机器人导论知识点总结

机器人导论知识点总结

第1章 概论

第一节 机器人的基本概念

1、机器人名称的由来

机器人的英文名词是Robot，Robot一词最早出现在1920年捷克作家卡雷尔·恰佩克（Karel Capek）所写的一个剧本中，这个 剧本的名字为《Rossum’s Universal Robots》，中文意思是罗萨姆的万能机器人。剧中的人造劳动者取名为Robota，捷克语的意思是“苦力”、“奴 隶”。英语的Robot一词就是由此而来的，以后世界各国都用Robot作为机器人的代名词。

2、机器人的定义

• 机器人的定义没有一个统一的意见
• 原因之一是机器人还在发展，新的机型，新的功能不断涌现
• 涉及到了人的概念，成为一个难以回答的哲学问题
• 有关代表性机器人定义：
  • （1）、美国机器人协会(RIA)的定义：机器人是一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置的，通过可编程序动作来执行种种任务的，并具有编程能力的多功能机械手 (manipulator)。
  • （2）、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。
  • （3）、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。一种广义的工业机器人定义。
  • （4）、英国简明牛津字典的定义：机器人是貌似人的自动机，具有智力的和顺从于人但不具人格的机器。一种理想的描述。
  • （5）、我国科学家对机器人的定义是：“机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。”

3、机器人的主要特点

四大特征：

1. 仿生特征：机器人的动作机构具有类似于人或其他生物体某些器官 ( 如肢体、感官等 ) 的功能；
2. 柔性特征：机器人具有通用性，工作种类多样，动作程序灵活易变，是柔性加工主要组成部分；
3. 智能特征：机器人具有不同程度的智能，如记忆、感知、推理、决策、学习等；
4. 自动特征：机器人具有独立性，完整的机器人系统，在工作中可以一定程度上不依赖于人的干预。

机器人是包括“机器”和“人”两部分的智能体

• “机器”是指根据不同的应用需求，设计不同的构型；“人”是指类人的感知、规划、执行。

第二节 机器人的发展历程

1. 古代“机器人”——现代机器人的雏形

• 3000多年历史
  • 西周时期，偃师研制出的歌舞艺人，是我国最早记载的机器人。
  • 春秋后期，鲁班制造过一只木鸟。
  • 公元前2世纪，古希腊人戴达罗斯发明了最原始的机器人──太罗斯，它是以水、空气和蒸汽压力为动力的会动的青铜雕像。
  • 1800年前的汉代，大科学家张衡不仅发明了地动仪，而且发明了计里鼓车。
  • 后汉三国时期，诸葛亮成功地创造出了“木牛流马”。
  • 1662年，日本的竹田近江利用钟表技术发明了自动机器玩偶。
  • 1738年，法国天才技师雅克·德·瓦逊发明了一只机器鸭。
  • 1773年，著名的瑞士钟表匠杰克·道罗斯和他的儿子利·路易·道罗斯制造出自动书写玩偶、自动演奏玩偶等，他们创造的自动玩偶是利用齿轮和发条原理而制成的。

2. 现代机器人的发展历史

• 1954年,美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念, 并申请了专利。该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节,利用人手对机器人进行动作示教, 机器人能实现动作的记录和再现。这就是所谓的示教再现机器人, 现有的机器人差不多都采用这种控制方式。
• 1958年, 被誉为“工业机器人之父”的Joseph F. Engel Berger 创建了世界上第一个机器人公司——Unimation(Universal Automation)公司, 并参与设计了第一台Unimate 机器人。

3、机器人未来的发展趋势

• 语言交流功能越来越完美
• 各种动作的完美化
• 外形越来越酷似人类
• 逻辑分析能力越来越强
• 具备越来越多样化功能

第三节 机器人的分类

• 按照应用类型分类
  • 工业机器人：
    • 弧焊机器人
    • 喷漆机器人
  • 特种机器人（极限作业机器人）：
    • 空中无人飞行器
    • 水下机器人—蛟龙号
    • 空间机器人：月球车、火星车
  • 服务型机器人
• 按照控制方式分类
  • 操作机器人：由主、从机械手两部分组成，可实现远距离操作的机器人。人手操纵的部分称为主动机械手，而从动机械手基本上与主动机械手类似，只是从动机械手要比主动机械手大一些，作业时的力量也更大。
  • 程序机器人：程序机器人按预先给定的程序、条件、位置进行作业, 目前大部分机器人都采用这种控制方式工作。
  • 示教再现机器人：示教再现机器人同盒式磁带的录放一样, 将所教的操作过程自动记录在磁盘、磁带等存储器中, 当需要再现操作时, 可重复所教过的动作过程。示教方法有手把手示教、有线示教和无线示教。
  • 智能机器人：智能机器人不仅可以进行预先设定的动作, 还可以按照工作环境的变化改变动作。
  • 综合机器人：综合机器人是由操作机器人、 示教再现机器人、 智能机器人组合而成的机器人, 如火星机器人。
• 按照坐标形式分类
  • 直角坐标型（直角坐标／笛卡儿坐标／台架型(3P)）
    • 机器人由3个线性关节组成,这3个关节用来确定末端操作器的位置,通常还带有附加的旋转关节，用来确定末端操作器的姿态。
    • 机器人在x、y、z轴上的运动是独立的,运动方程可独立处理, 且方程是线性的, 因此很容易通过计算机控制实现;
    • 可以两端支撑, 对于给定的结构长度, 刚性最大; 它的精度和位置分辨率不随工作场合而变化, 容易达到高精度。
    • 操作范围小, 手臂收缩的同时又向相反的方向伸出,既妨碍工作,又占地面积大,运动速度低,密封性不好。
  • 圆柱坐标型(R2P)
    • 圆柱坐标机器人由两个滑动关节和一个旋转关节来确定部件的位置, 再附加一个旋转关节来确定部件的姿态。
    • 这种机器人可以绕中心轴旋转一个角,工作范围可以扩大,且计算简单;
    • 直线部分可采用液压驱动,可输出较大的动力;
    • 能够伸入型腔式机器内部。但是，它的手臂可以到达的空间受到限制, 不能到达近立柱或近地面的空间;
    • 直线驱动部分难以密封、防尘;
    • 后臂工作时, 手臂后端会碰到工作范围内的其它物体。
  • 球坐标型(2RP)
    • 球坐标机器人采用球坐标系, 它用一个滑动关节和两个旋转关节来确定部件的位置, 再用一个附加的旋转关节确定部件的姿态。
    • 这种机器人可以绕中心轴旋转, 中心支架附近的工作范围大,两个转动驱动装置容易密封, 覆盖工作空间较大。
    • 但该坐标复杂, 难于控制, 且直线驱动装置仍存在密封及工作死区的问题。
    • 球坐标机器人的工作范围呈球缺状。
  • 关节坐标型
    • 关节机器人的关节全都是旋转的, 类似于人的手臂, 是工业机器人中最常见的结构。
  • 平面关节型
    • 这种机器人可看做是关节坐标式机器人的特例, 它只有平行的肩关节和肘关节,关节轴线共面。
    • 如SCARA机器人有两个并联的旋转关节,可以使机器人在水平面上运动, 此外, 再用一个附加的滑动关节做垂直运动。
    • SCARA机器人常用于装配作业, 最显著的特点是它们在x-y平面上的运动具有较大的柔性, 而沿z轴具有很强的刚性, 所以, 它具有选择性的柔性。这种机器人在装配作业中获得了较好的应用。
• 按照承载能力分类，根据提取重力的不同，可将机器人分为：
  • 微型机器人，提取重力在10N以下；
  • 小型机器人，提取重力为10-50N；
  • 中型机器人，提取重力为50-300N；
  • 大型机器人，提取重力为300-500N；
  • 重型机器人，提取重力在500N以上。
  • 目前实际应用机器人一般为中、小型机器人。

第四节 机器人技术参数

工业机器人的基本组成

工业机器人由3大部分6个子系统组成：

• 3大部分是机械部分、传感部分和控制部分。
• 6个子系统是驱动系统、机械结构系统、感受系统、机器人-环境交互系统、人机交互系统和控制系统。
  • 驱动系统：驱动系统是按照控制系统发出的控制指令将信号放大，驱动执行机构运动的传动装置。
    • 常用的有电气、液压、气动和机械等四种驱动方式。
    • 有些机器人采用这些驱动方式的组合。
  • 机械结构系统：由基座、手臂、末端执行器三大件组成，每一大件都有若干自由度, 构成一个多自由度的机械系统。
  • 控制系统：是机器人的大脑，支配着机器人按规定的程序运动，并记忆人们给予的指令信息(如动作顺序、运动轨迹、运动速度等)，同时按其控制系统的信息控制执行机构按规定要求动作。
  • 感受系统：由内部传感器模块和外部传感器模块组成, 用以获取内部和外部环境状态中有意义的信息。
  • 机器人-环境交互系统：实现工业机器人与外部环境中的设备相互联系和协调的系统。
  • 人机交互系统：人机交互系统是使操作人员参与机器人控制并与机器人进行联系的装置，分为指令给定装置和信息显示装置。

工业机器人的技术参数

工业机器人的技术参数是各工业机器人制造商在产品供货时所提供的技术数据。 尽管各厂商提供的技术参数不完全一样, 工业机器人的结构、用途等有所不同, 且用户的要求也不同, 但工业机器人的主要技术参数一般应有自由度、重复定位精度、工作范围、最大工作速度和承载能力等。

第2章 机器人本体结构设计

第一节：工业机器人的总体设计

1、总体设计的步骤

• 系统分析
• 技术设计
• 仿真分析

2、主体结构设计

主体结构设计的关键是选择由连杆件和运动副组成的坐标形式

• 直角坐标机器人。主体结构有三个自由度，全为伸缩。
• 圆柱坐标机器人。主体结构有三个自由度，腰转、升降、伸缩。
• 球面坐标机器人。主体结构有三个自由度，转动、转动和伸缩。
• 关节坐标机器人。主体结构有三个自由度，全为转动。

3、传动方式选择

• 选择驱动源和传动装置与关节部件的连接、驱动方式
• 工业机器人的传动形式
  • 直接连接传动
  • 远距离连接传动
  • 间接传动
  • 直接驱动

4、模块化结构设计

模块化工业机器人。由一些标准化、系列化的模块件通过具有特殊功能的结合部用积木拼搭方式组成的工业机器人系统。

• 经济性
• 灵活性

模块化工业机器人所存在的问题：

• 刚度比较差
• 整体重量有可能增加
• 尚未真正做到根据作业对象就可以合理进行模块化分析和设计。

5、材料选择

材料选择基本要求

• 强度高
• 弹性模量大
• 重量轻
• 阻尼大
• 经济性好

机器人常用材料

• 碳素结构钢、合金结构钢
• 铝、铝合金及其它轻合金材料
• 纤维增强合金
• 陶瓷
• 纤维增强复合材料
• 粘弹性大阻尼材料

6、平衡系统设计

采用平衡系统的理由是：

• 安全
• 借助平衡系统能降低因机器人构形变化而导致重力引起关节驱动力矩变化的峰值。
• 借助平衡系统能降低因机器人运动而导致惯性力矩引起关节驱动力矩变化的峰值。
• 借助平衡系统能减少动力学方程中内部耦合项和非线性项，改进机器人动力特性。
• 借助平衡系统能减小机械臂结构柔性所引起的不良影响。
• 借助平衡系统能使机器人运行稳定，降低地面安装要求。

平衡系统设计的主要途径：

• 质量平衡技术；
• 弹簧力平衡技术；
• 可控力平衡技术。

第二节：工业机器人的驱动与传动

1、机器人驱动机构

• 直线驱动机构
  • 齿轮齿条装置
  • 普通丝杠
  • 滚珠丝杠
  • 液压驱动（直接平移）
  • 气压驱动（直接平移）
• 旋转驱动机构
  • 齿轮链
  • 同步皮带
  • 谐波齿轮

2、传动部件的设计

关节(如转动关节与移动关节)

• 转动关节：转动关节由回转轴、轴承和驱动机构组成。
  • 转动关节的形式
  • 轴承
• 移动关节：移动关节由直线运动机构和在整个运动范围内起直线导向作用的直线导轨部分组成。
  • 导轨部分分为滑动导轨、滚动导轨、静压导轨和磁悬浮导轨等形式。
  • 一般采用结构紧凑且价格低廉的滚动导轨。
  • 滚动导轨可以按直线导轨的种类、轨道形状和滚动体分为:
    • 按滚动体分类——球、圆柱滚子和滚针。
    • 按轨道分类——圆轴式、平面式和滚道式。
    • 按滚动体是否循环分类——循环式、非循环式。

传动件的定位和消隙

• 传动件的定位
  • 电气开关定位