第二章机器人系统简介
2.1 机器人的运动机构（执行机构）
机器人的运动机构是机器人实现对象操作及移动自身功能的载体，可以大体
分为操作手（包括臂和手）和移动机构两类。对机器人的操作手而言，它应该象
人的手臂那样，能把（抓持装工具的）手依次伸到预定的操作位置，并保持相应
的姿态，完成给定的操作；或者能够以一定速度，沿预定空间曲线移动并保持手
的姿态，并在运动过程中完成预定的操作。移动机构应能将机器人移动到任意位置，并保持预定方位姿势。为此，它应能实现前进、后退、各方向的转弯等基本
移动功能。在结构上它可以象人、兽、昆虫，具有二足、四足或六足的步行机构，也可以象车或坦克那样采用轮或履带结构
2.1.1 机器人的臂结构
机器人的臂通常采用关节——连杆链形结构，它由连杆和连杆间的关节组
成。关节，又称运动副，是两个构件组成相对运动的联接。在关节的约束下，两
连杆间只能有简单的相对运动。机器人中常用的关节主要有两类：
(1) 滑动关节(Prismatic joint): 与关节相连的两连杆只能沿滑动轴做直
线位移运动，移动的距离是滑动关节的主要变量，滑动轴一般和杆的轴线重合或
平行。
(2)转动关节(Revolute joint): 与关节相连的两连杆只能绕关节轴做相对
旋转运动，其转动角度是关节的主要变量，转动轴的方向通常与轴线重合或垂
直。
杆件和关节的构成方法大致可分为两种：(1) 杆件和手臂串联连接，开链机
械手(2) 杆件和手臂串联连接，闭链机械手。
以操作对象为理想刚体为例，物体的位置和姿态各需要3 个独立变量来描
述。我们将确定物体在坐标系中位姿的独立坐标数目称为自由度（DOF（degree of freedom））。而机器人的自由度是由有关节数和每个关节所具有的自由度数决定的（每个关节可以有一个或多个自由度，通常为1 个）。机器人的自由度是独立的单独运动的数目，是表示机器人运动灵活性的尺度。（由驱动器能产生主动
动作的自由度称为主动自由度，不能产生驱动力的自由度称为被动自由度。通常
开链机构仅使用主动自由度）机器人自由度的构成，取决于它应能保证完成与目
标作业相适应的动作。分析可知，为使机器人能任意操纵物体的位姿，至少须
6DOF，通常用三个自由度确定手的空间位置（手臂），三个自由度确定手的姿态（手）。比较而言，人的臂有七个自由度，手有二十个自由度，其中肩3DOF，肘2 DOF，碗2DOF。这种比6 还多的自由度称为冗余自由度。人的臂由于有这样的冗余性，在固定手的位置和姿态的情况下，肘的位置不唯一。因此人的手臂能灵
活回避障碍物。对机器人而言，冗余自由度的设置易于增强运动的灵活性，但由
于存在多解，需要在约束条件下寻优，计算量和控制的难度相对增大。
典型的机器人臂结构有以下几种：
(1)直角坐标型(Cartesian/rectanglar/gantry) (3P)
由三个线性滑动关节组成。
三个关节的滑动方向分别和直角坐标轴x,y,z 平行。
工作空间是个立方体
(2)圆柱坐标型(cylindrical)(R2P)
由一个转动关节和两个滑动关节组成。
两个滑动关节分别对应于圆柱坐标的径向和垂直方向位置，一个旋
转关节对应关于圆柱轴线的转角。
工作区域为矩形截面的旋转体。
(3) 球坐标型(spherical) (2RP)
两个转动关节和一个滑动关节分别实现手的左右，上下及前后运动。
工作区域是扇形旋转体。
(4)关节坐标型(articulated/anthropomorphic)(3R)
用三个转动关节实现手在工作空间的任意定位。
工作区域是一个旋转体，其截面由转动关节转动行程角所确定的一
些弧线构成。
(5)平面关节型SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm)
由两个转动关节和一个滑动关节组成。
两个转动关节控制前后，左右运动；滑动关节实现上下运动。
工作区域是截面为矩形的旋转体
这里只给出了几种简单的臂结构。各类型结构的优缺点简要分析如下：
直角坐标型结构：三个关节分别沿着直角坐标的三坐标轴移动，几何运动直观，计算简单，便于控制。该结构刚度好，可得到较高精度。但机器人所占运行空间大，滑动关节密封性及操作的灵活性差。
多转动关节型：灵活性最强，可以避开一些障碍物到达操作点。运行所占空
间及占地面积小，关节易于密封。但是关节角与空间位置的关系复杂且相互关联，因此控制计算量大，控制相对复杂。
圆柱坐标型和球坐标型的优缺点介于上述两类结构之间。
平面关节型：结构简单，特别适合小型零件的插接装配。
注：机器人的腕和手（操作器）的结构略
2.1.1 机器人的移动机构
对机器人移动机构的基本要求是能承受机器人自身重力及操作过程中存在
的力和力矩，并保持平衡和具有一定的刚度；具有较高的机动性。
目前移动机构的主要类型有轮式、履带式、足式及其它（如机器鱼，爬壁机
器人等），下面对移动机器人的几种典型机构及特点给出简要介绍。
轮式移动机构：
轮式移动机构有移动平稳、机动性高、便于操纵等特点。但只适合在平坦地
面运行，不能上下阶梯、越沟。轮式移动机构一般具有三轮、四轮式两种，其中驱动轮用以驱动机器人运动，控制移动的速度，有时也用以控制移动方向；转向轮用以控制机器人移动方向；小脚轮和自由轮：用以支撑机器人保持平衡，
被动地适应机器人转向运动的要求。
几种轮式移动机构。三轮机构，四轮移动机构，全转向三轮移动机构，每个轮子都同时用作驱动和转向轮，能随时向任意方向做直线运动，这时三轮的轴线均与运动方向垂直。它也能作任意孤线运动，只要三轮轴线均通过弧线的曲率中心点，就可以作就地转动，以及完成这些运动的组合。因此，这类机构又称为全方位移动机构。
履带式移动机构
这是类似于履带坦克及拖拉机的移动机构，其特点是能在凹凸不平的地面上
行走，稳定性好，能跨越障碍物，爬越较大斜坡或阶梯。但是履带式移动机构运动方向的操纵，由左右履带的速度差值所控制。因此，转向时必出现滑动，阻力较大，转向半径及中心准确度较差。有关各种特效的履带移动机构，可参考有关文献。
步行式移动机构
步行式移动机构是指采用了类似人、兽或
昆虫用脚迈步移动的机构，有两足、四足、六
足、八足等移动机构，它们的特点是只需要离
散的着地点，能在平地也能在凹凸不平的地面
行走；能越过沟、穴等障碍物；能上、下阶梯，
具有较高的机动性。然而步行控制复杂，尤其
是对于双足机器人，步行的稳定性不易控制。
除了模仿人的两足步行机构外，还有模仿
兽类的四足步行机构，它有四条腿，通常每条腿
有三个自由度。还有模仿昆虫的六足步行机构，它有六条腿，每条腿通常有三个
自由度，共18 个自由度。这些机构能灵活地前进、后退、向左或向右以不同半
径转弯以及调整机器人离地高度及倾斜角度等。
2.2 机器人的驱动机构
驱动机构通常包括驱动机、减速及传递机构。
2.2.1 驱动机
常用于机器人的驱动机有液压、气压和电动驱动机。
液压驱动机的优点是能产生非常大的力（如在280×105 牛顿／米工作压力
下，2 厘米直径液压缸就能产生8000 牛顿力）。力矩-重量比值较高，能以体积
小重量轻的驱动器提供较大的驱动力，刚度大。缺点是：需液压动力源设备，内
部漏油及油温影响驱动特性；管理、维修技术要求高，一次性投资较高等。目前
液压执行机构主要用于大型机器人的驱动
气压驱动机的优点是：成本低，可靠性高，维修管理容易，无污染，不会失
火。缺点是：难于准确控制速度和位置，出力小，有噪声，易锈蚀等。一般用于
控制要求不高、出力要求不大的场合。
电动驱动机即指电机，它的优点是：便于控制，能实现快速精确的位置和速
度控制，信号处理方便，配线容易，比较清洁。缺点是：力矩一重量比值较低，
为得到低速大力矩，需使用减速器，并因减速器存在齿隙而引起一些控制问题。
常用的电机主要有步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机三种。其中直流伺服
电机应用最广，这是由于直流伺服电机的机械特性和控制特性好，调速范围宽，
起动力矩大，效率高等。随着电子技术的发展，近年来出现了采用电子换向技术
的直流无刷电机，避免了机械换向可能带来的火花问题。交流伺服电机的电源提
供简单，但控制相对复杂。步进电机直接用脉冲数字信号控制，控制简单，位置
控制准确。但一般效率较低，长期工作有丢步问题。一般用于小型普及型机器人。
还有一些特殊的驱动方式，如气囊驱动：英国的“Shadow”计划研制的双足
步行机器人的传动结构就是采用的气囊肌肉的方式进行驱动。它具有重量轻，输
出力大，柔顺性好等优点；记忆合金驱动器（SMA）：功率重量比大，驱动电压低，无噪音，无污染等优点；压电驱动器：体积小、精度高、响应快、输出力大，可
用于微动机器人。
关节的驱动方式有直接驱动方式和间接驱动方式两种。
直接驱动方式是驱动器的输出轴和机器人手臂的关节轴直接相连；这种方式
的优点是驱动器和关节之间的机械系统较少，因而能够减少摩擦、间隙等非线性
因素的影响，可以做到控制性能比较好。然而，在另一方面，为了直接驱动手臂
的关节，驱动器的输出力矩必须很大，此外，必须考虑手臂的动力学问题。
间接驱动方式是把驱动器的力通过减速器等传递给关节。大部分机器人的关
节是间接驱动。这种间接驱动，通常其驱动器的输出力矩大大小于驱动关节所需
要的力矩，所以必须使用减速器。
2.2.2 减速机构
减速机构的目的是把电动机输出的高转速小力矩的运动变换成低转速大力
矩的关节旋转运动，或变换成低速驱动力大的关节直线运动。描述减速机构的基
本参数是传动比，又称减速比。
传动比与传动效率
定义2.1 传动比i ：输入转速与输出转速之比
定义2.2 传动效率η ：输出功率与输入功率之比
在忽略传动机构功耗的情况下，输出转速是输入转速的1/ i ，输出
力矩是输入力矩的i 倍。
常用的减速机构有两类:旋转减速机构和平移减速机构。
旋转减速机构：
一般输入轴由电机带动作高速旋转运动，输出轴作低转速运动。主要有齿轮
减速机构、蜗轮－蜗杆减速机构、行星齿轮减速机构和谐波减速机构等。
齿轮减速机构
输入轴与输出轴可以平行（见图2.5(a)）也可以垂直相交（见图2.5(b)），转
速比即为输出齿轮的齿数与输入齿轮的齿数之比。一级齿轮减速比较小，且有齿
隙。为获得大减速比，通常需多级。
蜗轮－蜗杆减速机构
用于交错轴间传递运动与力，轴交角通常为90 度。它有较大的转速比。有
自锁功能（即在外力作用下能自行保持关节位
置）。但其机械效率低(＜60%)，且有齿隙。
行星减速机构
由太阳轮S、行星齿轮P、行星轮支架（即
转臂）C 和内齿轮A 组成。太阳轮位于行星减
速机构“太阳系”中心，是有外齿的中心轮。中
心轮是指与行星齿轮相啮合，且轴线固定的齿
轮。行星齿轮在转臂的带动下围绕太阳轮做行
星运动，行星齿轮既有公转，又有自转。内齿
轮位于行星减速机构的最外侧，是具有内齿的
中心轮。
用Z 表示齿数，ω 表示转速，即ZS 表示太
阳轮齿数，ZA 表示内齿轮齿数。为表示各组件
间的运动关系，将传动比表示为 a
ibc ，其中上标
a 表示固定件，下标
b 表示主动件
c 表示从动
件太炎；传动比为正，表示主动件与从动件转向
相同，传动比为负，表示主动件与从动件转向相
反。
(1)转臂固定，太阳轮与输入轴相连，内齿轮
与输出轴相连时
太阳轮顺时针旋转一周，带动行星轮逆时针
转过ZS 个齿，从而带动内齿轮也转过ZS 个齿，即ZS / ZA 周.当转臂不是固定件时，可采用转臂固定法来计算传动比。转臂固定法的基本
思想是：根据相对运动原理，如果给整个行星机构加上一个与转臂C 的角速度C ω
大小相等、方向相反的公共角速度?ωC ，则行星机构中各构件之间的相对运动关
系仍然保持不变。
(2)内齿轮固定，太阳轮与输入轴相连，转臂与输出轴相连时 ....
行星减速机构的特点是机械效率高，具有中等程度的减速比，但有齿隙。
谐波减速机构
谐波减速机构一般由波形发生器
H、柔轮A 和刚轮B 三个基本构件组成。
波形发生器(Wave Generator)是椭圆形凸
轮。通常将波形发生器装在电机轴上。
柔轮(又称Flex Spline)是由弹性金属制
成具有外齿；刚轮(又称Circular Spline)
是有内齿的圆形刚体构件，内齿的大小
与柔轮外齿的大小相同，但齿数多于柔
轮外齿。
谐波齿轮传动是在谐波发生器H 的作用下迫使柔轮 A 产生弹性变形，并与
刚轮B 相互啮合而实现传递运动或动力的目的。它的主要特征是：在H 的作用
下，柔轮A 的各点依次与刚轮啮合时，柔轮A 各点的径向位移随转角的变化为
一基本对称的简谐波，这也是该机构被称为谐波减速机构的原因。传动比可如下计算：
(1)刚轮B 固定，波形发生器H 与输入轴相连，柔轮A 与输出轴相连时。
凸轮转一周时，柔轮沿相反方向转过ZB-ZA 个齿，相当于(ZB-ZA)/ZA 转。(2)柔轮固定，凸轮与输入轴相连，刚轮与输出轴相连时
当凸轮转一周时，刚轮沿相同方向转过ZB-ZA 个齿
谐波减速机构具有以下特点：(1) 结构简单，体积小，重量轻体积小，构造
简单，减速比大。(2)传动比大，且传动比范围宽。(3)传动精度高。(4)齿面磨损小，且均匀。(5) 传动效率高。(6)间隙（空回量）小，甚至可实现无间隙传动。(7)运动平稳，无冲击。(8)同轴性好。也有一些局限性：(1) 传动比下限值较高。
(2)柔轮和波发生器的制造较复杂，制造成本较高。(3)一般不能做成相交轴和交
错轴的传动机构。
平移减速机构：将旋转运动转换为平移运动，输入与高速旋转的电机轴相连，
输出与滑动关节相连。常用的有齿轮齿条机构和滚珠丝杠等。
此外，为了减轻各关节驱动器的负载，解决安装空间的限制和实现机器人臂
的重力平衡，机器人的驱动机构常常不能直接安装在关节上带动臂运动，而是安装在适当的位置（如基座）通过转递机构实现力或力矩的传输，如可采用链条等间接驱动机构。
2.3 机器人控制系统
2.3.1 机器人的典型运动方式
分析机器人在各类作业中的运动，可以看到两种基本运动形式：点－点
PTP(Point to Point)运动和连续CP(Continual Path)运动
点－点的运动：机器人只在某些指定点上进行操作。因此只要求在这些点上，
操作器应有准确的位置和姿态，以保证操作质量。对于操作器在各相邻点间的运动（包括路径和姿态）不做任何规定。如进行点焊。上料、下料、搬运等作业。连续的运动：指机器人沿指定轨迹运动的同时进行连续操作的运动过程。因
此，要求机械手末端的操作器严格按预定轨迹运动，才有可能完成作业要求。如用于喷漆、弧焊等作业。显然，连续运动可以看作是密集的PTP 运动的总和，
点和点之间的轨迹可用折线近似。只要预定点足够密，就可以用点－点运动控制的方法实现所需精度的连续运动。
2.3.2 机器人控制系统分类
控制系统的结构和工作原理与机器人的功能和精度要求有密切的关系。机
器人控制系统从基本原理和系统结构上可分为两类：非伺服型系统和伺服型系统。
非伺服型系统包括不采用反馈信号的开环非伺服型系统和仅采用开关反馈
的非伺服型系统，一些采用步进电机控制的机器人均属于这种类型。非伺服型控制系统适用于作业相对固定，操作程序简单，运动要求不很高的作业。采用这类控制系统的机器人，具有价格低廉，操作、安装和维护简单，可靠性较好等特点。伺服型控制系统：主要特点是系统中采用传感器测量关节参数，如关节位置、
速度，并反馈到驱动器构成闭环伺服系统。在伺服系统控制下，能保证机器人各关节准确跟踪给定位置、速度，能根据要求完成复杂、灵巧的操作。几乎所有的多功能、高性能的机器人，均采用伺服型控制系统
近年来出现的各种智能型机器人控制系统：在伺服型系统的基础上，增加了
环境检测，构成机器人总体的闭环反馈控制系统，增加了决策功能，并使系统具有自主性。
2.3.3 机器人控制系统
本节以工业机器人的控制系统为例来介绍机器人的控制系统。
机器人控制系统在结构上是分层结构的计算机控制系统。一般的工业机器人
系统由伺服控制和协调控制层组成。协调层由协调控制计算机及其外围设备组成，用以接受作业指令，完成个关节运动的协调计算等功能。伺服控制层由一组伺服系统组成，用以控制机械系统各关节跟随指定轨迹运动。
系统工作过程简述如下：操纵者利用控制计算机的键盘或者示教盒输入作业
要求，如要求机械手末端由A 点沿直线运动到B 点。协调层计算机接到指令后
完成以下工作：(1)分析解释指令，确定运动参数;(2)进行插值计算;(3)进行坐
标变换，得到相应的各关节协调运动参数;(4)将关节运动参数输出到伺服控制
级，作为各伺服系统的给定信号。伺服系统实现各关节的跟踪运动，从而控制机械系统完成运动。
协调控制计算机
完成从任务、运动指令到关节运动之间的全部运算，这些任务需要特定的
协调控制软件来完成，协调控制软件的功能主要包括：指令的分析解释；运动规划；根据运动规划和轨迹关键点规划出沿轨迹的运动参数，并通过插值计算，得到适当密度的中间点；完成坐标变换（作业空间坐标与关节空间坐标等），得到关节的指令参数。有关坐标变化、运动规划等内容将在后续章节中详细讨论。
伺服控制系统
机器人的每个关节分别由一个伺服系统驱动。系统的输入来自协调控制级
输出的关节运动参数。系统控制各关节机械运动跟踪输入值。
电伺服控制系统通常由控制器、驱动器（功放等）、电机、位置传感器，速
度传感器及制动器组成。电机输出轴通过传动机构与机器人的关节相联。制动器在失电时使关节能自行制动，保持静止状态。
驱动器及电机（略）
位置速度传感器
位置、速度传感器用以测量关节位置和速度，并用作反馈信号，构成具有预
期静态和动态特性的位置（或速度）伺服系统。用于机器人的位置传感器有电位计、差动变压器、光码盘和旋转变压器等。其中光码盘的可靠性、准确性较高，应用最广。现将其基本工作原理简述如下：
光码盘由光源、光敏元件、编码盘和
信号处理电路组成，它的工作原理如图2.9
所示。光码盘有两类：绝对式光码盘和增
量式光码盘（又称相对码盘）。其主要差别
是所用码盘编码格式不同。图2.10(a)是四
位绝对式光码盘，含四道码环。其中黑色
为不透光部分，白色为透光部分。一个N
位绝对码盘有：N 道码环，N 个沿半径方
向、对准各码环分布的光源和光敏器件
对．工作时光线透过码盘，经光敏器件接
收，信号处理电路放大整形后输出与码盘位置对应的二进制位置信号。当然，码盘也可以按照其它方式编码，如格雷码等。图2.10(b)是增量式光码盘，它含三
道码环，其中A、B 道的编码图形完全相同，但布置上相差半个窄缝。主要用以测量位置的变化及方向。C 道只有一个窄缝，用以校准初始位。有三个沿半径对准各码环分布的光源、光敏器件对。当位置变化时，光线透过码盘的情况也改变，经接收放大后输出测量信号。
在等速运动时对应码道A、B 的测量信号是等宽脉冲信号，脉冲的频率反映
位移的速率，脉冲数反映位置变化的增量值，而波形相位的领先或落后反映位移方向是正向或反向。
以长春第一光学仪器厂生产的增量码盘产品LBJ-007-500 为，每转脉冲数为500，经过四细分电路，可得2000 脉冲/转，角度分辨率可达：0.18deg；输出方式为长线驱动，电源电压：5±0.25V。尺寸：φ38*40mm，重量：100g。
制动器：
一般由电磁铁、摩擦盘等组成，工作时电磁铁线圈通电，街铁吸合，并与
固定在电机轴上的摩擦盘脱开，这时轴可自由转动．当失电时，衔铁在弹簧作用
下打开，并紧压在摩擦盘上，产生足够大的摩擦力制动。制动器结构多种多样的，目前一些电机产品本身即带有制动器。
控制器
控制器的基本部件是比较器、误差放大器和补偿器。输入信号除参考输入外，
还有各种反馈信号及前馈信号，构成具有位置、速度反馈和前馈补偿的伺服系统
控制器可以采用模拟器件，也可以采用数字器件（如微处理器）。目前大多采用
微处理器与必要的模拟器件的组合构成伺服控制器，控制参数由软件设定，便于
实现各种控制算法，获得高的性能指标。
伺服驱动系统的技术要求
伺服系统是把指令变为现实运动的关键设备。它的品质直接影响机器人的
性能。作为机器人用伺服系统的要求，可表示为静态特性，动态特性及抗扰性等
三个方面。
静态性能：要求系统静态位置误差小，以保证机器人的重复定位精度。要求
调速范围大，速度误差小，以保证机器人各种运动速度对精度的要求。
动态性能：要求系统快速、平稳、无超调，以保证机器人动态跟踪精度，防
止碰撞。
抗扰性能：要求系统具有较强的抗于扰能力及鲁棒性能。由于机器人作业内
容的多样性和复杂性，以及机器人机械系统的特点，使伺服系统的参数和负载力
矩在作业过程中有快速、大幅度的变化，并且各伺服系统间有相互影响，要求系
统在此情况下保持稳定。
2.3.4 机器人控制系统实例
1.PUMA 工业机器人的控制系统
PUMA 机器人的控制系统可分为协调控制级和伺服控制级。
协调控制级
包括由LSI-11 处理器为CPU 的控制计算机及其外围设备组成。控制机采用
VAL 机器人语言完成编程工作，并进行协调控制计算（包括运动的规划、插值和
坐标变换等）。最后每28ms 输出六个伺服系统的给定位置信号。
伺服控制级
包括六套伺服系统，各系统的输入是协调层输出的给定关节位置信号qd ，
输出为关节实际位置。系统选用直流伺服电机、增量式光码盘分别作为系统的驱
动和测量元件，由速度放大器、晶体管脉冲调宽功率放。大器和脉冲频率、电压
变换器构成速度反馈回路。由微处理器6503μp 构成位置反馈环，其功能是每
28ms 接收伺服控制计算机给定的位置信号，并完成间隔为0.875ms 的插值计算。伺服控制回路的控制周期为0.875ms,即每0.875ms 读入关节实际位置，与所得
插值比较，将误差信号放大经DAC 输出并传递到驱动关节的模拟伺服板。
2.仿人机器人P2/P3/Asimo 的控制系统结构及功能分布
控制器: a control computer with 4 microprocessors(micro SPARCⅡ）
操作系统：VxWorks
对于仿人机器人的控制系统而言，伺服控制级和协调控制级构成了运动控制
子系统，为使系统具有灵活的移动能力，不仅需要各关节状态的局部反馈，还需
要又反映整体运动状态的身体姿态、脚底受到的力、力矩等传感信息，并在此基
础上增强对环境的感知能力（如视觉等），以这些信息为基础，进行决策。
2.4 RM-501 机器人控制系统
RM-501 机器人是日本三菱电气株式会社生产的轻型关节式5 自由度机器
人，由直流电机驱动。
图2.13 仿人机器人P2 控制系统结构（P3/ASIMO 的控制系结构与之类似）
图2.14 RM-501 机械结构
2.4.1.性能及参数
（1）主要技术指标
运动范围: 腰旋转300°
肩部旋转130°
肘部旋转90°
腕部俯仰±90°
腕部旋转±180 °
允许抓重: ≤1.2kg（包括手重）(腕端面速度为100mm/s 时）
最大合成速度：400mm/s（指腕端面）
位置重复精度：±0.5mm（小于绝对误差）
驱动装置：直流伺服电机
主体重：27kg
图2.15 RM-501 机器人运动范围
（2）控制系统组成及性能
速度设定：0～9 级
位置设定点数≤629
存储器: ROM: 32k 系统,8k 用户;
RAM:32k
外部I/O: 8in/8out
2.4.2.驱动单元的硬件结构
驱动单元是单CPU 结构，包括：电源板、CPU 板、伺服控制板、输入/输出
接口板。
电源板将交流220V 电压转换称24v、±5V、±12V 等直流电压，供控制电
路及伺服电机使用；CPU 板用Z80CPU,主频4MHz，用EPROM 存储系统程序，并有RAM 。此板是整个驱动单元的核心。伺服控制板控制电机转动；输入输出
接口板可使驱动单元与示教盒、上位机及其它外围信号相连。这里仅对伺服控制
和输入输出接口加以说明。
（1）伺服控制
驱动单元对伺服电机控制的基本原理(见图2.17)。CPU 发出的是脉冲序列，
每一个脉冲使伺服电机转一个相应的角度（称脉冲当量角）。CPU 在发表示转角增量的脉冲序列的同时，给出增量的方向。控制逻辑根据转向要求，将脉冲送到
计数器的加端（或减端）。伺服电机的转动由增量式光码盘检测，转换逻辑将码
盘的信号转换成表示转过角度的脉冲信号和转向信号，控制逻辑根据并按转向，
将转角反馈脉冲送到计数器的减端（或加端）。这样，12bit 加/减计数器的值就相当于电机转动给定值与反馈值之差。计数器的输出经变补器和D/A 变换等环节（高位放大器相当于非线性的D/A 变换），在D 端产生电压，驱动电机转动，直到计数器的值小到不能使电机再转为止。
由于计数器的输出为补码，而下面的D/A 和高位放大器接受的只能是原码，
因此计数器的输出需要变补。
计数器中值的正负通过Q11 反映出来的，用它来产生电机正反转控制信号
PR 和NR。PR 和NR 用于控制施加到电机电枢上的电压极性：
误差为正时：PR=1,NR=0；
误差为负时：PR=0,NR=1；
越限时：PR=0，NR=0。
伺服电机的驱动电路通过三极管切换电机两端的电压来实现电机正反转的：当计数器的值为正时: PR=1，NR=0。此时T1 截止，T2 饱和，T3 截止，T4 饱和。m1 点电位随控制电路输出端D 的电位变化，m2 接近地电位，电机
正转。当计数器的值为负时: PR=0，NR=1。
T1 饱和，T2 截止，T3 饱和，T4 截止。m2 点电位随D 的电位变化，m1 接近地电位，电机反转。
当计数器的绝对值过大时: PR=0，NR=0(可能是CPU 发的脉冲频率过高，
要求电机转的速度过快，或是关节转动部分有故障，造成给定与反馈误差过
大)，T1 和T2 都截止，电机两端电位差接近零，电机停转。
末端夹持器的控制
力的大小可控: 控制口87H 的D0～D2
手爪状态可控: 控制口85H 的D0 、D1。
D1D0=00 打开；D1D0=10 夹；D1D0=×1 松弛
(2)输入/输出板
RM-501 驱动单元与计算机的接口
(a)Centronics 标准并行口
加上并行接口电路后，可用标准电缆将其与主计算机的打印口相连。
主计算机可使用高级语言的打印语句，将命令或数据传给驱动单元。
(b)RS-232 标准串行口
I/O 口8255 并行接口芯片+光隔
EPROM 写入器接口
2.4.
3.示教盒
示教再现是工业机器人的基本
功能之一，示教再现即先用示教盒
控制机器人各关节运动，并记录机
器人在完成一个作业的动作序列
（点），需要时让机器人将这一动作
序列复现出来。
2.4.4.RM-501 机器人的控制模式及控制命令
除了用示教盒控制机器人的运动外，RM-501 机器人有四种控制模式：试验
模式、PC 模式、编辑模式和ROM 模式，其中最常用的是PC 模式，这种模式用上级计算机作为监控机，向驱动单元发送操作命令，发送一条，执行一条，此时，示教盒上的切换开关应置于”off”状态。
RM-501 机器人的驱动单元提供了38 条智能操作命令，其中动作命令16 条，
I/O 命令6 条，程序控制命令16 条。其中最常用的有:
NT—机械复位
RS—当命令传送或执行有错时，错误指示灯亮，不能继续工序，执行RS 命
令后可以消除错误状态
NW—清除驱动单元RAM 中的所有数据
PS a0，a1，a2，a3，a4，a5，a6—位置设定命令，其中a0 是设定的位置编号，a1，a2，a3，a4，a5 分别是五个关节从运动原点到所设定的位置需走过的步数，a6 始终为零。前面已经指出，发给伺服电机的是脉冲序列，每发一个脉
冲转一个脉冲当量角，a1，a2，a3，a4，a5 即为个关节转角相对应的脉冲数。值得注意的是，手腕运动与a4+a5 及a4－a5 有关，a4+a5 对应腕俯仰，a4－a5 对应腕旋转。
初始位置在机械原点，或是执行了NT 命令后，a1～a5 的参数范围如表2.3
所示。
SP a—设定运动速度等级，0 ≤a ≤9，a=0 时速度最低，a=9 时速度最高。
MI a1，a2，a3，a4，a5，a6—相对运动命令，各关节分别运动由a1～a5 确
定的步数，a1～a6 的意义与PS 命令相同。
MO a—使机器人运动到a 号位置。
表2.3 参数范围
关节参数范围角度当量
腰－12000≤a1 ≤0 0.025°/每步
肩－5200 ≤a2 ≤0 0.025°/每步
肘0 ≤a3 ≤3600 0.025°/每步
腕(俯仰) 0 ≤a4-a5 ≤4800 0.075°/每步
腕(旋转) -9600 ≤a4+a5 ≤9600 0.075°/每步
2.4.5 RM-501 控制软件
(1)RM-501 软件结构
驱动单元的监控程序固化在EPROM(2732*3)中，占用12k 字节的存储区，
地址为0000H～2FFFH，前8k 中存放的是控制程序及一些数据表格，后4k 中存放的全是数据。软件功能主要有: 实现示教盒的示教功能; 接收并执行38 个智能命令并执行。
开机后，先初始化。然后，若示教盒上的开关打开，则调用示教盒管理程
序，否则，调用智能命令解读与执行程序。
示教盒管理程序
示教盒上的24 个键分成3 组，每组用一个字节表示8 个按键的
状态，三个口地址分别为08H、09H、0AH。
软件为每一按键规定了一个键码，双功能键则对应两个键码，根
据键码即可找到对应该键功能的子程序。
智能命令的解读与执行
每个智能命令对应一个代码，根据内部代码就可查到参数处理入口
地址和命令执行入口地址。
将接收到的命令转换成内部码
命令由两个字母组成，通过两级查表即可找到内部码
根据内部码查找参数处理入口地址
根据内部码查找命令执行程序入口地址。
(2)运动控制算法
在前面的驱动器硬件原理中已提到，电机的转动靠CPU 发脉冲控制，每发
一个脉冲，电机转一个固定的角度。这里主要分析一下RM-501 如何进行速度控制和如何使各个轴同步运动。
转速控制
RM-501 的转速分10 级，CPU 发脉冲的频
率越高(脉冲时间间隔越短)，电机的转速就越
快。在控制电路允许的运行频率范围内，改变
脉冲频率，就可以改变电机的转速。为保证运
动平稳，各关节的转速给定不应该有突变。
RM-501 采用直线加减速控制，各轴转速按右图所示的梯形规律变化。
为提高控制的实时性，减少计算量，RM-501 将加减速度段的数据以表格的
形式预先放入存储器中,控制时用查表法取出这些数据。对于每一级转速，都有
一条升速曲线和一条降速曲线与之对应。每条曲线以脉冲时间间隔的形式存放。同步控制
当机器人手爪从一个位姿改变为另一个位姿时，各关节转过的角度可能是
很不同的。如果速度相同，各轴动作完成的时间有早有晚，手爪所经过的轨迹会是很不规则的。较好的方法是使各个关节同时启动，同时到达目标点，这样手爪的轨迹较接近直线。这种使各关节同时启停的控制即同步控制。RM-501 采用控制算法使各关节的脉冲序列在同一时间段内几乎呈均匀分布，达到同时起停、转速均匀的目的。
虽然RM-501 机器人的控制系统采用的器件显得不够先进，但它的控制系统
的体系结构及控制思路并不落后于近年来出现的工业机器人的控制，仍值得借鉴。
2.5 本章小结
本章简要介绍了机器人的运动机构、驱动及减速机构，以及控制系统（特别
是伺服系统部分）的组成，目的是给出机器人的一个比较完整的框架，使读者初步了解机器人的构建和控制需要解决哪些基本问题。
设计题目(1)
从本章开始，可以将所学到的知识用于一个简单机器人的设计中。例如，设计一个固定基座的机器人，它的末端可以在三维工作空间内沿任意轨迹运动（只要求机器人末端的位置轨迹，对机器人末端的姿态不做要求）。通过本章的学习，应能解决以下问题：
(1) 至少需要几个自由度？
(2) 设计机器人本体的结构，画出它的工作空间。
(3) 为实现关节轨迹的精确跟踪，伺服控制系统应包含哪些基本组件？
(4) 各关节间的协调控制是否必要？协调控制应具有哪些基本功能？
第二章机器人系统简介 2.1 机器人的运动机构（执行机构） 机器人的运动机构是机器人实现对象操作及移动自身功能的载体，可以大体 分为操作手（包括臂和手）和移动机构两类。对机器人的操作手而言，它应该象 人的手臂那样，能把（抓持装工具的）手依次伸到预定的操作位置，并保持相应 的姿态，完成给定的操作；或者能够以一定速度，沿预定空间曲线移动并保持手 的姿态，并在运动过程中完成预定的操作。移动机构应能将机器人移动到任意位置，并保持预定方位姿势。为此，它应能实现前进、后退、各方向的转弯等基本 移动功能。在结构上它可以象人、兽、昆虫，具有二足、四足或六足的步行机构，也可以象车或坦克那样采用轮或履带结构 2.1.1 机器人的臂结构 机器人的臂通常采用关节——连杆链形结构，它由连杆和连杆间的关节组 成。关节，又称运动副，是两个构件组成相对运动的联接。在关节的约束下，两 连杆间只能有简单的相对运动。机器人中常用的关节主要有两类： (1) 滑动关节(Prismatic joint): 与关节相连的两连杆只能沿滑动轴做直 线位移运动，移动的距离是滑动关节的主要变量，滑动轴一般和杆的轴线重合或 平行。 (2)转动关节(Revolute joint): 与关节相连的两连杆只能绕关节轴做相对 旋转运动，其转动角度是关节的主要变量，转动轴的方向通常与轴线重合或垂 直。 杆件和关节的构成方法大致可分为两种：(1) 杆件和手臂串联连接，开链机 械手(2) 杆件和手臂串联连接，闭链机械手。 以操作对象为理想刚体为例，物体的位置和姿态各需要3 个独立变量来描 述。我们将确定物体在坐标系中位姿的独立坐标数目称为自由度（DOF（degree of freedom））。而机器人的自由度是由有关节数和每个关节所具有的自由度数决定的（每个关节可以有一个或多个自由度，通常为1 个）。机器人的自由度是独立的单独运动的数目，是表示机器人运动灵活性的尺度。（由驱动器能产生主动 动作的自由度称为主动自由度，不能产生驱动力的自由度称为被动自由度。通常 开链机构仅使用主动自由度）机器人自由度的构成，取决于它应能保证完成与目 标作业相适应的动作。分析可知，为使机器人能任意操纵物体的位姿，至少须 6DOF，通常用三个自由度确定手的空间位置（手臂），三个自由度确定手的姿态（手）。比较而言，人的臂有七个自由度，手有二十个自由度，其中肩3DOF，肘2 DOF，碗2DOF。这种比6 还多的自由度称为冗余自由度。人的臂由于有这样的冗余性，在固定手的位置和姿态的情况下，肘的位置不唯一。因此人的手臂能灵 活回避障碍物。对机器人而言，冗余自由度的设置易于增强运动的灵活性，但由 于存在多解，需要在约束条件下寻优，计算量和控制的难度相对增大。 典型的机器人臂结构有以下几种： (1)直角坐标型(Cartesian/rectanglar/gantry) (3P) 由三个线性滑动关节组成。 三个关节的滑动方向分别和直角坐标轴x,y,z 平行。 工作空间是个立方体 (2)圆柱坐标型(cylindrical)(R2P) 由一个转动关节和两个滑动关节组成。 两个滑动关节分别对应于圆柱坐标的径向和垂直方向位置，一个旋 转关节对应关于圆柱轴线的转角。 工作区域为矩形截面的旋转体。 (3) 球坐标型(spherical) (2RP) 两个转动关节和一个滑动关节分别实现手的左右，上下及前后运动。 工作区域是扇形旋转体。 (4)关节坐标型(articulated/anthropomorphic)(3R)
机器人的动力学控制 The dynamics of robot control 自123班 庞悦 3120411054
机器人的动力学控制 摘要：机器人动力学是对机器人机构的力和运动之间关系与平衡进行研究的学科。机器人动力学是复杂的动力学系统，对处理物体的动态响应取决于机器人动力学模型和控制算法。机器人动力学主要研究动力学正问题和动力学逆问题两个方面，需要采用严密的系统方法来分析机器人动力学特性。本文使用MATLAB 来对两关节机器人模型进行仿真，进而对两关节机器人进行轨迹规划，来举例说明独立PD 控制在机器人动力学控制中的重要作用。 Abstract: for the robot dynamics is to study the relation between the force and movement and balance of the subject.Robot dynamics is a complex dynamic system, on the dynamic response of the processing object depending on the robot dynamics model and control algorithm.Kinetics of robot research dynamics problem and inverse problem of two aspects, the need to adopt strict system method for the analysis of robot dynamics.This article USES MATLAB to simulate two joints, the robot, in turn, the two joints, the robot trajectory planning, to illustrate the independent PD control plays an important part in robot dynamic control. 一 动力学概念 机器人的动力学主要是研究动力学正问题和动力学逆问题两个方面，再进一步研究机器人的关节力矩，使机器人的机械臂运动到指定位臵，其控制算法一共有三种：独立PD 控制，前馈控制和计算力矩控制，本文主要介绍独立PD 控制。 动力学方程：)()(),()(q G q F q q q C q q M +++=? ????τ
第1章人工智能概述课后题答案 1.1什么是智能?智能包含哪几种能力？ 解：智能主要是指人类的自然智能。一般认为，智能是是一种认识客观事物和运用知识解决问题的综合能力。 智能包含感知能力，记忆与思维能力，学习和自适应能力，行为能力 1.2人类有哪几种思维方式?各有什么特点？ 解：人类思维方式有形象思维、抽象思维和灵感思维 形象思维也称直感思维，是一种基于形象概念，根据感性形象认识材料，对客观对象进行处理的一种思维方式。 抽象思维也称逻辑思维，是一种基于抽象概念，根据逻辑规则对信息或知识进行处理的理性思维形式。 灵感思维也称顿悟思维，是一种显意识与潜意识相互作用的思维方式。 1.3什么是人工智能?它的研究目标是什么？ 解：从能力的角度讲，人工智能是指用人工的方法在机器（计算机）上实现智能；从学科的角度看，人工智能是一门研究如何构造智能机器或智能系统，使它能模拟、延伸和扩展人类智能的学科。 研究目标： 对智能行为有效解释的理论分析； 解释人类智能； 构造具有智能的人工产品； 1.4什么是图灵实验？图灵实验说明了什么？ 解：图灵实验可描述如下，该实验的参加者由一位测试主持人和两个被测试对象组成。其中，两个被测试对象中一个是人，另一个是机器。测试规则为：测试主持人和每个被测试对象分别位于彼此不能看见的房间中，相互之间只能通过计算机终端进行会话。测试开始后，由测试主持人向被测试对象提出各种具有智能性的问题，但不能询问测试者的物理特征。被测试对象在回答问题时,都应尽量使测试者相信自己是“人”，而另一位是”机器”。在这个前提下，要求测试主持人区分这两个被测试对象中哪个是人，哪个是机器。如果无论如何更换测试主持人和被测试对象的人，测试主持人总能分辨出人和机器的概率都小于50%，则认为该机器具有了智能。 1.5人工智能的发展经历了哪几个阶段？ 解：孕育期，形成期，知识应用期，从学派分立走向综合，智能科学技术学科的兴起
扫地机器人工作原理 导语：扫地机器人，这东西想必大家都有听说过，或许现在很 多朋友家里都有准备吧。毕竟作为新时代的高科技产物，扫地机器人的确是一种非常好的家用电器了。尤其是对于长期处于繁忙工作中的人们而言，有了这么一个扫地机器人就不用每天都扫地了。不过大家真的了解扫地机器人吗，清楚它的工作原理和使用事项吗?下面我们 就一起来看看扫地机器人。 扫地机器人，其实也叫做是自动扫地机或者是智能吸尘器等等，是我们现代日常生活中比较常见的一种智能家用电器产品。其具有一定的人工智能，所以能够自动杂家里完成一定的地板清理工作。现代人工作都是非常繁忙的，所以经常可能没有时间来清扫地面，而这个扫地机器人能够随时随地的自动扫地，对于我们忙碌的生活而言，的确是非常好的家务小帮手了。 扫地机器人是一种无线机器，通常造型是圆盘型。其机身往往 是一种自动化技术的可移动装置，内部则是一种有集尘盒的真空吸尘装置，当机器人在启动的时候装置就能够配合机器人的机身设定好既定的路径，进而在室内的地面上反复的行走，清扫路线上出现的各种垃圾。并且扫地机器人往往还有着自动转弯的功能，当机器人触碰到墙壁或者是障碍物的时候，它就能自动转弯，走不同的路线进行清扫工作。 1、无论怎样，扫地机器人都是一种电器产品，自然是受不得潮湿的威胁的。因此在使用扫地机器人的过程中要避免在潮湿的环境里，
当然如果是干湿两用的扫地机器人不用，但是机器人也是不能放进水里或者是吸水的，否则会串电的。 2、扫地机器人虽然能够清扫垃圾，但是火柴和烟头正阳的易燃物品最好不要用机器人来清扫的，因此机器人内部是一个真空的吸尘装置，易燃物品容易烧起来，威胁机器安全。 3、扫地机器人是电器，一旦使用过度了，机器就会发热进而烧毁内部装置。因此在使用扫地机器人的时候一旦要控制好时间，不要使用过度，当机身发热了就需要停止了。 4、扫地机器人毕竟是电器，在易燃易爆的环境中很容易出现各种安全事故的，要小心采用。 5、扫地机器人还是有使用年限的，如果不适用电器了，就需要让电器脱离电源，也就是把机器人的电源线拔掉，将机器好好地存放起来，延长机器的使用寿命。 总结：扫地机器人是现代社会人们非常有用的家用电器，对于工作比较繁重的家庭而言，这个扫地机器人的确是非常好用的，大家喜欢的可以去试着尝试使用一下，效果还不错。
工业机器人的基本工作原理,工业机器人结构系统 机器人是最典型的机电一体化数字化装备，技术附加值高，应用范围广，作为先进制造业的支撑技术和信息化社会的新兴产业，将对未来生产和社会发展起越来越重要的作用。从20世纪下半叶起，世界机器人产业一直保持着稳步增长的良好势头。根据发达国家产业发展与升级的历程和工业机器人产业化发展趋势，到2015年中国机器人市场的容量约达十几万台套。 1工业机器人的基本工作原理 工业机器人是一种生产装备，其基本功能是提供作业所须的运动和动力．其基本工作原理是通过操作机上各运动构件的运动．自动地实现手部作业的动作功能及技术要求。因此在基本功能及基本工作原理上，工业机器人与机床有相同之处：二者的末端执行器都有位置变化要求，而且都是通过坐标运动来实现末端执行器的位置变化要求。当然机器人也有其独特的要求，是按关节形式运动为主，同时机器人的灵活性要求很高，其刚度、精度要求相对较低。 2工业机器人结构系统 2．1工业机器人构造 从功能角度分析可将机器人分解成四个部分：操作机、末端执行器、传感系统、控制器。操作机：是由机座、手臂和手腕、传动机构、驱动系统等组成．其功能是使手腕具有某种工作空间，并调整手腕使末端执行器实现作业任务要求的动作。末端执行器：也叫工业机器人的手部，它是安装在工业机器人手腕上直接抓握工件或执行作业的部件。感器系统：是指要机器人与人一样有效的完成工作。必须对外界状况进行判断的感觉功能。与机器人控制最紧密相关的是触觉。视觉适合于检测对象是否存在，检测其大概的位置、姿势等状态。相比之下，触觉协助视觉．能够检测出对象更细微的状态。控制器：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。主要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。在机器人中采
史上最完整的机器人工作原理解析 很多人一听到机器人这三个字脑中就会浮现外形酷炫、功能强大、高端等这些词，认为机器人就和科幻电影里的终结者一样高端炫酷。其实不然，在本文中，我们将探讨机器人学的基本概念，并了解机器人是如何完成它们的任务的。 一、机器人的组成部分从最基本的层面来看，人体包括五个主要组成部分： 当然，人类还有一些无形的特征，如智能和道德，但在纯粹的物理层面上，此列表已经相当完备了。 机器人的组成部分与人类极为类似。一个典型的机器人有一套可移动的身体结构、一部类似于马达的装置、一套传感系统、一个电源和一个用来控制所有这些要素的计算机大脑。从本质上讲，机器人是由人类制造的动物，它们是模仿人类和动物行为的机器。 仿生袋鼠机器人 机器人的定义范围很广，大到工厂服务的工业机器人，小到居家打扫机器人。按照目前最宽泛的定义，如果某样东西被许多人认为是机器人，那么它就是机器人。许多机器人专家（制造机器人的人）使用的是一种更为精确的定义。他们规定，机器人应具有可重新编程的大脑（一台计算机），用来移动身体。 根据这一定义，机器人与其他可移动的机器（如汽车）的不同之处在于它们的计算机要素。许多新型汽车都有一台车载计算机，但只是用它来做微小的调整。驾驶员通过各种机械装置直接控制车辆的大多数部件。而机器人在物理特性方面与普通的计算机不同，它们各自连接着一个身体，而普通的计算机则不然。 大多数机器人确实拥有一些共同的特性 首先，几乎所有机器人都有一个可以移动的身体。有些拥有的只是机动化的轮子，而有些则拥有大量可移动的部件，这些部件一般是由金属或塑料制成的。与人体骨骼类似，这些独立的部件是用关节连接起来的。
机器人的位置PD 控制、直接力控制、阻抗控制 对于机器相关控制问题，笔者采用一种位置控制的算法——角度的PD 控制实现，之后探讨了机器人的两种力控制方式——直接力控制与阻抗控制。 1.1 机器人模型的建立 为了读者更简单的理解这三种控制方式，笔者采用二连杆模型，在Matlab/Simmechanics 中建立机器人的模型，设置好相关环境参数——重力加速度设定为-9.8m/s2，连杆的重心位于连杆的中间。 1.2 角度的PD 控制 对于机器人的位置控制方式，采用最简单的PD 控制。分别在机器人的肘关节与腕关节处各安装一个角度传感器用来检测肘关节与腕关节处的转角。角度PD 控制的控制律如式1.1所示： ()()()=+P D de T G K e K K dt θθθθ++ 式中，T 为机器人肘关节与腕关节处的输入力矩，第一项为补偿机器人的重力，可以成静态重力补偿项，第二项与第三项为PD 控制项，最后一项用于消除系统的动态误差。搭建的角度PD 控制的simulink 框图见下载处。 1.3机器人的直接力控制 机器人的直接力控制的效果是让机器人顺应外力的运动，这种控制方式多用于穿戴式外骨骼，例如伯克利大学的BLEEX 就是采用的这种控制方式最为其穿戴控制方式。 具体的控制框图如图所示。 图1.1 机器人的直接力控制 直接力控制控制律如式1.2所示： ()() T a D T J K G θτθθ=-+ 式中，()J θ表示机器人的雅克比接矩阵，τ 为加载与机器人上的合外力。 1.4机器人的阻抗控制
将阻抗控制应用于机器人当中的效果可以从两方面进行阐述：一是可以牺牲一定的位置误差来控制机器人与环境的接触力在系统设的范围内；二是将位置误差通过阻抗公式转换为控制机器人运动的力矩从而消除位置误差。 阻抗控制的控制律如式1.3所示。 ()()()()1 111,T a d e T D J X M Bd x Kdx J J D J M F C G θθθθθθθ----??????=++---++ ? ????????? 其中，M ，B ，K 表示期望的惯性、阻尼与刚度矩阵，具体的值需要根据模型进行调整。 天太冷啦。写的太简单，simulink 框图链接如下。 链接: https://https://www.doczj.com/doc/16684001.html,/s/1nwpuZsX 密码: 5xkb 链接: https://https://www.doczj.com/doc/16684001.html,/s/1nwpuZsX 密码: 5xkb 链接: https://https://www.doczj.com/doc/16684001.html,/s/1smq8LWx 密码: mxcq
工业机器人内部结构及基本组成原理详解 工业机器人详解 你对工业机器人有着什么样的了解？关于工业机器人，我们过去也反反复复推送了很多的文章，在这一次，我们将尝试解决有关---在工业环境中使用的最常见的机器人和作业时经常会遇到的问题。关于工业机器人定义什么可以被 认为是一个工业机器人？什么不能被称为工业机器人？工业机器人直到最近才能避开这种混乱。不是在工业环境中使 用的每个机电设备都可以被认为是机器人。根据国际标准组织的定义，工业机器人是一种可编程的三自由度或多轴自动控制的可编程多用途机械手。这几乎是在谈论工业机器人时被接受的定义。工业机器人自中年以来发生了什么变化？越来越多的工程师和企业家正在寻找越来越多的机器人技术，帮助在工业环境中优化工作流程的方式。随着时代的发展和机器人技术的进步，机器人手臂必须为诸如仓储中使用的群组AGV等新手铺路。我们经常说典型的工业机器人 由工具，工业机器人手臂，控制柜，控制面板，示教器以及其他外围设备组成。那么这些是什么？这些部分通常都在一起，控制柜类似于机器人的大脑。控制面板和示教器构成用户环境。工具（也称为末端执行器）是为特定任务设计的设备（例如焊接或喷涂）。机器人手臂基本上是移动工具的
东西。但并不是每个工业机器人都像一个手臂。不同机器人有不同类型的结构。控制面板--- 操作员使用控制面板来执行一些常规任务。（例如：改变程序或控制外围设备）。应用“机器人工人” --------- 什么时候应该使用工业机器人而不是人工？相信这个问题大家思考的次数并不少了。理想情况下，这应该是双赢的。想快速看到效果，你需要知道什么是别人最不喜欢的工作。想得最多的是那些重复的，乏味的工作，需要从工作人员那边进行大量单调的行动，这个思考是正确的，因为正是如此，例如从一个输送机到另一个输送机。如果总是相同的任务，您可以使用专门针对您的需求量身定制的自动化解决方案。工厂的工作处理需要越来越灵活，在这些情况下，正确的解决方案是：可以试用用于不同任务的可重新编程的机器人进行任务操作。此外，就是那些对人类工作有害的任务。（例如：用危险化学品进行表面处理，这是在有害环境中工作。在许多情况下，长期使用机器人比聘用工人更聪明和便宜。）当然，还有的是人类难以操作的工作。（例如：举或搬运重物或在不适合人类生活的条件下工作。）同样，在许多这些情况下，可以应用特定的自动化解决方案。然而，如果任务需要灵活性处理，还需要考虑要用到的机器人。以下是最常见的机器人应用程序列表：电弧焊、部件、涂层、去毛刺、压铸、造型、物料搬运、选择、码垛、打包、绘画、点焊、运输，仓储关于工业机器人的
机器人技术论文 机器人技术论文 摘要 为使机器人完成各种任务和动作所执行的各种控制手段。作为计算机系统中的关键技术，计算机控制技术包括范围十分广泛，从机器人智能、任务描述到运动控制和伺服控制等技术。既包括实现控制所需的各种硬件系统，又包括各种软件系统。最早的机器人采用顺序控制方式，随着计算机的发展，机器人采用计算机系统来综合实现机电装置的功能，并采用示教再现的控制方式。随着信息技术和控制技术的发展，以及机器人应用范围的扩大，机器人控制技术正朝着智能化的方向发展，出现了离线编程、任务级语言、多传感器信息融合、智能行为控制等新技术。多种技术的发展将促进智能机器人的实现。 当今的自动控制技术都是基于反馈的概念。反馈理论的要素包括三个部分：测量、比较和执行。测量关心的变量，与期望值相比较，用这个误差纠正调节控制系统的响应。这个理论和应用自动控制的关键是，做出正确的测量和比较后，如何才能更好地纠正系统。 PID（比例-积分-微分）控制器作为最早实用化的控制器已有50多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。 它由于用途广泛、使用灵活，已有系列化产品，使用中只需设定三个参数（Kp，Ti和Td）即可。在很多情况下，并不一定需要全部三个单元，可以取其中的一到两个单元，但比例控制单元是必不可少的。 关键词：机器人，机器人控制，PID，自动控制
第1章引言 机器人控制的关键技术 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，系统中各个层次内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。 第2章机器人PID控制 2.1 PID控制器的组成 PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。其输入e (t)与输出u (t)的关系为u(t)=Kp(e((t)+1/TI∫e(t)dt+TD*de(t)/dt) 式中积分的上下限分别是0和t， 因此它的传递函数为：G(s)=U(s)/E(s)=kp(1+1/(TI*s)+TD*s)； 其中Kp为比例系数；TI为积分时间常数；TD为微分时间常数。 它由于用途广泛、使用灵活，已有系列化产品，使用中只需设定三个参数（Kp，Ti和Td）即可。在很多情况下，并不一定需要全部三个单元，可以取其中的一到两个单元，但比例控制单元是必不可少的。 首先，PID应用范围广。虽然很多工业过程是非线性或时变的，但通过对其简化可以变成基本线性和动态特性不随时间变化的系统，这样PID就可控制了。 其次，PID参数较易整定。也就是，PID参数Kp，Ti和Td可以根据过程的动态特性及时整定。如果过程的动态特性变化，例如可能由负载的变化引起系统动态特性变化，PID参数就可以重新整定。 2.2 PID控制器的研究现状 虽然有这些缺点，PID控制器是最简单的有时却是最好的控制器。 目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。同时，控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。智能控制的典型实例是模糊全自动洗衣机等。一个控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接口。控制器的输出经过输出接口、执行机构，加到被控系统上；控制系统的被控量，经过传感器，变送器，通过输入接口送到控制器。不同的控制系统，其传感器、变送器、执行机构是不一样的。比如压力控制系统要采用压力传感器。电加热控制系统的传感器是温度传感器。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器（仪表）已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的PID控制器产品，各大公司均开发了具有PID参数自整定功能的智能调节器，其中PID控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。 2.3 PID控制器的不足 在一些情况下针对特定的系统设计的PID控制器控制得很好，但它们仍存在一些问题需要解
2.7解：根据谓词知识表示的步骤求解问题如下： 解法一： (1)本问题涉及的常量定义为： 猴子：Monkey，箱子：Box，香蕉：Banana，位置：a，b，c (2)定义谓词如下： SITE(x，y)：表示x在y处； HANG(x，y)：表示x悬挂在y处； ON(x，y)：表示x站在y上； HOLDS(y，w)：表示y手里拿着w。 (3)根据问题的描述将问题的初始状态和目标状态分别用谓词公式表示如下： 问题的初始状态表示： SITE(Monkey，a)∧HANG(Banana，b)∧SITE(Box，c)∧~ON(Monkey，Box)∧~HOLDS(Monkey，Banana) 问题的目标状态表示： SITE(Monkey，b)∧~HANG(Banana，b)∧SITE(Box，b) ∧ON(Monkey，Box)∧HOLDS(Monkey，Banana) 解法二： (1)本问题涉及的常量定义为： 猴子：Monkey，箱子：Box，香蕉：Banana，位置：a，b，c (2)定义谓词如下： SITE(x，y)：表示x在y处； ONBOX(x)：表示x站在箱子顶上； HOLDS(x)：表示x摘到了香蕉。 (3)根据问题的描述将问题的初始状态和目标状态分别用谓词公式表示如下： 问题的初始状态表示： SITE(Monkey，a)∧SITE(Box，c)∧~ONBOX(Monkey)∧~HOLDS(Monkey) 问题的目标状态表示： SITE(Box，b)∧SITE(Monkey，b)∧ONBOX(Monkey)∧HOLDS(Monkey) 从上述两种解法可以看出，只要谓词定义不同，问题的初始状态和目标状态就不同。所以，对于同样的知识，不同的人的表示结果可能不同。 2.8解：本问题的关键就是制定一组操作，将初始状态转换为目标状态。为了用谓词公式表示操作，可将操作分为条件(为完成相应操作所必须具备的条件)和动作两部分。条件易于用谓词公式表示，而动作则可通过执行该动作前后的状态变化表示出来，即由于动作的执行，当前状态中删去了某些谓词公式而又增加一些谓词公式从而得到了新的状态，通过这种不同状态中谓词公式的增、减来描述动作。 定义四个操作的谓词如下，操作的条件和动作可用谓词公式的增、删表示： (1)goto 教案首页 课程名称农业机器人任课教师李玉柱第2章机器人的基本结构原理计划学时 3 教学目的和要求： 1.弄清机器人的基本构成； 2.了解机器人的主要技术参数； 3.了解机器人的手部、腕部和臂部结构； 4.了解机器人的机身结构； 5.了解机器人的行走机构 重点： 1.掌握机器人的基本构成 2.弄清机器人都有哪些主要技术参数 3.机器人的手部、腕部和臂部结构 难点： 机器人的手部、腕部和臂部结构 思考题： 1.机器人由哪些部分组成？ 2.机器人的主要技术参数有哪些？ 3.机器人的行走机构共分几类，请想象未来的机器人能 否有其它类型的行走机构？ 第2章概论 教学主要内容： 2.1机器人的基本构成 2.2机器人的主要技术参数 2.3人的手臂作用机能初步分析 2.4机器人的机械结构构成 2.5机器人的手部 2.6机器人的手臂 2.7机器人的机身 2.8机器人的行走机构 本章介绍了机器人的基本构成、主要技术参数，人手臂作用机能，在此基础上对机器人的手部、手腕、手部、。机身、行走机构等原理及相关的结构设计进行讨论，使学生对机器人的机构和原理有较为清楚的了解。 2.1机器人的基本构成 简单地说：机器人的原理就是模仿人的各种肢体动作、思维方式和控制决策能力。 不同类型的机器人其机械、电气和控制结构也不相同，通常情况下，一个机器人系统由三部分、六个子系统组成。这三部分是机械部分、传感部分、控制部分；六个子系统是驱动系统、机械系统、感知系统、人机交互系统、机器人-环境交互系统、控制系统等。如图2-1所示。 ●是由关节连在一起的许多机械连杆的集合体， 关节通常分为转动关节和移动关节，移动关节允许连杆做直线移动，转动关节仅允许连杆之间发生旋转运动。 个主要部●常规的驱 接地与臂、腕或手上的机械连杆或关节连接在一起，也可以使用齿轮、带、链条等机械传动机构间接传动。 ●感知系统 ．．．．由一个或多个传感器组成，用来获取内部和外部环境中的有用信息，通过这些信息确定机械部件各部分的运行轨迹、速度、位置和外部环境状态，使机械部件的各部分按预定程序或者工作需要进行动作。传感器的使用提高了机器人的机动性、适应性和智能化水平。 ●控制系统 ．．．．其任务是根据机器人的作业指令程序以及从传感器反馈回来的信号支配机器人的执行机构去完成规定的运动和功能。若机器人不具备信息反馈特征，则为开环控制系统；若具备信息反馈特征，则为闭环控制系统。根据控制原理，控制系统又可分为程序控制系统、 工业机器人工作原理及其基本构成 工业机器人工作原理 现在广泛应用的焊接机器人都属于第一代工业机器人，它的基本工作原理是示教再现。示教也称导引，即由用户导引机器人，一步步按实际任务操作一遍，机器人在导引过程中自动记忆示教的每个动作的位置、姿态、运动参数＼工艺参数等，并自动生成一个连续执行全部操作的程序。完成示教后，只需给机器人一个启动命令，机器人将精确地按示教动作，一步步完成全部操作。这就是示教与再现。 实现上述功能的主要工作原理，简述如下： (1) 机器人的系统结构一台通用的工业机器人，按其功能划分，一般由 3 个相互关连的部分组成：机械手总成、控制器、示教系统，如图 1 所示。 机械手总成是机器人的执行机构，它由驱动器、传动机构、机器人臂、关节、末端操作器、以及内部传感器等组成。它的任务是精确地保证末端操作器所要求的位置，姿态和实现其运动。 图 1 工业机器人的基本结构 控制器是机器人的神经中枢。它由计算机硬件、软件和一些专用电路构成，其软件包括控制器系统软件、机器人专用语言、机器人运动学、动力学软件、机器人控制软件、机器人自诊断、白保护功能软件等，它处理机器人工作过程中的全部信息和控制其全部动作。 示教系统是机器人与人的交互接口，在示教过程中它将控制机器人的全部动作，并将其全部信息送入控制器的存储器中，它实质上是一个专用的智能终端。 (2) 机器人手臂运动学机器人的机械臂是由数个刚性杆体由旋转或移动的关节串连而成，是一个开环关节链，开链的一端固接在基座上，另一端是自由的，安装着末端操作器 ( 如焊枪 ) ，在机器人操作时，机器人手臂前端的末端操作器必须与被加工工件处于相适应的 机器人与自动化技术 “机器人、无处不在的屏幕、语音交互，这些都将改变我们看待‘电脑'的方式。一旦看、听、阅读能力得到提升，你就可以以新的方式进行交互。”----比尔?盖茨在某电视节目中，预测未来科技领域的下一件大事时表示：机器人与自动化技术将成为未来发展的一大趋势，可以改变世界！ 工业机器人的应用，正从汽车工业向一般工业延伸，除了金属加工、食品饮料、塑料橡胶、3C、医药等行业，机器人在风能、太阳能、交通运输、建筑材料、物流甚至废品处理等行业都可以大有作为。 当然，即将“改变世界”的机器人不仅仅具有代替人工的价值，在很多人类无法实现的领域也将出现机器人的身影。譬如，派送采矿机器人到月球和小行星上采挖稀土矿，将有望成为现实。 而更令比尔?盖茨寄予厚望的是机器人将像“电脑”一样改变人类的生活。 日本早稻田大学研究人员推出一种新型仿人型家务机器人。它集安全性、可靠性和灵巧性于一身，还具有仿人脸的外观。在工作时，它将一名男子抱下床，与他聊天并为他准备早餐。由于拥有和成年女性大小相当的灵巧双臂、双手，这种机器人能够用夹子将面包从面包机中取出，而丝毫不弄碎它。 英国阿伯丁大学启动了一项新的研究计划，在3年内研发出允许机器人与人类进行交谈，甚至讨论具体决定的系统……。 作为先进制造业中不可替代的重要装备，工业机器人已经成为衡量一个国家制造水平和科技水平的重要标志。 在机器人市场中，目前80%的市场份额仍由跨国公司占有，其中瑞典ABB、日本发那科FANUC、日本安川yaskawa和德国库卡KUKA四大企业则是市场第一梯队的“四大金刚”。其它有瑞士史陶比尔Staubli、德国克鲁斯CLOOS、德国百格拉、德国徕斯、德国斯图加特航空航天自动化集团（STUAA）、意太利瀚博士hanbs、意大利柯马COMAU、英国Auto Tech Robotics等。 目前国内生产机器人的企业主要有：中科院沈阳新松机器人自动化股份有限公司、芜湖埃夫、上海新时达机器人有限公司、安川首钢机器人有限公司、哈工大海特智能装备有限公司尔机器人有限公司、南京埃斯顿机器人工程有限公司、广州数控设备有限公司、上海沃迪自动化装备股份有限公司等。 2015年，中国机器人市场需求预计将达35000台，占全球比重16.9％，成为全球规模最大的市场。 一、机器人的系统构成 由3大部分6个子系统组成。 3大部分是：机械部分、传感部分、控制部分。 6个子系统是：驱动系统、机械结构系统、感受系统、机器人-环境交互系统、人-机交互系统、 工业机器人控制系统 20世纪80年代以后, 由于微型计算机的发展, 特别是电力半导体器件的出现, 使整个机器人的控制系统发生了很大的变化, 使机器人控制器日趋完善。具有非常好的人机界面, 有功能完善的编程语言和系统保护, 状态监控及诊断功能。同时机器人的操作更加简单, 可是控制精度及作业能力却有很大的提高。当前机器人已具有很强的通信能力, 因此能连接到各种网络( CAN—BUS、PROFIBUS或ETHERNET) 。形成了机器人的生产线。特别是汽车的焊接生产线、油漆生产线、装配生产线很多都是靠机器人工作的。特别是控制系统已从模拟式的控制进入了全数字式的控制。 90年代以后, 计算机的性能进一步提高, 集成电路( IC) 的集成度进一步的提高, 使机器人的控制系统的价格逐渐降低, 而运算的能力却大大提高, 这样, 过去许多用硬件才能实现的功能也逐渐地使用软件来完成。而且机器人控制系统的可靠性也由最早几百小时提高到现在的6万小时, 几乎不需要维护。 一、控制系统基本原理及分类 工业机器人的控制器在要求完成特定作业时, 需要做下述几件事: 示教: 经过计算机来接受机器人将要去完成什么作业。也就是给机器人的作业命令, 这个命令实质上是人发出的。 计算: 这一部分实际上就是机器人控制系统中的计算机来完成的, 它经过获得的示教信息要形成一个控制策略, 然后再根据这个策略( 也称之为作业轨迹的规划) 细化成各轴的伺服运动的控制的策略。同时计算机还要担负起对整个机器人系统的管理, 采集并处理各种信息。因此, 这一部分是非常重要的核心部分。 伺服驱动: 就是经过机器人控制器的不同的控制算法将机器人控制策略转化为驱动信号, 驱动伺服电动机, 实现机器人 的高速、高精度运动, 去完成指定的作业。 反馈: 机器人控制中的传感器对机器人完成作业过程中的运动状态、位置、姿态进行实时地反馈, 把这些信息反馈给控制计算机, 使控制计算机实时监控整个系统的运行情况, 及时做出各种决策。 图1 机器人控制基本原理图 控制系统能够有四种不同分类方法: 控制运动方式、控制系统信号类型、控制机器人的数目以及人机的相互关系等分类。 ( 1) 、按控制运动方式进行分类可分为程序控制系统、自适应控制系统和组合控制系统。 A、程序控制系统: 绝大多数商品机器人是属于这种控制系统, 工业机器人原理及应用实例工业机器人概念 工业机器人是一种可以搬运物料、零件、工具或完成多种操作功能的专用机械装置；由计算机控制，是无人参与的自主自动化控制系统；他是可编程、具有柔性的自动化系统，可以允许进行人机联系。可以通俗的理解为“机器人是技术系统的一种类别，它能以其动作复现人的动作和职能；它与传统的自动机的区别在于有更大的万能性和多目的用途，可以反复调整以执行不同的功能。” 组成结构 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，包括臂部、腕部和手部，有的机器人还有行走机构。大多数工业机器人有3?6个运动自由度，其中腕部通常有1?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。 分类工业机器人按臂部的运动形式分为四种。直角坐标型的臂部可沿三个直角坐标移动；圆柱坐标型的臂部可作升降、回转和伸缩动作；球坐标型的臂部能回转、俯仰和伸缩；关节型的臂部有多个转动关节。 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。 具有触觉、力觉或简单的视觉的工业机器人，能在较为复杂的环境下工作；如具有 识别功能或更进一步增加自适应、自学习功能， 即成为智能型工业机器人。它能按照人给的 “宏指令”自选或自编程序去适应环境，并 自动完成更为复杂的工作。 四、主要特点 工业机器人最显著的特点有以下几个： (1) 可编程。生产自动化的进一步发展是柔性启动化。工业机器人可随其工作环境变化的需要而再编程，因此它在小批量多品种具有均衡高效率的柔性制造过程中能发挥很好的功用，是柔性制造系统中的一个重要组成部分。 (2) 拟人化。工业机器人在机械结构上有类似人的行走、腰转、大臂、小臂、手腕、手爪等部分，在控制上有电脑。此外，智能化工业机器人还有许多类似人类的“生物传感器”，如皮肤型接触传感器、力传感器、负载传感器、视觉传感器、声觉传感器、语言功能等。传感器提高了工业机器人对周围环境的自适应能力。 (3) 通用性。除了专门设计的专用的工业机器人外，一般工业机器人在执行不同的作业任务时具有较好的通用性。比如，更换工业机器人手部末端操作器 (手爪、工具等)便可执行不同的作业 焊接机器人的控制原理及应用焊接机器人是一种高度自动化的焊接设备，是焊接自动化的革命性进步，它突破了焊接刚性自动化传统方式，开拓了一种柔性自动化新方式。在大三上学期的认识实习过程中，已经在长力机械厂有所接触。焊接机器人采用机器人代替手工焊接作业是焊接制造业的发展趋势，是提高焊接质量、降低成本、改善工作环境的重要手段。机器人焊接作为现代制造技术发展的重要标志己被国内许多工厂所接受，并且越来越多的企业首选焊接机器人作为技术改造的方案。 一、我国焊接机器人技术的发展历史 焊接机器人技术的发展我国开发工业机器人晚于美国和日本，起于20世纪70年代，早期是大学和科研院所的自发性的研究。到80年代中期，全国没有一台工业机器人问世。而在国外，工业机器人已经是个非常成熟的工业产品，在汽车行业得到了广泛的应用。鉴于当时的国内外形势，国家“七五”攻关计划将工业机器人的开发列入了计划，对工业机器人进行了攻关，特别是把应用作为考核的重要内容，这样就把机器人技术和用户紧密结合起来，使中国机器人在起步阶段就瞄准了实用化的方向。 与此同时于1986年将发展机器人列入国家"863"高科技计划。在国家"863"计划实施五周年之际，邓小平同志提出了"发展高科技，实现产业化"的目标。在国内市场发展的推动下，以及对机器人技术研究的技术储备的基础上，863主题专家组及时对主攻方向进行了调整和延伸，将工业机器人及应用工程作为研究开发重点之一，提出了以应用带动关键技术和基础研究的发展方针，以后又列入国家"八五"和"九五"中。经过十几年的持续努力，在国家的组织和支持下，我国焊接机器人的研究在基础技术、控制技术、关键元器件等方面取得了重大进展，并已进入使用化阶段，形成了点焊、弧焊机器人系列产品，能够实现小批量生产。 二、焊接机器人的组成 常规的弧焊机器人系统由以下5部分组成。 1、机器人本体，一般是伺服电机驱动的 6 轴关节式操作机，它由驱动器、传动机构、机械手臂、关节以及内部传感器等组成。它的任务是精确地保证机械手末端（悍枪）所要求的位置、姿态和运动轨迹。 2、机器人控制柜，它是机器人系统的神经中枢，包括计算机硬件、软件和一些专用电路，负责处理机器人工作过程中的全部信息和控制其全部动作。 3、焊接电源系统，包括焊接电源、专用焊枪等。 4、焊接传感器及系统安全保护设施。 5、焊接工装夹具。 三、焊接机器人工作站的工作原理 焊接机器人工作站正常运行的中枢是其控制柜中的计算机系统。焊接机器人工作站通过计算机系统对焊接环境、焊缝跟踪及焊接动态过程进行智能传感，根据传感信息对各种复杂的空间曲线焊缝进行实时跟踪控制，从而控制焊枪能够实现规划轨迹运行，并对焊接动态过程进行实时智能控制。由于焊接工艺、焊接环境的复杂性和多样性，焊接机器人工作站在实施焊接前，应配备其焊接 2.4 手臂的控制 2.4.1 运动控制 对于机器人手臂的运动来说，人们通常关注末端的运动，而末端运动乃是由各个关节的运动合成实现的。因而必须考虑手臂末端的位置、姿态与各个关节位移之间的关系。此外，手臂运动，不仅仅涉及末端从某个位置向另外一个位置的移动，有时也希望它能沿着特定的空间路径进行移动。为此，不仅要考虑手臂末端的位置，而且还必须顾及它的速度和加速度。若再进一步从控制的观点来看，机器人手臂是一个复杂的多变量非线性系统，各关节之间存在耦合，为了完成高精度运动，必须对相互的影响进行补偿。 1. 关节伺服和作业坐标伺服 现在来研究n 个自由度的手臂，设关节位移以n 维向量12(,,,)T n n q q q q =∈?L 表示，i q 是第i 个关节的位移，刚性臂的关节位移和末端位置、姿态之间的关系以下式给出： ()r r f q = （1） m r ∈?是某作业坐标系表示的m 维末端向量，当它表示三维空间的位置姿态时，m=6。如式（1）所示，对刚性臂来说，由于各关节的位移完全决定了手臂末端的位置姿态，故如欲控制手臂运动，只要控制各关节的运动即可。 设刚性臂的运动方程式如下所示： ()(,)()M q q h q q q g q τ=++Γ+&&&& （2） 式中，()n n M q ?∈?为手臂的惯性矩阵；(,)n h q q ∈?&为表示离心力和哥氏力的向量，n n ?Γ∈?为粘性摩擦系数矩阵；()n g q ∈?为表示重力项的向量；1(,,)T n n τττ=∈?L 为关节驱动力向量。 机器人手臂的驱动装置是一个为了跟踪目标值对手臂当前运动状态进行反馈构成的伺服系统。无论何种伺服系统结构，控制装置的功能都是检测各关节的机器人的基本结构原理
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