机器人设计---（从0开始的一般思路） 点击：13664 | 回复：21
很多人很多单位都在玩机器人---但机器人到底怎样设计？不见得人人都知道，知道的人一般不告诉我们----我也就有了在此贴大字报的机会。虽然自己的技术工作一直都是不变的电及控制，但好在自己原本在学校所学的就是机械工程，好多机械方面的知识还没有完全忘光，那么在此就与诸位交流一番。
不当之处，请谅解！
机器人----机器奴仆----当然是机器设备的一种，只是这种“奴仆”比一般的机器要灵活的多，工作能力也比较强，而且随着技术的发展，这种机器设备带有智能的本事，当然，这种动物和人才有的特性还在于“上帝”之手，这里的上帝自然是人。基督教《圣经》云，上帝创造了世界，人就是由上帝造出来的----上帝造了人，人却背离的上帝，这是宗教理论发展的基石，这里涉及到原罪，魔鬼之类的---那么，未来创造出机器人的人是否会面临这些问题呢？个人认为是可能的，但不是今天所讨论的问题。
那么，我们就从没有智能化的机器人说起。机器人，工业级，这种机器设备完全是未来生产的需要一种创新实现。在我们中国，很多人都知道，我们能否制造和设计很多机器设备，但源头没有----因为我们几乎都在玩拿来主义；如果不采用拿来主义，也就是说从零开始怎么设计机器人？
机器人的产生是为了生产上的需要，工艺工装之类的一般来说比较杂，有简单有复杂的，而且这些还直接影响劳动生产率。好，我们搞机器人就是为了满足生产的工艺工装方面的工作和提高劳动生产率！比如说焊接一个金属壳体设备，组装一个多面设备，什么夹紧啊，什么定位啊，什么反身啊，等等，即使你有强大的传统的数控机床，对不起，还是很麻烦，而且不够灵活性。当然在需要加工的设备零部件面前，一下子想面面俱到玩出新的功能非常强的加工生产设备或机器人很难，但我们可以从那些人或机床直接入手工作较为困难但重复性又很强的环节入手；这些环节当然也是最影响生产率的环节。经过这样的初步考虑，我们就可以得到一个初步的结论，当然是工艺环节的一个，是“提”“抓”“夹”“定位”“焊接”“打磨”等等这样的主题；很好，我们有了设计机器人的出发点了。这些关键词或者说主题字的实现需要设备的终端某一部分去完成，比如说“抓”动作，很容易的我们需要“手”一样的终端部件---机器人行业有专门的术语，你懂得，很好！
就像人一样，只有一只手，没有胳膊，没有其它，那这只手是废物一个。这样，问题回到了起点----根据我们的习惯，任何机械设备都有本体和工作部分之类的，那么，我们所设想的机器人也是必须类似的---这说明我们的思维现在是正确的，没有空想。这样下来，机器人的设计工作一般性规律是遵循一般机械设备的设计路子去走的。
机械设备的0开始设计其实跟电气设备甚至控制系统的路子差不多，因为从0开始，则首要工作就是从原理开始设计---电机有《电机原理》，自动控制系统有《自动控制原理》，机械类专业非常重要的课程则是《机械原理》，呵呵，多说一句，当年阿拉还是这门课程的课代表。这门技术基础课在机械工程类的重要性可以与控制工程类专业的《自动控制原理》等同重要。而这门里面所涉及内容最重要的则是机构理论和传动。而机器人系统的设计，尤其是咱们现在所谈的是从0开始设计，那么，运用机构理论进行概念设计和思考是不可逃避的选择！
说到这里广告一下，《机械原理》教程国内编著比较不错权威性高的，经典著作我个人认为有两部，一部是西北工业大学孙恒教授，一本是东南大学黄锡恺，书的名完全一样，都叫《机械原理》---这与国内很多教授编著的关于控制工程原理的教程类似，都叫《自动控制原理》，O(∩_∩)O哈哈~
当然因为《机械原理》涉及内容是通用性的，也比较多，但机械人设计怎么参考？搞机器人系统设计，机构学方面的资料，就目前国内来说就那么三四本，似乎5本都找不出来----有限的几本既是权威名著也是经典，一本是北航张启先教授编著的《空间机构的分析与综合》，一本是黄真教授编著的《高等空间机构学》，一本是杨廷力教授编著的《机器人机构拓扑结构学》---这三本绝对是搞机器人设计研究的必读之书；当然除了这三位编著的三本以外，还有这三位的高徒们编著的各种著作，哈哈！
好，现在接着说机器人概念设计为什么需要机构学理论，是的，因为你是从0开始，不是仿制；而机构学的理论好处在于为你提供大量的构型，自然这些机械构型不是凭空产生的，而是机械基础理论发展的结果。机械构型的重要性在于提供了你未来设计实现的机器人的重要功能要求所涉及的重要概念----自由度，约束。如果不考虑概念严格意义上的说法，我们可以笼统的将自由度理解成设备的运动情况，例如移动，旋转等可能情况；所谓约束，就笼统的理解为限制，对自由的限制；限制，当然有利有弊，你懂得，哈哈！
而机构学，这里当然主要指空间机构学，所涉及的机器人构型，那是相当丰富多彩的，要远远超过各位朋友在企业，在工厂，在技术博览会所能见到的机器人形式---换言之，从机器人机构学的内容来看，目前机器人存在的构型形式是极其有限的几种，未来发展的内容多着去了。通过各种公开的技术交流或展览，我们大家都知道和能够说出工业机器人的基本类型情况，比如说ABB公司，KUKA公司，安川公司，三菱公司等，表面看起来好多都差不多一样啊，有点像汽车界的情况，甚至还不如汽车的类型情况漂亮----是的，你发这样的感慨没错，事实也是如此。结合机构学理论，我们能够找到什么CARTESIAN 机器人（没错，直角坐标机器人），GANTRY机器人（门式机器人），VERSATRAN机器人（圆柱坐标机器人），极坐标机器人，DELTA机器人，以及经常听到的PUMA机器人，STANFORD机器人，MOTOMAN机器人等等，他们这些人相互之间是存在一些理论差异。好在原理性的东西共性的东西其实也不少。
是啊，从机器人机构学理论来看，内容丰富多彩，但怎样结合实际需要作为自己要设计的机器人的选择呢？打字挺累的------有朋友如果能耐心看到这里的话，大概会问这个问题，好，这个问题后面有时间时继续回答！我先歇歇手。问题先留给有兴趣的朋友自己思考，O(∩_∩)O哈哈~，阿拉不在的时候大家如果对机器人设计问题有兴趣，可以随便跟帖议论纷纷。
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诸位，上回咱们侃到机器人设计时所涉及的内容，机构的构型问题。从机械构型来说，工业机器人有三种情况----串联，并联，混联------哇塞，我们玩自动控制的童鞋惊呼，这不是电路的基本构成吗？没错，电路的构成基本形式就是这三种情况，而工业机器人也是如此三种形式。----马克思主义哲学的核心是辩证法，自然科学或者说工程技术领域存在着大量的哲学思想，而都往往不会逃离辩证法的范畴；马克思主义辩证法告诉我们要学会科学的思维，初高中时的中国传统洗脑袋教科书就告诉我们，要学会通过表面的看透内里的实质。无论电学电路的基本来源还是机械学的基本理论来源----限于经典理论范围内，都是基于牛顿理论----电学，机械学，还有流体力学等等存在某些方面的相似是很正常的。而理论领域的这个现象的存在其实会给我们启发性思考去解决相关的问题。类比性思维其实在人的大脑思维中起着很大作用，在某些行业和领域的人有时这种思维会占较大的优势----与三段论推演的逻辑相比。----说这么多废话似乎与机器人没有多大关系，是废话---这是不对的，随着我们后面的话题一步步的向前推演，大家会发现，作为工程技术人员，思维或者哲学是非常重要的，也是无法避免的存在；这与人每天都要吃饭一样非常正常的存在。呵呵！
在此，根据我个人的思考，机器人的机构形式和电路的形式不但表面上如此相似，而且在一些数学表达甚至分析上其实有更大的相似性，而由于现代科学技术的发展和分工如此的精细，以至于科技工作者都不喜欢花时间去认真分析比较不同系统的宏观相类相异问题，因为缺乏实用价值；只有解决哪些微观丛面的问题才回带来有意义的技术价值。但为了说明问题，在此可以举一个例子：电路图的拓扑结构是可以用现代图论的数学工具进行分析的；而机器人机构当然也能用图论为数学工具进行有关的内容分析，而且分析使用方法几乎完全一样。根据电学电路的使用我们知道，单纯的串联电路和并联电路有自身的物理特性，而同时这两者之间还存在一定的对偶关系。没错，机器人机构学的串联和并联也存在这种现象，但这种现象的存在对于单纯的去解决多自由度和约束的机器人工作链问题并没有带来多大的便利性；问题在于机器人机构运动链外部表征要解决的物理学参数多并且与其自身运动所处的多个坐标系情况有关，而不是像我们的电路，有个非常简明扼要的欧姆定律可以阻挡好多无关紧要的东西，只留下对我们有用的。机器人的机械运动与电路相比比较宏观，所以表征的物理参数不能过于简化，虽然在实际的分析计算时还是需要简化思想。
前面我们提到所谓的“运动链”的说法，没错，这个说法应该比较恰切的表达了机器人机构构型的情况，而且这个概念也显得格外人性化----比如说对于串联机器人，其所谓运动链就是指从机器人的底座开始一直往上往前走，一直到最后的所谓的机器人的末端执行器---比如说机器人手抓。----这是完整的一条运动链，而且是开环的，没有封闭起来。这不同于电路的串联电路，因为即使是串联电路也总是要开始皆为合并在一起的构成电流的回路。接着刚才所说的，我们的这个机器人运动链，串联型运动链，作为机构构型有些什么？这是我们讨论问题的重点，自由度，约束---这在前面多次提到；自由度的概念---机构自由度就是机构具有的独立运动的数目，看看，所谓的独立运动的数目就是自由度的数目；嘛意思，似乎有些拗口，可以这样不在严格的物理或机械理论意义下这样理解，就是独自的运动，或转，或移动都可以；这里问题最要命的是“独立”二字，是谁的独立？总不能空想或无缘无故吧？是对构成机器人运动链构件而言。那么，怎样才算是机器人运动链的构件呢？所谓构件不是机器人独有的说法，是所有机械运动设备都有的一个概念。构件的构成是有杆和副，杆是骨头，副是关节，合起来两者构成机构；机构的构件则又分为主动和被动。-----这方面的内容形式上看起来似乎很简单，但并不是这样，是很麻烦的事情，前面开始时我所提到的国内的三位教授的理论研究重点也是围绕此，笔者不敢多说，有兴趣的人可以找专著来认真研究，呵呵！
以下上图，大家较为熟悉的
上面的文字所说所谓运动链，杆件，关节，机构从这图片中很容易得到诠释，很直观，似乎很简单，但设计处理起来很麻烦！！！不过，从上面的图我们可想象得出，这样的设备作为生产产品设备肯定自身有个合理的安装空间范围，因为运动，而且是立体的空间范围则必然应该存在一个似乎类似球形的工作运动空间---而这个内容显然是非常重要的，比如说不合理就会出现死角问题---这与人一样，如果能力所限，即使你非常努力在一个固定个岗位上，则肯定存在你所不能完成的工作任务。；同时，我们也能够想到，这样的设备为了能够合理的进行生产运动，其构成的各部分部件之间必须要解决大量的力学的和运动学的技术参数问题，并且因为存在着“运动”的“运动”部件，解决设备构造上的力学和运动学的技术参数问题非常重要---没错，这是设计分析时任务比较繁琐的动力学分析和运动学分析。我们知道，为了完成一个生产工艺目标任务，其实采用的具体手段会是多答案的，既可以用这种设备，也可以用另外这种设备；而如果需要新的生产设备参入生产中去，必要要考虑与原有的设备的工作配合问题，包括安装空间，运动是否配合到位或发生干涉等等；方面实用性上，经济因素等等都需要认真考虑，然后才可以投入购买使用。基于不同构型的机器人工作能力，使用的便利性，造价上除了人为的因素外也存在物理实际构成的因素所带来的经济因素，即所谓设备构造方案的经济因素。机构拓扑机构形成真正的设备方案不但是技术也是经济的大问题，这是设备在早期进行初步设计选择时必须认真研究的问题，而且是非常重要的问题----试想，一个设计研发部门采用一个认为非常优秀的机器人构型方案，功能很强大，完成的事情会很多，但是，理论上不成熟，现成的设计工作人员知识背景上缺乏，也缺乏必要的经验，这样的情况下去搞设计且不说会带来什么的技术问题，就设计工作的时间经济效益比不会是很高的。构型研究和选择最终的目标不过如此。
从0开始时设计工业机器人，解决了构型选择问题后后面继续做什么工作呢？欲知后事如何且听下回分解！
有时间时本人继续贴-----话题有兴趣者随便乱贴，看你的！公民言论自由，仅限于纯技术讨论，禁止广告追贴和其它。
回复内容：
对： 通讯网-13730920629 这就像是“从＂零＂开始研究哥德巴赫猜想。。。。你开始启... 内容的回复！
所言极是。----其实我的目的在于给山寨和仿制研究的人提供一个少走弯路的思想，让山寨和仿制的速度加快；曾听说过一部分守着实体想山寨但缺乏思路不好入手的人。
闲言碎语莫道，接上回正道----其实上回说了一堆无非是说明机器人产品设计时考虑的重要因素之一，即所谓工作环境因素问题。
这个问题适用于设计所有的机器人产品，无论是串联机器人还是并联机器人或混联机器人，无论工业级还是玩具类的，都需要认真思考这个问题；如果不考虑工作环境因素，最后出来的产品可能达不到你的期望值，这样设计制造产品的过程其实是很烦人的，也是浪费青春和浪费财力的事情。有句话叫做“看人挑担不吃力自己挑担压断脊”---别人的产品为什么那样做是有考虑的，有的你能看得出来，有的深层次的你意识不到。举个例子，假定有人让你设计制造一台配合机床加工使用的机器人，你首先要考虑的是机床目前的基本加工功用是什么，需要机器人去做什么，两者怎样的运动配合，机器人被安装在什么样的场所，怎样保证机器人和机床以及服务工作的肉体的人的安全等问题，这些问题因素对机器人来说都可以归于环境因素。
在此，再多说些废话，根据目前国内技术市场而言，串联机器人几乎一统天下，而并联机器人为少数，这个现象意味着串联机器人的技术更加成熟，也意味着在实际应用上某些方面可能为大家习惯的接受优势的存在；理论的角度来说，串联机器人能完成的工作，并联机器人也能完成----嘿嘿，大家都是“人”！但截至目前理论研究告诉我们，两者是各有所长各有其弊；并且，为完成同等生产任务而设计制造机器人来说，目前串联的难度要低于并联技术----也可以这样我们自己去寻找属于自己的原因-----客户的生产工作环境因素是一定的条件下，需要的“人”，作为设计制造单位优先提供串联技术的机器人产品；相比较而言，即使是现有的那些并联机器人，其生产工作能力还是很有限的，这也意味着并联机器人未来会又更大的发展，这里不作过多的探讨。
谈完环境因素的重要性，我们再回过头来谈一下串联机器人的机构问题。形式上串联型机器人目前我们能够看到的有很多种，前面也提到，给我们大家的印象是几乎差不多一个样式，似乎没什么稀奇和惹人喜欢的；这很正常，因为大家看到的都是“人”，无论是高的矮的胖的瘦的，颜色不一样的，等等如此---这符合我们作为人的思想和观察习惯---如果大家在人群里发现一个特别吸引人的“人”，那一定是这个人有很大不同之处。我们对一大堆串联工业机器人的这种笼统的人，内里掩盖了我们对技术的深入观察思考。认真的观察者肯定都会有一个印象，串联机器人从基座开始一直到末端执行器，从运动形式上都是转，滑；没错，大部分是这两种基本运动构成了机器人的运动形式，区别在于转，滑的多少的比例。这个现象反映在机器人机构上则是机构的最基本问题分析，就是前面所提到的自由度，约束问题，杆件，运动副问题。其中运动副的直接体现就是“转”“滑”运动。运动副的存着是基于我们经常看到和听到的“铰链”而存在；于是，转动铰，滑动铰，万向铰，球铰，螺旋铰....这个太机械专业概念了，我们还是以不严格的笼统的说法，机器人关节，这种更容易理解。于是，我们可以很容易的想到，不同的数量转和滑运动配置，或者不同运动形式的关节来构成不同形式的串联机器人，如果用R表示转，P表示滑，则例如必有RPRPR,RRPP.....等这些运动形式的串联机器人。本质上这些形式的串联机器人其实就是机器人机构理论串联运动链的形式；当然并联机器人也存在这种情况------这在专业和了解机构理论的人来说很平常，但对非专业人来说不注意一般也没人去理会这个。理会这个有啥用？当然有用，没有用的话，本人也不打算絮叨这个了，要知后事如何且看下回胡言乱语。嘿嘿！
好啊？可以啊
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