从人体解剖学分析机器人的人机交互及控制系统
1.从人体解剖学分析机器人的人机交互及控制系统
?目标：人体解剖学（神经系统）构件→结合机器人技术构件→机器人控制系统架构构件→人机交互界面的系统架构（硬件领域）
1.1.神经系统（nervous system）
神经细胞（神经元）是神经系统的响应细胞，神经系统通过电化学信号来处理和传送信息。运动神经细胞能接收从大脑和骨髓神经传来的信号，并控制肌肉的收缩。i
1.1.1.神经系统的分布
神经系统分为中枢部和周围部。
中枢部即中枢神经系统（CNS,central nervous system），包括脑和脊髓，它们分别位于颅腔和椎管内。
周围部又称周围神经系统（PNS,peripheral nervous system），包括脑神经、脊神经和内脏神经，周围神经一端同脑或脊髓相连，另一端通过各种末梢装置与神奇其他各器官、系统相联系。
根据分布对象的不同，将周围神经系统分为躯体神经和内脏神经。躯体神经分布于体表、骨骼肌、骨和关节；内脏神经分布于内脏、心血管、平滑肌和腺体。躯体神经和内脏神经在大脑皮质统一管辖与协调下，完成神经系统的各种功能。
1.1.
2.神经元的分类
神经系统的基本组织是神经组织（nervous tissue），神经组织主要由神经元和神经胶质做成。神经元（neuron）又称神经细胞（nerve cell），具有感受刺激和传导神经冲动的功能。神经胶质（neuroglia）又称神经胶质细胞（neuroglial cell），简称胶质细胞（glia或glia cell），无传导神经冲动的功能，而对神经元起支持、保护、分隔和营养等作用。
神经元基于功能及神经兴奋传导冲动方向分类如下：
感觉神经元（sensory neuron）：又称传入神经元（afferent neuron），感受机器内、外环
境的各种影响，将相应信息自周围向中枢传递的神经元，包括单极（unipolar neuron）和双极神经元（bipolar neuron）。
运动神经元（motor neuron）：又称传出神经元（efferent neuron），是将冲动由中枢传至周围，支配横纹肌、平滑肌和腺体等的活动的神经元，多数属于多极神经元（multipolar neuron）。
联络神经原（association neuron）又称中间神经元（interneuron），位于中枢神经系统的感觉和运动神经元之间，是广泛存在于中枢神经系统灰质内，起联络作用的神经元，多数属于多极神经元。动物越进化，中间神经元越多，人类神经系统的中间神经元占神经元总数的98%～99%，构成中枢神经系统内的复杂网络。
1.1.3.神经元的活动
神经系统的基本活动方式是反射（reflex）。即：神经系统通过与他相连的各种感受器，接收内、外环境的各种刺激，经传入神经传至中枢（脊髓和脑）的不同部位，经过整合后发出相应的神经冲动，经传出神经将冲动传至相应的效应器，产生各种反应。反射的形态学基础是反射弧（reflex arc），包括感受器、传入神经、中枢、传出神经和效应器5个部分。
1.1.4.中枢神经系统、脑科学（Brain Sciences）ii
脑科学（Brain Sciences）是研究人脑的结构与功能的综合性学科。由于脑并不是孤立存在的，研究的对象不只局限于脑，而是包括与脑缪可分得整个神经系统，甚至包括感觉和效应器官。因此，脑科学也成为神经科学（Neuro Sciences），也与神经生物学（Neurobiology）常常通用。
脑和脊髓一样，是中枢神经系统的一部分，而脑又由端脑（大脑和基底神经节）、间脑、中脑、脑桥、延髓和小脑构成。其中，脑干包括中脑、脑桥和延髓。延髓连接着脊髓，好像是脊髓的延长，故称延髓。
大脑各部分功能见表2.5和表2.6。
表2.5大脑中枢神经系统各部分的主要功能
肌肉传入的感觉信息并进行加工。
延髓直接位于脊髓上方，内有许多与生命相关的自主性中枢，包括消化、呼吸及心律控制
脑桥位于延髓上方，把有关运动的信息传向小脑
小脑位于脑桥后方，有三对小脑脚与脑干相连，调制运动的力量与范围，并与运动技巧的学习有关
中脑位于脑桥的嘴侧，控制许多感觉及运动功能，包括眼球运动及视、听反射的协调
间脑位于中脑的嘴侧，包括丘脑及下丘脑两部分。丘脑加工从脑的其他部分进入大脑皮层的信息；下丘脑调节自主性、内分泌及内脏功能
大脑包括大脑皮层及三个深位置的结构：基底神经节参与运动调节；海马参与记忆存储的某些方面；杏仁核群协调与情绪有关的各种自主性及内分泌反应，也是恐惧性条
件反射的中枢之一。
表格2.6脑部组成及功能区
间脑与感觉、内脏和内分泌等技能活动有关
小脑与多种运动功能相联系的调节中枢
脑干（中脑、脑桥、延髓）有些相当于脊髓，有些则高于脊髓，对脊髓具有一定的调节和控制作用，而且重要的生命中枢多存于脑干
脊髓1、传导机能：除头面部以外的全身的浅、深部感觉以及大部分内脏感觉，都通过脊髓传至脑。脑对躯干和四肢的骨骼机运动以及内脏（部分）的管理，也必须通过脊
髓才能完成。
2、反射机能：脊髓通过脊神经所完成的复杂功能，许多是在脑的各级中枢控制和调
节下，通过各上、下行纤维束来完成的。脊髓反射（躯体反射和内脏反射）不必经
过脑（尽管正常情况下受控于脑）。
3、低级中枢：存在有血管舒缩、排尿、排便和性功能活动的低级反射中枢。
人脑由左半球和右半球构成，其结构几乎完全一样。但两者有不同的功能，分管人的不
同行为。
右脑控制左半身体活动，它是处理表象和进行具体想象思维、发散思维、直觉思维的中
枢。主管人的视知觉、复杂知觉、模型再认、形象记忆、认知空间关系、识别几何图形、想
象、做梦、理解隐喻、音乐、节奏、舞蹈以及态度、情感等，具有补连续性、弥漫性、整体
性等功能，称之为“情感半球”或“形象半球”。
左脑分区功能：中央区、运动区、布氏语言区、嗅球、侧裂、主要听觉区、威氏语言区、
主要视觉区、角回、体觉区。
左右脑功能对比请参阅表2.7。
左右脑功能对比
表格2.7
逻辑分析思维直觉和动觉知觉和表象
语言、分析、计算、抽象、逻辑、对时间感觉表象、综合、直观、音乐、对空间知觉和理解
对应能力具体思维能力、空间认知能力、对复杂关
系的理解力、创造活动（想象、直觉和整
体综合）
积极的技术公式化视觉化
消极的习惯紊乱空想
思考方式垂直的、连续的、因果式
[抽象分析]并行的、发散的、整体式[具体综合、想象力]
脑科学研究发现，一般儿童到2岁之后，左脑才开始慢慢发育，言语中枢逐步发达，此前基本上是生活在右脑形象世界里；到3岁左右，对于言语运用已达到一定程度的自如；4～6岁是幼儿在自己的形象库内选择语言，是语言头脑进一步发达的重要时期，但6岁以前，幼儿仍是以具体形象性的右脑思维为主。
一种基于人脑信号（ERP/EEG）的控制系统正在兴起，这种控制系统直接以人脑信号为基础，通过脑机接口（BCI,Brain-Computer Interface）技术来实现控制。BCI技术是一种可以让用户通过思想来控制特殊的计算机设备的通信方式。
图2.3.1BCI基本框图
ERP——脑电位，Evenet-Related Brain Potential，一种无损伤性脑认知成像技术，其定义是：凡是外加一种特定的刺激，作用于感觉系统或脑的某一部位，再给予刺激或撤销刺激时，在脑区所引起的电位变化。这种电位变化是人类Array身体或心理活动与时间相关的脑电活动，可在头皮表面记
录到，并以信号过滤和叠加的方式从脑电图
（EEG,Electroencephalography）中分离出来。
1.1.5.脑和脊髓的传导通路
大脑皮质及皮质下中枢与感受器和效应器之间在中
枢内的联系路径，成为传导通路。有两大类传导通路：感
觉（上行）传导通路和运动（下行）传导通路。
1)感觉传导通路
1本体感觉传导通路
本体感觉又称深感觉，是指肌腱关节等运动器官本身
在运动或静止时产生的感觉，包括：位置觉、运动觉、震动觉。传导途径有两条：一条是传至大脑皮质，产生意识性本体感觉；另一条是传至小脑，产生非意识性本体感觉，亦称反射性本体感觉。
2浅感觉传导通路
3视觉传导通路和瞳孔对光反射通路
4听觉传导通路
5内脏感觉传导通路
2)运动传导通路
1锥体系
2锥体外系
3)神经系统的化学通路
1胆碱能通路
2胺能通路
3氨基酸能通路
4肽能通路
从感觉器官直接与脑部的连接的有十二对脑神经，概括为：“一嗅二视三动眼，四划五叉六外展，七面八听九舌咽，迷走及副舌下全。”具体是：(1)嗅神经(2)视神经(3)动眼神经(4)滑车神经(5)三叉神经(6)外展神经(7)面神经(8)位听神经(9)舌咽神经(10)迷走神经(11)副神经(12)舌下神经。
1.1.6.仿人神经体系机器人控制体系及人机交互方式
根据以上多方面的分析和探讨，结合人机交互系统技术可以发现，目前世界主流的机器人示教器尚处于图形用户界面的时代，其特点是：桌面隐喻、WIMP技术、直接操纵和“所见即所得”，很大程度上依赖于菜单选择和交互。同时也存在着极大的弊端：图形用户界面需要占用较多的屏幕空间，并且难以表达和支持非空间性的抽象信息的交互。
可以说工业机器人示教器尚处于人机交互技术的早期模式，因此可以断定，随着工业机器人行业的发展，虚拟现实技术（多通道多媒体）必将会很快的引入机器人的人机交互系统之中。
图2.3.3仿人神经体系机器人控制体系
将感觉器官影射为传感器，而把运动器官影射为机器人的驱动电机，基于脑、脊髓、神经传导通路映射的机器人控制体系，融合人机交互技术的软硬件技术设备，经过映射和优化，我们建立新型的人机交互体系，请参阅图2.3.3。从中可以看到机器人示教器
硬件体系更人性化的一个发展方向，更多的虚拟现实技术将会应用在未来的机器人人机交互系统中。
[i]毛黎，《干细胞》：诱导多能干细胞分化出运动神经细胞，科技日报，2009-3-2
[ii]王志良，《人工心理》，北京，机械工业出版社，2007年，第23页（TP242.6/09）
puma250机器人运动学分析
焊接机器人运动分析 摘要：针对puma250焊接机器人，分析了它的正运动学、逆运动学的问题。采用D-H坐标系对机器人puma250 建立6个关节的坐标系并获取D-H 参数，并对其运动建立数学模型用MATLAB编程，同时仿真正运动学、逆运动学求解和轨迹规划利用pro-e对puma250建模三维模型。 关键词：puma250焊接机器人；正逆解；pro-e；Matlab；仿真 一、建立机器手三维图 Puma250机器人,具有6各自由度，即6个关节，其构成示意图如图1。各连杆包括腰部、两个臀部、腕部和手抓。设腰部为1连杆，两个臀部分别为2、3连杆，腰部为4连杆，手抓为5、6连杆，基座不包含在连杆范围之内，但看作0连杆，其中关节2、3、4使机械手工作空间可达空间成为灵活空间。1关节连接1连杆与基座0,2关节连接2连杆与1连杆，3关节连接3连杆与2连按，4关节连接4连杆与3连杆，5关节连接5连杆与4连杆。各连杆坐标系如图 2 所示。
图1 puma250 机器人二、建立连杆直角坐标系。
三、根据坐标系确定D-H表。 四、利用MATLAB 编程求机械手仿真图。>>L1=Link([pi/2 0 0 0 0],'standard'); L2=Link([0 0 0 -pi/2 0],'standard'); L3=Link([0 -4 8 0 0],'standard'); L4=Link([-pi/2 0 8 0 0],'standard'); L5=Link([-pi/2 0 0 -pi/2 0],'standard'); L6=Link([0 2 0 -pi/2 0],'standard'); bot=SerialLink([L1 L2 L3 L4 L5 L6],'name','ROBOT'); ([0 0 0 0 0 0])
工业机器人控制系统组成及典型结构
工业机器人控制系统组成及典型结构 一、工业机器人控制系统所要达到的功能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： 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。 二、工业机器人控制系统的组成 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。
一种智能机器人系统设计和实现.
一种智能机器人系统设计和实现 我们从广泛意义上理解所谓的智能机器人，它给人的最深刻的印象是一个独特的进行自我控制的"活物".其实，这个自控"活物"的主要器官并没有像真正的人那样微妙而复杂。智能机器人具备形形色色的内部信息传感器和外部信息传感器，如视觉、听觉、触觉、嗅觉。除具有感受器外，它还有效应器，作为作用于周围环境的手段。这就是筋肉，或称自整步电动机，它们使手、脚、长鼻子、触角等动起来。我们称这种机器人为自控机器人，以便使它同前面谈到的机器人区分开来。它是控制论产生的结果，控制论主张这样的事实：生命和非生命有目的的行为在很多方面是一致的。正像一个智能机器人制造者所说的，机器人是一种系统的功能描述，这种系统过去只能从生命细胞生长的结果中得到，现在它们已经成了我们自己能够制造的东西了 嵌入式是一种专用的计算机系统，作为装置或设备的一部分。通常，嵌入式系统是一个控制程序存储在ROM中的嵌入式处理器控制板。事实上，所有带有数字接口的设备，如手表、微波炉、录像机、汽车等，都使用嵌入式系统，有些嵌入式系统还包含操作系统，但大多数嵌入式系统都是是由单个程序实现整个控制逻辑。嵌入式技术近年来得到了飞速的发展，但是嵌入式产业涉及的领域非常广泛，彼此之间的特点也相当明显。例如很多行业：手机、PDA、车载导航、工控、军工、多媒体终端、网关、数字电视…… 1 智能机器人系统机械平台的搭建 智能机器人需要有一个无轨道型的移动机构，以适应诸如平地、台阶、墙壁、楼梯、坡道等不同的地理环境。它们的功能可以借助轮子、履带、支脚、吸盘、气垫等移动机构来完成。在运动过程中要对移动机构进行实时控制，这种控制不仅要包括有位置控制，而且还要有力度控制、位置与力度混合控制、伸缩率控制等。智能机器人的思考要素是三个要素中的关键，也是人们要赋予机器人必备的要素。思考要素包括有判断、逻辑分析、理解等方面的智力活动。这些智力活动实质上是一个信息处理过程，而计算机则是完成这个处理过程的主要手段。 机器人前部为一四杆机构，使前轮能够在一定范围内调节其高度，主要功能是在机器人前部遇障碍时，前向连杆机构随车轮上抬，而遇到下凹障碍时前车轮先下降着地，以减小震动，提高整机平稳性。在主体的左右两侧，分别配置了平行四边形侧向被动适应机构，该平行四边形机构与主体之间通过铰链与其相连接，是小车行进的主要动力来源。利用两侧平行四边形可任意角度变形的特点，实现自适应各种障碍路面的效果。改变平行四边形机构的角度，可使左右两侧车轮充分与地面接触，使机器人的6个轮子受力尽量均匀，加强机器人对不同路面的适应能力，更加平稳地越过障碍，并且更好地保证整车的平衡性。主体机构主要起到支撑与连接机器人各个部分的作用，同时，整个机器人
从人体解剖学分析机器人的人机交互及控制系统
1.从人体解剖学分析机器人的人机交互及控制系统 ?目标：人体解剖学（神经系统）构件→结合机器人技术构件→机器人控制系统架构构件→人机交互界面的系统架构（硬件领域） 1.1.神经系统（nervous system） 神经细胞（神经元）是神经系统的响应细胞，神经系统通过电化学信号来处理和传送信息。运动神经细胞能接收从大脑和骨髓神经传来的信号，并控制肌肉的收缩。i 1.1.1.神经系统的分布 神经系统分为中枢部和周围部。 中枢部即中枢神经系统（CNS,central nervous system），包括脑和脊髓，它们分别位于颅腔和椎管内。 周围部又称周围神经系统（PNS,peripheral nervous system），包括脑神经、脊神经和内脏神经，周围神经一端同脑或脊髓相连，另一端通过各种末梢装置与神奇其他各器官、系统相联系。 根据分布对象的不同，将周围神经系统分为躯体神经和内脏神经。躯体神经分布于体表、骨骼肌、骨和关节；内脏神经分布于内脏、心血管、平滑肌和腺体。躯体神经和内脏神经在大脑皮质统一管辖与协调下，完成神经系统的各种功能。 1.1. 2.神经元的分类 神经系统的基本组织是神经组织（nervous tissue），神经组织主要由神经元和神经胶质做成。神经元（neuron）又称神经细胞（nerve cell），具有感受刺激和传导神经冲动的功能。神经胶质（neuroglia）又称神经胶质细胞（neuroglial cell），简称胶质细胞（glia或glia cell），无传导神经冲动的功能，而对神经元起支持、保护、分隔和营养等作用。 神经元基于功能及神经兴奋传导冲动方向分类如下： 感觉神经元（sensory neuron）：又称传入神经元（afferent neuron），感受机器内、外环
焊接机器人逆运动学位姿分析
1.1连杆的坐标系 应用D-H 法来建立机器人杆件的坐标系。在这种坐标系中，可以把机械手的任一连杆i （i=1，2，3···，n ）看作是一个刚体，与它相邻的两个关节i 、i-1的轴线i 和i-1 之间的关系也由它确定，如图1，可以用以下四个参数描 式中，cθi =cosθi ，sθi =sinθi ，i=1，2，3，···，n 图1连杆坐标系{i}到{i-1}的变换 i αi-1/（rad ）a i-1/（cm ）d i /（cm 12340 90°090°042.5410014.520011.895.3表1机器人连杆参数表
定义了连杆坐标系和相应得连杆参数，就能建立运动学方程，焊接机器人末端关节的坐标系{n}相对于基础坐标系{0}中的齐次变换公式为： 对于6自由度的焊接机器人公式可以写为 （2 变换矩阵0 n T是关于n个关节变量的函数，这些变量 可以通过放置在关节上的传感器测得，则机器人末端连杆再基坐标系中的位置和姿态就能描述出来。 E n表示焊接机器人末端关节的姿态， 器人在世界坐标系中的位置。[3] 2机器人的逆运动学分析 逆运动学求解是已知机器人末端的位置和姿态即 求解机器人对应于该位置和姿态的关节角 只要0 n T表示的末端连杆坐标系的位置和姿态位于机 械手的可达空间内，则运动学方程至少有一个解， 达空间内，机械手具有任意姿态，导致运动学方程可能出现重解。 机器人的运动学方程是一组非线性方程式， 求解过程中，我们逐次在公式（4）的两端同时左乘一 即为 在上式两边的矩阵中寻找简单的表达式或常数， 对应相等，计算过程如下： （ （ （ （ （ （3求取各关节的解集 依靠D-H法求解关节角的过程是和焊接机器人本身的结构相关的，换句话说，也就是特定配置的机器人需要特定的解决方案。通过公式（6）-（16）可以看出每个关节角的结果是不唯一的，如果采用已有的求解方法，显而易见该过程是缓慢的，复杂的。本文提出了一种计算最终执行器位置的所有精确值的算法。该算法是在MATLAB 程实现的。通过该算法得到各节点的解是更快速、有效的。 用变换矩阵 6T定义一条具有两个端点A和B 轨迹，如公式（17）和（19）。从而θ能够被求出，如公式20）
机器人控制技术论文
摘要 为使机器人完成各种任务和动作所执行的各种控制手段。作为计算机系统中的关键技术，计算机控制技术包括范围十分广泛，从机器人智能、任务描述到运动控制和伺服控制等技术。既包括实现控制所需的各种硬件系统，又包括各种软件系统。最早的机器人采用顺序控制方式，随着计算机的发展，机器人采用计算机系统来综合实现机电装置的功能，并采用示教再现的控制方式。随着信息技术和控制技术的发展，以及机器人应用范围的扩大，机器人控制技术正朝着智能化的方向发展，出现了离线编程、任务级语言、多传感器信息融合、智能行为控制等新技术。多种技术的发展将促进智能机器人的实现。 当今的自动控制技术都是基于反馈的概念。反馈理论的要素包括三个部分：测量、比较和执行。测量关心的变量，与期望值相比较，用这个误差纠正调节控制系统的响应。这个理论和应用自动控制的关键是，做出正确的测量和比较后，如何才能更好地纠正系统。 PID（比例-积分-微分）控制器作为最早实用化的控制器已有50多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。 它由于用途广泛、使用灵活，已有系列化产品，使用中只需设定三个参数（Kp，Ti 和Td）即可。在很多情况下，并不一定需要全部三个单元，可以取其中的一到两个单元，但比例控制单元是必不可少的。 关键词：机器人，机器人控制，PID，自动控制
目录 摘要.......................................................... I 第1章绪论................................................ - 1 - 1.1机器人控制系统 (1) 1.2机器人控制的关键技术 (1) 第2章机器人PID控制...................................... - 2 - 2.1PID控制器的组成 (2) 2.2PID控制器的研究现状 (2) 2.3PID控制器的不足 (3) 第3章 PID控制的原理和特点 ................................ - 4 - 3.1PID控制的原理 (4) 3.2PID控制的特点 (5) 第4章 PID控制器的参数整定 ................................ - 5 -后记...................................................... - 6 -
机器人与自动化技术
机器人与自动化技术 “机器人、无处不在的屏幕、语音交互，这些都将改变我们看待‘电脑’的方式。一旦看、听、阅读能力得到提升，你就可以以新的方式进行交互。”----比尔?盖茨在某电视节目中，预测未来科技领域的下一件大事时表示：机器人与自动化技术将成为未来发展的一大趋势，可以改变世界！ 工业机器人的应用，正从汽车工业向一般工业延伸，除了金属加工、食品饮料、塑料橡胶、3C、医药等行业，机器人在风能、太阳能、交通运输、建筑材料、物流甚至废品处理等行业都可以大有作为。 当然，即将“改变世界”的机器人不仅仅具有代替人工的价值，在很多人类无法实现的领域也将出现机器人的身影。譬如，派送采矿机器人到月球和小行星上采挖稀土矿，将有望成为现实。 而更令比尔?盖茨寄予厚望的是机器人将像“电脑”一样改变人类的生活。 日本早稻田大学研究人员推出一种新型仿人型家务机器人。它集安全性、可靠性和灵巧性于一身，还具有仿人脸的外观。在工作时，它将一名男子抱下床，与他聊天并为他准备早餐。由于拥有和成年女性大小相当的灵巧双臂、双手，这种机器人能够用夹子将面包从面包机中取出，而丝毫不弄碎它。 英国阿伯丁大学启动了一项新的研究计划，在3年内研发出允许机器人与人类进行交谈，甚至讨论具体决定的系统……。 作为先进制造业中不可替代的重要装备，工业机器人已经成为衡量一个国家制造水平和科技水平的重要标志。 在机器人市场中，目前80%的市场份额仍由跨国公司占有，其中瑞典ABB、日本发那科FANUC、日本安川yaskawa和德国库卡KUKA四大企业则是市场第一梯队的“四大金刚”。其它有瑞士史陶比尔Staubli、德国克鲁斯CLOOS、德国百格拉、德国徕斯、德国斯图加特航空航天自动化集团（STUAA）、意太利瀚博士hanbs、意大利柯马COMAU、英国Auto Tech Robotics等。 目前国内生产机器人的企业主要有：中科院沈阳新松机器人自动化股份有限公司、芜湖埃夫特智能装备有限公司、上海新时达机器人有限公司、安川首钢机器人有限公司、哈工大海 尔机器人有限公司、南京埃斯顿机器人工程有限公司、广州数控设备有限公司、上海沃迪自动化装备股份有限公司等。 2015年，中国机器人市场需求预计将达35000台，占全球比重16.9％，成为全球规模最大的市场。 一、机器人的系统构成 由3大部分6个子系统组成。 3大部分是：机械部分、传感部分、控制部分。 6个子系统是：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。
基于Kinect的机器人人机交互系统及方法与制作流程
图片简介: 本技术涉及一种基于Kinect的机器人人机交互系统及方法，系统包括Kinect信息采集模块、人机交互模块、姿态控制模块、语音控制模块、Kinect三维传感器、机器人控制箱和机器人；首先通过Kinect信息采集模块，将图像数据流和音频数据流传递给人机交互模块，通过人机交互模块的语音/文字提示引导用户选择不同的控制模式，进而调用不同的控制模块，实现对机器人的操控。本技术综合体感、声音、手势多种交互方式，可实现对机器人的运动控制，代替人工在非结构化场景中进行作业，提高机器人的作业能力和智能水平。 技术要求 1.一种基于Kinect的机器人人机交互系统，其特征在于，包括Kinect信息采集模块、人机交互模块、姿态控制模块、语音控制模块、Kinect三维传感器、机器人控制箱和机器人； Kinect信息采集模块利用Kinect三维传感器，获取图像数据流及语音数据流； 通过人机交互模块选择不同的控制模式，调用姿态控制模块或语音控制模块； 姿态控制模块基于图像数据，根据人体姿态控制机器人机械臂运动； 语音控制模块基于语音数据，实现语音指令的识别，控制机器人进行相应动作。 2.根据权利要求1所述的基于Kinect的机器人人机交互系统，其特征在于，人机交互模块提示用户选择控制模式，包括语音提示和文字提示。 3.一种基于权利要求1所述基于Kinect的机器人人机交互系统的人机交互方法，其特征在于，包括以下步骤： 利用Kinect三维传感器，获取图像数据流及语音数据流； 基于图像数据，根据人体姿态控制机器人机械臂运动； 基于语音数据处理结果，实现语音指令的识别，控制机器人进行相应动作； 通过人机交互模块的语音/文字提示选择不同的控制模式，调用不同的控制模块，实现人机交互。 4.根据权利要求3所述的基于Kinect的机器人人机交互方法，其特征在于，利用Kinect三维传感器，获取多种图像数据信息流及语音信息流，具体为：
基于PLC的机器人自动控制系统设计
基于PLC的机器人自动控制系统设计 基于PLC的机器人工作过程是以电磁阀部件为控制对象，以气缸方式驱动的一种特殊机器人运行装置。当中，对于PLC可编程序控制器的应用则是极为广泛与深入当中。应用PLC可编程序控制器进行机器人自动控制系统设计的最主要优势在于：编程操作简单、抗干扰性能突出、运行可靠性高、使用方便简单等特点。本文主要分析的方向是基于PLC的机器人自动控制系统设计操作，进一步确定该方面的可操作性以及进一步研究的价值。 标签：PLC；机器人；自动控制系统；设计 1 引言 在现代科学技术不断发展的背景之下，工业现场所涉及到的重体力劳动量不断提升。当中部分劳动任务的实现单单依靠人力是很难实现的。而为了良好的完成工业现场的相关生产作业任务，就需要通过对机器人装置的研究与应用来实现。基于PLC的机器人装置主要采取关节式结构，能够实现对人体手臂部分的活动动作加以模拟，在自动控制系统下的预定程序、轨迹、以及要求作用下，实现包括零部件抓取、搬运、以及装配在内的一系列动作。本文主要分析的方向是基于PLC的机器人自动控制系统设计操作，进一步确定该方面的可操作性以及进一步研究的价值。 2 目前基于PLC的机器人自动控制系统设计存在的问题 基于PLC的机器人自动控制系统是现今提出的一个机器人控制探究方向，考虑PLC的主要原因是PLC的可调整性以及可控制性较强，是采用编程、输入指令的方式控制，操作相对简单，运行复杂性较低，安全性稳定性相对较高，基于PLC编程基础下的机器人自动控制系统设计结果直接具备PLC的优势，实用性较高，操作要求较低，运行连续性以及运行可靠性高，这对于机器人自动控制系统的进一步发展较为有利，有实际的促进作用[1]。 基于PLC的机器人自动控制系统设计进展相对较为缓慢，主要原因包括技术方面的问题，PLC与机器人装置之间的衔接问题，实际情况探究问题，相关人才问题，为实际的发展机器人自动控制系统，需要对这些问题进行全面的分析，找出关键所在，技术方面的问题为机器人装置的种类较多，对于自动控制系统的要求不尽相同，对于PLC编程的调整要求较高，PLC编程操作相对简单，对于不同指令需要变化输入内容，对于自动控制系统设计类别较多而言进展的速度无法得到有效的提高；人才问题，即研究型人才、操作型人才、实验型人才以及技术型人才，人才的数量相对较为短缺，对于该方面人才的定义为需要全面的掌握了解PLC知识的全部，确定机器人自动控制系统的设计方向，对于机器人装置了解全面，对于机器人装置的相关技术以及原理有较为深入的了解分析，对于自动控制系统相关知识了解全面，同时掌握机器人自动控制系统的操作方法，对于机器人自动控制系统新技术以及新知识了解透彻，大部分工作人员没有达到以上
机器人的组成系统
一．工业机器人组成系统 工业机器人由主体、驱动系统和控制系统三个基本部分组成。主体即机座和执行机构，包括腰部、肩部、肘部和手腕部，其中手腕部有3个运动自由度。驱动系统包括动力装置和传动机构，用以使执行机构产生相应的动作。控制系统是按照输入的程序对驱动系统和执行机构发出指令信号，并进行控制。 工业机器人按执行机构运动的控制机能，又可分点位型和连续轨迹型。点位型只控制执行机构由一点到另一点的准确定位，适用于机床上下料、点焊和一般搬运、装卸等作业；连续轨迹型可控制执行机构按给定轨迹运动，适用于连续焊接和涂装等作业。 工业机器人按程序输入方式区分有编程输入型和示教输入型两类。编程输入型是将计算机上已编好的作业程序文件，通过RS232串口或者以太网等通信方式传送到机器人控制柜。 示教输入型的示教方法有两种：一种是由操作者用手动控制器(示教操纵盒)，将指令信号传给驱动系统，使执行机构按要求的动作顺序和运动轨迹操演一遍；另一种是由操作者直接领动执行机构，按要求的动作顺序和运动轨迹操演一遍。在示教过程的同时，工作程序的信息即自动存入程序存储器中在机器人自动工作时，控制系统从程序存储器中检出相应信息，将指令信号传给驱动机构，使执行机构再现示教的各种动作。示教输入程序的工业机器人称为示教再现型工业机器人。 几个问题： （1）巨轮机器人JLRB20KG机器人是点位型还是连续轨迹型？ （2）能不能编写一个简单程序，使机器人能够的末端能够走一个圆？ （3）能不能控制机器人中每一个电机的输出功率或扭矩？ （4）机器人每一个关节从驱动电机到执行机构的传递效率有没有？ 二．工业机器人的主体 机器人本体由机座、腰部、大臂、小臂、手腕、末端执行器和驱动装置组成。共有六个自由度，依次为腰部回转、大臂俯仰、小臂俯仰、手腕回转、手腕俯仰、手腕侧摆。机器人采用电机驱动，电机分为步进电机或直流伺服电机。直流伺服电机能构成闭环控制、精度高、额定转速高、但价格较高，而步进电机驱动具有成本低、控制系统简单。 各部件组成和功能描述如下： （1）基座：基座是机器人的基础部分，起支撑作用。整个执行机构和驱动装置都安装在基座。 （2）腰部：腰部是机器人手臂的支撑部分，腰部回转部件包括腰部支架、回转轴、支架、谐波减速器、制动器和步进电机等。 （3）大臂：大臂和传动部件 （4）小臂：小臂、减速齿轮箱、传动部件、传动轴等，在小臂前端固定驱动手腕三个运
智能机器人控制系统
机器人的控制 机器人控制系统是机器人的大脑，是决定机器人功能和性能的主要因素。机器人控制技术的主要任务就是控制工业机器人在工作空间中的运动位置、姿态和轨迹、操作顺序及动作的时间等。具有编程简单、软件菜单操作、友好的人机交互界面、在线操作提示和使用方便等特点。 智能机器人控制的关键技术 关键技术包括： (1)开放性模块化的控制系统体系结构：采用分布式CPU计算机结构，分为机器人控制器(RC)，运动控制器(MC)，光电隔离I/O控制板、传感器处理板和编程示教盒等。机器人控制器(RC)和编程示教盒通过串口/CAN总线进行通讯。机器人控制器(RC)的主计算机完成机器人的运动规划、插补和位置伺服以及主控逻辑、数字I/O、传感器处理等功能，而编程示教盒完成信息的显示和按键的输入。 (2)模块化层次化的控制器软件系统：软件系统建立在基于开源的实时多任务操作系统Linux上，采用分层和模块化结构设计，以实现软件系统的开放性。整个控制器软件系统分为三个层次：硬件驱动层、核心层和应用层。三个层次分别面对不同的功能需求，对应不同层次的开发，系统中各个层次内部由若干个功能相对对立的模块组成，这些功能模块相互协作共同实现该层次所提供的功能。 (3)机器人的故障诊断与安全维护技术：通过各种信息，对机器人故障进行诊断，并进行相应维护，是保证机器人安全性的关键技术。 (4)网络化机器人控制器技术：目前机器人的应用工程由单台机器人工作站
向机器人生产线发展，机器人控制器的联网技术变得越来越重要。控制器上具有串口、现场总线及以太网的联网功能。可用于机器人控制器之间和机器人控制器同上位机的通讯，便于对机器人生产线进行监控、诊断和管理。 PID控制原理和特点 在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。 比例（P）控制 比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。 积分（I）控制 在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入积分项。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。 微分（D）控制
机器人控制系统详解
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。
机器人结构组成
机器人系统的结构: 机器人的机构部分、 传感器组、 控制部分、 信息处理部分组成。 机器通常由动力部分、工作部分和传动装置三部分组成。除此之外，还有自动控制部分。 动力部分是机器动力的来源，常用的发动机有电动机、内燃机和空气压缩机等。 工作部分是直接完成机器工作任务的部分，处于整个传动装配的终端，起结构形式取决于机器的用途。例如金属切削机床的主轴、拖板、工作台等。 传动装置是将动力部分的运动和动力传递给工作部分的中间环节。例如：金属切削机床中常用的带传动、螺旋传动、齿轮传动、连杆机构、凸轮机构等。机器应用的传动方式主要有机械传动、液压传动、气动传动及电气传动等。
机器人的执行机构由哪些部件构成 即机器人本体，其臂部一般采用空间开链连杆机构，其中的运动副（转动副或移动副）常称为关节，关节个数通常即为机器人的自由度数。根据关节配置型式和运动坐标形式的不同，机器人执行机构可分为直角坐标式、圆柱坐标式、极坐标式和关节坐标式等类型。出于拟人化的考虑，常将机器人本体的有关部位分别称为基座、腰部、臂部、腕部、手部（夹持器或末端执行器）和行走部（对于移动机器人）等 机器的驱动装置有哪些 是驱使执行机构运动的机构，按照控制系统发出的指令信号，借助于动力元件使机器人进行动作。它输入的是电信号，输出的是线、角位移量。机器人使用的驱动装置主要是电力驱动装置，如步进电机、伺服电机等，此
外也有采用液压、气动等驱动装置。 机器人的控制系统方式有哪些？一种是集中式控制，即机器人的全部控制由一台微型计算机完成。另一种是分散（级）式控制，即采用多台微机来分担机器人的控制，如当采用上、下两级微机共同完成机器人的控制时，主机常用于负责系统的管理、通讯、运动学和动力学计算，并向下级微机发送指令信息；作为下级从机，各关节分别对应一个CPU，进行插补运算和伺服控制处理，实现给定的运动，并向主机反馈信息。根据作业任务要求的不同，机器人的控制方
工业机器人控制的功能
工业机器人控制的功能、组成和分类 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。
机器人的组成系统
机器人的组成系统
一．工业机器人组成系统 工业机器人由主体、驱动系统和控制系统三个基本部分组成。主体即机座和执行机构，包括腰部、肩部、肘部和手腕部，其中手腕部有3个运动自由度。驱动系统包括动力装置和传动机构，用以使执行机构产生相应的动作。控制系统是按照输入的程序对驱动系统和执行机构发出指令信号，并进行控制。 工业机器人按执行机构运动的控制机能，又可分点位型和连续轨迹型。点位型只控制执行机构由一点到另一点的准确定位，适用于机床上下料、点焊和一般搬运、装卸等作业；连续轨迹型可控制执行机构按给定轨迹运动，适用于连续焊接和涂装等作业。 工业机器人按程序输入方式区分有编程输入型和示教输入型两类。编程输入型是将计算机上
已编好的作业程序文件，通过RS232串口或者以太网等通信方式传送到机器人控制柜。 示教输入型的示教方法有两种：一种是由操作者用手动控制器(示教操纵盒)，将指令信号传给驱动系统，使执行机构按要求的动作顺序和运动轨迹操演一遍；另一种是由操作者直接领动执行机构，按要求的动作顺序和运动轨迹操演一遍。在示教过程的同时，工作程序的信息即自动存入程序存储器中在机器人自动工作时，控制系统从程序存储器中检出相应信息，将指令信号传给驱动机构，使执行机构再现示教的各种动作。示教输入程序的工业机器人称为示教再现型工业机器人。 几个问题： （1）巨轮机器人JLRB20KG机器人是点位型还是连续轨迹型？ （2）能不能编写一个简单程序，使机器人能够的末端能够走一个圆？ （3）能不能控制机器人中每一个电机的输出功率或扭矩？ （4）机器人每一个关节从驱动电机到执行机构的传递效率有没有？
六自由度机器人控制系统设计
1前言 1.1 焊接机器人的发展历史与现状 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。美国原子能委员会下属的阿尔贡研究所为解决可代替人进行放射性物质的处理问题，在1947年研制了遥控式机械手臂；1948年又相继开发了电气驱动式的主从机械手臂，从而解决了对放射性物质的进行远距离操作的问题。1954年，美国科学家戴沃尔最先提出工业机器人的概念，并申请了新的专利。其主要特点是借助伺服技术来控制机器人的关节，并利用人手对机械手臂进行动作示教，机械手臂能实现人物动作的记录和再现。这就是示教再现机械臂，现在所用的机械手臂差不多都采用这种控制方式。伴随着现代社会的发展，为了提高生产效率，稳定和提高产品的质量，加快实现工业生产机械化，改善工人劳动条件，已经大大改进了机械手臂的性能，并大量应用于实际生产中，尤其是在高压、高温、多粉尘、高噪音和重度污染的场合。焊接机器人的诞生可以追溯到上世纪70年代，是由日本发那科（FANUC）公司生产的小型机器人改进的，受限于当时的技术手段以及高昂的造价，使得当时的焊接机器人不能得到很好的应用。机械手臂是一种工业机器人，它由控制器、操作机、检测传感装置和伺服驱动系统组成，是一种可以自动控制、仿人手操作、可以重复编程、可以在三维空间进行各种动作的自动化生产设备。机械手臂首先是在汽车制造工业中使用的，它一般可进行焊接、上下料、喷漆以及搬运。它可代替人们进行从事繁重、单调的重复劳动作业，并且能够大大改善劳动生产率，提高产品的质量[1]。 到了90年代初，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展，机器人技术也得到了飞速发展。工业机器人的制造水平、控制速度和控制精度、可靠性等不断提高，而机器人的制造成本和价格却不断下降。在西方国家，由于劳动力成本的提高为企业带来了不小的压力，而机器人价格指数的降低又恰巧为其进一步推广应用带来了契机，采用机器人的利润显然要比采用人工所带来的利大，使得焊机机器人得到了推广，同时技术的进步也使得焊机机器人技术得到很大提高。 进入新世纪之后，由于各国对焊接机器人的不断重视，使得焊接机器人技术取得了很大的进步。同时由于其焊机精度及更低的生产成本，也使得它得到了越来越多的应用。目前，焊接机器人主要用于装卸、搬运、焊接、铸锻以及热处理等方面，无论数量、品种和性能方面都还不能满足工业生产发展需要。在一些特殊的行业，使用它来代替人工操作的，主要是在危险作业、多粉尘、高温、噪声、工作空间小等的不适于人工作业的环境。 1.2 焊接机器人发展趋势
基于QT的工业机器人人机交互系统的设计
一ｄｏｉ:１０.３７７２/ｊ.ｉｓｓｎ.１００２￣０４７０.２０１９.０６.００８ 基于ＱＴ的工业机器人人机交互系统的设计① 徐建明②一甘万正一张文安一俞一立 (浙江工业大学信息工程学院一杭州３１００２３) 摘一要一本文针对工业机器人的人机交互需求?设计了一种基于ＱＴ开发框架和Ｍｏｄｂｕｓ通信协议的人机交互系统?基于ＭｏｄｂｕｓＴＣＰ/ＩＰ通信技术?设计了示教器二３Ｄ仿真监控终端和运动控制器之间的数据通讯协议?在嵌入式操作系统下?使用Ｃ＋＋语言开发示教器上位机交互程序?主要包含数据通信二示教点管理二程序编辑二机器人语言解释器等模块?在Ｗｉｎｄｏｗｓ系统下?通过ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ建立工业机器人３Ｄ模型?利用计算机标准图形接口ＯｐｅｎＧＬ开发３Ｄ仿真监控程序?最后?结合基于ＰＬＣｏｐｅｎ规范开发的运动控制器实现了对汇博ＥＲ５０￣Ｃ１０工业机器人本体的示教二３Ｄ在线仿真和实时监控?验证了所设计人机交互系统的实用性? 关键词一工业机器人?人机交互?示教器?Ｍｏｄｂｕｓ?解释器?ＰＬＣｏｐｅｎ?ＯｐｅｎＧＬ ０一引言 随着工业领域机器人的应用普及?机器人已经成为工业制造不可或缺的设备? 中国制造２０２５ 总体战略的提出?加快了我国从传统制造大国向智能强国的转型?同时未来的２０年也是中国制造业由大变强二质量变革和效率变革的关键时期?加快机器人技术的发展对推动智能制造具有重要意义[１?２]? 随着工业机器人在工业上的广泛运用?人机交 互技术愈来愈得到使用者和开发设计者的重视?这就要求人机交互要具有操作简单二界面友好和人性化等特点?同时虚拟现实技术作为工业机器人人机交互技术新兴的研究方向之一?也在不断被创新性地应用于工业场合?给用户提供更好的沉浸感二交互性和想象性[３]?人机交互技术作为机器人关键技术之一?在应用开发中占有很大比重?具有高附加值[４]?工业机器人人机交互技术已应用于工业机器人的示教二监控二仿真和离线编程等方面?为使用 者提供了更好的操作体验? 目前在工业机器人人机交互软件的设计中?依据实际应用中需求不同?开发出的交互软件也各有差异?徐翔等人[５]基于ｉＰａｄ设计了一套机器人示教器交互软件?实现对机器人的控制?其使用便捷二成本低?但不太符合工业控制现场安全控制标准?厦门大学潘俊浩等人[６]设计了一款基于Ｕｎｉｔｙ３Ｄ的工业机器人示教系统?实现３Ｄ示教场景和示教器交互界面的通信?用于对机器人简单的示教学习?山东大学夏飞虎和华中科技大学沈雅琼等人[７?８]基于ＷｉｎＣＥ的开发环境采用ＭＦＣ框架设计了示教器的人机交互软件?实现了对机械臂的操控?东北大学刘和彬[３]利用ＶＲ技术和Ａｒｄｕｉｎｏ控制器实现对工业机器人的仿真和监控?当前关于工业机器人在示教二仿真与监控方面的应用集成还有待提高?随着ＰＬＣｏｐｅｎ规范在机器人运动控制领域的推广应用[９?１０]?有必要研发基于ＰＬＣｏｐｅｎ运动控制规范的机器人控制与人机交互系统? 本文以汇博６自由度机械臂ＥＲ５０￣Ｃ１０机械本 ６７５ 一高技术通讯２０１９年第２９卷第６期:５７６~５８４一一一一一一一一一一一一一 一一一一一一一一一一一 ①② 国家自然科学基金￣浙江省自然科学基金联合基金两化融合项目(Ｕ１７０９２１３)?国家自然科学基金面上项目(６１３７４１０３)和浙江省自然科学基金重点项目(ＬＺ１５Ｆ０３０００３)资助? 男?１９７０年生?博士?教授?研究方向:迭代学习控制?电机伺服控制技术?机器人控制技术等?联系人?Ｅ￣ｍａｉｌ:ｘｕｊｍ＠ｚｊｕｔ.ｅｄｕ.ｃｎ(收稿日期:２０１８￣０８￣２３)
SCARA机器人的运动学分析
电子科技大学 实验报告 学生姓名： 一、实验室名称：机电一体化实验室 二、实验项目名称：实验三SCARA 学号： 机器人的运动学分析 三、实验原理： 机器人正运动学所研究的内容是：给定机器人各关节的角度，计算机器人末端执行器相对于参考坐标系的位置和姿态问题。 各连杆变换矩阵相乘，可得到机器人末端执行器的位姿方程（正运动学方程） 为： n x o x a x p x 0T40T1 11T2 22T3 d3 n y o y a y p y （ 1-5）3T4 4= o z a z p z n z 0001 式 1-5 表示了 SCARA 手臂变换矩阵0 T4，它描述了末端连杆坐标系{4} 相对基坐标系 {0} 的位姿，是机械手运动分析和综合的基础。 式中： n x c1c2c4s1 s2 c4 c1 s2s4s1 c2 s4，n y s1c2 c4c1 s2 c4s1 s2 s4c1c2 s4 n z0 ， o x c1c2 s4s1 s2 s4 c1 s2 c4s1c2c4 o y s1c2 s4c1 s2 s4s1 s2 c4c1c2c4 o z0 ， a x0 ， a y0 ， a z1 p x c1 c2 l2s1s2l 2c1l 1， p y s1c2 l 2 c1 s2 l 2 s1l1， p z d3 机器人逆运动学研究的内容是：已知机器人末端的位置和姿态，求机器人对应于这个位置和姿态的全部关节角，以驱动关节上的电机，从而使手部的位姿符合要求。与机器人正运动学分析不同，逆问题的解是复杂的，而且具有多解性。
1）求关节 1： 1 A arctg 1 A 2 l 12 l 22 p x 2 p y 2 arctg p x 式中：A p x 2 ； p y 2l 1 p y 2 2）求关节 2： 2 r cos( 1 ) arctg ) l 1 r sin( 1 式中 ： r p x 2 p y 2 ；arctg p x p y 3). 求 关节变 量 d 3 令左右矩阵中的第三行第四个元素（3.4）相等，可得： d 3 p z 4). 求 关节变 量 θ 4 令左右矩阵中的第二行第一个元素（1.1,2.1 ）相等，即： sin 1 n x cos 1n y sin 2 cos 4 cos 2 sin 4 由上式可求得： 4 arctg ( sin 1 n x cos 1 n y )2 cos 1 n x sin 1 n y 四、实验目的： 1. 理解 SCARA 机器人运动学的 D-H 坐标系的建立方法； 2. 掌握 SCARA 机器人的运动学方程的建立； 3. 会运用方程求解运动学的正解和反解； （ 1-8） （ 1-9） （ 1-10 ）