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1、机器人控制基础,32学时,1,学习本门课程有什么用？,1 入门，为进一步研究做准备 2 毕业设计 3 学分,2,教材,John J. Craig，机械工业出版社， 2006.6,3,主要掌握的内容,1 机器人的动力学模型 (主要掌握) 2 机器人的基本控制方法,4,需要的基本知识： （1）理论力学； （2）控制理论； （3）Matlab; （4）微分方程和线性代数.,5,第一章 绪论,机器人的基本概念； 什么是机器人？ 机器人动力学与控制简介。 （本课主要内容简介）,6,机器人“HRP-4C”在欢迎游客 ，售价大约为15万英镑 这是世界上第一款时装模特机器人,7,你能想想一个骑自行车的机器人能
2、够拥有连人类都无法做到的平衡能力吗？ 近日，来自日本的一款名为Murata Boy的平衡机器人就让人们大跌眼镜。它 可以通过内置的多个感应器配合智能调节装置保持机器人近乎完美的平衡状 态，甚至在完全静止的时候都可以纹丝不动。前置的超声感应装置还可以让 机器人在遇到无法逾越的障碍物时自动停止，避免事故的发生。,8,苹果MP4机器人,9,1.1 机器人的基本概念,1.1.1 机器人的发展历史 （1）东汉张衡发明的指南车； （2）1768-1774，瑞士钟表匠制作的木偶机器； （3）1920年，捷克剧作家Karel Capek首次提出 Robota 一词； （4）1950年，美国科幻作家Assimo
3、v提出了机器 人三守 则； （5）1954年，美国人设计了第一台电子可编程机器人； （6）1962年，美国GM公司设计使用的第一台机器人 Unimate。,10,指南车 木偶机器人,11,Karel Capek Assimov,12,可编程机器人 Unimate,13,（7）1980年；机器人在日本得到普及；此年称为机器人 元年； （8）1995年今，机器人的产量每年递增，机器人产 业兴起； （9）机器人学兴起，机器人向智能化发展。 机器人常见的杂志 IEEE Robotics Research Robotics Robotics and Automation 机器人研究：美国的MIT 机器人
4、生产大国 日本,14,（1）国际标准化组织（ISO）的定义： 机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能机械手，这种机械手具有几个轴，能够借助于可编程序操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行各种任务。 （2）美国机器人协会（RIA）的定义： 机器人是一种用于移动各种材料零件、工具和专用装置的，通过可编程序动作来执行各种任务的，具有编程能力的多功能机械手。,1.1.2 机器人的定义,15,（3）日本工业机器人协会（JIRA）的定义： 工业机器人是一种装备有记忆装置和末端执行器的、能够转动并通过自动完成各种移动来替代人类劳动的通用机器。 （2）美国国家标准局（NSB）的定义：
5、机器人是一种能够进行编程并在自动控制下执行某些操作和移动作业任务的机械装置。,1.1.2 机器人的定义,16,（1）机器人的动作机构类似于人或人的某些器官； （2）机器人具有一定程度的智能； （3）机器人具有通用性； （4）机器人具有独立性，一旦工作程序设定，机器人在 工作时不需要人的干预； （5）机器人是人造的机械装置。,根据定义，可见机器人具有如下特点,17,（1）按代替人的器官分： 操作机器人、移动机器人、视觉机器人 （2）按用途分： 工业机器人、极限操作/探索机器人、娱乐机器人 （3）按控制方式分： 操纵机器人、程序机器人、示教再现机器人、数控机 器人、智能机器人,1.1.3 机器人的
6、种类,18,深蓝计算机,工业机器人,5公斤搬运机器人,19,电子狗,火星探测器,电子眼,数据手套,“汇童”仿人机器人 表演太极拳,20,1.2 操作臂的机构与控制,本课程的一些内容: 操作臂的动力学 操作臂的控制,21,22,23,控制任务是：把物体从A点移动到B点。,24,具体说来有以下内容,本课程的一些内容,1.2.1 位姿描述,坐标系,基坐标系,工具坐标系,25,1.2.2 操作臂正运动学,运动学（Kinematics）,连杆、关节,转动关节：关节角 移动关节：关节偏距,自由度,末端执行器,26,27,28,正运动学：给定一组关节角，计算工具坐标系到基坐标系的位姿表示，即关节空间到笛卡尔
7、空间的变换。,29,1.2.3 操作臂逆运动学,逆运动学,逆运动学：给定操作臂末端执行器的位置和姿态，计算所有可达位置和姿态的关节角。,操作臂的工作空间,30,1.2.4 速度、静力、奇异性,机构奇异性,奇异点：雅可比矩阵不可逆的点。,雅可比矩阵：关节空间的速度到笛卡尔空间速度的映射。,关节力矩到接触力和力矩的计算用到雅可比矩阵,31,32,1.2.5 动力学,动力学的第二个作用是进行仿真。,动力学：为了控制操作臂的运动，计算出通过关节驱动产生的复杂力矩函数。,仿真:模拟，simulation, 建立模型；在计算机上做实验。,33,1.2.6 轨迹生成,路径点,轨迹生成：如何计算运动函数。,样
8、条函数,笛卡尔路径生成,34,用Matlab画出的三次样条函数,35,焊接机器人,36,37,38,1.2.7 操作臂的设计与传感器,专用机器人：为特定任务设计的机器人。,主要从预期任务进行考虑,通用机器人：能完成某几类任务的机器人。,39,1.2.8 操作臂的线性位置控制,核心是知道动力学方程，主要讲一下独立关节控制和PID控制,控制算法对位置和速度传感器进行检测，以计算出驱动器的力矩指令。,40,1.2.9 操作臂的非线性位置控制,非线性控制系统,力控制是位置控制的补偿,混合控制方式，也就是说，在某些方向上用位置控制法则来控制，而其余方向通过力控制来实现。,41,1.2.10 可编程机器人
9、,机器人编程语言是用户和工业机器人交互的接口。,操作者将操作臂手臂上一个特殊的点指定为操作点，有时也叫做TCP(工具中心点)，操作者可以操作点相对于用户坐标系的期望位置来描述机器人的运动。,42,1.2.11 离散编程和仿真,离散编程系统是一个机器人编程环境。可以认为是一个仿真平台。,43,附录A：Matlab语言,A.1:数据类型,A.1.1: 常量与变量 变量 2. 常量 pi eps inf NaN i(j),44, pi ans = 3.1416 format long, pi ans = 3.149,45,A.1.2: Matlab数据类型 数字变量 abs(x) sqrt(x) r
10、eal(x) image(x) round(x) sin(x) cos(x) tan(x) asin(x) accos(x) atan(x) atan2(x,y) 变量的显示格式： format long format short ,46,2. 字符串 s=I am a student s = I am a student s=char(b,a,b,y); s ans = baby,47,3 向量 （1）向量的生成 直接输入法： x=2 4 6 8 x = 2 4 6 8 冒号： a=1:2:7 a = 1 3 5 7 函数命令： x=linspace(0,10,6) x = 0 2 4 6
11、8 10,48,（2）向量的引用 X(n) X(n1:n2) x=1 2 3 4 5; x(1:3) ans = 1 2 3,49,Isvector( )：判断是否为向量 length（）： dot(a,b): cross(a,b):,50,3 矩阵 （1）矩阵的生成 直接输入法： A=1 2 3;4 5 6;7 8 9 A = 1 2 3 4 5 6 7 8 9,51,利用M文件创建 在M文件：as36中输入： AA=1 2 3 4 5 6 7 8 9; as36 AA AA = 1 2 3 4 5 6 7 8 9,52,特殊矩阵的创建 zeros(m) zeros(m,n) eye(m)
12、eye(m,n) ones(m) ones(m,n) rand(m) rand(m,n) .,53, zeros(3) ans = 0 0 0 0 0 0 0 0 0 zeros(2,3) ans = 0 0 0 0 0 0,54,（2）矩阵元素的引用 A(n,:) A(:,m) A(n,m) A=1 2 3;4 5 6;7 8 9 A(:,3) ans = 3 6 9,55,（3）矩阵元素的修改 D=A;B C A(n,:)= A(:,m)= A(n,m)=a A(n,:)=a,b, A(:,m)=a,b,56, A=1 2 3;4 5 6; B=eye(2); B B = 1 0 0 1
13、C=zeros(2,1) C = 0 0 D=A;B C D = 1 2 3 4 5 6 1 0 0 0 1 0,57,矩阵A D=size(A) V,D=eig(A) det(A) inv(A) rank（A）,58,例： A=magic(3) A = 8 1 6 3 5 7 4 9 2 D=size(A) D = 3 3 det(A) ans = -360,59, V,D=eig(A) V = -0.5774 -0.8131 -0.3416 -0.5774 0.4714 -0.4714 -0.5774 0.3416 0.8131 D = 15.0000 0 0 0 4.8990 0 0 0
14、 -4.8990 E=eig(A) E = 15.0000 4.8990 -4.8990,60, inv(A) ans = 0.1472 -0.1444 0.0639 -0.0611 0.0222 0.1056 -0.0194 0.1889 -0.1028 rank(A) ans = 3,61,A.2:运算符,A.2.1: 算术运算符 * / A.2.2: 关系运算符 = = A.2.3: 逻辑运算符 f1=subs(a+b,a,3) f1 = 3+b,64,A.4: M文件,命令文件（脚本文件）： s=1; for i=2:10 s=s*i; end disp(10的阶乘为：); s as3
15、3 10的阶乘为： s = 3628800,65, whos Name Size Bytes Class i 1x1 8 double array s 1x1 8 double array,66,函数文件： function s=jiecheng(n) % 此函数用来求非负整数n的阶乘，参数n要求非负 if n0 error(输入参数不能为非负值); return; else if n=0 s=1; else s=1; for i=1:n s=s*i; end end end return;,67, jiecheng(10) ans = 3628800 jiecheng(-10) ? Error using = jiecheng 输入参数不能为非负值 help jiecheng 此函数用来求非负整数n的阶乘，参数n要求非负,68,顺序结构：逐条运行命令,例：求,的根,a=input(a=?); b=input(b=?); c=input(c=?); d=b*b-4*a*c; x=(-b+sqrt(d)/
