《机器人技术概论》讲义

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1、 机器人技术概论讲义目录第一章 机器人概论- 1 -机器人概论研究的内容- 1 -什么是机器人？- 1 -机器人的发展- 2 -为什么要发展机器人？- 3 -机器人发展的三个阶段- 3 -机器人学- 4 -机器人的分类- 4 -第二章 机器人的数学基础- 6 -第一节 位置和姿态的表示- 6 -第二节 坐标变换- 7 -第三节 齐次变换- 8 -第三章 机器人运动学- 11 -第一节 机器人运动方程的表示- 11 -第二节 连杆变换矩阵及其乘积- 12 -第四章 机器人的感觉系统- 18 -第一节 传感器原理简介- 18 -第二节 传感器在机器人中的应用- 20 -第五章 机器人驱动与控制技术

2、- 28 -第一节 驱动电机- 28 -第二节 位置控制- 30 -第六章 机器人轨迹规划- 35 -第一节 轨迹规划的一般性问题- 35 -第二节 关节轨迹的插值- 35 -第三节 移动机器人路径规划- 38 -机器人技术概论讲义第一章 机器人概论机器人概论研究的内容在机器人研究中，我们通常在三维空间中研究物体的位置。这些物体可用两个非常重要的特性来描述：位置和姿态。我们会首先研究如何用数学的方法表示和计算这些参量。运动学研究物体的运动，而不考虑引起这种运动的力。在运动学中，我们研究位置、速度、加速度和位置变量对于时间和其它变量的高阶微分。其中，正运动学方程描述各个关节变量在工具坐标系与基坐

3、标系间的函数关系；逆运动学通过给定工具坐标系的位置和姿态，计算各个关节变量。机器人与外界环境相互作用时，在接触的地方要产生力 和力矩 ，统称为操作力矢量。n个关节的驱动力（或力矩）组成的n维矢量，称为关节力矢量。静力学研究在静态平衡状态下，操作力向关节力映射存在着的线性关系。动力学主要研究产生运动所需要的力。为了使操作臂从静止开始加速，使末端执行器以一定的速度作直线运动，最后减速停止，必须通过关节驱动器产生一组复杂的力矩函数来实现。机器人的感觉主要介绍产生机器人的力觉、视觉、触觉、接近觉等相关的传感器。机器人的控制在前面的基础上设计位置控制系统，讨论控制算法及给机器人编程等。什么是机器人？一般

4、的理解：机器人是具有一些类似人的功能的机械电子装置或者叫自动化装置，它是个机器。特点： 有类人的功能。作业功能；感知功能；行走功能；能完成各种动作. 根据人的编程能自动的工作。通过编程改变它的工作、动作、工作的对象和工作的一些要求。 是人造的机器或机械电子装置，仍然是个机器机器人的定义：机器人学是一门不断发展的科学，上世纪60年代，可实用机械机器人被称为工业机器人；上世纪80年代到现在，正越来越向智能化方向发展。因此，对机器人的定义也随其发展而变化。国际上对机器人的定义很多：The Webster dictionary (Webster, 1993) ： “An automatic devic

5、e that performs functions normally ascribed to humans or a machine in the form of a human.” 一个自动化设备，它能执行通常由人执行的任务；或一个人型的机器美国机器人学会（The Robot Institute of America，1979)：“A reprogrammable, multifunctional manipulator designed to move materials, parts, tools, or specialized devices through various progr

6、ammed motions for the performance of a variety of tasks.” 一个可再编程的多功能操作器，用来移动材料、零部件、工具等；或一个通过编程用于完成各种任务的专用设备。ISO，1987：工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能，能完成各种作业的可编程操作机。从完整的更为深远的机器人定义来看，应该更强调机器人智能，因此，机器人的定义是能够感知环境，能够有学习、情感和对外界一种逻辑判断思维的机器。机器人是一种计算机控制的可以编程的自动机械电子装置，能感知环境，识别对象，理解指示命令，有记忆和学习功能，具有情感和逻辑判断思维，能自身进化，能计划其操

7、作程序来完成任务。机器人技术是集机械学、力学、电子学、 生物学、控制论、人工智能、系统工程等多种学科于一体的综合性很强的新技术机器人的发展1954年，美国人G.Devol 和J.Engleberger设计了一台可编程的机器人1961年，他们生产了世界上第一台工业机器人“Unimates”，并获得了专利1962年，Engleberger 成立了Unimation公司，他被称为“机器人之父”日本从上世纪70年代中后期开始开发工业机器人，15年后就成为产量最多、应用最广的世界工业机器人“王国”。 1978年 美国Unimation公司推出通用工业机器人PUMA，这标志着工业机器人技术已经完全成熟。P

8、UMA至今仍然工作在工厂第一线。1984年 英格伯格再推机器人Helpmate，这种机器人能在医院里为病人送饭、送药、送邮件。同年，他还预言：“我要让机器人擦地板，做饭，出去帮我洗车，检查安全”。1998年 丹麦乐高公司推出机器人(Mind-storms)套件，让机器人制造变得跟搭积木一样，相对简单又能任意拼装，使机器人开始走入个人世界。1999年 日本索尼公司推出犬型机器人爱宝(AIBO)，当即销售一空，从此娱乐机器人成为目前机器人迈进普通家庭的途径之一。2002年 丹麦iRobot公司推出了吸尘器机器人Roomba，它能避开障碍，自动设计行进路线，还能在电量不足时，自动驶向充电座。Room

9、ba是目前世界上销量最大、最商业化的家用机器人。2006年 6月，微软公司推出Microsoft Robotics Studio，机器人模块化、平台统一化的趋势越来越明显，比尔盖茨预言，家用机器人很快将席卷全球主要机器人厂家日本：Motoman、OTC、Panasonic、FANUC等美国：Adept等欧洲：奥地利IGM、德国CLOOS、KUKA、瑞典ABB韩国：HYUNDAI沈阳新松 首钢莫托曼 上海ABB为什么要发展机器人？简单说，机器人有三个方面是我们必要去发展的理由：一个是机器人做人不愿意做的事，把人从有毒的、有害的、高温的或危险的，这样的环境中解放出来，机器人可以做人做不好的活，比方

10、说在汽车生产线上工人天天拿着一百多公斤的焊钳，一天焊几千个点，做重复性的劳动，一方面他很累，但是产品的质量仍然很低；另一方面机器人做人做不了的活，这也是非常重要的机器人发展的一个理由，比方说人们对太空的认识，人上不去的时候，叫机器人上天，上月球，以及到海洋，进入到人体的小机器人，以及在微观环境下，对原子分子进行搬迁的机器人，都是人们不可达的工作。上述方面的三个问题，也就是说机器人发展的三个理由。机器人发展的三个阶段第一代机器人，也叫示教再现型机器人，它是通过一个计算机，来控制一个多自由度的一个机械，通过示教存储程序和信息，工作时把信息读取出来，然后发出指令，机器人可以重复的根据人当时示教的结果

11、，再现出这种动作，比方说汽车的点焊机器人，它只要把这个点焊的过程示教完以后，它总是重复这样一种工作，它对于外界的环境没有感知，这个力操作力的大小，这个工件存在不存在，焊的好与坏，它并不知道，第一代机器人存在这种缺陷。在20世纪70年代后期，人们开始研究第二代机器人，叫带感觉的机器人，这种带感觉的机器人是类似人在某种功能的感觉，比如说力觉、触觉、滑觉、视觉、听觉和人进行相类比，有了各种各样的感觉，比方说在机器人抓一个物体的时候，它实际上力的大小能感觉出来，它能够通过视觉，能够去感受和识别它的形状、大小、颜色。抓一个鸡蛋，它能通过一个触觉，知道它的力的大小和滑动的情况。第三代机器人，是机器人学中一

12、个理想的所追求的最高级的阶段，叫智能机器人，只要告诉它做什么，不用告诉它怎么去做，它就能完成运动，感知思维和人机通讯的这种功能和机能，这个目前的发展还是相对的只是在局部有这种智能的概念和含义，但真正完整意义的这种智能机器人实际上并没有存在，而只是随着我们不断的科学技术的发展，智能的概念越来越丰富，它内涵越来越宽。机器人学（1）机器人基础理论与方法，如运动学和动力学，作业与运动规划、控制与感知理论与技术、机器人智能。（2）机器人设计理论与技术，机器人机构分析和综合、机器人结构设计优化、机器人关键器件设计、机器人仿真等。（3）机器人仿生学，仿生运动和动力学、仿生机构学、仿生感知和控制理论、仿生器件

13、设计和制造等（4）机器人系统理论，多机器人系统理论、机器人-人融合、以及机器人与其它机器系统的协调和交互。（5）机器人操作和移动理论，机器人装配理论、机器人移动理论、足式机器人步态理论等。（6）微机器人学，微机器人的分析、设计、制造和控制等理论方法机器人的分类机器人分类方法很多 按照技术水平划分第一代：示教再现型，具有记忆能力。目前，绝大部分应用中的工业机器人均属于这一类。缺点是操作人员的水平影响工作质量。第二代：初步智能机器人，对外界有反馈能力。部分已经应用到生产中。第三代：智能机器人，具有高度的适应性，有自行学习、推理、决策等功能，处在研究阶段。 按照基本结构划分直角坐标型，也称“机床型”

14、圆柱坐标型球坐标型全关节型 按照受控运动方式划分点位控制（PTP）型，Point to Point, 如点焊、搬运机器人连续轨迹控制（CP）型，Continous Path，如弧焊、喷漆机器人 按驱动方式划分气压驱动（压缩空气）液压驱动（重型机器人，如搬运、点焊机器人）电驱动（电动机），应用最多 按照应用领域划分工业机器人，面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。特种机器人，用于非制造业的各种机器人，服务机器人、水下机器人、农业机器人、军用机器人等- 41 -第二章 机器人的数学基础第一节 位置和姿态的表示研究机器人的机械系统的运动需要建立一套运动的表示方法。 为了描述机器人本身各连杆之间

15、、机器人和环境之间的运动关系，通常将它们看作刚体。 刚体的位置和姿态描述 在直角坐标系A中，任意一点P的位置可以用31列向量表示。称为位置矢量 为了确定刚体B的姿态（也称方位），设一个坐标系B与该刚体固接。用坐标系的三个单位主矢量xB， yB，zB相对于参考坐标系A的方向余弦组成的33矩阵表示刚体B相对于坐标系A的姿态。 称为旋转矩阵，也可表示成：旋转矩阵是正交的。按照上述定义，绕 x 轴旋转了 角的旋转矩阵，为：同样也可以写出R（y，），R（z，），注意：旋转方向按照右手法则总之，用位置矢量描述刚体的位置，用旋转矩阵描述刚体的姿态（方位）为了完全描述刚体B在空间的位置和姿态，通常将刚体B与某一坐标系相固接，通常记为B，B的原点一般选在刚体B的特征点上，如质心或对称中心等。对弧焊机器人中的焊枪可以将原点选在焊枪电极端部。则相对于参考坐标系A，用位置矢量和旋转矩阵分别描述B原点位置及坐标系的方位，即刚体B的位置和姿态可由坐标系