直角坐标机器人运动控制硬件和软件的设计及实现

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1、题目：直角坐标机器人运动控制硬件和软件的设计及实现目录机器人概论12键入章标题(第3级)3键入章标题(第1级)4键入章标题(第2级)5键入章标题(第3级)61.绪论1.1机器人及其发展历程机器人是一种能自动控制、可重复编程、多功能的、可以替代人完成特定任务的自动化控制装置。机器人学是综合运用数学、机械、电子、力学、计算机、自动控制和人工智能等多学科的知识而发展起来的，对机器人的体系结构、控制、传感、编程语言以及机器人的应用进行综合研究是现在的热点研究领域。到目前为止，机器人发展共分为三个阶段。第一阶段

2、是可编程机器人，这类机器人一般可以根据操作者所编的程序，完成一些相对简单的重复性操作，不具有反馈外界信息的能力。这一代机器人从20世纪60年代后半期开始投入使用，目前已经工业界得到了广泛应用。第二代是感知机器人，它是在第一代机器人的基础上发展起来的，具有不同程度的感知能力。它有若干的传感器，能对自身的实际位置、方向、速度、力等进行测量，能通过视觉、听觉和触觉等传感能力对外界环境进行实际检测，这些反馈信息着之前编写好的程序下进行运动。这类机器人在工业界已有应用。第三代机器人将具有识别、推理、规划和学习等

3、智能机制，它可以把感知和行动智能化结合起来。具有多种感觉，能实现搜索、追踪、辨色等仿生动作，具有专家知识、语音功能和自学习能力等人工智能。此能在非特定的环境下作业，故称之为智能机器人，如图1-1。目前，这类机器人主要处于实验室阶段，但是已经有一部分开始实用化发展。图1-1智能机器人作为一种跨学科技术，机器人技术的突破需要其他技术支撑，特别是以能源、材料、计算机、生命科学及先进制造技术为主。这些技术被众多学者视为新一轮产业革命的支撑技术，它们的突破必然会促发机器人产业发展迈向一个新的高度，从而推动新一轮

4、产业革命。新型能源将有助于解决机器人的动力问题；新材料的使用对提升机器人的硬件性能至关重要；计算机技术的发展应用有助于机器人的控制系统开发；生命科学的发展将会使仿生学更多地运用到机器人上，从而推动机器人“从机器到人”的转变；先进制造技术的发展则可解决结构复杂机器人的制造问题，有助于促进机器人的大规模生产和应用。现在，机器人的使用范围已开始向军事工业、特殊环境服役、医疗卫生、科学研究等多个领域拓展。而一旦步入智能化阶段，由机器人产业所构建的社会网络，将遍及社会生产、生活各领域，进而变革社会形态，进入新一

5、轮的智能社会之中。1.2机器人的研究现状和发展趋势机器人技术研究和应用取得了革命性的发展，毫无疑问，机器人技术是未来的战略性技术，充满机遇，但是也有挑战。全球机器人领域发展主要有以下趋势：1)机器人性能提升，价格下降。操作精度提高，操作大型化和小型化皆有发展，驱动方式更多的采用伺服驱动系统。1)整体结构模块化，可重构化。关节中的伺服电机、减速器、传感器等模块分工制造，便于全球范围内企业的分工合作。2)控制器向开放式发展，且控制应用更加现代。基于PC的控制器便于网络化和标准化，器件的集成度提高，能大大提

6、高系统可靠性和操作性；现代控制理论，如人工神经网络、模糊控制等应用更加广泛，且向自适应控制方向发展。3)传感器与驱动器一体化技术、信息采集和信息融合处理、感觉功能继承模块。通过视觉、听觉、触觉等传感器信息，对速度、加速度、力进行环境建模和行动控制。4)虚拟现实和远程控制。加强操作者与机器人之间的人机交互控制，即通过遥控监控系统和局部操作系统，使机器人进行远程的协作事物，如深海探测，太空探索等。我国机器人研究较晚，在20世纪80年代开始起步，在国家政策的支持下，通过一系列的科技创新推进计划和重大科研专项

7、攻关，我国已经基本掌握了机器人的设计制造技术、控制系统的设计和开发、驱动电机的研究、路径规划和轨迹插补研究等等，并且成功的应用到工业上，开发出码垛、搬运、喷漆、焊接等机器人，有效地改善了工人的工作环境，提高工作效率。但是总体上看，我国机器人工业技术水平还和国外有着一定的差距。机器人的产业化较低。体现在通用化程度低、供货周期长、成本高、质量和可靠性差等。为了适应全球化的发展，实现四个现代化，必须对机器人工业进行全面科学的规划，推进我国机器人工业的现代化进程。1.3机器人的基本组成机器人一般由执行机构、驱

8、动系统、检测系统和控制系统等组成。执行机构：即机器人本体，由连杆、关节和末端执行器组成，其中的运动副常称为关节，关节个数一般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。考虑人性化因素，常将机器人本体的有关部位分别称为基座、腰部、臂部、腕部、手部和行走部等。末端执行器根据操作需要可以换装焊枪、吸盘、扳手等工具。驱动系统：它是驱使执行机构运动的机构，按照控制系统发出的信号，