《机器人技术概论》讲义
工业机器人技术概论
工业机器人技术概论制造是现代人类所有经济活动的基石，是人类历史发展和文明进步的动力。
机器人的诞生，就如同人类直立行走一样代表着人类社会的进步，工业机器人在工业生产中能代替人做某些单调、频繁和重复的长时间作业，或是危险、恶劣环境下的作业，将人们从这些繁重的工作中解脱出来，这是人类文明的又一次飞跃。
随着人类工业文明的不断进步，科学技术的迅猛发展，工业机器人的广泛应用正在日益改变着人类的生产和生活方式。
一、工业机器人的发展史“机器人”一词出自捷克文，意为劳役或苦工。
1920年，捷克斯洛伐克小说家、剧作家卡雷尔·查培克在他写的科幻小说《罗萨姆的机器人万能公司》中，根据Robota(捷克文，原意为“劳役、苦工”)和Robotnik(波兰文，原意为“工人”)，创造出“机器人”这个词。
此后被欧洲各国语言所吸收而成为专门名词。
机器人首先是被工厂所使用的。
工业机器人的使用可以追溯到20世纪50年代末。
在第二次世界大战中，武器专家发明了武器瞄准用的司服系统，直到这个时候，人们才拥有制造机器人所需的技术。
二战结束后不久，发明家约瑟夫·恩格尔贝格（Joseph F.Englberger）意识到这种技术能应用于机器人的研制，于是，他与另一位发明家乔治·德沃尔(George Devol)共同开发了的一台工业机器人——“尤尼梅特”（Unimate）,并于1961年在通用汽车公司的工厂里启用。
它的构造相当的简单，功能也只是把零件拿起来，然后放到传送带上，不能对它所处的环境做出反应，只能按预先设定的程序精确的重复同一动作。
但是，“尤尼梅特”的应用向人们预示了工业机械化的美好前景，具有十分重要的意义。
机器人在许多工厂出现后，不但没有遭到拒绝，而且许多脏活、累活都由机器人来干，受到了工人们的欢迎。
20世纪60年代可谓是工业机器人的黎明期，机器人的许多功能得到了进一步的发展。
像传感器的应用提高了机器人的可操作性，人们试着在机器人上安装各种各样的传感器，包括恩斯特采用的触觉传感器，托莫维奇和博尼在世界上最早的“灵巧手”上用到了压力传感器，而麦卡锡则开始在机器人中加入视觉传感系统，并帮助MIT推出了世界上第一个带有视觉传感器，能识别并定位积木的机器人系统；声纳系统、光电管等技术的应用，使机器人可以根据环境校正自己的位置。
机器人技术学习培训课件-概论
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Robotics 绪论
1.2机器人的特点、 结构与分类
著名机器人
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Robotics 绪论
1.2机器人的特点、 结构与分类
著名机器人
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1.2机器人的特点、 结构与分类
著名机器人
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Robotics 绪论
1.2机器人的特点、 结构与分类
Robotics 绪论
1.4如何学好机器人技术
1.4.2学好机器人技术的要点
课程的特点:内容丰富、覆盖面广、学科交叉明显 学习方法 1)仔细听讲,做好笔记; 2)认真阅读机器人及相关课程教材,弄懂重要内容; 3)独立思考,努力认真完成作业;
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1.2.1机器人的主要特点---通用性和适应性
• 通用性versatility---可执行不同功能和完成不同 任务的能力 取决于其结构特点和承载能力 一般自由度越多，通用性越强
• 适应性adaptivity---主要指其对工作环境变化的 适应能力
需具有（1）传感与测量环境变化的能力
（2）分析任务和执行操作规划的能力
著名机器人
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1.2机器人的特点、 结构与分类
著名机器人
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Robotics 绪论
1.3机器人学与人工智能
1.3.1机器人学与人工智能的关系
1. 传感信息处理 2. 机器人规划 3. 专家系统 4. 自然语言理解
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Robotics 绪论
1.2.4机器人的分类
机器人概论第十讲
机器人控制理论与技术
4.1 机器人控制问题 4.2 机器人的轨迹控制 4.3 机器人的力控制 4.4 机器人的高级智能控制简介 4.5 机器人控制系统 4.6 机器人编程
山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02
4.3 机器人的力控制简介
4.3.1 问题描述 为什么要进行力控制？
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4.3 机器人的力控制简介
约束描述 机器人所受的约பைடு நூலகம்可分为自然（本证）
约束和人为（人工）约束两种。 自然约束是由物体的几何特性或作业结
构特性等引起的对机器人的约束。如：玻璃 的内法向。
人为约束是一种人为施加的约束，用来 确定作业结构中期望运动的力或轨迹的形式。 如：在玻璃平面上的运动轨迹。
山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02
4.3 机器人的力控制简介
2、实际工作对作用力的大小有要求。 机器人的力控制在工业中也得到了实
际应用，如：磨具等的打磨、去毛边。 特别是在机器人装配中，面临着工作环
境的不确定或变化，实现机器人的零件装 配对零件间的相互位置的定位精度要求非 常高，能否进行精确的位置控制成为其应 用的前提。
与螺钉的槽一致，螺
切向
丝头面为广义表面。
法向
位置 力
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4.3 机器人的力控制简介
顺应控制又叫依从控制或柔顺控制，是 一种特殊的力控制；可用于自动装配中。
顺应控制它是在机器人的操作手受到外 部环境约束的情况下，对机器人末端执行器 的位置和力的双重控制。顺应控制对机器人 在复杂环境中完成任务是很重要的，例如装 配，铸件打毛刺，旋转曲柄，开关带铰链的 门或盒盖，拧螺钉等。
机器人技术11-12讲讲义
− fi +1
Link i
− fi +1 − ni +1
Ci mi v
Fi = fi − fi +1
− ni +1
fi i + ω i × I C iω i = ∑ moments / ci I C iω
Ci Fi = mi v i + ω i × I C iω i N i = I C iω
fi = Fi + fi +1
Ve lo
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ces
ni
es forc
ni = N i + ni +1 + p Ci × Fi + p i +1 × fi +1 ni . Zi revolute τi = fi . Zi prismatic
Ci +1
Movie Segment
Space Rover, EPFL, Switzerland, ICRA 2000 video proceedings
i +1 + ω i +1 × Ii +1 ω
i +1 i +1
Ci +1
ϕ = mv
Newton Equation
φ = Iω
d ( mv ) = F dt
Euler Equation d ( Iω ) = N dt
=F ϕ
ma = F
=N φ + ω × Iω = N Iω
LMx OP I = z [(p p) I − pp ]ρdv p = y ;p p = x + y + z F1 MM z PP (p p) I = ( x + y + z )G 0 NQ GH 0 LM x xy xzOP LM x OP pp = y a x y z f = M xy y yz P MM z PP MN xz yz z PQ NQ LMy + z − xy − xz OP ˆ ˆ ) = M − xy z + x − yz ( − pp MN − xz − yz x + y PPQ
《机器人技术概论》讲义
《机械人技巧概论》教材目次第一章机械人概论- 1 -《机械人概论》研讨的内容- 1 -什么是机械人？- 1 -机械人的成长- 2 -为什么要成长机械人？- 3 -机械人成长的三个阶段- 3 -机械人学- 4 -机械人的分类- 4 -第二章机械人的数学基本- 6 -第一节地位和姿势的暗示- 6 -第二节坐标变换- 7 -第三节齐次变换- 8 -第三章机械人活动学- 11 -第一节机械人活动方程的暗示- 11 -第二节连杆变换矩阵及其乘积- 12 -第四章机械人的感到体系- 18 -第一节传感器道理简介- 18 -第二节传感器在机械人中的运用- 20 -第五章机械人驱动与掌握技巧- 28 -第一节驱动电机- 28 -第二节地位掌握- 30 -第六章机械人轨迹筹划- 35 -第一节轨迹筹划的一般性问题- 35 -第二节关节轨迹的插值- 35 -第三节移念头器人路径筹划- 38 -第一章机械人概论《机械人概论》研讨的内容在机械人研讨中,我们平日在三维空间中研讨物体的地位.这些物体可用两个异常重要的特点来描写：地位和姿势.我们会起首研讨若何用数学的办法暗示和盘算这些参量.活动学研讨物体的活动,而不斟酌引起这种活动的力.在活动学中,我们研讨地位.速度.加快度和地位变量对于时光和其它变量的高阶微分.个中,正活动学方程描写各个关节变量在对象坐标系与基坐标系间的函数关系;逆活动学经由过程给定对象坐标系的地位和姿势,盘算各个关节变量.机械人与外界情形互相感化时,在接触的地方要产生力和力矩,统称为操纵力矢量.n个关节的驱动力（或力矩）构成的n维矢量,称为关节力矢量.静力学研讨在静态均衡状况下,操纵力向关节力映射消失着的线性关系.动力学重要研讨产生活动所须要的力.为了使操纵臂从静止开端加快,使末尾履行器以必定的速度作直线活动,最后减速停滞,必须经由过程关节驱动器产生一组庞杂的力矩函数来实现.机械人的感到重要介绍产活力械人的力觉.视觉.触觉.接近觉等相干的传感器.机械人的掌握在前面的基本上设计地位掌握体系,评论辩论掌握算法及给机械人编程等.什么是机械人？一般的懂得：机械人是具有一些相似人的功效的机械电子装配或者叫主动化妆置,它是个机械.特色：✧有类人的功效.功课功效;感知功效;行走功效;能完成各类动作.✧根据人的编程能主动的工作.经由过程编程转变它的工作.动作.工作的对象和工作的一些请求.✧是人造的机械或机械电子装配,仍然是个机械机械人的界说：机械人学是一门不竭成长的科学,上世纪60年月,可实用机械机械人被称为工业机械人;上世纪80年月到如今,正越来越向智能化偏向成长.是以,对机械人的界说也随其成长而变更.国际上对机械人的界说很多：The Webster dictionary (Webster, 1993) ：“An automatic device that performs functions no rmally ascribed to humans or a machine in the form of a human.” 一个主动化装备,它能履行平日由人履行的义务;或一小我型的机械美国机械人学会（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.” 一个可再编程的多功效操纵器,用来移动材料.零部件.对象等;或一个经由过程编程用于完成各类义务的专用装备.ISO,1987：工业机械人是一种具有主动掌握的操纵和移动功效,能完成各类功课的可编程操纵机.从完全的更为深远的机械人界说来看,应当更强调机械人智能,是以,机械人的界说是可以或许感知情形,可以或许有进修.情绪和对外界一种逻辑断定思维的机械.机械人是一种盘算机掌握的可以编程的自念头械电子装配,能感知情形,辨认对象,懂得指导敕令,有记忆和进修功效,具有情绪和逻辑断定思维,能自身进化,能筹划其操纵程序来完成义务.机械人技巧是集机械学.力学.电子学.生物学.掌握论.人工智能.体系工程等多种学科于一体的分解性很强的新技巧机械人的成长1961年,他们临盆了世界上第一台工业机械人“Unimates”,并获得了专利1962年,Engleberger 成立了Unimation公司,他被称为“机械人之父”日本从上世纪70年月中后期开端开辟工业机械人,15年后就成为产量最多.运用最广的世界工业机械人“王国”.1978年美国Unimation公司推出通用工业机械人PUMA,这标记住工业机械人技巧已经完全成熟.PUMA至今仍然工作在工场第一线.1984年英格伯格再推机械人Helpmate,这种机械人能在病院里为病人送饭.送药.送邮件.同年,他还预言：“我要让机械人擦地板,做饭,出去帮我洗车,检讨安然”.1998年丹麦乐高公司推出机械人(Mind-storms)套件,让机械人制作变得跟搭积木一样,相对简略又能随意率性拼装,使机械人开端走入小我世界.1999年日本索尼公司推出犬型机械人爱宝(AIBO),当即发卖一空,从此娱乐机械人成为今朝机械人迈进通俗家庭的门路之一.2002年丹麦iRobot公司推出了吸尘器机械人Roomba,它能避开障碍,主动设计行进路线,还能在电量缺少时,主动驶向充电座.Roomba是今朝世界上销量最大.最贸易化的家用机械人.2006年6月,微软公司推出Microsoft Robotics Studio,机械人模块化.平台同一化的趋向越来越显著,比尔·盖茨预言,家用机械人很快将囊括全球重要机械人厂家日本：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为什么要成长机械人？简略说,机械人有三个方面是我们须要去成长的来由：一个是机械人做人不肯意做的事,把人从有毒的.有害的.高温的或安全的,如许的情形中解放出来,机械人可以做人做不好的活,比方说在汽车临盆线上工人天天拿着一百多公斤的焊钳,一天焊几千个点,做反复性的劳动,一方面他很累,但是产品的质量仍然很低;另一方面机械人做人做不了的活,这也是异常重要的机械人成长的一个来由,比方说人们对太空的熟悉,人上不去的时刻,叫机械人上天,上月球,以及到海洋,进入到人体的小机械人,以及在微不雅情形下,对原子分子进行搬家的机械人,都是人们不成达的工作.上述方面的三个问题,也就是说机械人成长的三个来由.机械人成长的三个阶段第一代机械人,也叫示教再现型机械人,它是经由过程一个盘算机,来掌握一个多自由度的一个机械,经由过程示教存储程序和信息,工作时把信息读掏出来,然后发出指令,机械人可以反复的根据人当时示教的成果,再现出这种动作,比方说汽车的点焊机械人,它只要把这个点焊的进程示教完今后,它老是反复如许一种工作,它对于外界的情形没有感知,这个力操纵力的大小,这个工件消失不消失,焊的好与坏,它其实不知道,第一代机械人消失这种缺点.在20世纪70年月后期,人们开端研讨第二代机械人,叫带感到的机械人,这种带感到的机械人是相似人在某种功效的感到,比方说力觉.触觉.滑觉.视觉.听觉和人进行相类比,有了各类各样的感到,比方说在机械人抓一个物体的时刻,它实际上力的大小能感到出来,它可以或许经由过程视觉,可以或许去感触感染和辨认它的外形.大小.色彩.抓一个鸡蛋,它能经由过程一个触觉,知道它的力的大小和滑动的情形.第三代机械人,是机械人学中一个幻想的所寻求的最高等的阶段,叫智能机械人,只要告知它做什么,不必告知它怎么去做,它就能完成活动,感知思维和人机通信的这种功效和机能,这个今朝的成长照样相对的只是在局部有这种智能的概念和寄义,但真正完全意义的这种智能机械人实际上并没有消失,而只是跟着我们不竭的科学技巧的成长,智能的概念越来越丰硕,它内在越来越宽.机械人学（1）机械人基本理论与办法,如活动学和动力学,功课与活动筹划.掌握与感知理论与技巧.机械人智能.（2）机械人设计理论与技巧,机械人机构剖析和分解.机械人构造设计优化.机械人症结器件设计.机械人仿真等.（3）机械人仿生学,仿生活动和动力学.仿活力构学.仿生感知和掌握理论.仿生器件设计和制作等（4）机械人体系理论,多机械人体系理论.机械人-人融会.以及机械人与其它机械体系的协折衷交互.（5）机械人操纵和移动理论,机械人装配理论.机械人移动理论.足式机械人步态理论等.（6）微机械人学,微机械人的剖析.设计.制作和掌握等理论办法机械人的分类机械人分类办法很多按照技巧程度划分第一代：示教再现型,具有记忆才能.今朝,绝大部分运用中的工业机械人均属于这一类.缺点是操纵人员的程度影响工作质量.第二代：初步智能机械人,对外界有反馈才能.部分已经运用到临盆中.第三代：智能机械人,具有高度的顺应性,有自行进修.推理.决议计划等功效,处在研讨阶段.✧按照根本构造划分直角坐标型,也称“机床型”圆柱坐标型球坐标型全关节型✧按照受控活动方法划分点位掌握（PTP）型,Point to Point, 如点焊.搬运机械人持续轨迹掌握（CP）型,Continous Path,如弧焊.喷漆机械人✧按驱动方法划分气压驱动（紧缩空气）液压驱动（重型机械人,如搬运.点焊机械人）电驱动（电念头）,运用最多✧按照运用范畴划分工业机械人,面向工业范畴的多关节机械手或多自由度机械人.特种机械人,用于非制功课的各类机械人,办事机械人.水下机械人.农业机械人.军用机械人等第二章机械人的数学基本第一节 地位和姿势的暗示研讨机械人的机械体系的活动须要树立一套活动的暗示办法.为了描写机械人本身各连杆之间.机械人和情形之间的活动关系,平日将它们看作刚体.➢ 刚体的地位和姿势描写• 在直角坐标系｛A ｝中,随意率性一点P 的地位可以用3×1列向量暗示.称为地位矢量• 为了肯定刚体BB ｝与该刚体固接.｛A ｝的偏向余弦构成的3×A ｝的姿势.称为扭转矩阵,也可暗示成：扭转矩阵是正交的.按照上述界说,绕 x 轴扭转了θ 角的扭转矩阵, 为：同样也可以写出R （y,θ）,R （z,θ）,总之,用地位矢量描写刚体的地位,为了完全描写刚体B 在空间的地位和姿势,平日将刚体B 与某一坐标系相固接,平日记为｛B ｝,｛B ｝的原点一般选在刚体B 的特点点上,如质心或对称中间等..则相对于参考坐标系｛A ｝,B ｝原点地位及坐标系的方位,即刚体B 的地位和姿势可由坐标系｛B ｝来描写：当暗示地位时,扭转矩阵为单位阵;当暗示姿势时,地位矢量等于零.x A y z p p p p ⎛⎫ ⎪= ⎪⎪⎝⎭100(,)0cos sin 0sin cos R x θθθθθ⎛⎫ ⎪=- ⎪ ⎪⎝⎭cos 0sin (,)010sin 0cos R y θθθθθ⎛⎫ ⎪= ⎪⎪-⎝⎭(,)001R z θ⎝⎭{}{},OA ABB B R p =第二节 坐标变换1.坐标平移坐标系｛B ｝与｛A ｝具有雷同的方位,但｛B合,则空间随意率性点P 在｛A ｝中的描写可以暗示为：,称为坐标平移方程.2.坐标扭转坐标系｛BP 在｛A 3.一般变换 坐标系｛B 例题2-1：3解：根据题意得则 第三节 齐次变换 在空间直角坐标系中,随意率性一点可用一个三维坐标矩阵[x yz]暗示.假如将该点用一个四维坐标的矩阵[HxHyHzH]暗示时,则称为齐次坐标暗示办法.在齐次坐标中,最后一维坐标H 称为比例因子.比方齐次坐标[8,4,2].[4,2,1]暗示的都是二维点[2,1]. (1)从通俗坐标转换成齐次坐标时 假如(x,y,z)是个点,则变成(x,y,z,1); 假如(x,y,z)是个向量,则变成(x,y,z,0) (2)从齐次坐标转换成通俗坐标时假如是(x,y,z,1),则知道它是个点,变成(x,y,z); 假如是(x,y,z,0),则知道它是个向量,仍然变成(x,y,z) 齐次坐标变换A0000cos30sin3000.8660.50(,30)sin30cos3000.50.866001001A B R R z ⎡⎤--⎡⎤⎢⎥⎢⎥===⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦1260oA B p ⎡⎤⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦0.171211.8310.294616.294000o A A BAB B p R p p -⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥=+=+=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦用4×1列向量暗示三维空间坐标系中的点：称为齐次坐标,齐次坐标具有不独一性. 引入齐次坐标后,一般变换变成：2：对它进行绕轴z 扭转90度至点v,点v 绕y 轴扭转90度至点w,求点w 的坐标.求点w 的坐标.解：由扭转齐次坐标变换得同理 经由平移变换后,新的w 的坐标为 x a y x y zb a bc ⎛⎫⎛⎫ ⎪⎪ ⎪⇒===⎪AA BBp T p=()(,)0O B A A B B T Trans p Rot k θ ⎪== ⎪⎝ ⎪⎝0000070100739090003100037909000(,90)2001022001010001110001c s s c v Rot z u --⎡⎤-⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥====⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦010********(,90)100023000111w Rot y v -⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥===⎢⎥⎢⎥⎢⎥-⎢⎥⎢⎥⎢⎣⎦⎣⎦⎣⎦3'10426010374(4,3,7)[]001731001000111o A B I p w Tans w w ⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥-⎢⎥⎢⎥⎢⎥=-===⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦第三章 机械人活动学第一节 机械人活动方程的暗示A 矩阵：一个描写连杆坐标系间相对平移和扭转的齐次变换 . T 矩阵：A 矩阵的乘积对于六连杆机械手,有下列T 矩阵 ：6123456T A A A A A A =一个六连杆机械手可具有六个自由度,每个连杆含有一个自由度,并能在其活动规模内随意率性定位与定向.机械手的活动偏向 原点由矢量p 暗示. 接近矢量a ：z 向矢量 偏向矢量o ：y 向矢量法线矢量n ：它与矢量o 和a 一路构成一个右手 矢量聚集,并由矢量的交乘所划定：n o a =⨯.是以,变换T6具有下列元素.601x x x x yy y y z z z z n o a p n o a p T n o a p ⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦六连杆机械手的T 矩阵（ T6 ）可由指定其16个元素的数值来决议.在这16个元素中,只有12个元素具有实际寄义.机械手的活动姿势由某个姿势变换划定之后,它在基系中的地位就可以或许由左乘一个对应于矢量p 的平移变换来肯定：6100010[]0010001x y z p p T p ⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦某姿态变换第二节 连杆变换矩阵及其乘积广义连杆相邻坐标系间及其响应连杆可以用齐次变换矩阵来暗示.请求出操纵手所须要的变换矩阵,每个连杆都要用广义连杆来描写.在求得响应的广义变换矩阵之后,可对其加以修改,以合适每个具体的连杆.机械人机械手是由一系列衔接在一路的连杆（杆件）构成的.须要用两个参数来描写一个连杆,即公共法线距离i a 和垂直于i a 地点平面内两轴的夹角i α;须要别的两个参数来暗示相邻两杆的关系,即两连杆的相对地位i d和两连杆法线的夹角i θ,如图所示.一般称为ia 连杆长度,iα为连杆扭角,id 为两连杆距离,iθ为两连杆夹角.机械人机械手上坐标系的设置装备摆设取决于机械手连杆衔接的类型.有两种衔接——迁移转变关节和棱柱联轴节.对于迁移转变关节,其特点参数为,,,i i i i a d αθ,i θ为关节变量;对于棱柱联轴节,,,i i i d αθ,i d 为关节变量,连杆长度i a没有意义,令其为0.连杆坐标系与连杆参数为了肯定机械人各连杆之间的相对活动关系,须要肯定连杆坐标系,划定： [1]. 坐标系{}1i -的z 轴1i z -与关节轴1i -共线,指向随意率性;[2]. 坐标系{}1i -的x 轴1i x -与与连杆1i -的公垂线重合,指向由关节1i -到关节i ; [3]. 坐标系{}1i -的y 轴1i y -按照右手轨则划定,即111i i i y z x ---=⨯根据所设定的连杆坐标系,响应的连杆参数界说如下：如图所示：用A 矩阵暗示T 矩阵机械手的末尾装配即为连杆6的坐标系,为：可得连杆变换通式为 ：例1：如图所示为具有三个扭转关节的3R 机械手,求末尾机械手在基坐标系{}00X Y 下的活动学方程.x 0y 0Ox 1y 1x 2y 2x 3y 3111101000000100001c s s c T -⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦221221200000100001c s L s c T -⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦33233230000010001c s L s c T -⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦12312311212123123112120012312300001001c s L c L c sc L s L s T T T T -+⎡⎤⎢⎥+⎢⎥==⎢⎥⎢⎥⎣⎦个中,()()123123123123cos ,sin c s θθθθθθ=++=++例2：如图所示的三自由度机械手（两个扭转关节加一个平移关节,简称RPR 机械手）,求末尾机械手的活动学方程.解：树立如图的坐标系,则各连杆的D-H 参数为：由连杆的齐次坐标公式有所以例3 PUMA 560机械人活动学方程PUMA560是属于关节式机械人,6个关节都是迁移转变关节.前3个关节肯定手段参考点的地位,后3个关节肯定手段的方位.各连杆坐标系如下图所示.响应的连杆参数列于表3.1中.表3.1 PUMA560机械人的连杆参数据教材公式(3.16)和表3.1所示连杆参数,可求得各连杆变换矩阵如下：111101000000100001c s s c T θθθθ-⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦22212220000100001c s d T s c θθθθ-⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥--⎢⎥⎣⎦各连杆变换矩阵相乘,得PUMA 560的机械手变换矩阵：即为关节变量的函数.第四章机械人的感到体系第一节传感器道理简介传感器的界说传感器：把被测非电量转换成为与之有肯定对应关系,且便于运用的某些物理量（平日为电量）的测量装配.①传感器是测量装配,能完成检测义务;②它的输入量是某一被测量,可能是物理量,也可能是化学量.生物量等;③它的输出量是某种物理量,这种量要便于传输.转换.处理.显示等等,这种量可所以气.光.电量,但主如果电量;④输出输入有对应关系,且应有必定的准确程度.传感器的构成及类型传感器的构成罕有的传感器类型：电阻式传感器变阻抗式传感器光电式传感器电势式传感器传感器的道理应变片：压力电阻光敏电阻：光强电阻热敏电阻：温度电阻霍尔元件：磁感应强度电压非电学量电学量传感器示例-电阻式传感器道理：金属的电阻应变效应当金属丝在外力感化下产活力械变形时,其电阻值将产生变更.（公式略）力形变电阻变更电压应变片的感化应变式加快度传感器应变式加快度传感器构造示意图1—等强度梁 2—质量块 3—壳体 4—电阻应变片在低频（10~60Hz）振动测量中得到普遍的运用.当无光照时,光敏电阻值(暗电阻)很大,电路中电流很小当有光照时,光敏电阻值(亮电阻)急剧削减,电流敏捷增长光电码盘传感器-工作道理用光电办法把被测角位移转换成以数字代码情势暗示的电旌旗灯号的转换部件.1－光源 2－柱面镜 3－码盘 4－狭缝 5－元件第二节 传感器在机械人中的运用多传感器在移念头器人中的运用任务规划：执感觉外界环境视觉１视觉２超声波传感器红外接近觉立体视觉地标识别障碍探测目标物探测内部传景物识别感器融合力觉触觉环境模型定位避障操作规划学习路径规划行机构控制指令功能几种重要的机械人传感器简介视觉 20世纪50年月后期消失,成长十分敏捷,是机械人中最重要的传感器之一. 机械视觉从20世纪60年月开端起首处理积木世界,后来成长到处理室外的实际世界.20世纪70年月今后,实用性的视觉体系消失了.视觉一般包含三个进程：图像获取.图像处理和图像懂得.相对而言,图像懂得技巧还很落伍.力觉机械人力传感器就装配部位来讲,可以分为关节力传感器.腕力传感器和指力传感器.国际上对腕力传感器的研讨是从20世纪70年月开端的.触觉作为视觉的填补,触觉能感知目标物体的概况机能和物理特点：柔嫩性.硬度.弹性.光滑度和导热性等.对它的研讨从20世纪80年月初开端,到20世纪90年月初已取得了大量的成果.接近觉研讨它的目标是是使机械人在移动或操纵进程中获知目标（障碍）物的接近程度.移念头器人可以实现避障,操纵机械人可防止手爪对目标物因为接近速渡过快造成的冲击.机械人传感器的分类根据检测对象的不合可分为内部传感器和外部传感器.用来检测机械人本身状况（如手臂间角度）的传感器.多为检测地位和角度的传感器.（1）地位传感器（2）角度传感器用来检测机械人所处情形（如是什么物体,离物体的距离有多远等）及状况（如抓取的物体是否滑落）的传感器.具体有物体识别传感器.物体探伤传感器.接近觉传感器.距离传感器.力觉传感器,听觉传感器等.机械人的触觉一般认为触觉包含接触觉.压觉.滑觉.力觉四种,狭义的触觉按字面上来看是指前三种感知接触的感到.1. 接触觉传感器例如,开关式触觉传感器特色：外形尺寸十分大空间分辩率低运用阵列这一概念已开辟了很多重要的传感器.碳毡（CSA）敏锐度高,具有较强的耐过载才能.缺点是有迟滞,线性差.导电橡胶的电阻也会随压力的变更而变更,是以也经常运用来作为触觉传感器的迟钝材料.拟人化皮肤传感器运用一种具有压电和热释电性的高分子材料研制而成. 别的还有光学式触觉传感器.电容式阵列触觉传感器等.2. 压觉传感器（略）3. 力觉传感器力觉传感器运用的重要元件是电阻应变片.平日我们将机械人的力传感器分为三类：（1）装在关节驱动器上的力传感器,称为关节力传感器.用于掌握中的力反馈.（2）装在末尾履行器和机械人最后一个关节之间的力传感器,称为腕力传感器.（3）装在机械人手爪指关节（或手指上）的力传感器,称为指力传感器.SRI传感器SRI （Stanford ResearchInstitute）研制的六维腕力传感器,如图所示.它由一只直径为75mm的铝管铣削而成,具有八个窄长的弹性梁,每个梁的颈部只传递力,扭矩感化很小.梁的另一头贴有应变片.图中从Px+到Qy-代表了8根应变梁的变形旌旗灯号的输出.日本大和制衡股份有限公司林纯一研制的腕力传感器.它是一种整体轮辐式构造,传感器在十字梁与轮缘联络处有一个柔性环节,在四根交叉梁上共贴有32个应变片（图中以小方块）,构成8路全桥输出 .三梁腕力传感器传感器的内圈和外圈分离固定于机械人的手臂和手爪,力沿与内圈相切的三根梁进行传递.每根梁高低.阁下个贴一对应变片,三根梁上共有6对应变片,分离构成六组半桥,对这6组电桥旌旗灯号进行解耦可得到六维力（力矩）的准确解. 4. 滑觉传感器机械手一般采取两种抓取方法：硬抓取和软抓取.硬抓取（无感知时采取）：末尾履行器运用最大的夹紧力抓取工件.软抓取（有滑觉传感器时采取）：末尾履行器使夹紧力保持在能稳定抓取工件的最小值,以免毁伤工件.滚轮式滑觉传感器它由一个金属球和触针构成,金属球概况分成很多个相间分列的导电和绝缘小格.触针头很细,每次只能触及一格.当工件滑动时,金属球也随之迁移转变,在触针上输出脉冲旌旗灯号,脉冲旌旗灯号的频率反应了滑移速度,个数对应滑移的距离.根据振动道理制成的滑觉传感器.钢球指针与被抓物体接触.若工件滑动,则指针振动,线圈输出旌旗灯号.机械人的接近觉接近觉重要感知传感器与对象物之间的接近程度.霍尔效应指的是金属或半导体片置于磁场中,当有电流流过时,在垂直于电流和磁场的偏向上产生电动势.霍尔传感器单独运用时,只b ）无铁磁体时磁力线的形状c ）铁磁体接近时磁力线的形状能检测有磁性物体.当与用磁体结合运用时,可以用来检测所有的铁磁物体.传感器邻近没有铁磁物体时,霍尔传感器感触感染一个强磁场;如有铁磁物体时,因为磁力线被铁磁物体旁路,传感器感触感染到的磁场将削弱.其它还有光学接近觉.超声波接近觉传感器等.别的还有接触觉.滑觉和接近觉三种感到组合为一体的传感器.机械人的视觉1.超声波传感器从广义上讲,我们也把它算成机械人视觉中的一种.超声波探测道理比较简略,一般是采取时差法.ｄ=ｃΔt／2个中ｃ（Ｔ的函数）为超声波波速,Ｔ为情形摄氏温度超声波传感器重要用处：（1）及时地检测自身所处空间的地位,用以进行自定位;（2）及时地检测障碍物,为行动决议计划供给根据;（3）检测目标姿势以及进行简略形体的辨认;（4）用于导航目标跟踪.D（电荷耦合器件：charge coupled devices）CCD（电荷耦合器件）的根本构造是一个间隙很小的光敏电极阵列,即很多个CCD单元构成,也称为像素点（如448×380）.它可所以一维的线阵,也可所以二维的面阵. 机械人的听觉（略）多传感器信息融会多传感器信息融会技巧是经由过程对这些传感器及其不雅测信息的合理安排和运用,把多个传感器在时光和空间上的冗余或互补信息根据某种准则进行组。
《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。
《机器人技术概论》教学课件 模块7 机器人应用领域
五、 其他非工业应用
阿尔法狗（AlphaGo）围棋机器人是第一个击败人类职业围棋选手、第一个战胜围棋世界冠军的人工智能机 器人，它由谷歌旗下DeepMind公司戴密斯·哈萨比斯领衔的团队开发。
阿尔法狗围棋机器人用到了很多新技术，如神经网络、深度学习、 蒙特卡洛树搜索法等，使其实力有了实质性飞跃。美国脸书公司 “黑暗森林”围棋软件的开发者田渊栋在网上发表分析文章说，阿 尔法狗围棋机器人系统主要由几个部分组成: ① 策略网络（Policy Network）:给定当前局面，预测并采样下一 步的走棋；
单元2
机器人在工业领域的应用
一、 搬运码垛应用
搬运码垛应用
搬运码垛应用
工业机器人发明到现在已经有五六十年了，历史上第一台工业机器人是用于通用汽车的 材料处理工作。“吃苦耐劳”“不要工资”的工业机器人在各个行业开花结果、广泛应 用。 搬运作业就是将工件从一个加工位置移到另一个加工位置，许多自动化生产线都需要使 用搬运机器人进行上下料、搬运以及码垛等操作，如图7-7所示。最早的搬运机器人出 现在1960年的美国，首次用于搬运作业的两种机器人分别为Versatran和Unimate。
二、 医疗应用
医用机器人是用于医院、诊所的医疗或辅助医疗的机器人。目前常见的医用机器人主要有运送物品的机器人、 移动病人的机器人、临床医疗用的机器人和为残疾人服务的机器人等。
“护士助手”机器人是自主式机器人，它不需要有线制导， 也不需要事先做计划，一旦编好程序，它随时可以完成以 下各项任务：运送医疗器材和设备，为病人送饭，送病历、 报表及信件，运送药品、运送试验样品及试验结果，在医 院内部送邮件及包裹。这种机器人由行走部分、行驶控制 器及大量的传感器组成。
二、 医疗应用
医用机器人是用于医院、诊所的医疗或辅助医疗的机器人。目前常见的医用机器人主要有运送物品的机器人、 移动病人的机器人、临床医疗用的机器人和为残疾人服务的机器人等。
机器人概论概述专题培训课件
公元 126 年，中国东汉时期的大科学家张衡设计了一种机 器鸟，称为“独飞木雕”。
“独飞木雕”是一种木制的飞行装置，有类似鸟翅膀的扑 翼，利用弹性物体积蓄的能量飞行，能量耗尽后，凭借上 升气流的作用滑翔。
01 什么是机器人?
1.2 Robot 一词的由来
然而，有一天，一次偶发的事故使 Robota 开始有了知觉。 Robota 们不堪忍受人类的奴役，发起了对人类的攻击，最终消 灭了人类。
01 什么是机器人?
1.2 Robot 一词的由来
Capek 的幻想剧《Rossum 的 Robota 万能公司》十分成 功，在欧美广为流传，英文中的 Robot 一词由此而来，意 即仿人的机器。
该此电物机与 是，元构器自 机 件成生然 器 构的命生 。 成，不命
首的而是不 先。是有同 应因机机，
Robot
01 什么是机器人?
1.5 Robot 作为机器生命的特征
Robot，作为机器生命，应该具备三个特征： 特征二：Robot 能自主地迁移，或于陆地上行走或爬行， 或于大海里遨游，或于天空中飞翔。
Robot 是可迁移或可移动的机器（Mobile Machine），或会 爬行，或会行走，或会游泳和潜水，或会飞行。并且， Robot 的迁移是自主的或自治的（Autonomous）。
01 什么是机器人?
1.5 Robot 作为机器生命的特征
类比一般自动控制系统。
Robot，作为机器生命，应该具备三个特征：
1.4 Wikipedia 定义的 Robot
A robot is a mechanical intelligent agent which can perform tasks on its own, or with guidance. In practice a robot is usually an electro-mechanical machine which is guided by computer
机器人学概论第六讲
θɺi
zi
pn
z0 y0
x0 工具坐标系
0 0 d = 0, δ = 0 dθ i 0 1 ( p × n ) z T d x ( p × n) z ( p × o) T d y ( p × o) z z ( p × a ) z T d z ( p × a ) z Ji = T = dθ i , nz δ x nz T oz δ oz y T az δ z az
d = d x i + d y j + d z k , 称为微分平移矢量
δ = δ x i + δ y j + δ z k , 称为微分旋转矢量
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。
T
∆ = T −1∆T
T d x = δ ⋅ ( p × n) + d ⋅ n = n ⋅ (δ × p + d ) T d y = δ ⋅ ( p × o) + d ⋅ o = o ⋅ (δ × p + d ) , T d z = δ ⋅ ( p × a) + d ⋅ a = a ⋅ (δ × p + d ) Tδ x = δ ⋅ n T δ y = δ ⋅o Tδ = δ ⋅ a z
ny oy ay 0 0 0 ox oy oz
nz oz az 0 0 0
( p × n) x ( p × o) x ( p × a) x nx ox ax
( p × n) y ( p × o) y ( p × a) z ny oy ay
机器人学概论第三讲
第二章 机器人运动学
连杆变换矩阵
第二章 机器人运动学
连杆变换矩阵
关节轴线：设第i个关节的轴线为Ji。旋转：转动轴中心线 平移：移动方向中心线 连杆参数：
连杆长度：两个关节的关节轴线Ji与Ji+1的公垂线距离为连杆长度， 记为ai。 连杆扭转角：由Ji与公垂线组成平面P，Ji+1与平面P的夹角为连杆扭 转角，记为αi。 连杆偏移量：除第一和最后连杆外，中间的连杆的两个关节轴线Ji与 Ji+1都有一条公垂线ai，一个关节的相邻两条公垂线ai与ai-1的距离为 连杆偏移量，记为di。 关节角：关节Ji的相邻两条公垂线ai与ai-1在以Ji为法线的平面上的投 影的夹角为关节角，记为θi。
第一连杆C1坐标系的建立：
原点O1：取基坐标系原点为坐标系原点。 Z1轴：取J1的方向为Z1轴方向。 X1轴：X1轴方向任意选取。 Y1轴：根据右手定则由X1轴和Z1轴确定Y1轴的方向。
最后连杆Cn 坐标系的建立：最后一个连杆一般是抓手。
原点On：取抓手末端中心点为坐标系原点。 Zn轴：取抓手的朝向, 即指向被抓取物体的方向为Zn轴方向。 Xn轴：取抓手一个指尖到另一个指尖的方向为Xn轴方向。 Yn轴：根据右手定则由Xn轴和Zn轴确定Yn轴的方向。
0 sθ 0 cθ − sθ sθ cθ 1 0 0 , R (z,θ) = ot 0 0 cθ 0 0 0 0 0 1 0
− p⋅ n − p⋅ o − p⋅ a 1
0 0 0 0 1 0 0 1
第二章 机器人运动学
通用旋转变换
fx fxversθ + cθ f f versθ + f sθ z R ( f ,θ) = x y ot fx fz versθ − f ysθ 0 f y fxversθ − fz sθ f y f yversθ +cθ f y fz versθ + fxsθ 0 fz fxversθ + f ysθ 0 fz f yversθ − fxsθ 0 fz fz versθ +cθ 0 0 1
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《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...................................................................................... - 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：临沂大学机械工程学院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”。