机器人的组成系统

一．工业机器人组成系统

工业机器人由主体、驱动系统和控制系统三个基本部分组成。主体即机座和执行机构，包括腰部、肩部、肘部和手腕部，其中手腕部有3个运动自由度。驱动系统包括动力装置和传动机构，用以使执行机构产生相应的动作。控制系统是按照输入的程序对驱动系统和执行机构发出指令信号，并进行控制。

工业机器人按执行机构运动的控制机能，又可分点位型和连续轨迹型。点位型只控制执行机构由一点到另一点的准确定位，适用于机床上下料、点焊和一般搬运、装卸等作业；连续轨迹型可控制执行机构按给定轨迹运动，适用于连续焊接和涂装等作业。

工业机器人按程序输入方式区分有编程输入型和示教输入型两类。编程输入型是将计算机上已编好的作业程序文件，通过RS232串口或者以太网等通信方式传送到机器人控制柜。

示教输入型的示教方法有两种：一种是由操作者用手动控制器(示教操纵盒)，将指令信号传给驱动系统，使执行机构按要求的动作顺序和运动轨迹操演一遍；另一种是由操作者直接领动执行机构，按要求的动作顺序和运动轨迹操演一遍。在示教过程的同时，工作程序的信息即自动存入程序存储器中在机器人自动工作时，控制系统从程序存储器中检出相应信息，将指令信号传给驱动机构，使执行机构再现示教的各种动作。示教输入程序的工业机器人称为示教再现型工业机器人。

几个问题：

（1）巨轮机器人JLRB20KG机器人是点位型还是连续轨迹型？

（2）能不能编写一个简单程序，使机器人能够的末端能够走一个圆？

（3）能不能控制机器人中每一个电机的输出功率或扭矩？

（4）机器人每一个关节从驱动电机到执行机构的传递效率有没有？

二．工业机器人的主体

机器人本体由机座、腰部、大臂、小臂、手腕、末端执行器和驱动装置组成。共有六个自由度，依次为腰部回转、大臂俯仰、小臂俯仰、手腕回转、手腕俯仰、手腕侧摆。机器人采用电机驱动，电机分为步进电机或直流伺服电机。直流伺服电机能构成闭环控制、精度高、额定转速高、但价格较高，而步进电机驱动具有成本低、控制系统简单。

各部件组成和功能描述如下：

（1）基座：基座是机器人的基础部分，起支撑作用。整个执行机构和驱动装置都安装在基座。

（2）腰部：腰部是机器人手臂的支撑部分，腰部回转部件包括腰部支架、回转轴、支架、谐波减速器、制动器和步进电机等。

（3）大臂：大臂和传动部件

（4）小臂：小臂、减速齿轮箱、传动部件、传动轴等，在小臂前端固定驱动手腕三个运

动的步进电机。

（5）手腕部件：手腕壳体、传动齿轮和传动轴、机械接口等。

（6）末端执行器：根据抓取物体的形状、材质等选择合理的结构。

目前，在工业机器人中广泛采用的机械传动单元是减速器，与通用减速器相比，机器人关节减速器要求具有传动链短、体积小、功率大、质量轻和易于控制等特点。常用的减速器主要有：RV减速器和谐波减速器。RV减速器一般用在腰关节、肩关节和肘关节等重载位置处，而谐波减速器用于手腕的三个关节等轻载位置处。

（1）谐波减速器

谐波减速器由固定的刚性齿轮、一个工作时可产生径向弹性变形并带有外齿的柔轮和一个装在柔轮部、呈椭圆形、外圈带有柔性滚动轴承的波发生器等3个基本构件组成。当波发生器转入柔轮后，迫使柔轮的剖面由原先的圆形变为椭圆形，其长轴两端附近的齿与刚轮的齿完全啮合，而短轴两端附近的齿则与刚轮完全脱开，周长上其他区段的齿处于啮合和脱离的过渡状态。

（2）RV减速器

与谐波减速器相比，RV减速器具有较高的疲劳强度和刚度以及较长的寿命，而且回差精度稳定，不想谐波传动，随着使用时间的增长，运动精度就会显著降低，故高精度机器人传动多采用RV减速器，且有逐渐取代谐波减速器的趋势。RV减速器是由第一级渐开线圆柱齿轮行星减速机构和第二级摆线针轮行星减速机构组成，是一封闭差动轮系。

目前，在工业机器人中常用的驱动电机是交流伺服电机。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为2000RPM或3000RPM）以，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。交流伺服电机具有较强的过载能力，具有速度过载和转矩过载能力，其最大转矩可达额定转矩的三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。电机的输出扭矩与功率的关系：

T = 9550 P / n 。T，扭矩，Nm；P，功率，KW；n，转速，r/min；9550是系数。

扭矩、功率、转速之间，有关系。

三．工业机器人的示教器

示教器也称示教编程器或示教盒，主要由液晶屏幕和操作按键组成，可由操作者手持移动。它是机器人的人机交互接口，机器人的所有操作基本上都是通过示教器完成的，如点动

机器人，编写、测试和运行机器人程序，设定、查阅机器人状态设置和位置等。

四．工业机器人的技术指标

机器人的技术指标反映了机器人的适用围和工作性能，是选择、使用机器人必须考虑的问题。

（1）最大负载：作用于机器人手腕末端，且不会使机器人性能降低的最大载荷

（2）定位精度：又称绝对定位精度，是指机器人末端执行器实际到达位置与目标位置之间的差异。

（3）重复定位精度：指机器人重复到达某一目标位置的差异程度；或在相同的位置指令下，机器人连续重复若干次其位置的分散情况。一般而言，工业机器人的

绝对定位精度要比重复定位精度低一到两个数量级，其原因是未考虑机器人本

体的制造误差、工件加工误差及工件定位误差情况下使用机器人的运动学模型

来确定机器人末端执行器的位置。

（4）最大工作速度。在各轴联动情况下，机器人手腕中心所能达到的最大线速度。

最大工作速度越高，生产效率就越高。

五．工业机器人的控制系统

机器人控制系统是机器人的大脑，是决定机器人功能和性能的主要因素。机器人控制器是根据指令以及传感信息控制机器人完成一定动作或作业任务的装置。工业机器人控制技术的主要任务就是控制工业机器人在工作空间中的运动位置、姿态和轨迹、操作顺序及动作的时间等。具有编程简单、软件菜单操作、友好的人机交互界面、在线操作提示和使用方便等特点。其基本功能如下：

（1）示教功能。分为在线示教和离线示教两种方式。

（2）记忆功能。存储作业顺序、运动路径和方式及与生产工艺有关的信息等。

（3）与外围设备联系功能。包括输入/输出接口、通信接口、网络接口等。

（4）传感器接口。位置检测、视觉、触觉、力觉等。

（5）故障诊断安全保护功能。运行时的状态监视、故障状态下的安全保护和自诊断。

其关键技术包括：

（1）开放性模块化的控制系统体系结构：采用分布式CPU计算机结构，分为机器人控制器(RC)，运动控制器(MC)，光电隔离I/O控制板、传感器处理板和编程示

教盒等。机器人控制器(RC)和编程示教盒通过串口/CAN总线进行通讯。机器人

控制器(RC)的主计算机完成机器人的运动规划、插补和位置伺服以及主控逻辑、

数字I/O、传感器处理等功能，而编程示教盒完成信息的显示和按键的输入。

（2）模块化层次化的控制器软件系统：软件系统建立在基于开源的实时多任务操作系统Linux上，采用分层和模块化结构设计，以实现软件系统的开放性。整个

控制器软件系统分为三个层次：硬件驱动层、核心层和应用层。三个层次分别

面对不同的功能需求，对应不同层次的开发，系统中各个层次部由若干个功能

相对对立的模块组成，这些功能模块相互协作共同实现该层次所提供的功能。

（3）机器人的故障诊断与安全维护技术：通过各种信息，对机器人故障进行诊断，并进行相应维护，是保证机器人安全性的关键技术。

（4）网络化机器人控制器技术：当前机器人的应用工程由单台机器人工作站向机器人生产线发展，机器人控制器的联网技术变得越来越重要。控制器上具有串口、

现场总线及以太网的联网功能。可用于机器人控制器之间和机器人控制器同上

位机的通讯，便于对机器人生产线进行监控、诊断和管理。

根据计算机结构、控制方式和控制算法的处理方法，机器人控制器又可分为集中式控制和分布式控制。

（1）集中式控制器。利用一台微型计算机实现系统的全部控制功能。其优点是硬件成本较低，便于信息的采集和分析，易于实现系统的最优控制，整体性与协调

性较好，基于PC的硬件扩展方便。其缺点是灵活性、可靠性、实时性较差。

（2）分布式控制器。主要思想是“分散控制，集中管理”，分布式系统常采用两级控制方式，由上位机和下位机组成。上位机（机器人主控制器）负责整个系统管

理以及运动学计算、轨迹规划等，下位机由多CPU组成，每个CPU控制一个关

节运动。上、下位机通过通信总线相互协调工作。其优点是系统灵活性好、可

靠性提高、响应时间短，有利于系统功能的并行执行。

工业机器人的控制系统需要由相应的硬件和软件组成，硬件主要由传感装置、控制装置及关节伺服驱动部分组成，软件包括运动轨迹规划算法和关节伺服控制算法与相应的工作程序。传感装置分为部传感器和外部传感器，部传感器主要用于检测工业机器人部的各关节的位置、速度和加速度等，而外部传感器是可以使工业机器人感知工作环境和工作对象状态的视觉、力觉、触觉、听觉、滑觉、接近觉、温度觉等传感器。控制装置用于处理各种感觉信息，执行控制软件，产生控制指令。关节伺服驱动部分主要根据控制装置的指令，按作业任务的要求驱动各关节运动。

六．工业机器人的运动轨迹与位置控制

机器人的作业实质是控制机器人末端执行器的位姿，以实现点位运动或连续路径运。

(1)点位运动（PTP）。点位运动只关心机器人末端执行器运动的起点和目标点位姿，

而不关心这两点之间的运动轨迹。

(2)连续路径运动（CP）。连续路径运动不仅关系机器人末端执行器达到目标点的精

度，而且必须保证机器人能沿所期望的轨迹在一定精度围重复运动。机器人连续

路径运动的实现是以点位运动为基础，通过在相邻两点之间采用满足精度要求的

直线或圆弧轨迹插补运算即可实现轨迹的连续化。机器人再现时，主控制器（上

位机）从存储器中逐点取出各示教点空间位姿坐标值，通过对其进行直线或圆弧

插补运算，生成相应路径规划，然后把各插补点的位姿坐标值通过运动学逆解运

算换成关节角度值，分送机器人各关节或关节控制器。

工业机器人控制方式有不同的分类，如按被控对象不同可分为位置控制、速度控制、加速度控制、力控制、力矩控制、力和位置混合控制等，而位置控制是工业机器人的基本控制任务。

问题：

1.要求机器人系统模块化，我们可以给机器人系统中各模块发送指令，并获取各模块的输

出。机器人系统部分非核心模块应该可以关闭或打开，被关闭的模块即使接受到指令也应处非活跃状态。

2.我们可以写自己的模块，并通过个人编写的模块调用系统模块，实现对系统模块的控制。

3.机器人路径规划一般给定起始点和终止点，然后通过插补运算得到路径，但我希望能将

路径规划模块化，我可以给路径规划模块实时发送终止点指令，获得规划路径。将路径送入运动学逆解求解模块获取关节的转动角度，将该转动角度与期望速度和加速度（速度、加速度可以实时调整）相结合控制机器人的操作空间动力学模型。在必要情况下，在未到达终止点时，若终止点发生变化，可以从当前点重新规划到新终止点的路径。4.将机器人的坐标系（关节坐标系、全局坐标系、工件坐标系等）模块化，可以通过指令

进行坐标系转换。

5.将机器人末端位置、速度、加速度和每一个关节位置、速度、加速度模块化，我们可以

调取机器人末端及关节信息，并可以直接对末端及关节位置、速度、加速度发送指令以便于进行控制。

6.机器人中的每一个关节是否都有制动器？

7.机器人末端执行器更换时如何进行标定？

8.机器人误差补偿模块化。

9.机器人本体的三维建模

10.公司开发的焊接机器人有没有研究在障碍物未知情况下的避障规划？有没有研究碰撞

检测方面的工作？

11.把一个物体随

1.工业机器人的轨迹规划

1.1机器人规划的基本概念

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。

为说明机器人规划的概念，我们举下面的例子：

在一些老龄化比较严重的国家，开发了各种各样的机器人专门用于伺候老人，这些机器人有不少是采用声控的方式．比如主人用声音命令机器人“给我倒一杯开水”，我们先不考虑机器人是如何识别人的自然语言，而是着重分析一下机器人在得到这样一个命今后，如何来完成主人交给的任务。

首先，机器人应该把任务进行分解，把主人交代的任务分解成为“取一个杯子”、“找到水壶”、“打开瓶塞”、“把水倒人杯中”、“把水送给主人”等一系列子任务。这一层次的规划称为任务规划(Task planning)，它完成总体任务的分解。

然后再针对每一个子任务进行进一步的规划。以“把水倒入杯中”这一子任务为例，可以进一步分解成为“把水壶提到杯口上方”、“把水壶倾斜倒水入杯”、“把水壶竖直”、“把水壶放回原处”等一系列动作，这一层次的规划称为动作规划(Motion P1anning)，它把实现每一个子任务的过程分解为一系列具体的动作。

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)。

上述例子可以看出，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(见下图)。在上述例子中，我们没有讨论力的问题，实际上，对有些机器人来说，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。一般的工业机器人不具备力的反馈，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。（要实现人机协同装配，则人也负责完成轨迹形状（直角空间）和时间（人的动作时间）的规划，怎么使机器人理解人的轨迹形状并得到关节转角、速度、加速度等呢？）

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。例如，对一般的工业机器人来说，操作员可能只输入机械手末端的目标位置和方位，而规划的任务便是要确定出达到目标的关节轨迹的形状、运动的时间和速度等。这里所说的轨迹是指随时间变化的位置、速度和加速度。简言之，机器人的工作过程，就是通过规划，将要求的任务变为期望的运动和力（通过机器人动力学方程得到末端的输出力与转矩，如何控制机器人末端输出的力和转矩呢？），由控制环节根据期望的运动和力的信号，产生相应的控制作用，以使机器人输出实际的运动和力，从而完成期望的任务。这一过程表述如下图所示。这里，机器人实际运动的情况通常还要反馈给规划级和控制级，以便对规划和控制

的结果做出适当的修正。

上图中，要求的任务由操作人员输入给机器人，为了使机器人操作方便、使用简单，必须允许操作人员给出尽量简单的描述。

上图中，期望的运动和力是进行机器人控制所必需的输入量，它们是机械手末端在每一个时刻的位姿和速度，对于绝大多数情况，还要求给出每一时刻期望的关节位移和速度，有些控制方法还要求给出期望的加速度等。

1.2机器人PTP控制和CP控制

对于PTP（Pointto Point）控制:

通常只给出机械手末端的起点和终点，有时也给出一些中间经过点，所有这些点统称为路径点。应注意这里所说的“点”不仅包括机械手末端的位置，而且包括方位，因此描述一个点通常需要6个量。通常希望机械手末端的运动是光滑的，即它具有连续的一阶导数，有时甚至要求具有连续的二阶导数。不平滑的运动容易造成机构的磨损和破坏，甚至可能激发机械手的振动。因此规划的任务便是要根据给定的路径点规划出通过这些点的光滑的运动轨迹。

对于CP控制:

机械手末端的运动轨迹是根据任务的需要给定的，但是它也必须按照一定的采样间隔，通过逆运动学计算，将其变换到关节空间，然后在关节空间中寻找光滑函数来拟合这些离散点．最后，还有在机器人的计算机部如何表示轨迹，以及如何实时地生成轨迹的问题。

1.3关节空间轨迹规划和直角空间轨迹规划

轨迹规划问题又可以分为关节空间的轨迹规划和直角空间的轨迹规划。（1）关节空间轨迹规划

关节空间法首先将在工具空间中期望的路径点，通过逆运动学计算，得到期望的关节位置，然后在关节空间，给每个关节找到一个经过中间点到达目的终点的光滑函数，同时使得每个关节到达中间点和终点的时间相同，这样便可保证机械手工具能够到达期望的直角坐标位置。这里只要求各个关节在路径点之间的时间相同，而各个关节的光滑函数的确定则是互相独立的。

下面具体介绍在关节空间常用的两种规划方法

1）三次多项式函数插值

考虑机械手末端在一定时间从初始位置和方位移动到目标位置和方位的问题。利用逆运动学计算，可以首先求出一组起始和终了的关节位置．现在的问题是求出一组通过起点和终点的光滑函数。满足这个条件的光滑函数可以有许多条，如下图所示：

显然，这些光滑函数必须满足以下条件：

2）抛物线连接的线性函数插值

前面介绍了利用三次多项式函数插值的规划方法。另外一种常用方法是线性函数插值法，即用一条直线将起点与终点连接起来。但是，简单的线性函数插值将使得关节的运动速度在起点和终点处不连续，它也意味着需要产生无穷大的加速度，这显然是不希望的。因此可以考虑在起点和终点处，用抛物线与直线连接起来，在抛物线段，使用恒定的加速度来平滑地改变速度，从而使得整个运动轨迹的位置和速度是连续的。

（2）直角空间轨迹规划

前面介绍的在关节空间的规划，可以保证运动轨迹经过给定的路径点。但是在直角坐标空间，路径点之间的轨迹形状往往是十分复杂的，它取决于机械手的运动学机构特性。在有些情况下，对机械手末端的轨迹形状也有一定要求，如要求它在两点之间走一条直线，或者沿着一个圆弧运动以绕过障碍物等。这时便需要在直角坐标空间规划机械手的运动轨迹．

直角坐标空间的路径点，指的是机械手末端的工具坐标相对于基坐标的位置和姿态．每一个点由6个量组成，其中3个量描述位置，另外3个量描述姿态。

在直角坐标空间规划的方法主要有：线性函数插值法和圆弧插值法。

1.4轨迹的实时生产

前面轨迹规划的任务，是根据给定的路径点规划出运动轨迹的所有参数。

例如，在用三次多项式函数插值时，便是产生出多项式系数a0,a1,a2,a3从而得到整个轨迹的运动方程：

对上式求导，可以得到速度和加速度：

1.5路径的描述

前面讨论了在给定路径点的情况下如何规划出运动轨迹的问题。但是还有一个如何描述路径点并以合适的方式输入给机器人的问题。最常用的方法便是利用机器人语言。

用户将要现的动作编成相应的应用程序，其中有相应的语句用来描述轨迹规划，并通过相应的控制作用来实现期望的运动。