Tag标签
  • 传统
  • 图文
  • 卡片
全部文章

机械人-第1章

机械顺从性

  

机械人-第1章

  教材: ? 机器人学导论(原书第3版), [美]John J. Craig著,贠超 等译. 书名原文: Introduction to Robotics: Mechanics and Control. ? 蔡自兴. 《机器人学》,清华大学出版社。 参考资料: ? 机器人学导论——分析、系统及应用, [美]Saeed B.Niku著, 孙福春等译. 书名原文: Introduction to Robotics: Analysis, Systems, Applications. ? 谭民,徐德等,《先进机器人控制》,高等教育出版社。 ? 比较知名的刊登机器人方面研究成果的期刊:《Advanced Robotics》, 《Autonomous Robots》, 《Journal of Robotic System》,《机器 人》,《自动化学报》,《机器人技术与应用》,《控制理论与应 用》。 ? MATLAB的Robotics工具箱(by Peter I. Corke): 上课形式: 讲授20学时、实验12学时 考核: 仿真作业,实验报告,课程论文(综述) 第1章 绪论 机器人的由来(1/2) ? 西周时代(公元前1066年~ 前771年),就流传巧匠偃师献给 周穆王一个歌舞机器人(艺伎)的故事。 ? 公元2012年,央视春晚,机器人舞蹈。 ? 东汉时期(公元25年~220年)的张衡发明的指南车是世界上 最早的机器人雏形 机器人的由来(2/2) ? 1768-1774,瑞士钟表匠制作的木偶机器人,自动书写、自动 演奏 ? 1893年,加拿大摩尔设计的能行走的机器人“安德罗丁”,以 蒸汽为动力。 ? 1920年,捷克剧作家Karel Capek首次提出Robota一词 ? 1950美国科幻作家Assimov,在《我是机器人》中,提出机器人 三守则: 一.机器人不得伤害人,也不得见人受到伤害而袖手旁观 二.机器人应服从人的一切命令,但不得违反第一定律 三.机器人应保护自身的安全,但不得违反第一、第二定律 ? 1954年美国人设计了第一台电子可编程机器人 ? 1962年美国万能自动化(Unimation)公司的全球第一台机器人 Unimate,在美国通用(GM)公司使用,标志着第一代机器人 的诞生。 机器人的发展现状(1/3) 北美工业机器人的装 运量(单位:百万美 元) 各种用途工业机器人的年 安装量 机器人的发展现状(2/3) 20世纪90年代即机器人价 格与人力成本的比较 中国: 1. 2011年7月29日,身为鸿海精密工业股份有限公司(Hon Hai Precision Industry Co.,母公司鸿海科技集团,内地习惯称为“富士 康”)董事长兼总裁,郭台铭携妻子在深圳参加公司万人晚会,情绪甚高 的他口无遮拦,透露富士康将增加生产线上的机器人数量以完成简单重复 的工作:明年达30万台,3年后机器人规模达100万台。 (摘自新浪财 经,2012) 2. 新京报讯 (2013-2-21, 记者林其玲),往年春节过后富士康都会展开 大规模劳工招聘,昨天富士康大陆地区新闻发言人刘坤透露,今年春节后, 富士康在全国范围内暂停招工。据记者了解,富士康将加快机器人应用。 机器人的发展现状(3/3) 2015年1月6日,工信部国际经济技术合作中心主任龚晓峰做客中 国经济网《经济热点面对面》时指出,我国的机器人产业市场 近两年来发展迅猛,2013年共销售3.7万台工业机器人,同比 增长60%,预计2014年销售5万台,已成为全球最大的市场。 龚晓峰说,工信部制定了相关规划,并在近两年间对全国情况进 行摸底和调查,在接下来编制“十三五”规划中,将结合智能 制造整个大环境,以及从制造大国向制造强国转变的使命来制 定相关政策,营造相关环境。 目前我国和机器人产业相关的公司有400多家,以中小企业为主, 最大的公司产值大概在十几亿元左右。 机器人的定义(1/2) 英国牛津字典: 貌似人的自动机,具有智力和顺从于人但不具有人格的机器。 (到目前为止,还没有与人类相似的机器人,理想的机器人) 美国机器人协会(RIA-Robot Institute of America): 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 序动作来执行各种任务,并具有编程能力的多功能机械手。 (不全面,指工业机器人) 日本工业机器人协会(JIRA-Japanese Indrustrial Robot Association): 一种装备有记忆装置和末端执行器的,能够转动并通过自动完成 各种移动来代替人类劳动的通用机器。(包括工业机器人和智 能机器人) 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。(与 RIA的类似) 机器人的定义(2/2) 中国: 一种拟人功能的机械电子装置。 共同属性: 1)像人或人的一部分,并模仿人的动作 2)具有智能或感觉与识别能力 3)是人制造的机器或机械电子装置 机器人分类 按执行机构的动力方式来划分: ?电气驱动 ?液压驱动 ?气动 ?其他:压电陶瓷、形状记忆合金、磁致伸缩驱动器等 按智能程度来划分: ?一般机器人:只具有一般编程能力和操作功能。 ?智能机器人:具有不同程度的智能,如可进行人-机对话、可无需 人的干预下的自主执行任务。 按移动性来划分: ?固定式机器人:整台机器人(或机械臂)不能移动,只能移动各个 关节 ?移动机器人:轮式、履带式、步行(单足、双足、四足、六足和八 足) 按用途分 工业机器人 服务机器人 水下机器人 军用机器人 农业机器人 特种机器人 机器人化机器 仿人形机器人 娱乐机器人 空间机器人 微机器人 医用机器人 机器人 本课程的对象是工业机器人(机械臂、机械手) ? 按坐标形式分类 :笛卡尔坐标结构、圆柱面坐标结构、极坐标 结构、球面坐标结构和关节式球面坐标(铰接型)结构 笛卡尔坐标 (直角坐标) 球面坐标 圆柱面坐标 关节式球面坐标 (链式坐标) 平面坐标 按控制类型来划分: ? 点位控制(非伺服控制):按照预先编好的程序顺序进行 工作,使用终端限位开关、制动器、插销板和定序器来控 制机械臂的运动。可靠性强、能力较弱。 ? 连续控制(伺服控制):被控制量(输出)可为机械臂终 端执行装置(或工具)的位置、速度、加速度和力等。能 力较强,可靠性低一点。 机器人技术的发展方向 ? 智能化 –高性能的传感器,驱动器和执行器的研究 –解决机器人在特殊领域的逻辑推理、思维和自主决策能力 –解决人和机器的协调共处 –让机器人具有情感 ? ? ? ? ? 模块化 多机化 家庭化 极限化 微型化 部件构造上的标准化 多机协调作业 太空、深海、火山 课程内容(讲授部分): 机器人的空间描述与变换(第2章) 机器人运动学(第3章) 机器人逆运动学(第4章) 机器人速度(第5章) 机械臂动力学 (第6章) 机器人运动规划 (第7章) 机械臂的机械设计 (第8章) 机械臂的线章) 机械臂的非线章) 课程内容(实验部分): 机器人编程语言及编程系统 (第12章) 位姿描述(第2章) 我们关心的是机械臂的杆件、零部件、抓持工具和操作空间内的 其他物体的位置和姿态。 一般先将一个空间坐标系固连于物体上,然后选一个作为参考坐 标系,以此研究空间物体的位置和姿态。 任一坐标系都能用作参考坐标系,要研究同一物体在不同坐标系 中空间位姿的描述方法和数学计算方法。 机械臂正运动学(第3章) 运动学:研究物体的运动,不考虑引起这种运动的力。包括位置、速 度、加速度等,即运动的全部几何和时间特性。 几乎所有的机械臂都是有刚性连杆组成,相邻连杆间由关节连接。关 节通常有传感器来测量关节角(转动关节)或关节偏距(移动关节) 自由度: 指一个点或一个物体运动的方式,或一个动态系统的变化方式。每个 自由度可表示一个独立的变量,而利用所有的自由度,就可完全规 定所研究的一个物体或一个系统的姿态。 1)刚体的自由度 任何空间刚体具有6个自由度, 即可任意运动。3平移、3旋转 2)机器人的自由度 操作臂中具有独立位置变量的 3自由度 5自由度 数目,这些位置变量确定了机 构中所有部件的位置。 机器人靠末端执行器工作,末端执行器具有6个自由度即可保证其灵活 运动。3个位置、3个姿态自由度。 注意关键词:独立 对于机械机构,不一定有多少个部件就有多少个自由度,如四连杆 铰链有三个可移动的连杆,但机构只有一个自由度。 典型的工业机器人是一种开放的运动链,每个关节位置通常是一个 独立的变量,所以关节的个数等于自由度的数目。 4个自由度,若要空间内 在任何方向上定向,需另 外2个自由度 5个自由度(2个冗余自 由度) 工具坐标系:附着在末端执行器上。 基坐标系:与机械臂固定底座相连。 机械臂正运动学:给定一组关节角的值,计算工具坐标系相对于 基坐标系的位置和姿态,如图。称为从关节空间到笛卡儿空间 描述的机械臂位置表示。 笛卡儿坐标系中,三个变量描述空间一点的位置,另外三个变量 描述物体的姿态。也称任务空间或操作空间。 机械臂逆运动学(第4章) 问题:给定机械臂末端执行器的位置和姿态,计算所有可达给定 位置和姿态的关节角,如图。 即“定位”映射问题:将机械臂末端的位姿从三维笛卡儿空间向 内部关节空间的映射。 困难:运动学方程是非线性的,很 难得到封闭解,有时甚至无解,还 会有多解问题。 运动学方程解的存在与否限定了操 作臂的工作空间,无解表示目标点 处于工作空间之外,因此机械臂不 能达到这个期望位姿。 机械臂的速度、静力和奇异性(第5章) 分析机械臂的运动问题 雅可比矩阵:从关节空间速度向笛卡儿空间速度的映射。 会随着机械臂位形的变化而变化。 在奇异点,雅可比矩阵不可逆。 例子:机枪需跟踪飞机 两个自由度:方位角、仰角 A=15?,E=25?,容易被击落。 A=15?,E=70?,仰角增大, 飞过正上方,容易逃脱。 机枪竖直向上或接近这种 方位时,工作越来越不理 想:目标越接近正上方, 需要越大的速度绕方位轴 转动。正上方,无穷大的 转动速度。 机构奇异性:原来有两个自由度来确定机枪的方位,机枪竖直向 上时,机枪的方向与方位角转轴共线,此时方位角转动改变不 了机枪的方向,即其中一个转动关节失效了,就像只有一个自 由度(仅有仰角)。即机构局部退化。 机构奇异性不影响机械臂在工作空间内的定位,但在奇异点附近 运动时会出现一些问题。 一般来说,奇异点不可预测,汽车厂的机械臂有保护网。 机械臂动力学(第6章) 为了使机械臂从静止开始加速,使末端执行器以恒定的速度作直 线运动,最后减速停止,必须通过关节驱动器(电机、气缸、 液压缸、人工肌肉等)产生一组复杂的力矩函数来实现。 力矩函数取决于路径的空间形式和瞬时特性、连杆和负载的质量 特性以及关节摩擦等因素。 动力学方程的第一个用途: 求解这些关节力矩函数。 动力学方程的第二个用途: 计算加速度,对机械臂的运动 进行仿真,如图。 机械臂轨迹生成(第7章) 一点运动到另一点,各关节同时开始和停止运动,机械臂的运动 才显得协调。 通常方法是,每个关节按照指定的时间连续函数来运动。 轨迹生成:如何计算这些运动函数。如图 中间点:位于初始位置和期望 位置之间的过渡点。 期望机械臂的运动是平滑的。 为了使末端执行器在笛卡儿空 间走出一定轨迹,必须将其转 化为一系列的等效的关节运动。 机械臂设计与传感器(第8章) 机械臂是多用途的装置,但经济上考虑,应该有预期执行的任务 来决定其设计。 考虑:几何尺寸、速度、承载能力、关节数量、关节分布、驱动 器的选择、传动系统、传感器等,如图,这些会影响工作空间 的大小和性质、结构的刚度等。 专用机器人:为特定任务设计。 根据任务考虑关节数目:如,电路 板装配电器元件的专用机器人,仅 需四个关节,三个用于定位,第四 个可以使被抓取得元件绕垂直轴旋转。 通用机器人:能够完成各种任务。 “合适的”最小关节数量是六个。 机械臂线章) 在位置控制问题上,仅依靠动力学本身来计算产生期望运动的力 矩不能解决问题,是一种开环的控制。 要考虑自动补偿由于系统参数引起的误差,以及抑制引起系统偏 离期望轨迹的扰动。为此,通过闭环控制算法对位置和速度传 感器进行检测,以计算出驱动器的力矩指令,如图。 可对机械臂的动力学进行近似线性化。 机械臂非线章) 一个倒立摆或一个单连杆机械臂的模型,如图: 非线性控制技术比简单的线性控制方法具有更好的性能。 机械臂编程语言及编程系统(第12章) 机器人编程语言是用户和工业机器人交互的接口。 机器人机械臂与专用的自动化装置不同的是它们具有“柔性”, 即可编程。还能与其他的工厂自动化装备进行通信,在执行任 务的过程中还能适应各种变化。 对机器人编程语言的要求: 1.能够建立世界模型,如坐标系 2.能够描述机器人的作业,如给出作业顺序 3.能够描述机器人的运动,如VAL中,move goal1 4.允许用户规定执行流程,如循环、转移、中断等 5.要有良好的编程环境 6.需要人机接口和综合传感信号 作业: 下载、了解Robotics工具箱

  机器人-第1章_电子/电路_工程科技_专业资料。机器人机器人机器人机器人机器人机器人机器人机器人

上一篇:

下一篇:

本站文章于2019-10-06 08:07,互联网采集,如有侵权请发邮件联系我们,我们在第一时间删除。 转载请注明:机械人-第1章 机械顺从性