有关机器人的基础知识

有关机器人的基础知识

综合知识2009-10-11 23:17:59 阅读703 评论0 字号：大中小订阅

第1章基础知识

1.1 引言

人们从一开始制作物品时，就有用各种方式制作机器人的想法，也许大家见到过有能工巧匠制作的能够模仿人类动作行为的机器，典型的例子是：在威尼斯的能准时敲响大钟的雕像和能重复运动的玩具。好莱坞的电影将这一愿望提升到了一个新的高度，他们制作的机器人其表演效果甚至超过真人。

尽管从原理上类人机器人是机器人，并具有与机器人相同的设计与控制原理，但本书主要研究工业用机械手型机器人。本书包含了一些研究机器人所必须的基础知识，提出了机器人力学（包括运动学和动力学）的分析方法，讨论了驱动器、传感器、视觉系统等用于机器人的基础部件。

机器人是当今工业的重要组成部分，他们能够精确地执行各种各样的人物和操作，并且无需人们工作时所需的安全措施和舒适的工作条件。然而，要使机器人很好的工作需要付出很大的努力和代价。在20世纪80年代中期从事机器人制造的公司现在大都已不复存在，只有一些生产工业机器人的公司（如Adept机器人公司，Staubli机器人公司，Fanuc机器人公司，北美公司等）尚在市场上保留一席之地。由于目前的机器人尚无法满足人们的较高期望，因此早期对机器人在工业中的使用预测一直未能实现。结果是，尽管有成千上万的机器人用于工业生产，但他们并没有在总体上替代操作工人，机器人只能用在适合使用他们的一些地方。相对于人类，机器人并非万能，他们某些工作能做，另外有些工作却不能做。如果按照期望的用途合理设计机器人，他们就会具有多种用途并经久不衰。

机器人学科覆盖许多不同领域。单独的机器人只有与其它装置，周边设备以及其他生产机械配合使用才能有效地发挥作用。他们通常集成为一个系统，该系统作为一个整体来完成任务或执行操作。本课也将讨论这些与机器人配合使用的外围设备及系统。

1.2 什么是机器人

图1.1 机器人与起重机的操作方法和设计方法非常类似。然而，起重机由操作人员来控制，而机器人由计算机控制。因此，通过简单修改计算机程序就可以使机器人实现不同的功能。（a）Kuhnezug车载起重机；(b)Fanuc S-500机器人在卡车上执行焊缝任务

如果将常规的机器人操作手与挂在多用车或牵引车上的起重机进行比较，可发现两者非常相似：它们都具有许多连杆，这些连杆通过关节依次连接，这些连杆由驱动器驱动（电机）。在上述两个系统中，操作机的“手”都能在空中运动，达到工作空间的任何位置，他们都能承载一定的负荷，并都用一个中央控制器控制驱动器。然而，它们一个称为机器人，另一个称为操作机（也就是起重机），两者最根本的不同是起重机是由人来控制驱动器，机器人操作手是由计算机编程控制。正是通过这一点可以区别一台设备到底是简单的操作机还是机器人。通常机器人设计成由计算机来控制，机器人的动作受计算机监控的控制器所控制，该控制器本身也运行某种类型的程序。程序改变，机器人的动作就会相应改变。我们希望一台设备能灵活地完成各种不同的工作而无需重新设计硬件装置。为此，机器人须设计成可以重复编程，通过改变程序来执行不同的任务（当然在能力限制范围以内）。简单的操作机（或者说起重机）除非一直由操作人员操作，否则无法做到这一点。

目前各国关于机器人的定义都各不相同。在美国标准中，只有易于再编程的装置才认为是机器人。因此，手动装置（比如一个多自由度的需要操作员来驱动的装置）或固定顺序机器人（例如有些装置由强制起停控制驱动器控制，其顺序是固定的并且很难更改）都不认为是机器人。

1.3 机器人的分类

按照日本工业机器人学会(JIRA)的标准，可将机器人进行如下分类：

l 第1类:人工操作装置——由操作员操作的多自由度装置。

l 第2类:固定顺序机器人——按预定的不变方法有步骤地依次执行任务的设备，其执行顺序难以修改。

l 第3类:可变顺序机器人——同第2类，但其顺序易于修改。

l 第4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。

l 第5类:数控机器人——操作员为机器人提供运动程序，而不是手动示教执行程序。

l 第6类:智能机器人——机器人具有感知和理解外部环境的能力，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3类~第6类视作机器人。

法国机器人学会（AFR）将机器人进行如下分类：

l 类型A:手动控制远程机器人的操作装置。

l 类型B:具有预定周期的自动操作装置。

l 类型C:具有连续轨迹或颠倒点轨迹的可编程伺服控制机器人。

l 类型D:同类型C,但能够获取环境信息。

1.4 什么是机器人学

机器人学是人们设计和应用机器人的技术和知识。机器人系统不仅由机器人组成，还需要其他装置和系统连同机器人一起来共同来完成必需的任务。机器人可以用于生产制造，水下作业，空间探测，帮助残疾人甚至娱乐等方面。通过编程和控制，许多场合均可应用机器人。机器人学是一门交叉学科，它得益于机械工程，电气与电子工程，计算机科学，生物学以及许多其他学科。

1.5 机器人学的发展历史

不考虑早期的模拟人类及其动作的机械，单就近代历史来看，不难发现工业化进程，机械的数字和计算机控制革命以及太空探索的出现都与人们富有创造性的科学想象之间有着密切的联系。“Robots”在Karel Capek的小说“Rossam’s Universal Robots” 。接着出现了电影“Flash Gordon”, “Metropolis”, “Lost in Space”, “The Day The Earth Stood Still”以及“The Forbidden Planet”. 我们发现制造能够代替人类工作的机器的时代已经来临(R2D2,C3P0以及Robocop继续着这一趋势)。Capek梦想着有这样的情况，即生物过程可以创造出类人的机器，他们虽然缺乏感情和灵魂，但他们身体强壮并服从主人的命令，而且这些机器能够快速而廉价地生产出来。机器人市场很快发展起来，很多国家都想用成百上千的奴隶机器人士兵装备军队，为他们卖命，即使伤亡也不足惜。最终机器人认定自己已经比人类优越，并试图从人类手中接管这个世界。在这个故事中出现的名字Rabota，即劳动者，一直沿用到今天。第二次世界大战后，人们设计出自动化机械，这提高了生产率。机床生产商制造出数控（NC）机床，它能够生产出更好的产品。与此同时，人们开发出了多自由度的机械手，从事与核材料有关的工作。随后，机床的数控功能与机械手的操作功能相结合便产生了简单的机器人。最早的机器人是用打孔纸带控制的，即电子眼识别纸带上的孔，并由此控制机器人的动作。随着工业的发展，打孔纸带逐渐被磁带，存储设备以及各计算机所代替。以下列举了机器人工业史上的几个标志性事件：

1922 捷克作家Karel Capek写了一本名为“Rossum’s Universal Robots”的小说，引入名词Rabota。

1946 George Devol 开发出磁控制器，它是一种示教再现装置。Eckert和Mauchley在宾西法尼亚大学建造了ENIAC计算机。

1952 第一台数控机床在麻省理工学院诞生。1954 George Devol开发出第一台可编程机器人。

1955 Denavit与Hartenberg提出齐次变换矩阵。

1961 George Devol的“可编程的货物运送”获得美国专利，专利号为2988237，该专利技术是Unimate机器人的基础。

1962 Unimate公司成立，出现了最早的工业机器人，GM公司安装了第一台Unimation 公司的机器人。

1967 Unimate公司推出MarkII机器人，第一台喷涂用机器人出口到日本。

1968 第一台智能机器人Shakey在斯坦福研究所(SRI)诞生。

1972 IBM公司开发出内部使用的直角坐标机器人，并最终开发出IBM7565型商用机器人。1973 Cincinnati Milacron公司推出T3型机器人，它在工业应用中广受欢迎。

1978 第一台PUMA机器人由Unimation装运到GM公司。

1982 GM和日本Fanuc公司签订制造GMFanuc机器人的协议。Westinghouse兼并Unimation,随后又将它卖给了瑞士的Staubli公司。

1983 机器人学无论是在工业生产还是在学术上，都是一门广受欢迎的学科，机器人学开始列入教学计划。

1990 Cincinnati Milacron公司被瑞士ABB公司兼并。许多小型的机器人制造公司也从市场上销声匿迹，只有少数主要生产工业机器人的大公司尚存。

1.6 机器人的优缺点

机器人使用的优点：

l 机器人和自动化技术在多数情况下可以提高生产率，安全性，效率，产品质量和产品的一性。

l 机器人可以在危险的环境下工作，而无需考虑生命保障或安全的需要。

l 机器人无需舒适的环境，例如考虑照明，空调，通风以及噪音隔离等。

l 机器人能不知疲倦，不知厌烦地持续工作，他们不会有心理问题，做事不拖沓，不需要医疗保险或假期。

l 机器人除了发生故障或磨损外，将始终如一地保持精确度。

l 机器人具有比人高得多的精确度。直线位移精度可达千分之几英寸（1英寸= 2.54cm），新型的半导体晶片处理机器人具有微英寸级的精度。

l 机器人和其附属设备及传感器具有某些人类所不具备的能力。

l 机器人可以同时响应多个激励或处理多项任务，而人类只能响应一个现行激励。

机器人使用的负面：

l 机器人替代了工人，由此带来经济和社会问题：

l 机器人缺乏应急能能力，除非该紧急情况能够预知并已在系统中设置了应对方案，否则不能很好地处理紧急情况。同时，还需要有安全措施来确保机器人不会伤害操作人员以及与他一起工作的机器（设备）。这些情况包括：

n 不恰当或错误的反应

n 缺乏决策的能力

n 断电

n 机器人或其它设备的损伤

n 人员伤害

l 机器人尽管在一定情况下非常出众，但其能力在以下方面仍具有局限性（与人相比），表现在：

n 自由度

n 灵巧度

n 传感器能力

n 视觉系统

n 实时响应

l 机器人费用开销大，主要原因是：

n 原始的设备费

n 安装费

n 需要周边设备

n 需要培训

n 需要编程

1.7 机器人的组成部件

机器人作为一个系统，它由如下部件构成：

机械手或移动车这是机器人的主体部分，由连杆，活动关节以及其它结构部件构成，使机器人达到空间的某一位置。如果没有其它部件，仅机械手本身并不是机器人。（相当于人的身体或手臂）

末端执行器连接在机械手最后一个关节上的部件，它一般用来抓取物体，与其他机构连接并执行需要的任务(参见图1.2)。机器人制造上一般不设计或出售末端执行器，多数情况下，他们只提供一个简单的抓持器。（相当于人的手）

末端执行器安装在机器人上以完成给定环境中的任务，如焊接，喷漆，涂胶以及零件装卸等就是少数几个可能需要机器人来完成的任务。通常，末端执行器的动作由机器人控制器直接控制，或将机器人控制器的信号传至末端执行器自身的控制装置（如PLC）

图1.2 Fanuc M-410iWW 码垛机器人机械手及它的末端执行器

驱动器驱动器是机械手的“肌肉”。常见的驱动器有伺服电机，步进电机，气缸及液压缸等，也还有一些用于某些特殊场合的新型驱动器，它们将在第6章进行讨论。驱动器受控制器的控制。

传感器传感器用来收集机器人内部状态的信息或用来与外部环境进行通信。机器人控制器需要知道每个连杆的位置才能知道机器人的总体构型。人即使在完全黑暗中也会知道胳膊和腿在哪里，这是因为肌腱内的中枢神经系统中的神经传感器将信息反馈给了人的大脑。大脑利用这些信息来测定肌肉伸缩程度进而确定胳膊和腿的状态。对于机器人，集成在机器人内的传感器将每一个关节和连杆的信息发送给控制器，于是控制器就能决定机器人的构型。机器人常配有许多外部传感器，例如视觉系统，触觉传感器，语言合成器等，以使机器人能与外界进行通信。

控制器机器人控制器从计算机获取数据，控制驱动器的动作，并与传感器反馈信息一起协调机器人的运动。假如要机器人从箱柜里取出一个零件，它的第一个关节角度必须为35°，如果第一关节尚未达到这一角度，控制器就会发出一个信号到驱动器（输送电流到电动机），使驱动器运动，然后通过关节上的反馈传感器（电位器或编码器等）测量关节角度的变化，当关节达到预定角度时，停止发送控制信号。对于更复杂的机器人，机器人的运动速度和力也由控制器控制。机器人控制器与人的小脑十分相似，虽然小脑的功能没有人的大脑功能强大，但它却控制着人的运动。

处理器处理器是机器人的大脑，用来计算机器人关节的运动，确定每个关节应移动多少和多远才能达到预定的速度和位置，并且监督控制器与传感器协调动作。处理器通常就是一台计算机（专用）。它也需要拥有操作系统，程序和像监视器那样的外部设备等。

软件用于机器人的软件大致有三块。第一块是操作系统，用来操作计算机。第二块是机器人软件，它根据机器人运动方程计算每一个关节的动作，然后将这些信息传送到控制器，这

种软件有多种级别，从机器语言到现代机器人使用的高级语言不等。第三块是例行程序集合和应用程序，它们是为了使用机器人外部设备而开发的（例如视觉通用程序），或者是为了执行特定任务而开发的。

在许多系统中，控制器和处理器放置在同一单元中。虽然这两部分放在同一装置盒内甚至集成在同一电路中，但他们有各自的功能。

1.8 机器人的自由度

为了确定点在空间的位置，需要指定三个坐标，就像沿直角坐标轴的x, y和z三个坐标。要确定该点的位置必须要有三个坐标，也就是说只要有三个坐标便可以确定该点的位置。虽然这三个坐标可以用不同的坐标系来表示，但没有坐标系是不行的。然而，不能用两个或四个坐标，因为两个坐标不能确定点在空间的位置，而三维空间不可能与所期望的位置。台架(x，y，z)起重机可以将一个球放到它工作区内操作员所指定的任一位置。

同样，要确定一个刚体（一个三维物体，而不是一个点）在空间的位置，首先需要在该刚体上选择一个点并指定该点的位置，因此需要三个数据来确定该点的位置。然而，即使物体的位置已确定，仍有无数种方法来确定物体关于所选点的姿势。这就意味着需要六个数据才能完全确定刚体物体的位置和姿势（以后将位置和姿态简称为位姿）。基于同样的理由，需要有六个自由度才能够将物体放置到空间的期望位姿。如果少于六个自由度，机器人的能力将受到很大限制。

设有一个机器人，若为三自由度机器人，它只能沿x，y和z轴运动。在这种情况下，不能指定机械手的姿态。此时，机器人只能夹持物件作平行于坐标轴的运动，姿态保持不变。若有五个自由度，可以绕三个坐标轴旋转，但只能沿x和y轴移动。这时虽然可以任意地指定姿态，但只可能沿x和y轴而不可能沿z轴给部件定位。

若有七个自由度的系统没有唯一解。这就意味着，如果一个机器人有七个自由度，那么机器人可以有无穷多种方法在期望位置为部件定位和定姿。这就要求控制器从无数种方法中只选择最快或最短路径到达目的地。会耗费许多计算时间，因此这种七个自由度的机器人在工业中是不采用的。多余的自由度称为冗余的自由度。

图1.3 Fanuc P-15机器人

若不包括手掌和手指，但包括手腕，人的手臂到底有多少个自由度？

人的手臂有三组关节——肩，肘和腕。肩关节有三个自由度，这是因为上臂（肱骨）可以在径向平面内旋转（平行于身体的中心面），在冠平面内旋转（一肩到另一肩的平面），并可绕肱骨旋转（可以尝试着使肩绕着这三个不同的轴旋转）。肘关节只有一个自由度，它只能绕着肘关节屈伸。腕关节也有三个自由度，它可以外展也可以内收，可以屈也可以伸，而且由于桡骨可以在尺骨上滚动，所以可以做纵向旋转（向上和向下）。因此，人的手臂共有七个自由度（尽管这些动作的范围很小）既然具有七个自由度的系统没有唯一解，那么人到底是如何用手臂来完成任务的？

对于机器人系统，从来不将末端执行器考虑为一个自由度。所有的机器人都有该附加功能，它看起来类似于一个自由度，但末端执行器的动作并不计入机器人的自由度。

有时会有这样的情况，虽然关节是能够活动的，但它的运动并不完全受控制器控制。例如，假设一个线性关节由一个气缸驱动，其上的手臂可以全程伸开，也可全程收缩，但不能控制它在两个极限之间的位置。在这种情况下，通常把这个关节的自由度确定为1/2，它表示这个关节只能在它的运动极限内定位。自由度为1/2的另一个含义是仅仅只能对该关节赋予一些特定值，例如，假设一个关节的角度只能为0°，30°，60°和90°，那么如前所述，该关节被限定为只有几个可能的取值，从而是一个受限的自由度。

许多工业机器人的自由度都少于6个。实际上，自由度为3.5个，4个和5个的机器人非常普遍。只要没有对附加自由度的需要，这些机器人都能够很好地工作。例如，假设将电子元

件插入电路板，电路板放在一个给定的工作台面上，此时，电路板相对于机器人基座的高度(z坐标)是已知的。因而，只需要沿x轴和y轴方向上的两个自由度就可以确定元件插入电路板的位置。另外，假设元件要按某个方位插入电路板，而且电路板是平的，此时，则需要一个绕垂直轴(z)旋转的自由度，才能在电路板上给元件定向。由于这里还需要一个1/2自由度，以便能完全伸展末端执行器来插入元件，或者在运动前能完全收缩将机器人抬起，因而总共需要3.5个自由度，其中两个自由度用来在电路板的上方运动，一个用来旋转元件，还有1/2用来插入和缩回。插装机器人广泛应用于电子工业，他们的优点是编程简单，价格适中，体积小，速度快。他们的缺点是虽然他们可以用编程实现在任意型号的电路板上以任意的方位插入元件，以完成在设计范围内的一系列工作，但是他们不能从事除此以外的其他工作。

1.9 机器人关节

机器人有许多不同类型的关节，有线性的，旋转的，滑动的或球形的。虽然球关节在许多系统中使用很普遍，但是由于拥有多个自由度且难以控制，所以在机器人中除了用于研究外并不常用。大多数机器人关节是线性或旋转型关节。

滑动(prismatic)关节是线性的，它不包含旋转运动，并由气缸，液压缸或者线性电驱动器驱动，主要用于台架构型，圆柱构型或类似的关节构型。

回转关节是旋转型的，虽然液压和气动旋转关节使用十分普遍，但大部分旋转关节是电动的，它们由步进电机驱动，或者更普遍地采用伺服电机驱动。

1.10机器人的坐标

机器人的构型通常是根据它们的坐标系来确定，如图1.4所示。滑动关节用P表示，旋转关节用R表示，球型关节用S表示。机器人构型通常可用一系列的P, R, S来描述例如三滑动关节，三旋转关节则由3P3R来表示。以下是用于给机器人手定位的常用构型。

笛卡尔坐标/直角坐标/台架型(3P) 这种机器人由三个线形关节，用来确定末端执行器的位置，通常带有附加的旋转关节来确定末端执行器的姿态。

圆柱坐标性(R2P) 圆柱坐标机器人有两个滑动关节和一个旋转关节来确定不见的位置，再附加一个旋转关节来确定部件的姿态。

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。

链式/拟人型(3R)(关节) 链式机器人的关节全都是旋转的，类似于人的手臂。它们是工业机器人中最常见的构型。

选择性柔性装配机器人臂(SCARA) 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作垂直运动（如图1.5所示）。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。这在装配作业中是很重要的问题，后面还将对此进行讨论。

图1.4 一些可能的机器人坐标构架形式

图1.5 Adept SCARA 机器人

1.11机器人的参考坐标系

机器人可以相对于不同的坐标系运动，在每一种坐标系中的运动都不相同。常用坐标系见下图1.6所示。

图1.6 机器人的全局坐标系、关节参考坐标系和工具参考坐标系。

大多数机器人编程都是相对其中一个坐标系

全局参考坐标系通用坐标系，由X,Y,Z轴所定义。在此情况下，通过机器人关节的同时运动来产生沿三个主轴方向的运动。在这坐标系中，无论手臂在那里，X轴的正向运动就总是在X轴的正方向。这一坐标通常用来定义机器人相对于其他物体的运动，与机器人通信的其它部件以及运动路径

关节参考坐标系关节参考坐标系用来描述机器人每一个独立关节的运动。假设希望将机器人的手运动到一个特定的位置，可以每次只运动一个关节，从而把手引导到期望的位置上。在这种情况下，每一个关节单独控制，从而每次只由一个关节运动。由于所用关节的类型(滑动型，旋转型，球型)不同，机器人手的动作也各不相同。例如，如果旋转关节运动，机器人手将绕着关节的轴旋转。

工具参考坐标系工具参考坐标系描述机器人手相对于固连在手上的坐标系的运动。固连在手上的X’, Y’和Z’轴定义了手相对于本地坐标系的运动。与通用的全局坐标系不同，本地的工具坐标系随机器人一起运动。工具坐标系是一个活动的坐标系，当机器人运动是它也随之不断改变。机器人所有的关节必须同时运动才能产生关于工具坐标系的协调运动。在机器人编程中，工具坐标系是一个极其有用的坐标系，用它便于对机器人靠近，离开物体或安装零件进行编程。

1.12机器人的编程模式

根据机器人机器复杂程度的不同，可用多种模式为机器人编程。以下是一些常用的编程模式：硬件逻辑结构模式在这个模式中，操作员操纵开关和起停按钮控制机器人的运动。这种模式常与其他装置配合使用，例如可编程序逻辑控制器(PLC).

引导或示教模式在这种模式中，机器人的各个关节随示教杆运动，当达到期望的位姿时，位姿信息送入控制器。在再现过程中，控制器控制各关节运动到相同的位子。这种方式常用于点对点控制，而并不指定或控制两点之间的运动，它只保证示教的各点到位。（点位控制）连续轨迹示教模式在种模式中，机器人所有的关节同时运动，此时机器人的运动是连续采样的，并由控制器记录运动信息。在再现过程中，按照记录的信息准确地执行动作。操作员给机器人示教通常有两种方法：一种是通过模型实际运动末端执行器，另一种是直接引导机器人手臂在他的工作空间中运动。例如，熟练的喷漆工人就是通过这种方式为喷漆机器人编程。

软件模式在这种机器人编程模式中，可以采用离线或在线的方式进行编程，然后由控制器执行这些程序，并控制机器人的运动。这种编程模式最为先进和通用它可包含传感器信息，条件语句(诸如if…then语句)和分支语句等。然而，在编写程序之前必须掌握机器人操作系统的知识。

大部分工业机器人都具有一种以上的编程模式。

软件简介

KLD－400型四自由度SCARA机器人的控制系统是基于VC++6.0开发的，如下图所示，具有较好的操作界面，方便用户操作。软件内部编制了空间直线插补算法，机器人的正运动学算法，机器人的逆运动学算法，用关节空间法对机器人示教的路径进行了详细的规划，对机器人的实验流程做了详细的路径规划。该软件系统具有很多功能,包括机器人的轴运动卡的测试、机器人的正运动学分析、机器人逆运动学分析、机器人的软件示教、完成具体实验项目(机器人装配、机器人搬运、机器人搭积木)，通过软件和限位开关对各个关节的运动范围进行了限定。

软件还提供给用户动态连接库KLD.DLL，方便用户利用VB、VC调用动态连接库对KLD－400型机器人进行二次开发，以满足不同用户的不同需求，有利于用户学习和理解机器人这门技术。KLD－400型机器人能用于培养动手能力、创造力、综合能力、合作能力和进取精神。借助于可视化语言和开放式接口，KLD－400型机器人还可以作为通用的综合实验平台。

1.13机器人的性能指标

以下几项用来定义机器人的性能指标：

负荷能力负荷能力是机器人在满足其它性能要求的情况下，能够承担的负荷重量。例如，一台机器人的最大负荷能力可能远大于它的额定负荷能力，但是达到最大负荷时，机器人的工作精度可能会降低，可能无法准确地沿着预定的轨迹运动，或者产生额外的偏差。机器人的负荷量与其自身的重量相比往往非常小。例如，Fanuc Robotics LR Mate机器人自身重86磅，而其负荷量仅为6.6磅；M16机器人自身重594磅，而其负荷量仅为35磅。

运动范围运动范围是机器人在其工作区域内可以达到的最大距离。器人可按任意的姿态达到其工作区域内的许多点(这些点称为灵巧点)。然而，对于其他一些接近于机器人运动范围的极限线，则不能任意指定其姿态(这些点称为非灵巧点)。说明：运动范围是机器人关节长度和其构型的函数。

精度定义：精度是指机器人到达指定点的精确程度说明：它与驱动器的分辨率以及反馈装置有关。大多数工业机器人具有0.001英寸或更高的精度

重复精度（变化性）定义：重复精度是指如果动作重复多次，机器人到达同样位置的精确程度。举例：假设驱动机器人到达同一点100次，由于许多因素会影响机器人的位置精度，机器人不可能每次都能准确地到达同一点，但应在以该点为圆心的一个圆区范围内。该圆的半径是由一系列重复动作形成的，这个半径即为重复精度。说明：重复精度比精度更为重要，如果一个机器人定位不够精确，通常会显示一固定的误差，这个误差是可以预测的，因此可以通过编程予以校正。举例：假设一个机器人总是向右偏离0.01mm，那么可以规定所有的位置点都向左偏移0.01mm英寸，这样就消除了偏差。说明：如果误差是随机的，那它就无法预测，因此也就无法消除。重负精度限定了这种随机误差的范围，通常通过一定次数地重复运行机器人来测定。

1.14机器人的工作空间

定义：根据机器人的构型，连杆及腕关节的大小，机器人能到达的点的集合称为工作空间。每个机器人的工作空间形状都与机器人的特性指标密切相关。工作空间可以用数学方法通过列写方程来确定，这些方程规定了机器人连杆与关节的约束条件，这些约束条件可能是每个关节的动作范围。除此之外，工作空间海尔可以凭经验确定，可以使每个在其运动范围内运动，然后将其可以到达的所有区域连接起来，再除去机器人无法到达的区域。下图1.7显示了一些常见构型的大致工作区间。当机器人用作特殊用途是，必须研究其工作空间，以确保机器人能到达要求的点。要准确地确定工作空间，可以参考生产商提供的数据。

图1.7 常见机器人构型的典型工作空间

1.15机器人语言

机器人语言的种类可能与机器人的种类一样多。每一个生产商都会设计他们自己的机器人语言。因此，为了使用某一个特定机器人，必须学习相关的语言。许多机器人语言是以常用语言如Cobol, Basic, C和Fortran为基础派生出来的，也有一些机器人语言是独特设计的，并于其它常用语言无直接联系。

机器人语言根据其设计和应用的不同有着不同的复杂性级别，其级别范围从机器级到已提出的人类智能级不等。高级语言的执行方式有两种：一种是解释方式，另一种是编译方式。解释程序一次执行一条语句，并且每条语句有一个标号。每当碰到一条程序语句时，解释器对它进行翻译（将这条语句转化为处理器能够理解并执行的机器语言）,并依次执行每一条语句，一直执行到最后一条语句或到发现错误为止。

优点：能够连续执行直到发现错误，这样用户就可以一部分一部分地执行并进行程序调试。这样，调试程序可以更快，更简便地执行。缺点是由于要翻译每条程序，因此执行速度较慢且效率不高。例如许多机器人语言，比如Unimation的VAL和IBM 的AML(A Manufacturing

Language)都是解释程序。

编译程序在程序执行前，通过编译起将整个程序翻译成机器语言(生成目标代码)。优点是由于处理器在程序执行时执行的是目标代码，这些程序可执行的更快并且效率更高。缺点是由于必须编译整个程序，所以如果程序中某个地方存在错误，则任何一部分程序都不会执行，于是，调试编译程序就比较困难。

举例：有些语言(如AL)就比较灵活，它们允许用户用解释模式进行调试，而用编译模式执行。不同级别机器人语言的一般描述：

微型计算机机器级语言在这一级，程序使用机器语言编写的。这一级的编程是最基本的，也是非常有效的，但是难以理解和学习。所有的语言最终都翻译或编译成机器语言。

点到点级语言特点：在这一级语言中(诸如Funky Cincinnati Milacron的T3),依次输入每一点的坐标，机器人就按照给出的点运动。这是非常原始和简单的程序类型。优点是易于使用。缺点是功能不够强大。

基本动作级语言用该语言可以开发较复杂的程序，包含传感器信息，程序分支以及条件语句(例如Unimation 的VAL)。大多数这一级别的语言是基于解释执行的。

结构化程序级语言大多数这一级别的语言是编译执行的。功能强大，允许复杂编程，但是难以学习。

面向任务级语言目前尚不存在这一级别的编程语言。IBM与20世纪80年代提出Autopass，但一直没有实现。Autopass设想成为面向任务的编程语言，也就是说不必为机器人完成功能任务的每一个必要步骤都编好程序，用户只需指出所要完成的任务，而控制器就会生成必要的程序流程。例如假设机器人要将一批盒子按大小分为三类，在现有的语言中，程序员必须准确告诉机器人要做什么，也就是每一个步骤都必须编程。如必须首先告诉机器人如何运动到最大的盒子处，如何捡起盒子，并将它放在哪里，然后再运动到下一个盒子的地方，等等。在Autopass 语言中，用户只需给出“分类”的指令，机器人控制器便会自动建立这些动作序列。

1.16机器人的应用

机器人最适合在那些人类无法工作的环境中工作，它们已在许多工业部门获得广泛应用它们可以比人类工作得更好并且成本低廉。例如，因为焊接机器人能够更均匀一致地运动，他可以比焊接工人焊得更好。此外，机器人无需焊接工人工作时使用的护目镜，防护服，通风设备及其他必要的防护措施。因此，只有焊接工作设置由机器人自动操作并不再改变，而且该焊接工作也不太复杂，那么机器人就比较适合做这样的工作并能提高生产效率。同样，海底勘探机器人远不像人类潜水员工作时需要太多的关注，机器人可以在水下停留更长的时间，并潜入更深的水底而仍能承受得住巨大的压力，而且它也不需要氧气。

以下列举了机器人的一些应用，机器人还有其他应用。所有这些用途正逐步深入工业和社会的各个层面。

机器加载指机器人为其他机器装卸工件（如图1.8所示）。在这项工作中，机器人甚至不对工件做任何操作，而只是完成一系列操作中的工件处理任务。

图1.8 Staubli机器人从加工中心装卸工件

取放操作指机器人抓取零件并将它们放置到其他位置（如图1.9所示），这还包括码垛、填装弹药、将两物件装到一起的简单装配、将工件放入烤炉或从烤炉里取出处理过的工件或其他类似的操作。

图1.9 Staubli机器人将洗碗机的桶放入焊接台

焊接这时机器人与焊枪及相应配套装置一起将部件焊接在一起，这时机器人在自动化工业中最常见的一种应用。由于机器人连续运动，可以焊接得非常均匀和准确。通常焊接机器人的体积和功率均比较大（如图1.10所示）。

图1.10 AM120 Fanuc机器人

喷漆这是另一种常见的机器人应用，尤其在汽车工业上。由于人工喷漆时通风和情节，因此创造适合人们工作的环境是十分困难的，而且与人工操作相比，机器人更能持续不断地工作，因此喷漆机器人非常适合喷漆工作（如图1.11所示）。

图1.11 P200 Fanuc喷漆机器人对汽车车身喷漆

检测对零部件、线路板及其他类似产品的检测也是机器人比较常见的应用。一般说来，检测系统中还集成有其他一些设备，它们是视觉系统、X射线装置、超声波探测仪或其他类似仪器（如图1.12所示）。机器人还广泛应用于电路板和芯片的检测，在大多数这样的应用中，元件的识别、元件的特性（例如电路板的电路图、元件铭牌等）等信息检测都存储在系统的数据库内，该系统利用检测到的信息与数据库中存储的元件信息比较，并根据检测结果来决定是接受还是拒绝元件。

图1.12 BMW制造设备中的Staubli RX FRAMS

(Flexible Robotics Absolute Measuring System)机器人

抽样：在许多工业过程中，都采用机器人做抽样实验。抽样只在一定量的产品中进行，出吃之外它与取放和检测操作相类似。

装配操作：装配是机器人的所有任务中最难的一种操作。通常，将元件装配成产品需要很多操作。例如，必须首先定位和识别元件，再以特定的顺序移动元件到规定的位置，然后将元件固定在一起进行装配。许多固定和装配任务也非常复杂，需要推压、旋拧、弯折、扭动、挤压以及摘标牌等许多操作才能将元件连接在一起。元件的微小变化以及由于较大的容许误差所导致的元件直径的变化均可使得装配过程复杂化，所以机器人必须知道合格元件与错误元件之间的区别。

机械制造：用机器人制造包含许多不同的操作(如图1.13所示)，例如去除材料、钻孔、除毛刺、涂胶、切削等。同时也包括插入零部件，如将电子元件插入电路板、将电路板安装到VCR的电子设备上以及其他的操作。插入机器人在电子工业中的应用也非常普遍。

图1.13 Fanuc LR Mate 200i 机器人正在一块宝石上执行材料去除操作

见识：曾企图利用机器人执行监视任务，单不是很成功。然而，不论实在安全恒产还是交通控制方面，已广泛使用视觉系统来进行监视。

医疗应用：机器人在医疗方面的应用现在也越来越常见。例如，Robodoc就是为协助外科医生完成全关节移植手术而设计的机器人。由于要求机器人完成的许多操作比人工操作更为准确，因此手术中许多机械部分由机器人来完成。此外，骨头的形状和位置可由CAT扫描仪确定并下载给机器人控制器，将它们用于知道机器人的动作，以使植入物得以放到最合适的位置。同样，还有许多企图机器人用于帮助外科医生完成微型手术，包括在巴黎和Liepzig进行的心脏瓣膜手术。另一台叫做da Vinci的外科手术机器人已被美国食品与药物管理局批准，用于执行腹部外科手术。

帮助残疾人：试验用机器人帮助机器人已取得不错的成果。在日常生活中，机器人可以做很多事情来帮助残疾人，在其中一项研究中，一台小型的如桌子高矮的机器人可以与残疾人交流，并执行一些简单的任务，诸如将盛着食品的盘子放入微波炉，从微波炉中取出盘子，并且将盘子放到残疾人面前给他们用餐等。其他许多任务也可以通过编程让机器人来执行。危险环境：机器人非常适合在危险的环境中使用。在这些险恶的环境下工作，人类必须采用严密的保护措施。而机器人可以进入或穿过这些危险区域进行维护和探测等工作，且不需要得到像对人一样的保护。

水下、太空及远程：机器人可以用于水下、太空及远程的服务或探测。虽然尚没有人被送往火星，但已有许多太空漫游车在火星登陆并对火星进行探测。在其他太空和水下也有同样的应用。例如，由于没人能进入到很深的海底，因此直到最近在深海也只有探测到很少的沉船。

现在已有许多坠机、沉船和潜艇很快地被水下机器人所发现。

如图1.14所示是一台六自由度双向力反馈机械手Arm,它主要用于载人潜艇和远程操作车。Arm由一个远程主臂控制，主臂可以“感受到”从臂所感受到的环境信息。这个系统也可以通过一个示教再现系统来执行编程动作。

1.17 其他机器人及应用

科学家和工程师们除了对设计类人机器人感兴趣，他们也设计了模仿昆虫和其他动物的机器人。例如六脚和八脚机器人、蠕虫机器人、蛇形机器人、像鱼一样游动的机器人行为像狗一样的机器人、虾行机器人以及其他未标定生命形式的机器人。这些机器人中，有的十分庞大而且功能强大，例如Odetics公司的Odex机器人，有的则小巧玲珑。这些机器人多数是为科研目的而开发的，也有的为军事、医疗或娱乐而设计开发的。例如，一种小型矿藏扫描机器人就是为了搜索和开采矿藏而开发的。开发理由是，在勘探过程中损失一台廉价机器人远比有人员伤亡要好得多。

生命电子学是指设计冰咖啡生动形象的机器人和机器的系统技术，这些机器人和机器具有类似人或其他动物的外观与行为。例如生命电子嘴唇、生命电子眼睛及生命电子手。随着更为复杂的生命电子部件的出现，他们所代替的行动将越来越真实。

另一个与机器人学及其应用有关的领域是微电子机械系统（MEMS）。设计微型级设备用来执行系统内的的操作功能，这些功能包括医疗、机械、电子方面的任务。例如，机器人微型设备可以送入主静脉，并通过主静脉进入心脏执行探测或外科手术任务，MEMS传感器可用来测量血液中各元素的含量水平，或者当汽车发生撞车时MEMS驱动器可用来展开安全气囊。

1.18 机器人的社会问题

人们必须经常考虑因使用机器人所带来的社会后果。有很多使用机器人的场合，在这些场合人们不适应去做同样的工作，所以机器人代替了工人的工作，这些被机器人取代了工作的工人就会面临失业并失去收入。如果任由这一趋势继续发展下去，可以想象将出现这样的情况大多数工业产品都由机器人来制造而不再需要任何工人，其结果将是有工作的工人悦来越少，他们不再有钱来购买机器人生产出来的正品。更重要的是，越来越多的工人失业将引起一系列的社会和经济问题。汽车制造商与美国汽车工人协会（United Auto Workder, UAW）在谈判中的最重要的一点就是确定有多少工作岗位由机器人来代替，以及以什么样的速度让机器人来代替工作的工作岗位。

1.19 设计项目

设计一个SCARA结构的教学机器人。

课程组开发的KLD-400教学机器人有3个旋转关节，其轴线相互平行，在平面内进行定位和定向。另一个关节是移动关节，用于完成末端件在垂直平面的运动。手腕参考点的位置由两旋转关节的角位移Ф1和Ф2，及移动关节的位移Z决定的，即P＝f(Ф1，Ф2，Z)，SCARA教学机器人为平面关节型机器人，本机器人采用伺服电机和步进电机驱动，控制简单，编程方便，

KLD—400教学机器人是专为满足高等院校机电一体化、自动控制等专业进行机电及控制课程教学实验需要和相关工业机器人应用培训需要而最新开发的四自由度机器人，它是一个多输入多输出的动力学复杂系统，是进行控制系统设计的理想平台；它具有高度的能动性和灵活性，具有广阔的可达空间，是进行运动规划和编程系统设计的理想对象。除教学和培训外，KLD—400还可用于细小零件的搬运和电子元件的装配等工业作业。

系统特点

●机构采用平面关节型（SCARA）结构，按工业标准要求设计，速度快、柔性好；

●采用交流伺服电机和谐波减速器等，模块化结构，简单、紧凑，完全满足实验的要求；

●控制系统采用Windows系列操作系统，二次开发方便、快捷，适于教学实验；

●提供通用机器人语言编程系统，可通过图形示教自动生成机器人语言等程序；

●提供实验教材，内容涵盖机器人运动学、动力学、控制系统的设计、机器人轨迹规划等。用户可以从中选择相关内容满足不同层次的教学实验需要。

系统配置

●硬件平台：KLD—400系列伺服运动控制器和微机平台（PC用户自备，带ISA插槽）

●软件平台：1）Windows98操作系统；2）KLD—400机器人图形示教软件

技术参数

1.20 小结

许多对机器人感兴趣的人都或多或少具有一些机器人的知识，而且多数情况下都与机器人打过交道，然后每个人还必须了解一些关于机器人的基本概念。在这一章中，我们讨论了机器人学的一些基本概念，它使得我们能够更好地了解机器人的应用场合。机器人具有很多的用途，也应用于工业、娱乐、太空、水下以及危险环境等特定应用场合。显然，随着时间的推移，机器人的应用将会越来越广泛。本书中的其他部分将讨论机器人运动学和动力学、机器人组成部件（例如驱动器、传感器、视觉系统）以及他们的应用。

---来自网络，感谢作者

相关文章

运料四自由度的工业机器人2010-01-20 19:14:21

物理时空-机器人5号2010-04-18 13:19:54

集装箱波纹板焊接机器人机构运动学分析及车体结构设计2010-03-22 21:34:13 机器人焊接系统离线编程实例研究2009-10-21 13:40:12

机器人论文2009-11-10 17:29:54

最近读者