机器人学导论
机器人学导论-JohnJCraig - v1
第2章 空间描述和变换
• 2.1 概述 • 2.2 描述：位置、姿态与坐标系 • 2.3 映射：从坐标系到坐标系的变换
• 2.4 算子：平移、旋转和变换
• 2.5 总结和说明 • 2.6 变换算法
• 2.7 变换方程
• 2.8 姿态的其他描述方法 • 2.9 自由矢量的变换
机器人学导论 （美）John.J.Craig
2.2 描述：位置、姿态与坐标系 相关知识：点积
机器人学导论 （美）John.J.Craig
2.2 描述：位置、姿态与坐标系 相关知识：点积
机器人学导论 （美）John.J.Craig
2.2 描述：位置、姿态与坐标系 相关知识：点积
机器人学导论 （美）John.J.Craig
2.2 描述：位置、姿态与坐标系 相关知识：点积
机器人学导论 （美）John.J.Craig 2.1 和姿态两个特性，在数学上就需要定
义坐标系来表达相关参数。
我们定义一个世界坐标系，任何问题都能够参照这个坐标系。位置和姿态都是参照这个世界坐标系或者由世界坐 标系定义的笛卡尔坐标系。
机器人学导论 （美）John.J.Craig
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2.2 描述：位置、姿态与坐标系 相关知识：点积
《机器人学导论》课程教学大纲
《机器人学导论》课程教学大纲课程名称：机器人学导论课程编号：BF（英文）：Introduction to Robotics先修课程：线性代数、机构学、自动控制适用专业：机械电子、机械工程及自动化开课系（所）：机械与动力工程学院机器人研究所教材和教学参考书：1．1．教材：机器人学、蔡自兴、清华大学出版社、20002．教学参考书: 机器人学导论，约翰J.克雷格、西北工业大学出版社、1987 注：上述教材和参考书将根据教材课购买情况可互换一、一、本课程的性质、地位、作用和任务面对21世纪知识经济时代的机遇与挑战，人类（地球人）正在以非凡的智慧构思新世纪的蓝图。
世界的明天将更加美好。
但是，地球人在发展中也面临着环境、人口、资源、战争和贫困等普遍问题，同时还要学会与机器人共处,这是21世纪地球人必须正视和处理的紧要问题，是影响地球人生存和发展的休戚与共的重大事件。
机器人学是一门高度交叉的前沿学科，机器人技术是集力学、机械学、生物学、人类学、计算机科学与工程、控制论与控制工程学、电子工程学、人工智能、社会学等多学科知识之大成，是一项综合性很强的新技术。
自第一台电子编程工业机器人问世以来，机器人学已取得令人瞩目的成就。
正如宋健教授1999年7月5日在国际自动控制联合会第14届大会报告中所指出的：“机器人学的进步和应用是本世纪自动控制最有说服力的成就，是当代最高意义上的自动化。
”机器人技术的出现与发展，不但使传统的工业生产面貌发生根本性的变化，而且将对人类的社会生活产生深远的影响。
二、二、本课程的教学内容和基本要求1．1．绪言简述机器人学的起源与发展，讨论机器人学的定义，分析机器人的特点、结构与分类。
2．2．机器人学的数学基础空间任意点的位置和姿态变换、坐标变换、齐次坐标变换、物体的变换和逆变换，以及通用旋转变换等。
3．3．机器人运动方程的表示与求解机械手运动姿态、方向角、运动位置和坐标的运动方程以及连杆变换矩阵的表示，欧拉变换、滚-仰-偏变换和球面变换等求解方法，机器人微分运动及其雅可比矩阵等4．4．机器人动力学机器人动力学方程、动态特性和静态特性；着重分析机械手动力学方程的两种求法，即拉格朗日功能平衡法和牛顿-欧拉动态平衡法；然后总结出建立拉格朗日方程的步骤5．5．机器人的控制机器人控制与规划6．6．机器人学的现状、未来包括国内外机器人技术和市场的发展现状和预测、21世纪机器人技术的发展趋势、我国新世纪机器人学的发展战略等。
机器人学导论总复习
第四章 力分析及柔顺控制
1、柔顺坐标系力位控制特点？
在该坐标系中，任务可以被描述成沿各个坐标轴 的位置控制和力的控制。对于其中的任何一个方 向的自由度(沿三个正交轴的移动和绕三个轴的旋 转),或者要求是力的控制，或者是位置的控制，不 可能在同一个自由度既进行力的控制，又进行位 置的控制，二者必居其一 。 2、自然约束和人为约束？黑板上写字的约束？
360 360 9 7.2 1.8 40 50
4、步进电机高速时性能差的原因是什么？ 第一，运行每一步，转子必须先加速、恒速、再 减速；第二，定子交替磁场的变化，过快产生的 反电势磁通有阻止转子旋转的趋势。 5、何谓脉宽调制？
通过改变开关的时间，改变平均有效电压。（即 调节开通时间占空比） 6、一个、两个、四个二进制位端口读0~5V的数
有一个二进制位端口：0或5V； 有两个二进制位端口：0、1.67、3.34、5V； 有四个二进制位端口：0、0.33、0.67┄ 、5V
第七章 传感器
1、何谓分辨率？举例说明绕线式电位器的分辨率。 N位数字设备的分辨率。
分辨率：在测量范围内所能分辨的最小值。绕线式 电位器——一圈电阻值；n位数字设备——满量程 /2n 2、传感器按与机器人的相对关系分为哪两种及特点 内传感器和外传感器。 内传感器用来测试机器人本体内部的一些变量； 外传感器常用来测试机器人工作的环境情况。 3、传感器由转换器和电路组成。转换器是将物理量 和化学量转换为电信号的装置。
自然约束是由任务的几何结构所确定的约束关系。 人为约束则是根据任务的要求人为给定的期望的 运动和力。
第五章 轨迹规划
1、路径和轨迹？
如果规定一个机器人从A点经过B点运动到C点而 不强调时间的概念，那么这一过程中的位形序列 就构成了一条路径。如果我们强调到达其中任意 一点的时间，那么这就是一条轨迹。 2、对于已指定的路径（如直线）必须在直角空间 进行规划才能实现。如果没有指定机器人的路径， 则关节空间的轨迹规划更容易计算。
机器人学导论考试
机器人学导论考试一、机器人学简介机器人学是一门融合了物理、电子、计算机、机械、控制、自动化、系统科学等多学科的交叉学科，主要研究机器人的设计、制造、控制、算法、应用和实现的技术。
机器人学的发展是以机器人的技术进步为基础的，机器人技术的发展是以现代计算机技术为基础的。
机器人学的发展目标是使机器人获得自主性、智能性和可靠性，从而使机器人能够完成更复杂的任务。
机器人学的主要研究内容包括机器人的结构设计、运动学和动力学、机器人控制、机器人感知、机器人导航、机器人仿真、机器人系统建模、任务规划、机器人程序设计等。
二、机器人结构设计机器人结构设计是机器人学的基础，是构建机器人的基础，是实现机器人功能的基础，是机器人技术的重要内容。
机器人结构设计的目的是构建能够完成特定任务的机器人系统，考虑机器人的功能、结构、尺寸、重量、强度、精度和稳定性等因素，设计出能够完成特定任务的机器人系统结构。
机器人结构设计的关键是机器人的运动学和动力学，它们可以帮助设计者更好地理解机器人的运动特性，从而设计出更加合理的机器人结构。
三、机器人运动学和动力学机器人运动学和动力学是机器人学的重要研究内容，是研究机器人的运动的学科。
机器人运动学的主要内容是机器人的运动学分析，即研究机器人的运动轨迹、位置、速度和加速度等。
机器人动力学的主要内容是研究机器人的动力学特性，即研究机器人的动力学模型、力学特性、力学参数等。
机器人运动学和动力学的研究可以帮助设计者更好地理解机器人的运动特性，从而设计出更加合理的机器人结构。
四、机器人控制机器人控制是机器人学的重要研究内容，是指通过控制机器人的运动来完成特定任务的技术。
机器人控制的主要内容包括机器人的运动控制、机器人的位置控制、机器人的力控制、机器人的视觉控制、机器人的任务控制等。
机器人控制的目标是控制机器人完成特定任务，从而实现机器人的自主性、智能性和可靠性。
五、机器人感知机器人感知是机器人学的重要研究内容，是指机器人感知环境的技术。
机器人学导论的100个论题
2机器人学导论的100个论题1. 机器人学的定义和范畴2. 机器人的发展历程3. 机器人的应用领域4. 机器人的分类和特点5. 机器人的工作原理和组成部件6. 机械结构与运动学7. 机器人的传感器和感知系统8. 机器人的控制系统9. 机器人的决策与规划10. 机器人的学习与智能化11. 机器人的运动规划与路径规划12. 机器人图像处理与视觉导航13. 机器人的自主导航与定位14. 机器人的力学与动力学建模15. 机器人的运动控制与力控制16. 机器人和人类的协作与共存17. 机器人和社会的互动与影响18. 机器人的道德与伦理问题19. 机器人在工业生产中的应用20. 机器人在医疗领域的应用21. 机器人在农业领域的应用22. 机器人在交通运输中的应用23. 机器人在环境监测与保护中的应用24. 机器人在教育与娱乐中的应用25. 机器人在日常生活中的应用26. 机器人与人类的情感交流27. 机器人的机器学习与模式识别28. 机器人的语音识别与自然语言处理29. 机器人的计算机视觉与物体识别30. 机器人的路径规划与轨迹跟踪31. 机器人的机器人操作系统32. 机器人的机器人建模与仿真33. 机器人的机器人编程与控制34. 机器人的可重构与自组织能力35. 机器人的运动学参数标定与标定精度36. 机器人的感知误差与补偿方法37. 机器人的决策与规划的求解算法38. 机器人的运动控制与力控制算法39. 机器人的自主导航与定位算法40. 机器人的机器学习与智能化算法41. 机器人的运动规划与路径规划算法42. 机器人的图像处理与视觉导航算法43. 机器人的语音识别与自然语言处理算法44. 机器人的计算机视觉与物体识别算法45. 机器人的路径规划与轨迹跟踪算法46. 机器人的机器人操作系统算法47. 机器人的机器人建模与仿真算法48. 机器人的机器人编程与控制算法49. 机器人的可重构与自组织算法50. 机器人的控制算法的稳定性分析51. 机器人的误差鲁棒性分析与控制52. 机器人的能源管理与优化53. 机器人的可靠性与安全性设计54. 机器人的维护与故障诊断55. 机器人的人机界面与交互设计56. 机器人的社会接纳与公众认知57. 机器人的技术标准与法律法规58. 机器人的知识产权与专利策略59. 机器人的市场前景与商业化应用61. 机器人的人力资源与任务分配62. 机器人的团队协作与任务分工63. 机器人的项目管理与供应链64. 机器人的投资与融资策略65. 机器人的产业政策与发展战略66. 机器人的智能化与自动化67. 机器人的创新与技术竞争力68. 机器人的可持续发展与环境保护69. 机器人的文化与社会影响70. 机器人的国际合作与交流71. 机器人的生态系统与生态效应72. 机器人的区域发展与战略布局73. 机器人的国际标准与技术创新74. 机器人的个人隐私与信息安全75. 机器人的社会接受度与人机关系76. 机器人的自主性与责任问题77. 机器人的养老与健康服务78. 机器人的智能化与智慧城市79. 机器人的网络与云计算80. 机器人的数据存储与处理81. 机器人的机器人协同与协作82. 机器人的人工智能与深度学习83. 机器人的虚拟现实与增强现实84. 机器人的人体工程学与人机界面85. 机器人的机器人道德与伦理86. 机器人的机器人法律与政策87. 机器人的机器人经济学与商业模式88. 机器人的机器人教育与技术培训89. 机器人的机器人创业与创新90. 机器人的机器人科技与科研92. 机器人的机器人运营与维护93. 机器人的机器人安全与风险评估94. 机器人的机器人测试与验证95. 机器人的机器人监管与质量控制96. 机器人的机器人认证与准入97. 机器人的机器人可靠性与故障排除98. 机器人的机器人标准与规范99. 机器人的机器人技术评估与评价100. 机器人的机器人未来发展趋势。
机器人学导论 等效旋转矩阵
机器人学导论等效旋转矩阵机器人学导论导论机器人学是研究机器人的运动、感知、决策和控制等方面的一门交叉学科。
它涉及多个领域，如计算机科学、电子工程、力学、控制理论等。
机器人学的目标是设计和开发能够完成特定任务的智能化机器人系统。
等效旋转矩阵等效旋转矩阵是机器人运动中常用的一种表示方法。
它可以将三维空间中的旋转变换表示为一个三维矩阵，从而方便进行运动规划和控制。
1. 旋转矩阵的定义在三维空间中，一个点P(x,y,z) 绕坐标轴分别旋转角度α,β,γ 后得到新点P’(x’,y’,z’)。
则可以通过如下公式计算旋转矩阵R：其中，Rx, Ry, Rz 分别表示绕x轴、y轴、z轴旋转的矩阵，α, β, γ 分别表示绕x轴、y轴、z轴旋转的角度。
2. 等效旋转矩阵的定义在机器人运动中，通常需要将多个旋转变换组合起来来实现特定任务。
这时，可以将多个旋转变换合并为一个等效旋转变换，从而简化运动规划和控制。
等效旋转矩阵的定义如下：其中，R1, R2, …, Rn 分别表示多个旋转变换的旋转矩阵。
3. 等效旋转矩阵的计算方法计算等效旋转矩阵的方法有多种，下面介绍两种常用的方法。
（1）欧拉角法欧拉角法是一种将三个绕不同轴的旋转变换合并为一个等效旋转变换的方法。
具体步骤如下：① 将三个绕不同轴的旋转变换分别表示为三个矩阵R1, R2, R3。
② 将这三个矩阵相乘得到一个等效矩阵R = R3 × R2 × R1。
③ 将等效矩阵R分解为三个绕不同轴的旋转变换，即可得到欧拉角表示。
（2）四元数法四元数法是一种将多个旋转变换合并为一个等效旋转变换的方法。
具体步骤如下：① 将多个旋转变换分别表示为四元数q1, q2, …, q n。
② 将这些四元数相乘得到一个等效四元数q = qn × … × q2 × q1。
③ 将等效四元数q转换为等效旋转矩阵即可。
4. 总结等效旋转矩阵是机器人运动中常用的一种表示方法，它可以将多个旋转变换合并为一个等效变换，从而方便进行运动规划和控制。
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
机器人学导论第2章1
§ 2.1 引言 § 2.2 机器人机构
§ 2.3 机器人运动学的矩阵表示
§ 2.4 齐次变换矩阵
§ 2.5 变换的表示
§ 2.6 变换矩阵的逆 § 2.7 机器人的正逆运动学 § 2.8 机器人正运动学方程的D-H表示法
§ 2.9 机器人的逆运动学解
§ 2.10 机器人的逆运动学编程
P= ax i+ by j+ cz k
其中ax,by,cz是参考坐标系中表示该点的坐标。显 然，也可以用其他坐标来表示空间点的位置。
∧
∧
∧
§2.3.2 空间向量的表示
让我们再来看下面这幅图，图中的向量P该 怎样表示呢？
向量可用三个起始和终止的坐标来表示。如果 一个向量起始于A，终止于B，那么它可以表示为 PAB=（Bx-Ax)i+(By-Ay)j+(Bz-Az)k 如果一个向量的起点是原点，则上式就变成了 点的表示形式，则有： P= ax i+ by j+ cz k
2.2 机器人机构
大家先来看右边这幅图
从这幅图我们可以看到， 当曲柄转角设定为120°时， 连杆与摇杆的角度也就确 定了。这是典型的单自由 度闭环结构，当变量设定 为特定值时，机器人的机 构就完全确定了，所有其 他变量也就随之确定。
但实际上，为了使机器人能在三维空间运动， 机器人通常具有多个自由度，并且有三维开环链 式机构，二维多自由度的机器人并不常见。而对 于开环控制系统来说，由于没有反馈，如果关节 和连杆有丝毫的偏差，该关节之后的所有关节的 位置都会改变，而且没有反馈。所以，对于一个 实际的机器人来说，即使设定所有的关节，也不 能确保机器人的手准确地处于给定的位置。只有 不断测量所有关节和连杆的参数，或者监控系统 的末端才能知道机器人手的运动位置。
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History
The idea of robot goes back to ancient time in the world.
Leonardo da Vinci created many human-inspired, robot-like sketches, designs, and models in the 1500’s.
木牛流马
History
The idea of robot goes back to ancient time in the world.
The 2nd century B.C., the ancient Greece person in Alexander time‘s has invented the most primitive robot “ automaton”. By the power of the water, the air and the steam pressure, the statue（雕像） can move and even open the door as well as sing.
Leonardo Humanoid Robot with Internal Mechanisms
History
Jaquet-Droz Automata (雅克-德罗机械人偶),1774
The Writer「作家」,The Draughtsman「画家」和The Musician「音乐家」
History
The Western Zhou Dynasty, our country‘s skilled craftsman Yan (偃师)developed the actor who could sing and dance well, this was the robot which our country recorded most early.
History
American Machine and Foundry, later known as AMF Corporation, markets a first cylindrical robot, called the “Versatran”.
1978
1962
The Stanford arm performed small-parts assembly using feedback from touch and pressure sensors. It had marketed a version of the arm for industrial applications. The new arm was controlled by a minicomputer.
机械工业出版社
Outline
Introduction Robot Components Kinematics Dynamics Control Motion Planning Simulation
Outline
Introduction Robot Components Kinematics Dynamics Control Motion Planning Simulation
USA Writer Isaac Asimov (1920 – 1992)
Asimov also proposed his three “Laws of Robotics”.
Science Fiction 《I，Robot》
LAWS OF ROBOTICS
Law Zero: A robot may not injure a human being, or, through inaction, allow a human being to come to harm. Law One: A robot must obey orders given it by human beings, except where such orders would conflict with a higher order law. Law Two: A robot must protect its own existence as long as such protection does not conflict with a higher order law. Law Three: A robot may take a human being’s job but it may not leave that person jobless.
The variable sequence robot
Teaching and playback robot
Numerical control robot
History
Second Generation
Touch sensors
Pressure sensors
Vision sensors Sonar system
History
The idea of robot goes back to ancient time of china.
The Spring and Autumn Period, our country had a renowned carpenter Lu Ban（鲁班）. He was also an inventor in the mechanical aspect, according to “Mo Jing”（《墨经》） records. Once he had made a wooden bird that could in the aerial flight “on three days”, which manifest working people's intelligent wisdom in our country.
Introduction to robotics
Huashan Feng
School of Mechanical Engineering, NPU. Shaanxi Engineering & Technology Research Center of Special Digital Manufacturing Equipment.
Hit goes back to ancient time of china.
The 1800 year‘s ago, Han Dynasty, great scientist Zhang Heng has not only invented the seismograph（地动仪） but also the count drum vehicle（计里鼓车）. On the vehicle, the wooden figurine beats a drum each mile and strikes a clock every ten miles.
References
S. K. SAHA. Introduction to Robotics. China Machine Press
References
John J. Craig 贠超 等译 Introduction to Robotics
Mechanics and Control.
later added a “fourth law”.
History
1954－1961
USA inventor George C. Devol (L) and Joseph F. Engleberger(R)
The first industrial robots were Unimate developed by George Devol and Joe Engelberger in the late 50’s and early 60’s.
Rossum’s Universal Robots (RUR)
捷克作家
History
1950
The word “robotics”, used to describe this field of study, was coined accidentally by the Russian –born , American scientist and science fiction writer, Isaac Asimov in 1940s.
Introduction
History Definition Robotics Types of Robots
History
History
The idea of robot goes back to ancient time of over 3000 years ago in the world.
The 1738 year, French talent technician Jake ·Wore ·Wack has invented a machine duck. It can quack calls, swim and drink water, even eat food and drains. The original intention of Wack is to perform the biological function with the mechanization to carry on the medicine analysis.
+
photoelectric cell
……
Sensors
Robot
1965，Beast
The PUMA (Programmable Universal Machine for Assembly) robot is developed by Unimation with a General Motors design support.
1973
试题