机器人技术期末复习

1、Word文档Word文档机器人组成：机器人一般由执行机构、驱动装置、检测装置（部和外部检测）和控制系统（集中式和分散式控制）等组成。机器人分类：按几何结构分类：利用机构特性分类。串联机器人：各连杆为串联并联机器人：各连杆为并联机器人的体系结构：从体系结构来看，机器人分为三大部分六个系统，分别是：三大部分：机械部分（用于实现各种动作）传感部分（用于感知部和外部的信息）控制部分（控制机器人完成各种动作）六个系统：A驱动系统：提供机器人各部位、各关节动作的原动力。B机械结构系统：完成各种动作。C感受系统：由部传感器和外部传感器组成。D机器人-环境交互系统：实现机器人与外部设备的联系和协调并构成功能单

2、元。E人机交互系统：是人与机器人联系和协调的单元。F控制系统：是根据程序和反馈信息控制机器人动作的中心。分为开环系统和闭环系统。机器人的性能要素：自由度数（解释）衡量机器人适应性和灵活性的重要指标，一般等于机器人的关节数。机器人所需要的自由度数决定于其作业任务负荷能力机器人在满足其它性能要求的前提下，能够承载的负荷重量。工作空间（解释）机器人在其工作区域可以达到的所有点的集合。它是机器人关节长度和其构型的函数。精度指机器人到达指定点的精确程度。它与机器人驱动器的分辨率及反馈装置有关。重复定位精度指机器人重复到达同样位置的精确程度。它不仅与机器人驱动器的分辨率及反馈装置有关，还与传动机构的精度及

3、机器人的动态性能有关。控制模式引导或点到点示教模式；连续轨迹示教模式；软件编程模式；自主模式。最大工作速度单关节速度；合成速度。其它动态特性如稳定性、柔顺性等。机器人技术展望：操作臂技术、移动技术、感知技术、自主控制技术先进机器人：随着生物学、神经行动学和仿生学等学科的发展，及其在仿生机器人技术中的应用，仿生机器人的研究近年来受到了越来越大的关注，并将在很长一段时间成为机器人技术研究领域的一个重点研究容。仿生机器人的研究是模仿生物的身体结构和功能，代替传统的工业机器人并设法找出动物能发挥巨大作用的某些特定的身体结构，然后再把这些结构融合到现有的技术中来。仿生机器人的主要研究分类：（1）.运动仿

4、生位移运动、执行运动（2）.感知仿生听觉、视觉、嗅觉等（3）.控制仿生定向导航、计算推理、群体控制（4）.能量仿生炭水化合物分解驱动（5）.材料仿生仿生皮肤、肌肉机器人系统设计的考虑：（1）.机器人机构（执行机构、移动机构）（2）.机器人驱动器（电驱动器、液压驱动器、气动驱动器（3）.机器人传感器（传感器、外传感器）（4）.机器人能源（电源、其他）（5）.机器人视觉（6）.机器人控制工作空间：是机械手末端执行器所能到达的围。灵巧的工作空间是末端执行器能够从各个方向到达的空间区域。四种常见类型：直角坐标型、圆柱坐标型、球坐标型、关节坐标型。口由度（DegreeofFreedomDOF）口由度是指

5、使机械手具有确定运动时所必须给出的独也运动的数目.是机械手中能够独&驱动的关节数目=自由度选取通常依据任务而定：如呆需哽机械手能略到达二维空间的全部位蜀和咨态，则真至少贱该冥备6个白由度。参考坐标系机器人的夢考坐标系是用来表示机器人旋转、移动等运动的坐标系口通常玻用3种：全局蓼考坐标系、关节聲考坐标系和工具零考坐标系亠机器人关节的构成：机器人的关节一般由马达，减速机，位置传感器，速度传感器，传动齿轮等机构构成。机器人移动机构的分类：车轮式：在平坦的环境下移动效率高于履带式和腿式移动。履带式：稳定性好，越野能力和地面适应能力高、牵引力强移功机构应用环境陆地车轮式移斑机构履带式移动机徇跃足式移动机

6、构配形移功机幌璽奁吸附式秽动机构泯會式移动机徇空中蠟战桨移动机构翅屣移动机构水下搏进器移动机构酷移动帆构机器人设计方法：1总体方案设计在设计之初*痕首先明确机器人的设计目的机器人面对的是什么拝的使用薜体.机器人应用于什么领域.机器人的主耍应用目的是什么.然后.抿据设计目的确定机器人的功能要求。功能要求是对机器人功能特性的表述J是一个完整去达机器人功能特性、彼此独立的杲小集台2、详细设汁在总体方案确定后.根据控制索统设计优先机械结构设计的原则.首先根据总体的功能要求选择合适的控制方案在控制方案确定后根据选定飾控制方案选样驱动方式山在控制系统的设计及驱动方式确宦及荷，就可以开始对机械部分进行设计机

7、器人设计过程中最主要的设计问题之一是传动紊统的说计.传动索统的好坏将直接影响机器人的稳定性.快速性和精确性等性能参数N制造、安装、调试和编写设计文档在详细设计完成之后T先筛遥标准元器件，对口制零件谜行检査.对外购的设备器件进行验收：然后，对各子系统调试后总体安装，整机朕调：最后编写设计文档，机器人的位姿主要是指机器人手部在空间的位置和姿态，有时也会用到其他各个活动杆件在空间的位置和姿态。机器人位姿是建立在机器人坐标系之上的描述形式，有了位姿，机器人手部和各个活动杆件相对于其他坐标系的位置和姿态就可以用一个3*1的位置矩阵和一个3*3的姿态矩阵来描述。齐次坐标：将一个II维空间的点用口+t维坐标

8、表加.则该n+1维坐标即为n维坐标的齐次坐标。P=Px內PzwT一殷情况下阳称为该齐次坐标中的比例因子，当取硏二1时其表示右法称为齐次坐标的规格化形式.即P=PxPyPz1世2：4疋1列阵Gbc如1申第四个元盍为歌H満足a3-b2+亍二:L则3bc匸丁中a.b.c的丧乔某轴的方向；4列阵Labc詞丁中第四个元素不为零，则丘bc初r表示空间某点的垃置动系与静系：在所建立的机器人坐标系中，运动时相对于连杆不动的坐标系称为静坐标系，简称静系（一般情况下是基座坐标系）；跟随连杆运动的坐标系称为动坐标系，简称动系（关节坐标系）。动系位置与姿态的描述称为动系的位姿表示，是对动系原点位置及各坐标系轴方向的描

9、述IT设有卜机弗人的iiff,百贰定rii+TFQ上臬点的垃置和该辻杆在空间的遅态，则称该连料在空同是完全确定的”0%连杆上任一点rOYZ与连杆固按的牛功坐杯系，即为時系.连tfFQ汗同定坐中的住宜呵用齐枚坐杯如対01y01Q连杆的迤态可由訪盏的坐拆訥方向来际.令叭、辺别.AjOTiYZ坐标轴的单位矢星，养单技方向矢星在铢瑕卩丄勺份戢为功条再坐标和附才冋余確.劭齐次坐杯琶代分別总示対例；如團表示固连于谨杆的坐标系B也于DJ乩=2.YB1,2a=O.在期Y平商内.坐柿茶個郴対固定坐樣系小荷-平日旷的徧转，试耳出农示连杆位谨的坐标.5US的4=4也阵去达式”则唧卑杯泵IB的44申阵我达式为PS66

10、715000.0002JJ0000366O.DDO1J0ODQDODQOi.om00.00i-忖胃.酬障/J-1Uif焉的方向列“T卅-云：ITcas50?cojJ-0J(6T0:C：0J%的”向列討=0：丄Lccj.L-mlu-tninr-.11rrrn1至的力向列卉n._】nnt1m-rr算子左右乘规则：相对固定坐标系进行变换，则算子左乘：若相对动坐标系进行变换，则算子右乘0000Q00c0J0000例；血用所示单臂操作于-的手腕也具封”吓自山度匚已知手拥起殆位桂拒阵为岳若手臂枫轴旋转+曲。，则手部到达右卫若手脅不越仅手部趨手騰厶轴廡转+弟叭则于-觀列达写阳于卉険掠丢GJ吃石2的序阵去世式

11、roG-,00.乎002j10C007200C1-LUU00I00L10020-10600120DO1平移变换：空间某一点*坐标为皿曲ya.4）肖它平移至虫直，坐标为（XLrvZJ.舟点和A.点的坐标关墨為000000字程变换例；如僅所示誉标索的平特变换给岀了：D,动坐标棗A相对于固罡坐标爭的、4轴作（一12.打平移后到A；2?,动坐标系此相对干自身坐标乘的JCY.Z拍分團作（-1.2.2）平尊后眷V3】，物祐;Q箱对于固定坐标系柞Q,6.平機后到Q0-10f-L00J00-11丁脚电比”加辽）一L.、附坐弥乘足础乖橫沿固宦坐尿.嘉柞T稚变换隹來的-故笋f左乘.A的抱叶ftiAA为1DD_0-

12、1DfD-1otr01D2-L0D1-1103U01200-1100-13000200D1_0001_故算了-右乘*国的距2.曲”坐标系足动库泪自站坐标承柞甲移变技檸來的阵托达克沖1Jn=Trans(-Ia2=口忤变换frL如国所示坐菇系的平移娶畔出了：为“轲ftQ相对于固罡坐标系柞(2.6.n)平移后爭口-1o(10.4)IJJK5If-中,i:-u22L0C1：-1-JL10D00200jLI：1L1物悴Q的产炭坐琮变梗平移算手九I:fI联合变换：联合变换就是平移变换与旋转变换组合在同一次变换中。非常重要，要考若将芹次半林变檢妒阵廿块.则有cosiSt一廿厂左上角的sxs矩阵是两个坐标系之

13、问的7i匕坤怖為卸足曲酱业标耒之刚的Mill齐倉坐标曼按矩許幫称人位迄矩阵sinfl00Cfi.；Pr叫理:內%1曲比耳!生D!10L00_由此可見在齐枕坐标变换距陆的令块矩阵中,.旋转变换朋阵.它描述I它山之间的姿虑关廂,平祿曼换矩阵.它描述f它们之间的快宜关焉,w、專乍执系u向區附r芈标鋼叩卩釦擁粉竄：氐、叫、怙塑标汞U丨的上轴对唯标氛s的三十方向氽弦:、注、宀坐标去|川的$地対爭标聚的.牛方向亲出%、乩一那曲氓的土琏对芈标眾的二个方向亲监串联机器人运动学方程：利用坐标变换，就可以确定机器人手部的位姿矩阵M与关节变量qi之间的函数关系。具体的过程是先建立机器人的手部、机座和各个活动杆坐标系

14、，然后确定各个坐标系之间的变换参数，再得到相邻两个坐标系之间的齐次坐标变换关系（位姿矩阵），最后通过乘积运算得到机器人的运动学方程。过程：仁建立机器人坐捺乘2、关节变量机耀人塑建u.的坐标系主姿有二种：在机睹人底功学山程中，所涉及的舂机曄唯标粟歎有两类，-裘足机器人杆件的几何舞杆旌标靠&,另-洪是关节的运対參数手部樂标嘉Dttftn何截数在半改机蔷人的机枸中.關机鲁和手邮杆件聊-耳余机器人的杆件飾是通:丈两端的拦书与其啊杆件连帳起来苗.拾定任-r机希人的洁萄杆忏i如區卜芒所示在福述该杆件时.歪用別酉牛几何彷数：1杆件世度：i；机JftAfTWffi皓击节铀线之间的厢离I益垂堂氏產:24tfra

15、ftai:机器人杆忤两皓芷齐轴變之目的夹丸沿卧重缕方向若下去J*专关节运就乖数当杆禅1-丄和杆件:Lii订关芬1违按起来之后.如图卜密所示省函亍轩忡击戢时.它1之吗的岔和关系可凤通诃提节i的两亍苗右帝敦来迸行1S述:1关TTldi：机鵲人招连两中开杵的卡：度在矢书営鲨丄的羽翦（仝垂弐长度；:2矢15B5?*0,机器ATBS两吓杆件的忆彥在芟t袖注上的夹餡iFlIIJ13.氏解相邻杆件的位姿矩阵郴衆杆库的检迈矩阵就是两个H1邻何件坐标垂之可的齐次坐标空换距阵，它占达了两牛杆件才间的傥置耳姿态关系吊计吓龍卄译量插耳曼托辞悅X畑,*S4te也甩：itrB-Ri-iz.册F燔山舸脚岸.夷IitfTwi

16、irtCij.fl.OK-:;-pirf?*0,：1如屮匪氏Q.科此-WM-艮则%厲LDik,轴屮样油龙揭虬=曲1叩1叩二cm叫-iinff.4.建立运动学方程求解出济有相邹杆件的社卷矩阵H讣“!(_朗后jy机器人手擁的荷.姿矩哄咅牛关节变楚wti=l.2.H之间裁有了晞逹的两数吴爲齐机宅矗甲凶迄算原理，可殍岭二虬“瞅?忆如杯=f辆心h2,it浚爾対机嚣人的返功方出它旌述机崙人于-那莅机座出标中州社和蚩态勺郴祸人所有关节变耳之问的数学关乘,X.bJim已知三冃由度平面关节机话人阳图3-烦(a)所示，设机器人杆件1.2,3的怅度为11.12.3便用第-种卑态护阵雀让机器代的运囱学方较水平向右为垂

17、位0000000000000000000000000000000运动学方程构建过程:1.建立坐标系2列出参数和关书变量写出相邹杆件的位姿矩阵建立运动学方程杆件编号i-1j-i&!关节变m00nii创n叭n10ii%20ii3bn%也厂00匚0（日1+鬼+眄-珥睨%004.建立话动学方程将相邻杆件依次相乘0辛幷+陀4-4匚日1230厶昭+耶堪4-1001sinl.-fl,+凤J=sin十02,1得到机器人手部相对于基座的位置和姿态信息位置:Pg=姿态？-1230机器人运动学方程的解：J玖123-s6120：优十l2C0l2十占住柠123葺碍&0*1占坊+hS12+上泸血品%p=001000011

18、0001正解：百对机器人运动苧问题的求解称为运动学方稈的正解.若机器人结构參数已知，则蚩給出机器人备个运动关节的关节变虽时，就可确定机器人手部在机座坐标系中所处的位置和姿态即可确定运动学方程中位姿拒阵忖站的幹元叢值逆解：针对机器人运成乍逆问题的求解称为运动吓:方程的逆解.当给出机器人手部在机座坐标系中所处的位置和姿态时，即给定了运动苧方程中位姿距阵同础的弭元素值-如何求出机器人弭个运动关节变量值.是求解机器人运动学的逝问题.也称为间接位置求解a机器人运动学方程的正解是唯一的，但机器人运动学方程的逆解却有无解、一解和多解三种情况。多解性：机器人的运动学逆解具有劣解性（如图所示）对于给定的位置与姿

19、态它具有两俎解造成机器人运幼学逆解具有筝解的原闵是由于解反三角函数方程产主的.对于-个貢实的机器人*只有-组解与实际惜况对应，为此必须撇出判断#凶选择合适的解“通常釆用剔除留余解的方皑：（D根据关节运动空间来选择合适的解R（2）选择个垠接近的解-（3）根按避障姿求选择绘适的解.（4）逐级剧除多余解可解性：能否求得机器人运动学逆解的解析式是机器人的可解性问题B所有具有转动和移动关节的机器人系绻在i个单-串联链中共有E个自由度（或小于&个白由度）时是可解的.其通解是数堕解f不是懈析农达式-是利用数值迭代原理求解得到的，其计翌虽比求解析解九得务.机器人的雅可比矩阵：雅可比揭示了操作空间与关节空间的映

20、射关系。雅可比不仅表示操作空间与关节空间的速度映射关系，也表示二者之间力的传递关系，为确定机器人的静态关节力矩以及不同坐标系间速度、加速度和静力的变换提供了便捷的方法。机器人稚可比的定乂创.如圉所示为二自由度平面关节型机然人住口机器人），端点谊置兀住关节“冉的关泵为uPrbJ称为前图所示2R机器人的速度雅可比，它反映了关节空间微小运动de与手部作业空间微小位移dX的关系。实际操作运算可得：dur磁5i&Y&Y曲1r=T叭-显-it由上分折扩展到“自由度机器人，芜节变量可用广丈关节变量4表示q二虽曲，屮”1当关节为族转关节时qi二敢关节在空间的微小转动；2)当关节为移动关节时qi=Ji,dq-町

21、dg，dq町T反映了关节空间的薇小运动*机器人末端在礫作空间的位昼和方位可用末端手爪的位資X表示，它是关节变量的函数I咒二叙对，并且是一个丘细列矢量.dX-dX,dY,dZF梓，牛Y,呼F反映了机器人在操作空间的微小运动，它中机黑人齐謂徵小线位稱和微小笛位禅衢小族描夕打航反映了机器人手都坐标系的微分运动与各关节微分运动的关系。dX=Ag)gJ(q)是总xn绅储导数矩阵，称为ri自由度机器人速度雅可比1.6.1机器人雅可比的定文J为机器人的雅可比矩阵.它反映了机器人于部坐标系的微分运动与各关节微弁运动的关系。稚可比审阵是机器人手部在空间的谑度七各亍关节速度之阿的线性变换关駄也可认为是机器人关节速

22、度与手部速度之问的传动比谑宝分析和醉力分折-3XIXjcrdYdT盯斶SZ边s叭翅:込d徵3q.理瓯.踐位移箱位移根按虚悅常原蝉，机雄人处十平衝狀态的克吩啮楚圣件是刘任豆符合几值的克怖虚艮移有W=0并注电到虚位移Eq和蛊X之间符合杆件的ri何药虫笫件Word文档Word文档1.6.2机議人連度分桁利用机器人谨度雅可比可对机器人进行谨度分析，对雅可比左右除以毗盛cLy=Ji.q为机器人末端在操柞空间中的广文連度：b为机眾人关节在关节空间中的芜节速度:J(q)沖确罡关节空间理度与操作空间速度Y之间关系的雅可比矩阵厦2口机黠人为例J(q)昱2x2矩阵。令儿人分别为所示雅可比的第列矢呈和篦2列先“则.

23、促由第一亍关节运动引起的端点速度v=ji+J点仅由第二个关节运幼引起的端点逮度尚的端点速匿为这囲个速度矢量的合成因此，机器人速度腿可比的毎一列表示其也关节平动而菓一关节运动产主的端点遠度匚I例如阳所示的二自由度机撼手，手部沿固定坐圻系兀轴正向tll.ilm/s的速度萼动,杆氏1讦1产0.5叽设柱某8131=30,典=6炉.求相应瞬时的关节遑度/=一届对一鸟呦吗兀肛炖十212Ac12J=4L2班12片!尹021-/,9-fsin90*4S-jj=rsinA+rcofiBH1、设定幣卡丿L坐标系，确定变量Q：连杆1关节变虽关节1和尖节名相应的力屯mp连杆1和连杆2的帀呈r连杆杆性s（丄、氏、y2r

24、连杆慣贮位直质心位置團关节中心的距禹2.机器人渤能及势能rt?LgrL5LH6朋曲5111盒抓器人动力腰方程1）关节1上的作用力.?cost)y2=?sin9Vj-x.十儿二广十尸01）机器人连科期能和总动能（质显叫叫，娃度v=叫才9+性F日+2叫ff9+密戰琨碣耳+rnr）黄节1肯转就黄节，f为力护T*I,=(/|24w,r2)042閉二“G+geosB(叫斤+m.r)加破部分磁部分位移部分2）关节苗上的忙用力.曲艾节.q2-r,f作用力Word文档Word文档Word文档冬机器人妙力学方程-般形式T打1厂細十吟广2十2m；rrDjje出!i2f；D|2|片D&的06（叭F+眄尸）2）1i3

25、=0;D!2l=0;D3=ffl3gsinG诜实际審数如T；l?iD.=10kj5.r=liE.r=l2m心境辕变代潘囲E-3血3J垠大速度日-lrads,r-lnzS大加谨便0-iradsi-ln.-s2计慕3种惰况下閑拒出的驱曲力：L手臂禅在最外端.在雄直和水平包置静止试烝下手欝伸在最外端.以最丸速庚从丞直位置运动到水平杭置;手臂f曰托最外端.静山，但以星戈:轻向加逋度启勒垂宜和水半朗忡犠态t,-1-(mtr)+m,hgcost)-20*9+8cos0水平：0=t.r,=16kj-/j2iMi6=90kgFB1/jij=6勺惜况：手昏伸在竝外端.以最乂逸度从垂庖也置运动到水平位晋*T,=+

26、1?|；0；|9=196056+20T,=20-216kg77Z2/52科氏力有影瞩*怛与重力比+影响较小对情况：手样仲在眾外端*許止但以闲人轻向加这段底础TOC o 1-5 h z垂宜和朮平丙种狀态】.t(=D亠q|0=196cord410q二30226kgm?/s2|重力负戦变化扱大，在垂直状态是零.在水平时是最K(196)对机器人揑制影响很人+在实師中可采用平葡的方医或前馈补偿的方法.也.关节空间：n个自由度操作臂的末端位姿X由n个关节变量所决定，这n个关节变量也叫做n维关节矢量q,所有关节矢量q构成了关节空间操作空间：末端执行器的作业是在直角坐标空间中进行的，即操作臂末端位姿X映射是在

27、直角坐标空间中描述的。关节角度qi匕运动学逆解手部位姿X速度雅可比V=X.hq)i/r手部谨度di关节迪度dq_-逆适琛就万匚厂？力雅可比T=JtF.关节力矩工逆力雅可比F=(y；r帆手部力F关节空间勃力学疥滋:遙游:祂阀:滋原象換作今间关节空间惯性跆/离心力、科氏矢虽孕操柞力矢*F=Mx(X+Ux(qrq)灿0关节力矩关节变虽速度/加迷度点位控制和连续控制：PTP(PointtoPoint)控制是指我们只关心目标点，而不考虎两点(A-B)之间的运动路從.PTP控制比较简单，-般只用丁简单的搬运送料等作业.在机器人中属低级控制水平CP(ContinuousPath)控制,是指连续路鏡控制，即我

28、们不仅关心机器人到达目标点的精度，而11必须尿证机器人能沿所希型的轨迹在一宦稱度范闹内跟踪活动。井时控制先旧轴驱动电机运动瓦g再让Y轴电机运动想要得到直线轨述N越大越妤，即厶xAy小越好.直理论上，不能得到真正的直线執迹。同时控制如果控制机器人的两个柚的驱动电机.同时按某种规律完成孔和兀距离，则它们的舍成轨迹就是我们所希望的直线仝_厂P严片-兀同时控制%分时控制2）示教与再现T/P,j式肉基本控剖恩整示找一曲现（Teachin-Playback,T/P）方式I业机器扎啊耗本抨制思相如凰小敢时.操作者通过示教盒编耳运劲指令.即用户匸作程序.煞后rti卄算机按照这些帝令査找它和应隣功能代码井存炭到

29、个揺定前入数数据盘九-这个过程称之为示教编程包姑轨迹数摞柞业条件顺疗導丿。出川时机番人的讥算机控制系统冃威遂条取出示教命卷与其他有夬数热进rr解读、计算.做出利團后，将相应信号送制相应的关节何服系统或端口，使机器人丙现小教过的劝件”这个过程称之为“鬥期締译”:因此，打?方式工业机器人的计算机软件控剛系统是以“示教编程”土碎自幼翻译”为核心的1-3.运动规划机器人的规创是分层次的，先从高股的任务规划，动作毂划再到爭部的轨迹规划和关节轨迹规划，最荷才是底层控制。任务规划和动作规划任鉛规创和功柞规划属于机黠人屁级规划的范時，一般依赖人来禿成.机黠人首先把任务分解为一系列子任务这一层次的规划称为任务规划.然后再将-t子任务分轉为一系列动作*这一层次的规划称为动作规划阿如|i!S血柏b吧趣3*1MJL建1t相牢曲轨I-士忌吻临孚他审|-阿證竄也启与孤，码订I机器人倒水的层次規划映旧2.1轨迹规划1）路径规划和轨迹规划丄业机器人通常具有轨迹规划和底层的控制功能，操作员只输入机械于术端的H标位帰和方位，以及运功到H标点的时间（或速匿），机器人控制器便可确定岀达到冃标的关节轨迹。轨迹是指机器人衣运动过程中随时间变换的位置、速度和加速度，它与路栓不同，路径是指牢间的|川线它小包含时间的概念。轨迹规划的一般方法运功学映射领直唾亘_罢苗亘區m关予空面运页矛瓦T-萸至樓食轨迹规划的基本考虑