哈工大机器人技术课程总结.docx
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哈工大机器人技术课程总结
第一章绪论
1.机器人学（Robotics）它包括有基础研究和应用研究两个方面，主要研究内容有：
（1）机械手设计；
（2）机器人运动学、动力学和控制；（3）轨迹设计和路径规划；（4）传感器（包括内部传感器和外部传感器）；（5）机器人视觉；（6）机器人语言；（7）装置与系统结构；（8）机器人智能等。
2.机器人学三原则：
（1）机器人不得伤害人
（2）机器人应执行人们的命令，除非这些命令与第一原则相矛盾（3）机器人应能保护自己的生存，只要这种保护行为不与第一第二原则相矛盾。
3.6种型式的机器人：
（1）手动操纵器：
人操纵的机械手，缺乏独立性；
（2）固定程序机器人：
缺乏通用性；
（3）可编程机器人：
非伺服控制；
（4）示教再现机器人：
通用工业机器人；
（5）数控机器人：
由计算机控制的机器人；
（6）智能机器人：
具有智能行为的自律型机器人。
4.按以下特征来描述机器人：
（1）机器人的动作机构具有类似于人或其他生物体某些器官（如肢体、感官等）的功能；
（2）机器人具有通用性，工作种类多样，动作程序灵活易变，是柔性加工主要组成部分；
（3）机器人具有不同程度的智能，如记忆、感知、推理、决策、学习等；
（4）机器人具有独立性，完整的机器人系统，在工作中可以不依赖于人的干预。
5.机器人主要由执行机构、驱动和传动装置、传感器和控制器四大部分构成
6.控制方式主要有示教再现、可编程控制、遥控和自主控制等多种方式。
7.示教－再现即分为示教－存储－再现-操作四步进行。
8.控制信息顺序信息：
位置信息：
时间信息：
9.位置控制点位控制－PTP（PointtoPoint）：
连续路径控制－CP（ContinuousPath）：
10.操纵机器人可分为两种类型：
能力扩大式机器人：
遥控机器人：
11.第三代智能机器人应具备以下四种机能：
运动机能感知机能：
思维能力：
人－机对话机能：
智能机器人是一种“认知－适应"的工作方式。
12.目前我国机器人的发展正朝着实用化、智能化和特种机器人的方向发展。
第2章机器人的总体和机械结构设计
1.机器人设计包括机械结构设计，检测传感系统设计和控制系统设计等，是机械、电子、检测、控制和计算机技术的综合应用。
2.机器人由机械部分、传感部分、控制部分三大部分组成。
这三大部分可分成驱动系统、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、控制系统六个子系统。
3.工业机器人的主要技术参数一般都应有：
自由度、定位精度、重复定位精度、工作范围、最大工作速度、承载能力等。
4.机器人的关节符号表示:
滑动关节用P表示;旋转关节用R表示;
球型关节用S表示.
5.需要六个自由度才能将物体放到空间任意指定位姿（即位置和姿态）。
少于六个自由度，机器人的能力将受到相应限制（自由度越少，限制越多）。
6.机器人精度是指定位精度和重复定位精度。
定位精度是指机器人手部实际到达位置与目标位置之间的差异。
重复定位精度是指机器人重复定位其手部于同一目标位置的能力，可以用标准偏差这个统计量来表示。
它是衡量一系列误差值的密集度，即重复度。
定位精度取决于定位方式、运动速度、控制方式、臂部刚性、驱动方式、缓冲方式等。
7.工作范围是指机器人手臂末端或手腕中心所能到达的所有点的集合，也叫做工作区域。
因为末端操作器的形状和尺寸是多种多样的，为了真实反映机器人的特征参数，所以是指不安装末端操作器时的工作区域。
8.最大工作速度通常指机器人手臂末端的最大速度。
提高速度可提高工作效率，因此提高机器人的加速减速能力，保证机器人加速减速过程的平稳性是非常重要的。
9.承载能力是指机器人在工作范围内的任何位姿上所能承受的最大质量。
机器人的载荷不仅取决于负载的质量，而且还与机器人运行的速度和加速度的大小和方向有关。
为了安全起见，承载能力是指高速运行时的承载能力。
通常，承载能力不仅要考虑负载，而且还要考虑机器人末端操作器的质量。
10.机器人总体设计的主要内容有：
确定基本参数，选择运动方式，手臂配置形式，位置检测，驱动和控制方式等。
11.机器人总体设计步骤分以下几个部分:
（1）系统分析需要做如下分析工作：
1）明确采用机器人的目的和任务。
2）分析机器人所在系统的工作环境，包括设备兼容性等。
3）认真分析系统的工作要求，确定机器人的基本功能和方案。
如机器人的自由度数、信息的存储容量、定位精度、抓取重量……
4）进行必要的调查研究，搜集国内外的有关技术资料。
（2）技术设计
1）机器人基本参数的确定。
臂力、工作节拍、工作范围、运动速度及定位精度等。
当机器人或机器手本身所能达到的定位精度有困难时，可采用辅助工夹具协助定位的办法，即机器人实现粗定位、工夹具实现精定位。
2）机器人运动形式的选择。
常见机器人的运动形式有五种：
直角坐标型、圆柱坐标型、极坐标型、关节型和SCARA型。
3）拟定检测传感系统框图。
选择合适的传感器，以便结构设计时考虑安装位置。
4）确定控制系统总体方案，绘制框图。
5）机械结构设计。
确定驱动方式，选择运动部件和设计具体结构，绘制机器人总装图及主要部件零件图。
（3）仿真分析1）运动学计算。
2）动力学计算。
3）运动的动态仿真。
4）性能分析。
5）方案和参数修改。
12.机器人运动学中通常定义以下三种坐标系：
全局参考坐标系：
关节参考坐标系：
工具参考坐标系：
13.机器人手也叫末端操作器，相当于人的手抓。
主要作用是夹持工件或让工具按照规定的程序完成指定的工作。
14.手部设计的主要研究方向是柔性化、标准化、智能化。
手部：
工业机器人手部+类人机器人手部
手部原理：
钳爪式+吸附式
吸附式：
1）磁吸式利用永久磁铁或电磁铁通电后产生的磁力来吸取铁磁性材料工件。
2）气吸式：
利用橡胶皮腕或软塑料腕中所形成的负压而把工件吸住的，适用于薄铁片、板材、纸张、薄而易碎的玻璃器皿和弧形壳体零件等的抓取。
气吸式手部主要分为三种：
①真空式吸盘②气流负压式吸盘③挤气负压式吸盘
15.机器人操作臂将末端工具置于其工作空间的任意点需要三个自由度。
即回转、俯仰和摆动，腕部实际需要的自由度应根据机器人的工作性能来确定。
在多数情况下，腕部具有两个自由度，既回转和俯仰或摇摆。
16.腕部设计要点：
结构应尽量紧凑、质量小；要适应工作环境的要求；要综合考虑各方面要求，合理布局
17.典型的腕部结构
（1）直接驱动腕部结构：
具有回转运动的腕部结构；具有回转和摆动运动的腕部结构
（2）具有机械传动的腕部结构：
具有两个自由度机械传动的腕部结构；具有三个自由度机械传动的腕部结构
18.两自由度机械传动的腕部结构：
腕部的俯仰运动；
手部的回转运动
19.三自由度机械传动的腕部结构：
腕部的俯仰运动及其诱起运动；腕部的回转运动及其诱起运动；手部回转运动
20.臂部设计
21.缓冲与定位
22.机器人可分成固定式和行走式两种。
如
（1）车轮式行走机器人
（2）脚式行走机器人（3）履带式行走机器人（4）其他行走机器人
23.根据机器人的行走环境可将机器人所具有的移动机能分为：
地面移动机能、水中移动机能、空中移动机能.
24.车轮式行走机构具有移动平稳、能耗小以及容易控制移动速度和方向等优点。
目前得到应用的主要是三轮式和四轮式。
三轮具有最基本的稳定性，其主要问题是移动方向的控制。
25.机身设计机器人机械结构有三大部分：
机身、手臂（包括手腕）、手部。
机身，又称为立拄，是支撑臂部的部件，并能实现手臂的升降、回转或俯仰运动．机器人必须有一个便于安装的基础件，这就是机器人的机座．机座往往与机身做成一体。
第三章和第四章
机器人雅可比矩阵（简称雅可比）揭示了操作空间与关节空间的映射关系。
雅可比不仅表示操作空间与关节空间的速度映射关系，也表示二者之间力的传递关系，为确定机器人的静态关节力矩以及不同坐标系间速度、加速度和静力的变换提供了便捷的方法。
第五章轨迹规划
1.机器人的规划指的是——机器人根据自身的任务，求得完成这一任务的解决方案的过程。
2.机器人的规划是分层次的，从高层的任务规划，动作规划到手部轨迹规划和关节轨迹规划，最后才是底层的控制。
对工业机器人来说，高层的任务规划和动作规划一般是依赖人来完成的。
而且一般的工业机器人也不具备力的反馈，所以，工业机器人通常只具有轨迹规划的和底层的控制功能。
3.轨迹的生成一般是先给定轨迹上的若干个点，将其经运动学反解映射到关节空间，对关节空间中的相应点建立运动方程，然后按这些运动方程对关节进行插值，从而实现作业空间的运动要求，这一过程通常称为轨迹规划
4.运动轨迹的描述或生成有以下几种方式：
（1）示教-再现运动。
（2）关节空间运动。
（3）空间直线运动（4）空间曲线运动。
5.通常这种规划涉及到以下几方面的问题：
（1）对工作对象及作业进行描述，用示教方法给出轨迹上的若干个结点（knot）。
（2）用一条轨迹通过或逼近结点，此轨迹可按一定的原则优化，如加速度平滑得到直角空间的位移时间函数X（t）或关节空间的位移时间函数q（t）；在结点之间如何进行插补，即根据轨迹表达式在每一个采样周期实时计算轨迹上点的位姿和各关节变量值。
（3）以上生成的轨迹是机器人位置控制的给定值，可以据此并根据机器人的动态参数设计一定的控制规律。
（4）规划机器人的运动轨迹时，尚需明确其路径上是否存在障碍约束的组合。
6.一般将机器人的规划与控制方式分为四种情况。
7.
08.机器人轨迹控制过程如图所示
9.空间圆弧插补可分三步来处理：
（1）把三维问题转化成二维，找出圆弧所在平面。
（2）利用二维平面插补算法求出插补点坐标（Xi+1,Yi+1）。
（3）把该点的坐标值转变为基础坐标系下的值
10.插补点要多么密集才能保证轨迹不失真和运动连续平滑呢？
可采用定时插补和定距插补方法来解决。
11.由于ts仅为几毫秒，机器人沿着要求轨迹的速度一般不会很高，且机器人总的运动精度不如数控机床、加工中心高，故大多数工业机器人采用定时插补方式。
当要求以更高的精度实现运动轨迹时，可采用定距插补。
12.常用的关节空间插补有以下方法：
三次多项式插值；过路径点的三次多项式插值；高阶多项式插值；用抛物线过渡的线性插值
13.单纯线性插值会导致起始点和终止点的关节运动速度不连续，且加速度无穷大，显然，在两端点会造成刚性冲击。
14.机器人控制系统的功能、组成
（1）基本功能构成：
记忆功能；示教功能；与外围设备联系功能；坐标设置功能；人机接口；传感器接口；位置伺服功能；故障诊断安全保护功能：
（2）机器人控制系统的组成：
控制计算机 ；示教盒 ；操作面板 ；
硬盘和软盘存储；数字和模拟量输入输出 ；打印机接口；传感器接口；
轴控制器 ；辅助设备控制 ；通信接口 ；网络接口。
15.给定目标轨迹的方式有示教再现方式和数控方式（离线编程）两种。
第六章机器人动力学
1.静力学和动力学分析，是机器人操作机设计和动态性能分析的基础。
特别是动力学分析，它还是机器人控制器设计、动态仿真的基础。
2.关节驱动力和力矩与末端执行器施加的力和力矩之间的关系是机器人操作臂力控制的基础。
3.机器人动力学概述
一、研究目的：
1、合理地确定各驱动单元（以下称关节）的电机功率。
2、解决对伺服驱动系统的控制问题（力控制）
二、机器人动力学研究的问题可分为两类：
1、给定机器人的驱动力（矩），用动力学方程求解机器人（关节）的运动参数或动力学效应。
2、给定机器人的运动要求，求应加于机器人上的驱动力（矩）。
三、动力学研究方法：
1．拉格朗日方程法；2．牛顿—欧拉方程法：
3．凯恩方程法：
第7章控制与编程
1.机器人控制特点
1）大量的运动学、动力学运算，涉及矢量、矩阵、坐标变换和微积分等运算。
2）机器人的控制不仅是非线性的，而且是多变量耦合的。
3）机器人的控制还必须解决优化、决策的问题
2.按机器人控制是否带反馈分：
（1）非伺服型控制方式，是指未采用反馈环节的开环控制方式。
这种控制方式只适用于作业相对固定、作业程序简单、运动精度要求不高的场合，它具有费用省，操作、安装、维护简单的优点。
（2）伺服型控制方式，是指采用了反馈环节的闭环控制方式。
这种控制方式的特点是在控制过程中采用内部传感器连续测量机器人的关节位移、速度、加速度等运动参数，并反馈到驱动单元构成闭环伺服控制。
3.运动控制功能与示教再现功能的区别：
在示教再现控制中，机器人手部的各项运动参数是由示教人员教给它的，其精度取决于示教人员的熟练程度。
而在运动控制中，机器人手部的各项运动参数是由机器人的控制系统经过运算得来的，且在工作人员不能示教的情况下，通过编程指令仍然可以控制机器人完成给定的作业任务。
4.机器人控制系统通常采用的是两级计算机伺服控制系统
5.机器人控制系统的组成
1、硬件
2、软件
6.示教再现控制
机器人示教的方式总的可以分为集中示教方式和分离示教方式。
1、集中示教方式，将机器人手部在空间的位姿、速度、动作顺序等参数同时进行示教的方式，示教一次即可生成关节运动的伺服指令。
2、分离示教方式，将机器人手部在空间的位姿、速度、动作顺序等参数分开单独进行示教的方式，一般需要示教多次才可生成关节运动的伺服指令，但其效果要好于集中示教方式。
7.记忆过程
1）记忆速度，取决于传感器的检测速度、变换装置的转换速度和控制系统存储器的存储速度。
2）记忆容量，取决于控制系统存储器的容量。
8.机器人的运动控制是指机器人手部在空间从一点移动到另一点的过程中或沿某一轨迹运动时，对其位姿、速度和加速度等运动参数的控制。
运动控制
9.控制步骤：
1）关节运动伺服指令的生成，即将机器人手部在空间的位姿变化转换为关节变量随时间按某一规律变化的函数。
这一步一般可离线完成。
2）关节运动的伺服控制，即采用一定的控制算法跟踪执行第一步所生成的关节运动伺服指令，这是在线完成的。
10.PTP下的轨迹规划是在关节坐标空间进行。
CP下的轨迹规划是在直角坐标空间进行。
关节坐标空间的轨迹规划是直角坐标空间轨迹规划的基础。
（1）PTP下的轨迹规划步骤：
第一步：
由手的位姿得到对应关节的位移；第二步：
不同点对应关节位移之间的运动规划；第三步：
由关节运动变化计算关节驱动力（矩）。
（2）CP下的轨迹规划步骤：
第一步：
连续轨迹离散化。
第二步：
PTP下的轨迹规划。
11.常用的控制方法有以下几种：
1）基于前馈和反馈的计算力矩的控制方法这种控制方法是基于关节变量加速度的前馈和速度、位移误差的反馈以及对耦合力项和重力项的补偿而实现的，其考虑的主要是位移和速度的误差对惯性力项的影响，所以适合于低速、重载的机器人。
它的缺点是计算的工作量大，且控制的精度主要依赖于机器人动力学模型的精确度。
注意：
前馈指的是加速度，反馈指的是速度和位移。
2）自适应控制，是指机器人根据传感器对外界环境和对象物的感知，利用人工智能中的各种学习、推理和决策技术，对外界信息进行准确处理，然后对自己行为作出自主决策以自动地完成任务的控制方式。
3）自学习控制可利用结构简单的控制器实现高精度的控制。
目前人们提出的自学习控制方案主要有：
迭代自学习控制；重复自学习控制。
第8章机器人编程
1.三种机器人编程方法：
示教编程；离线编程；机器人语言编程
2.示教的方式有手把手示教和示教盒示教。
手把手示教就是操作者操纵安装在机器人手臂内的操纵杆，按规定动作顺序示教动作内容。
示教盒示教则是操作者利用控制盒上的按钮驱动机器人一步一步运动。
3.示教编程的优点是操作简单，易于掌握，操作者不需要具备专门知识，不需复杂的装置和设备，轨迹修改方便，再现过程快。
示教编程在一些简单、重复、轨迹或定位精度要求不高的作业中经常被应用，如焊接、堆垛、喷涂及搬运等作业。
缺点为：
（1） 示教相对于再现所需的时间较长，即机器人的有效工作时间短，尤其对一些复杂的动作和轨迹，示教时间远远超过再现时间。
（2） 很难示教复杂的运动轨迹及准确度要求高的直线。
（3） 示教轨迹的重复性差，两个不同的操作者示教不出同一个轨迹，即使同一个人两次不同的示教也不能产生同一个轨迹。
（4） 无法接受传感器信息。
（5） 难以与其他操作或其他机器人操作同步。
4.离线编程是在专门的软件环境支持下用专用或通用程序在离线情况下进行机器人轨迹规划编程的一种方法。
5.机器人语言编程，即用专用的机器人语言来描述机器人的动作轨迹。
它不但能准确地描述机器人的作业动作，而且能描述机器人的现场作业环境，如对传感器状态信息的描述，更进一步还能引入逻辑判断、决策、规划功能及人工智能。
机器人编程语言具有良好的通用性，
6.编程语言系统的组成
7.编程语言系统的基本功能
1）运算功能：
主要是解析几何运算，包括机器人的正解、逆解、坐标变换及矢量运算等
2）运动功能，是机器人最基本的功能。
机器人的设计目的是用它来代替人的繁复劳动。
3）决策功能，就是指机器人根据作业空间范围内的传感信息不做任何运算而做出的判断决策。
这种决策功能一般用条件转移指令由分支程序来实现。
4）机器人的通信功能，即机器人系统与操作人员的通信，包括机器人向操作人员要求信息和操作人员知道机器人的状态、机器人的操作意图等，其中许多通信功能由外设来协助提供。
机器人向操作人员提供信息的外设有信号灯、绘图仪或图形显示屏、声音或语言合成器等。
操作人员对机器人“说话”的外设有按钮、旋钮和指压开关、数字或字母键盘、光笔、光标指示器或数字转换板以及光电阅读机等。
5）机器人的工具功能，包括工具种类及工具号的选择、工具参数的选择及工具的动作（工具的开关、分合）。
6）传感数据处理功能机器人只有与传感器连接起来才能具有感知能力，具有某种智能。
机器人中的传感器是多种多样的，按照功能来划分，有以下几种：
（1）力和力矩传感器。
（2）触觉传感器。
（3）接近觉传感器。
（4）视觉传感器。
8.机器人语言的特点
（1）机器人语言描述的内容主要是机器人的作业动作、工作环境、操作内容、工艺和过程。
（2）机器人语言逐渐向结构简明、概念统一和容易扩展等方向发展。
（3）机器人语言越来越接近自然语言，并且具有良好的对话性。
9.根据机器人语言对作业任务描述水平的高低可分为动作级、对象级和任务级三大类。
10.根据机器人语言的实际应用水平可分为动作指示语言（相当于动作级机器人语言）和作业指示语言（相当于对象级机器人语言）两大类。
11.机器人语言的处理过程
（1）分析程序,分析的对象是工作人员用机器人语言编写的作业程序。
（2）编译程序，就是对作业程序的语义进行检查，它能检验有没有发出对存取不可能地址的移动命令和有没有使机器人手部过高速度的移动等，还可将作业程序变换成实行解释程序可以解释的代码。
（3）实时解释程序（4）伺服模块（5）状态监视模块
以上只是机器人语言处理系统的梗概，完整的系统还应包括生成作业程序的编辑程序、排除错误的调试程序和输出环境数据的示教系统程序等。
12.VAL语言：
操作系统包括用户交联、编辑和磁盘管理等部分。
VAL语言适用于机器人两级控制系统，上级机是LSI—11／23小型计算机，机器人各关节则由6503微处理器控制。
上级机还可以和用户终端、示教盒、I/O模块和机器视觉模块等交联。
13.VAL语言的指令可分为二类：
程序指令（①运动指令②手爪控制指令③程序控制指令④位姿控制指令⑤赋值指令⑥控制方式指令）和监控指令（①定义位置、姿态②程序编辑指令③列表指令④存储指令⑤控制程序指令⑥系统状态控制）。
14.AUTOPASS语言的工作过程：
①用户提出装配要求，给出任务的装配工艺；
②编写AUTOPASS语言源程序；③确定初始环境模型；④AUTOPASS语言编译系统逐句处理源程序，并和环境模型和用户实时交联；⑤产生装配作业方法和末端执行器状态指令码；⑥AUTOPASS语言为用户提供控制和数据系统能力。
15.AUTOPASS语言的指令：
①状态变更语句：
这组语句主要用于作业对象的各种操作，如移动、放置及抓紧等。
主要语句有PLACE、INSERT、EXTRACT、LIFT、TURN等。
②工具语句：
工具语句用于指定某种操作和工具。
主要语句有OPERATE、LOAD、UNLOAD等。
③安装语句：
安装语句的主要作用是对作业对象进行安装装配操作。
主要语句有ATTACH、FASTEN和UNFASTEN等。
④其它语句，用于程序、数据管理等方面的语句。
第九章机器人的驱动
1.执行装置就是按照电信号的指令，将来自电、液压和气压等各种能源的能量转换成旋转运动、直线运动等方式的机械能的装置。
按利用的能源来分类，主要可分为电动执行装置、液压执行装置和气动执行装置。
2.机器人对关节驱动电机的主要要求1）快速性。
2）起动转矩惯量比大。
3）控制特性的连续性和直线性4）调速范围宽。
5）体积小、质量小、轴向尺寸短。
6）能经受得起苛刻的运行条件，可进行十分频繁的正反向和加减速运行，并能在短时间内承受过载。
3.工业机器人所用电动机：
步进电机，交流伺服电机，直流伺服电机
4.直流伺服电动机组成：
一般直流电动机和位置反馈、速度反馈形成的整体；
优点：
启动转矩大、体积小、重量轻、转速易控制、效率高；
缺点：
有电刷和换向器，需要定期维修、更换电刷，使用寿命短，噪声大；
第十章机器人伺服系统
1.机器人伺服系统主要由驱动器、减速及传动机构、角度（位置）传感器、角速度（速度）传感器等及计算机组成。
即：
控制器、功率驱动装置、反馈装置、减速及传动机构、执行机构。
2.机器人伺服控制特点是：
（1）负载（如抓重）变化大，运动中惯量变化大；
（2）动作频繁，要求动作快但又不超调；（3）要求位置及速度控制精度高。
3.用于控制运动的伺服机构按驱动动力源分有以下三类：
气压伺服；电－液伺服；电气伺服
4.由于电气伺服系统采用电子器件和电机，具有简便、可靠、低价的优点，加之新型电子器件、伺服电机的出现，及控制技术的进步，现广泛使用电气伺服方式。
5.按对信号的处理方法分类。
就电气伺服来说，可分以下几种：
模拟伺服；数字伺服；软件伺服；开环伺服
6.在考虑了负载的粘性摩擦和惯性之后，机器人各自由度的伺服系统可以用一个典型的二阶系统来描述。
为了实现更好的控制性能，实用上还要进行速度反馈、摩擦力和重力补偿以及前馈控制等。
7.双微计算机机器人控制系统，由计算机控制器和数字伺服系统组成。
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，其运算结果作为伺服位置信号控制第二级。
第二级用于各关节的伺服控制，比如PID控制，最后产生位置指令脉冲以控制数字伺服系统
8.数字伺服系统的运行状态有以下三种：
静止状态；步进跟踪；等速跟踪
9.智能控制系统的分类
递阶控制；专家控制；模糊控制；学习控制；神经控制；进化控制
第十一章机器人传感器
1.机器人传感器有多种分类方法：
接触式传感器或非接触式传感器；内传感器或外传感器；无源传感器或有源传感器；无扰动传感器或扰动传感器等。
2.外界检测传感器通常包括触觉、视觉、听觉、嗅觉、味觉等传感器
3.内部传感器通常包括：
直线位移传感器；角位移传感
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