机器人学概论第五讲
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机器人 概论
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第一节 机器人的发展史
在科技界，科学家会给每一个科技术语一个明 在科技界， 确的定义。 但机器人的定义仍然仁者见仁， 确的定义。 但机器人的定义仍然仁者见仁，智者见 没有一个统一的意见。 智，没有一个统一的意见。原因之一是机器人还在 发展，新的机型，新的功能不断涌现， 发展，新的机型，新的功能不断涌现，领域不断扩 展。但根本原因主要是因为机器人涉及到了人的概 成为一个难以回答的哲学问题。 念，成为一个难以回答的哲学问题。就像机器人一 词最早诞生于科幻小说之中一样， 词最早诞生于科幻小说之中一样，人们对机器人充 满了幻想。也许正是由于机器人定义的模糊， 满了幻想。也许正是由于机器人定义的模糊，才给 了人们充分的想象和创造空间。 了人们充分的想象和创造空间。
11
第一节 机器人的发展史
1886年法国作家利尔亚当在他的小说《未来夏娃》中将 年法国作家利尔亚当在他的小说《未来夏娃》 年法国作家利尔亚当在他的小说 外表像人的机器起名为“安德罗丁” ），它由 外表像人的机器起名为“安德罗丁”（android），它由 部 ），它由4部 分组成： 分组成： （1）生命系统（平衡、步行、发声、身体摆动、感觉、表 ）生命系统（平衡、步行、发声、身体摆动、感觉、 调节运动等）； 情、调节运动等）； （2）造型材料（关节能自由运动的金属覆盖体，一种盔 ）造型材料（关节能自由运动的金属覆盖体， 甲）； （3）人造肌肉（在上述盔甲上有肉体、静脉、性别等身体 ）人造肌肉（在上述盔甲上有肉体、静脉、 的各种形态）； 的各种形态）； （4）人造皮肤（含有肤色、机理、轮廓、头发、视觉、牙 ）人造皮肤（含有肤色、机理、轮廓、头发、视觉、 手爪等）。 齿、手爪等）。
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第一节 机器人的发展史
一、机器人概述 机器人技术作为20世纪人类最伟大的发明之一， 机器人技术作为 世纪人类最伟大的发明之一， 世纪人类最伟大的发明之一 世纪60年代初问世以来 自20世纪 年代初问世以来，经历了近 年的发展 世纪 年代初问世以来，经历了近50年的发展 已取得显著成果。走向成熟的工业机器人， 已取得显著成果。走向成熟的工业机器人，各种用 途的特种机器人的实用化， 途的特种机器人的实用化，昭示着机器人技术灿烂 的明天。 的明天。
机器人学ppt完整版
视觉传感器
通过图像采集和处理获取 环境信息。
听觉传感器
通过声音采集和处理获取 环境信息。
触觉传感器
通过接触力、压力等检测 获取环境信息。
信息融合与处理技术
数据级融合
直接对原始数据进行融合处理。
特征级融合
提取各传感器数据的特征后进行融合。
信息融合与处理技术
决策级融合
在各传感器做出决策后进行融合。
信号处理
机器人结构组成
机器人本体
包括基座、腰部、臂部 、腕部等部分，构成机
器人的主体结构。
驱动系统
驱动机器人各关节进行 运动，通常由电机、减
速器等组成。
控制系统
实现对机器人运动的控 制，包括控制器、传感
器等部分。
感知系统
获取机器人内部和外部 环境的信息，如位置、
姿态、力等。
关节与连杆描述
关节描述
机器人的关节可分为转动关节和移动 关节，分别用旋转角度和平移距离来 描述。
稳定性分析与优化
李雅普诺夫稳定性分析
轨迹优化
通过构造李雅普诺夫函数，判断机器人系 统的稳定性，为控制器设计提供依据。
基于最优控制理论，对机器人运动轨迹进 行优化，提高机器人的运动性能和效率。
鲁棒性优化
控制分配与优化
针对机器人系统中存在的不确定性和干扰 ，设计鲁棒控制器，提高系统的稳定性和 抗干扰能力。
控制策略与方法
PID控制
通过比例、积分和微分环节对机器人 关节误差进行调节，实现关节位置、 速度和加速度的精确控制。
滑模控制
设计滑模面，使系统状态在滑模面上 滑动，从而实现对机器人关节的鲁棒 控制。
自适应控制
根据机器人动态特性的变化，实时调 整控制器参数，以保证系统性能的最 优。
机器人概论 第3版 PPT课件第5章 第2节
其输出电压和转子转速成正比，即 u kn
（5-23）
式中：u为测速发电机的输出电压；n为测速发电机的转速；k为比例
系数。
第5章 工业机器人控制技术
5.2 机器人传感器
5.2.2 内部传感器
当有负载时，电枢绕组流过电 流，由于电枢反应而使输出电压降 低，若负载较大，或测量过程中负 载变化，则破坏了线性特性而产生 误差，故在使用中应使负载尽可能 小而且性质不变。当测速发电机与 驱动电动机同轴连接时，便可得出 驱动电动机的瞬时速度。
要元件构成，所不同的是后者的光源只有一路或两路，光电码盘一般 只刻有一圈或两圈透明和不透明区域。当光透过码盘时，光敏元件导 通，产生低电平信号，代表二进制的“0”；不透明的区域代表二进制 的“1”。因此，这种编码器只能通过计算脉冲个数来得到输入轴所转 过的相对角度。由于相对型光电编码器的码盘加工相对容易，因此其 成本比绝对型编码器低，而分辨率高。然而，只有使机器人首先完成 校准操作以后才能获得绝对位置信息。通常，这不是很大的缺点，因 为这样的操作一般只有加上电源后才能完成。若在操作过程中电源意 外地消失，由于相对型编码器没有“记忆”功能，故必须再次完成校 准。
第5章 工业机器人控制技术
5.2 机器人传感器
5.2.1 机器人传感器概述
内部传感器就是测量机器人自身状态的功能元件，具体检测的 对象有关节的线位移、角位移等几何量，速度，角速度、加速度等 运动量，还有倾斜角和振动等物理量。内部传感器常用于控制系统 中，用于反馈元件，检测机器人自身的状态参数，如关节运动的位 移、速度、加速度、力和力矩等。
N个LED组成的线性阵列发射的光与盘成直角，并有盘反面对 应的光敏晶体管构成的线性阵列接收，如图5-22所示。光电码盘分为 周界通道和径向扇形面（图5-23所示），利用几种可能的编码形式之 一获得绝对角度信息。这种码盘上按一定的编码方式刻有透明的和不 透明的区域，光线透过码盘的透明区域，使光敏元件导通，产生低电 平信号，代表二进制的“0”；不透明的区域代表二进制的“1”。因此 当某一个径向扇形面处于光源和光传感器的位置时，光敏元件即接收 到相应的光信号，相应的得出码盘所处的角度位置。4周界通道16个 扇形面的纯二进制码盘如图5-24b）所示。
机器人学导论第五章
ω
写出例5.3中的雅克比矩阵 由例5.3的结果 式（5-55）可写出坐标系{3} 的雅克比表达式
3
l1s2 J θ l1c2 l2
0 l2
（5-66）
式（5-57）可写出坐标系{0}的雅克比表达式
3
- l1s1 l2 s12 J θ l1c1 l2c12
雅克比矩阵的定义为
建立连杆坐标系，图5-11为施加在连杆i 上的静力和静力矩（重力除外）。将这 些力相加并令其和为0，有
图5-11单连杆的静力和静力矩的平衡关系
将绕坐标系{i}原点的力矩相加，有 如果我们从施加于手部的力和力矩的描述开始，从 末端连杆到基座进行计算就可以计算出作用于每一 个连杆上的力和力矩。将以上两式重新整理，以便 从高序号连杆向低序号连杆进行迭代求解。结果如 下
例5.3 图5-8所示是具有两个转动关节的操作 臂.计算出操作臂末端的速度，将它表达成操作 臂末端的函数。给出两种形式的解答，一种是 用坐标系{3}表示，一种是用坐标系{0}表示。
图5-8两连杆操作臂
图5-9两连杆操作臂的坐标系布局
首先将坐标系固连在连杆上，计算连杆变换如 下
c1 s 1 0 T 1 0 0 s1 0 0 c1 0 0 0 1 0 0 0 1
机器人学导论
第五章 静力和速度
——新疆大学机械工程学院
第五章 速度和静力
概述 在本章中，我们将机器人操作臂的讨论扩展到静 态位置问题以外。我们研究刚体线速度和角速 度的表示方法并且运用这些概念去分析操作臂 的运动。我们将讨论作用在刚体上的力，然后 应用这些概念去研究操作臂静力学应用的问题。 关于速度和静力的研究将得出一个称为操作臂雅 克比的实矩阵。
机器人学导论
机器人的动力学模型
牛顿-欧拉方程
拉格朗日方程
凯恩方法
雅可比矩阵
机器人的运动规划与控制
运动学：研究机器人末端执行器的位置和姿态信息 动力学：研究机器人末端执行器的力和力矩信息 运动规划：根据任务要求，规划机器人的运动轨迹 控制：通过控制器对机器人进行实时控制，实现运动规划
机器人的感知与感
05
知融合
01
添加章节标题
02
机器人学概述
机器人的定义与分类
机器人的定义： 机器人是一种能 够自动执行任务 的机器系统，具 有感知、决策、
执行等能力
机器人的分类： 根据应用领域、 结构形式、智能 化程度等不同， 机器人可分为多 种类型，如工业 机器人、服务机 器人、特种机器
人等
机器人学的研究领域
机器人设计：研究机器人的结构、 运动学和动力学
机器人的感知技术
添加项标题
视觉感知技术：通 过摄像头获取环境 信息，识别物体、 场景等，实现机器 人视觉导航、物体 识别等功能。
添加项标题
听觉感知技术：通 过麦克风获取声音 信息，识别语音、 音乐等，实现机器 人语音交互、音乐 识别等功能。
添加项标题
触觉感知技术：通过 触觉传感器获取接触 信息，识别物体的形 状、大小、硬度等， 实现机器人触觉导航、 物体抓取等功能。
执行器作用：根据控制信号执行相应的动作，如移动、转动等
机器人的感知系统
传感器类型：视觉、听觉、触觉等 传感器工作原理：图像处理、语音识别、触觉反馈等 传感器在机器人中的应用：导航、目标识别、物体抓取等 感知系统对机器人性能的影响：精度、稳定性、安全性等
机器人的运动学与
04
动力学
机器人的运动学方程
机器人学导论--ppt课件可编辑全文
关节变量
ppt课件
2
1.2 描述：位置、姿态和坐标系
位置描述
一旦建立坐标系，就能用一
个3*1的位置矢量对世界坐标 系中的任何点进行定位。因 为在世界坐标系中经常还要 定义许多坐标系，因此在位 置矢量上附加一信息，标明 是在哪一坐标系中被定义的。
例如：AP表示矢量P在A坐标系中的表示。
BP 表示矢量P在B坐标系中的表示。
c os90
c os120 c os30 c os90
XB XA
X
B
YA
X B Z A
c os90 c os90 cos0
]
YB X A YB YA YB Z A
ZB XA
ZB
YA
ZB Z A
ppt课件
5
坐标系的变换
完整描述上图中操作手位姿所需的信息为位置和姿态。机器人学中
在从多重解中选择解时，应根据具体情况，在避免碰撞的前 提下通常按“最短行程”准则来选择。同时还应当兼顾“多 移动小关节，少移动大关节”的原则。
ppt课件
23
4 PUMA560机器人运动学反解-反变换法
❖ 由于z4 , z5, z6 交于一点W,点W在基础坐标系中的位置仅与 1,2,3
有关。据此，可先解出 1,2,3 ，再分离出 4 ,5,6 ，并逐
PUMA560变换矩阵
ppt课件
21
将各个连杆变换矩阵相乘便得到PUMA560手臂变换矩阵
06T 01T (1)21T (2 )23T (3 )34T (4 )45T (5 )56T (6 )
什么是机器人运动学正解？ 什么是机器人运动学反解？
ppt课件
22
操作臂运动学反解的方法可以分为两类：封闭解和数值解、 在进行反解时总是力求得到封闭解。因为封闭解的计算速度 快，效率高，便于实时控制。而数值法不具有些特点为。 操作臂的运动学反解封闭解可通过两种途径得到：代数解和 几何解。 一般而言，非零连杆参数越多，到达某一目标的方式也越多， 即运动学反解的数目也越多。
机器人概论-简版
机器人学 A Basic Introduction to Robotics
战 强
北京航空航天大学机器人研究所源自 程 简 介课程的目 的与地位
本课程为机械电子工程专业、机械设计及理论专业硕士研究 生的专业必修课。通过本课程的学习，学生可以了解机器人 的发展状况和基本概念，掌握机器人位姿的数学描述、坐标 变换、运动学建模、正运动学方程、逆运动学求解、静力学 分析、动力学建模与分析、机器人运动控制的基本原理，为 深入研究机器人的运动学和动力学控制打下基础。 第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 考试 １、 吴瑞祥，机器人技术与应用， 北京航空航天大学出版社 ２、 吴广玉等，机器人工程导论，哈尔滨工大出版社 ３、 熊有伦，机器人学， 机械工业出版社 机器人概论 机器人的位姿描述与坐标变换 机器人运动学 机器人静力学 机器人动力学 机器人运动控制 3 学时 5 学时 12 学时 4 学时 4 学时 4 学时
Karel Capek (1890—1938)
★为了防止机器人伤害人类，科幻作 家阿西莫夫 (Asimov)于1940年发表的 作品《Runaround》提出了机器人的伦 理性纲领— “机器人三原则”：
1)、机器人不应伤害人类； 2)、机器人应遵守人类的命令，与1)违背的命令除外； 3)、机器人应能保护自己，与1)、2)相抵触者除外。 Isaac Asimov (1920-1992)
焊接、装配
3-2-2 移动机器人
蛇型机器人
3-3 水下机器人简介：主要用于水下观测和探测等
沈阳自动化所的6000米水下机器人
北航机器鱼
3-4 医疗康复机器人简介
“Da Vinci S” 机器人手术系统组成
成像系统
床旁器械臂系统
战 强
北京航空航天大学机器人研究所源自 程 简 介课程的目 的与地位
本课程为机械电子工程专业、机械设计及理论专业硕士研究 生的专业必修课。通过本课程的学习，学生可以了解机器人 的发展状况和基本概念，掌握机器人位姿的数学描述、坐标 变换、运动学建模、正运动学方程、逆运动学求解、静力学 分析、动力学建模与分析、机器人运动控制的基本原理，为 深入研究机器人的运动学和动力学控制打下基础。 第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 考试 １、 吴瑞祥，机器人技术与应用， 北京航空航天大学出版社 ２、 吴广玉等，机器人工程导论，哈尔滨工大出版社 ３、 熊有伦，机器人学， 机械工业出版社 机器人概论 机器人的位姿描述与坐标变换 机器人运动学 机器人静力学 机器人动力学 机器人运动控制 3 学时 5 学时 12 学时 4 学时 4 学时 4 学时
Karel Capek (1890—1938)
★为了防止机器人伤害人类，科幻作 家阿西莫夫 (Asimov)于1940年发表的 作品《Runaround》提出了机器人的伦 理性纲领— “机器人三原则”：
1)、机器人不应伤害人类； 2)、机器人应遵守人类的命令，与1)违背的命令除外； 3)、机器人应能保护自己，与1)、2)相抵触者除外。 Isaac Asimov (1920-1992)
焊接、装配
3-2-2 移动机器人
蛇型机器人
3-3 水下机器人简介：主要用于水下观测和探测等
沈阳自动化所的6000米水下机器人
北航机器鱼
3-4 医疗康复机器人简介
“Da Vinci S” 机器人手术系统组成
成像系统
床旁器械臂系统
《机器人技术概论》讲义
页眉内容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 -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。
✧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 device 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 programmed motions for the performance of a variety of tasks.”一个人技术已经完全成熟。
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fxdθ 0
1 0
0 1
0 0 1 0 0 0 0 1
f0ydθ
fxdθ 0
0 0
d0z
0
z 0y
z
0
x
0
y x
0
0
dx dy, d0z
x fxdθ 其中 y fydθ
z fzdθ
T Tr(x ,a y ,z) n R( sfo ,)t
d TT ~ ra(dn x,ds y,dz)R(o f,t)Tr(x a ,y,n z)R s(o f,t)h4d
解析法求解4 、5 、 6 ，先求解6，再求解 4和5
第二章 机器人运动学
第二章 机器人运动学(4)
• 本次课内容提要
➢机器人的微分运动 ➢机器人的雅可比矩阵(Jacobian matrix) ➢机器人的雅可比矩阵实例
❖V-80机器人的雅可比矩阵 ❖PUMA 560机器人的雅可比矩阵
第二章 机器人运动学
➢ 基坐标系下的微分变换（续）
0
而T
fzdθ
f0ydθ
fzdθ 0
fxdθ 0
fydθ fxdθ
0 0
0000T1000
0 1 0 0
0 0 1 0
0 1
0 fzdθ
0 1
f0ydθ
fzdθ 1
fxdθ 0
fydθ fxdθ
1 0
1000
1000
0 1 0 0
0 0 1 0
0 1
0 fzdθ
0 1
f0ydθ
fzdθ 1
fxdθ 0
fydθ fxdθ
1 0
1000Tffz00dydθθ
fzdθ 0
fxdθ 0
fydθ fxdθ
0 0
0 0T 0 0
0 0 0 dx 0 fzdθ fydθ 0 0 fzdθ fydθ dx
所以 dT0 0 0 dyT fzdθ
0 fxdθ 0T fzdθ
0 fxdθ dyT
1 0 0 dx
Tr
an(dsx,dy
,dz
)
0 0
0
1 0 0
0 1 0
dy
,
dz 1
lim sin d
0
lim
cos
1
0
lim
0
vers
0
fxfx ve c rsfyfx ve fr z ssfzfx ve fr y ss0 1 fz d θ fy d θ0
000dx
0 fzdθ fydθ 0
0 fz fy 0
000dy R(o f,t)T fzdθ
0 00 00 0d 0 z
f0 ydθ
0 fxdθ
0
fxdθ 0 0
0 0 0 ,其h4中 f0 fzy
0 fx 0
fx 0
0 0 0 0
第二章 机器人运动学
机器人的微分运动
R (f,o ) t fxfy ve fr z ss fyfy ve c rsfzfy ve fr x ss0 fz d θ 1 fx d θ0
fxfz v0 e fr y ssfyfz v0 e fr x ss
fzfz v0 e c rs1 0 f0 y d θ
T
n
y
oy
ay
p
y
nz 0
oz 0
az 0
pz 1
zny ynz
znx
xnz
ynx0xny
zoy yoz zox xoz yox xoy
0
zay yaz zax xaz yax xay
0
z py y pz dx
z px x pz dy
y
px
x
1
py
dz
(n)x (n)y
(0n)z
第二章 机器人运动学
机器人的微分运动
➢ 微分运动的等价变换：即联体坐标系下的微分变换与基坐标
系下的微分变换的关系。
dTT
TdTTTTTTTT1T
dTTdT
0 z y dxnx ox ax px
T
z
0
x
dy ny
oy
ay
py
0y
x
0
0 0
dz 1
n0z
oz 0
az 0
pz 1
nx ox ax px
机器人的微分运动
• 微分平移与微分旋转
对于已知坐标系{T}，微分变换既可以表示为基坐标 系下变换，又可以表示为联体坐标系下的变换。
➢ 基坐标系下的微分变换
T d Tr ( d x ,a d y ,d n z ) R s (f,o d) T t
d T T ( d x , d r y , d z ) R a ( f , d ) n T o T [ T s t( d x , d r y , d z ) R a ( f , d ) n o I ] T s T t
fx d θ 0
1 0 0 1
第二章 机器人运动学
机器人的微分运动
➢ 基坐标系下的微分变换（续）
1 0 0 dx 1 fzdθ fydθ 0 1 0 0 0 0 fzdθ fydθ dx
0 1 0 dy fzdθ
1 fxdθ 00 1 0 0 fzdθ
0 fxdθ dy
0 0
0 0
1 0
d1zf0ydθ
TfyTdθ
0
TfzTdθ 0
T fxTdθ 0
T fyTdθ TfxTdθ
0
0
TTddxy
0
Tz
Tdz
Ty
0 0
Tz
0
Tx
0
Ty Tx
0
0
TTddxy,
Tdz
0
其中 TTxyTTffxyTTddθθ
TzTfzTdθ
ddxidyjdzk,称为微分平移矢量
xi yjzk,称为微分旋转矢量
(o)x (o)y (n)z
0
(a)x (a)y (a)z
0
(pd)x (pd)y (p1d)z
T d T T T ( T d x , T r d y , T d z ) a R ( T f , T d n ) o T T s [ T t( T d x , T r d y , T d z ) a R ( T f , T d n ) o I ] T s T t
同理可得
0
T
T
fzTdθ
0 0
0 0
0 0
d0z
f0ydθ
fxdθ 0
0 0
0 0
f0ydθ
fxdθ 0
0 0
d0z0z 0y来自z0x
0
y x
0
0
dx dyT, d1z
其中 xy ffxyddθθ z fzdθ
第二章 机器人运动学
机器人的微分运动
➢ 联体坐标系下的微分变换
T T d T Tr ( T d x a ,T d y ,n T d z ) R s( T fo ,T d) t
机器人学概论
中国科学院自动化研究所 谭 民, 徐 德
2002年10月16日
第二章 机器人运动学
第二章 机器人运动学(3)
• 上次课内容提要
➢解析法求解PUMA560机器人逆向运动学
1、3 2 4 5 6
➢投影法与解析法结合求解Yaskawa机器人逆 向运动学
投影法求解1、 2 、 3 ，先求解1，再求解 2和3