机器人技术课件汇总全套ppt完整版课件最全教学教程整套课件全书电子教案

1、机器人技术基础Menzel, Peter. DAluisio, Faith . Robo sapiensEvolution of a New Species, Cambridge:MIT Press,2000Schraft R.D., Schmierer G., ServiceroboterM , Berlin, Springer-Verlag 1998Robonaut Hand NASAHIT/DLR 灵巧手DEXTRE, the Special-Purpose Dextrous Manipulator (courtesy ofthe Canadian Space Agency)Angele

2、s J., Fundamentals of Robotic Mechanical System: Theory, Methods, and AlgorithmsM, New York, Springer-Verlag, 2014机器人机械系统谱系 第1章 绪论1.1 机器人概述1.1.1机器人的定义1.1.2机器人的发展概况1.2 机器人的组成、工作原理与分类1.2.1 机器人的基本组成1.2.2 机器人系统工作原理1.2.3 机器人的分类 1.3 机器人的研究领域 1.1 机器人概述 1.1.1机器人的定义森政弘与合田周平：机器人是一种具有移动性、个体性、智能性、通用性、半机械半人性、自动性

3、、奴隶性等7个特征的柔性机器”。森政弘：用自动性、智能性、个体性、半机械半人性、作业性、通用性、信息性、柔性、有限性、移动性等10个个特性来表示机器人的形象。加藤一郎（日本机器人之父）提出的具有如下3个条件的机器称为机器人：(1)具有脑、手、脚等三要素的个体；(2)具有非接触传感器（用眼、耳接受远方信息）和接触传感器；(3)具有平衡觉和固有觉的传感器。美国机器人协会（RIA）1972年定义机器人是“一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置的，通过程序动作来执行各种任务，并具有编程能力的多功能操作机”。国际标准化组织（ISO）GB/T 12643-2013 机器人与机器人装备 术语eqv IS

4、O 8373:2012定义为：在工业自动化中使用的操作机是自动控制的，可重复编程、多用途，并可对两个和两个以上轴进行编程。它可以是固定式或移动式。操作机(Manipulator)是指一种机器，其机构通常是由一系列相互铰接或相对滑动的构件所组成。它通常有几个自由度，用以抓取或移动物体(工具或工件)。可重复编程是在不更换机械结构或控制系统即可更改已编程的运动和辅助功能。JIS B 0134：1998工业机器人是“一种能够通过自动控制来进行操作或移动，且由程序对各种作业进行控制的工业用机械。工业操作机器人为“3轴以上，可自动控制、能够再编程、移动或固定的通用操作机械” JIS B0185：2002中

5、，智能机器人是具有人或动物的全部或部分的推理、学习、认识与理解等的智能的机器人。机器人特性(1)在结构上，机器人模拟了动物(特别是人)的肢体功能，在空间中构成多轴驱动的机器或机械电子装置，例如：工业机器人模拟了人类的从腰部到手掌的上肢，步行机器人模拟了人类或步行与爬行动物的下肢；(2)具有通用性与灵活性，通过编程可以改变机器人所完成的工作任务，这里所提到的编程是广义的，即可能是在编程系统下进行人工编程、也可能是自动编程；(3)具有一定程度的智能，能够自主的完成一定操作。尽管从字面上给人感觉机器人具有很好的智能，但是，目前机器人的智能还是非常有限的。工业机器人的特点(1)能高强度地、持久地在各种

6、生产和工作环境中从事单调重复的劳动，使人类从繁重体力劳动中解放出来。(2)对工作环境有很强适应能力，能代替人在有害场所从事危险工作。(3)具有很广泛的通用性，比一般自动化设备有更广的使用，既能满足大批量生产的需要，又能满足产品灵活多变的中、小批量的生产作业。(4)具有独特的柔性，它可以通过软件调整等手段加工多种零件，可以灵活 、迅速实现多品种、小批量的生产。(5)动作准确性高，可保证产品质量的稳定性。(6)能显著地提高生产率和大幅度降低产品成本。“Robot”的来源1920年，捷克作家Karel Capek的科幻剧Rossums Universal Robots（罗萨姆的万能机器人），剧中描写

7、了一批能从事各项劳动、听命于人的机器，取名为“Robota”（捷克语），含义为：forced worker （奴隶）。 英语：Robot 德语：Robot 日语： 俄语： 汉字：机器人 Karel Capek（18901938）美国著名科学幻想小说家Issac Asimov在小说“我是机器人”中提出了有名的“机器人三原则” 第一定律：机器人不得伤害人，也不得见人受到伤害而袖手旁观。第二定律：机器人应服从人的一切命令，但不得违反第一定律。第三定律：机器人应保护自身的安全，但不得违反第一、第二定律。The three laws of robotics:1、A robot may not injur

8、e a human being, or, through inaction, allow a human being to come to harm.2、A robot must obey the orders given it by human beings except where such orders would conflict with the First Law.3、A robot must protect its own existence as long as such protection does not conflict with the First or Second

9、 Law.第0定律：机器人必须保护人类的整体利益不受伤害，其它三条定律都是在这一前提下才能成立。1.1.2机器人的发展概况 1961年，诞生了第一台工业机器人的商用产品Unimate。1962年，恩格尔伯格(1925 J. Engelberger)和乔治德沃尔创立了第1家机器人公司Unimation，恩格尔伯格被称为机器人之父(1983年，Engelberger以出1亿700 万美元将Unimation公司卖给了西屋公司)刘进长. 与世界机器人之父对话. 机器人技术与应用，2001(3)：13Gerard ORegan. Giants of Computing. London :Springe

10、r,2013 英格尔博格与实验室的“伙伴”George Devol(1912-2011)加藤一郎研制的仿人机器人 1973年，日本的机器人之父，早稻田大学的加藤一郎教授开始研究仿人机器人，成功研制出了双腿走路的机器人 蒋新松和水下机器人中国工程院院士蒋新松创建了我国第一个机器人工程研究开发中心。领导研制了水下机器人系列产品，工业机器人、特种机器人，被誉为中国机器人之父。中国应用现状国际机器人联合会（IFR）统计数据显示，2011 年全球共新装机器人139300 台，较2010 年提高了18%。随着新兴应用领域的不断发展，预计到2014 年全球工业机器人年产量将以年均6%的速度增长，平均每年将新

11、装167000台2006年我国工业机器人新安装台数为5770台,2007年为6581台,2008年为7900台,2009为5000台。截至2009年末, 我国工业机器人安装量为36800台。从2010 年开始我国工业机器人需求量激增，较2009 年增长了1.71 倍。预计到2014 年需求量将达到32000台，我国将成为全球最大的需求国。著名的工业机器人公司瑞典的ABB Robotics，日本的FANUC(发那科)、Yaskawa(安川)德国的KUKA(库卡)美国的Adept Technology(其前身为Unimation的西海岸分部)American Robot、Emerson Indus

12、trial Automation(艾默生工业自动化)、S-T Robotics意大利COMAU，英国的AutoTechRobotics，加拿大的Jcd International Robotics，以色列的RobogroupTek公司、新松机器人自动公股份有限公司等。机器人工业史上几个标志性事件1922 捷克作家Karel Capek的戏剧Rossums Universal Robots,第一次出现Robota(机器人)一词1946 George Devol开发出示教再现装置。Eckert和Mauchley在宾西法尼亚大学建造了ENIAC计算机1952 第一台数控机床在MIT诞生1954 Ge

13、orge Devol申请可编程机器人专利1955 Denavit与Hartenberg提出齐次变换方法1961 George Devol 制造了第一台工业机器人的商用产品Unimate1962 Unimation公司成立，GM公司安装了第一台机器人机器人工业史上几个标志性事件1967 Unimation公司推出Mark II机器人，第一台喷涂机器人出口到日本1968 第一台智能机器人Shakey在斯坦福研究所(SRI)诞生1972 IBM公司开发出直角坐标机器人1973 Cincinnati Milacron公司推出T3机器人1978 Unimation公司推出PUMA机器人1982 GM和日

14、本Fanuc公司签订制造GMFanuc机器人协议1983 机器人课程列入教学计划1990 Cincinnati Milacron公司被瑞士ABB兼并1.2 机器人的组成、工作原理与分类1.2.1 机器人的基本组成 机器人内部传感器信息反馈 工作对象及环境信息反馈 机器人系统的基本结构机器人系统软件及编程语言系统控制器及控制算法机器人本体工作对象 关节位置、 编制控制程序 执行程序 速度、加速度 相互作用1.2 机器人的组成、工作原理与分类1.2.1 机器人的基本组成1)机器人的本体2)计算机硬件系统及系统软件3)输入-输出设备及装置4)驱动器5)传感器系统1.2.2 机器人系统工作原理焊接机器

15、人系统原理图机器人的工作方式 “示教再现”方式：它通过“示教盒”或人“手把手”两种方式教机械手如何动作，控制器将示教过程记忆下来，然后机器人就按照记忆周而复始地重复示教动作。“可编程控制”方式：工作人员事先根据机器人的工作任务和运动轨迹编制控制程序，然后将控制程序输入给机器人的控制器，起动控制程序，机器人就按照程序所规定的动作一步一步地去完成，如果任务变更，只要修改或重新编写控制程序，非常灵活方便。大多数工业机器人都是按照前两种方式工作的。“遥控”方式：由人用有线或无线遥控器控制机器人在人难以到达或危险的场所完成某项任务。如防暴排险机器人、军用机器人、在有核辐射和化学污染环境工作的机器人等。遥

16、控机器人(telemanipulators)通过人来构成闭环控制。人借助于复杂的传感器和显示装置进行控制的机械系统。操作者也就成了控制系统的一个中心单元。根据显示的信息，操作者对较正信号调整以完成所需完成的动作。“自主控制”方式：机器人控制中最高级、最复杂的控制方式，它要求机器人在复杂的非结构化环境中具有识别环境和自主决策能力，也就是要具有人的某些智能行为 1.2.3 机器人的分类 1)机器人的结构形式分串联结构与并联机构少自由度与冗余自由度欠驱动与冗余驱动抓取机构与灵巧手、轮式与步行式等。1.2.3 机器人的分类 2)按用途分(1)工业机器人。主要工作在柔性生产线上，如点焊、弧焊、加工、搬运

17、、装配及喷漆机器人等。(2)自主车。其行走机构多为四个轮子，用在自动化生产车间运送零部件，也可作为服务机器人用在医院、机场等处。(3)水下机器人。用于海底探测。(4)建筑机器人。砌墙、贴瓷砖等。(5)外星探测机器人。其行走机构常为6个轮子或8个轮子，作为外星探测时，常称其为漫游车。(6)服务机器人。酒店及家庭服务、汽车自动加油等。(7)林业机器人。其行走机构常为履带式、腿式及轮腿结合式。用于运输木料、挖掘树根、栽种树苗及采集树果等。(8)农业机器人。用于田间作业。1.2.3 机器人的分类 3)按控制信息输入方式分类(1)操作机器人：通过人的直接操作，能控制完成部分或全部作业的机器人，是最低级的

18、机器人。(2)顺序控制机器人：按照预先假定的信息（顺序、条件、空位等）逐步进行各步骤动作的机器人。(3)示教再现机器人：通过示教操作向机器人传授顺序、条件、位置和其它信息，然后机器人能按照所存贮的信息，反复再现示教动作。(4)数控机器人: 通过输入程序、条件、位置和其它信息的数值与语言，然后机器人可按照所存贮的信息重复实现操作。(5)传感控制机器人：利用传感器反馈信息控制动作的机器人(6)智能工业机器人：凭人赋予的智能决定行动的工业机器人，其智能包括认识、识别能力，学习能力，思维推理能力，适应环境能力等。4)按技术等级分 第一代机器人主要以“示教-再现”的方式工作 第二代机器人拥有外部传感器，

19、对工作对象、外界环境具有一定的感知能力。 第三代机器人拥有多种高级传感器，对工作对象、外界环境具有高度适应性和自治能力，可以进行复杂的逻辑思维和决策，是一种高度智能化的机器人。 1.2.3 机器人的分类 5)按照结构形态，负载能力和动作空间划分超大型机器人：负载能力 1000 kg 以上大型机器人：100-1000 kg / 10 m2 以上中型机器人：10-100 kg /1 10 m2小型机器人：0.1-10 kg / 0.1-1 m2超小型机器人：0.1 kg 以下 / 0.1 m2 以下1.2.3 机器人的分类 传统机器人学的研究内容机器人学：关于机器人设计、制造和应用的一门学科。运动

20、学、动力学、轨迹规划、操作手控制(包括位置与力控制)、机器人传感器、路径规划与任务规划。研究内容均在笛卡尔空间对机器人或环境用符号进行描述(关节空间可映射至笛卡尔空间)，然后实施规划和控制。1.3 机器人的研究领域 1)机器人的机构理论2)传感器与感知系统 3)驱动、建模与控制 4)自动规划与调度5)计算机系统 6)应用研究 7)其他主要机器人相关期刊机器人机器人技术与应用 自动化学报 机械工程学报系统仿真学报The Inter. Journal of Robotics Research Mechanism and Machine Theory Multibody System Dynamic

21、s Journal of Intelligent and Robotic System Journal of Robotic Systems IEEE Trans. on Robotics and AutomationIEEE Trans. on Industrial Electronics IEEE Trans. on System, Man, CyberneticsTrans. of ASME Journal of Dynamic System, Measurement, and Control 参考书宋伟刚，柳洪义. 机器人技术基础(第2版)，冶金工业出版社，2015谭民，徐德，侯增广等

22、编著. 先进机器人控制. 高等教育出版社. 2007蔡自兴. 机器人学（第三版），北京：清华大学出版社，2015龚振邦，汪勤悫，陈振华，钱晋武，机器人机械设计，北京：电子工业出版社，1995孙迪生，王炎，机器人控制技术，北京：机械工业出版社，1998陈垦，杨向东，刘莉等. 机器人技术与应用. 北京：清华大学出版社，2006Paul R.P. Robot Manipulator: Mathematics, Programming and ControlM. Cambridge Mass.,MIT Press. 1981(中译本：郑时雄，谢存禧译. 机器人操作手：数学、编程与控制. 机械工业出版社

23、. 1986) John J. Craig. Introduction to Robotics: Mechanics and Control (3rd Edition), Prentice Hall.2004 (中译本：贠超等译. 机器人学导论(第3版). 北京：机械工业出版社. 2006)Angeles J. Fundamentals of Robotic Mechanical System: Theory, Methods, and Algorithms(Second Edition)M, New York, Springer-Verlag, 2003(中译本：宋伟刚译. 机器人机械系统原

24、理：理论、方法和算法. 北京：机械工业出版社.2004)Jorge Angeles. Fundamentals of Robotic Mechanical Fourth Edition). Springer. New York,2014Harry Henderson. MODERN ROBOTICS: Building Versatile Machines. New York :Chelsea House. 2005工业机器人的相关标准GB11291-1997工业机器人安全规范GB/T12642-2001工业机器人性能规范及其试验方法GB/T12643-1997工业机器人词汇GB/T12644

25、-2001工业机器人特性表示GB/T14283-2008点焊机器人通用技术条件GB/T14468.1-2006工业机器人机械接口第1部分：板类GB/T14468.2-2006工业机器人机械接口第2部分：轴类GB/T16720.3-1996工业自动化系统制造报文规范第3部分：机器人伴同标准GB/T16977-2005工业机器人坐标系和运动命名原则GB/T17887-1999工业机器人末端执行器自动更换系统词汇和特性表示GB/Z19397-2003工业机器人电磁兼容性试验方法和性能评估准则指南GB/T19399-2003工业机器人编程和操作图形用户接口GB/T19400-2003工业机器人抓握型夹

26、持器物体搬运词汇和特性表示GB/T20722-2006激光加工机器人通用技术条件GB/T20723-2006弧焊机器人通用技术条件第2章 机器人的机构2.1 机器人的关节与自由度2.2 串联机器人的典型结构2.3 并联机器人结构2.4 机器人的手部机构与灵巧手2.5 移动机器人的机构2.6 工业机器人的技术参数 2.1 机器人的关节与自由度常用的运动副转动副R棱柱副P螺旋副H圆柱副C平面副E球面副S通用关节T自由度 1112332等效的单自由度关节形式PRPPRRRRRRR低副机构的自由度和约束度机器人本体的构成机器人的机构(或本体)本质上为空间多体系统多体系统各物体(Body)的联系方式称为

27、系统的构型多柔性体系统考虑系统元件的弹性多刚体系统忽略弹性多刚体系统由刚体(质点)、弹簧、阻尼器和驱动器等元件构成。元件之间通过固接或运动副连接成多体系统。运动副、关节、构型在机器人系统中：运动副=关节。凡单独驱动的称为主动关节，反之称从动关节。工业机器人手臂的关节常为单自由度主动关节，即每一个关节均由一个驱动器驱动。由物体和运动副构成机器人手臂的方法可分为两种。一种是串联，构成串联杆件机械手臂，或称开链机械手臂；一种为并联，构成并联机构机械手臂，或称闭链机械手臂。自由度、任务空间维数、系统的驱动数(控制输入)GB/T 12643中给出的自由度的定义为：指用以确定物体在空间独立运动的变量(最大

28、数为6)。并建议在描述机器人的运动时最好不采用“自由度”以避免与“轴”的定义混淆。习惯上还是采用自由度的说法。机器人机构能独立运动的关节的数目称为机器人机构的运动自由度。换句话说，机器人的自由度等于关节空间维数机器人的任务空间维数是机器人工作时所需的末端位置和姿态参数数目 。位于3维空间的刚体需要6个独立参数确定其姿态机器人的任务空间最多只要有6个自由度。平面2维空间运动最多只需要3个自由度。系统的驱动数(控制输入)为机器人系统中独立驱动的数量。(1)少自由度与冗余自由度少自由度机器人：少于6自由度的机器人。应该在满足功能的前提下尽量减少自由度的数量以降低系统的复杂性。例如，A4020装配机器

29、人具有4个自由度冗余自由度机器人：三维空间运动的机器人自由度(驱动轴数)多于6个。他可以克服一般机器人灵活性差、避障能力低、关节超限以及动力性能差等缺点。(2)欠驱动与冗余驱动欠驱动机械系统是指控制输入量(独立驱动数)少于系统任务空间的维数的机械系统。如移动机器人、太空机器人和欠驱动机械臂等都属于此类。多级倒立摆是典型欠驱动系统。欠驱动机械系统的控制比全驱动机械系统要复杂，但欠驱动机械系统具有一系列优点，如节约能源、节约材料和空间体积等，并且在一些特定情况下（例如，双足行走机器人、机器手等应用），欠驱动控制甚至会取得更佳的结果，这里的“更佳”指的是高效，灵活等特性。例如6足机器人有18个独立驱

30、动，但在运动过程中任务空间的维数为6。冗余驱动系统的独立驱动数多于系统的自由度数。至少一个闭环的运动链形成（或者是在一个开环的运动链执行一个任务与环境进行刚性接触时形成，或者是本身就被设计为闭环机构）才会导致这种情况出现。在并联机构方面要实现冗余可以有三种方式：在原来非冗余的机构中增加至少一个额外的、相同的驱动支链；在原来的每个运动支链中增加驱动关节，驱动关节的数量超过机构所需的自由度；修改其中的一个运动支链，其主动关节数比其它支链的主动关节数多。(3)变胞机构与变拓扑结构在具有多个不同工作阶段的周期中,含有闭环的多自由度运动链呈现不同拓扑结构形式结合其机架和原动件来实现不同功效称为变胞机构。

31、机器人从爬梯子到吊挂摆动的过程。此过程也是拓扑结构发生改变的，但通常不会称为变胞机构。变胞机构理论更主要地体现研究方法的系统化。仿人机器人转换动作拓扑结构的变化2.2 串联机器人的典型结构串联结构是杆之间串联，形成一个开运动链，除了两端的杆只能和前或后连接外，每一个杆和前面和后面的杆通过关节连接在一起采用的关节为转动和移动两种工业机器人本体的功能类似人的上肢。通常，串联结构机器人包括手臂、手腕和抓取机构几个部分坐标型：直角、圆柱坐标、极坐标关节型：SCARA、PUMA1)串联机器人的构型(1)直角坐标型 (2)圆柱坐标型 (3)极坐标型(4)关节型机器人 Unimation公司的PUMA (P

32、rogrammable Universal Manipulator for Assembly-可编程通用装配机器人)牧野洋SCARA机构 (Selective Compliance Assembly Robot Arm-选择顺应性装配机器手臂)串联机器人的基本结构形式、结构简图和工作空间 2)驱动方式(1)直接驱动方式(2)平行连杆驱动方式平行连杆结构型机器人 缩放结构3)手腕的结构绕小臂轴线方向的旋转称臂转、使手部绕自身轴线方向的旋转称为手转，使手部相对于手臂进行的摆动称腕摆2.3 并联机器人结构并联机构是由运动副和构件按一定方式连接而成的闭环机构。其动平台或称末端执行器通过至少2个独立的运

33、动链与机架相联接。必备的要素如下: 末端执行器必须具有运动自由度；末端执行器通过几个相互关联的运动链或分支与机架相联接；每个分支或运动链由惟一的移动副或转动副驱动。并联机构多具有26个自由度。 2.3 并联机器人结构澳大利亚著名机构学教授Hunt在1978年提出，应用6自由度的Stewart平台机构作为机器人机构Gough(1956-1957)为疲劳试验最先引入这种机械系统 Stewart-Gough机构 并联机构优点 并联机构运动平台由多杆支承，刚度大、结构稳定；在相同自重与体积下承载能力高；并联机构末端没有串联机构末端件的误差积累和放大作用，故误差小、精度高；基于并联机构的机械很容易将电机

34、置于机座上，运动负荷比较小，而基于串联机构的机械其电机及传动系统都放在运动件上，增加了系统的惯性，恶化动力学性能；在运动学求解上，并联机构正解求解困难、运动学逆解求解非常容易，而串联机构的正解求解容易、逆解求解十分困难。由于在实时控制这些机构时要计算逆解，故并联机构在这方面很有优势；并联机构的自身机构的耦合性和特点，建立封闭式动力学模型相当困难。Clavel 提出的Delta并联机构基础平台、动平台都是等边三角形，它们之间以3条完全相同的支链连接，每一个支链与基础平台用转动副R连接，用作机构的输入，平行四边形结构与上平台及定长杆均以球面副S连接，消除了运动平台的3个转动自由度而保留了3个纯平动

35、自由度。 Clavel的Delta机器人结构和ABB的FlexPicker IRB 340Neumann的专利Tricept并联机构并联机器人操作机由动平台、静平台、3条可伸缩支链、导向装置组成。各支链的通过通用关节U和基础平台联结，另一端用球面副S与动平台联结；导向装置由一条伸缩连杆组成，杆的一端与动平台固定连接且正交， 其另一端与静平台通过通用关节U连接。Neumann 的专利结构与ABB的IRB 940机器人并联结构机器人是机器人机构学研究的热点。其应用领域包括运动模拟器、工业机器人、并联机床、医疗、天文望远镜等领域。立柱机床的结构简图 手术机器人 2.4 机器人的手部机构与灵巧手手部工

36、具更换机构 2.4.1 机器人手部机构吸嘴结构 不规则表面电磁吸盘 圆弧开闭式手部 平行开闭式手部 不同运动学构型的抓取运动Andreas Wolf, Ralf Steinmann, Henrik Schunk.Grippers in MotionThe Fascination of automated handling tasks. Springer 20052.4.2 灵巧手Stanford/JPL灵巧手 Robonaut灵巧手Gifu II 手DLR灵巧手具有多种感知功能的、高度集成的、机电一体化的多指灵巧手DLR/HIT灵巧手3关节手指2.5 移动机器人的机构移动机器人（Mobile

37、Robot）具有移动功能的机器人车间中应用的机器人行走机构均为轮式。 自动引导车(AGV)，有轨运输车(RGV)或堆垛机(Staker Crane)。轮式、履带式、足式移动机器人的应用领域星际探索和海洋开发 在建筑领域完成混凝土的铺平、壁面装修、检查和清洗采矿业中进行隧道的掘进和矿藏的开采农林业中从事水果采摘、树枝修剪、圆木搬运军事上用于探测侦察、爆炸物处理福利方面进行盲人引导，病员护理等。 移动机器人所处的环境 结构环境：能利用车轮移动。移动环境是在导轨上(1维)；铺设好的道路(2维)。非结构环境：履带，步行机构。 陆上2维、3维环境；海上、海中环境；空中、宇宙环境等原有的自然环境。陆上建筑

38、物的内外环境(阶梯、电梯、张紧的钢丝)，间隙，沟，踏脚石(不连续环境)等；海上、海中的混凝土，作为构筑物的桩、钢丝绳等有人工制做物的环境2.5.1车轮型移动机构(1)2轮车 (2)3轮车 (3)4轮车 火星探测用小漫游车 (4)全方位移动车 全轮偏转式全方位车轮卡纳姆车轮及其速度合成 (a）横向右移 ( b）原地转动全向移动平台的运动方式(5)上下台阶车轮式机构 (6)不平地面移动的多节车轮式机构 星球考察用多节小车多节小车跨越障碍 2.5.2履带式移动机构(1)卡特彼勒(Caterpillar)高架链轮履带机构 (2)形状可变履带机构 (3)位置可变履带机构 两自由度变位履带移动机构2.5.

39、3 多足步行机器人(ASV-Adaptive Suspension Vehicle)多足步行机器人的机构人体下肢机构模型 The Big Dog轮腿结合步行机 日本名古屋大学福田敏男基于黑猩猩的真实骨骼模型开发了多运动模式类人型机器高 1.0 m, 重约 22 kg, 全身共有24个自由度，其中每条腿包含6个自由度，每个手臂具有5个自由度，腰部2个自由度。手部具有一个手指，具有和黑猩猩类似的结构，可完成梯子横档的抓握任务，为防止打滑，机器人脚底板处粘贴有摩擦性能良好的薄橡胶。(RPY)横滚(Roll)俯仰(Pitch)偏航(Yaw)2.6 工业机器人的技术参数 (1)自由度 表示工业机器人动作

40、灵活程度的参数，一般是以沿轴线移动和绕轴线转动的独立运动数来表示(2)重复定位精度位姿重复性，在相同的条件下，用同一方法操作时，重复多次所测得的同一位姿散布的不一致程度(3)工作空间 工业机器人正常运行时，手腕参考点能在空间活动的最大范围(4)额定速度工业机器人在额定负载、匀速运动过程中，机械接口中心或工具中心的最大速度(5)极限负载工业机器人在限制的操作条件下，保证其机械结构不损坏，机械接口处能承受负载的最大值 PUMA机器人工作空间 A4020型SCARA机器人工作空间 第3章 机器人运动学 3.1 引言3.2 坐标变换3.3 Denavt-Hartenberg(D-H)表示法与机器人运动

41、学正问题 3.4 机器人运动学逆问题 3.5 机器人的速度分析与雅可比矩阵第3章 机器人运动学 3.1 引言机器人运动学是在不考虑力和质量等因素的影响下运用几何学的方法来研究机器人的运动。机器人的运动学包括位置、速度和加速度分析。机器人运动学位置分析的两个基本问题 运动学正问题(DKP-Direct Kinematic Problems) 已知杆件几何参数和关节变量，求末端执行器相对于参考坐标系的位置和姿态。运动学逆问题(IKP-Inverse Kinematic Problems) 已知机器人杆件的几何参数，给定末端执行器相对于参考坐标系的位置和姿态，确定关节变量的大小。机器人坐标系变换 参

42、考坐标系中描述机器人的各杆件的运动在每个杆件上建立一个附体坐标系运动学问题归结为寻求联系附体坐标系和参考坐标系的变换矩阵。 工业机器人的坐标系GB/T 16977-2005/ISO 9787:1999坐标系和旋转运动的定义绝对坐标系(World coordinate system)：与机器人的运动无关，以地球为参照系的固定坐标系。机座坐标系(Base coordinate system):以机器人机座安装平面为参照系的坐标系。机械接口坐标系(Mechanical interface coordinate system)：以机械接口为参照系的坐标系。工具坐标系(Tool coordinate s

43、ystem)：以安装在机械接口上的末端执行器为参照系的坐标系。标准坐标系的表示示例术语说明杆件(link)用于连接相邻关节的刚体。操作手的机座(manipulator base)一平台或构架，操作机第一个杆件的原点置于其上。末端执行器(end-effector)为使机器人完成其任务而专门设计并安装在机械接口处的装置。操作手的结构(architecture of manipulator)由关节参数(DH参数)确定构形(configuration)在任何时刻均能完全确定机器人形状的所有关节的一组位移值。姿态(Posture)说明各杆件的位置时同上 说明末端执行器时指末端执行器的位置和方向有时将末端

44、执行器的方向也称为姿态位姿(Pose)空间位置和姿态的合称。3.2 坐标变换 3.2.1 旋转变换3.2.2 绕任意轴转动的旋转矩阵3.2.3 以欧拉角表示的旋转矩阵3.2.4 坐标系原定不重合下的坐标变换3.2.5 齐次坐标和变换矩阵 3.2.6 变换方程P在OXYZ系的坐标： OUVW系的坐标： 3.2.1 旋转变换旋转变换矩阵由矢量分量的定义式将其投影到OXYZ系的各轴上旋转变换矩阵表示为旋转变换矩阵旋转矩阵的各列分别为动坐标系各轴相对参考坐标系的方向余弦旋转变换的逆变换由坐标 可求得坐标 旋转变换和逆变换的关系旋转矩阵为正交正则矩阵正交：列向量之间相互垂直 正则：列向量为单位向量OUV

45、W坐标系绕OX轴转动 角，变换矩阵称为绕OX轴旋转 角的旋转矩阵 基本旋转矩阵 这时 ，也就是基本旋转矩阵 绕OY轴转 角 基本旋转矩阵 绕OZ轴转 角 绕OXYZ坐标系各轴的多次转动 旋转变换矩阵把基本旋转矩阵连乘起来 矩阵乘法不可交换，注意转动的次序如果OUVW坐标系绕OXYZ坐标系的坐标轴转动，对旋转矩阵左乘相应的基本旋转矩阵 如果OUVW坐标系绕自己的坐标轴转动，对旋转矩阵右乘相应的基本旋转矩阵 当OUVW坐标系绕OXYZ坐标系顺序绕OX轴旋转 角，绕OY轴旋转 角，绕OZ轴旋转 角时，旋转变换矩阵为基本变换矩阵运算的说明【例3-1】：求表示绕OY轴转 角，然后绕OW轴转 角，再绕OU

46、轴转 角的合成旋转矩阵。 3.2.2绕任意轴转动的旋转矩阵 动坐标系OUVW绕任意单位矢量 转动 角旋转过程为：绕OX轴旋转绕OY轴旋转- 角，使 轴指向OZ轴的方向绕 轴转过 角，绕OY轴旋转 角绕OX轴旋转- ，使 轴转回到它原来的位置。 绕任意轴旋转 绕任意轴旋转旋转矩阵3.2.3以欧拉角表示的旋转矩阵 欧拉角描述转动刚体相对于参考坐标系的方向的角度3个角度3个参数的角度给定法有24种不同的方案欧拉角方式陀螺运动 绕OZ轴转 角，绕OU轴转 角，绕OW轴转 角欧拉角方式绕OZ轴转 角，绕OV轴转 角，绕OW轴转 角 飞行器的转向欧拉角(RPY) 侧倾(Roll)、俯仰(Pitch)和偏转

47、(Yaw)角绕OX轴转 角(偏转)，绕OY轴转 角(俯仰)，绕OZ轴转 角(侧倾)3.2.4 坐标系原定不重合下的坐标变换3.2.5 齐次坐标和变换矩阵 齐次坐标用n+1维坐标来描述n维空间中的位置，其第n+1个分量(元素)称为比例因子 坐标变换的数学表达带来方便 坐标值缩放功能 三维空间位置矢量 齐次坐标为 实际坐标和齐次坐标的关系直角坐标系OXYZ原点的齐次坐标齐次坐标表示OX轴的无穷远点指向OY轴和OZ轴的无穷远点三维空间的位置矢量的齐次坐标表达并不是唯一的。将w取为1，齐次坐标和矢量的实际坐标就相同在机器人学的应用中w总是取为1。齐次变换矩阵T(Homogeneors Transfor

48、mation Matrix)齐次变换矩阵是44矩阵把一个以齐次坐标表示的位置矢量由一个坐标系映射到另一个坐标系齐次变换矩阵T机器人系统的运动分析中，齐次变换矩阵 基本齐次变换阵 纯转动齐次变换矩阵 基本齐次变换阵 齐次平移矩阵TtranOUVW坐标系的原点平移到参考坐标系的 点，保持坐标轴平行。 求合成齐次变换阵 若动坐标系OUVW绕(或沿)OXYZ系主轴转动(或平移)用相应的基本齐次阵左乘齐次变换矩阵；若动坐标系OUVW绕(或沿)它自己的主轴转动(或平移)用相应的基本齐次旋转(或平移)矩阵右乘齐次变换矩阵。 齐次变换矩阵的含义把在动坐标系OUV中用齐次坐标表示的矢量映射到OXYZ参考坐标系中

49、3.2.6 变换方程3.3 DenavtHartenberg(DH)表示法与机器人运动学正问题 Denavit和Hatenberg(1955)提出了一种为关节链中的每一杆件建立附体坐标系的矩阵方法。 (1)坐标系的建立 (2)几何参数定义 (3)建立 i坐标系和i-1坐标系的齐次变换矩阵 (4)确定机械手的末端相对于机座坐标系的位置和姿态 特点概念清晰3.3.1 Denavt-Hartenberg(D-H)表示法杆件i的特征参数 杆件i的长度 两个关节轴线的最短距离 杆件i的扭转角 两个关节轴线的夹角 杆件间的相对位置关系参数两杆间的距离(关节轴上两个法线的距离)连杆距离 两个杆件的相对位置夹

50、角 关节轴上两个法线的夹。 (1)坐标系的建立 n关节机器人需建立n+1个坐标系参考(机座)坐标系为机械手末端的坐标系为第i关节上的坐标系为建立坐标系规则 轴沿着第i关节的运动轴； 轴垂直于 轴和 轴并指向离开 轴的方向；Y轴按右手坐标系的要求建立 第0号坐标系在机座上的位置和方向可任选， 轴沿着第一关节运动轴 第n坐标系可放在手的任何部位，只要 轴与 轴垂直 (2)几何参数定义 串联机器人相邻坐标系之间的关节关系的4个参数 绕 轴(右手规则)由轴 向 轴的关节角； 从第i-1坐标系的原点到 轴和 轴的交点沿 轴的距离； 从 和 的交点到第i坐标系原点沿 轴的偏置距离( 和 两轴间的最小距离)

51、； 绕 轴(右手规则)由 轴转向 轴的偏角。 关节参数和关节变量 转动关节关节参数关节变量 移动关节关节参数关节变量 (3)建立 i坐标系和i-1坐标系的齐次变换矩阵 将坐标系 绕 轴转 角，使Xi-1轴与 轴平行并指向同一方向；将坐标系 沿 轴平移距离 ，使 轴与 轴重合；将坐标系 沿 轴平移距离 ，使两坐标系的原点重合；将坐标系 绕 轴转 角，使两坐标系完全重合。 相邻坐标系D-H变换矩阵 i坐标系和i-1坐标系的齐次变换矩阵 (4)确定机械手的末端相对于机座坐标系的位置和姿态 第i坐标系中的点 在第i-1坐标系中表示第i坐标系相对于机座坐标系的位置的齐次变换矩阵 机械手的末端相对于机座坐

52、标系的位置和姿态此表达式可称为机器人运动学位置分析方程手部坐标系 法向矢量 滑动矢量 接近矢量 位置矢量 【例3-2】建立下图末端的变换矩阵 驱动轴(Driving Axis)坐标系方法3.3.2 机器人运动学正问题 机器人运动学正问题已知机器人各关节、各连杆参数及各关节变量求机器人末端在机座坐标系中的位置和姿态用于机器人的工作空间的确定与机器人设计对于串联结构机器人，只需要将关节变量带入运动学位置分析方程求出末端相对于参考坐标系的齐次变化矩阵左上角的33矩阵为旋转矩阵姿态右上角的13矩阵为末端位置位置【例3-3】确定图所示机器人的位置和姿态 斯坦福机器人的连杆及关节参数 【例3-4】建立下图

53、所示机器人相邻坐标系间的转换矩阵 PUMA机器人的连杆及关节参数 关节i 关节变量 关节变量值 i d i a i关节变量范围 cos sin 1 190 -90 0 0-160+160 0 -1 2 20 0 149.09mm431.8mm-22545 1 0 3 390 90 0-20.32mm-45225 0 1 4 40 -90 433.07mm 0-110170 0 -1 5 50 90 0 0-100100 0 1 6 60 0 56.25mm 0-266266 1 03.4 机器人运动学逆问题 机器人运动学逆问题已知机器人杆件的几何参数，给定末端执行器相对于参考(机座)坐标系的位

54、置和姿态确定关节变量的大小在编制机器人控制程序在参考(机座)坐标系中来指定机械手末端工具的位置和姿态，必须驱动机器人各关节由当前位置到达与末端工具位姿相应的位置机器人逆运动学的求解方法对偶代数，螺旋理论，解析方法，图解法半图解法已经能够对一般结构的6自由度串联机器人进行逆运动学求解。只有满足下列两个充分条件之一，才可获得显式解3个相邻关节轴交于一点；3个相邻关节轴平行 【例3-5】已知图示机器人位置和姿态，试确定机器人各关节变量 已知用 左乘上式 3行4列对应元素的相等关系 解得1行4列及2行4列对应元素相等 3行3列对应元素的相等关系第1行3列和第2行3列对应元素相等 3.5 机器人的速度分

55、析与雅可比矩阵雅克比矩阵的意义建立起机器人手端在机座坐标系中的速度与各关节速度间的关系手部与外界接触力与对应各关节力间的关系 影响系数3.5.1 雅克比矩阵的定义 n自由度机器人，关节变量向量 手部在机座坐标系中的位置和姿态位置和姿态是关节变量的函数 雅克比矩阵 3.5.2 雅克比矩阵的求法 JLi和JAi分别表示第i 个关节变量引起的三维线速度系数和三维角速度系数 平移关节产生的线速度 (1)移动关节 仅此关节运动，其余的关节静止不动 设bi-1为zi-1轴上的单位矢量 从而 JLi = bi-1移动关节的平移不对手部产生角速度 旋转关节产生的线速度 (2)转动关节 角速度转化到机座坐标 产

56、生的线速度 总结第i 个关节为移动关节 第i 个关节为转动关节 (3) 确定bi-1和 用b表示zi-1轴上的单位向量 转换在机座坐标系 用矢量x表示在各自坐标系中的原点 齐次坐标 【例】建立下图的雅克比矩阵 3.5.3 雅克比矩阵的逆 当n=6时，J是66方阵 直接求逆 当n6时，J不是方阵 雅克比矩阵的逆就用其伪逆矩阵J 3.5.4 雅克比矩阵的应用 (1)分离速度控制 用计算机控制时，把速度表示位置增量的形式 分离速度控制原理 (2)在静力分析中的应用 接触力f可表示为一个6维力向量一个驱动器只驱动一个关节n个关节需求n个驱动力 例 : 2自由度机械臂如图所示，取 =0， 的构型时，分别

57、求解当手爪力 和 的驱动力， (3)加速度关系 第4章 机器人静力学与动力学机器人动力学研究机器人运动与关节驱动力(力矩)间的动态关系描述这种动态关系的微分方程称为机器人动力学模型。机器人的动力学模型常常很复杂很难实现基于机器人动力学模型的实时控制。高质量的控制应当基于被控对象动态特性合理简化机器人动力学模型实时控制是机器人动力学研究者追求的目标 4.1 机器人静力学 机器人静力学研究机器人静止或者缓慢运动时作用在手臂上的力和力矩问题 当手端与外界环境有接触力时，各关节力矩与接触力的关系 作用在杆 i 的力和力矩 4.2惯量张量4.2.1转动惯量当刚体绕Z 轴转动时，转动惯量 为4.2.2惯量

58、张量刚体对O点的动量矩g由于 ，并利用 4.3 机器人动力学方程建立建立机器人手臂的动力学方程建立机器人动力学方程的方法牛顿-欧拉法拉格朗日法 凯恩方法Sir Isaac Newton，1643-1727英Joseph-Louis Lagrange，17361813法Leonhard Euler ，17071783建立动力学方程的坐标系求出在机座坐标系下的加速度、角加速度后可直接得到惯性力主动力的方向和大小主动力矩由力臂和力矩的矢量积得到惯性坐标系下直接得到惯性力，力臂需从动坐标系旋转变换在动坐标系下需将惯性力旋转变换到动坐标系，力臂直接在本坐标系下求出4.3.1 牛顿-欧拉方程作用在杆i 的

59、力和力矩 根据力、力矩平衡原理 角动量惯性力矩 坐标系之间的关系 是在机座坐标系下的矢量 从第i+1坐标系原点到第i杆重心的矢量，当在第i+1坐标系下求出后，需经旋转变换变换到机座坐标系 从第i坐标系原点到第i杆重心的矢量，当在第i坐标系下求出后，需经旋转变换变换到机座坐标系牛顿-欧拉方程的特点 没有明显地表示出关节位移与关节力间的关系 通过递推关系建立杆件的递归方程 可以解出表示关节位移与关节力间关系的机器人封闭动力学方程可以在绝对坐标系建立方程惯性坐标系可以在动坐标系建立方程需注意不是惯性方程，需要将惯性坐标系下的惯性力(力矩)变换到动坐标系下。 机器人封闭动力学方程 第一项：惯性力项第二

60、项：哥氏力和离心力第三项：重力项 【例4-1】求出牛顿-欧拉运动方程和用关节变量 ， 和关节力矩 ， 表示的封闭动态方程 解杆件1的牛顿-欧拉方程 杆件2的牛顿-欧拉方程 关节力矩和耦合力矩相等 消去 杆1坐标系下的矢量，需经旋转变换到机座4.3.2 拉格朗日方程 第2类拉格朗日方程 拉格朗日函数Qi为对应广义坐标的广义力 T 、U分别代表机器人手臂的动能和势能 动能杆i在基础坐标系中的速度与第 i 号杆及其之前各杆关节速度间的关系 势能广义力第i 个关节为移动关节 第i 个关节为转动关节 机器人动力学方程 【例4-2】用拉格朗日方法建立例4-1的平面二杆机器人动力学方程 解：由应用公式 应用