如果说驱动子系统是机器人的肌肉，能源子系统是机器人的心脏，那么控制和决策子系统就是机器人的大脑。这是机器人最重要、最复杂的一个子系统。
机器人是一种高度复杂的自动化装置。其控制子系统也是直接来源于自动化领域的其他应用，例如工厂自动化领域中所用到的处理器、电路以及标准。本章仅仅列举并对比了几种常见的、典型的控制系统拓扑结构，然后分析了几个典型的机器人控制子系统的构成，特别是详细说明了“创意之星”机器人的控制架构。
典型的几种机器人控制架构(ARCHITECHURE)
这里我们不讨论传统的工业机器人，主要关注的是自主移动机器人、仿生机器人等新形态的机器人。通常，机器人的架构是指如何把感知、建模、规划、决策、行动等多种模块有机地结合起来，从而在动态环境中，完成目标任务的一个或多个机器人的结构框架。总的说来，当前自主机器人的控制架构可分为下述几类：
1. 程控架构，又称规划式架构，即根据给定初始状态和目标状态规划器给出一个行为动作的序列，按部就班地执行。较复杂的程控模型也会根据传感器的反馈对控制策略进行调整，例如在程序的序列中采用“条件判断+跳转”这样的方法。
2. 包容式架构和基于行为的控制模型，又称为反应式模型，复杂任务被分解成为一系列相对简单的具体特定行为，这些行为均基于传感器信息并针对综合目标的一个方面进行控制。基于行为的机器人系统对周围环境的变化能作出快速的响应，实时性好，但它没有对任务做出全局规划，因而不能保证目标的实现是最优的。
3. 混合式架构，是规划和基于行为的集成体系，不仅对环境的变化敏感，而且能确保目标的实现效率。通常混合式架构有两种模式：一种模式是，决策系统的大框架是基于规划的，在遇到动态情况时再由行为模型主导；另一种模式是，决策系统的大框架基于行为，在具体某些行为中采用规划模型。总之，混合式架构的设计目的是尽可能综合程控架构和包容式架构的优点，避免其缺点。
下面几小节对以上三种架构进行初步的讨论。更进一步的资料，请参阅相关文献。本书的附录中列出了一些可供参考阅读的书籍资料。
1.1 集中程控架构
传统的机器人大都是工业机器人。他们通常工作在流水线的一个工位上，每个机器人的位置是已知、确定的；设计者在每台机器人开始工作之前也很清楚他的工作是什么，他的工作对象在什么位置。这种情况下，对机器人的控制就变成了数值计算，或者说“符号化”的计算。例如，我们通过实地测量可以得到一台搬运机器人的底座的坐标；再通过空间机构几何学的计算（空间机器人的正解、逆解），可以得到机器人的各个关节处于什么样的位置的时候其末端的搬运装置可以到达给定位置。这样，机器人控制策略设计者是在一个静态的、结构化的、符号化的环境中编写策略；他不需要考虑太多的突发情况，至多需要考虑一些意外，例如利用简单的传感器检测应该被搬运的工件是否在正确的位置，从而决定是否报警或者停止工作等等。
这类机器人通常由一个单独的控制器。这个控制器收集从机器人各个关节、各个附加传感器传送来的位置、角度等信息，通过控制器处理后，计算机器人下一步的工作。整个机器人是在这个控制器的控制下运作，对于一些异常的处理也在程序的设定范围内。下图是两个典型的采用集中式系统架构的移动机器人框图。左侧的框图的控制器是一台PC机，它担负了所有的信息采集、处理和控制功能；右图是经过改进的机器人架构：在PC机之外，增加了一个DSP控制器，承担了PC 机的部分工作。但是，这两种架构下控制器的负担都相当重，并且如果控制器出现故障，整个机器人将会瘫痪。
对于上面描述的工作内容，程控式、集中控制式结构是非常理想的。如前所述，机器人不会遇到太多动态的、非符号化的环境变化，并且控制器能够得到足够多的、准确的环境信息。设计者可以在机器人工作前预先设计好最优的策略，然后让机器人开始工作，过程中只需要处理一些可以预料到的异常事件。
但是，假设我们要设计一个在房间里漫游的移动机器人，房间的大小未知；并且我们也无法准确地得到机器人在房间中的相对位置，这种架构将无法获得足够的信息，并且无法处理未知的突发情况。因此对于传统意义之外的机器人，例如移动机器人、宠物机器人等，程控式控制架构就很难适应了。
集中式程控架构的优点是系统结构简单明了，所有逻辑决策和计算均在集中式的控制器中完成。这种架构很清晰：控制器是大脑，其他的部分不需要有处理能力。
而对于仿生机器人、在未知环境中工作的机器人，一个大脑处理所有事情真的合适吗？
考虑蚯蚓、蜈蚣之类的低等生物。它们的大脑很不发达（甚至没有大脑），反而具有一个很发达的脊索或者很夺个神经节。大部分是这些分布在全身的神经节在主导它们的活动和反应，而不是大脑。
读者在中学生物课中应该做过这么一个试验：
用一个小锤子，轻轻地敲膝盖以下的位置。你会发现小腿不受控制地自动抬起。这是著名的“膝跳反射”试验。这个实验说明，即使是人类这样的高等生物，也不是全部的生命活动都在大脑的控制之下。设想一个具有人类全部功能的机器人。它有数百个电动机对应人类的数百块肌肉，有数万个传感器，对应人类的皮肤、眼睛、鼻子和耳朵等。如果采用集中式控制架构，这个机器人的大脑将很难负荷如此庞大的数据运算和决策。
因此对于工业机器人之外的其他机器人，发展出了分层式控制架构、包容式架构，以及混合式架构等更适合其特点的控制架构。
1.2 分层式架构(LAYERED ARCHITECTURE)
分层式架构是随着分布式控制理论和技术的发展而发展起来的。分布式控制通常由一个或多个主控制器和很多个节点组成，主控制器和节点均具有处理能力。其中心思想是：主控制器可以比较弱，但是大部分的非符号化信息已经在其各自的节点被处理、符号化，再传递给主控制器来进行决策判断。单个节点分布式控制模型已经被广泛应用在大型工厂、楼宇等结构复杂、传感器和执行器很多的场合中。
分层式架构是基于认知的人工智能（Artificial Intelligence，AI）模型，因此也称之为基于知识的架构。在AI模型中，智能任务由运行于模型之上的推理过程来实现，它强调带有环境模型的中央规划器，它是机器人智能不可缺少的组成部分，而且该模型必须准确、一致。分层式架构是把各种模块分成若干层次，使不同层次上的模块具有不同的工作性能和操作方式。
通过对分布式系统中不同功能的节点进行功能层次划分，即得到了分层式架构。
分层式架构中最有代表性的是由20世纪80年代智能控制领域著名学者Saridis提出的三层模型。Saridis认为随着控制精度的增加，智能能力减弱，即层次向上智能增加，但是精度降低，层次向下则相反。按照这一原则，他把整个结构按功能分为三个层次，即执行级、协调级和组织级。其中，组织级是系统的“大脑”，它以人工智能实现在任务组织中的认知、表达、规划和决策；协调级是上层和下层的智能接口，它以人工智能和运筹学实现对下一层的协调，确定执行的序列和条件；执行级是以控制理论为理论基础，实现高精度的控制要求，执行确定的运动。需要指出的是，这仅仅是一个概念模型，实际的物理结构可多于或少于三级，无论多少级，从功能上来说由上到下一般均可分为这三个层次。信息流程是从低层传感器开始，经过内外状态的形势评估、归纳，逐层向上，且在高层进行总体决策；高层接受总体任务，根据信息系统提供的信息进行规划，确定总体策略，形成宏观命令，再经协调级的规划设计，形成若干子命令和工作序列，分配给各个控制器加以执行。
在分层式架构中，最广泛遵循的原则是依据时间和功能来划分架构中的层次和模块。其中，最有代表性的是美国航天航空局（NASA）和美国国家标准局（NBS）提出的NASREM的结构。其出发点之一是考虑到一个智能机器人可能有作业手、通讯、声纳等多个被控分系统，而这样的机器人可能组成一个组或组合到更高级的系统中，相互协调工作；出发点之二是考虑已有的单元技术和正在研究的技术可以应用到这一系统中来，包括现代控制技术和人工智能技术等。整个系统横向上分成信息处理、环境建模和任务分解三列，纵向上分为坐标变换与伺服控制、动力学计算、基本运动、单体任务、成组任务和总任务六层，所有模块共享一个全局数据库，如下图所示。
NASREM结构的各模块功能和关系非常清楚，有利于系统的构成和各模块内算法的添加和更换。它具有全局规划和推理的能力，对复杂的环境可以做出合理的反应，适合于一个或一组机器人的控制。但同其它的分层式架构一样，NASREM的问题在于输入环境的信息必须通过信息处理列的所有模块。结果往往是将简单问题复杂化，影响了机器人对环境变化的响应速度，而机器人非常重要的一个性能就是对环境变化、意外事件的发生等要求作出迅速反应。因此，分层式架构从理论上只适合于那些有一定的位置环境信息、在轻微非结构化环境工作的机器人。但是由于总线技术、实时控制技术的高速发展，分层式架构的最致命弱点之一：响应较慢等问题也得到了一定程度的缓解。由于分层式架构也较为成熟，因此还有大量
的移动机器人、玩具机器人使用这种架构，并在一定程度上融入了包容式架构和混合式架构中。
1.3 包容式架构(SUBSUMPTION ARCHITECTURE)
假设我们的机器人是在一个虚拟的环境中运行。这个虚拟的环境中，地面是绝对水平的，墙壁是绝对垂直的；同时，传感器是没有误差的，机器人的轮子也是不会打滑的，我们可以精确地通过编码器等传感器来得到机器人的所处位置，以及他与周围环境的相对关系，从而根据程序作出决策。
但是事实上情况完全不是这么理想。再平坦的地面也会有起伏，更不要说野外的地形环境；超声声纳返回的数据有时候会产生很大的误差，甚至激烈地跳变；当机器人启动和停下的时候，它的轮子是一定会打滑的。由于机器人所处的真实世界主要为非结构化的动态环境，往往会遇到事先完成的程序规划说没有考虑到的问题。这样的环境下，我们遇到的情况往往是，预先规划好的决策程序，在实际中会遇到各种各样的麻烦而根本无法像我们设想的那样工作。
包容式架构和基于行为的机器人控制模型就是主要为了解决这一问题而产生的。集中式架构、分层式架构在机器人控制中产生的种种问题主要根源于：
1，环境的复杂性和环境模型的误差；
2，环境的不可预知性；
3，对环境感知不精确带来的不稳定性。
程控架构解决不了后两个问题。而通过包容式架构和基于行为的控制模型却可以较好地解决这两个问题，虽然可能会牺牲一些效率。
为了简单地说明这两种控制架构之间的差别，我们举一个简单的例子（可能不太贴切）：假设有一台扫地机器人，它的任务是要走遍整个房间，同时把房间打扫干净。如果我们采用规划模型完成这个任务，那么机器人可能会按照预先设定的一定的路径，把整个地面遍历一次或多次，但是如果中间碰到了一个规划的时候忽略了的椅子，那么这个机器人很可能就会偏航，从而永远无法完成扫地的任务；如果采用基于行为的模型，那么机器人可能会到处乱走，并根据碰到的情况调整行走的方向，但是最终这个机器人也能够磕磕碰碰地完成打扫房间的任务。
分层式结构能够较好地解决智能和控制精度的关系，创造一种良好的自主式控制方式。然而由于上文所述的三种问题，使得分层式体系结构在灵活性、实时性和适应性方面经常存有缺陷。
针对上述缺点，美国麻省理工学院的R.Brooks从研究移动机器人控制系统结构的角度出发，提出了基于行为的体系结构―包容式体系结构（Subsumption Architecture）。与分层式体系结构把系统分解成功能模块，并按感知―规划―行动（Sense-Planning-Action，SPA）过程进行构造的串行结构不同（如下图所示）；
包容式体系结构是一种完全的反应式体系结构，是基于感知与行为（Sense-Action，SA）之间映射关系的并行结构（如下图所示）。在包容式结构中，上层行为包含了所有的下层行为，上层只有在下层的辅助下才能完成自己的任务；另一方面下层并不依赖于上层，虽然上层有时可以利用或制约下层，然而下层的内部控制与上层无关，增减上层不会影响下层。
在基于行为的模型中，参与控制的是各异的、并有可能不兼容的多个行为，每个行为负责机器人某一特定目标的实现或维护，如跟踪目标或避障等。多个行为往往可能产生互相冲突的控制输出命令。因而系统首先需解决的一个问题是多行为的协作，即通过构造有效的多行为活动协调机制，实现合理一致的整体行为。
同样以上面的扫地机器人为例子。我们可以把“打扫整个房间”分解为“前进并扫地”、“避开左侧障碍物”、“避开右侧障碍物”、“避开前方障碍物”这几个基本的行为。机器人一开始对自己的任务不做任何规划，只是简单地前进。当遇到障碍物时，相应的行为被激活，产生一个给驱动执行机构的输出，执行相应的动作。再通过一个合理的仲裁器（例如一个FSM状态机），来决定如果多种行为产生冲突时的优先级。
这样看似简单的逻辑却具有很好的适应能力。这样一个扫地机器人最终必然能够把屋子打扫干净。但是不幸的是，如果运气不够好，他打扫完整个房间可能要花上几个小时。
上面谈到行为协作机制的实现方法可分为两类：仲裁和命令合成。采用仲裁方法的行为协作在同一时间允许一个或一系列行为实施控制，下一时间又转向另一组行为。而命令合成关心的是如何将各个行为的结果最终合成为一个命令，输入到机器人的执行机构。它允许多个行为都对机器人的最终控制产生作用，这种方法适用于解决典型多行为问题，如在自由空间漫游的机器人，同时需避开遇到的障碍物。仲裁机制和命令合成机制均有着许多具体的实现策略，各有其优势和不足之处。
1.4 混合式架构(HYBRID ARCHITECTURE)
包容式架构强调模块的独立、平行工作，但缺乏全局性的指导和协调，虽然在局部行动上可显示出灵活的反应能力和鲁棒性，但是对于长远的全局性目标跟踪显得缺少主动性，目的性较差。例如上文举例的扫地机器人。包容式架构和行为模型为机器人提供了一个高鲁棒性、高适应能力和对外界信息依赖更少的控制方法。但是它的致命问题是效率。因此对于一些更加复杂的应用，可能需要混合式架构，以融合程控架构和包容式架构/行为模型的优点，尽量避免它们各自的缺点。
通常，混合式架构在较高级的决策层面采用程控架构，以获得较好的目的性和效率；在较低级的反应层面采用包容式架构，以获得较好的环境适应能力、鲁棒性和实时性。
Gat提出了一种混合式的三层体系结构，分别是：反应式的反馈控制层（Controller），反应式的规划―执行层（Sequencer）和规划层（Deliberator）。博创科技推出的
UP-VoyagerIIA机器人即采用了基于行为的混合分层控制架构，该架构包括用户层、自主规划决策层、行为层和执行控制层四个层次。用户层主要处理用户与机器人的交互；主要用
于传递给用户必要的信息并接受用户的指令；自主规划决策层完成一些高层的自主决策，例如遍历房间，或者移动到给定位置而不碰到突然出现的障碍物；行为层包括避碰、低电压保护、扰动、逃离等一些行为，可以不在上层的控制下自主执行。执行控制层则是把传感器的非符号化数据转变为符号化数据供上层读取，或者用自动控制理论和方法高速地控制执行器的运作。
下图是一个典型的混合式架构的系统框图。
《我看机器人》 学院：理学院 学号：5502211005 姓名：黄志涵 班级：应用物理学111班
摘要：在21世纪，随着科学技术的发展，机器人的研究和发展也将会更进一步。机器人原本起源在美国，但其在美国的发展速度远远不如日本。这里面主要的原因，可能是因为日本劳动力短缺，大部分需要劳动力的工厂得不到劳动力，所以日本政府大力发展机器人产业，用机器人代替短缺的劳动力资源。本文通过三部分简要阐述有关机器人一些发展和应用，以及未来机器人更大的应用前景。 关键词：机器人，机器人发展史，关键技术，分类，应用 正文： 第一部分：机器人的发展史 从1920年捷克斯洛伐克作家卡雷尔·恰佩克在他的科幻小说《罗萨姆的机器人万能公司》中，根据Robota(捷克文，原意为“劳役、苦工”)和Robotnik(波兰文，原意为“工人”)，创造出“机器人”这个词。机器人历史有了如下的发展：1939年美国纽约世博会上展出了西屋电气公司制造的家用机器人Elektro。它由电缆控制，可以行走，会说77个字，甚至可以抽烟，不过离真正干家务活还差得远。但它让人们对家用机器人的憧憬变得更加具体。 1942年美国科幻巨匠阿西莫夫提出“机器人三定律”。虽然这只是科幻小说里的创造，但后来成为学术界默认的研发原则。 1948年诺伯特·维纳出版《控制论》，阐述了机器中的通信和控制机能与人的神经、感觉机能的共同规律，率先提出以计算机为核心的自动化工厂。 1954年美国人乔治·德沃尔制造出世界上第一台可编程的机器人，并注册了专利。这种机械手能按照不同的程序从事不同的工作，因此具有通用性和灵活性。 1956年在达特茅斯会议上，马文·明斯基提出了他对智能机器的看法：智能机器“能够创建周围环境的抽象模型，如果遇到问题，能够从抽象模型中寻找解决方法”。这个定义影响到以后30年智能机器人的研究方向。 1959年德沃尔与美国发明家约瑟夫·英格伯格联手制造出第一台工业机器人。随后，成立了世界上第一家机器人制造工厂——Unimation公司。由于英格伯格对工业机器人的研发和宣传，他也被称为“工业机器人之父”。 1962年美国AMF公司生产出“VERSTRAN”(意思是万能搬运),与Unimation 公司生产的Unimate一样成为真正商业化的工业机器人，并出口到世界各国，掀起了全世界对机器人和机器人研究的热潮。 1962年-1963年传感器的应用提高了机器人的可操作性。人们试着在机器人上安装各种各样的传感器，包括1961年恩斯特采用的触觉传感器，托莫维奇和博尼1962年在世界上最早的“灵巧手”上用到了压力传感器，而麦卡锡1963年则开始在机器人中加入视觉传感系统，并在1965年，帮助MIT推出了世界上第一个带有视觉传感器，能识别并定位积木的机器人系统. 1965年约翰·霍普金斯大学应用物理实验室研制出Beast机器人。Beast已经能通过声纳系统、光电管等装置，根据环境校正自己的位置。20世纪60年代中期开始，美国麻省理工学院、斯坦福大学、英国爱丁堡大学等陆续成立了机器人实验室。美国兴起研究第二代带传感器、“有感觉”的机器人，并向人工智能进发。 1968年美国斯坦福研究所公布他们研发成功的机器人Shakey。它带有视觉传感器，能根据人的指令发现并抓取积木,不过控制它的计算机有一个房间那么大。Shakey可以算是世界第一台智能机器人，拉开了第三代机器人研发的序幕。 1969年日本早稻田大学加藤一郎实验室研发出第一台以双脚走路的机器人。加藤一郎长期致力于研究仿人机器人，被誉为“仿人机器人之父”。日本专家
机器人控制器的现状及展望 摘要机器人控制器是影响机器人性能的关键部分之一, 它从一定程度上影响着机器人的发展。本文介绍了目前机器人控制器的现状, 分析了它们各自的优点和不足, 探讨了机器人控制器的发展方向和要着重解决的问题。 1引言 从世界上第一台遥控机械手的诞生至今已有 50年了,在这短短的几年里,伴随着计算机、自动控制理论的发展和工业生产的需要及相关技术的进步,机器人的发展已经历了 3代:(1 可编程的示教再现型机器人; (2 基于传感器控制具有一定自主能力的机器人; (3 智能机器人。作为机器人的核心部分, 机器人控制器是影响机器人性能的关键部分之一。它从一定程度上影响着机器人的发展。目前,由于人工智能、计算机科学、传感器技术及其它相关学科的长足进步, 使得机器人的研究在高水平上进行, 同时也为机器人控制器的性能提出更高的要求。 对于不同类型的机器人, 如有腿的步行机器人与关节型工业机器人, 控制系统的综合方法有较大差别,控制器的设计方案也不一样。本文仅讨论工业机器人控制器问题。 2机器人控制器类型 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的动作或作业任务的装置, 它是机器人的心脏,决定了机器人性能的优劣。 从机器人控制算法的处理方式来看,可分为串行、并行两种结构类型。 2.1串行处理结构 所谓的串行处理结构是指机器人的控制算法是由串行机来处理。对于这种类型的控制器, 从计算机结构、控制方式来划分,又可分为以下几种。 (1单 CPU 结构、集中控制方式
用一台功能较强的计算机实现全部控制功能。在早期的机器人中, 如 Hero-I, Robot-I等, 就采用这种结构, 但控制过程中需要许多计算 (如坐标变换 , 因此这种控制结构速度较慢。 (2二级 CPU 结构、主从式控制方式 一级 CPU 为主机,担当系统管理、机器人语言编译和人机接口功能,同时也利用它的运算能力完成坐标变换、轨迹插补, 并定时地把运算结果作为关节运动的增量送到公用内存, 供二级 CPU 读取;二级 CPU 完成全部关节位置数字控制。 这类系统的两个 CPU 总线之间基本没有联系,仅通过公用内存交换数据,是一个松耦合的关系。对采用更多的 CPU 进一步分散功能是很困难的。日本于 70年代生产的 Motoman 机器人(5关节,直流电机驱动的计算机系统就属于这种主从式结构。 (3多 CPU 结构、分布式控制方式 目前, 普遍采用这种上、下位机二级分布式结构, 上位机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,这些 CPU 和主控机联系是通过总线形式的紧耦合。这种结构的控制器工作速度和控制性能明显提高。但这些多 CPU 系统共有的特征都是针对具体问题而采用的功能分布式结构,即每个处理器承担固定任务。目前世界上大多数商品化机器人控制器都是这种结构。 控制器计算机控制系统中的位置控制部分,几乎无例外地采用数字式位置控制。 以上几种类型的控制器都是采用串行机来计算机器人控制算法。它们存在一个共同的弱点:计算负担重、实时性差。所以大多采用离线规划和前馈补偿解耦等方法来减轻实时控制 中的计算负担。当机器人在运行中受到干扰时其性能将受到影响, 更难以保证高速运动中所要求的精度指标。
第21卷第1期1999年1月 机器人ROBO T V o l.21,N o.1 Jan.,1999机器人控制器的现状及展望α 范永谭民 (中国科学院自动化研究所北京100080 摘要机器人控制器是影响机器人性能的关键部分之一,它从一定程度上影响着机器人的发展.本文介绍了目前机器人控制器的现状,分析了它们各自的优点和不足,探讨了机器人控制器的发展方向和要着重解决的问题. 关键词机器人控制器,开放式结构,模块化 1引言 从世界上第一台遥控机械手的诞生至今已有50年了,在这短短的几年里,伴随着计算机、自动控制理论的发展和工业生产的需要及相关技术的进步,机器人的发展已经历了3代[1]: (1可编程的示教再现型机器人;(2基于传感器控制具有一定自主能力的机器人;(3智能机器人.作为机器人的核心部分,机器人控制器是影响机器人性能的关键部分之一.它从一定程度上影响着机器人的发展.目前,由于人工智能、计算机科学、传感器技术及其它相关学科的长足进步,使得机器人的研究在高水平上进行,同时也为机器人控制器的性能提出更高的要求. 对于不同类型的机器人,如有腿的步行机器人与关节型工业机器人,控制系统的综合方法有较大差别,控制器的设计方案也不一样.本文仅讨论工业机器人控制器问题. 2机器人控制器类型
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的动作或作业任务的装置,它是机器人的心脏,决定了机器人性能的优劣. 从机器人控制算法的处理方式来看,可分为串行、并行两种结构类型. 211串行处理结构 所谓的串行处理结构是指机器人的控制算法是由串行机来处理.对于这种类型的控制器,从计算机结构、控制方式来划分,又可分为以下几种[2]. (1单CPU结构、集中控制方式 用一台功能较强的计算机实现全部控制功能.在早期的机器人中,如H ero2I,Robo t2I等,就采用这种结构,但控制过程中需要许多计算(如坐标变换,因此这种控制结构速度较慢. (2二级CPU结构、主从式控制方式 一级CPU为主机,担当系统管理、机器人语言编译和人机接口功能,同时也利用它的运算能力完成坐标变换、轨迹插补,并定时地把运算结果作为关节运动的增量送到公用内存,供二级CPU读取;二级CPU完成全部关节位置数字控制.这类系统的两个CPU总线之间基本没有联系,仅通过公用内存交换数据,是一个松耦合的关系.对采用更多的CPU进一步分散 α1998-09-03收稿 67机器人1999年1月 功能是很困难的.日本于70年代生产的M o tom an机器人(5关节,直流电机驱动的计算机系统就属于这种主从式结构. (3多CPU结构、分布式控制方式
安徽工业大学 2015级工程硕士期末考核答题卷 专业：机械工程 课程：机器人学 姓名： 学号：1521190215
2017年1月
第一章引言 随着计算机技术的不断向智能化方向发展，机器人应用领域的不断扩展和深化，产业机器人已成为一种高新技术产业，为产业自动化发挥了巨大作用，将对未来生产和社会发展起越来越重要的作用。 本文概括了工业机器人的概念和发展、国外国内机器人的发展现状、未来机器人的发展方向。
第二章机器人的概念与发展 2.1 机器人的定义 工业机器人的问世, 大约是25年前；微处理机的诞生, 大约是15年前。正是由于微处理机的出现, 以及各种LSI、VLSI的飞跃发展, 才使得工业机器人控制系统的机能大幅度提高, 从而使数百种不同结构、不同控制方法、不同用途的工业机器人终于在八十年代,真正进人了实用与普及的阶段, 并发挥了令人难以置信的巨大威力与经济效益。 那么, 什么是工业机器人？回答是令人遗憾的。因为关于工业机器人的定义, 仍在专家们的争议之中, 至今还没有人能够提出一个令人信服的明确定义。美国机器人协会（RIA）对机器人的定义是：“ 所谓工业机器人, 是为了完成不同的作业, 根据种种程序化的运动来实现材料、零部件、工具或特殊装置的移动并可重新编程的多功能操作机。”日本产业机器人协会（JIRA）的定义是：“ 所谓工业机器人, 是在三维空间具有类似人体上肢动作机能及其结构, 并能完成复杂空间动作的多自由度的自动机械” 或“根据感觉机能或认识机能, 能够自行决定行动的机器（智能机器人）。” 不管各国机器人专家们如何定义和解释工业机器人, 有一点是可以明确的, 这就是人们开发研究工业机器人的最终目标, 在于要研制出一种能够缥合人的所有动作特性——通用性、柔软性、灵活性的自动机械。 2.2 机器人的发展 自动化技术的发展，特别是计算机的诞生，推动了机器人的发展。人们通常把机器人划分为三代。第一代是可编程机器人。这种机器人一般可以根据操作人员所编的程序,完成一些简单的重复性操作。这一代机器人是从60年代后半叶开始投入实际使用的,目前在工业界已得到广泛应用。第二代是“感知机器人”,又叫做自适应机器人,它在第一代机器人的基础上发展起来的,能够具有不同程度的“感知”周围环境的能力。这类利用感知信息以改善机器人性能的研究开始于70年代初期,到1982年,美国通用汽车公司为其装配线上的机器人装配了视觉系统,宣告了感
工业机器人概述 20.1 概述 世界上机器人工业萌芽于50年代的美国，经过40多年的发展，已被不断地应用于人类社会很多领域，正如计算机技术一样，机器人技术正在日益改变着我们的生产方式，以至今后的生活方式。我们有必要以极大的兴趣关注它的发展，研究它的未来，迎接它给我们带来的机遇。 20.1.1 中国工业机器人的回顾 我国机器人技术发展已有20多年历史，特别是在“七五”计划期间，国家对机器人工业给予了足够的重视，投入了一定的资金，组织了全国近百个单位的机器人技术攻关，开发出喷漆、焊接、搬运等工业机器人操作机、控制系统、驱动系统及相关的元器件，取得了90余项科研成果，形成了我国机器人研究开发的基本力量，为进一步发展我国工业机器人打下了一定的基础。在此期间，我国机器人工业基本上实现了从无到有并进行了相关的应用开发，其中有代表性的产品有： 北京机械工业自动化研究所：PJ系列喷涂机器人 北京机床研究所：GJR-G1、G2焊接及搬运机器人 广州机床研究所：JRS-80点焊机器人 大连组合机床研究所：ZHS-R005弧焊机器人 中国科学院沈阳自动化研究所：中型水下机器人及机器人控制系统 航天工业总公司303所：YZJJR30搬运机器人 沈阳工业大学：CR80-1冲压机器人 此外，还有冶金部自动化研究院、西安微电机研究所、北京谐波传动技术研究所、洛阳轴承研究所、航天工业总公司609所、林泉电机厂、北京科技大学、清华大学、北京航空航天大学、北京理工大学、华南理工大学、哈尔滨工业大学等在机器人控制装置、基础元器件和基础研究等方面做了大量工作。 20.1.2 机器人工业的现状 进入90年代，世界机器人工业继续稳步增长，每年增长率保持在10%左右，世界上已拥有机器人数量达到70万台左右，1992、1993年世界机器人市场曾一度出现小的低谷，近年除日本外，欧美机器人市场也开始复苏，并日益兴旺。与全球机器人市场一样，中国机器人市场也逐渐活跃，1997年上半年，我国从事机器人及相关技术产品研制、生产的单位已达200家，研制生产的各类工业机器人约有410台，其中已用于生产的约占3/4。目前全国约有机器人用户500家，拥有的工业机器人总台数约为1200台，其中从40家外国公司进口的各类机器人占2/3以上，并每年以100～150台的速度增加。进入“九五”计划第一年后，一些大型工厂、公司正在调整机器人的应用和发展策略，由应用机器人大户转向成为开发机器人大户，力求推进中国机器人的产业化。第一汽车集团公司是我国最早的机器人用户之一，已在其汽车生产线上应用了20多台机器人，“八五”期间开发了2台高功能点焊机器人，此外还在进一步开发弧焊、打磨、涂胶等机器人。东风汽车集团公司是我国第一条国产机器人喷涂生产线应用单位，1996年在引进德国KUKA公司90年代机器人技术的基础上，用KUKA散件组装成功点焊机器人，即将投产，1997年又引进KUKA公司的焊装线，用于驾驶室焊装并做工程应用研究。济南第二机床厂在与美国ISI机器人公司等合作完成了第一条冲压自动生产线后，又自行开发了全自动薄板冲压生产线，并投入应用。1996年北京首钢集团公司与日本安川电机（株）、岩谷产业（株）合资成立首钢莫托曼机器人有限公司，引进日本安川公司的产品和技术，生产和销售各类工业机器人，预计生产能力可达800台/年，
1、库卡机器人本体、控制柜、机器人编程控制器性能参数具体说明1.1 KR16机器人本体 KR16的外形尺寸及工作范围
KR16性能参数 负载(指第6轴最前端P点负载）16公斤 手臂/第1轴转盘负载10/20 公斤 总负载46公斤 运动轴数 6 法兰盘（第6轴上）DIN ISO 9409-1-A50 安装位置地面/墙壁/天花板 重复精度+/-0.05mm 控制器KRC2 自重235公斤 作业空间范围14.5立方米 每个轴的运动参数运动范围运动速度 轴1+/-185°156°/s 轴2+35°/-155°156°/s 轴3+154°/ -130°156°/s 轴4+/-350°330°/s 轴5+/-130°330°/s 轴6+/-350°615°/s 1.2机器人控制器KRC2 （1）机器人控制器KRC2外形尺寸 控制柜采用高强材料作为结构框架，内部器件布置简洁明了，全部采用总线形式，维护方便、可靠；控制柜内的冷却按欧洲标准设计制造，元器件与冷却回路隔开，冷却可靠，外部灰层不会进入控制柜内部。
（2）KRC2性能参数
1.4 库卡机器人特点 库卡机器人由肘节式结构的机器人本体，KRC2控制柜、示教控制器KCP组成；铝合金机器人本体、高速运动曲线的动态模型优化，使得库卡机器人的加速性能比其它普通机器人高出25%，有利于提高系统寿命、优化工作节拍； KRC2控制柜采用熟悉的个人电脑WINDOWS操作界面，中英文多种语言菜单；标准的工业计算机，硬盘、光驱、软驱、打印接口、I/O信号、多种总线接口，远程诊断； KCP具有示教、编程、安全保护功能； 控制系统具有绝对位置记忆、软PLC（选项）功能； 事故间隔时间长达7万小时---这是其它机器人所无法比拟的。 库卡工业机器人优点描述： （1）标准六轴工业机器人本体： ?合理的机械结构和紧凑化设计 ?6个自由度AC伺服马达 ?绝对位置编码器 ?所有轴都带有抱闸 ?特定的负载和运动惯量的设计，使得速度和运动特性达到最优化 ?臂部的附加负载对额定负载没有运动限制 ?本体和控制器之间7m长电缆, 并可根据需要进行扩展 ?特点描述： ●模块化的机械结构设计，任何部分都可迅速更换 ●高精度电子零点标定，任何人在任何时间所作的零点标定都 是相同的，标定后，程序无需重新校正即可进入生产状态。 ●可调机械手臂，更大的活动空间和柔韧性 ●高速运动曲线中动态模型的优化，加速性能高于普通机器人25%，更利于 提高系统寿命、优化工作节拍。
1、对机器人控制系统的一般要求 机器人控制系统就是机器人的重要组成部分,用于对操作机的控制,以完成特定的工作任务,其基本功能如下: ·记忆功能:存储作业顺序、运动路径、运动方式、运动速度与与生产工艺有关的信息。 ·示教功能:离线编程,在线示教,间接示教。在线示教包括示教盒与导引示教两种。 ·与外围设备联系功能:输入与输出接口、通信接口、网络接口、同步接口。 ·坐标设置功能:有关节、绝对、工具、用户自定义四种坐标系。 ·人机接口:示教盒、操作面板、显示屏。 ·传感器接口:位置检测、视觉、触觉、力觉等。 ·位置伺服功能:机器人多轴联动、运动控制、速度与加速度控制、动态补偿等。 ·故障诊断安全保护功能:运行时系统状态监视、故障状态下的安全保护与故障自诊断。 2.机器人控制系统的组成(图1) (1)控制计算机控制系统的调度指挥机构。一般为微型机、微处理器有32位、64位等,如奔腾系列CPU以及其她类型CPU。 (2)示教盒示教机器人的工作轨迹与参数设定,以及所有人机交互操作,拥有自己独立的CPU以及存储单元,与主计算机之间以串行通信方式实现信息交互。 (3)操作面板由各种操作按键、状态指示灯构成,只完成基本功能操作。 (4)硬盘与软盘存储存储机器人工作程序的外围存储器。 (5)数字与模拟量输入输出各种状态与控制命令的输入或输出。 (6)打印机接口记录需要输出的各种信息。 (7)传感器接口用于信息的自动检测,实现机器人柔顺控制,一般为力觉、触觉与视觉传感器。 (8)轴控制器完成机器人各关节位置、速度与加速度控制。 (9)辅助设备控制用于与机器人配合的辅助设备控制,如手爪变位器等。 (10)通信接口实现机器人与其她设备的信息交换,一般有串行接口、并行接口等。 (11)网络接口 1)Ethernet接口:可通过以太网实现数台或单台机器人的直接PC通信,数据传输速率高达10Mbit/s,可直接在PC上用windows库函数进行应用程序编程之后,支持TCP/IP通信协议,通过Ethernet接口将数据及程序装入各个机器人控制器中。 2)Fieldbus接口:支持多种流行的现场总线规格,如Device net、AB Remote I/O、Interbus-s、profibus-DP、M-NET 等。 3.机器人控制系统分类 ·程序控制系统:给每一个自由度施加一定规律的控制作用,机器人就可实现要求的空间轨迹。 ·自适应控制系统:当外界条件变化时,为保证所要求的品质或为了随着经验的积累而自行改善控制品质,其过程就是基于操作机的状态与伺服误差的观察,再调整非线性模型的参数,一直到误差消失为止。这种系统的结构与参数能随时间与条件自动改变。 人工智能系统:事先无法编制运动程序,而就是要求在运动过程中根据所获得的周围状态信息,实时确定控制作用。
可编辑版 《机器人技术》大作业 （2015年秋季学期） 题目工业机器人概述 姓名 学号 班级 专业机械设计制造及其自动化 报告提交日期2015年12月5日 哈尔滨工业大学 .
内容及要求 1.以某种机器人(如搬运、焊接、喷漆、装配等工业机器人；服务机器人； 仿生鱼、蛇等仿生机器人；军用及其它机器人等)为例，撰写一篇大作业，题目自拟，以下内容仅作参考： 1) 机器人的机械结构设计(包括各部分名称、功能、传动等)； 2) 机器人的运动学及动力学分析； 3) 机器人的控制及轨迹规划； 4) 驱动及伺服系统设计； 5) 电气控制电路图及部分控制子程序。 2.题目自拟，拒绝雷同和抄袭； 3.参考文献不少于7篇，其中至少有2篇外文文献； 4.报告统一用该模板撰写，字数不少于5000字，上限不限； 5.正文为小四号宋体，1.25倍行距；图表规范，标注为五号宋体； 6.用A4纸单面打印；左侧装订，1枚钉； 7.提交打印稿及03版word电子文档，由班长收齐。 8.此页不得删除。 评语： 成绩（20分）：教师签名： 年月 日
工业机器人概述 机器人学是当今世界极为活跃的研究领域之一，它涉及计算机科学、机械学、电子学、自动控制、人工智能等多种学科。随着计算机、人工智能和光机电一体化技术的迅速发展，机器人已经成为人类的好帮手。在航空航天，深海探测中，往往使用机器人代替人类去完成复杂的极限工作任务。 工业机器人是一个多功能、多自由度的机械和电气一体化的自动机械设备和系统，它可以在制造过程中完成各种任务。它结合制造主机或生产线，可以形成一个单一的或多台机器自动化系统，在无人参与下，实现搬运、焊接、装配和喷涂等多种生产作业。目前，工业机器人技术飞速发展，在生产中的应用日益广泛，已成为现代制造业重要的生产高度自动化设备。 一、工业机器人特性 自20世纪60年代美国第一代机器人的开始，工业机器人的发展和应用迅速发展起来，工业机器人的最重要的特性概括如下。 1、可编程。生产自动化的进一步发展是柔性自动化。工业机器人能根据工作环境不同、做出相应规划和变化，因而在小批量多品种的高效柔性制造过程可以起到很好的作用，是柔性制造系统（FMS）的重要组成部分。 2、拟人化。工业机器人在机械结构上类似于人体行走、腰转、大臂、小臂、手腕、手爪和部分，在控制上有计算机类似大脑。此外，智能工业机器人具有许多类似生物传的感器，如皮肤接触传感器、力传感器、负载传感器、视觉传感器、声传感器、语言功能等。该传感器提高了自适应能力。 3、通用性。除了专门的特种工业机器人外，一般工业机器人在执行不同任务时具有很好的通用性。例如，更换工业机器人末端执行器（夹具、工具等）可以执行不同的任务。 4、机电一体化。工业机器人技术涉及的学科相当广泛，但总结起来就是是机电一体化技术。第三代智能机器人不仅具有获取外界环境信息的能力，而且具有记忆、语言理解、图像识别、推理和判断等能力，这与微电子技术、特别是计算机技术的应用有着密切的关系。因此，机器人技术的发展将带动其他技术的发展，机器人技术的发展和应用也可以验证一个国家科技和工业技术的发展和水平。 二、工业机器人组成 工业机器人系统由三大部分和六个子系统组成。三大部分：机部分、传感部分、控制部分。六个子系统：驱动系统、机械结构系统、感觉系统、机器人环境交互系统、人机交互系统、控制系统。 1、驱动系统，要使机器人运行起来，就需给各个关节即每个运动自由度安置传动装置，这就是驱动系统。驱动系统可以是液压传动、气动传动、电动传动，或者把它们结合起来应用的综合系统；可以直接驱动或者通过同步带、链条、轮系、谐波齿轮等机械传动
第21卷第1期1999年1月 机器人 ROBOT V ol.21,No.1 J a n.,1999机器人控制器的现状及展望⒇ 范 永 谭 民 (中国科学院自动化研究所 北京 100080) 摘 要 机器人控制器是影响机器人性能的关键部分之一,它从一定程度上影响着机器人的发展.本文介绍了目前机器人控制器的现状,分析了它们各自的优点和不足,探讨了机器人控制器的发展方向和要着重解决的问题. 关键词 机器人控制器,开放式结构,模块化 1 引言 从世界上第一台遥控机械手的诞生至今已有50年了,在这短短的几年里,伴随着计算机、自动控制理论的发展和工业生产的需要及相关技术的进步,机器人的发展已经历了3代[1]: (1)可编程的示教再现型机器人;(2)基于传感器控制具有一定自主能力的机器人;(3)智能机器人.作为机器人的核心部分,机器人控制器是影响机器人性能的关键部分之一.它从一定程度上影响着机器人的发展.目前,由于人工智能、计算机科学、传感器技术及其它相关学科的长足进步,使得机器人的研究在高水平上进行,同时也为机器人控制器的性能提出更高的要求. 对于不同类型的机器人,如有腿的步行机器人与关节型工业机器人,控制系统的综合方法有较大差别,控制器的设计方案也不一样.本文仅讨论工业机器人控制器问题. 2 机器人控制器类型 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的动作或作业任务的装置,它是机器人的心脏,决定了机器人性能的优劣. 从机器人控制算法的处理方式来看,可分为串行、并行两种结构类型. 2.1 串行处理结构 所谓的串行处理结构是指机器人的控制算法是由串行机来处理.对于这种类型的控制器,从计算机结构、控制方式来划分,又可分为以下几种[2]. (1)单CPU结构、集中控制方式 用一台功能较强的计算机实现全部控制功能.在早期的机器人中,如Hero-I,Robo t-I等,就采用这种结构,但控制过程中需要许多计算(如坐标变换),因此这种控制结构速度较慢. (2)二级CPU结构、主从式控制方式 一级CPU为主机,担当系统管理、机器人语言编译和人机接口功能,同时也利用它的运算能力完成坐标变换、轨迹插补,并定时地把运算结果作为关节运动的增量送到公用内存,供二级CPU读取;二级CPU完成全部关节位置数字控制.这类系统的两个C PU总线之间基本没有联系,仅通过公用内存交换数据,是一个松耦合的关系.对采用更多的CPU进一步分散 ⒇1998-09-03收稿 DOI:10.13973/https://www.doczj.com/doc/b018010194.html, k i.rob ot.1999.01.014
1. 对机器人控制系统的一般要求 机器人控制系统是机器人的重要组成部分，用于对操作机的控制，以完成特定的工作任务，其基本功能如下： ·记忆功能：存储作业顺序、运动路径、运动方式、运动速度和与生产工艺有关的信息。 ·示教功能：离线编程，在线示教，间接示教。在线示教包括示教盒和导引示教两种。 ·与外围设备联系功能：输入和输出接口、通信接口、网络接口、同步接口。 ·坐标设置功能：有关节、绝对、工具、用户自定义四种坐标系。 ·人机接口：示教盒、操作面板、显示屏。 ·传感器接口：位置检测、视觉、触觉、力觉等。 ·位置伺服功能：机器人多轴联动、运动控制、速度和加速度控制、动态补偿等。 ·故障诊断安全保护功能：运行时系统状态监视、故障状态下的安全保护和故障自诊断。 2．机器人控制系统的组成（图1） （1）控制计算机控制系统的调度指挥机构。一般为微型机、微处理器有32位、64位等，如奔腾系列CPU以及其他类型CPU。 （2）示教盒示教机器人的工作轨迹和参数设定，以及所有人机交互操作，拥有自己独立的CPU以及存储单元，与主计算机之间以串行通信方式实现信息交互。 （3）操作面板由各种操作按键、状态指示灯构成，只完成基本功能操作。 （4）硬盘和软盘存储存储机器人工作程序的外围存储器。 （5）数字和模拟量输入输出各种状态和控制命令的输入或输出。 （6）打印机接口记录需要输出的各种信息。 （7）传感器接口用于信息的自动检测，实现机器人柔顺控制，一般为力觉、触觉和视觉传感器。 （8）轴控制器完成机器人各关节位置、速度和加速度控制。 （9）辅助设备控制用于和机器人配合的辅助设备控制，如手爪变位器等。 （10）通信接口实现机器人和其他设备的信息交换，一般有串行接口、并行接口等。 （11）网络接口 1）Ethernet接口：可通过以太网实现数台或单台机器人的直接PC通信，数据传输速率高达10Mbit/s，可直接在PC 上用windows库函数进行应用程序编程之后，支持TCP/IP通信协议，通过Ethernet接口将数据及程序装入各个机器人控制器中。 2）Fieldbus接口：支持多种流行的现场总线规格，如Device net、AB Remote I/O、Interbus-s、profibus-DP、M-NET 等。
机器人控制器（CM-6）说明书 注意：本控制器除了采用适配器电源供电方式外，还可以采用电池供电，采用的是SANYO 的12V可充电镍氢电池。而且这种电路设计有个特点：接上适配器时，电池就跟电路断开了，所以就算电池插上了也不会接入电路，有效的保护了电池。D1为电源指示灯。在用电池供电时，注意电池的极性，防止反接。 一、程序的编写和编译 采用WINAVR软件进行编译。安装完之后，打开“Programmers Notepad（WinAVR）”，开始程序的编写。 1. 新建一个工程 2..新建一个c语言源文件并另存为“XX.c”文件，例如main.c
3接下来要把main.c添加到main这个项目中， 4.在main.c中写程序，并保存。
5.makefile的制作。由于WinA VR没有像Keil uVision那样的集成IDE，所以我们需要写一个叫做makefile的文件来管理程序的编译链接。Makefile是脚本文件，一个标准的可执行文件makefile.exe负责解析它并根据脚本内容来调用编译器、连接器或其他的工具。 WinA VR的编译需要一个makefile文件，并需要把这个文件放到当前工程的目录下，这样才能正确编译。Makefile可以直接拷贝本目录下的makefile文件到项目文件夹下，然后用“Programmers Notepad（WinAVR）”打开makefile文件。 修改过程中，只需要修改“TARGET”和“SRC”这两项，把TARGET修改为刚才的源文件（.C文件）的文件名，本例中为“main“，相应地把SRC改为“main.c”即可。修改完之后保存即可。
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。
1C1D 1、库卡机器人本体、控制柜、机器人编程控制器性能参数具体说明 1、1 KR16机器人本体 KR16的外形尺寸及工作范围 1Q27 530 1OB1 ------------ P i
KR16 性能参数 负载（指第6轴最前端P 点负载） 16公斤 手臂/第 1轴转盘负载 10/20 公斤 总负载 46公斤 运动轴数 6 法兰盘（第6轴上） DIN ISO 9409-1-A50 安装位置 地面/墙壁/天花板 重复精度 +/-0、05mm 控制器 KRC2 自重 235公斤 作业空间范围 14、5立方米 每个轴的运动参数 运动范围 运动速度 轴1 +/-185 ° 156°/s 轴2 +35°/-155 ° 156°/s 轴3 + 154° -130 / 156°/s 轴4 +/-350 / 330°/s 轴5 +/-130 / 330°/s 轴6 +/-350 / 615°/s 1、2机器人控制器KRC2 控制柜采用高强材料作为结构框架,内部器件布置简洁明了 ,全部采用总线形式,维护 方便、可靠；控制柜内的冷却按欧洲标准设计制造,元器件与冷却回路隔开,冷却可靠,外部 灰层不会进入控制柜内部。 （1）机器人控制器KRC2外形尺 寸
（2） KRC2性能参数 处理器 库卡（工业）计算机 操作系统 微软 WINDOWS XP 编程及控制 库卡KCP 设计生产标准 DIN EN 292, DIN EN 418, DIN EN 614-1, DIN EN 775, DIN EN 954, DIN EN 50081-2, DIN EN 50082-2, DIN EN 60204-1 保护等级 IP54 工作环境温度 0°45 ° （如果工作环境温度超过 45°需加冷却设备） 控制轴数 6-8个 自重 178公斤 输入电源 3x400V-10% s 3X415V+10% , 49-61 赫兹 负载功率 最大8KVA 保护熔断器 32A, 3只（慢熔型） 与外围设备通讯接口 Ether Net, DevicNet （Interbus, profibus 作为可选项） 至机器人电缆总成 7米（可加长到 15米,或25、35、50米） 噪音等级 （根据 DIN 45635-1） 67dB 性能参数 尺寸（长 x 高 x 厚）:330x260x35mm 保护等级：IP54 显示屏：640x480,256 色LCD 彩显,VGA 模式 6D 空间鼠标，使示教动作容易操作 4种工作模式切换旋钮，方便操作与安全 3位人体学始能开关 中/英 /德/法多种语言菜单切换容易 10米控制电缆 开始/停止/紧急停止按钮 G ? ■ 1、3机器人编程控制器
工业机器人概述 摘要：工业机器人由操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动生产设备。 关键词：工业机器人；由来；发展；应用领域 0 引言 工业机器人是面向工业领域的多关节 机械手或多自由度的机器人，是自动执行工作的机器装置，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的专门系统。它可以接受人类指挥，也可以按照预先编排的程序运行，现代的工业机器人还可以根据人工智能技术 制定的原则纲领行动。因其灵活性高、输出功率大、定位精确的特点，工业机器人被广泛应用于制造业的各个环节。以其高效 高质、稳定的运转工作，工业机器人为所在行业的高效生产和稳定质量起到重要作用。 图1 工业机器人 1 工业机器人的由来 1920年捷克作家卡雷尔·查培克在其剧本《罗萨姆的万能机器人》中最早使用机器人一词，剧中机器人“Robot”这个词的本意是苦力，即剧作家笔下的一个具有人的外表，特征和功能的机器，是一种人造的劳力。它是最早的工业机器人设想。20世纪40 年代中后期，机器人的研究与发明得到了更多人的关心与关注。50年代以后，美国橡树岭国家实验室开始研究能搬运核原料的遥控操纵机械手，如图0.2所示，这是一种主从型控制系统，主机械手的运动。系统中加入力反馈，可使操作者获知施加力的大小，主从机械手之间有防护墙隔开，操作者可通过观察窗或闭路电视对从机械手操作机进行有效的监视，主从机械手系统的出现为机器人的产生为近代机器人的 设计与制造作了铺垫。 1954年美国戴沃尔最早提出了工业机 器人的概念，并申请了专利。该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节，利用人手对机器人进行动作示教，机器人能实现动作的记录和再现。这就是所谓的示教再现机器人。现有的机器人差不多都采用这种控制方式。1959年UNIMATION公司的第一台工业机器人在美国诞生，开创了机器人发展的新纪元。UNIMATION的VAL（very advantage language)语言也成为机器人领域最早的编程语言在各大学及科研机构中传播，也是各个机器人品牌的最基本范本。其机械结构也成为行业的模板。其后，UNIMATION公司被瑞士STAUBLI收购，并利用STAUBLI的技术优势，进一步得以改良发展。日本第一台机器人由KAWASAKI从UNIMATION进口，并由kawasaki模仿改进在国内推广。
机器人控制系统详解 如果仅仅有感官和肌肉，人的四肢并不能动作。一方面是因为来自感官的信号没有器官去接收和处理，另一方面也是因为没有器官发出神经信号，驱使肌肉发生收缩或舒张。同样，如果机器人只有传感器和驱动器，机械臂也不能正常工作。原因是传感器输出的信号没有起作用，驱动电动机也得不到驱动电压和电流，所以机器人需要有一个控制系统，用硬件和软件组成一个的控制系统。 机器人控制系统概念 机器人控制系统是指由控制主体、控制客体和控制媒体组成的具有自身目标和功能的管理系统。控制系统意味着通过它可以按照所希望的方式保持和改变机器、机构或其他设备内任何感兴趣或可变化的量。控制系统同时是为了使被控制对象达到预定的理想状态而实施的。控制系统使被控制对象趋于某种需要的稳定状态。 机器人控制系统的功能要求 1、记忆功能：存储作业顺序、运动路径、运动方式、运动速度和与生产工艺有关的信息。 2、示教功能：离线编程，在线示教，间接示教。在线示教包括示教盒和导引示教两种。 3、与外围设备联系功能：输入和输出接口、通信接口、网络接口、同步接口。 4、坐标设置功能：有关节、绝对、工具、用户自定义四种坐标系。 5、人机接口：示教盒、操作面板、显示屏。 6、传感器接口：位置检测、视觉、触觉、力觉等。 7、位置伺服功能：机器人多轴联动、运动控制、速度和加速度控制、动态补偿等。 8、故障诊断安全保护功能：运行时系统状态监视、故障状态下的安全保护和故障自诊断。机器人控制系统的主要种类 控制系统的任务，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的运动和功能。假如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。
详细解析工业机器人控制系统 什么是机器人控制系统 如果仅仅有感官和肌肉，人的四肢还是不能动作。一方面是因为来自感官的信号没有器官去接收和处理，另一方面也是因为没有器官发出神经信号，驱使肌肉发生收缩或舒张。同样，如果机器人只有传感器和驱动器，机械臂也不能正常工作。原因是传感器输出的信号没有起作用，驱动电动机也得不到驱动电压和电流，所以机器人需要有一个控制器，用硬件坨和软件组成一个的控制系统。 机器人控制系统的功能是接收来自传感器的检测信号，根据操作任务的要求，驱动机械臂中的各台电动机就像我们人的活动需要依赖自身的感官一样，机器人的运动控制离不开传感器。机器人需要用传感器来检测各种状态。机器人的内部传感器信号被用来反映机械臂关节的实际运动状态，机器人的外部传感器信号被用来检测工作环境的变化。 所以机器人的神经与大脑组合起来才能成一个完整的机器人控制系统。 机器人的运动控制系统包含哪些方面？ 执行机构----伺服电机或步进电机； 驱动机构----伺服或者步进驱动器； 控制机构----运动控制器，做路径和电机联动的算法运算控制； 控制方式----有固定执行动作方式的，那就编好固定参数的程序给运动控制器；如果有加视觉系统或者其他传感器的，根据传感器信号，就编好不固定参数的程序给运动控制器。 机器人控制系统的基本功能 1.控制机械臂末端执行器的运动位置（即控制末端执行器经过的点和移动路径）； 2.控制机械臂的运动姿态（即控制相邻两个活动构件的相对位置）； 3.控制运动速度（即控制末端执行器运动位置随时间变化的规律）； 4.控制运动加速度（即控制末端执行器在运动过程中的速度变化）；
KEBA机器人控制器简介 KEBA （中文名：科控）是一家提供自动控制产品和服务的公司，总部在奥地利（和贝加莱是老乡）。KEBA 成立于1968年，在中国设有分公司，其员工总数不到1000人，2015年营业收入达到1.89亿欧元。公司不大，产品却不俗，在工业、银行、能源等很多行业都有应用。 看到工业机器人市场这块蛋糕，KEBA 也推出了面向机器人自动化应用的产品—— KeMotion[ 1 ] ^{[1]}[1]，号称是机器人与机械设备自动化的全套解决方案。其实，KeMotion 就是一个机器人控制系统。KeMotion在中国应用非常广泛，很多机器人厂商均有使用KEBA的控制器，例如埃夫特、埃斯顿等，其它不太知名的小厂家就更多了。即便如此有名，笔者想在公网上找一些KEBA控制器的资料却几乎找不到，看来工业机器人控制这个小圈子太封闭了，笔者试图搅动这潭死水。让人意外的一点是，KEBA 虽然研发机器人控制器，但自己却并不制造机器人，这是否说明本体的利润远远比不上控制器呢？而且像控制器这样的核心被抓在别人手里，机器人厂家想必也是不甘心吧。 本文我们就来看看KEBA的控制器有什么特色。KeMotion 既然是一个系 统，它就包含一系列的软件、硬件、标准、语言等等，我总结了一下，如下表 看着一大堆没见过的英文，不知道国内英语不好的同志怎么想，反正我是 是想死的心都有了。KEBA 的工程师为了把用户搞晕也是做出了不懈的努力， 下面我逐个介绍。首先是看得见摸得着的硬件部分：
控制器KeControl KeControl 是控制器，更准确的说是控制器的CPU 模块，有CP、DU等几种型号。下图中我手里拿着的型号是CP263/X（左图），它比A4 纸瘦长一点，从正面看外表由一段段塑料片组成。你可以把KeControl 看成是一个功能齐全的小电脑（PC —— Personal Computer），它内部有中央处理器、内存和硬盘（由CF卡充当），而且运行着VxWorks 操作系统。KeControl 虽然是一个PC，但是却采用了PLC 的术语，把（我手中的）整个盒子称为“ CPU 模块”。