《智能裝備設(shè)計(jì)生產(chǎn)與運(yùn)維》第五章國(guó)家戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域“十四五”高等教育教材2025年/月/日第五章

智能機(jī)器人設(shè)計(jì)與生產(chǎn)

5.1引言5.2智能機(jī)器人總體設(shè)計(jì)5.3智能機(jī)器人設(shè)計(jì)與生產(chǎn)5.4智能機(jī)器人設(shè)計(jì)制造運(yùn)維一體化技術(shù)01機(jī)器人技術(shù)自誕生以來，經(jīng)歷了從簡(jiǎn)單機(jī)械到智能機(jī)器人的演變，如今已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活的多個(gè)領(lǐng)域。機(jī)器人技術(shù)進(jìn)化02隨著科技的飛速發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)與多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了深度跨界融合，為機(jī)器人技術(shù)的創(chuàng)新與應(yīng)用注入了新的活力?？缃缛诤贤苿?dòng)03機(jī)器人在社會(huì)生活中的作用日益顯著，其技術(shù)進(jìn)步對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響，引發(fā)社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。社會(huì)關(guān)注提升

5.1引言機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展背景03促進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新機(jī)器人技術(shù)的持續(xù)研究與創(chuàng)新，正推動(dòng)著一系列新興技術(shù)的誕生與發(fā)展，共同為人類社會(huì)的科技進(jìn)步貢獻(xiàn)力量。01提高生產(chǎn)效率機(jī)器人技術(shù)通過實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動(dòng)化和智能化，有效減少了人力成本，顯著提高了生產(chǎn)效率和質(zhì)量。02保障作業(yè)安全機(jī)器人在進(jìn)行高風(fēng)險(xiǎn)或放射性作業(yè)時(shí)，能夠替代人類承擔(dān)任務(wù)，有效保障作業(yè)人員的安全，降低事故風(fēng)險(xiǎn)。

5.1引言機(jī)器人技術(shù)的研究意義

123機(jī)器人技術(shù)在工業(yè)制造領(lǐng)域的應(yīng)用最為廣泛，包括汽車制造、電子電氣等多個(gè)行業(yè)，顯著提升了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。工業(yè)制造引領(lǐng)隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，機(jī)器人在服務(wù)行業(yè)的應(yīng)用日益增多，如醫(yī)療、家庭、娛樂等領(lǐng)域，改變著人類的生活方式。服務(wù)行業(yè)拓展機(jī)器人技術(shù)還深入到科研探索的各個(gè)領(lǐng)域，如太空探索、海洋探測(cè)等，發(fā)揮著不可或缺的重要作用，推動(dòng)人類認(rèn)知的進(jìn)步?？蒲刑剿魃钊?/p>

5.1引言機(jī)器人技術(shù)的研究領(lǐng)域

5.1.1智能機(jī)器人的基本概念起源與定義機(jī)器人起源機(jī)器人概念源于1920年捷克劇作家卡雷爾·恰佩克的《羅素姆萬能機(jī)器人》，他虛構(gòu)了“robot”，意為奴隸，預(yù)示機(jī)器人將替代人類勞動(dòng)。機(jī)器人定義機(jī)器人定義尚未統(tǒng)一，各組織和個(gè)人從不同角度詮釋其含義，共同認(rèn)為機(jī)器人是模擬人類動(dòng)作、具備智力或識(shí)別能力的人造機(jī)器或裝置。上述各種定義有共同之處，即認(rèn)為機(jī)器人：1）像人或人的上肢，并能模仿人的動(dòng)作

；2）具有智力或感覺與識(shí)別能力；3）是人造的機(jī)器或機(jī)械電子裝置。倫理爭(zhēng)議隨著技術(shù)進(jìn)步，機(jī)器人倫理問題備受關(guān)注。霍金等擔(dān)憂機(jī)器人自我思考，人類命運(yùn)或受挑戰(zhàn)。阿西莫夫的“機(jī)器人三定律”成為設(shè)計(jì)倫理規(guī)范。

5.1.1智能機(jī)器人的基本概念工業(yè)機(jī)器人的特點(diǎn)工業(yè)機(jī)器人可以根據(jù)工作環(huán)境變化進(jìn)行再編程，適用于柔性自動(dòng)化生產(chǎn)和個(gè)性化定制的現(xiàn)代自動(dòng)化流水生產(chǎn)線，在柔性制造過程中具有重要作用。1.可編程機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)擬人化，能完成行走、腰轉(zhuǎn)、大臂、小臂、手腕和手爪等功能，控制上采用計(jì)算機(jī)軟件控制，并具備人類感知能力，實(shí)現(xiàn)智能化發(fā)展。2.擬人化除專用環(huán)境外，常規(guī)工業(yè)機(jī)器人在執(zhí)行動(dòng)作上具有高度通用性，通過更換末端執(zhí)行器（如手爪、焊槍等），可輕松應(yīng)對(duì)不同作業(yè)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)靈活作業(yè)。3.通用性4.機(jī)電一體化機(jī)器人學(xué)作為機(jī)電一體化技術(shù)的綜合體現(xiàn)，未來第三代智能機(jī)器人將融合傳感器、語言理解、圖像識(shí)別等AI技術(shù)，與計(jì)算機(jī)緊密協(xié)作。

5.1.2智能機(jī)器人的分類按坐標(biāo)結(jié)構(gòu)分類笛卡爾坐標(biāo)機(jī)器人圓柱坐標(biāo)機(jī)器人球面坐標(biāo)機(jī)器人擁有3個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和1個(gè)平動(dòng)關(guān)節(jié)，其機(jī)械臂在x、y、z直角坐標(biāo)內(nèi)運(yùn)作，工作空間為長(zhǎng)方體，結(jié)構(gòu)剛性強(qiáng)，但操作空間大，維護(hù)較復(fù)雜。笛卡爾機(jī)器人結(jié)合旋轉(zhuǎn)底座、垂直立柱與水平臂桿，通過三個(gè)關(guān)節(jié)的協(xié)同運(yùn)動(dòng)，在三維空間內(nèi)勾勒?qǐng)A柱面，實(shí)現(xiàn)靈活作業(yè)，尤其擅長(zhǎng)于孔位探詢等任務(wù)。圓柱坐標(biāo)機(jī)器人融合雙旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)與一平移關(guān)節(jié)，其作業(yè)范圍覆蓋整個(gè)球面，能夠執(zhí)行復(fù)雜且高精度的操作任務(wù)，如衛(wèi)星裝配中的精細(xì)對(duì)接等高精度任務(wù)。球面坐標(biāo)機(jī)器人

5.1.2智能機(jī)器人的分類按坐標(biāo)結(jié)構(gòu)分類擁有3個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和1個(gè)平動(dòng)關(guān)節(jié)，其兩個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)使機(jī)器人在水平面上靈活運(yùn)動(dòng)，具有較好的柔性，同時(shí)平動(dòng)關(guān)節(jié)具有很強(qiáng)的剛性。選擇性柔性裝配機(jī)器人采用全旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)，擁有出色的靈活性和廣泛的操作空間，能夠迅速調(diào)整姿態(tài)，適應(yīng)各種復(fù)雜環(huán)境，特別適用于管道檢測(cè)等作業(yè)環(huán)境。全旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機(jī)器人全旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機(jī)器人選擇性柔性裝配機(jī)器人

5.1.2智能機(jī)器人的分類按控制方式分類采用伺服閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高精度、強(qiáng)能力作業(yè)，但價(jià)格高昂。其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需配備反饋元件，確保控制精準(zhǔn)。廣泛應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域。伺服控制機(jī)器人非伺服機(jī)器人開環(huán)控制，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，適用于定點(diǎn)上下料等簡(jiǎn)單任務(wù)。無閉環(huán)反饋，控制穩(wěn)定但能力有限，常用于輕載機(jī)器人點(diǎn)對(duì)點(diǎn)控制。非伺服機(jī)器人關(guān)節(jié)閉環(huán)控制的結(jié)構(gòu)示意圖非伺服機(jī)器人工作原理圖

一般機(jī)器人不具有智能性，只具有一般編程能力和操作功能。目前大部分工業(yè)機(jī)器人即屬于此類，包括第一代工業(yè)機(jī)器人。智能機(jī)器人具有一定智能性，且按智能程度的不同，又分為①

傳感型機(jī)器人。采用傳感設(shè)備，包括視覺、聽覺、觸覺、力覺等進(jìn)行傳感信息的處理，實(shí)現(xiàn)一定程度的智能操作。目前已經(jīng)開始應(yīng)用的第二代機(jī)器人即屬于此類。②

自立型機(jī)器人。無須人的干預(yù)，能夠在各種環(huán)境下自主決策并自動(dòng)完成各項(xiàng)擬定任務(wù)，具備高度智能性。正在探索的第三代機(jī)器人即屬于此類。

按移動(dòng)方式分類分為固定式機(jī)器人和移動(dòng)式機(jī)器人。按能源動(dòng)力分類分為電力機(jī)器人和流體動(dòng)力機(jī)器人。按軌跡控制分類分為點(diǎn)到點(diǎn)軌跡控制機(jī)器人和連續(xù)軌跡控制機(jī)器人。按編程方法分類分為在線編程機(jī)器人和離線編程機(jī)器人。

5.1.2智能機(jī)器人的分類按控制方式分類按控制方式分類

5.1.3機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀機(jī)器人發(fā)展歷程機(jī)器人起源于遙操作設(shè)備和數(shù)控機(jī)床的結(jié)合，歷經(jīng)多個(gè)發(fā)展階段，最終誕生了具備自主性和可編程性的第一代機(jī)器人Unimate。工業(yè)機(jī)器人發(fā)展階段工業(yè)機(jī)器人經(jīng)歷了“示教再現(xiàn)”、簡(jiǎn)單傳感探測(cè)、多傳感器智能決策三個(gè)階段，目前多傳感器智能化工業(yè)機(jī)器人正處研發(fā)中。國(guó)外工業(yè)機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀日本與西歐是機(jī)器人技術(shù)的主要研發(fā)中心，擁有眾多國(guó)際知名企業(yè)，如日本YASKAWA、NACHI等，西歐瑞典ABB、德國(guó)KUKA等。國(guó)內(nèi)工業(yè)機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀我國(guó)自70年代起研究機(jī)器人技術(shù)，歷經(jīng)多期科技計(jì)劃支持，已實(shí)現(xiàn)機(jī)器人商品化并走向國(guó)際化，制造業(yè)廣泛應(yīng)用。

5.1.4智能機(jī)器人核心技術(shù)簡(jiǎn)介智能機(jī)器人通信技術(shù)123信息融合技術(shù)源于軍事C3I系統(tǒng)，現(xiàn)已發(fā)展為信息綜合處理專門技術(shù)，廣泛應(yīng)用于多領(lǐng)域。多傳感器信息融合技術(shù)多傳感器信息融合技術(shù)協(xié)調(diào)多個(gè)傳感器，綜合局部測(cè)量和相關(guān)信息，降低不確定性，獲得一致性描述。信息融合的作用數(shù)據(jù)融合在機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用包括物體識(shí)別，環(huán)境地圖創(chuàng)建和定位，是機(jī)器人智能化的關(guān)鍵技術(shù)之一。數(shù)據(jù)融合的應(yīng)用

5.1.4智能機(jī)器人核心技術(shù)簡(jiǎn)介智能機(jī)器人多傳感器融合通信系統(tǒng)重要性通信系統(tǒng)是智能機(jī)器個(gè)體以及群體機(jī)器人協(xié)調(diào)工作中的一個(gè)重要組成部分。內(nèi)部通信內(nèi)部通信是為了協(xié)調(diào)模塊間的功能行為，它主要通過各部件的軟硬件接口來實(shí)現(xiàn)。外部通信機(jī)器人與控制者/機(jī)器人間的信息交互，通過獨(dú)立通信專用模塊與機(jī)器人連接整合實(shí)現(xiàn)。多機(jī)器人通信優(yōu)勢(shì)多機(jī)器人間能有效通信，可有效共享信息從而更好地完成任務(wù)。

5.1.4智能機(jī)器人核心技術(shù)簡(jiǎn)介智能機(jī)器人自主導(dǎo)航與路徑規(guī)劃環(huán)境認(rèn)知與定位機(jī)器人需依靠傳感系統(tǒng)感知內(nèi)部姿態(tài)和外部環(huán)境，通過存儲(chǔ)、識(shí)別和搜索環(huán)境空間信息，尋找最優(yōu)路徑并實(shí)現(xiàn)安全運(yùn)動(dòng)。智能機(jī)器人自主導(dǎo)航智能機(jī)器人自主導(dǎo)航與路徑規(guī)劃是智能機(jī)器人研究的核心和熱點(diǎn)，涉及環(huán)境認(rèn)知、目標(biāo)識(shí)別和路徑規(guī)劃等問題。智能機(jī)器人導(dǎo)航控制智能機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)為自主式智能系統(tǒng)，結(jié)合感知、規(guī)劃、決策和行動(dòng)模塊，確保機(jī)器人自主導(dǎo)航和路徑規(guī)劃。導(dǎo)航核心三問：我在哪？去哪？怎么去？

5.1.4智能機(jī)器人核心技術(shù)簡(jiǎn)介智能機(jī)器人視覺

視覺系統(tǒng)賦予機(jī)器人類似人眼的功能，使其能夠在自動(dòng)化任務(wù)中作出反應(yīng)和決策。機(jī)器人視覺在制造業(yè)、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)和服務(wù)業(yè)中扮演著至關(guān)重要的角色，提高了生產(chǎn)效率，降低了成本，并擴(kuò)展了機(jī)器人的應(yīng)用范圍。常見的有機(jī)器人視覺系統(tǒng)有單目視覺，雙目視覺以及多目視覺等。利用一個(gè)攝像頭捕獲圖像，適用于成本敏感和資源有限的應(yīng)用場(chǎng)景。盡管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉，單目系統(tǒng)無法直接提供深度信息，通常需要通過算法處理圖像特征來推斷距離。它廣泛應(yīng)用于輕量級(jí)機(jī)器人和簡(jiǎn)單監(jiān)控任務(wù)。單目視覺雙目視覺多目視覺模擬人類雙眼，使用兩個(gè)攝像頭從不同角度捕獲圖像以計(jì)算深度信息。這種系統(tǒng)提供更準(zhǔn)確的三維空間感知，非常適合需要精確深度判斷的場(chǎng)景，如自動(dòng)駕駛和復(fù)雜導(dǎo)航任務(wù)。多目視覺系統(tǒng)配備三個(gè)以上攝像頭，能從多個(gè)角度獲取信息，增強(qiáng)深度感知和準(zhǔn)確性。雖然處理數(shù)據(jù)量大、對(duì)計(jì)算資源要求高，但它能有效減少視覺盲區(qū)，適用于高精度機(jī)器人操作和復(fù)雜環(huán)境監(jiān)控。

5.1.4智能機(jī)器人核心技術(shù)簡(jiǎn)介智能機(jī)器人視覺：關(guān)鍵組件

機(jī)器人視覺技術(shù)的關(guān)鍵組件包括視覺感應(yīng)裝置，圖像處理硬件以及軟件與算法視覺感應(yīng)裝置包括標(biāo)準(zhǔn)攝像頭、紅外攝像頭和深度攝像頭，用于捕捉圖像數(shù)據(jù)供后續(xù)處理，選擇取決于應(yīng)用需求、環(huán)境條件及成本，對(duì)圖像質(zhì)量有直接影響。圖像處理硬件圖像處理硬件是處理視覺數(shù)據(jù)的關(guān)鍵，包括CPU、GPU和FPGA；CPU通用性強(qiáng)但處理并行任務(wù)低效，GPU適合加速圖像和深度學(xué)習(xí)計(jì)算。軟件與算法軟件和算法是機(jī)器人視覺系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)解析圖像數(shù)據(jù)，包括圖像預(yù)處理、特征提取和高級(jí)視覺處理，其發(fā)展受到人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)進(jìn)步的推動(dòng)。010203

5.1.4智能機(jī)器人核心技術(shù)簡(jiǎn)介智能機(jī)器人視覺：關(guān)鍵組件

機(jī)器人視覺技術(shù)的關(guān)鍵組件包括視覺感應(yīng)裝置，圖像處理硬件以及軟件與算法視覺感應(yīng)裝置包括標(biāo)準(zhǔn)攝像頭、紅外攝像頭和深度攝像頭，用于捕捉圖像數(shù)據(jù)供后續(xù)處理，選擇取決于應(yīng)用需求、環(huán)境條件及成本，對(duì)圖像質(zhì)量有直接影響。標(biāo)準(zhǔn)攝像頭：捕捉可見光圖像，用于基本圖像處理任務(wù)。紅外攝像頭：適用于低光照或夜間環(huán)境，可以捕捉熱輻射圖像。深度攝像頭：通過發(fā)射紅外光并捕捉其反射光來測(cè)量物體的距離，適合3D建模和復(fù)雜環(huán)境的導(dǎo)航。

每種攝像頭的選擇取決于應(yīng)用需求、環(huán)境條件以及成本考慮。攝像頭的性能直接影響到圖像的質(zhì)量和后續(xù)處理的效果，因此選擇合適的視覺感應(yīng)裝置是至關(guān)重要的。01

5.1.4智能機(jī)器人核心技術(shù)簡(jiǎn)介智能機(jī)器人視覺：關(guān)鍵組件

機(jī)器人視覺技術(shù)的關(guān)鍵組件包括視覺感應(yīng)裝置，圖像處理硬件以及軟件與算法圖像處理硬件圖像處理硬件是處理視覺數(shù)據(jù)的關(guān)鍵，包括CPU、GPU和FPGA；CPU通用性強(qiáng)但處理并行任務(wù)低效，GPU適合加速圖像和深度學(xué)習(xí)計(jì)算。02

中央處理器（CPU）：雖然通用性強(qiáng)，但在處理大規(guī)模并行任務(wù)時(shí)可能不夠高效。圖形處理器（GPU）：專為處理復(fù)雜的圖形和圖像任務(wù)而設(shè)計(jì)，能夠并行處理多個(gè)數(shù)據(jù)流，適合加速圖像處理和深度學(xué)習(xí)計(jì)算。現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）：可以被編程以執(zhí)行特定的圖像處理任務(wù)，提供了靈活性和高效率，適用于低延遲的應(yīng)用場(chǎng)景。選擇合適的圖像處理硬件依賴于任務(wù)的復(fù)雜度、處理速度需求以及能耗限制。

5.1.4智能機(jī)器人核心技術(shù)簡(jiǎn)介智能機(jī)器人視覺：關(guān)鍵組件

機(jī)器人視覺技術(shù)的關(guān)鍵組件包括視覺感應(yīng)裝置，圖像處理硬件以及軟件與算法軟件與算法軟件和算法是機(jī)器人視覺系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)解析圖像數(shù)據(jù)，包括圖像預(yù)處理、特征提取和高級(jí)視覺處理，其發(fā)展受到人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)進(jìn)步的推動(dòng)。03軟件和算法是機(jī)器人視覺系統(tǒng)的大腦，負(fù)責(zé)解析處理后的圖像數(shù)據(jù)，并從中提取有用的信息。這些軟件工具和算法包括：圖像預(yù)處理算法：如去噪、亮度調(diào)整和顏色校正，用于優(yōu)化圖像質(zhì)量。特征提取算法：如邊緣檢測(cè)、角點(diǎn)檢測(cè)等，用于識(shí)別圖像中的關(guān)鍵特征。高級(jí)視覺處理算法：如物體檢測(cè)、場(chǎng)景理解和機(jī)器學(xué)習(xí)模型，用于更復(fù)雜的圖像分析任務(wù)。

軟件和算法的發(fā)展在很大程度上依賴于人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域的進(jìn)步，這些領(lǐng)域的創(chuàng)新直接推動(dòng)了機(jī)器人視覺技術(shù)的發(fā)展。

5.1.4智能機(jī)器人核心技術(shù)簡(jiǎn)介智能機(jī)器人視覺：圖像預(yù)處理和分析技術(shù)圖像預(yù)處理特征提取圖像預(yù)處理改善圖像質(zhì)量，為深入分析打基礎(chǔ)，包括濾波去除噪聲或強(qiáng)化特征、去噪保留細(xì)節(jié)、顏色轉(zhuǎn)換簡(jiǎn)化處理，確保圖像數(shù)據(jù)干凈標(biāo)準(zhǔn)化。特征提取是圖像分析核心，提高識(shí)別和分類準(zhǔn)確性，減少計(jì)算負(fù)擔(dān)；包括邊緣檢測(cè)、角點(diǎn)檢測(cè)和紋理分析，分別識(shí)別邊界、角點(diǎn)和表面結(jié)構(gòu)。

5.1.4智能機(jī)器人核心技術(shù)簡(jiǎn)介智能機(jī)器人視覺：特征提取特征提取是圖像分析核心，提高識(shí)別和分類準(zhǔn)確性，減少計(jì)算負(fù)擔(dān)；包括邊緣檢測(cè)、角點(diǎn)檢測(cè)和紋理分析，分別識(shí)別邊界、角點(diǎn)和表面結(jié)構(gòu)。邊緣檢測(cè)是一種基本的特征提取技術(shù)，它識(shí)別圖像中亮度變化明顯的點(diǎn)，這些點(diǎn)通常代表物體的邊界。常用的邊緣檢測(cè)算法包括Sobel算法、Canny邊緣檢測(cè)器等，這些方法通過計(jì)算像素點(diǎn)周圍亮度的梯度來確定邊緣位置。角點(diǎn)檢測(cè)是另一種重要的特征提取方法，用于識(shí)別圖像中的角點(diǎn)，這些點(diǎn)在兩個(gè)主要方向上都有顯著的亮度變化，常見的算法有Harris角點(diǎn)檢測(cè)和Shi-Tomasi角點(diǎn)檢測(cè)。角點(diǎn)作為圖像中信息豐富的特征，常被用于高級(jí)視覺任務(wù)如圖像匹配和對(duì)象識(shí)別中。紋理分析則涉及識(shí)別和描述圖像中的表面結(jié)構(gòu)，如粗糙度、方向性和規(guī)模等。紋理特征通過一系列統(tǒng)計(jì)方法得出，例如灰度共生矩陣（GLCM）或局部二值模式（LBP），這些特征對(duì)于分類和區(qū)分具有相似形狀但不同表面特性的對(duì)象非常有效。

5.1.4智能機(jī)器人核心技術(shù)簡(jiǎn)介智能機(jī)器人視覺：圖像預(yù)處理圖像預(yù)處理改善圖像質(zhì)量，為深入分析打基礎(chǔ)，包括濾波去除噪聲或強(qiáng)化特征、去噪保留細(xì)節(jié)、顏色轉(zhuǎn)換簡(jiǎn)化處理，確保圖像數(shù)據(jù)干凈標(biāo)準(zhǔn)化。軟件和算法是機(jī)器人視覺系統(tǒng)的大腦，負(fù)責(zé)解析處理后的圖像數(shù)據(jù)，并從中提取有用的信息。這些軟件工具和算法包括：圖像預(yù)處理算法：如去噪、亮度調(diào)整和顏色校正，用于優(yōu)化圖像質(zhì)量。特征提取算法：如邊緣檢測(cè)、角點(diǎn)檢測(cè)等，用于識(shí)別圖像中的關(guān)鍵特征。高級(jí)視覺處理算法：如物體檢測(cè)、場(chǎng)景理解和機(jī)器學(xué)習(xí)模型，用于更復(fù)雜的圖像分析任務(wù)。

軟件和算法的發(fā)展在很大程度上依賴于人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域的進(jìn)步，這些領(lǐng)域的創(chuàng)新直接推動(dòng)了機(jī)器人視覺技術(shù)的發(fā)展。

5.1.4智能機(jī)器人核心技術(shù)簡(jiǎn)介智能機(jī)器人視覺：物體識(shí)別與分類

物體識(shí)別與分類是高級(jí)功能，依賴于有效的特征提取和強(qiáng)大算法解析；模式識(shí)別是基礎(chǔ)，通過比較圖像特征與已知模式識(shí)別對(duì)象。模式識(shí)別是物體識(shí)別的基礎(chǔ)，它通過分析提取的特征來識(shí)別圖像中的對(duì)象。這通常涉及比較圖像特征與訓(xùn)練集中的已知特征模式，以確定最佳匹配。傳統(tǒng)的模式識(shí)別方法包括模板匹配和幾何特征匹配，但這些方法通常受限于變化的視角、光照條件和環(huán)境干擾。機(jī)器學(xué)習(xí)算法如支持向量機(jī)（SVM）和決策樹被用于從大量訓(xùn)練數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)識(shí)別模型。這些算法通過構(gòu)建決策邊界來區(qū)分不同的類別，能有效處理高維數(shù)據(jù)和復(fù)雜的分類問題。然而，它們需要足夠的訓(xùn)練樣本來達(dá)到高準(zhǔn)確性。卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）是近年來在物體識(shí)別領(lǐng)域取得突破的關(guān)鍵技術(shù)。CNN通過自動(dòng)學(xué)習(xí)圖像的層次特征，避免了傳統(tǒng)方法中人工選擇特征的復(fù)雜性和局限性。這種網(wǎng)絡(luò)通過多層處理結(jié)構(gòu)能夠識(shí)別從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的圖像特征，極大提高了識(shí)別的準(zhǔn)確性和適應(yīng)性。物體識(shí)別與分類技術(shù)的有效實(shí)施能夠極大增強(qiáng)機(jī)器人的環(huán)境適應(yīng)能力和交互能力，使其能夠在復(fù)雜且多變的真實(shí)世界環(huán)境中準(zhǔn)確地執(zhí)行任務(wù)。

5.1.4智能機(jī)器人核心技術(shù)簡(jiǎn)介智能機(jī)器人的控制技術(shù)

常用的控制算法主要包括PID控制、變結(jié)構(gòu)控制、自適應(yīng)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、視覺伺服控制等。PID控制自適應(yīng)控制變結(jié)構(gòu)控制

PID控制算法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，并具較強(qiáng)的魯棒性，被廣泛應(yīng)用于機(jī)器人控制及其他各種工業(yè)過程控制中。

選擇PID算法中的kp、k、k。幾個(gè)參數(shù)，使相應(yīng)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)輸出的動(dòng)態(tài)響應(yīng)滿足某種性能要求。自適應(yīng)控制從應(yīng)用角度大體上可以歸納成兩類，即模型參考自適應(yīng)控制和自校正控制。

基本思想是在控制器--控制對(duì)象組成的閉環(huán)回路外，再建立一個(gè)由參考模型和自適應(yīng)機(jī)構(gòu)組成的附加調(diào)節(jié)回路。參考模型的輸出(狀態(tài))就是系統(tǒng)的理想輸出(狀態(tài))。

變結(jié)構(gòu)控制本質(zhì)上是一類特殊的非線性控制，其非線性表現(xiàn)為控制的不連續(xù)性。它在非線性控制和數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等伺服系統(tǒng)以及電機(jī)轉(zhuǎn)速控制等領(lǐng)域中獲得了許多成功的應(yīng)用。

5.1.4智能機(jī)器人核心技術(shù)簡(jiǎn)介智能機(jī)器人的控制技術(shù)：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論與控制工程，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)非線性映射、實(shí)時(shí)處理與容錯(cuò)能力，為復(fù)雜系統(tǒng)提供高效控制策略的方法。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制定義神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的特點(diǎn)在于其非線性處理能力，能夠解決傳統(tǒng)線性控制無法應(yīng)對(duì)的復(fù)雜問題，同時(shí)實(shí)時(shí)性強(qiáng)，能夠快速響應(yīng)系統(tǒng)變化。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制具有較強(qiáng)的魯棒性，能夠應(yīng)對(duì)系統(tǒng)參數(shù)變化和干擾，且具備自學(xué)習(xí)能力，通過訓(xùn)練和優(yōu)化，不斷提升控制效果和適應(yīng)性。應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

5.1.4智能機(jī)器人核心技術(shù)簡(jiǎn)介智能機(jī)器人的控制技術(shù)：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制應(yīng)用領(lǐng)域，目前用得較多的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為多層前向網(wǎng)絡(luò)和徑向基函數(shù)網(wǎng)絡(luò)。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖5-1-15所示。

為簡(jiǎn)單起見，該網(wǎng)絡(luò)模型表示為單隱層。假設(shè)多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由m個(gè)輸人層節(jié)點(diǎn)，h個(gè)隱層節(jié)點(diǎn)，n個(gè)輸出層節(jié)點(diǎn)的組成。輸入層與隱層的權(quán)值矩陣為

，隱層和輸出層的權(quán)值矩陣為

，隱層與輸出層的閾值水平分別是

和

，那么神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出與輸人的向量映射關(guān)系可表示為：BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)示意圖表示隱層非線性轉(zhuǎn)移函數(shù)表示輸出層非線性轉(zhuǎn)移函數(shù)表示輸入層表示輸出層誤差矯正反饋誤差反向傳播算法(BP算法)是按照誤差函數(shù)的負(fù)梯度方向來修改權(quán)參數(shù)與

5.1.4智能機(jī)器人核心技術(shù)簡(jiǎn)介神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的基本策略：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)督控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)其他控制器進(jìn)行學(xué)習(xí)，然后逐漸取代原有控制器的方法，稱為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)督控制。工作原理：神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)一組表明系統(tǒng)操作策略的訓(xùn)練樣本，掌握從傳感器輸入到執(zhí)行器控制行為間的映射關(guān)系。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器建立被控對(duì)象的逆模型，作為前饋控制器，通過在線調(diào)整網(wǎng)絡(luò)權(quán)值，使反饋控制輸入趨近于零，從而逐漸在控制作用中占據(jù)主導(dǎo)地位。特點(diǎn)：前饋加反饋的監(jiān)督控制方法，確保控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性，提高系統(tǒng)的精度和自適應(yīng)能力。一旦系統(tǒng)出現(xiàn)干擾，反饋控制器重新起作用。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)督控制

5.1.4智能機(jī)器人核心技術(shù)簡(jiǎn)介神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的基本策略：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)直接逆控制將被控對(duì)象的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆模型直接與被控對(duì)象串聯(lián)起來，使期望輸出與對(duì)象實(shí)際輸出之間的傳遞函數(shù)等于1，從而作為前饋控制器使被控對(duì)象的輸出為期望輸出。工作原理：依賴于逆模型的準(zhǔn)確程度，由于缺乏反饋，簡(jiǎn)單連接的直接逆控制將缺乏魯棒性，因此一般應(yīng)使其具有在線學(xué)習(xí)能力，即逆模型的連接權(quán)必須能夠在線修正。結(jié)構(gòu)方案：給出了兩種結(jié)構(gòu)方案，一種是NN1和NN2具有完全相同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)并采用相同的學(xué)習(xí)算法，分別實(shí)現(xiàn)對(duì)象的逆；另一種是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)NN通過評(píng)價(jià)函數(shù)進(jìn)行學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)象的逆控制。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)直接逆控制

5.1.4智能機(jī)器人核心技術(shù)簡(jiǎn)介神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的基本策略：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制從應(yīng)用角度自適應(yīng)控制大體上可以歸納成兩類，即模型參考自適應(yīng)控制和自校正控制。工作原理：依賴于逆模型的準(zhǔn)確程度，由于缺乏反饋，簡(jiǎn)單連接的直接逆控制將缺乏魯棒性，因此一般應(yīng)使其具有在線學(xué)習(xí)能力，即逆模型的連接權(quán)必須能夠在線修正。結(jié)構(gòu)方案：給出了兩種結(jié)構(gòu)方案，一種是NN1和NN2具有完全相同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)并采用相同的學(xué)習(xí)算法，分別實(shí)現(xiàn)對(duì)象的逆；另一種是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)NN通過評(píng)價(jià)函數(shù)進(jìn)行學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)象的逆控制。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制

5.1.4智能機(jī)器人核心技術(shù)簡(jiǎn)介智能機(jī)器人的控制技術(shù)：模糊控制可以歸納成兩類——基本模糊控制和模糊PID控。模糊控制的核心部分是模糊控制器，其基本結(jié)構(gòu)如圖所示，它主要包括輸人量的模糊化、模糊推理和逆模糊化(或稱模糊判決)三部分。

模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)

根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的理論和方法，計(jì)算出采樣時(shí)刻的偏差e及偏差的變化率e，輸入控制器，運(yùn)用模糊推理，得出PID控制器的三個(gè)修正參數(shù)△kp、Ak，、△ka，再加上預(yù)整定的參數(shù)△kp、△kyo、△kao即可得到該時(shí)刻的kp、k，ka，實(shí)現(xiàn)對(duì)PID最佳調(diào)整

模糊PID的結(jié)構(gòu)原理圖基本模糊控制模糊PID控制

5.1.4智能機(jī)器人核心技術(shù)簡(jiǎn)介智能機(jī)器人的控制技術(shù)：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的應(yīng)用領(lǐng)域在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制被用于預(yù)測(cè)模型控制、自適應(yīng)控制和優(yōu)化控制等方面，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。工業(yè)自動(dòng)化航天飛行器的姿態(tài)控制和軌跡優(yōu)化是航天領(lǐng)域的關(guān)鍵問題，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制能夠提供有效的解決方案，確保飛行安全和任務(wù)成功。航空航天在生物技術(shù)領(lǐng)域，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制可以用于基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的分析和合成生物學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，推動(dòng)生物技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展。生物技術(shù)1.填空(1)機(jī)器人通常由三部分組成：_________、_________、_________。(2)機(jī)器人可以按坐標(biāo)結(jié)構(gòu)分類，可分為_________、_________、_________、_________、_________。(3)西歐是除日美國(guó)家之外另一塊重要的機(jī)器人研發(fā)基地，這些國(guó)家制造業(yè)自動(dòng)化程度非常高，因而機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展更新速度也非常快，造就了眾多具有國(guó)際影響力的公司，其中最具代表性的有_________、_________、_________、_________這些公司的機(jī)器人產(chǎn)品精度高、速度快、負(fù)載大，性能十分優(yōu)越，其技術(shù)水平一直處于國(guó)際領(lǐng)先水平。2.判斷題(1)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織定義機(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。()(2)機(jī)器人不得傷害人，也不得見人受到傷害而袖手旁觀，自身的安全可置身事外。()(3)伺服控制機(jī)器人通常采用開環(huán)控制。()3.論述題(1)試述機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。(2)試述智能機(jī)器人的核心控制技術(shù)。第五章

智能機(jī)器人設(shè)計(jì)與生產(chǎn)

5.1引言5.2智能機(jī)器人總體設(shè)計(jì)5.3智能機(jī)器人設(shè)計(jì)與生產(chǎn)5.4智能機(jī)器人設(shè)計(jì)制造運(yùn)維一體化技術(shù)

5.2智能機(jī)器人總體設(shè)計(jì)總體設(shè)計(jì)原則：安全性安全機(jī)器人設(shè)計(jì)機(jī)器人必須確保安全，不會(huì)對(duì)人類或環(huán)境造成傷害；這包括在機(jī)器人操作過程中預(yù)防事故、設(shè)計(jì)可靠的緊急停止系統(tǒng)以及保持與人類的適當(dāng)距離等。01安全機(jī)器人功能機(jī)器人應(yīng)具備安全監(jiān)控、防護(hù)和緊急停止等功能，確保在操作過程中始終將人員和環(huán)境安全放在首位，預(yù)防事故發(fā)生，保障人類與環(huán)境的安全。02

5.2智能機(jī)器人總體設(shè)計(jì)總體設(shè)計(jì)原則：適應(yīng)性和靈活性智能適應(yīng)功能機(jī)器人可以通過傳感器和算法實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)功能，以應(yīng)對(duì)不同的工作場(chǎng)景和變化的工作要求，例如，通過機(jī)器視覺和圖像識(shí)別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)不同工作場(chǎng)景的識(shí)別和適應(yīng)。適應(yīng)不同環(huán)境機(jī)器人應(yīng)具備一定的適應(yīng)性和靈活性，能夠適應(yīng)不同工作環(huán)境和任務(wù)需求，例如，機(jī)器人在面臨不同工作環(huán)境時(shí)，能夠自主調(diào)整工作參數(shù)或改變工作模式。

5.2智能機(jī)器人總體設(shè)計(jì)總體設(shè)計(jì)原則：用戶友好性機(jī)器人應(yīng)該易于使用和操作，用戶可以輕松地掌控機(jī)器人，并能夠理解和與其進(jìn)行交互；用戶界面設(shè)計(jì)應(yīng)簡(jiǎn)單直觀，符合人類習(xí)慣，以提高用戶的滿意度和工作效率。用戶友好機(jī)器人用戶友好性是機(jī)器人設(shè)計(jì)的重要考量，通過簡(jiǎn)單易用的界面和直觀的操作方式，降低用戶學(xué)習(xí)成本，提升操作效率，確保用戶能夠輕松駕馭機(jī)器人的應(yīng)用。用戶友好設(shè)計(jì)

5.2智能機(jī)器人總體設(shè)計(jì)總體設(shè)計(jì)原則：可編程性機(jī)器人應(yīng)該具備一定的靈活性和可編程性，以便根據(jù)不同的任務(wù)需求進(jìn)行編程和控制；這樣，機(jī)器人可以被重新配置和適應(yīng)新的工作場(chǎng)景或任務(wù)要求?？删幊虣C(jī)器人應(yīng)用可編程性使得機(jī)器人能夠應(yīng)對(duì)多樣化的工作任務(wù)，通過靈活調(diào)整程序代碼，機(jī)器人能夠快速適應(yīng)新環(huán)境或任務(wù)，提高機(jī)器人使用的靈活性和效率?？删幊绦詢?yōu)勢(shì)

5.2智能機(jī)器人總體設(shè)計(jì)總體設(shè)計(jì)原則：高效性和精確性高效精確設(shè)計(jì)高效性和精確性是機(jī)器人設(shè)計(jì)的關(guān)鍵目標(biāo)，通過優(yōu)化運(yùn)動(dòng)控制、傳感器數(shù)據(jù)處理和任務(wù)執(zhí)行等，機(jī)器人能夠快速準(zhǔn)確地完成任務(wù)，提升整體工作效率。高效精準(zhǔn)機(jī)器人機(jī)器人應(yīng)該盡可能的高效和精確地完成任務(wù)，以提高生產(chǎn)力和工作效率；這包括優(yōu)化機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制、傳感器數(shù)據(jù)處理和任務(wù)執(zhí)行等方面。

5.2智能機(jī)器人總體設(shè)計(jì)總體設(shè)計(jì)原則：可維護(hù)性和可升級(jí)性機(jī)器人應(yīng)具備一定的可維護(hù)性和可升級(jí)性，以便進(jìn)行日常維護(hù)和故障排除；此外，機(jī)器人的硬件和軟件設(shè)計(jì)應(yīng)具備一定的擴(kuò)展性，方便進(jìn)行功能的升級(jí)和改進(jìn)?？删S護(hù)可升級(jí)可維護(hù)性和可升級(jí)性是機(jī)器人設(shè)計(jì)的重要方面，使得機(jī)器人能夠適應(yīng)技術(shù)進(jìn)步和任務(wù)需求的變化，通過軟件升級(jí)或硬件更換，機(jī)器人能夠保持先進(jìn)性和競(jìng)爭(zhēng)力?？删S護(hù)升級(jí)設(shè)計(jì)

5.2智能機(jī)器人總體設(shè)計(jì)總體設(shè)計(jì)原則：環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展性01環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展機(jī)器人設(shè)計(jì)應(yīng)注重環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展原則。減少能耗、優(yōu)化材料使用和回收利用是機(jī)器人設(shè)計(jì)中需要考慮的重要因素之一。02環(huán)保設(shè)計(jì)原則環(huán)保設(shè)計(jì)原則是確保機(jī)器人在設(shè)計(jì)、制造和使用過程中對(duì)環(huán)境影響最小化的一組準(zhǔn)則。它包括優(yōu)化材料使用、減少能耗和促進(jìn)回收利用等方面。

5.2智能機(jī)器人總體設(shè)計(jì)總體設(shè)計(jì)原則01智能機(jī)器人結(jié)構(gòu)形式人型、車型、飛行器等多類，常用多關(guān)節(jié)，特別是六軸工業(yè)，未來趨勢(shì)為人型機(jī)器人，模仿人類，廣泛應(yīng)用各行業(yè)。設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與法則ISO10218等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)及各國(guó)機(jī)器人安全標(biāo)準(zhǔn)，確保機(jī)器人在設(shè)計(jì)、制造和使用過程中滿足安全、可靠和合規(guī)的要求。功能設(shè)計(jì)與分解將機(jī)器人功能分解為獨(dú)立模塊，為每個(gè)模塊確定功能任務(wù)，有助于理解工作原理，為設(shè)計(jì)和開發(fā)提供指導(dǎo)。性能設(shè)計(jì)與分解將機(jī)器人性能目標(biāo)分解為可量化指標(biāo)，確定設(shè)計(jì)要求和實(shí)現(xiàn)方法，確保機(jī)器人達(dá)到所需性能水平，滿足用戶和應(yīng)用需求。020304

5.2.1智能機(jī)器人總體設(shè)計(jì)：機(jī)械結(jié)構(gòu)智能機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)本章主要介紹機(jī)器人的機(jī)座、末端操作器（手部）、腕部、臂部、驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等的工作原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要求。機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)是機(jī)器人的支承基礎(chǔ)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，主要包括末端操作器（手部）、腕部、臂部、腰部和機(jī)座等，其機(jī)械系統(tǒng)是機(jī)器人設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一。使用要求是機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)，優(yōu)質(zhì)、高效和低成本是其設(shè)計(jì)追求的目標(biāo)。

5.2.1智能機(jī)器人總體設(shè)計(jì)：機(jī)械結(jié)構(gòu)智能機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)：執(zhí)行機(jī)構(gòu)（1）機(jī)座可以分為固定式和行走式兩種。根據(jù)機(jī)器人的行走環(huán)境，可將機(jī)器人所具備的移動(dòng)機(jī)能分為以下幾類：①地面移動(dòng)機(jī)能；②水中移動(dòng)機(jī)能；③空中移動(dòng)機(jī)能；④地中移動(dòng)機(jī)能等。a）兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪和兩個(gè)自位輪b）兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪和兩個(gè)自位輪c）一個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向輪d）一個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和兩個(gè)轉(zhuǎn)向輪e）全部輪都裝有轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)本節(jié)主要介紹具有地面行走機(jī)能的行走機(jī)構(gòu)。根據(jù)地面行走機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)可以將其分為車輪式、履帶式和步行式三種行走機(jī)構(gòu)，它們?cè)谛凶哌^程中，前兩者與地面連續(xù)接觸，且形態(tài)為運(yùn)行車式，后者為間斷接觸，形態(tài)為類人或動(dòng)物的腿腳式

履帶式行走機(jī)器人示意圖形狀可變式履帶行走機(jī)構(gòu)示意圖兩足步行機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)示意圖四足步行機(jī)構(gòu)舉例

5.2.1智能機(jī)器人總體設(shè)計(jì)：機(jī)械結(jié)構(gòu)智能機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)：執(zhí)行機(jī)構(gòu)（2）機(jī)器人末端操作器機(jī)器人的手，一般稱之為末端操作器（也稱為夾持器）它是機(jī)器人直接用于抓取和握緊（吸附）專用工具（如噴槍、扳手、焊炬和噴頭等），并進(jìn)行操作的部件。它具有模仿人手動(dòng)作的功能，并安裝于機(jī)器人手臂的前端。由于被握工件的形狀、尺寸、重量、材質(zhì)及表面狀態(tài)等不同，因此機(jī)器人末端操作器是多種多樣的，并大致可分為以下幾類：①夾鉗式取料手；②吸附式取料手；③專用操作器及轉(zhuǎn)換器；④仿生多指靈巧手；⑤其他手。夾鉗式手爪的夾取方式手指?jìng)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)是向手指?jìng)鬟f運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，從而實(shí)現(xiàn)夾緊和松開動(dòng)作的機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)根據(jù)手指開合的動(dòng)作特點(diǎn)分為回轉(zhuǎn)型和平移型兩種。其中回轉(zhuǎn)型又分為一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)和多支點(diǎn)回轉(zhuǎn)；根據(jù)手爪夾緊是擺動(dòng)還是平動(dòng)，回轉(zhuǎn)型又可分為擺動(dòng)回轉(zhuǎn)型和平動(dòng)回轉(zhuǎn)型。

5.2.1智能機(jī)器人總體設(shè)計(jì)：機(jī)械結(jié)構(gòu)智能機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)：執(zhí)行機(jī)構(gòu)回轉(zhuǎn)型傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。夾鉗式手部中使用較多的是回轉(zhuǎn)型手部，其手指就是一對(duì)杠桿，一般同斜楔、滑槽、連桿、齒輪、蝸輪蝸桿或螺桿等機(jī)構(gòu)組成復(fù)合式杠桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，用以改變傳動(dòng)比和運(yùn)動(dòng)方向等面平行移動(dòng)機(jī)構(gòu)。圖所示為幾種平面平行平移型夾鉗式手部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。它們的共同點(diǎn)是：都采用平行四邊形的鉸鏈機(jī)構(gòu)——雙曲柄鉸鏈四連桿機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)手指平移。其差別在于分別采用齒條齒輪、蝸桿蝸輪和連桿斜滑槽的傳動(dòng)方式。圖5-8

夾鉗式手部的組成1—手指2—傳動(dòng)機(jī)構(gòu)3—驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)4—支架5—工件圖5-9

四連桿機(jī)構(gòu)平移型夾鉗式手部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖a）齒條齒輪傳動(dòng)的手部結(jié)構(gòu)b）蝸桿蝸輪傳動(dòng)的手部結(jié)構(gòu)c）連桿斜滑槽傳動(dòng)的手部結(jié)構(gòu)1—驅(qū)動(dòng)器2—驅(qū)動(dòng)元件3—驅(qū)動(dòng)搖桿4—從動(dòng)搖桿5—手指（2）機(jī)器人末端操作器機(jī)器人的手，一般稱之為末端操作器（也稱為夾持器）

5.2.1智能機(jī)器人總體設(shè)計(jì)：機(jī)械結(jié)構(gòu)智能機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)：執(zhí)行機(jī)構(gòu)（3）吸附式取料手

根據(jù)吸附力的種類不同，吸附式取料手可以分為磁吸式和氣吸式兩種。1）磁吸式手部工作原理磁吸式手部是利用永久磁鐵或電磁鐵通電后產(chǎn)生磁力來吸取鐵磁性材料工件的裝置。采用電磁吸盤的磁吸式手部結(jié)構(gòu)如圖5-10所示。當(dāng)線圈通電瞬時(shí)，由于空氣隙的存在，磁阻很大，線圈的電感和起動(dòng)電流很大，這時(shí)產(chǎn)生磁性吸力可將工件吸??；一旦斷電后，磁吸力消失，即將工件松開。若采用永久磁鐵作為吸盤，則需要強(qiáng)迫將工件取下。2）氣吸式手部工作原理氣吸式手部是利用橡膠皮碗或軟塑料碗中所形成的負(fù)壓把工件吸住的裝置。適用于薄鐵片、板材、紙張、薄而易脆的玻璃器皿和弧形殼體零件等的抓取。按形成負(fù)壓的方法，可以將氣吸式手部分為：真空式、氣流負(fù)壓式和擠氣負(fù)壓式三種吸盤，見圖5-11和5-12。電磁吸盤的結(jié)構(gòu)示意圖a）電磁鐵工作原理b）盤狀電磁鐵1—線圈2—鐵心3—銜鐵真空吸附取料手結(jié)構(gòu)圖1—橡膠吸盤

2—固定環(huán)3—墊片4—支承桿

5—基板6—螺母

5.2.1智能機(jī)器人總體設(shè)計(jì)：機(jī)械結(jié)構(gòu)智能機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)：執(zhí)行機(jī)構(gòu)（4）專用操作器及轉(zhuǎn)換器1）專用末端操作器機(jī)器人是一種通用性很強(qiáng)的自動(dòng)化設(shè)備，可根據(jù)作業(yè)要求完成各種動(dòng)作，再配上各種專用的末端操作器后，就能完成各種動(dòng)作。如在通用機(jī)器人上安裝焊槍就成為一臺(tái)焊接機(jī)器人，安裝擰螺母機(jī)則成為一臺(tái)裝配機(jī)器人。2）換接器對(duì)于通用機(jī)器人來說，要在作業(yè)時(shí)能自動(dòng)更換不同的末端操作器，就需要配置具有快速裝卸功能的換接器。換接器通常由兩部分組成：換接器插座和換接器插頭，分別裝在機(jī)器人腕部和末端操作器上，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人對(duì)末端操作器的快速自動(dòng)更換。圖5-13

為各種專用末端操作器和電磁吸盤式換接器。多工位換接裝置示意圖如圖5-14所示，就像數(shù)控加工中心的刀庫(kù)一樣，有棱錐型和棱柱型兩種形式。棱錐型換接裝置可保證手爪軸線和手腕軸線一致，受力較合理，但其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)較為復(fù)雜；棱柱型換接器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，但其手爪軸線和手腕軸線不能保持一致，受力不均。各種專用末端操作器和電磁吸盤式換接器1—?dú)饴方涌?—定位銷3—電接頭4—電磁吸盤多工位換接裝置示意圖a）棱錐型b）棱柱型

5.2.1智能機(jī)器人總體設(shè)計(jì)：機(jī)械結(jié)構(gòu)智能機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)：執(zhí)行機(jī)構(gòu)（5）仿生多指靈巧手1）柔性手為了能對(duì)不同外形的物體實(shí)施抓取，并使物體表面受力比較均勻，因此研制出了柔性手。圖5-15所示為多關(guān)節(jié)柔性手，每個(gè)手指由多個(gè)關(guān)節(jié)串聯(lián)而成。手指?jìng)鲃?dòng)部分由牽引鋼絲繩及摩擦滾輪組成，每個(gè)手指由兩根鋼絲繩牽引，一側(cè)為握緊，另一側(cè)為放松。驅(qū)動(dòng)源可采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)或液壓、氣動(dòng)元件驅(qū)動(dòng)。柔性手可抓取凹凸不平的物體，并使物體受力較為均勻。夾鉗式取料手不能適應(yīng)物體外形變化，不能使物體表面承受比較均勻的夾持力，因此無法對(duì)復(fù)雜形狀、不同材質(zhì)的物體實(shí)施夾持和操作。為了提高機(jī)器人手爪和手腕的操作能力、靈活性和快速反應(yīng)能力，使機(jī)器人能像人手那樣進(jìn)行各種復(fù)雜的作業(yè)，如裝配作業(yè)、維修作業(yè)和設(shè)備操作等，就必須有一個(gè)運(yùn)動(dòng)靈活、動(dòng)作多樣的靈巧手。2）多指靈巧手多指靈巧手是指具有3個(gè)及其以上數(shù)目的機(jī)械手。它的較完美的形式是模仿人類的5指手。多指靈巧手作為人類活動(dòng)肢體的有效延伸，能夠完成靈活、精細(xì)的抓取操作，見圖5-16。多關(guān)節(jié)柔性手

哈工大研制的多指靈巧手智能機(jī)器人傳動(dòng)結(jié)構(gòu)傳動(dòng)器設(shè)計(jì)需考慮剛度、效率、成本；齒隙和扭轉(zhuǎn)影響剛度，高傳動(dòng)剛度增加摩擦損失；低載荷時(shí)效率不高；過大系統(tǒng)增加重量、慣性和摩擦損失。傳動(dòng)器設(shè)計(jì)考量不良傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)易磨損、失效；機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)靠傳動(dòng)裝置，高效結(jié)合驅(qū)動(dòng)器與連桿；傳動(dòng)比、布置、尺寸影響機(jī)器人剛度、質(zhì)量和性能。傳動(dòng)系統(tǒng)效率影響

5.2.1智能機(jī)器人總體設(shè)計(jì)：機(jī)械結(jié)構(gòu)

智能機(jī)器人直線傳動(dòng)機(jī)構(gòu)滾珠絲杠機(jī)構(gòu)滾珠絲杠因其低摩擦、高響應(yīng)速度、高效傳動(dòng)、消除低速爬行及預(yù)緊消除回程誤差，成為機(jī)器人傳動(dòng)的優(yōu)選，顯著提升傳動(dòng)性能。絲杠螺母機(jī)構(gòu)普通絲杠因摩擦力大、效率低、慣性大、低速爬行、精度低，在機(jī)器人中較少采用，其驅(qū)動(dòng)螺母沿絲杠軸向移動(dòng)，但性能不適合高速高精度應(yīng)用。齒輪齒條裝置齒條固定，齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，齒輪軸帶動(dòng)拖板沿齒條方向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)；齒條轉(zhuǎn)換齒輪旋轉(zhuǎn)為拖板直線運(yùn)動(dòng)，是常見傳動(dòng)方式。

5.2.1智能機(jī)器人總體設(shè)計(jì)：機(jī)械結(jié)構(gòu)智能機(jī)器人旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)齒輪鏈機(jī)構(gòu)齒輪鏈引入改變系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，影響電機(jī)響應(yīng)，易控制；但增加定位誤差，需采取措施減少齒隙誤差，避免伺服系統(tǒng)不穩(wěn)定。和諧波齒輪機(jī)構(gòu)諧波齒輪傳動(dòng)常用于機(jī)器人旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，通過剛輪、柔輪和諧波發(fā)生器實(shí)現(xiàn)減速，特點(diǎn)為高精度、零齒隙、大減速比、高剛性，適用于對(duì)精度要求較高的應(yīng)用。同步帶機(jī)構(gòu)同步帶具有型齒，與帶輪齒嚙合，柔性好、價(jià)格低，可靈活調(diào)整方向，不影響伺服系統(tǒng)定位精度，重復(fù)精度高達(dá)1mm以內(nèi)，比齒輪鏈更經(jīng)濟(jì)、易加工。

5.2.1智能機(jī)器人總體設(shè)計(jì)：機(jī)械結(jié)構(gòu)智能機(jī)器人手臂設(shè)計(jì):概述010203臂部功能概述機(jī)器人手臂是支承手部和腕部，并改變手部空間位置的機(jī)構(gòu)，是機(jī)器人的主要部件之一。臂部運(yùn)動(dòng)特性一般有2～3個(gè)自由度，即伸縮、回轉(zhuǎn)、俯仰或升降；臂部的重量較重，受力一般也比較復(fù)雜。臂部運(yùn)動(dòng)影響臂部運(yùn)動(dòng)部分零件的重量直接影響著臂部結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度；臂部一般與控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一起安裝在機(jī)身。

5.2.1智能機(jī)器人總體設(shè)計(jì)：機(jī)械結(jié)構(gòu)智能機(jī)器人手臂設(shè)計(jì):設(shè)計(jì)要點(diǎn)承載與剛度機(jī)器人手臂需確保足夠承載與剛度，防止變形；合理選截面，鋼管常用于臂桿，工字鋼槽鋼用于支承板。導(dǎo)向裝置為減少直線移動(dòng)中的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，應(yīng)設(shè)置導(dǎo)向裝置或采用方形、花鍵等形式的臂桿，其結(jié)構(gòu)形式需根據(jù)負(fù)載、長(zhǎng)度等因素決定。平穩(wěn)運(yùn)行與精度減小偏重力矩可保障運(yùn)行平穩(wěn)、定位精準(zhǔn)；減輕重量、優(yōu)化重心布局及采用配重是有效方法。

5.2.1智能機(jī)器人總體設(shè)計(jì)：機(jī)械結(jié)構(gòu)智能機(jī)器人手臂經(jīng)典結(jié)構(gòu)形式：手臂直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)器人手臂伸縮、升降廣泛采用活塞液壓（氣）缸，其結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)平穩(wěn)，有效實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。手臂直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)雙導(dǎo)向桿手臂伸縮結(jié)構(gòu)示意圖1—雙作用液壓缸2—活塞桿3—導(dǎo)向桿4—導(dǎo)向套5—支承座6—手腕回轉(zhuǎn)缸7—手部的夾緊液壓缸圖5-17所示為雙導(dǎo)向桿手臂伸縮結(jié)構(gòu)示意圖。手臂和手腕是通過連接板安裝在升降液壓缸的上端，當(dāng)雙作用液壓缸1的兩腔分別通入液壓油時(shí)，則推動(dòng)活塞桿2（即手臂）做直線往復(fù)移動(dòng)。導(dǎo)向桿3在導(dǎo)向套4內(nèi)移動(dòng)，以防手臂伸縮時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)（并兼作手腕回轉(zhuǎn)缸6及手部的夾緊液壓缸7的輸油管道）。由于手臂的伸縮液壓缸安裝在兩根導(dǎo)向桿之間，由導(dǎo)向桿承受彎曲作用，活塞桿只受拉壓作用，故受力簡(jiǎn)單，傳動(dòng)平穩(wěn)，外形整齊美觀，結(jié)構(gòu)緊湊。

5.2.1智能機(jī)器人總體設(shè)計(jì)：機(jī)械結(jié)構(gòu)智能機(jī)器人手臂經(jīng)典結(jié)構(gòu)形式：手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)形式是多種多樣的，常用的有葉片式回轉(zhuǎn)缸、齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、鏈輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和連桿機(jī)構(gòu)。下面以齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中活塞缸和齒輪齒條機(jī)構(gòu)為例說明手臂的回轉(zhuǎn)。手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)手臂做升降和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)示意圖1—活塞桿2—升降缸體3—導(dǎo)向套4—齒輪5—連接蓋6—機(jī)座7—齒條活塞8—連接板齒輪齒條機(jī)構(gòu)是通過齒條的往復(fù)移動(dòng)，帶動(dòng)與手臂連接的齒輪做往復(fù)回轉(zhuǎn)，即可實(shí)現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。帶動(dòng)齒條往復(fù)移動(dòng)的活塞缸可以由液壓油或壓縮氣體驅(qū)動(dòng)。圖5-18所示為手臂做升降和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)示意圖?；钊簤焊變汕环謩e進(jìn)液壓油推動(dòng)齒條活塞7做往復(fù)移動(dòng)，與齒條活塞7嚙合的齒輪4即做往復(fù)回轉(zhuǎn)。由于齒輪4、升降缸體2、連接板8均用螺釘連接成一體，連接板又與手臂固連，從而實(shí)現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。升降缸體的活塞桿通過連接蓋5與機(jī)座6連接而固定不動(dòng)，升降缸體2沿導(dǎo)向套3做上下移動(dòng)，因升降缸體外部裝有導(dǎo)向套，故剛性好，傳動(dòng)平穩(wěn)。

5.2.1能機(jī)器人總體設(shè)計(jì)：機(jī)械結(jié)構(gòu)智能機(jī)器人手臂經(jīng)典結(jié)構(gòu)形式：手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)圖5-19所示為采用活塞缸和連桿機(jī)構(gòu)的一種雙臂機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)示意圖，手臂的上下擺動(dòng)由鉸接活塞液壓缸和連桿機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)鉸接活塞液壓缸1的兩腔通液壓油時(shí)，通過連桿2帶動(dòng)曲桿3（即手臂）繞軸心做90°的上下擺動(dòng)。手臂下擺到水平位置時(shí)，其水平和側(cè)向的定位由支承架4上的定位螺釘6和5來調(diào)節(jié)。此手臂結(jié)構(gòu)具有傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊和輕巧等特點(diǎn)。圖5-19

7雙臂機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)示意圖1—鉸接活塞液壓缸2—連桿（即活塞桿）

3—曲桿（即手臂）

4—支承架5、6—定位螺釘

5.2.1智能機(jī)器人總體設(shè)計(jì)：機(jī)械結(jié)構(gòu)智能機(jī)器人手臂經(jīng)典結(jié)構(gòu)形式：手臂俯仰運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)器人手臂的俯仰運(yùn)動(dòng)一般采用活塞液壓（氣）缸與連桿機(jī)構(gòu)聯(lián)用來實(shí)現(xiàn)。手臂的俯仰運(yùn)動(dòng)使用的活塞缸位于手臂的下方，其活塞桿和手臂用鉸鏈連接，缸體采用尾部耳環(huán)或中部銷軸等方式與立柱連接，見圖5-20。機(jī)器人手臂俯仰運(yùn)動(dòng)多依賴于活塞液壓缸與連桿機(jī)構(gòu)的聯(lián)動(dòng)，通過鉸鏈連接實(shí)現(xiàn)靈活俯仰。手臂俯仰運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)缸帶動(dòng)手臂俯仰運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖a）驅(qū)動(dòng)缸前置式結(jié)構(gòu)b）驅(qū)動(dòng)缸后置式結(jié)構(gòu)

5.2.1智能機(jī)器人總體設(shè)計(jì)：機(jī)械結(jié)構(gòu)智能機(jī)器人手腕設(shè)計(jì)圖5-21

手腕自由度示意圖a）繞z軸轉(zhuǎn)動(dòng)b）繞y軸轉(zhuǎn)動(dòng)c）繞x軸轉(zhuǎn)動(dòng)d）繞x、y、z軸轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)器人手腕是連接末端操作器和手臂的部件。它的作用是調(diào)節(jié)或改變工件的方位，因而它具有獨(dú)立的自由度，以使機(jī)器人末端操作器適應(yīng)復(fù)雜的動(dòng)作要求。機(jī)器人一般需要6個(gè)自由度才能使手部達(dá)到目標(biāo)位置并處于期望的姿態(tài)。為了使手部能處于空間任意方向，要求腕部能實(shí)現(xiàn)對(duì)空間3個(gè)坐標(biāo)軸x、y、z的轉(zhuǎn)動(dòng)，即具有翻轉(zhuǎn)、俯仰和偏轉(zhuǎn)3個(gè)自由度，如圖5-21所示。通常也把手腕的翻轉(zhuǎn)稱為Roll，用R表示；把手腕的俯仰稱為Pitch，用P表示；把手腕的偏轉(zhuǎn)稱為Yaw，用Y表示。

5.2.1智能機(jī)器人總體設(shè)計(jì)：機(jī)械結(jié)構(gòu)智能機(jī)器人手腕分類：按自由度分類手腕按自由度數(shù)目來分，可分為單自由度手腕、雙自由度手腕和三自由度手腕。單自由度手腕示意圖a）R手腕

b）、c）B手腕

d）T手腕單自由度手腕單自由度手腕如圖5-22所示。圖5-22a是一種翻轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，它把手臂縱軸線和手腕關(guān)節(jié)軸線構(gòu)成共軸形式。這種R關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度大，可達(dá)到一圈以上。圖5-22b、c是一種折曲關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)軸線與前后兩個(gè)連接件的軸線相垂直。這種B關(guān)節(jié)因?yàn)槭艿浇Y(jié)構(gòu)上的干涉，旋轉(zhuǎn)角度小，大大限制了方向角。圖5-22d所示為移動(dòng)關(guān)節(jié)。

5.2.1智能機(jī)器人總體設(shè)計(jì)：機(jī)械結(jié)構(gòu)智能機(jī)器人手腕分類：按自由度分類手腕按自由度數(shù)目來分，可分為單自由度手腕、雙自由度手腕和三自由度手腕。雙自由度手腕雙自由度手腕如圖5-23所示。雙自由度手腕可以由一個(gè)B關(guān)節(jié)和一個(gè)R關(guān)節(jié)組成BR手腕（見圖5-23a）；也可以由兩個(gè)B關(guān)節(jié)組成BB手腕（見圖5-23b）。但是，不能由兩個(gè)R關(guān)節(jié)組成RR手腕，因?yàn)閮蓚€(gè)R關(guān)節(jié)共軸線，所以退化了一個(gè)自由度，實(shí)際只構(gòu)成了單自由度手腕（見圖5-23c）。圖5-23

雙自由度手腕示意圖a）BR手腕b）BB手腕c）RR手腕

5.2.1智能機(jī)器人總體設(shè)計(jì)：機(jī)械結(jié)構(gòu)智能機(jī)器人手腕分類：按自由度分類手腕按自由度數(shù)目來分，可分為單自由度手腕、雙自由度手腕和三自由度手腕。圖5-23

雙自由度手腕示意圖a）BR手腕b）BB手腕c）RR手腕三自由度手腕三自由度手腕如圖5-24所示。三自由度手腕可以由B關(guān)節(jié)和R關(guān)節(jié)組成多種形式。圖5-24a所示是通常見到的BBR手腕，使手部具有俯仰、偏轉(zhuǎn)和翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即RPY運(yùn)動(dòng)。圖5-24b所示是由一個(gè)B關(guān)節(jié)和兩個(gè)R關(guān)節(jié)組成的BRR手腕，為了不使自由度退化，使手部產(chǎn)生RPY運(yùn)動(dòng)，第一個(gè)R關(guān)節(jié)必須進(jìn)行如圖5-24b所示的偏置。圖5-24c所示是由3個(gè)R關(guān)節(jié)組成的RRR手腕，它也可以實(shí)現(xiàn)手部RPY運(yùn)動(dòng)。圖5-24d所示是BBB手腕，很明顯，它已退化為雙自由度手腕，只有PY運(yùn)動(dòng)，實(shí)際上并不采用這種手腕。此外，B關(guān)節(jié)和R關(guān)節(jié)排列的次序不同，也會(huì)產(chǎn)生不同的效果，同時(shí)產(chǎn)生了其他形式的三自由度手腕。為了使手腕結(jié)構(gòu)緊湊，通常把兩個(gè)B關(guān)節(jié)安裝在一個(gè)十字接頭上，這對(duì)于BBR手腕來說，大大減小了手腕縱向尺寸。

5.2.1智能機(jī)器人總體設(shè)計(jì)：機(jī)械結(jié)構(gòu)智能機(jī)器人手腕分類：按驅(qū)動(dòng)位置來分手腕按驅(qū)動(dòng)位置來分，可分為直接驅(qū)動(dòng)手腕和間接遠(yuǎn)距離傳動(dòng)手腕。圖5-25所示為一種液壓直接驅(qū)動(dòng)BBR手腕，設(shè)計(jì)緊湊巧妙。M1、M2、M3是液壓馬達(dá)，直接驅(qū)動(dòng)手腕的偏轉(zhuǎn)、俯仰和翻轉(zhuǎn)三個(gè)自由度。圖5-25

直接驅(qū)動(dòng)型“BBR”手腕示意圖圖5-26所示為一種遠(yuǎn)距離傳動(dòng)的RBR手腕。Ⅲ軸的轉(zhuǎn)動(dòng)使整個(gè)手腕翻轉(zhuǎn)，即第一個(gè)R關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)；Ⅱ軸的轉(zhuǎn)動(dòng)使手腕獲得俯仰運(yùn)動(dòng)，即第二個(gè)B關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)；Ⅰ軸的轉(zhuǎn)動(dòng)即第三個(gè)R關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)c軸離開紙平面后，RBR手腕便在三個(gè)自由度軸上輸出RPY運(yùn)動(dòng)。這種遠(yuǎn)距離傳動(dòng)的好處是可以把尺寸、重量都較重的驅(qū)動(dòng)源放在遠(yuǎn)離手腕處，有時(shí)放在手臂的后端做平衡重量用，這樣不僅減輕了手腕的整體重量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，而且改善了機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)的平衡性。圖5-26

遠(yuǎn)距離傳動(dòng)“RBR”手腕示意圖

5.2.1智能機(jī)器人總體設(shè)計(jì)：機(jī)械結(jié)構(gòu)智能機(jī)器人手腕：腕部設(shè)計(jì)要點(diǎn)緊湊輕巧設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能使結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，避免盲目追求多自由度，以減小對(duì)臂部結(jié)構(gòu)尺寸和性能的影響。合理布局全面考慮元器件和機(jī)構(gòu)特點(diǎn)、作業(yè)和控制要求，進(jìn)行合理布局，處理具體結(jié)構(gòu)，確保動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)性能滿足要求。設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮惡劣工作環(huán)境對(duì)手腕的不良影響，并預(yù)先采取措施以保證手腕的工作性能和壽命。適應(yīng)工作環(huán)境要求

5.2.1智能機(jī)器人總體設(shè)計(jì)：機(jī)械結(jié)構(gòu)智能機(jī)器人經(jīng)典腕部結(jié)構(gòu)：液壓驅(qū)動(dòng)的回轉(zhuǎn)或擺動(dòng)的機(jī)器人手腕合理布局適應(yīng)工作環(huán)境要求液壓驅(qū)動(dòng)手腕雙手懸掛式機(jī)器人通過液壓缸實(shí)現(xiàn)手腕的回轉(zhuǎn)和左右擺動(dòng)，其結(jié)構(gòu)緊湊，操作靈活，適應(yīng)于各種復(fù)雜任務(wù)環(huán)境。圖5-27所示為雙手懸掛式機(jī)器人實(shí)現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)和左右擺動(dòng)的結(jié)構(gòu)示意圖。其中，A—A剖面所表示的是液壓缸外殼轉(zhuǎn)動(dòng)而中心軸不動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)手腕的左右擺動(dòng)；B—B剖面所表示的是液壓缸外殼不動(dòng)而中心軸回轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)手腕的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。圖5-27

手腕回轉(zhuǎn)和左右擺動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖

5.2.1智能機(jī)器人總體設(shè)計(jì)：機(jī)械結(jié)構(gòu)智能機(jī)器人經(jīng)典腕部結(jié)構(gòu)：電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人手腕合理布局適應(yīng)工作環(huán)境要求電機(jī)驅(qū)動(dòng)手腕具有三個(gè)自由度的手腕結(jié)構(gòu)通過電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)臂轉(zhuǎn)、腕擺、手轉(zhuǎn)功能，傳動(dòng)鏈分為小臂殼內(nèi)和手腕部?jī)刹糠帧D5-28所示為手腕傳動(dòng)原理圖。這是一個(gè)具有三個(gè)自由度的手腕結(jié)構(gòu)，關(guān)節(jié)配置形式為臂轉(zhuǎn)、腕擺、手轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。其傳動(dòng)鏈分成兩部分：一部分在機(jī)器人小臂殼內(nèi)，3個(gè)電動(dòng)機(jī)的輸出通過帶傳動(dòng)分別傳遞到同軸傳動(dòng)的心軸、中間套、外套筒上；另一部分傳動(dòng)鏈安排在手腕部。圖5-28手腕傳動(dòng)原理圖

5.2.1智能機(jī)器人總體設(shè)計(jì)：機(jī)械結(jié)構(gòu)智能機(jī)器人經(jīng)典腕部結(jié)構(gòu)：機(jī)器人柔順手腕合理布局適應(yīng)工作環(huán)境要求機(jī)器人柔順手腕具有三個(gè)自由度的手腕結(jié)構(gòu)通過電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)臂轉(zhuǎn)、腕擺、手轉(zhuǎn)功能，傳動(dòng)鏈分為小臂殼內(nèi)和手腕部?jī)刹糠?。圖5-29所示為具有移動(dòng)和擺動(dòng)浮動(dòng)機(jī)構(gòu)的柔順手腕。水平浮動(dòng)機(jī)構(gòu)由平面、鋼球和彈簧構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)在兩個(gè)方向上進(jìn)行浮動(dòng)；擺動(dòng)浮動(dòng)機(jī)構(gòu)由上、下球面和彈簧構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方向的擺動(dòng)。在裝配作業(yè)中，如遇夾具定位不準(zhǔn)或機(jī)器人手爪定位不準(zhǔn)時(shí)，可自行校正。其動(dòng)作過程如圖5-30所示，在插入裝配中工件局部被卡住時(shí)，將會(huì)受到阻力，促使柔順手腕起作用，使手爪有一個(gè)微小的修正量，工件便能順利插入。圖5-29

具有移動(dòng)和擺動(dòng)浮動(dòng)機(jī)構(gòu)的柔順手腕圖5-30柔順手腕動(dòng)作過程

5.2.1智能機(jī)器人總體設(shè)計(jì)：機(jī)械結(jié)構(gòu)智能機(jī)器人傳感器合理布局適應(yīng)工作環(huán)境要求

5.2.2智能機(jī)器人傳感器當(dāng)連桿和關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)時(shí)，傳感器例如電位器編碼器、旋轉(zhuǎn)變生器等將信號(hào)傳送給控制器，由其判定各關(guān)節(jié)的位置。機(jī)器人傳感器同人類和動(dòng)物擁有嗅覺、觸覺、味覺、聽覺、視覺以及與外界交流的語言一樣，機(jī)器人也可以有與環(huán)境進(jìn)行交流的類似的傳感器。機(jī)器人環(huán)境感知在某些情況下，這些傳感器在功能上與人類的相似，例如視覺、觸覺以及嗅覺等，在其他特殊情形下，傳感器還會(huì)具備人類所不具備的功能。機(jī)器人特殊功能智能機(jī)器人傳感器：視覺傳感器合理布局適應(yīng)工作環(huán)境要求

5.2.2智能機(jī)器人傳感器視覺傳感器能夠捕捉周圍環(huán)境的圖像信息，通過處理信息，機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的感知和理解，包括障礙物檢測(cè)、地圖構(gòu)建、位置定位等，從而實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航和路徑規(guī)劃。捕捉圖像信息01視覺傳感器可以幫助機(jī)器人跟蹤特定目標(biāo)的位置和運(yùn)動(dòng)軌跡，這在很多應(yīng)用中都是必要的，比如無人機(jī)追蹤目標(biāo)、機(jī)器人足球比賽中的球追蹤等。跟蹤目標(biāo)位置03通過分析圖像數(shù)據(jù)，機(jī)器人可以檢測(cè)和識(shí)別出環(huán)境中的各種物體，這對(duì)于執(zhí)行特定任務(wù)至關(guān)重要，如工業(yè)機(jī)器人的零件檢測(cè)、智能家居中的物品識(shí)別等。檢測(cè)和識(shí)別物體02視覺傳感器提供的信息可以用于實(shí)時(shí)控制機(jī)器人的動(dòng)作，例如，通過監(jiān)視某一工作過程中的視覺反饋來調(diào)整機(jī)器人的位置和姿態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)更精確的操作。實(shí)時(shí)控制機(jī)器人動(dòng)作04智能機(jī)器人傳感器：視覺傳感器合理布局適應(yīng)工作環(huán)境要求

5.2.2智能機(jī)器人傳感器用于捕捉圖像或視頻數(shù)據(jù)，可分為RGB攝像頭、紅外攝像頭、深度攝像頭等。攝像頭/相機(jī)通過發(fā)射激光束并測(cè)量其返回時(shí)間來獲取環(huán)境的深度信息，適用于建立高精度的環(huán)境地圖和定位。雷達(dá)用于檢測(cè)物體的距離或溫度，常用于避障和環(huán)境感知。紅外傳感器010302用于檢測(cè)物體的熱量分布，常用于監(jiān)測(cè)、識(shí)別和搜索任務(wù)。熱成像傳感器04智能機(jī)器人傳感器：聽覺傳感器適應(yīng)工作環(huán)境要求

5.2.2智能機(jī)器人傳感器語音交互通過捕捉和識(shí)別人類語音指令，機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)與人類之間的語音交互，這使得人們可以通過語音指令對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制，執(zhí)行各種任務(wù)。03通過分析環(huán)境中的聲音，機(jī)器人可以識(shí)別出特定的聲音模式或語音內(nèi)容，進(jìn)行情境分析和理解，更好地理解當(dāng)前的環(huán)境和情境。04聽覺傳感器可以用于監(jiān)測(cè)環(huán)境中的異常聲音或警報(bào)聲音，及時(shí)發(fā)出警報(bào)并采取相應(yīng)的措施，保障人員和設(shè)備的安全。05監(jiān)測(cè)異常聲音和警報(bào)情境分析和理解聽覺傳感器在機(jī)器人領(lǐng)域中扮演著至關(guān)重要的角色，機(jī)器人通過聽覺傳感器可以感知、理解并回應(yīng)周圍環(huán)境中的聲音信息。01聽覺傳感器幫助機(jī)器人感知周圍環(huán)境中的聲音，識(shí)別出特定的聲音源或聲音模式，從而實(shí)現(xiàn)環(huán)境感知和定位。02環(huán)境感知和定位聽覺傳感器的重要角色智能機(jī)器人傳感器：聽覺傳感器合理布局適應(yīng)工作環(huán)境要求

5.2.2智能機(jī)器人傳感器聲納傳感器聲納傳感器通過發(fā)射聲波并接收其反射來測(cè)量物體的距離和方向，廣泛應(yīng)用于距離測(cè)量、障礙物檢測(cè)和環(huán)境感知等領(lǐng)域，為機(jī)器人提供精確的導(dǎo)航和定位信息。雷達(dá)雖然通常用于視覺傳感，但雷達(dá)也可以用于聲學(xué)定位和聲納應(yīng)用，通過測(cè)量聲波的返回時(shí)間來獲取距離信息，為機(jī)器人提供精確的導(dǎo)航和定位服務(wù)。壓電傳感器壓電傳感器將聲波的振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，用于檢測(cè)聲音的強(qiáng)度、頻率等特征，為機(jī)器人提供精確的聽覺感知能力，使其能夠更好地理解和回應(yīng)周圍環(huán)境中的聲音信息。聲學(xué)傳感器陣列由多個(gè)麥克風(fēng)組成的傳感器陣列，用于定位聲源、消除噪聲和實(shí)現(xiàn)聲音方向識(shí)別，通過先進(jìn)的信號(hào)處理技術(shù)，提高機(jī)器人的聽覺感知能力和語音交互體驗(yàn)。MEMS麥克風(fēng)MEMS技術(shù)制造的微型麥克風(fēng)，具有小巧、低功耗和高靈敏度的特點(diǎn)，適用于嵌入式系統(tǒng)和便攜式設(shè)備，為機(jī)器人提供精確的聽覺感知能力，滿足各種應(yīng)用需求。

智能機(jī)器人傳感器：觸覺傳感器合理布局適應(yīng)工作環(huán)境要求

5.2.2智能機(jī)器人傳感器觸覺傳感器的作用觸覺傳感器能夠感知物體表面的接觸、壓力、形狀或紋理等信息，將物理接觸的力、壓力或形狀變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)接觸狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和控制。在機(jī)器人中的作用機(jī)器人中的觸覺傳感器能夠感知操作手爪與對(duì)象之間的作用力，識(shí)別操作物的大小、形狀、質(zhì)量及硬度等，并具備躲避危險(xiǎn)的能力，以防碰撞障礙物引起事故。觸覺傳感器的種類機(jī)器人中的觸覺傳感器一般包括壓覺、滑覺、接觸覺及力覺等，最早的觸覺傳感器為開關(guān)式傳感器，只有0和1兩個(gè)信號(hào)，用于表示手爪與對(duì)象的接觸與不接觸。智能機(jī)器人傳感器：觸覺傳感器合理布局適應(yīng)工作環(huán)境要求

5.2.2智能機(jī)器人傳感器觸覺傳感器的進(jìn)化如果要檢測(cè)對(duì)象的形狀，就需要在接觸面上安裝許多敏感元件，由于開關(guān)型傳感器體積較大，布置的傳感器數(shù)目不會(huì)很多，對(duì)形狀的識(shí)別很粗糙。01敏感元件的介紹導(dǎo)電合成橡膠是一種有潛力的觸覺敏感材料，其原理是利用晶體的壓電效應(yīng)，在晶體上施壓時(shí)，一定范圍內(nèi)施加的壓力與晶體的電阻成比例關(guān)系。敏感材料的特點(diǎn)一般晶體的脆性比較大，作為敏感材料時(shí)很難制作，目前有一種聚合物材料具有良好的壓電性，且柔性好、易制作，可望成為新的觸覺敏感材料。其他常用敏感材料半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)是一種常用的觸覺敏感材料，其原理與應(yīng)變片相同，都是基于應(yīng)變變形原理，通過測(cè)量材料的應(yīng)變來檢測(cè)力或力矩的變化。020304智能機(jī)器人傳感器：力或力矩傳感器合理布局適應(yīng)工作環(huán)境要求

5.2.2智能機(jī)器人傳感器傳感應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人在裝配、搬運(yùn)、研磨等作業(yè)中需控制工作力或力矩，確保作業(yè)精度與效率。傳感需求通過彈性敏感元件將被測(cè)力或力矩轉(zhuǎn)換成某種位移量或變形量，然后通過各自的敏感介質(zhì)把位移量或變形量轉(zhuǎn)換成能夠輸出的電量。機(jī)器人在自我保護(hù)時(shí)需檢測(cè)關(guān)節(jié)和連桿間的內(nèi)力，防止承載過大或與障礙物碰撞引起的損壞。電阻應(yīng)變片式智能機(jī)器人傳感器：力或力矩傳感器合理布局適應(yīng)工作環(huán)境要求

5.2.2智能機(jī)器人傳感器通過測(cè)量電容變化來檢測(cè)力或力矩變化，實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量，具有響應(yīng)快、靈敏度高等特點(diǎn)。電容式利用電感變化來檢測(cè)力或力矩變化，實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量，對(duì)工作環(huán)境要求較高。電感式01020304壓電式傳感器利用壓電材料的壓電效應(yīng)工作原理，將被測(cè)力或力矩轉(zhuǎn)換為電量，實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量。壓電式常用于測(cè)量機(jī)器人關(guān)節(jié)和連桿間的內(nèi)力，防止碰撞和損壞，提高機(jī)器人的安全性和穩(wěn)定性。外力傳感器智能機(jī)器人傳感器：距離傳感器（應(yīng)用廣泛）合理布局適應(yīng)工作環(huán)境要求

5.2.2智能機(jī)器人傳感器導(dǎo)航與定位距離傳感器助機(jī)器人感知周邊環(huán)境，實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航與定位，實(shí)時(shí)測(cè)量距離并構(gòu)建地圖，規(guī)劃路徑并確定自身位置。02040301物體檢測(cè)與識(shí)別距離傳感器助機(jī)器人檢測(cè)識(shí)別物體，通過測(cè)量距離確定位置、大小、形狀，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)檢測(cè)、跟蹤和抓取等任務(wù)。避障與碰撞檢測(cè)距離傳感器幫助機(jī)器人及時(shí)發(fā)現(xiàn)和避免與障礙物的碰撞，當(dāng)機(jī)器人接近障礙物時(shí)，發(fā)出警告或自動(dòng)調(diào)整軌跡。人機(jī)交互距離傳感器可以幫助機(jī)器人感知人類與機(jī)器人之間的距離和位置關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)更自然和智能的人機(jī)交互。智能機(jī)器人傳感器：距離傳感器合理布局適應(yīng)工作環(huán)境要求

5.2.2智能機(jī)器人傳感器超聲波傳感器光學(xué)測(cè)距傳感器毫米波雷達(dá)壓電傳感器激光雷達(dá)紅外傳感器利用超聲波的反射來測(cè)量物體與傳感器之間的距離，常用于測(cè)距、避障和定位等應(yīng)用，具有簡(jiǎn)單、成本低廉、測(cè)距范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。利用紅外光的反射或吸收來測(cè)量物體與傳感器之間的距離，通常用于近距離測(cè)量，例如地面檢測(cè)和物體計(jì)數(shù)等。通過發(fā)射激光束并測(cè)量其返回時(shí)間來獲取物體的距離信息，具有高精度、長(zhǎng)距離測(cè)量能力，適用于建立精確的環(huán)境地圖和定位。利用光學(xué)原理來測(cè)量物體的距離，如三角測(cè)距、相位測(cè)距，通常具有較高的測(cè)量精度和分辨率，適用于高精度測(cè)距應(yīng)用。毫米波雷達(dá)利用毫米波的特性來測(cè)量物體與傳感器之間的距離，具有一定的穿透性和適應(yīng)性，適用于復(fù)雜環(huán)境下的距離測(cè)量?？梢赞D(zhuǎn)換物體與傳感器之間的壓力變化為電信號(hào)，間接實(shí)現(xiàn)距離的測(cè)量，常用于觸摸屏和壓力傳感應(yīng)用。智能機(jī)器人傳感器：加速度傳感器合理布局適應(yīng)工作環(huán)境要求

5.2.2智能機(jī)器人傳感器通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)加速度變化，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的姿態(tài)控制和穩(wěn)定性維持，比如保持機(jī)器人直立、調(diào)整機(jī)器人的傾斜角度等。姿態(tài)感知和控制可以檢測(cè)環(huán)境中的沖擊和震動(dòng)，從而判斷是否發(fā)生碰撞或其他突發(fā)事件，對(duì)于機(jī)器人的安全控制和環(huán)境感知至關(guān)重要。加速度傳感器可以用于識(shí)別人體的步態(tài)模式和步態(tài)周期，從而實(shí)現(xiàn)步態(tài)控制和人體運(yùn)動(dòng)仿真，提高機(jī)器人的穩(wěn)定性和適應(yīng)性。010302在人機(jī)交互領(lǐng)域，加速度傳感器可以用于檢測(cè)用戶的手勢(shì)動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)手勢(shì)識(shí)別和自然的交互方式，提高用戶的操作體驗(yàn)。在機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)中，加速度傳感器可以用于檢測(cè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)的振動(dòng)和震動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)主動(dòng)的震動(dòng)補(bǔ)償和抑制。0405手勢(shì)識(shí)別和交互步態(tài)識(shí)別和步態(tài)控制震動(dòng)補(bǔ)償和抑制沖擊和震動(dòng)檢測(cè)

動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)學(xué)運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)合理布局

5.2.3智能機(jī)器人控制系統(tǒng)

動(dòng)力學(xué)為了使機(jī)器人以預(yù)計(jì)的速度和加速度運(yùn)動(dòng)，關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器需要提供足夠的力或力矩。和機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)不同的是，機(jī)器人動(dòng)力學(xué)不僅與其速度、加速度等運(yùn)動(dòng)學(xué)量有關(guān)，還與其質(zhì)量、慣量、外部載荷等有關(guān)。機(jī)器人動(dòng)力學(xué)主要研究?jī)深悊栴}：正動(dòng)力學(xué)和逆動(dòng)力學(xué)。

運(yùn)動(dòng)學(xué)主要研究機(jī)器人運(yùn)動(dòng)本身，而不考慮引起運(yùn)動(dòng)的力/力矩，即機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)描述的是機(jī)器人位姿、速度、加速度、位置變量以及位置變量對(duì)于時(shí)間或其他變量的高階微分。其主要包含正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)是機(jī)器人領(lǐng)域中的重要理論基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)學(xué)合理布局

5.2.3智能機(jī)器人控制系統(tǒng)矩陣表示在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)中，矩陣表示是用來描述機(jī)器人的各關(guān)節(jié)及其末端執(zhí)行器在空間中位置和方向的一種方法。平移向量平移向量可以簡(jiǎn)單地表示從一個(gè)位置到另一個(gè)位置的直線移動(dòng)。特殊情況下，如果一個(gè)向量起始于原點(diǎn)，常用向量形式表示而在運(yùn)動(dòng)學(xué)中為了簡(jiǎn)便運(yùn)算，常采用矩陣形式。旋轉(zhuǎn)矩陣描述物體在空間中相對(duì)于原始坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)，具有正交性和行列式特性，保長(zhǎng)度和角度變換。齊次變換矩陣結(jié)合位置矢量和旋轉(zhuǎn)矩陣，將旋轉(zhuǎn)和平移綜合表示，簡(jiǎn)化復(fù)雜運(yùn)動(dòng)計(jì)算，通過矩陣乘法實(shí)現(xiàn)變換串聯(lián)。正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)正運(yùn)動(dòng)學(xué)根據(jù)關(guān)節(jié)角度計(jì)算末端位置姿態(tài)，逆運(yùn)動(dòng)學(xué)則反之，根據(jù)末端位置姿態(tài)反推關(guān)節(jié)角度。0102030405動(dòng)力學(xué)

5.2.3智能機(jī)器人控制系統(tǒng)機(jī)械臂是由關(guān)節(jié)和連桿組成的：關(guān)節(jié)能夠?qū)λB接的連桿在特定方向施力；連桿則是有質(zhì)量、有大?。ㄋ詰T性張量不可忽略）的剛體。由此可見，機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)的實(shí)質(zhì)就是剛體動(dòng)力學(xué)。1）動(dòng)力學(xué)方程機(jī)器人動(dòng)力學(xué)的兩種典型方法：拉格朗日方程和牛頓歐拉方程。在拉格朗日運(yùn)動(dòng)學(xué)中，機(jī)器人系統(tǒng)的拉格朗日函數(shù)是系統(tǒng)的動(dòng)能和勢(shì)能的差。動(dòng)能描述了機(jī)器人系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，勢(shì)能描述了系統(tǒng)的位置狀態(tài)。拉格朗日方程的本質(zhì)：基于系統(tǒng)的總能量去計(jì)算驅(qū)動(dòng)力；牛頓-歐拉方程的本質(zhì)：基于運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系去計(jì)算驅(qū)動(dòng)力，牛頓方面出手的是牛頓方程（即牛頓第二定律，描述平移運(yùn)動(dòng)）；歐拉方面出手的是歐拉方程（描述轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)）。2）正逆動(dòng)力學(xué)正動(dòng)力學(xué)解決的是“已知機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的狀態(tài)和外部力，求解末端執(zhí)行器的加速度和運(yùn)動(dòng)軌跡”的問題。正動(dòng)力學(xué)通常涉及解決微分方程或差分方程，以推導(dǎo)機(jī)器人系統(tǒng)在給定條件下的運(yùn)動(dòng)行為。逆動(dòng)力學(xué)描述了機(jī)器人系統(tǒng)在給定末端執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)軌跡和期望的力矩情況下，各個(gè)關(guān)節(jié)需要施加的力和力矩。換句話說，逆動(dòng)力學(xué)解決的是“已知機(jī)器人末端執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)軌跡和期望的力，求解各個(gè)關(guān)節(jié)需要施加的力和力矩”的問題。逆動(dòng)力學(xué)通常涉及解決關(guān)節(jié)狀態(tài)的非線性方程或使用優(yōu)化算法求解。機(jī)器人驅(qū)動(dòng)：步進(jìn)電機(jī)合理布局

5.2.3智能機(jī)器人控制系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為角位移或線位移，每輸入一個(gè)脈沖信號(hào)，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度或前進(jìn)一步。步進(jìn)電機(jī)的工作原理步進(jìn)電機(jī)具有精確控制、無需反饋系統(tǒng)和低成本等優(yōu)點(diǎn)，適用于需要精確定位的應(yīng)用，如開環(huán)伺服系統(tǒng)中。步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)可以旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)依次切換時(shí)，轉(zhuǎn)子會(huì)隨之轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)的角度。步進(jìn)電機(jī)的精度當(dāng)磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)過快或轉(zhuǎn)子上所帶負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量太大時(shí)，轉(zhuǎn)子無法跟上步伐，就會(huì)造成失步。步進(jìn)電機(jī)的失步問題步進(jìn)電機(jī)在開環(huán)控制下即可實(shí)現(xiàn)較高的位置精度，適用于位置精度要求不高的機(jī)器人，如小型搬運(yùn)機(jī)器人等。步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用機(jī)器人驅(qū)動(dòng)：伺服電機(jī)

5.2.3智能機(jī)器人控制系統(tǒng)伺服電機(jī)一般分為兩大類：直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)。1）交流伺服驅(qū)動(dòng)交流伺服電機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動(dòng)器控制的U/V/W三相電形成電磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子在此磁場(chǎng)的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)電機(jī)自帶的編碼器反饋信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。交流伺服電機(jī)在沒有控制電壓時(shí)，定子內(nèi)只有勵(lì)磁繞組產(chǎn)生的脈動(dòng)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子靜止不動(dòng)。當(dāng)有控制電壓時(shí)，定子內(nèi)便產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子沿旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向旋轉(zhuǎn)，在負(fù)載恒定的情況下，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨控制電壓的大小而變化，當(dāng)控制電壓的相位相反時(shí)，伺服電動(dòng)機(jī)將反轉(zhuǎn)。2）直流伺服驅(qū)動(dòng)直流伺服電機(jī)的工作原理與普通的直流電機(jī)工作原理基本相同。依靠電樞氣流與氣隙磁通的作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。通常采用電樞控制方式，在保持勵(lì)磁電壓不變的條件下，通過改變電壓來改變轉(zhuǎn)速。電壓越小轉(zhuǎn)速越低，電壓為零時(shí)，停止轉(zhuǎn)動(dòng)。因?yàn)殡妷簽榱銜r(shí)，電流也為零，所以電機(jī)不會(huì)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，既不會(huì)出現(xiàn)自轉(zhuǎn)現(xiàn)象。直流伺服電機(jī)在數(shù)控系統(tǒng)中應(yīng)用很多，但是直流伺服電機(jī)也有一定的缺點(diǎn)：它的電刷和換向器易磨損；電機(jī)最高轉(zhuǎn)速的限制，應(yīng)用環(huán)境的限制；結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，成本高。機(jī)器人控制算法：傳統(tǒng)控制算法合理布局

5.2.3智能機(jī)器人控制系統(tǒng)傳統(tǒng)控制算法概述傳統(tǒng)控制算法基于經(jīng)典控制理論，包括PID控制、位置控制和力控制等，通過數(shù)學(xué)建模和線性控制理論分析設(shè)計(jì)控制器，確保機(jī)器人系統(tǒng)的穩(wěn)定性、性能和魯棒性。PID控制與應(yīng)用PID控制是最常用的機(jī)器人控制算法，通過比例、積分、微分三部分加權(quán)處理誤差，實(shí)現(xiàn)位置、速度和力等的精確控制，滿足高精度需求。位置與力控制位置控制通過控制關(guān)節(jié)角度實(shí)現(xiàn)機(jī)器人位置控制，確保位置精度；而力控制則實(shí)現(xiàn)力量感知和精確力量控制，完成需要精確力控制的任務(wù)。機(jī)器人控制算法：現(xiàn)代控制算法合理布局

5.2.3智能機(jī)器人控制系統(tǒng)現(xiàn)代控制算法基于狀態(tài)空間方法，涉及非線性、時(shí)變、多變量系統(tǒng)等復(fù)雜系統(tǒng)，通過狀態(tài)空間表達(dá)和數(shù)學(xué)工具優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)精確控制和性能優(yōu)化?，F(xiàn)代控制算法概述自適應(yīng)控制可自動(dòng)調(diào)整參數(shù)，提升機(jī)器人控制精度與穩(wěn)定性，通過實(shí)時(shí)調(diào)整參數(shù)，有效應(yīng)對(duì)機(jī)器人動(dòng)態(tài)變化，確保控制過程的高效性與魯棒性。自適應(yīng)控制模糊控制利用模糊數(shù)學(xué)處理不確定性，實(shí)現(xiàn)位置、速度和力量等多種控制；而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制通過自動(dòng)學(xué)習(xí)規(guī)律，適應(yīng)不同機(jī)器人任務(wù)，實(shí)現(xiàn)智能控制。模糊與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制機(jī)器人控制算法：智能控制算法合理布局

5.2.3智能機(jī)器人控制系統(tǒng)智能控制算法概述智能控制算法融合機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自主控制和智能決策，包括遺傳算法、粒子群算法和人工免疫算法等。01遺傳與粒子群算法遺傳算法模擬生物進(jìn)化，自動(dòng)搜索最優(yōu)解進(jìn)行控制，應(yīng)用于機(jī)器人路徑規(guī)劃和動(dòng)力學(xué)控制；而粒子群算法模擬群體智能，同樣適用于機(jī)器人路徑規(guī)劃。人工免疫算法應(yīng)用人工免疫算法受到生物免疫系統(tǒng)的啟發(fā)，通過自適應(yīng)搜索最優(yōu)解進(jìn)行控制，在機(jī)器人路徑規(guī)劃和動(dòng)力學(xué)控制等方面表現(xiàn)出色。算法選擇與應(yīng)用通過合理選擇智能控制算法，可以提高機(jī)器人系統(tǒng)的控制精度和性能；智能算法能夠賦予機(jī)器人更強(qiáng)的自主性和智能化，實(shí)現(xiàn)靈活和智能的工作方式。020304網(wǎng)絡(luò)與通訊合理布局

5.2.3智能機(jī)器人控制系統(tǒng)機(jī)器人通信技術(shù)是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與其他系統(tǒng)或設(shè)備之間進(jìn)行信息交換和協(xié)作的關(guān)鍵技術(shù)。其主要包含兩大塊：網(wǎng)絡(luò)與通訊機(jī)器人通信技術(shù)涵蓋網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與通訊技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)涉及網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建、數(shù)據(jù)傳輸和路由機(jī)制，為機(jī)器人提供可靠的網(wǎng)絡(luò)連接。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)通訊技術(shù)則關(guān)注數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞胶蛥f(xié)議，包括有線和無線通訊，確保機(jī)器人與其他設(shè)備間高效、穩(wěn)定地交換信息。通訊技術(shù)網(wǎng)絡(luò)與通訊：網(wǎng)絡(luò)技術(shù)合理布局