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智能技术和政策介绍

工业机器人原理

第一部分机器人的发展概况

     “机器人”一词的由来,1920年,捷克剧作家卡里洛·奇别克在其科幻剧本《罗萨姆万能机器人制造公司》(Rossum’s Universal Robots)首次使用了ROBOT这个名词,意思是人造的人。现在已被人们作为机器人的专用名词

第一代机器人


    19世纪50、60年代,随着机构理论和伺服理论的发展,机器人进入了实用阶段。1954年美国的G. C. Devol发表了“通用机器人”专利;1960年美国AMF公司生产了柱坐标型Versatran机器人,可进行点位和轨迹控制,这是世界上第一种应用于工业生产的机器人。

        70年代,随着计算机技术、现代控制技术、传感技术、人工智能技术的发展,机器人也得到了迅速的发展。1974年Cincinnati Milacron公司成功开发了多关节机器人;1979年,Unimation公司又推出了PUMA机器人,它是一种多关节、全电机驱动、多CPU二级控制的机器人,采用VAL专用语言,可配视觉、触觉、力觉传感器,在当时是技术最先进的工业机器人。现在的工业机器人在结构上大体都以此为基础。这一时期的机器人属于“示教再现”(Teach-in / Playback)型机器人,只具有记忆、存储能力,按相应程序重复作业,对周围环境基本没有感知与反馈控制能力。


第二代机器人


    进入80年代,随着传感技术,包括视觉传感器、非视觉传感器(力觉、触觉、接近觉等)以及信息处理技术的发展,出现了第二代机器人——有感觉的机器人。它能够获得作业环境和作业对象的部分相关信息,进行一定的实时处理,引导机器人进行作业。第二代机器人已进入了使用化,在工业生产中得到了广泛应用。


第三代机器人


   目前正在研究的“智能机器人”,它不仅具有比第二代机器人更加完善的环境感知能力,而且还具有逻辑思维、判断和决策能力,可根据作业要求与环境信息自主地进行工作。


第二部分—机器人的定义

*美国机器人协会(RIA):机器人是一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置,通过程序动作来执行各种任务,并具有编程能力的多功能操作机。可见,这里的机器人是指工业机器人。*

日本工业机器人协会(JIRA):工业机器人是一种装备有记忆装置和末端执行装置的、能够完成各种移动来代替人类劳动的通用机器。*

国际标准化组织(ISO):机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能操作机,这种操作机具有几个轴,能够借助可编程操作来处理各类材料、零件、工具和专用装置,以执行各种任务。

机器人集中了机械工程、电子技术、计算机技术、自动控制原理以及人工智能等多学科的最新研究成果,代表了机电一体化的最高成就,是当代科学技术发展最活跃的领域之一。工程技术人员了解和学习机器人学具有重要的意义。


第三部分—机器人系统的基本结构

1.机械本体:机器人的机械本体机构基本上分为两大类,一类是操作本体机构,它类似人的手臂和手腕,另一类为移动型本体结构,主要实现移动功能。
 2.驱动伺服单元:伺服单元的作用是使驱动单元驱动关节并带动负载按预定的轨迹运动。已广泛采用的驱动方式有:液压伺服驱动、电机伺服驱动,气动伺服驱动。

3.计算机控制系统:各关节伺服驱动的指令值由主计算机计算后,在各采样周期给出。机器人通常采用主计算机与关节驱动伺服计算机两级计算机控制。

4.传感系统:除了关节伺服驱动系统的位置传感器(称作内部传感器)外,还配备视觉、力觉、触觉、接近觉等多种类型的传感器(称作外部传感器)。

5.输入/输出系统接口:为了与周边系统及相应操作进行联系与应答,还应有各种通讯接口和人机通信装置。


第四部分—机器人的技术参数

?自由度:机器人所具有的独立运动坐标轴的数目,有时海包括手爪(末端操作器)的开合自由度。在三维空间中描述一个物体的位姿(位置和姿态)需要6个自由度。工业机器人的自由度是根据其用途而设计的,可能小于6个自由度,也可能大于6个自由度。例如,A4020装配机器人具有4个自由度,可以在印刷电路板上接插电子器件,PUMA562机器人具有6个自由度,可以进行复杂空间曲面的弧焊作业。

?精度:包括定位精度和重复定位精度。定位精度是指机器人手部实际到达位置与目标位置之间的差异。重复定位精度是指机器人手部重复定位于同一目标位置的能力(用标准偏差表示)。

?工作空间:机器人手臂末端或手腕中心所能达到的所有点的集合(包括形状和大小)。

?最大工作速度:指工业机器人主要自由度上最大的稳定速度,或手臂末端的最大合成速度。

?承载能力:指机器人在工作范围内的任何位姿上所能承受的最大重量。承载能力不仅不仅决定于负载的质量,还与机器人运行的速度和加速度有关。


第五部分—机器人运动学

运动学正问题:已知机器人各杆件的几何参数和关节变量,求末端执行器相对于笛卡儿坐标系的位置和姿态。

运动学逆问题:已知机器人各杆件的几何参数,给定末端执行器相对于笛卡儿坐标系的位置和姿态,确定关节变量的大小。

一个刚体在三维空间中具有6个自由度,即3个移动自由度和3个转动自由度。

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雅可比矩阵在机器人技术中占有重要地位:利用雅可比矩阵可以建立机器人末端执行器在笛卡儿坐标系中的速度与各关节速度间的关系,以及外界环境对末端执行器的作用力/力矩与各关节力/力矩间的关系。

对于n自由度的机器人,其关节变量为image.png ,机器人末端执行器在笛卡儿坐标系中的位置image.pngimage.png求导可得

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雅可比矩阵的应用之一:分离速度控制

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当n≠6时,J不是方阵,雅可比矩阵的逆用其伪逆image.png

当采用计算机控制时,把速度表示为位置增量的形式image.png

当要求机器人沿某轨迹运动时,△P为已知,由上式求得关节变量的增量△Q,于是可以确定各关节的变量值,由伺服系统实现位置控制。

雅可比矩阵的应用之二:静力学分析

机器人末端执行器与外界环境的接触力为image.png n个关节的驱动力为image.png 

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第六部分—机器人动力学

机器人动力学是研究机器人各关节的驱动力/力矩与机器人末端执行器的位姿、速度和加速度之间的动态关系。由于机器人的复杂性,其动力学模型通常是一个多自由度、多变量、高度非线性、多参数耦合的复杂系统。建立机器人动力学模型的方法主要有拉格朗日法和牛顿-欧拉法。

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第七部分—机器人的控制—轨迹控制

运动控制”控制律简单,易于实现。但难以保证机器人具有良好的动态和静态品质,主要应用于定点控制。

“动态控制”可使机器人具有良好的动态和静态品质,但需要在线进行机器人动力学计算,主要应用于轨迹跟踪控制。

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