【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(guó)公司 ——AMF 公司也開(kāi)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(jiàn)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(lái)說(shuō)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(guó)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(jué)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(kāi)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(jué)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(guó)召開(kāi)了第一屆國(guó)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?gòu)V泛的普及 1970 技術(shù) ETL 公司發(fā)明帶視覺(jué)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(guó)機(jī)器人研究院成立 1975 工業(yè) Unimation 公司公布其第一次利潤(rùn) 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(jué)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(guó) ”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(jué)和觸覺(jué)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(jué)、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(wèn)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(shuō)明了機(jī)器人所具有的創(chuàng)新活力。 美國(guó)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(guó)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(guó)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(guò)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(guó) 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(guó) Unimation 公司締結(jié)國(guó)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(guó)產(chǎn)化。從此，日本進(jìn)入了開(kāi)發(fā)和應(yīng)用機(jī)器人技術(shù)時(shí)期。幾年后，美國(guó)反而要從日本進(jìn)口機(jī)器人。 1983年，美國(guó) 從日本進(jìn)口的機(jī)器人占美國(guó)總數(shù)的 78%。 我國(guó)工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r 我國(guó)工業(yè)機(jī)器人起步于 20 世紀(jì) 70 年代初，經(jīng)過(guò) 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(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的騰飛奠定了基礎(chǔ)。 目前我國(guó)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(jué)焊縫跟蹤裝置的開(kāi)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(kāi)發(fā)。 2)智能機(jī)器人開(kāi)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(kāi)發(fā) 這些研究開(kāi)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(kāi)發(fā)研究；機(jī)器人化無(wú)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(kāi)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(jué)、視覺(jué)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(guò)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(lái)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(lái)，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(lái)應(yīng)用的綜合系統(tǒng)；可以是直接 驅(qū)動(dòng)或者是通過(guò)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(lái)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(lái)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(kāi)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(lái)確定該點(diǎn)的位置。然而，即使物體的位置已確定，仍有無(wú)數(shù)種方法來(lái)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)?；谕瑯拥睦碛?，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(shuō)明這個(gè)問(wèn)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(méi)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(wú)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(wú)數(shù)種方法中只選擇出一種。例如，可以采用最優(yōu)程序來(lái)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(jiàn) 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(guò)操縱桿、鍵盤(pán)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(guò)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(guò) 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(jiàn)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