柚子快報(bào)激活碼778899分享：6.機(jī)器人組成及機(jī)體系結(jié)構(gòu)

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執(zhí)行系統(tǒng)

機(jī)器人關(guān)節(jié)可看作一個(gè)執(zhí)行系統(tǒng)，可以看作以下幾個(gè)部分

執(zhí)行系統(tǒng)= 電源+功率放大器+伺服電機(jī)+傳動(dòng)裝置

常見三類驅(qū)動(dòng)方式

液壓（大型關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)）

優(yōu)點(diǎn)

快速響應(yīng)好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于標(biāo)準(zhǔn)化、節(jié)流效率較高、負(fù)載能力大缺點(diǎn)

液壓密封問題，一定條件下有火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)用領(lǐng)域

噴涂工業(yè)機(jī)器人大負(fù)載工業(yè)機(jī)器人氣動(dòng)（大型關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)）

優(yōu)點(diǎn)

快速響應(yīng)較好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于標(biāo)準(zhǔn)化、安裝要求不太高、成本低缺點(diǎn)

高于10個(gè)大氣壓有爆炸風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)用領(lǐng)域

點(diǎn)位控制搬運(yùn)機(jī)器人電動(dòng)（伺服電機(jī)，中小型關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)）

優(yōu)點(diǎn)

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制靈活、精度高缺點(diǎn)

對(duì)于直流有刷電器防爆性能較差應(yīng)用領(lǐng)域

各類精度較高的弧焊、裝配工業(yè)機(jī)器人 常見電機(jī)種類

伺服電機(jī)

永磁直流伺服電機(jī)（直流有刷伺服電機(jī)）

優(yōu)點(diǎn)

體積小、精度高、低速時(shí)扭矩高、響應(yīng)速度快運(yùn)行平穩(wěn)、低噪聲效率高、變壓范圍大，頻率可調(diào)缺點(diǎn)

成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、需要維護(hù)、對(duì)環(huán)境要求較高直流電機(jī)工作原理

基于電磁感應(yīng)定律和安培定律，在定子磁場(chǎng)中，電流通過轉(zhuǎn)子上的電樞繞組產(chǎn)生安培力，帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。當(dāng)轉(zhuǎn)子上線圈與磁場(chǎng)平行時(shí)，繼續(xù)旋轉(zhuǎn)后，受到磁場(chǎng)方向?qū)⒏淖?，此時(shí)轉(zhuǎn)子末端通過電刷與換向片交替接觸，改變電流方向，使得產(chǎn)生洛倫茲力方向不變，保持轉(zhuǎn)動(dòng)方向不變。無刷直流伺服電機(jī)

結(jié)構(gòu)

定子、轉(zhuǎn)子、靜態(tài)整流器優(yōu)點(diǎn)

轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、啟動(dòng)電壓低、空載電流小、壽命長(zhǎng)、噪聲低交流伺服電機(jī)

感應(yīng)異步交流永磁同步交流步進(jìn)電機(jī) PWM調(diào)速控制原理

速度調(diào)節(jié)：

ρ：占空比轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)：

H橋驅(qū)動(dòng)PWM+傳感器構(gòu)成伺服系統(tǒng)

開環(huán)伺服系統(tǒng)半閉環(huán)伺服系統(tǒng)(半伺服驅(qū)動(dòng)的基本組成及控制原理簡(jiǎn)述)

屬于閉環(huán)系統(tǒng)，半閉環(huán)==>采用間接測(cè)量方法檢測(cè)元件與伺服電機(jī)同軸相連，檢測(cè)電機(jī)的角位移/角速度，推算執(zhí)行器的實(shí)際位移/速度

存在測(cè)量轉(zhuǎn)換誤差閉環(huán)伺服系統(tǒng)

直接測(cè)量系統(tǒng)最終運(yùn)動(dòng)部件的位移 傳動(dòng)裝置對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的影響

推導(dǎo)

影響

轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和摩擦系數(shù)按減速因子平方分之一反映到發(fā)動(dòng)機(jī)軸負(fù)載力矩因因子1/kr減小 常見運(yùn)動(dòng)控制器

單片機(jī)可編程控制器PLC工業(yè)控制計(jì)算機(jī)IPC+運(yùn)動(dòng)控制卡 傳感器

對(duì)機(jī)器人而言傳感器分為

本體傳感器

對(duì)機(jī)械手內(nèi)部狀態(tài)得到變量進(jìn)行在線測(cè)量外部傳感器

提取機(jī)器人和環(huán)境交互作用時(shí)的狀態(tài)、特征

傳感器分類

非接觸式&接觸式

非接觸式傳感器

以某種電磁射線、聲波、超聲波的形式來測(cè)量目標(biāo)的相應(yīng)接觸式

以某種實(shí)際接觸形式來測(cè)量目標(biāo)的響應(yīng)內(nèi)傳感&外傳感

內(nèi)傳感

直接測(cè)量機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)外傳感

對(duì)周圍環(huán)境、目標(biāo)物狀態(tài)檢測(cè)有源&無源

有源

超聲波、雷達(dá)、光電編碼器無源

壓電傳感器、應(yīng)變器主動(dòng)式&被動(dòng)式

主動(dòng)式

超聲波傳感器被動(dòng)式

視覺 傳感器參數(shù)指標(biāo)（8指標(biāo)）

靈敏度

輸出信號(hào)變化與輸入信號(hào)變化的比值

線性度

輸出信號(hào)與輸入信號(hào)之間的線性程度測(cè)量范圍

最大允許值與最小允許值之差精度

測(cè)量輸出值與實(shí)際被測(cè)量值之間的誤差重復(fù)性

在相同測(cè)量條件下，對(duì)同一被測(cè)量進(jìn)行連續(xù)多次測(cè)量所得結(jié)果的一致性分辨率

在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)所能識(shí)別的被測(cè)量的最小變化量響應(yīng)時(shí)間

傳感器的輸入信號(hào)變化后，其輸出信號(hào)隨之變化并達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值所需要的實(shí)際抗干擾能力 內(nèi)傳感器

（在機(jī)器人領(lǐng)域可用于位置/角度，速度和角速度，加速度，力等感知的傳感器）位置和位移傳感器

線位移

直線型電位器式位移傳感器

原理

工作臺(tái)與傳感器的滑動(dòng)觸點(diǎn)相連，通過改變電阻接觸位置，檢測(cè)輸出電壓的變化量，確定以電阻中心為基準(zhǔn)位置的移動(dòng)距離角位移

旋轉(zhuǎn)型電位器式位移傳感器

原理

電阻值隨回角而改變，檢測(cè)輸出電壓的變化量，計(jì)算旋轉(zhuǎn)角度旋轉(zhuǎn)變壓器

原理

將機(jī)械角變換成與該角呈某一函數(shù)關(guān)系的電信號(hào)應(yīng)用方式

鑒相方式鑒幅方式特點(diǎn)：抗干擾性好光電位置傳感器光電編碼器

絕對(duì)式

分辨率取決于二進(jìn)制碼位數(shù)n

特點(diǎn)

直接把被測(cè)轉(zhuǎn)角或位移轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的代碼，指示的是絕對(duì)位置而無絕對(duì)誤差，斷電不丟失位置信息增量式

分辨率取決于碼盤線數(shù)角速度計(jì)算

Δt內(nèi)計(jì)數(shù)得到的脈沖數(shù)為n，而編碼器的線數(shù)（每一圈的條紋孔數(shù)：p/r）為NR，可得到和碼盤一起旋轉(zhuǎn)的軸的角速度

激光編碼器速度傳感器

測(cè)速電機(jī)

原理：直接得到轉(zhuǎn)速代表的電壓

基于法拉第電磁感應(yīng)定律，當(dāng)通過線圈的磁通量恒定時(shí)，位于磁場(chǎng)中的線圈旋轉(zhuǎn)使線圈兩端產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與線圈轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速成正比增量式編碼器加速度傳感器

機(jī)械式加速度計(jì)MEMS（微機(jī)電）加速度計(jì)壓電加速度計(jì)陀螺儀

機(jī)械式陀螺儀光纖陀螺儀力傳感器

電阻應(yīng)變片六維力和力矩傳感器

電阻應(yīng)變片利用金屬絲拉伸時(shí)電阻變大的現(xiàn)象利用惠斯通電橋進(jìn)行信號(hào)提取腕力傳感器

由應(yīng)變片組成，測(cè)量由外力引起的機(jī)械結(jié)構(gòu)形變力傳感器相關(guān)知識(shí)點(diǎn)補(bǔ)充

作用：工業(yè)機(jī)器人的指、肢、關(guān)節(jié)等運(yùn)動(dòng)中所受力或力矩的感知安裝位置

關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器腕部手指末端 外部傳感器

觸覺傳感器

接觸覺傳感器

微動(dòng)開關(guān)

原理

由彈簧和觸頭構(gòu)成。觸頭接觸外界物體后離開基板，造成信號(hào)通路斷開，從而測(cè)到與外界物體的接觸。導(dǎo)電橡膠

原理：電阻改變，電流變化

以導(dǎo)電橡膠為敏感元件。當(dāng)觸頭接觸外界物體受壓后，壓迫導(dǎo)電橡膠，使它的電阻發(fā)生改變，從而使流經(jīng)導(dǎo)電橡膠的電流發(fā)生變化。含碳海綿

原理：電阻改變，電流變化

基板上裝有海綿構(gòu)成的彈性體，在海綿中按陣列布以含碳海綿。接觸物體受壓后，含碳海綿的電阻減小，測(cè)量流經(jīng)含碳海綿電流的大小，可確定受壓程度。碳素纖維氣動(dòng)復(fù)位式裝置接近覺傳感器

電磁感應(yīng)式接近覺傳感器電容式接近覺傳感器聲覺傳感器

語言識(shí)別技術(shù)（模式識(shí)別）

特定人的語音識(shí)別系統(tǒng)非特定人的語音識(shí)別系統(tǒng)溫度傳感器嗅覺

氣體傳感器測(cè)距傳感器

超聲波傳感器

原理

使用聲音脈沖和它們的回波來測(cè)量到物體的距離計(jì)算公式

激光雷達(dá)

原理

靠一個(gè)旋轉(zhuǎn)的反射鏡將激光發(fā)射出去并通過測(cè)量發(fā)射光和從物體表面反射回來的反射光之間的時(shí)間差來進(jìn)行測(cè)距應(yīng)用領(lǐng)域

建圖自主導(dǎo)航定位紅外傳感器

三角法測(cè)距：基于幾何三角關(guān)系，通過測(cè)量發(fā)射光線和反射光線之間的角度差以及距離來計(jì)算物體的距離。

距離D較近時(shí)：

L值會(huì)相當(dāng)大，超過CCD的檢測(cè)范圍，導(dǎo)致無法正確測(cè)量。距離D較遠(yuǎn)時(shí)：

L值會(huì)很小，CCD需要有足夠高的分辨率才能檢測(cè)到微小的L值，確保測(cè)量精度。要提高靈敏度

提高CCD分辨率增大基線距離X 體系結(jié)構(gòu)

功能需求分析

四種基本功能（知道在功能體系中是怎么體現(xiàn)的）

操作能力

能夠移動(dòng)工作環(huán)境中的物理目標(biāo)感知能力

能夠獲取系統(tǒng)和工作環(huán)境的狀態(tài)信息智能

能夠運(yùn)用信息調(diào)整系統(tǒng)在預(yù)編程模式下的行為數(shù)據(jù)處理能力

能夠存儲(chǔ)、解釋和提供運(yùn)動(dòng)的相關(guān)數(shù)據(jù) 特點(diǎn)

分層的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)行為的完成，通常需要三個(gè)模塊來支撐

傳感模塊建模模塊決策策略對(duì)每一層級(jí)，要允許操作者對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控和干預(yù)（人機(jī)接口） 四個(gè)層級(jí)

任務(wù)級(jí)：任務(wù)定義動(dòng)作級(jí)：將任務(wù)分解為基本動(dòng)作基元級(jí)：軌跡規(guī)劃+逆運(yùn)動(dòng)學(xué)，產(chǎn)生伺服級(jí)的輸入信息伺服級(jí)：動(dòng)作控制實(shí)現(xiàn)注：

動(dòng)作級(jí)可以離線，非實(shí)時(shí)；基元和伺服級(jí)需要滿足實(shí)時(shí)約束的需求每級(jí)都由傳感、建模、決策三模塊完成 功能體系

功能體系的優(yōu)勢(shì)

開放式（可擴(kuò)展性）

層級(jí)上的擴(kuò)展、同層級(jí)的分解細(xì)化具備通用性為相關(guān)開發(fā)、接口定義等提供某種參考 機(jī)器人的編程環(huán)境

機(jī)器人編程語言的三種類型

動(dòng)作級(jí)編程語言

以機(jī)器人動(dòng)作為描述中心，每一個(gè)命令對(duì)應(yīng)一個(gè)動(dòng)作eg. Move_to(P1,P2)對(duì)象級(jí)編程語言

描述操作物體間關(guān)系使機(jī)器人動(dòng)作的語言任務(wù)級(jí)編程語言

比較高級(jí)的機(jī)器人語言，允許使用者對(duì)工作任務(wù)所要求達(dá)到的目標(biāo)直接下命令eg. Pickup(Apple) 三代編程環(huán)境

示教類

無法實(shí)現(xiàn)邏輯條件與排序操作者無需有特定編程技巧面向機(jī)器人編程面向?qū)ο缶幊?/p>

能夠以高級(jí)聲明語句的方式指定任務(wù)目前機(jī)器人的編程主要分為以下兩種

示教編程離線編程

需要離線編程的原因

隨著機(jī)器人應(yīng)用范圍的擴(kuò)大和所完成任務(wù)復(fù)雜程度的提高，示教方式編程已很難滿足要求提高生產(chǎn)效率：離線編程允許在不停止生產(chǎn)線的情況下進(jìn)行機(jī)器人程序的開發(fā)和調(diào)試，從而最大限度地減少停機(jī)時(shí)間。優(yōu)化程序開發(fā)：通過仿真和優(yōu)化工具，離線編程可以在部署之前優(yōu)化路徑和動(dòng)作，從而提高機(jī)器人的性能和效率。安全性：在離線環(huán)境中進(jìn)行編程和調(diào)試，避免了對(duì)實(shí)際設(shè)備和人員的潛在傷害。復(fù)雜任務(wù)的可行性：離線編程可以處理更復(fù)雜的任務(wù)和環(huán)境，例如多機(jī)器人協(xié)作、復(fù)雜軌跡規(guī)劃和高精度任務(wù)。易于測(cè)試和驗(yàn)證：在虛擬環(huán)境中可以方便地測(cè)試和驗(yàn)證程序，識(shí)別和修正潛在的問題。所要具備功能（結(jié)構(gòu)）

用戶接口機(jī)器人系統(tǒng)的三維構(gòu)型運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算軌跡規(guī)劃動(dòng)力學(xué)仿真并行操作傳感器仿真通訊接口誤差校正 比較

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