zhǔn)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(yīng)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(yīng)強度 電壓非電學(xué)量 電學(xué)量傳感器例如-電阻式傳感器原理：金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)當(dāng)金屬絲在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值將發(fā)生變化。公式略力 形變 電

28、阻變化 電壓應(yīng)變片的作用應(yīng)變式加速度傳感器應(yīng)變式加速度傳感器構(gòu)造示意圖1等強度梁 2質(zhì)量塊 3殼體 4電阻應(yīng)變片在低頻1060Hz振動測量中得到廣泛的應(yīng)用。傳感器例如-光電式傳感器光敏電阻的工作原理及構(gòu)造當(dāng)無光照時，光敏電阻值(暗電阻)很大，電路中電流很小 當(dāng)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(zhuǎn)換成以數(shù)字代碼形式表示的電信號的轉(zhuǎn)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(yīng)用多傳感器在移動機器人中的應(yīng)用幾種主要的機器人傳感器簡介視覺 20世紀(jì)50年代后期出現(xiàn)，開展十分迅速，是機器人中最重要的傳感器之一

29、。 機器視覺從20世紀(jì)60年代開場首先處理積木世界，后來開展到處理室外的現(xiàn)實世界。 20世紀(jì)70年代以后，實用性的視覺系統(tǒng)出現(xiàn)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(shù)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(guān)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(jì)70年代開場的。觸覺 作為視覺的補充，觸覺能感知目標(biāo)物體的外表性能和物理特性：柔軟性、硬度、彈性、粗糙度和導(dǎo)熱性等。對它的研究從20世紀(jì)80年代初開場，到20世紀(jì)90年代初已取得了大量的成果。接近覺 研究它的目的是是使機器人在移動或操作過程中獲知目標(biāo)障礙物的接近程度

30、。移動機器人可以實現(xiàn)避障，操作機器人可防止手爪對目標(biāo)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(jù)檢測對象的不同可分為部傳感器和外部傳感器。a.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、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(guān)式觸覺傳感器特

31、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靈敏度高，具有較強的耐過載能力。缺點是有遲滯，線性差。導(dǎo)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(xué)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(yīng)變片。通常我們將機器人的力傳感器分為三類： 1裝在關(guān)節(jié)驅(qū)動器上的力傳感器，稱為關(guān)節(jié)力傳感器。用于控制中的力反應(yīng)。2裝在末端執(zhí)行器和機器人最后一個關(guān)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(guān)節(jié)或手指

32、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，如下圖。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(yīng)變片。圖中從P*+到Qy-代表了8根應(yīng)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構(gòu)造，傳感器在十字梁與輪緣聯(lián)結(jié)處有一個柔性環(huán)節(jié)，在四根穿插梁上共貼有32個應(yīng)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圈和外圈分別固定于機器人的手臂和手爪，力沿與圈相切的三根梁進展傳遞。每根梁上下、左右個貼一對應(yīng)變

33、片，三根梁上共有6對應(yīng)變片，分別組成六組半橋，對這6組電橋信號進展解耦可得到六維力力矩的準(zhǔn)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。軟抓取有滑覺傳感器時采用：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。它由一個金屬球和觸針組成，金屬球外表分成許多個相間排列的導(dǎo)電和絕緣小格。觸針頭很細，每次只能觸及一格。當(dāng)工件滑動時，金屬球也隨之轉(zhuǎn)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(shù)對應(yīng)滑移的距離。根據(jù)振動原理制成的滑覺傳感器。鋼球指針與被抓物體接觸。假設(shè)工件滑動，則指針振動，線圈輸出信號

34、。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。霍爾效應(yīng)指的是金屬或半導(dǎo)體片置于磁場中，當(dāng)有電流流過時，在垂直于電流和磁場的方向上產(chǎn)生電動勢。霍爾傳感器單獨使用時，只能檢測有磁性物體。當(dāng)與用磁體聯(lián)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；假設(shè)有鐵磁物體時，由于磁力線被鐵磁物體旁路，傳感器感受到的磁場將減弱。其它還有光學(xué)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。超聲波探測原理比擬簡單，一般是采用時差法。=t2其中的函數(shù)為

35、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，用以進展自定位；2實時地檢測障礙物，為行動決策提供依據(jù)；3檢測目標(biāo)姿態(tài)以及進展簡單形體的識別；4用于導(dǎo)航目標(biāo)跟蹤。2、CCD電荷耦合器件：charge coupled devicesCCD 電荷耦合器件的根本構(gòu)造是一個間隙很小的光敏電極陣列，即無數(shù)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(shù)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(jù)*種準(zhǔn)則進展組合，以獲取被觀測對象的一致性

36、解釋或描述。多傳感與單傳感的比擬：多傳感器數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)可更大程度獲取被探測目標(biāo)和環(huán)境的信息量。單傳感器信號處理或低層次的數(shù)據(jù)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信息分層的構(gòu)造特性。3實時性。4低代價性。三種構(gòu)造形式：串聯(lián)、并聯(lián)和混合融合形式多傳感器融合常用的方法有：加權(quán)平均法、貝葉斯估計、卡爾曼濾波、DS證據(jù)推理、模糊邏輯、產(chǎn)生式規(guī)則、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等人工智能的方法。-. z.第五章 機器人驅(qū)動與控制技術(shù)第一節(jié) 驅(qū)動電機驅(qū)動器就是驅(qū)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(qū)動方式。一個機器人最主要的控制量就是控制機器人

37、的移動，無論是自身的移動還是手臂等關(guān)節(jié)的移動，所以機器人驅(qū)動器中最根本的問題就是控制電機?？刂齐姍C轉(zhuǎn)的圈數(shù)，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(jù)要求轉(zhuǎn)動。一般來說，有專門的控制卡和控制芯片來進展控制的。通過把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(xiàn)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(zhuǎn)速，因此，需要控制卡對電機有速度控制。 電動機是機器人驅(qū)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

38、制相比照擬簡單。直流電機最大的問題是沒法準(zhǔn)確控制電機轉(zhuǎn)的圈數(shù)，也就位置控制。必須加上一個編碼盤，來進展反應(yīng)，來獲得實際轉(zhuǎn)的圈數(shù)。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(zhuǎn)，不象直流電機，可以很輕松的調(diào)節(jié)步進電機的轉(zhuǎn)角位置。如果發(fā)出一個轉(zhuǎn)10圈的指令，步進電機就不會轉(zhuǎn)11圈，但是如果是直流電機，由于慣性作用，它可能轉(zhuǎn)11圈半。步進電機的調(diào)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(zhuǎn)的越快，頻率越低，轉(zhuǎn)的越慢。步進電機經(jīng)常應(yīng)用于開環(huán)控制系統(tǒng)，特點為具有較大的低速轉(zhuǎn)矩，可直接驅(qū)動。主要分為三類：永磁式步進電動機：轉(zhuǎn)子由磁性材料制成，具有低力矩、低速度、低本錢

39、的特點。一般用于計算機外圍設(shè)備打印機、光驅(qū)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(yīng)式步進電機混合式步進電動機：上述原理的結(jié)合，是目前應(yīng)用越來越廣的一種。直流伺服電機20世紀(jì)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，速度不能太高，功率不能太大。定子磁場是永磁鐵提供的，線圈入電流，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子上，散熱問題不易解決，功率不能太大。交流伺服電動機轉(zhuǎn)子是永磁的，線圈繞在定子上，沒有電刷。線圈交變電流。轉(zhuǎn)子上裝有碼盤傳感器，檢測轉(zhuǎn)子所處的位置，根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置

40、，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(yīng)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(xiàn)了位置，速度和力矩的閉環(huán)控制；克制了步進電機失步的問題；2、高速性能好，一般額定轉(zhuǎn)速能到達20003000轉(zhuǎn)；3、抗過載能力強，能承受三倍于額定轉(zhuǎn)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(chǎn)生類似于步進電機的步進運行現(xiàn)象。5、電機加減速的動態(tài)相應(yīng)時間短，一般在幾十毫秒之；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，

41、所以為了提高控制精度，增大驅(qū)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(jù)速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)機器人常用的控制構(gòu)造形式：機器人控制器具有多種構(gòu)造形式，包括非伺服控制、伺服控制、位置和速度反應(yīng)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、滑模控制、最優(yōu)控制、自適應(yīng)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(wù)決定的，技術(shù)水平越高的機器人所需要的

42、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(wù)的語言描述 生成*(t)； 仍處于研究階段。2控制模式級 建立*(t)T(t)之間的雙向關(guān)系。電機模型傳動模型關(guān)節(jié)動力學(xué)模型機器人模型3伺服系統(tǒng)級解決關(guān)節(jié)伺服控制問題機器人是由多軸關(guān)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(diào)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(shù)機器人是關(guān)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(guān)節(jié)進展控制。屬于半閉環(huán)系統(tǒng)，即僅從電動機軸上閉環(huán)。微型伺服電機工作例如減速齒輪組由馬達驅(qū)動，其終端輸出端帶動一個線性的

43、比例電位器作位置檢測，該電位器把轉(zhuǎn)角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為一比例電壓反應(yīng)給控制線路板，控制線路板將其與輸入的控制脈沖信號比擬，產(chǎn)生糾正脈沖，并驅(qū)動馬達正向或反向地轉(zhuǎn)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，從而到達使伺服馬達準(zhǔn)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?？刂普}沖寬度如下：正脈沖寬度為0.3ms時，伺服馬達反轉(zhuǎn)。正脈沖寬度為2.5ms時，伺服馬達正轉(zhuǎn)。正脈沖寬度為1.4ms時，伺服馬達回到中點。目前機器人根本操作方式為示教再現(xiàn)，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

44、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(biāo)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，可防止快速運動時，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(biāo)。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(guān)節(jié)不是獨立運動的，而是協(xié)調(diào)運動的。即需要對各關(guān)節(jié)以協(xié)調(diào)的位置和速度進展控制。因此，有必要研究機器人的分解運動控制問題，包括分解運動速度、加速度和力控制。分解運動意味著各關(guān)節(jié)馬達聯(lián)合運動，并分解

45、為沿各笛卡爾坐標(biāo)軸的獨立可控運動。這就要求幾個關(guān)節(jié)的驅(qū)動馬達必須以不同的時變速度同時運行，以實現(xiàn)沿各坐標(biāo)軸方向所要求的協(xié)調(diào)運動。-. z.第六章 機器人軌跡規(guī)劃第一節(jié) 軌跡規(guī)劃的一般性問題這里所謂的軌跡是指操作臂在運動過程中的位移、速度和加速度。常見的機器人作業(yè)有兩種：點位作業(yè)PTP=point-to-point motion連續(xù)路徑作業(yè)continuous-path motion，或者稱為輪廓運動contour motion。操作臂最常用的軌跡規(guī)劃方法有兩種：第一種是要求對于選定的軌跡結(jié)點插值點上的位姿、速度和加速度給出一組顯式約束例如連續(xù)性和光滑程度等，軌跡規(guī)劃器從一類函數(shù)例如n次多項式選取參數(shù)化軌跡，對結(jié)點進展插值，并滿足約束條件。第二種方法要求給出運動路徑的解