【正文】 如圖 所示。這是一臺(tái)用于壓鑄作業(yè)的五軸液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)器人，手臂的控制由一臺(tái)專用計(jì)算機(jī)完成。它采用分離式固體數(shù)控元件，并裝有存儲(chǔ)信息的磁鼓，能夠記憶完成 180 個(gè)工作步驟。與此同時(shí)，另一家美國公司 ——AMF 公司也開始研制工業(yè)機(jī)器人，即Versatran(Versatile Transfer)機(jī)器人，如圖 所示。它主要用于機(jī)器之間的物料運(yùn)輸，采用液壓驅(qū)動(dòng)。該機(jī)器人的手臂可以繞底座回轉(zhuǎn)，沿垂直方向升降，也可以沿半徑方向伸縮。 一般 認(rèn)為 ， Unimate 和 Versatran 是世界上最早的工業(yè)機(jī)器人 (見圖 )。這兩種工業(yè)機(jī)器人 的控制方式和數(shù)控機(jī)床大致相似，但外形特征迥異，主要有類似人的手和臂組成。 工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展歷史可用表 來說明。 工學(xué)學(xué)士論文 緒論 表 工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展歷史 年代 領(lǐng)域 事件 1955 理論 Denavit 和 Hartenberg 發(fā)展了齊次變換 1961 工業(yè) 美國專利 2998237， Gee devol 的 “編程技術(shù) ”、 “傳輸 ”(基于 Unimate 機(jī)器人 ) 1961 技術(shù) 第一臺(tái) Unimate 機(jī)器人安裝，用于壓鑄 1961 技術(shù) 有傳感器的機(jī)械手 MH1，由 Ernst 在麻省理工學(xué)院發(fā)明 1961 工業(yè) Versatran 圓柱坐標(biāo)機(jī)器人商業(yè)化 1965 理論 將齊次變換 矩 陣應(yīng)用于機(jī)器人 1965 技術(shù) MIT 的 Roborts 演示了第一個(gè)具有視覺傳感器的、能識(shí)別與定位簡(jiǎn)單積木的機(jī)器人系統(tǒng) 1967 理論 日本成立了人工手研究會(huì) (現(xiàn)改名為仿生機(jī)構(gòu)研究會(huì) )，同年召開了日本首屆機(jī)器人學(xué)術(shù)會(huì) 1968 技術(shù) 斯坦福研究院發(fā)明帶視覺的、由計(jì)算機(jī)控制的行走機(jī)器人 Shakey 1969 技術(shù) V． C． Sheinman 及其助手發(fā)明斯坦福機(jī)器臂 1970 理論 在美國召開了第一屆國際工業(yè)機(jī)器人學(xué)術(shù)會(huì)議。 1970年以后，機(jī)器人的研究得到迅速廣泛的普及 1970 技術(shù) ETL 公司發(fā)明帶視覺的自適應(yīng)機(jī)器人 1971 工業(yè) 日本工業(yè)機(jī)器人協(xié)會(huì) (JIRA)成立 1972 理論 R． P． Paul 用 D—H 矩陣計(jì)算軌跡 1972 理論 D． E． Whitney 發(fā)明操作機(jī)的協(xié)調(diào)控制方式 1973 理論 辛辛那提 米拉克隆公司的理查德 豪恩制造了第一臺(tái)由工學(xué)學(xué)士論文 緒論 小型計(jì)算機(jī)控制的工業(yè)機(jī)器人，它是液壓驅(qū)動(dòng)的，能提升的 有效負(fù)載達(dá) 45kg 1975 工業(yè) 美國機(jī)器人研究院成立 1975 工業(yè) Unimation 公司公布其第一次利潤 1976 技術(shù) 在斯坦福研究院完成用機(jī)器人的編程裝配 1978 工業(yè) 及其同事成立了機(jī)器人智能公司，生產(chǎn)出第一個(gè)商業(yè)視覺系統(tǒng) 1980 工業(yè) 工業(yè)機(jī)器人真正在日本普及，故稱該年為 “機(jī)器人元年 ”。隨后，工業(yè)機(jī)器人在日本得到了巨大發(fā)展，日本也因此而贏得了 “機(jī)器人王國 ”的美稱 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展，使機(jī)器人在功能和技術(shù)層次上有了很大的提高，移動(dòng)機(jī)器人和機(jī)器人 的視覺和觸覺等技術(shù)就是典型的代表。由于這些技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)了機(jī)器人概念的延伸。 20 世紀(jì) 80年代，將具有感覺、思考、決策和動(dòng)作能力的系統(tǒng)稱為智能機(jī)器人。這是一個(gè)概括的、含義廣泛的概 念。這一概念不但指導(dǎo)了機(jī)器人技術(shù)的研究和應(yīng)用，而且又賦予了機(jī)器人技術(shù)向深廣發(fā)展的巨大空間。水下機(jī)器人、空間機(jī)器人、空中機(jī)器人、地面機(jī)器人、微小型機(jī)器人等各種用途的機(jī)器人相繼問世，許多夢(mèng)想成為了現(xiàn)實(shí)。將機(jī)器人的技術(shù) (如傳感技術(shù)、智能技術(shù)、控制技術(shù)等 )擴(kuò)散和滲透到各個(gè)領(lǐng)域，便形成了各式各樣的新機(jī)器 ——機(jī)器人化機(jī)器。當(dāng)前，與信息技術(shù)的交互 和融合又產(chǎn)生了 “軟件機(jī)器人 ”、 “網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人 ”的名稱，這也說明了機(jī)器人所具有的創(chuàng)新活力。 美國的機(jī)器人技術(shù)一直處于世界領(lǐng)先水平。在 1967~1974 年的幾年時(shí)間里，因?yàn)檎畬?duì)機(jī)器人發(fā)展的重視不夠，且機(jī)器人處于發(fā)展初期，價(jià)格昂貴，適用性不強(qiáng)，所以發(fā)展緩慢。此后，由于美國機(jī)器人協(xié)會(huì)、制造工工學(xué)學(xué)士論文 緒論 程師協(xié)會(huì)積極主動(dòng)地進(jìn)行機(jī)器人技術(shù)推廣工作，且美國為了高效生產(chǎn)，適應(yīng)市場(chǎng)多變的需要，以機(jī)器人為核心的柔性自動(dòng)化生產(chǎn)線恰好具有這些優(yōu)點(diǎn)，所以機(jī)器人技術(shù)得以迅猛發(fā)展。 日本機(jī)器人的發(fā)展經(jīng)過了 20 世紀(jì) 60 年代的搖籃期， 70 年代的實(shí)用化時(shí)期以及 80 年代的普及、提高期三個(gè)基本階段。在 1967 年，日本東京機(jī)械貿(mào)易公司首次從美國 AMF 公司引進(jìn) Versatran 機(jī)器人。 1968 年，日本川崎重工業(yè)公司與美國 Unimation 公司締結(jié)國際技術(shù)合作協(xié)議，引進(jìn)Unimation 機(jī)器人。 1970 年，日本機(jī)器人實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化。從此，日本進(jìn)入了開發(fā)和應(yīng)用機(jī)器人技術(shù)時(shí)期。幾年后，美國反而要從日本進(jìn)口機(jī)器人。 1983年，美國 從日本進(jìn)口的機(jī)器人占美國總數(shù)的 78%。 我國工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r 我國工業(yè)機(jī)器人起步于 20 世紀(jì) 70 年代初，經(jīng)過 30 多年的發(fā)展， 90年代進(jìn) 入了適用化期，先后研制出了點(diǎn)焊、弧焊、裝配、噴漆、切割、搬運(yùn) 、包裝、碼垛等各種用途的工業(yè)機(jī)器人，并實(shí)現(xiàn)了一批機(jī)器人應(yīng)用工程，形成了一批機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化基地 ，為我國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的騰飛奠定了基礎(chǔ)。 目前我國機(jī)器人研究的主要內(nèi)容如下： 1)示教再現(xiàn)型工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化技術(shù)研究 這些研究主要包括：關(guān)節(jié)式、側(cè)噴式、頂噴式、龍門式噴涂機(jī)器人產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化，通用化、模塊化、系列化設(shè)計(jì)；柔性仿形噴涂機(jī)器人產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、系列化設(shè)計(jì)；弧焊機(jī)器人用激光視覺焊縫跟蹤裝置的開發(fā)；焊接機(jī)器人的離線示教編程及工作站系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真；電 子行業(yè)用裝配機(jī)器人產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、系列化設(shè)計(jì)；批量生產(chǎn)機(jī)器人所需的專用制造、裝配、測(cè)試設(shè)備和工具的研究開發(fā)。 2)智能機(jī)器人開發(fā)研究 這些研究主要包括：遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成和控制策略研究；智能工學(xué)學(xué)士論文 緒論 移動(dòng)機(jī)器人的導(dǎo)航和定位技術(shù)研究；面向遙控機(jī)器人的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)；人機(jī)交互環(huán)境建模系統(tǒng)；基于計(jì)算機(jī)屏幕的多機(jī)器人遙控技術(shù)。 3)機(jī)器人化機(jī)械研究開發(fā) 這些研究開發(fā)主要包括：并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)床 (VMT)與機(jī)器人化加工中心(RMC)開發(fā)研究；機(jī)器人化無人值守和具有自適應(yīng)能力的多機(jī)遙控操作的大型散料輸送設(shè)備。 4)以機(jī)器 人為基礎(chǔ)的重組裝配系統(tǒng) 這些研究主要包括：開放式模塊化裝配機(jī)器人；面向機(jī)器人裝配的設(shè)計(jì)技術(shù)；機(jī)器人柔性裝配系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)；可重構(gòu)機(jī)器人柔性裝配系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)；裝配力覺、視覺技術(shù)；智能裝配策略及其控制技術(shù)。 5)多傳感器信息融合與配置技術(shù) 該技術(shù)主要包括：機(jī)器人的傳感器配置和融合技術(shù)在水泥生產(chǎn)過程控制和污水處理自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用；機(jī)電一體化智能傳感器的設(shè)計(jì)應(yīng)用。工學(xué)學(xué)士論文 設(shè)計(jì)概述 2 設(shè)計(jì)概述 工業(yè)機(jī)器人的基本組成 工業(yè)機(jī)器人由三大部分六個(gè)子系統(tǒng)組成。三大部分是機(jī)械部分、傳感部分和 控制部分 [3]。六個(gè)子系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、機(jī) 械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、感受系統(tǒng)、機(jī)器人 ——環(huán)境交互系 統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，可用圖 來表示。 圖 機(jī)器人系統(tǒng)組成 六個(gè)子系統(tǒng)的作用分述如下： 1．驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 要使機(jī)器人運(yùn)行起來，需給各個(gè)關(guān)節(jié)即每個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度安置傳動(dòng)裝置，這就是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以是液壓傳動(dòng)、氣動(dòng)傳動(dòng)、電動(dòng)傳動(dòng)，或者把它們結(jié)合起來應(yīng)用的綜合系統(tǒng)；可以是直接 驅(qū)動(dòng)或者是通過同步帶、鏈條、輪系、諧波齒輪等機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行間接 驅(qū)動(dòng)。 工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)由基座、手臂、 末端操作器三大件組成 。每一大件都有若干自由度，構(gòu)成一個(gè)多自由度的機(jī)械系統(tǒng)。若基座具備行人機(jī)交互系統(tǒng) 控制系統(tǒng) 機(jī)械機(jī)構(gòu)系統(tǒng) 機(jī)器人 —— 環(huán)境交互系統(tǒng) 感受系統(tǒng) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 工學(xué)學(xué)士論文 設(shè)計(jì)概述 走機(jī)構(gòu)，則構(gòu)成行走機(jī)器人；若基座不具備行走及腰轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，則構(gòu)成單機(jī)器人臂 (Single Robot Arm)。手臂一般由上臂、下臂和手腕組成。末端操作器是直接裝在手腕上的一個(gè)重要部件，它可 以 是二手指或多手指的手爪，也可以是噴漆槍、焊具等作業(yè)工具。 感受系統(tǒng)由內(nèi)部傳感模塊和外部傳感模塊組成，用以獲取內(nèi)部和外部環(huán)境狀態(tài)中有意義的信息。智能傳感器的使用提高了機(jī)器人的機(jī)動(dòng)性、適應(yīng)性和智能化的水準(zhǔn)。人類的感受系統(tǒng)對(duì)感知外 部世界信息是極其靈巧的，然而，對(duì)于一些特殊的信息，傳感器比人類的感受系統(tǒng)更有效。 ——環(huán)境交互系統(tǒng) 機(jī)器人 ——環(huán)境交互系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人與外部環(huán)境中的設(shè)備相互聯(lián)系和協(xié)調(diào)的系統(tǒng)。工業(yè)機(jī)器人與外部設(shè)備集成為一個(gè)功能單元，如加工制造單元、焊接單元、裝配單元等。當(dāng)然，也可以是多臺(tái)機(jī)器人、多臺(tái)機(jī)床或設(shè)備、 多個(gè)零件存儲(chǔ)裝置等集成為一個(gè)執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)的功能單元。 人機(jī)交互系統(tǒng)是使操作人員與機(jī)器人控制并與機(jī)器人進(jìn)行聯(lián)系的裝置，例如，計(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)終端，指令控制臺(tái)，信息顯示板，危險(xiǎn)信號(hào)報(bào)警器等。該系 統(tǒng)歸納起來分為兩大類：指令給定裝置和信息顯示裝置。 控制系統(tǒng) 的任務(wù)是根據(jù)機(jī)器人 的作業(yè)指令程序以及從傳感器反饋回來的信號(hào)支配機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)去完成規(guī)定的運(yùn)動(dòng)和功能。假如工業(yè)機(jī)器人不具備信息反饋特征，則為開環(huán)控制系統(tǒng)；若具備信息反饋特征，則為閉環(huán)控制系統(tǒng)。根據(jù)控制原理，控制系統(tǒng)可分為程序控制系統(tǒng)、適應(yīng)性控制系統(tǒng)和人工智能控制系統(tǒng)。根據(jù)控制運(yùn)動(dòng)的形式，控制系統(tǒng)可分為點(diǎn)位控制和軌跡控制。 工學(xué)學(xué)士論文 設(shè)計(jì)概述 機(jī)器人的自由度 正如在工程力學(xué)課程中學(xué)到的，為了確定點(diǎn)在空間的位置，需要指定三個(gè)坐標(biāo)，就像沿直角坐標(biāo)軸的 x， y 和三個(gè)坐標(biāo)。同樣地，如果考慮一個(gè)三自由度的三維裝置，在它的工作區(qū)內(nèi)可以將任意一點(diǎn)放到所期望的位置。 同樣，要確定一個(gè)剛體 (一個(gè)三維物體，而不是一個(gè)點(diǎn) )在空間的位置，首先需要在該剛體上選擇一個(gè)點(diǎn)應(yīng)指定該點(diǎn)的位置，因此需要三個(gè)數(shù)據(jù)來確定該點(diǎn)的位置。然而，即使物體的位置已確定，仍有無數(shù)種方法來確定該物體的姿態(tài)。為了完全定位空間的物體，除了確定 物體上的所選點(diǎn)的位置外，還須確定 該物體的姿態(tài)。這就意味著需要六個(gè)數(shù)據(jù)才能完全確定剛體物體的位置和姿態(tài)。基于同樣的理由，需要六個(gè)自由度才能將物體放置到空間的期望位姿。如果少 于六個(gè)自由度，機(jī)器人的能力將受到很大的限制。 為了說明這個(gè)問題，考慮一個(gè)三自由度機(jī)器人，它只能沿 x， y 和 z 軸運(yùn)動(dòng)。在這種情況下，不能指定機(jī)械手的姿態(tài)。此時(shí)，機(jī)器人只能夾持物體做平行于坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)，姿態(tài)保持不變。再假設(shè)一個(gè)機(jī)器人有五個(gè)自由度，可以繞三個(gè)坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)，但只能沿 x 和 y 軸運(yùn)動(dòng)。這時(shí)雖然可以任意地指定姿態(tài)，但只能沿 x 和 y 軸而不可能沿 z 軸給部件定位。 具有七個(gè)自由度的系統(tǒng)沒有唯一解。這就意味著，如果一個(gè)機(jī)器人有七個(gè)自由度，那么機(jī)器人可以有無窮多種方法在期望位置為部件定位和定姿。為了使控制器知道具體怎么做， 必須有附加的決策程序使機(jī)器人能夠從無數(shù)種方法中只選擇出一種。例如，可以采用最優(yōu)程序來選擇最快或最短路徑到達(dá)目的地。為此，計(jì)算機(jī)必須檢驗(yàn)所有的解，從中找出最短或最快的響應(yīng)并執(zhí)行之。 課題組總框架 本課題 組 是一個(gè)完整的工業(yè)機(jī)器人遙操作嵌入式伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，工學(xué)學(xué)士論文 設(shè)計(jì)概述 由示教操作器、規(guī)劃器和嵌入式伺服控制器組成，總體框圖見 附錄一 。 操作器是操作人員控制工業(yè)機(jī)器人的人際交互系統(tǒng)，在操作端，操作者通過操縱桿、鍵盤等人機(jī)交互設(shè)備發(fā)出命令， 一方面 這些控制命令通過通信環(huán)節(jié)送往遠(yuǎn)端的機(jī)器人系統(tǒng)，另一方面通過 總線 通信，現(xiàn)場(chǎng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息都可以反饋到操作端 。操作 作者向遠(yuǎn)端機(jī)器人發(fā)出的指令既可以是低級(jí)的運(yùn)動(dòng)指令，也可以是高級(jí)的任務(wù)級(jí)指令 。 規(guī)劃器主要負(fù)責(zé)路徑規(guī)劃，即根據(jù)作業(yè)任務(wù)確定實(shí)時(shí)計(jì)算和生成運(yùn)動(dòng)軌跡。接收從操作器接受任務(wù)，完成路徑規(guī)劃，在發(fā)出給控制器命令。在規(guī)劃中，不僅要規(guī)定機(jī)器人的起始點(diǎn)和終止點(diǎn)，而且要給出中間點(diǎn) (路徑點(diǎn) )的位姿及路徑點(diǎn)之間的時(shí)間分配，即給出兩個(gè)路徑點(diǎn)之間的運(yùn)動(dòng)時(shí)間。 控制器除了接收上位機(jī)發(fā)出的命令外，主要負(fù)責(zé) 控制驅(qū)動(dòng)器和完成以速度為反饋信號(hào)的閉環(huán)控制。詳細(xì)信息見下一節(jié)。 控制器的功能 及設(shè)計(jì)思路 控制器的功能 控制器的功能