1.2　機器人的組成

1.2.1　機器人的基本組成

機器人一般由執行機構、驅動裝置、檢測裝置和控制系統等組成，如圖1-1所示為機器人的基本組成。

（1）執行機構

執行機構即機器人本體，其臂部一般采用空間開式鏈連桿機構，其中的運動副（轉動副或移動副）常稱為關節，關節個數通常為機器人的自由度數。根據關節配置形式和運動坐標形式的不同，機器人的執行機構可分為直角坐標式、圓柱坐標式、極坐標式和關節坐標式等類型。出于擬人化的考慮，常將機器人本體的有關部位分別稱為基座、腰部、臂部、腕部、手部（夾持器或末端執行器）和行走部（對于移動機器人）等。

（2）驅動裝置

驅動裝置是驅使執行機構運動的機構，按照控制系統發出的指令信號，借助于動力元器件使機器人進行動作。它輸入的是電信號，輸出的是線、角位移量。機器人使用的驅動裝置主要是電力驅動裝置，如步進電動機、伺服電動機等，也有采用液壓、氣動等驅動裝置。

（3）檢測裝置

檢測裝置實時檢測機器人的運動及工作情況，根據需要反饋給控制系統，與設定信息進行比較后，對執行機構進行調整，以保證機器人的動作符合預定的要求。作為檢測裝置的傳感器大致可以分為兩類：一類是內部信息傳感器，用于檢測機器人各部分的內部狀況，如各關節的位置、速度、加速度等，并將所測得的信息作為反饋信號送至控制器，形成閉環控制。一類是外部信息傳感器，用于獲取有關機器人的作業對象及外界環境等方面的信息，使機器人的動作能適應外界情況的變化，使之達到更高層次的自動化，甚至使機器人具有某種“感覺”，并向智能化發展，例如視覺、聲覺等外部傳感器給出工作對象、工作環境的有關信息，利用這些信息構成一個大的反饋回路，從而大大提高機器人的工作精度。

（4）控制系統

機器人的控制方式有兩種。一種是集中式控制，即機器人的全部控制由一臺微型計算機完成。另一種是分散（級）式控制，即采用多臺微型計算機來分擔機器人的控制，如采用上、下兩級微型計算機共同完成機器人的控制，主機常用于負責系統的管理、通信、運動學和動力學計算，并向下級微型計算機發送指令信息；作為下級從機，各關節分別對應一個CPU，進行插補運算和伺服控制處理，實現給定的運動，并向主機反饋信息。

根據作業任務要求的不同，機器人的控制方式又可分為點位控制、連續軌跡控制和力（力矩）控制。

1.2.2　機器人的執行機構

機器人的執行機構由傳動部件和機械構件組成，可仿照生物的形態將其分成臂、手、足、翅膀、鰭、軀干等相應的部分。臂和手主要用于操作環境中的對象；足、翅膀、鰭主要用于使機器人“移動”；軀干是連接各個器官的基礎結構，同時參與操作和移動等運動功能。

（1）臂和手

臂由桿件及關節構成，關節則由內部裝有電動機等驅動器的運動副來實現。關節及其自由度的構成方法極大影響著臂的運動范圍和可操作性等指標。如果機構像人的手臂那樣將桿件與關節以串聯的形式連接起來，則稱為開式鏈機械手；如果機構像人的手部那樣將桿件與關節并聯配置起來，則稱為閉式鏈機械手，如并聯機器人機構作為機械臂的機構。

機械臂具有改變對象的位置和姿態的參數（在三維空間中有6個參數），或者對對象施加力的作用，因此手臂最少具有3個自由度。若考慮移動、轉動（關節的旋轉軸沿著桿件長度的垂直方向）、旋轉（關節的旋轉軸沿著桿件長度方向）3種機構的不同組合可有27種形式，在此給出具有代表性的4類，如圖1-2所示。

手部是抓握對象并將機械臂的運動傳遞給對象的機構。如果能將機器人的手部設計得如人手一樣具有通用性、靈活性，使用起來則較為理想。但由于目前在機械和控制上存在諸多困難，而機械人手在生產實際中會隨現場具體情況而各不同，因此這種萬能手不具有普適性。如果任務僅是用手臂末端簡單地固定對象，那么手部可以設計成單自由度的夾鉗機構。可以抓取特定形狀的物體、具有特制剛性手指的手部，稱為機械手（mechanical hand或mechanical gripper）。如果手臂不運動，那么就需要使用手部來操縱對象，此時多自由度多指型機構就大有用武之地了。

（2）移動機構

移動機構是機器人的移動裝置。由于在機器人出現以前，人類就已發明了許多移動裝置，比如車輛、船舶、飛機等，因此在機器人中也借鑒了相關的成熟技術，如車輪、螺旋槳、推進器等。實用的移動機器人幾乎都采用車輪，不過它的弱點是只限于平坦的地面環境。

為了實現人和動物所具備的對地形及環境的高度適應性，人們正在積極地開展對多種移動機理的研究。現就目前已研制出的部分移動機構進行分類介紹，詳見表1-1。

①車輪式移動機　車輪式移動機構在地表面等移動環境中控制車輪的滾動運動，使移動體本體相對于移動面產生相對運動。該機構的特點是在平坦的環境下移動效率較履帶式移動機構和腿式移動機構要高，且結構簡單、可控性好。

車輪式移動機構由車體、車輪、處于輪子和車體之間的支撐機構組成。車輪根據其有無驅動力可分為主動輪和從動輪兩大類。根據單個車輪的自由度，又可分為圓板形的一般車輪、球形車輪、合成全方位車輪幾類。

②履帶式移動機構　履帶式移動機構所用的履帶是一種循環軌道，采用沿車輪前進方向邊鋪設移動面邊移動的方式。該機構可在有臺階、壕溝等障礙物的空間中移動，比車輪式移動機構的應用范圍廣，但結構較車輪式移動機構復雜。

履帶式移動機構一般由履帶、支撐履帶的鏈輪、滾輪及承載這些零部件的支撐框架構成，最后將支撐框架安裝在車體上。

③雙足式移動機構　雙足機器人，是用兩條腿來移動的移動機器人。鳥和人類是采取雙足移動的。研究雙足移動機構主要是模仿人或動物的移動機理，因此大多數雙足機構的結構類型模仿了人類腿腳的旋轉關節機構。

④多足式移動機構　除雙足以外的所有足類機器人的總稱。這種移動機構對環境的適應性強，能夠任意選擇著地點（平面、不平整地面、一定高度的障礙物、平緩斜坡地面、陡急斜坡地面等）進行移動。

⑤混合式移動機構　為了發揮車輪式移動機構在平整地面上高速有效移動的優點，又能在某種程度上適應不平整地面，一種可行的途徑就是將車輪與其他形式的移動機構組合起來，有效地發揮兩者的優點。目前，已研發出來的組合機構有輪腿式火星探測機器人，輪腿雙足移動機器人，體節軀干移動機器人，履帶與軀干、腿腳與履帶、軀干與腿腳的組合機器人等。

a.蛇形機構：串聯連接多個能夠主動彎曲的單元體，構成索狀超冗余功能體的結構稱為蛇形機構。由蛇形機構構成的機器人能產生類似蛇一樣的運動。比如，穿過僅容頭部能通過的彎曲狹窄的路徑，爬越凹凸地形或翻越障礙物，在沙地等松軟地面上移動等。蛇形機構的每一個獨立單元體是由驅動器、行走結構、前后搭接結構（與前面單元體和后續單元體連接的結構）組成的。

b.壁面吸附式移動機構：壁面吸附式移動機構是將移動機構（車輪、履帶、腿）與將它吸附在壁面上的吸附機構（磁鐵或吸盤）組合起來實現的，主要應用在結構物壁面檢查或不便于搭腳手架之處。壁面吸附式移動機構主要是由移動機構、吸附機構和懸吊鋼絲繩等安全裝置構成。

另外，現在人們還在研究基于仿生學原理的各種機器人，來實現人類或動物的靈巧的動作和運動。

1.2.3　機器人的傳感器

傳感器的主要作用就是給機器人輸入必要的信息，例如，測量角度和位移的傳感器，對于掌握手和腿的速度、移動的方向，以及被抓持物體的形狀和大小都是不可缺少的。

根據輸入信息源是位于機器人的內部還是外部，傳感器可以分為兩大類：一類是為了感知機器人內部的狀況或狀態的內部測量傳感器（簡稱內傳感器），它是在機器人本身的控制中不可缺少的部分，雖然與作業任務無關，卻在機器人制作時將其作為本體的一個組成部分；另一類是為了感知外部環境的狀況或狀態的外部測量傳感器（簡稱外傳感器），它是機器人適應外部環境所必需的傳感器，按照機器人作業的內容，分別將其安裝在機器人的頭部、肩部、腕部、臀部、腿部和足部等。

為了便于理解機器人傳感器的特征和區別，值得對傳感器的檢測內容、方式、種類和用途進行分類，如圖1-3、表1-2和表1-3所示。

內傳感器大多與伺服控制元器件組合在—起使用。尤其是表1-2中的位置或角度傳感器，一般安裝在機器人的相應部位，對滿足給定位置、方向及姿態的控制，而且大多采用數字式，以便計算機進行處理。

1.2.4　機器人的控制系統

機器人控制系統指的是使機器人完成各種任務和動作所執行的各種控制手段。

（1）原理和組成

機器人系統通常分為機構本體和控制系統兩大部分。控制系統的作用是根據指令對機構本體進行操作和控制，從而完成作業。機器人控制器是影響機器人性能的關鍵部分之一，它從一定程度上影響著機器人的發展。一個良好的控制器要有靈活、方便的操作方式和多種形式的運動控制方式，并且要安全可靠。

控制系統是機器人的神經中樞，控制系統的性能在很大程度上決定了機器人的性能，因此其重要性不言而喻。構成機器人控制系統的主要要素是控制系統軟、硬件，輸入、輸出，驅動器和傳感器系統。為了解決機器人的高度非線性及強耦合系統的控制，要運用到最優控制，解耦、自適應控制，以及變結構滑?？刂坪蜕窠浽W絡控制等現代控制理論。另外，一些機器人是機、電、液高度集成，是一個復雜的系統和結構，其作業環境又極為惡劣，在設計控制系統時必須考慮具有散熱、防塵、防潮、抗干擾、抗振動和抗沖擊等性能，才能確保機器人的高可靠性。

控制系統設計，既要為機器人末端執行器完成高精度、高效率的作業實行實時監控，通過所配備的控制系統軟、硬件，將執行器的坐標數據及時轉換成驅動執行器的控制數據，使之具有智能化、自適應系統變化的能力，還要采取有多個控制通路或多種形式控制方式的策略。必須擁有自動、半自動和手工控制等控制方式，以應對各種突發情況下，通過人機交互選擇后，能完成定位、運移、變位、夾持、送進、退出與檢測等各種施工作業的復雜動作，使機器人始終能按照人們所期望的目標保持正常運行和作業。

機器人的控制系統主要由輸入/輸出（I/O）設備，計算機軟、硬件系統，驅動器，傳感器等構成，如圖1-4所示。硬件系統包括控制器、執行器和伺服驅動器；軟件系統包括各種控制算法。

最早的機器人采用順序控制方式。隨著計算機技術的發展，機器人采用計算機系統來綜合實現機電裝置的功能，并采用示教再現的控制方式。隨著信息技術和控制技術的發展，以及機器人應用范圍的擴大，機器人控制技術正朝著智能化的方向發展，出現了離線編程、任務級語言、多傳感器信息融合、智能行為控制等新技術。多種技術的發展將促進智能機器人的實現。伴隨著機器人技術的進步，控制技術也由基本控制技術發展到現代智能控制技術。

（2）最基本的控制方法

對機器人機構來說，最簡單的控制就是分別實施各個自由度的運動（位置及速度）控制。這種控制可以通過對控制各個自由度運動的電動機實施PID控制來簡單實現。在這種情況下，需要根據運動學理論將整個機器人的運動分解為各個自由度的運動來進行控制。這種系統常由上、下位機構成。從運動控制的角度來看，上位機進行運動規劃，將要執行的運動轉化為各個關節的運動，然后按控制周期傳給下位機。下位機進行運動的插補運算及對關節進行伺服，所以常用多軸運動控制器作為機器人的關節控制器。多軸運動控制器的各軸伺服控制也是獨立的，每一個軸對應一個關節。

若要求機器人沿著一定的目標軌跡運動，則是軌跡控制。對于工業生產線上的機械臂，軌跡控制常采用示教再現方式。示教再現分兩種：點位控制（PTP），用于點焊、更換刀具等情況：連續路徑控制（CP），用于弧焊、噴漆等作業。如果機器人本身能夠主動地決定運動，那么可經常使用路徑規劃加上在線路徑跟蹤的方式，如移動機器人的車輪控制方法。

（3）利用傳感器反饋的運動調整

對每個自由度實施運動控制時，也可能發生臂和手受到環境約束的情況。這時，機器人與環境之間或許會因為產生過大的力而造成自身損壞。在這樣的狀態下，機器人必須適應環境，修改預先規劃的軌跡。在這種場合下，借助于力傳感器反饋的力信息并調整運動，能夠讓整個機器人的行動符合任務的需求。當機器人靠腿、腳進行移動時，若地面的平整度有尺寸誤差，則機器人可能會失去平衡。在這種情況下，也需要通過將著地點的力加以反饋，以調整機器人的運動，實現適應地面的平穩步行。

（4）現代控制方法

機器人是一個復雜的多輸入、多輸出非線性系統，具有時變、強耦合和非線性的動力學特征。由于建模和測量的不精確，再加上負載的變化及外部擾動的影響，因此實際上無法得到機器人精確完整的運動學模型?，F代控制理論為機器人的發展提供了一些能適應系統變化能力的控制方法，自適應控制即是其中一種。

①自適應控制　當機器人的動力學模型存在非線性和不確定因素，含未知的系統因素（如摩擦力）和非線性動態特性（重力、哥氏力、向心力的非線性），以及機器人在工作過程中環境和工作對象的性質與特征變化時，解決方法之一是在運行過程中不斷測量受控對象的特征，根據測量的信息使控制系統按照新的特性實現閉環最優控制，即自適應控制。自適應控制分為模型參考自適應控制和自校正自適應控制，如圖1-5、圖1-6所示。

自適應控制在受控系統參數發生變化時，通過學習、辨識和調整控制規律，可以達到一定的性能指標，但實現復雜、實時性的嚴格要求。當存在非參數不確定時，自適應控制難以保證系統的穩定性。魯捧控制是針對機器人不確定性的另一種控制策略，可以彌補自適應控制的不足，適用于不確定因素在一定范圍內變化的情況，保證系統穩定和維持一定的性能指標。如果將魯棒控制與H∞控制理論相結合，所得的控制器可實現對外界未知干擾的有效衰減，同時保證系統跟蹤誤差的漸近收斂性。

②智能控制　隨著科技的進步，計算機技術、新材料、人工智能、網絡技術等的發展，出現了各種新型智能機器人。這些機器人具有由多種內、外傳感器組成的感覺系統，不僅能感覺內部關節的運行速度、力的大小，還能通過外部傳感器如視覺傳感器、觸覺傳感器等，對外部環境信息進行感知、提取、處理并做出適當的決策，在結構或半結構化環境中自主完成一項任務。

智能機器人系統具有以下特征：

a.模型的不確定性：一是模型未知或知之甚少；二是模型的結構或參數可能在很大范圍內變化。智能機器人屬于后者。

b.系統的高度非線性：對于高度的非線性控制對象，雖然有一些非線性控制方法可用，但非線性控制技術目前還不成熟，有些方法也較復雜。

c.控制任務的復雜性：對于智能系統，常要求系統對于復雜任務有自行規劃與決策的能力，有自動躲避障礙物運動到規劃目標位置的能力。這是常規控制方法所不能達到的。典型代表是自主移動機器人。這時，自主控制器要完成問題求解和規劃、環境建模、傳感器信息分析、底層的反饋控制等任務。學習控制是人工智能技術應用到機器人領域的一種智能控制方法。目前已提出多種機器人控制方法，如模糊控制、神經網絡控制、基于感知器的學習控制、基于小腦模型的學習控制等。

（5）其他控制

除了上述控制方法之外，人們也正在模仿生物體的控制機理，研究仿生型的而非模型的控制法。目前，基于神經振子所生成和引入的節奏模式已經實現了穩定的四足機器人、雙足機器人的步行控制，基于行為的控制方法已與集中式控制方法相結合，應用到足球機器人的控制系統中。

上述介紹的傳統方法，在大多數情況下，都假設桿件是剛體，不存儲應變的能量，力的生成僅靠自由度來實現。利用該方法，能夠比較簡單地建立具有一般性的系統設計方法。但是，由于驅動器輸出有限，響應速度也有限，因此在機器人的具體制作方面造成了很大的限制。為了彌補這一缺陷，人們嘗試了多種辦法，如使桿件具有彈簧或阻尼功能，以便它能無時間延遲地進行能量存儲及耗散，或者以硬件的形式引入各個自由度中的彈簧或阻尼功能，以避免時間延遲，而非依靠軟件（轉矩控制）來實現。這是考慮“控制”機構設計的一個例子。另外，也有考慮“機構”的控制設計的例子。例如，在某些情況下因重量減輕而導致桿件變細，從而演變成柔性機構，這時就可以嘗試通過控制來補償由此在某些產生的誤差或振動。如上所述，今后控制系統研究中重要的一點是將機構與控制整合起來處理。

在最近的研究結果中，令人印象比較深刻的是Passive Walking。它是一個由無驅動器的自由度組成的、具有類似人體骨筋構件機構的機器人，能以極其自然的雙足步態在向上傾斜的緩坡上行走。這表明該機器人能夠巧妙地利用重力下的力學系統特性，恰當且簡單地進行機構控制。可以認為，人類等生物的運動機理也與它的原理如出一轍。至今，人們還將它作為基于動力學控制的一個更一般性的問題來加以研究。