诺伯特机器人知识小讲堂—工业机器人基础知识大汇总

有人认为，应用机器人只是为了节省劳动力，而我国劳动力资源丰富，发展机器人不一定符合我国国情。其实这是一种误解，在我国，社会主义制度的优越性决定了机器人能够充分发挥其长处，它不仅能为我国的经济建设带来高度的生产力和巨大的经济效益，而且将为我国的宇宙开发、海洋开发、核能利用等新兴领域的发展做出卓越的贡献。

我国机器人学研究起步较晚，但进步较快，已经在工业机器人、特种机器人和智能机器人各个方面区的了明显的成就，为我国机器人学的发展打下了坚实的基础。

机器人的定义

美国国家标准局（NBS ）的定义：“机器人是一种 能够进行编程并在自动控制下执行某些操作和移动作业任务的机械装置”。

国际标准化组织(ISO)的定义：“机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能机械手，这种机械手具有几个轴，能够借助于可编程序操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行种种任务。”

机器人具有以下特性：

（1）一种机械电子装置；

（2）动作具有类似于人或其他生物体的功能；

（3）可通过编程执行多种工作，有一定的通用性和灵活性；

（4）有一定程度的智能，能够自主地完成一些操作。

机器人的分类

按照日本工业机器人学会（JIRA）的标准，可将机器人分为六类：

第一类：人工操作机器人。由操作员操作的多自由度装置；

第二类：固定顺序机器人。按预定的不变方法有步骤地依此执行任务的设备，其执行顺序难以修改；

第三类：可变顺序机器人。同第二类，但其顺序易于修改。

第四类：示教再现（playback）机器人。操作员引导机器人手动执行任务，记录下这些动作并由机器人以后再现执行，即机器人按照记录下的信息重复执行同样的动作。

第五类：数控机器人。操作员为机器人提供运动程序，并不是手动示教执行任务。

第六类：智能机器人。机器人具有感知外部环境的能力，即使其工作环境发生变化，也能够成功地完成任务。

美国机器人学会（RIA）只将以上第三类至第六类视做机器人。

我国的机器人专家从应用环境出发，将机器人分为两大类，即工业机器人和特种机器人。所谓工业机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。而特种机器人则是除工业机器人之外的、用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人。

机器人技术涉及的研究领域有：

1、传感器技术：得到与人类感觉机能相似的传感器技术；

2、人工智能计算机科学：得到与人类智能或控制机能相似能力的人工智能或计算机科学；

3、假肢技术；

4、工业机器人技术：把人类作业技能具体化的工业机器人技术；

5、移动机械技术：实现动物行走机能的行走技术；

6、生物功能：实现生物机能为目的的生物学技术

为了防止机器人伤害人类，科幻作家阿西莫夫于1940年提出了“机器人三原则”：

（1）机器人不应伤害人类；

（2）机器人应遵守人类的命令，与第一条违背的命令除外；

（3）机器人应能保护自己，与第一条相抵触者除外。

这是给机器人赋予的伦理性纲领。机器人学术界一直将这三原则作为机器人开发的准则。

1959年第一台工业机器人（采用可编程控制器、圆柱坐标机械手）在美国诞生，开创了机器人发展的新纪元。

机器人研究的基础内容

1、空间机构学

机器人机身和臂部机构的设计、机器人手部机构设计、机器人行走机构的设计、机器人关节部机构的设计。

2、机器人运动学

研究要涉及到组成这一系统的各杆件之间以及系统与对象之间的相互关系，为此需要一种有效的数学描述方法。

3、机器人静力学

静力学主要讨论机器人手部端点力与驱动器输入力矩的关系。

4、机器人动力学

动力学方程是指作用于机器人各机构的力或力矩与其位置、速度、加速度关系的方程式。

5、机器人控制技术

主要研究的内容有机器人控制方式和机器人控制策略。

6、机器人传感器

机器人的感觉主要通过传感器来实现。 外部传感器有视觉、触觉、听觉、力觉传感器，内部传感器主要有位置、姿态、速度、加速度传感器。

7、机器人语言

机器人语言分为通用计算机语言和专用机器人语言，

机器人的组成

1机械部分；

2传感器(一个或多个)；

3控制器；

4驱动源。

机器人的分类

按照机器人的控制类型分为：

(1)非伺服机器人；

(2)伺服控制机器人，又可分为点位伺服控制与连续轨迹伺服控制。

按机器人结构坐标系特点方式分类

(1)直角坐标机器人；

(2)圆柱坐标型机器人；

(3)极坐标机器人；

(4)多关节机器人。

机器人研究的基础内容

1、空间机构学

机器人机身和臂部机构的设计、机器人手部机构设计、机器人行走机构的设计、机器人关节部机构的设计。

2、机器人运动学

研究要涉及到组成这一系统的各杆件之间以及系统与对象之间的相互关系，为此需要一种有效的数学描述方法。

3、机器人静力学

静力学主要讨论机器人手部端点力与驱动器输入力矩的关系。

4、机器人动力学

动力学方程是指作用于机器人各机构的力或力矩与其位置、速度、加速度关系的方程式。

5、机器人控制技术

主要研究的内容有机器人控制方式和机器人控制策略。

6、机器人传感器

机器人的感觉主要通过传感器来实现。 外部传感器有视觉、触觉、听觉、力觉传感器，内部传感器主要有位置、姿态、速度、加速度传感器。

7、机器人语言

机器人语言分为通用计算机语言和专用机器人语言，

机器人的组成

1机械部分；

2传感器(一个或多个)；

3控制器；

4驱动源。

机器人的分类

按照机器人的控制类型分为：

(1)非伺服机器人；

(2)伺服控制机器人，又可分为点位伺服控制与连续轨迹伺服控制。

按机器人结构坐标系特点方式分类

(1)直角坐标机器人；

(2)圆柱坐标型机器人；

(3)极坐标机器人；

(4)多关节机器人。

机器人的主要技术参数

1．自由度2．工作空间3．工作速度4．工作载荷5．控制方式6．驱动方式7．精度、重复精度和分辨率

机器人机械结构的组成

1．手部

机器人为了进行作业，在手腕上配置了操作机构，有时也称为手爪或末端操作器．

2．手腕

联接手部和手臂的部分，主要作用是改变手部的空间方向和将作业载荷传递到手臂．

3．臂部

联接机身和手腕的部分，主要作用是改变手部的空间位置，满足机器人的作业空间，并将各种载荷传递到机座．

4．机身

机器人的基础部分，起支承作用．对固定式机器人，直接联接在地面基础上，对移动式机器人，则安装在移动机构上．

常用的机身结构：

１）升降回转型机身结构２）俯仰型机身结构３）直移型机身结构４）类人机器人机身结构

机器人机构的运动

1．手臂的运动

1.垂直移动2.径向移动3.回转运动

2．手腕的运动

(1)手腕旋转(2)手腕弯曲(3)手腕侧摆

手腕是联接手臂和手部的结构部件，它的主要作用是确定手部的作业方向。因此它具有独立的自由度，以满足机器人手部完成复杂的姿态。

要确定手部的作业方向，一般需要三个自由度，这三个回转方向为：

1）臂转 绕小臂轴线方向的旋转。

2）手转 使手部绕自身的轴线方向旋转。

3）腕摆 使手部相对于臂进行摆动。

机器人的手部是是最重要的执行机构，从功能和形态上看，它可分为工业机器人的手部和仿人机器人的手部。

常用的手部按其握持原理可以分为夹持类和吸附类两大类。

行走机构

行走机构是行走机器人的重要执行部件,它由驱动装置、传动机构、位置检测元件、传感器、电缆及管路等组成。它一方面支承机器人的机身、臂部和手部，另一方面还根据工作任务的要求，带动机器人实现在更广阔的空间内运动。

一般而言，行走机器人的行走机构主要有车轮式行走机构、履带式行走机构和足式行走机构，此外，还有不进式行走机构、蠕动式行走机构、混合式行走机构和蛇行式行走机构等，以适合于各种特别的场合。

履带式行走机构虽然可在高低不平的地面上运动，但它的适应性不够，行走时候晃动太大，在软地面上行驶运动效率低。

足式行走对崎岖路面具有很好的适应能力一，足式运动方式的立足点是离散的点，可以在可能到达的地面上选择最优的支撑点，而轮式和履带行走工具必须面临最坏的地形上的几乎所有点；足式运动方式还具有主动隔振能力，尽管地面高低不平，机身的运动仍然可以相当平稳；足式行走在不平地面和松软地面上的运动速度较高，能耗较少。

机器人关节的驱动方式：

１．液压驱动２．气动式３．电动式

自由度：物体能够对坐标系进行独立运动的数目称为自由度(DOF, degree of freedom)。

刚体具有6个自由度

三个旋转自由度 R1, R2, R3

三个平移自由度T1, T2, T3

研究的对象

机器人从机构形式上分为两种，一种是关节式串联机器人，另外一种是并联机器人。

这两种机器人有所不同：

串联机器人：工作空间大，灵活，刚度差，负载小，误差累积并放大。

并联机器人：刚性好，负载大，误差不积累，工作空间小，姿态范围不大。

通常串联机构正向运动学简单,逆向运动学复杂; 并联机构正向运动学复杂(多解),逆向运动学简单。

常见的机器人运动学问题可归纳如下：

1．对一给定的机器人，已知杆件几何参数和关节角矢量求机器人末端执行器相对于参考坐标系的位置和姿态。

2．已知机器人杆件的几何参数，给定机器人末端执行器相对于参考坐标系的期望位置和姿态 (位姿)，机器人能否使其末端执行器达到这个预期的位姿？如能达到，那么机器人有几种不同形态可满足同样的条件?

我们引入向量分别表示手爪位置和关节变量，

因此，利用上述两个向量来描述一下这个2自由度机器人的运动学问题。

手爪位置的各分量，按几何学可表示为：

坐标变换补充知识:

分别绕x,y,z轴的旋转变换(基本旋转变换);

复合变换：平移和旋转构成复合变换。

所谓机器人的规划(P1anning)，指的是——机器人根据自身的任务，求得完成这一任务的解决方案的过程。这里所说的任务，具有广义的概念，既可以指机器人要完成的某一具体任务，也可以是机器人的某个动作，比如手部或关节的某个规定的运动等。

为了实现每一个动作，需要对手部的运动轨迹进行必要的规定，这是手部轨迹规划(Hand trajectory planning )。

为了使手部实现预定的运动，就要知道各关节的运动规律，这是关节轨迹规划(Joint trajectory planning)。

最后才是关节的运动控制(Motion control)。

机器人的规划是分层次的，从高层的任务规划，动作规划到手部轨迹规划和关节轨迹规划，最后才是底层的控制。力的大小也是要控制的，这时，除了手部或关节的轨迹规划，还要进行手部和关节输出力的规划。

智能化程度越高，规划的层次越多，操作就越简单。

对工业机器人来说，高层的任务规划和动作规划一般是依赖人来完成的。而且一般的工业机器人也不具备力的反馈，所以，工业机器人通常只具有轨迹规划的和底层的控制功能。

机器人规划分为高层规划和低层规划。自动规划在机器人规划中称为高层规划。在无特别说明时，机器人规划都是指自动规划。自动规划是一种重要的问题求解技术，它从某个特定的问题状态出发，寻求一系列行为动作，并建立一个操作序列，直到求得目标状态为止。与一般问题求解相比，自动规划更注重于问题的求解过程，而不是求解结果。

规划就是指机器人为达到目标而需要的行动过程的描述。 规划内容可能没有次序，但是一般来说，规划具有某个规划目标的蕴含排序。

任务规划有三个阶段：建立模型、任务说明和操作机程序综合。任务的世界模型应含有如下的信息:(1)任务环境中的所有物体和机器人的几何描述；(2)所有物体的物理描述；(3)所有连接件的运动学描述，(4) 机器人和传感器特性的描述。在世界模型中，任务状态模型还必包括全部物体和连接件的布局。

轨迹规划的目的是——将操作人员输入的简单的任务描述变为详细的运动轨迹描述。

在关节变量空间的规划有三个优点：

1. 直接用运动时的受控变量规划轨迹； 2.轨迹规划可接近实时地进行；3. 关节轨迹易于规划。

伴随的缺点是难于确定运动中各杆件和手的位置，但是，为了避开轨迹上的障碍．常常又要求知道一些杆件和手位置。

规划关节插值轨迹的约束条件：

(初始位置）1. 位置(给定) 2．速度(给定，通常为零) 3. 加速度(给定，通常为零)（中间位置）4.提升点位置(给定) 5．提升点位置（与前一段轨迹连续） 6.速度（与前一段轨迹连续）7．加速度（与前一段轨迹连续）8.下放点位置(给定)9．下放点位置（与前一段轨迹连续）10. 速度（与前一段轨迹连续）11. 加速度（与前一段轨迹连续）

（终止位置）12. 位置(给定)13. 速度(给定，通常为零)14. 加速度(给定，通常为零)

在直角坐标空间内规划的方法主要有：线性函数插值法和圆弧插值法。

离线路径规划是基于环境先验完全信息的路径路径规划。完整的先验信息只能适用于静态环境，这种情况下，路径是离线规划的；在线路径规划是基于传感器信息的不确定环境的路径规划。在这种情况下，路径必须是在线规划的。

机器人在执行操作的同时用传感器不断感受周围工作环境及自身活动的情况，经过不断的感受、信息反馈、比较修正，保证了可靠地实现期望的操作。

传感器的作用：

1.是接受外界信息的必要途径；2.与微处理器联合工作(某些传感器本身就集成了微处理器)；3.构成反馈的必要环节。

机器人传感器的分类

机器人用传感器也可分为内部传感器和外部传感器。

内部传感器是用来确定机器人在其自身坐标系内的姿态位置的，如用来测量位移、速度、加速度和应力的通用型传感器。

而外部传感器则用于机器人本身相对其周围环境的定位。外部传感机构的使用使机器人能以柔性方式与其环境互相作用。负责检验诸如距离、接近程度和接触程度之类的变量，便于机器人的引导及物体的识别和处理。

(用途)：

内部传感器：检测机器人本身状态（关节位移,手臂间角度等）的传感器。 控制检测

外部传感器：检测机器人所处环境（是什么物体，离物体的距离有多远等）及状况（抓取的物体滑落等）的传感器。

外部传感器分为末端执行器传感器和环境传感器。

末端执行器传感器：主要装在作为末端执行器的手上，检测处理精巧作业的感觉信息。相当于触觉。

环境传感器：用于识别物体和检测物体与机器人的距离,定位,认知环境。相当于视觉。

机器人移动的目的：

①为实现“代替人”②搬运物体③适应环境，进行更多工作

环境整备领域内的移动机器人

1）移动环境在导轨上（1维） 轨道机器人

2）移动环境在道路上（2维） 无人驾驶搬运车

没有整备环境的移动机器人

1）自然环境

①陆上2、3维环境

②海上、海中环境

③空中、宇宙环境

2）人工制作的环境

①陆上建筑物内外环境（阶梯、、电梯、钢丝），间隙、沟、踏脚石

②海上、海中的混凝土建筑等

步行机器人的机构

目标ZMP和地面反作用力中心点的错位是造成失去平衡的主要原因。假若Honda机器人失去平衡有可能跌倒时:

地面反作用力控制：脚底要能够适应地面的不平整，同时还要能稳定的站住。

目标ZMP控制：当由于种种原因造成ASIMO无法站立，并开始倾倒的时候，需要控制他的上肢反方向运动来控制即将产生的摔跤，同时还要加快步速来平衡身体。

落脚点控制：当目标ZMP控制被激活的时候，ASIMO需要调节每步的间距来满足当时身体的位置，速度和步长之间的关系。

移动的检测：1.位置检测2.方位检测3.自立检测

引导方式

1）路径引导方式：路径给定,希望沿给定路径移动

2）自主引导方式： 自主规划路径,完成路径的巡航

通常要首先建立评价准则函数:障碍规避;任务目的;最短路径;最节省路径;多机器人协调工作等…