第一章概 论

第一节 机器人的发展史

一、机器人概述

机器人技术作为20世纪人类最伟大的发明之一，自20世纪60年代初问世以来，经历了近50年的发展已取得显著成果。走向成熟的工业机器人，各种用途的特种机器人的实用化，昭示着机器人技术灿烂的明天。

在科技界，科学家会给每一个科技术语一个明确的定义。 但机器人的定义仍然仁者见仁，智者见智，没有一个统一的意见。原因之一是机器人还在发展，新的机型，新的功能不断涌现，领域不断扩展。但根本原因主要是因为机器人涉及到了人的概念，成为一个难以回答的哲学问题。就像机器人一词最早诞生于科幻小说之中一样，人们对机器人充满了幻想。也许正是由于机器人定义的模糊，才给了人们充分的想象和创造空间。

其实并不是人们不想给机器人一个完整的定义，自机器人诞生之日起人们就不断地尝试着说明到底什么是机器人。但随着机器人技术的飞速发展和信息时代的到来，机器人所涵盖的内容越来越丰富，机器人的定义也不断充实和创新。

1886年法国作家利尔亚当在他的小说《未来夏娃》中将外表像人的机器起名为“安德罗丁”（android），它由4部分组成：

（1）生命系统（平衡、步行、发声、身体摆动、感觉、表情、调节运动等）；

（2）造型材料（关节能自由运动的金属覆盖体，一种盔甲）；

（3）人造肌肉（在上述盔甲上有肉体、静脉、性别等身体的各种形态）；

（4）人造皮肤（含有肤色、机理、轮廓、头发、视觉、牙齿、手爪等）。

为了防止机器人伤害人类，科幻作家阿西莫夫于1940年提出了“机器人三原则”：

（1）机器人不应伤害人类；

（2）机器人应遵守人类的命令，与第一条违背的命令除外；

（3）机器人应能保护自己，与第一条相抵触者除外。

这是给机器人赋予的伦理性纲领。机器人学术界一直将这三原则作为机器人开发的准则。

美国国家标准局（NBS ）的定义：“机器人是一种

能够进行编程并在自动控制下执行某些操作和移动作业任务的机械装置”。

国际标准化组织(ISO)的定义：“机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能机械手，这种机械手具有几个轴，能够借助于可编程序操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行种种任务。”

机器人具有以下特性：

（1）一种机械电子装置；

（2）动作具有类似于人或其他生物体的功能；

（3）可通过编程执行多种工作，有一定的通用性和灵活性；

（4）有一定程度的智能，能够自主地完成一些操作。

进入20世纪后，机器人的研究与开发得到了更多人的关心与支持，一些适用化的机器人相继问世， 1927年美国西屋公司工程师温兹利制造了第一个机器人“电报箱”，并在纽约举行的世界博览会上展出，它是一个电动机器人，装有无线电发报机，可以回答一些问题，但该机器人不能走动。

1959年第一台工业机器人（采用可编程控制器、圆柱坐标机械手）在美国诞生，开创了机器人发展的新纪元。

现代机器人的研究始于20世纪中期，其技术背景是计算机和自动化的发展，以及原子能的开发利用。

自1946年第一台数字电子计算机问世以来，计算机取得了惊人的进步，向高速度、大容量、低价格的方向发展。

大批量生产的迫切需求推动了自动化技术的进展，其结果之一便是1952年数控机床的诞生。与数控机床相关的控制、机械零件的研究又为机器人的开发奠定了基础。

另一方面，原子能实验室的恶劣环境要求某些操作机械代替人处理放射性物质。在这一需求背景下，美国原子能委员会的阿尔贡研究所于1947年开发了遥控机械手，1948年又开发了机械式的主从机械手。

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。

3. 我国机器人的发展

有人认为，应用机器人只是为了节省劳动力，而我国劳动力资源丰富，发展机器人不一定符合我国国情。其实这是一种误解，在我国，社会主义制度的优越性决定了机器人能够充分发挥其长处，它不仅能为我国的经济建设带来高度的生产力和巨大的经济效益，而且将为我国的宇宙开发、海洋开发、核能利用等新兴领域的发展做出卓越的贡献。

我国机器人学研究起步较晚，但进步较快，已经在工业机器人、特种机器人和智能机器人各个方面区的了明显的成就，为我国机器人学的发展打下了坚实的基础。

我国工业机器人起步于70年代初，大致可分为3个阶段：70年代的萌芽期，80年代的开发期，90年代的实用化期。

我国于1972年开始研制工业机器人，数十家研究单位和院校分别开发了固定程序、组合式、液压伺服型通用机器人，并开始了机构学、计算机控制和应用技术的研究。 80年代，机器人步入了跨越式发展时期。进行了工业机器人基础技术、基础元器件、几类工业机器人整机及应用工程的开发研究。完成了示教再现式工业及其成套技术的开发，研制出喷涂、弧焊、点焊和搬运等作业机器人整机，几类专用和通用控制系统及几类关键元部件，并在生产中经过实际应用考核，其性能指标达到80年代初国外同类产品的水平。

为了跟踪国外高技术，在国家高技术计划中安排了智能机器人的研究开发，包括水下无缆机器人、高功能装配机器人和各类特种机器人，进行了智能机器人体系结构、机构、控制、人工智能、机器视觉、高性能传感器及新材料等的应用研究。 90年代，由于市场竞争加剧，一些企业认识到必须要用机器人等自动化设备来改造传统产业，从而进一步走向产业化。在喷涂机器人，点、弧焊机器人，搬运机器人、装配机器人、矿山、建筑、管道作业的特种工业机器人技术和系统应用的成套技术继续开发和完善，进一步开拓市场，扩大应用领域，从汽车制造业逐步扩展到其他制造业并渗透到非制造业领域。

未来机器人技术的主要研究内容集中在以下几个方面：

1、工业机器人操作机结构的优化设计技术。

探索新的高强度轻质材料，进一步提高负载－自重比，同时机构向着模块化、可重构方向发展。

2、机器人控制技术。

重点研究开放式、模块化控制系统，人机界面更加友好，语言、图形编程界面正在研制之中。机器人控制器的标准化和网络化以及基于PC机网络式控制器已成为研究热点。

3、多传感系统。

为进一步提高机器人的智能和适应性，多种传感器的使用是其问题解决的关键。其研究热点在于有效可行的多传感器融合算法，特别是在非线性及非平稳、非正态分布的情形下的多传感器融合算法。

4、机器人遥控及监控技术，

机器人半自主和自主技术，多机器人和操作者之间的协调控制，通过网络建立大范围内的机器人遥控系统，在有时延的情况下，建立预先显示进行遥控等。

5、虚拟机器人技术。

基于多传感器、多媒体和虚拟现实以及临场感应技术，实现机器人的虚拟遥控操作和人机交互。

6、多智能体控制技术。

主要对多智能体的群体体系结构、相互间的通信与磋商机理，感知与学习方法，建模和规划、群体行为控制等方面进行研究。

7、微型和微小机器人技术。

这是机器人研究的一个新的领域和重点发展方向。过去的研究在该领域几乎是空白，因此该领域研究的进展将会引起机器人技术的一场革命，并且对社会进步和人类活动的各个方面产生不可估量的影响，微型机器人技术的研究主要集中在系统结构、运动方式、控制方法、传感技术、通信技术以及行走技术等方面。

8、软机器人技术。

主要用于医疗、护理、休闲和娱乐场合。传统机器人设计未考虑与人紧密共处，因此其结构材料多为金属或硬性材料，软机器人技术要求其结构、控制方式和所用传感系统在机器人意外地与环境或人碰撞时是安全的，机器人对人是友好的。

9、仿人和仿生技术。

这是机器人技术发展的最高境界，目前仅在某些方面进行一些基础研究。

第二章

机器人本体的机械结构

第一节 机器人的组成和分类 一、机器人的组成

大多数的机器人有四个共同的主要部件：

（1）机械部分

机械部分是由关节连在一起的许多机械连杆的集合体而形成的开环运动学链系。 （2）驱动源

使各种机械部件产生运动的装置为驱动部件，驱动源可以是气动的、液压的或电动的，

（3）一个或多个传感器

传感器是将有关机械部件的内部信息和外部信息传递给机器人的控制器。

（4）控制器

控制器通过获取的信息确定机械部件各部分的正确运行轨迹、速度、位置和外部环境，使机械部件的各部分按预定程序在规定的时间开始和结束动作。

二、机器人的分类 1.按机器人的控制方式分类

1）非伺服机器

非伺服机器人按照预先编好的程序顺序进行工作，使用限位开关、制动器、插销板和定序器来控制机器人的运动。 （2）伺服控制机器人 伺服控制机器人通过传感器取得的反馈信号与来自给定装置的综合信号比较后，得到误差信号，经过放大后用以激发机器人的驱动装置，进而带动手部执行装置以一定规律运动，到达规定的位置或速度等，这是一个反馈控制系统

2.按机器人结构坐标系特点方式分类

（1）直角坐标型

（2）圆柱坐标型（3）

极坐标型 （4）

多关节型

第二节 机器人的主要技术参数

1．自由度：是指描述物体运动所需要的独立坐标数。 2．工作空间：是指机器人手臂或手部安装点所能达到的所有空间区域，不包括手部本身所能达到的区域。 3．工作速度：

机器人在工作载荷条件下、匀速运动过程中，机械接口中心或工具中心点在单位时间内所移动的距离或转动的角度。

4．工作载荷：机器人在规定的性能范围内，机械接口处能承受的最大负载量（包括手部）。用质量、力矩、惯性矩来表示。

5．控制方式

机器人用于控制轴的方式，是伺服还是非伺服，伺服控制方式是实现连续轨迹还是点到点的运动。

6．驱动方式

指关节执行器的动力源。

7．精度、重复精度和分辨率

精度、重复精度和分辨率用来定义机器人手部的定位能力。

第三节 机器人的机械结构与运动

一、机器人机械结构的组成

1、手部结构 2、手腕结构 3、臂部结构 4、机身结构

二、机器人机构的运动

1.手臂和本体的运动

（1）垂直移动

指机器人手臂的上下运动。这种运动通常采用液压缸机构或其他垂直升降机构来完成，也可以通过调整整个机器人机身在垂直方向上的安装位置来实现。

（2）径向移动

是手臂的伸缩运动。机器人手臂的伸缩使其手臂的工作长度发生变化。在圆柱坐标式结构中，手臂的最大工作长度决定其末端所能达到的圆柱表面直径。

（3）回转运动

指机器人绕铅垂轴的转动。这种运动决定了机器人能手臂所能到达的角位置。

2.手腕的运动

(1)手腕旋转

手腕绕小臂轴线的转动。有些机器人限制其手腕转动角度小于360度。另一些机器人则仅仅受到控制电缆缠绕圈数的限制，手腕可以转几圈。

(2)手腕弯曲

指手腕的上下摆动，这种运动也称为俯仰。

(3)手腕侧摆

指机器人手腕的水平摆动。手腕的旋转和俯仰两种运动结合起来可以构成侧摆运动，通常机器人的侧摆运动由一个单独的关节提供。

三、机身和臂部机构 机身是直接连接、支承和传动手臂及行走机构的部件。 常用的机身结构有：

（1）升降回转型机身结构；

（2）俯仰型机身结构；

（3）直移型机身结构；

（4）类人机器人机身结构。

2.臂部结构

手臂部件（简称臂部）是机器人的主要执行部件，它的作用是支承腕部和手部，并带动它们在空间运动。 根据臂部的运动和布局、驱动方式、传动和导向装置的不同，可分为：

（1）伸缩型臂部结构；

（2）转动伸缩型臂部结构；

（3）屈伸型臂部结构; （4）其他专用的机械传动臂部结构

3.机身和臂部的配置型式

机身和臂部的配置形式基本上反映了机器人的总体布局。 （1）横梁式

（2）立柱式

（3）机座式 （4）屈伸式

四、手腕结构 手腕是连接手臂和手部的结构部件，它的主要作用是确定手部的作业方向。多数将腕部结构的驱动部分安排在小臂上。 要确定手部的作业方向，一般需要三个自由度，这三个回转方向为：

(1) 臂转：绕小臂轴线方向的旋转。

(2)手转：使手部绕自身的轴线方向旋转。

(3)腕摆：使手部相对于臂进行摆动。

手腕结构多为上述三个回转方式的组合，组合的方式可以有多种形式，

常用的手腕组合的方式

臂转、腕摆、手转结构 臂转、双腕摆、手转结构

五、手部机构

机器人的手部是最重要的执行机构，从功能和形态上看，它可分为工业机器人的手部和仿人机器人的手部。 工业机器人常用的手部按其握持原理可以分为: (1)夹持类

(2)吸附类

1.夹持类 （）夹钳式

•

手指1•

传动机构2•

驱动装置3•

支架4 1）手指 ①指端的形状 V型指 平面指 尖指 特形指

②指面型式

根据工件形状、大小及其被夹持部位材质软硬、表面性质等的不同，手指的指面有光滑指面、齿型指面和柔性指面三种形式。

③手指的材料 对于夹钳式手部，其手指材料可选用一般碳素钢和合金结构钢。为使手指经久耐用，指面可镶嵌硬质合金；高温作业的手指，可选用耐热钢；在腐蚀性气体环境下工作的手指，可镀铬或进行搪瓷处理，也可选用耐腐蚀的玻璃钢或聚四氟乙烯。

2）手部的传动机构

①回转型传动机构

斜楔杠杆式 滑槽式杠杆回转型 ①回转型传动机构

双支点连杆杠杆式 齿条齿轮杠杆式 ②平移型传动机构 四连杆机构平移型手部 直线平移型手部结构

（2）钩托式手部

钩托式手部是不靠夹紧力来夹持工件，而是利用手指对工件钩、托、捧等动作来托持工件。 （3）弹簧式手部

弹簧式手部靠弹簧力的作用将工件夹紧，手部不需要专用的驱动装置，结构简单，只适于夹持轻小工件。

2.吸附类

吸附式手部靠吸附式取料。根据吸附力的不同有气吸附和磁吸附二种。吸附式手部适应于大平面、易碎、微小的物体，因此使用面也较大。

（1）气吸式

气吸式手部是工业机器人常用的一种吸持工件的装置。它由吸盘、吸盘架及进排气系统组成，气吸式手部是利用吸盘内的压力与大气压之间的压力差而工作的。按形成压力差的方法，可分为真空气吸、气流负压气吸、挤压排气负压气吸三种。

气吸式手部

真空气吸吸附手部 气流负压吸附手部 挤压排气式手部

气吸式手部具有结构简单、重量轻、使用方便可靠等优点。广泛用于非金属材料或不可有剩磁的材料的吸附。

气吸式手部的另一个特点是对工件表面没有损伤，且对被吸持工件预定的位置精度要求不高；但要求工件上与吸盘接触部位光滑平整、清洁，被吸工件材质致密，没有透气空隙。

（2）磁吸式

磁吸式手部是利用永久磁铁或电磁铁通电后产生的磁力来吸附材料工件的，应用较广。磁吸式手部不会破坏被吸件表面质量。磁吸式手部比气吸式手部优越的方面是：有较大的单位面积吸力，对工件表面光洁度及通孔、沟槽等无特殊要求。磁吸式手部的不足之处是：被吸工件存在剩磁，吸附头上常吸附磁性屑（如铁屑等），影响正常工作。因此对那些不允许有剩磁的零件要禁止使用。对钢、铁等材料制品，温度超过723℃就会失去磁性，故在高温下无法使用磁吸式手部。磁吸式手部按磁力来源可分为永久磁铁手部和电磁铁手部。电磁铁手部由于供电不同又可分为交流电磁铁和直流电磁铁手部。

3.仿人机器人的手部

目前，大部分工业机器人的手部只有2个手指，而且手指上一般没有关节。因此取料不能适应物体外形的变化，不能使物体表面承受比较均匀的夹持力，因此无法满足对复杂形状、不同材质的物体实施夹持和操作。

为了提高机器人手部和手腕的操作能力、灵活性和快速反应能力，使机器人能像人手一样进行各种复杂的作业，如装配作业、维修作业设备操作等，就必须有一个运动灵活、动作多样的灵巧手，即仿人手。

六、行走机构

行走机构是由驱动装置、传动机构、位置检测元件、传感器、电缆及管路等组成。它一方面支承机器人的机身、臂部和手部，另一方面还根据工作任务的要求，带动机器人实现在更广阔的空间内运动。

一般而言,行走机器人的行走机构主要有: (1)车轮式行走机构

(2)履带式行走机构

(3)和足式行走机构

此外，还有步进式行走机构、蠕动式行走机构、混合式行走机构和蛇行式行走机构等，以适合于各种特别的场合。

1.车轮式行走机构

轮式行走机器人是机器人中应用最多的一种机器人,在相对平坦的地面上，用车轮移动方式行走是相当优越的。

（1）车轮的形式

车轮的形状或结构形式取决于地面的性质和车辆的承载能力。

充气球轮 半球形轮 传统车轮 无缘轮 ( 用于沙丘地形) （用于火星表面移动） （用于平坦的坚硬路面） (用来爬越阶梯及水田中) （2）车轮的配置和转向机构

两后轮独立驱动 前轮驱动和转向 后轮差动前轮转向 后轮分散驱动 四轮同步转向机构

（3）越障轮式机构

普通车轮行走机构对崎岖不平地面适应性很差，为了提高轮式车辆的地面适应能力，研究了越障轮式机构。

2.履带式行走机构

履带式行走机构适合于未加工的天然路面行走，它是轮式行走机构的拓展，履带本身起着给车轮连续铺路的作用。

履带行走机构与轮式行走机构相比，有如下特点：

（1）支承面积大，接地比压小。适合于松软或泥泞场地进行作业，下陷度小，滚动阻力小。

（2）越野机动性好，爬坡、越沟等性能均优于轮式行走机构

（3）履带支承面上有履齿，不易打滑，牵引附着性能好，有利于发挥较大的牵引力；

（4）结构复杂，重量大，运动惯性大，减振功能差，零件易损坏。

（2）履带行走机构的形状

形状一：驱动轮及导向轮兼作支承轮，增大支承地面面积，改善了稳定性，此时驱动轮和导向轮只微量高于地面。

形状二：不作支承轮的驱动轮与导向轮装得高于地面，链条引入引出时角度达50度，其好处是适合于穿越障碍，另外因为减少了泥土夹入引起的磨损和失效，可以提高驱动轮和导向轮的寿命。

3.足式行走机构

足式行走对崎岖路面具有很好的适应能力，足式运动方式的立足点是离散的点，可以在可能到达的地面上选择最优的支撑点，而轮式和履带行走工具必须面临最坏的地形上的几乎所有点；足式运动方式还具有主动隔振能力，尽管地面高低不平,机身的运动仍然可以相当平稳；足式行走在不平地面和松软地面上的运动速度较高，能耗较少。

不同足数对行走能力的评价

（2）足的配置

正向对称分布 前后向对称分布 第四节 机器人的驱动机构 一、驱动方式

机器人关节的驱动方式有：

（1）液压式

（2）气动式

（3）电动式。

1.液压驱动

机器人的驱动系统采用液压驱动，有以下几个优点：

1）液压容易达到较高的单位面积压力（常用油压为25～63kg/cm2),体积较小，可以获得较大的推力或转矩；

2）液压系统介质的可压缩性小，工作平稳可靠，并可得到较高的位置精度；

3）液压传动中，力、速度和方向比较容易实现自动控制；

4）液压系统采用油液作介质，具有防锈性和自润滑性能，可以提高机械效率，使用寿命长。

液压传动系统的不足之处是：

1）油液的粘度随温度变化而变化，影响工作性能，高温容易引起燃烧爆炸等危险；

2）液体的泄漏难于克服，要求液压元件有较高的精度和质量，故造价较高；

3）需要相应的供油系统，尤其是电液伺服系统要求严格的滤油装置，否则会引起故障。

液压驱动方式的输出力和功率更大，能构成伺服机构，常用于大型机器人关节的驱动。 2.气压驱动

与液压驱动相比，气压驱动的特点是：

1）压缩空气粘度小，容易达到高速（1m/s）；

2）利用工厂集中的空气压缩机站供气，不必添加动力设备；

3）空气介质对环境无污染，使用安全，可直接应用于高温作业；

4）气动元件工作压力低，故制造要求也比液压元件低。

它的不足之处是：

1）压缩空气常用压力为4～6kg/cm2，若要获得较大的出力，其结构就要相对增大；

2）空气压缩性大，工作平稳性差，速度控制困难，要达到准确的位置控制很困难；

3）压缩空气的除水问题是一个很重要的问题，处理不当会使钢类零件生绣，导致机器人失灵。此外，排气还会造成噪声污染。

气动式驱动多用于开关控制和顺序控制的机器人中。 3.电机驱动

电机驱动可分为普通交流电动机驱动，交、直流伺服电动机驱动和步进电动机驱动。

普通交、直流电动机驱动需加减速装置，输出力矩大，但控制性能差，惯性大，适用于中型或重型机器人。伺服电动机和步进电动机输出力矩相对小，控制性能好，可实现速度和位置的精确控制，适用于中小型机器人。

交、直流伺服电动机一般用于闭环控制系统，而步进电动机则主要用于开环控制系统，一般用于速度和位置精度要求不高的场合。功率在1KW以下的机器人多采用电机驱动。

电动机使用简单，且随着材料性能的提高，电机性能也逐渐提高。所以总的看来，目前机器人关节驱动逐渐为电动式所代替。

驱动方式的特点

二、驱动机构

驱动机构分为旋转驱动方式和直线驱动方式。 1.直线驱动机构

机器人采用的直线驱动包括直角坐标结构的X、Y、Z向驱动，圆柱坐标结构的径向驱动和垂直升降驱动，以及球坐标结构的径向伸缩驱动。直线运动可以直接由气缸或液压缸和活塞产生，也可以采用齿轮齿条、丝杠、螺母等传动方式把旋转运动转换成直线运动。

二、驱动机构

驱动机构分为旋转驱动方式和直线驱动方式。 1.直线驱动机构

机器人采用的直线驱动包括直角坐标结构的X、Y、Z向驱动，圆柱坐标结构的径向驱动和垂直升降驱动，以及球坐标结构的径向伸缩驱动。直线运动可以直接由气缸或液压缸和活塞产生，也可以采用齿轮齿条、丝杠、螺母等传动方式把旋转运动转换成直线运动。

2.旋转驱动机构

多数普通电机和伺服电机都能够直接产生旋转运动，但其输出力矩比所需要的力矩小，转速比所需要的转速高。因此，需要采用各种传动装置把较高的转速转换成较低的转速，并获得较大的力矩。有时也采用直线液压缸或直线气缸作为动力源，这就需要把直线运动转换成旋转运动。这种运动的传递和转换必须高效率地完成，并且不能有损于机器人系统所需要的特性，特别是定位精度、重复精度和可靠性。运动的传递和转换可以选择齿轮链传动、同步皮带传动和谐波齿轮等传动方式。

由于旋转驱动的旋转轴强度高，摩擦小、可靠性好等优点，在结构设计中应尽量多采用。但是在行走机构关节中，完全采用旋转驱动实现关节伸缩有如下缺点：

（1）旋转运动虽然也能转化得到直线运动，但在高速运动时，关节伸缩的加速度不能忽视，它可能产生振动。

（2）为了提高着地点选择的灵活性，还必须增加直线驱动系统。

因此有许多情况采用直线驱动更为合适。直线气缸仍是目前所有驱动装置中最廉价的动力源，凡能够使用直线气缸的地方，还是应该选用它。有些要求精度高的地方也要选用直线驱动。

三、制动器

许多机器人的机械臂都需要在各关节处安装制动器，其作用是：在机器人停止工作时，保持机械臂的位置不变；在电源发生故障时，保护机械臂和它周围的物体不发生碰撞。例如齿轮链、谐波齿轮机构和滚珠丝杠等元件的质量较高，一般其摩擦力都很小，在驱动器停止工作的时候，它们是不能承受负载的。如果不采用如制动器、夹紧器或止挡等装置，一旦电源关闭，机器人的各个部件就会在重力的作用下滑落。因此，机器人制动装置是十分必要的。

制动器通常是按失效抱闸方式工作的，即要放松制动器就必须接通电源，否则，各关节不能产生相对运动。它的主要目的是在电源出现故障时起保护作用。其缺点是在工作期间要不断花费电力使制动器放松。假如需要的话也可以采用一种省电的方法，其原理是：需要各关节运动时，先接通电源，松开制动器，然后接通另一电源，驱动一个挡销将制动器锁在放松状态。这样所需要的电力仅仅是把挡销放到位所花费的电力。 为了使关节定位准确，制动器必须有足够的定位精度。制动器应当尽可能地放在系统的驱动输入端，这样利用传动链速比，能够减小制动器的轻微滑动所引起的系统移动，保证了在承载条件下仍具有较高的定位精度。在许多实际应用中机器人都采用了制动器。

第三章

机器人运动学

第一节

概述

常见的机器人运动学问题可归纳如下：

1．对一给定的机器人，已知杆件几何参数和关节角矢量求机器人末端执行器相对于参考坐标系的位置和姿态。

2．已知机器人杆件的几何参数，给定机器人末端执行器相对于参考坐标系的期望位置和姿态 (位姿)，机器人能否使其末端执行器达到这个预期的位姿？如能达到，那么机器人有几种不同形态可满足同样的条件?

第一个问题常称为运动学正问题(直接问题);

第二个问题常称为运动学逆问题(解臂形问题)。这两个问题是机器人运动学中的基本问题。 第四章

机器人的动力学初步

第一节 前 言

机器人动力学是研究机器人运动数学方程的建立。其实际动力学模型可以根据已知的物理定律(例如牛顿或拉格朗日力学定律)求得。 机器人运动方程的求解可分为两种不同性质的问题：

正动力学问题。即机器人各执行器的驱动力或力矩为已知，求解机器人关节变量在关节变量空间的轨迹或末端执行器在笛卡尔空间的轨迹，这称为机器人动力学方程的正面求解，简称为正动力学问题。

机器人运动方程的求解可分为两种不同性质的问题：

逆动力学问题。即机器人在关节变量空间的轨迹已确定，或末端执行器在笛卡尔空间的轨迹已确定（轨迹已被规划），求解机器人各执行器的驱动力或力矩，这称为机器人动力学方程的反面求解，简称为逆动力学问题。 第二节 机器人的静力学

一、虚功原理

在介绍机器人静力学之前，首先要说明一下静力学中所需要的虚功原理（principle of virtual work）。

作功之和为零。这里所指的虚位移（virtual displacement）是描述作为对象的系统力学结构的位移，不同于随时间一起产生的实际位移。为此用“虚”一词来表示。而约束力（force of constraint）是使系统动作受到制约的力。

第五章

机器人的控制基础

第一节

概 述

一、机器人控制系统的特点

1）机器人的控制与机构运动学及动力学密切相关。 2）机器人有多个自由度。每个自由度一般包含一个伺服机构，它们必须协调起来，组成一个多变量控制系统。

3）机器人控制系统必须是一个计算机控制系统。同时，计算机软件担负着艰巨的任务。

4）描述机器人状态和运动的数学模型是一个非线性模型，随着状态的不同和外力的变化，其参数也在变化，各变量之间还存在耦合。

5）机器人的动作往往可以通过不同的方式和路径来完成，因此存在一个“最优”的问题。 二、机器人的控制方式

1. 点位式

很多机器人要求能准确地控制末端执行器的工作位置，而路径却无关紧要。例如，在印刷电路板上安插元件、点焊、装配等工作，都属于点位式工作方式。

2. 轨迹式

在弧焊、喷漆、切割等工作中，要求机器人末端执行器按照示教的轨迹和速度运动。如果偏离预定的轨迹和速度，就会使产品报废。可称之为轨迹伺服控制。

二、机器人的控制方式

1. 点位式

很多机器人要求能准确地控制末端执行器的工作位置，而路径却无关紧要。例如，在印刷电路板上安插元件、点焊、装配等工作，都属于点位式工作方式。

二、机器人的控制方式

2. 轨迹式

在弧焊、喷漆、切割等工作中，要求机器人末端执行器按照示教的轨迹和速度运动。如果偏离预定的轨迹和速度，就会使产品报废。可称之为轨迹伺服控制。

3. 力（力矩）控制方式

在完成装配、抓放物体等工作时，除要准确定位之外，还要求使用适度的力或力矩进行工作，这时就要利用力（力矩）伺服方式。

4. 智能控制方式

三、机器人控制的基本单元

机器人控制系统的基本要素包括电动机、减速器、运动特性检测的传感器、驱动电路、控制系统的硬件和软件。

1．电动机

驱动机器人运动的驱动力，常见的有液压驱动、气压驱动、直流伺服电机驱动、交流伺服电机驱动和步进电机驱动。 2．减速器

减速器是为了增加驱动力矩，降低运动速度 3．驱动电路

由于直流伺服电机或交流伺服电机的流经电流较大，机器人常采用脉冲宽度调制（PWM）方式进行驱动。

4．运动特性检测的传感器

机器人运动的特性传感器用于检测机器人运动的位置、速度、加速度等参数。

5．控制系统的硬件

机器人的控制系统是以计算机为基础的，机器人控制系统的硬件系统采用的是二级结构——协调级和执行级。

6．控制系统的软件

对机器人运动特性的计算、机器人的智能控制和机器人与人的信息交换等功能。

第二节

伺服电机的原理与特性

一、直流电机的结构和额定值

1．直流电机的结构

1－电枢绕组；2－电枢铁心；3－机座；4－主磁极铁心；

5－励磁绕组；6－换向极绕组；7－换向极铁心；8－主磁极极靴；9－机座底脚；

直流电机横剖面示意图 2．直流电机的额定值

（1）额定功率：是指轴上输出的机械功率，单位为kW。

（2）额定电压：安全工作的最大外加电压或输出电压，单位为V(伏)。

（3）额定电流：允许流过的最大电流，单位为A(安)。

（4）额定转速：额定转速是指电机在额定电压、额定电流和输出额定功率的情况下运行时，电机的旋转速度，单位为rpm(转/分)。

二、直流伺服电机

机器人对直流伺服电机的基本要求：

宽广的调速范围

机械特性和调速特性均为线性

无自转现象（控制电压降到零时，伺服电动机能立即自行停转）

快速响应好

直流伺服电机：传统型和低惯量型两种类型。

传统型按定子磁极的种类分为两种，永磁式和电磁式。永磁式的磁极是永久磁铁；电磁式的磁极是电磁铁，磁极外面套着励磁绕组。

低惯量分为盘形电枢直流伺服电机、空心杯电枢永磁式直流伺服电机及无槽电枢直流伺服电机。

三、交流伺服电机

直流电机本身存在不足

机械接触式换向器结构复杂；

在运行中容易产生火花；

换向器的机械强度不高；

电刷易于磨损；

不适于有粉尘、腐蚀性气体和易燃易爆气体的场合；

对于一些大功率的输出要求不能满足要求。 交流伺服电机

结构简单，制造方便，价格低廉，而且坚固耐用，惯量小，运行可靠，很少需要维护，可用于恶劣环境等优点，目前在机器人领域逐渐有代替直流伺服电机的趋势。

1. 交流伺服电机的结构

交流伺服电机为两相异步电动机，一相为励磁绕组，另一相为控制绕组，转子为鼠笼型。 交流伺服电机也必须具有宽广的调速范围、线性的机械特性和快速响应等性能，除此以外，还应无“自转”现象。

当 =0时，电机应当停止旋转，而实际情况是，当转子电阻较小时，两相异步电机运转起来后，若控制电压 =0，电动机便成为单项异步电机继续运行，并不停转，出现了所谓的“自转”现象，使自动控制系统失控。 2. 交流伺服电机的转子有三种结构型式：

（1）高电阻率导条的鼠笼转子

国内生产的SL系列的交流伺服电机就是采用这种结构。 （2）非磁性空心杯转子

在外定子铁心槽中放置空间相距90º的两相分布绕组；内定子铁心由硅钢片叠成，不放绕组，仅作为磁路的一部分；由铝合金制成的空心杯转子置于内外定子铁心之间的气隙中，并靠其底盘和转轴固定。

（3）铁磁性空心转子

转子采用铁磁材料制成，转子本身既是主磁通的磁路，又作为转子绕组，结构简单，但当定子、转子气隙稍微不均匀时，转子就容易因单边磁拉力而被“吸住”，所以目前应用较少。

机器人控制系统的硬件结构及接口

一、机器人控制系统的硬件结构

在控制结构上，现在大部分工业机器人都采用二级计算机控制。第一级担负系统监控、作业管理和实时插补任务，由于运算工作量大，数据多，所以大都采用16位以上微型计算机。第一级运算结果作为伺服位置信号，控制第二级。第二级为各关节的伺服系统，有两种可能方案：

cUcU 1）采用一台微型计算机控制高速脉冲发生器

2）使用几个单片机分别控制几个关节运动

三、数字信号处理（DSP）系统

数字信号处理器将原始模拟信号转换成数字信号后，再进行各种运算处理，这些处理包括：差分方程计算、相关系数运算、复频率变换、付里叶变换、功率谱密度或幅值平方计算．矩阵运算与处理、对数取幂、模／数(A／D)和数／模(D／A)转换等。数字信号处理器具有适应数字信号处理算法基本运算的指令，有适应信号处理数据结构的寻址机构，它能充分利用算法中的并行性。数字信号处理器还在不断扩展实时控制功能。如增强输入／输出能力和对外部事件的管理操作，增加片内A／D转换器等。 第六章

机器人的感觉

第一节 机器人传感技术 一、机器人与传感器

研究机器人，首先从模仿人开始，通过考察人的劳动我们发现，人类是通过五种熟知的感官（视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉）接收外界信息的，这些信息通过神经传递给大脑，大脑对这些分散的信息进行加工、综合后发出行为指令，调动肌体（如手足等）执行某些动作。

如果希望机器人代替人类劳动，则发现大脑可与当今的计算机相当，肌体与机器人的机构本体（执行机构）相当，五官可与机器人的各种外部传感器相当。 机器人是通过传感器得到感觉信息的。其中，传感器处于连接外界环境与机器人的接口位置，是机器人获取信息的窗口。要使机器人拥有智能，对环境变化做出反应，

首先，必须使机器人具有感知环境的能力，用传感器采集信息是机器人智能化的第一步；

其次，如何采取适当的方法，将多个传感器获取的环境信息加以综合处理，控制机器人进行智能作业，则是提高机器人智能程度的重要体现。

因此，传感器及其信息处理系统，是构成机器人智能的重要部分，它为机器人智能作业提供决策依据。 二、机器人传感器的分类 机器人用传感器也可分为内部传感器和外部传感器。

内部传感器是用来确定机器人在其自身坐标系内的姿态位置的，如用来测量位移、速度、加速度和应力的通用型传感器。

而外部传感器则用于机器人本身相对其周围环境的定位。外部传感机构的使用使机器人能以柔性方式与其环境互相作用。负责检验诸如距离、接近程度和接触程度之类的变量，便于机器人的引导及物体的识别和处理。 第二节

机器人内部传感器 一、机器人的位置传感器 电阻式位移传感器、电容式位移传感器、电感式位移传感器、光电式位移传感器、霍尔元件位移传感器、磁栅式位移传感器以及机械式位移传感器等。机器人各关节和连杆的运动定位精度要求、重复精度要求以及运动范围要求是选择机器人位置传感器的基本依据。 典型的位置传感器是电位计（称为电位差计或分压计），它由一个线绕电阻（或薄膜电阻）和一个滑动触点组成。其中滑动触点通过机械装置受被检测量的控制。当被检测的位置量发生变化时，滑动触点也发生位移，改变了滑动触点与电位器各端之间的电阻值和输出电压值，根据这种输出电压值的变化，可以检测出机器人各关节的位置和位移量。 如图6－1所示，这是一个位置传感器的实例。在载有物体的工作台下面有同电阻接触的触头，当工作台在左右移动时接触触头也随之左右移动，从而移动了与电阻接触的位置。检测的是以电阻中心为基准位置的移动距离。

假定输入电压为E，最大移动距离（从电阻中心到一端的长度）为L ，在可动触头从中心向左端只移动x的状态，假定电阻右侧的输出电压为e 。若在图6－1的电路上流过一定的电流，由于电压与电阻的长度成比例（全部电压按电阻长度进行分压），所以左右的电压比等于电阻长度比，也就是：

把图中的电阻元件弯成圆弧形，可动触头的另一端固定在圆的中心，并像时针那样回转时，由于电阻长随相应的回转角而变化，因此基于上述同样的理论可构成角度传感器。如图6－2所示:

这种电位计由环状电阻器和与其一边电气接触一边旋转的电刷共同组成。当电流沿电阻器流动时，形成电压分布。如果这个电压分布制作成与角度成比例的形式，则从电刷上提取出的电压值，也与角度成比例。作为电阻器，可以采用两种类型，一种是用导电塑料经成形处理作成的导电塑料型，如图6－2（a）所示；另一种是在绝缘环上绕上电阻线作成的线圈型，如图6－2（b）所示。 线圈型电位计，其电压分布成阶段状，所以它的分辨率由可能检测范围（在一周回转型中，可以是3400）内绕制的电阻线圈数来决定，可以作到从1/1000-1/20000这一范围。对于导电塑料型来说，因为其电压分布大体上是连续的，所以其分辨率可以取作无穷小。这类传感器的缺点是，由作为接触型这一特点造成的。在电刷与电阻器表面的多次摩擦中，两者都会受到磨损，从而使平滑的接触变得不可能，因此，会因为接触不好而产生噪声。 图6－3所示的位置传感器是利用光电监测元件的，如果事先求出光源（LED）和感光部分（光敏晶体管）之间的距离同感光量α的关系（如图6－2中b）就能从计测时的感光量检测出位移x。

)/()(/)(xLxLeeEEEeLx)2(

二、机器人的角度传感器 应用最多的旋转角度传感器是旋转编码器。旋转编码器又称转轴编码器、回转编码器等，它把作为连续输入的轴的旋转角度同时进行离散化（样本化）和量化处理后予以输出。

光学编码器是一种应用广泛的角位移传感器，其分辨率完全能满足机器人技术要求。这种非接触型传感器可分为绝对型和增量型。 1．光学式绝对型旋转编码器 如图6－4所示为一光学式绝对型旋转编码器，在输入轴上的旋转透明圆盘上，设置条同心圆状的环带，对环带上角度实施二进制编码，并将不透明条纹印刷到环带上。 将圆盘置于光线的照射下，当透过圆盘的光由n个光传感器进行判读时，判读出的数据变成为nbit的二进制码。二进制码有不同的种类，但是只有葛莱码是没有判读误差的码，所以它获得了广泛的应用。编码器的分辨率由比特数（环带数）决定，例如12bit编码器的分辨率，由于 所以可以以 的分辨率，对1转360o进行检测。

BCD编码器，设定以十进制作为基数，所以其分辨率变为 。

绝对型旋转编码器的应用场合，可以用一个传感器检测角度和角速度。因为这种编码器的输出，表示的是旋转角度的现时值，所以若对单位时间前的值进行记忆，并取它与现时值之间的差值，就可以求得角速度。