机器人学-1-基础

1.机器人学包括什么？

材料、机械分析、运动学、传感器、执行器、视觉系统

2.什么是机器人

将机器人与起重机相比较可以发现二者非常的相似，都是一个执行器（机械手臂），而二者的不同点就是起重机需要以为操作人员来进行操作，而机器人则是由电脑程序来进行控制的，当需要执行的任务变化的时候就可以通过修改程序来改变执行器的动作。所以说，一个可（重复）编程的设备可以被认为是一个机器人来执行一系列由程序指定的动作。

机器人是一门设计、实施人类行为的一门艺术。

3.机器人的分类

手动操作机器人：一个有着几个自由度可以由操作人员进行操作的设备。
执行固定一系列任务的机器人：可以按照步骤执行固定的一些列工作，没有可以二次开发（编程）的能力。
可变任务机器人：与能够执行一系列任务的机器人相似但是容易重新编程以改变执行的任务。
回放机器人：由一个操作人员做动作，机器人能够模仿人的行为通过记录的信息完成同样的动作。
数字控制机器人：控制者提供机器人一个和运动有关的程序。
智能机器人：可以理解环境并且在环境改变的时候还是可以完成指定的任务。

4.机器人的优缺点

优点

提高生产力、安全、效率高、质量保证
特殊环境作业
能够精确重复动作
配备传感器精度比人的感官高
能够同时做几件事情

缺点

不具备应急响应
缺少决策能力
出现错误的相应
自由度限制
价格高，需要编程、训练

5.机器人部件

一个机器人需要以下的元素组合在一起成为一个整体：

机械手(Manipulator)：这是机器人的重要组成部分，这个部分由连接件、关节和其他结构件组成。然而如果没有其他的部分一个单一的机械手不是一个机器人。

末端执行器(End effector)：被连接在机械手关节的末端部分，用于拿住物体、连接其他的机器或者执行指定的任务。通常机器人的制造商不设计或销售末端执行器而死提供末端执行器的接口。在大多数的情况下，执行器通常是由执行器的控制器（PLC）与机器人的控制器通讯来控制的。

执行器：相当于机械手的“肌肉”，通常是指步进电机、伺服电机、气缸、液压缸。

传感器：传感器用于手机外界状态的信息，使机器人能够和外部环境交流、收集信息。比如获取每个关节的角度，使控制器能够控制执行器协调各个关节以完成指定的任务。

控制器：控制器相当于机器人的小脑，能够控制机器人的运动。控制器从电脑接收数据并且通过从传感器反馈的数据来控制执行器。

处理器：处理器相当于机器人的大脑，能够计算关节的运动，决定多快、还要运动多少度来达到期望的位置，并且监视、协调各个控制器、传感器。通常的，处理器类似于一个电脑但是用于一个单一的工作。它需要操作系统、程序、显示器。

软件：一个机器人通常包括三块软件：操作系统、机器人软件（进行运动学计算）、用于控制外围设备的软件组成。

6.自由度

通常情况下，我们使用的使x、y、z的坐标来描述一个点在空间中的位置。实际上三个坐标已经可以描述空间中任何一个点的位置了。然而xyz坐标只能够用于描述点在空间的位置。

为了定位一个刚体（三维物体而非点）在空间的位置，我们需要使用六个自由度来进行描述刚体的位置和方向，如果物体的自由度小于6，那么证明这个物体是收到约束的。

如果一个机械手只有三个自由度，则代表它只能够沿着三个坐标轴（x、y、z）进行运动。这个时候这个机器人只能够拾起一个物体并且平行的沿着坐标轴移动。因为方向是不变的（因为只有三个自由度，没有方向的自由度）；如果一个机械手由五个自由度就是说这个机器人可以围着三个轴转动，但是只能够沿着x和y轴进行运动，而不能够沿着z轴移动。1/2个自由度是指比如说过一个关节可以转动但是只能够转动一定的角度，我们就认为这个关节只有1/2的自由度。通常情况下机器人由3.5、4或者五个自由度。

扩展阅读-求机械自由度的例子

7.机器人的关节

机器人由很多种类的关节：

1.线性关节

2.旋转关节（通常由电机驱动）

3.滑动关节

4.球形关节：自由度多，但是不太常用于机器人上因为难以控制。

扩展阅读-简单的机器人几何学

8.机械结构的表示

机器人通常配置在预定义的坐标平面上。

棱柱：P

回转关节：R

球形关节：S

如果一个机械手用了三个棱柱和三个球形关节我们可以将其描述成：3P3R，这样我们就可以描述图示几种常见的结构了，注意有几个相应的机构我们要把数字写在相应机构的前面，只有一个机构的时候不用再前面写数字。

Cartesian(3p)
Cylindrical(R2P)
Spherical(2RP)
Articulated(3R)
SCARA(2RP)

9.机器人的参考系

机器人的运动是基于参考坐标系的，再不同类型的坐标系中动作是不同的。通常机器人的动作使用一下的三种坐标系：

普通坐标系：就是用xyz来描述的一个全局坐标系
关键参考系(Joint Reference Frame)：是用来具体的描述每个机器人关节运动的坐标系，假设想要移动机械手到一个特定的位置，在这个参考系中一次只会移动一个关节。
工具参考系(Tool Reference Frame)：这个参考系相对于机械手上的物体，这个参考系与普通坐标系不同之处在于它会随着机器人的运动而运动。

10.编程模式

机器人有很多的编程模式，通常工业机器人能够有多种编程模式，以下是常见的编程模式：

Physical Setup：在这个模式中，操作员设置一些控制机器人动作的控制器，这个模式通常使用其他的装置比如PLC来完成

Lead Through or Teach Mode：在这个模式中会有一个“引导器”，当这个引导器到达目的地的时候，机械手就会通过回放（playback，之前介绍过），到达引导器的位置。所以这样我们就可以通过引导器来使机器人获取空间的点的坐标了，相当于使学习，因为这些点最初在程序中是没有设置的，这个也可以用于校正。

Continue Walk-Through Mode：在这个模式中，所有的关节都是同时运动的，并且整个运动过程控制器都会进行采样来获取事实的状态。使用这个模式需要一个控制员控制机械手来进行一项工作，这个过程会被机器人记录下来，之后机器人就可以根据刚才记录下来的过程来执行这项工作了（通过回放）。

Software Mode：在这个模式中机器人完全使通过程序语言来实现的。

11.机器人的指标

有效载荷
可达域
精度
可重复性：机器人在多个重复一个动作后会失去一部分精度，这个指标就是用来描述多次重复后再达到同意位置的偏差。

12.工作区域

机器人的工作区域就是机器人可以达到的点集合（就是空间），这个空间可以通过设计时候的计算得到。工作区域取决于机器人的尺寸以及各个关节的连接方式。除了计算得到之外也可以通过经验来得到。下图是一些常见的机械手大概的工作区域。当一个机器人被设计来完成一些指定的工作任务，工作区域是必须要考虑的，以此来保证机器人能够到达指定的点。

如何画工作区域：首先工作区域是机器人的手可以达到的点的集合，首先把机械手看成一个点，再单一的同个各个自由度进行运动，把各个自由度进行运动的区域加起来就是工作区域。

如果通过软件自动计算精确的工作区域：使用Creo把建模设定各个自由度的动画，然后不停的运动就可以绘制出可达与，有一个选项可以显示所有到达的区域。

13.小练习

画出大概的工作区域

1.可以很容易的看出这个装置只能在二维运动（再z轴缺乏自由度），想象垂直方向每运动一下画一个圆，圆的线能够到达的地方就是它的工作区域，所以工作区域应该是一个两端是半圆形的矩形（如果线性执行器足够长的话）

假设不足够长：那么中间有一部分区域是不可以达到的，如图。

2.其实就是求A再空间中可以到达的位置，把装置分开看，首先因为z方向有旋转自由度，所以先画出一个圆柱体（黑色），然后看第一节手臂，旋转是一个半圆形（红色），这样第一个关节的区域就画出来了，接下来看第二个关节的区域，是基于上一个关节端点的圆形（橙色），所以橙色相交的位置就是工作区域，注意是一个三维的。