《智能机器人系统》全套教学课件

智能机器人系统1全套可编辑PPT课件

2025/1/26本课件是可编辑的正常PPT课件目录一、绪论二、机器人结构设计三、机器人运动学与动力学四、智能机器人轨迹规划2五、智能机器人控制技术六、智能机器人感觉与多信息融合七、智能机器人视觉系统八、智能机器人SLAM九、机器人路径规划十、智能机器人任务规划、决策与学习十一、智能机器人系统实例2025/1/26本课件是可编辑的正常PPT课件目录一、绪论1.1、机器人的产生与发展1.2、智能机器人定义及系统组成1.3、智能机器人系统分类31.4、智能机器人系统关键技术1.5、智能机器人系统发展趋势2025/1/26本课件是可编辑的正常PPT课件1.1机器人的产生与发展4机器人发展史2025/1/26本课件是可编辑的正常PPT课件智能机器人是指搭载人工智能技术的机器人系统,具备感知、认知、决策和执行等能力的智能型机器人。它们通过传感器感知外界环境、利用算法和模型进行数据处理和分析、决策和规划行动,并通过执行器实现物理操作,从而能与人类、环境和其他机器人进行交互和合作。智能体现在：自主性、适应性、交互性、学习性、协同性。1.2智能机器人定义及系统组成5智能机器人的定义2025/1/26本课件是可编辑的正常PPT课件1.2智能机器人定义及系统组成6软件操作系统执行机构算法交互通讯……传感器控制器驱动器+电机硬件感知决策行动智能机器人决策智能机器人系统组成：机械系统驱动系统控制系统感知系统学习与决策系统智能机器人系统组成2025/1/26本课件是可编辑的正常PPT课件这些层级在智能机器人系统中相互协作,从感知到理解、推理到决策,再到实际控制和用户交互,最终实现智能机器人的功能和任务。这种体系架构可提供一个完整且灵活的框架,以满足不同类型和应用场景的智能机器人的需求。1.2智能机器人定义及系统组成7智能机器人架构2025/1/26本课件是可编辑的正常PPT课件1.3智能机器人系统分类8公共服务机器人系统2025/1/26本课件是可编辑的正常PPT课件1.3智能机器人系统分类9医疗机器人系统农业机器人系统军事机器人系统此外，按照智能机器人行走机构进行分类，可分为：轮式机器人系统、足式机器人系统、履带式机器人系统、轮腿混合式机器人系统、飞行机器人系统等；按照自主性分类，可分为：预编程型机器人系统、半自主型机器人系统、自主型机器人系统等；按照环境适应分类，可分为：水下机器人系统、室内机器人系统、室外机器人系统等。这些分类标准可以根据实际需求和任务特点进一步细分，以满足不同应用场景的机器人系统需求。2025/1/26本课件是可编辑的正常PPT课件1.4智能机器人系统关键技术10轨迹规划：探讨机器人在复杂环境中如何规划最优轨迹以完成各类任务；控制技术：涵盖对机器人运动执行器的精确控制，以及实现复杂任务的先进控制方法；多信息融合：揭示智能机器人如何通过各种传感器获取、整合并利用信息来感知周围环境；机器视觉：深入研究机器人如何通过先进的视觉技术实现环境感知和目标识别；SLAM：阐述机器人如何在未知环境中实现自身的定位和地图构建，为机器人在复杂环境中的自主导航提供核心支持；路径规划：探讨机器人在执行任务时如何智能选择最优路径，以及如何适应不同的环境和任务需求；任务规划、决策与学习：通过任务规划、决策、学习，让机器人在复杂动态环境中执行任务时能够学习和适应，不断提升性能。通过这些关键技术的综合应用,智能机器人系统能获得高度的环境感知能力、自主决策能力和运动执行能力,实施多种复杂任务操作。2025/1/26本课件是可编辑的正常PPT课件1.5智能机器人系统发展趋势11硬件与机械设计创新感知能力与环境适应性提升学习和自主能力提升人机协作与合作性增强个性化和定制化应用伦理和法律问题的关注2025/1/26本课件是可编辑的正常PPT课件结束2025/1/26本课件是可编辑的正常PPT课件智能机器人系统-机器人结构设计132025/1/26本课件是可编辑的正常PPT课件目录142.1、概述2.2、机器人技术参数2.3、机器人的移动机构2.4、机械臂结构设计2.5、腕部及手部结构设计2025/1/26本课件是可编辑的正常PPT课件机器人的结构设计是一个复杂且精细的过程，需要综合考虑多个因素，以实现最佳的性能和操作效果。结构设计的基础是机器人的整体形态和结构，根据不同的工作场景选择合适的机械结构和布局，是确保机器人完成工作的重中之重。在设计过程中，需要考虑机器人的运动方式或自由度，以最大限度确保其适应不同的环境。选择适应不同环境下的材料，确保机器人能达到性能要求，也是必不可少的一环。此外，设计过程中需要对机器人的稳定性和安全性进行充分考虑，以防止智能机器人在运行过程中发生危险。2.1概述15PUMA560机器人搬运机器臂移动机器人2025/1/26本课件是可编辑的正常PPT课件由于智能机器人的设计、用途和用户需求的多样性，不同类型的智能机器人在技术参数上存在显著差异。这些参数通常包括自由度、工作空间、工作速度、负载能力、精度等。2.2机器人技术参数16自由度智能机器人的自由度是指机器人在执行任务时能自主移动的独立方向或轴线的数量，是智能机器人的一个重要技术指标。自由度的数量直接影响智能机器人在执行任务时的灵活性和可操作性，在智能机器人设计和控制中，自由度的定义和管理至关重要。自由度可分为平移自由度和旋转自由度2种类型。平移自由度:指智能机器人能在三维空间内沿着直线移动的自由度数量。例如，1个具有3个平移自由度的机器人可在x、y、z3个方向上移动。旋转自由度:指智能机器人能绕着某个轴线旋转的自由度数量。例如，1个具有3个旋转自由度的机器人可以绕着x、y、z3个轴线进行旋转。2025/1/26本课件是可编辑的正常PPT课件2.2机器人技术参数17自由度运动学模型SCARA机器人运动学模型，运动学模型具有1个平移自由度和3个旋转自由度，在小零件装配、材料搬运等方面具有较高的效率。工业机械臂具有6个自由度，即3个平移自由度和3个旋转自由度，可用于汽车制造业的装配、拆卸、尺寸测量等方面的工作。具有超过其自由度所需最小数量的轴或关节的机械臂称为“冗余机械臂”,因具有额外的自由度,在各种复杂的工业中具有重要应用。SCARA机器人运动学模型工业机械臂2025/1/26本课件是可编辑的正常PPT课件2.2机器人技术参数18工作空间工作空间通常用于描述智能机器人在三维空间内能覆盖的区域大小和形状。工作空间的大小取决于智能机器人的设计和安装,影响智能机器人工作空间的因素如下:关节数量与类型机械臂的自由度决定了其能覆盖的空间范围。常见的机械臂由4个自由度或6个自由度构成,两者的工作空间不同。某些机械臂可能具有更多的旋转关节或额外的运动方向,会影响其工作空间。机械臂的长度机械臂的长度也会影响其工作空间。较长的机械臂通常具有更大的工作空间,但可能会牺牲一些精度和速度。2025/1/26本课件是可编辑的正常PPT课件2.2机器人技术参数19工作空间机械臂的安装位置和姿态机械臂的安装位置和姿态会影响其工作空间。比如,机械臂安装在天花板上的情况下其工作空间将受到天花板和地面的限制,而机械臂的姿态也可能影响其能到达的区域。障碍物和限制工作环境中的障碍物和限制也会影响机械臂的工作空间。机械臂需要确保在操作过程中不会与其他设备、工件或周围环境发生碰撞。综合考虑以上因素,工作空间可通过机械臂的运动学建模和仿真来评估和优化,以确保机械臂能覆盖所需的工作区域,并在操作过程中能满足精度和安全性的要求2025/1/26本课件是可编辑的正常PPT课件2.2机器人技术参数20工作速度驱动系统机械臂的工作速度是指其执行任务时的移动速度,通常以单位时间内关节或末端执行器的位移或线速度来衡量。机械臂的工作速度受以下5个方面的影响:机械结构设计机械臂的结构设计直接影响其工作速度。轻量化设计和刚性结构通常有利于提高机械臂的响应速度和运动效率。驱动系统的性能对工作速度至关重要。不同的驱动方式(如电动、液压、气动)及不同型号的电动机或液压泵都会对机械臂的工作速度产生影响。2025/1/26本课件是可编辑的正常PPT课件2.2机器人技术参数21负载能力结构设计机械臂的负载能力是指它能承受的最大负载重量或力量。机械臂的负载能力取决于以下3个方面:机械臂的结构设计直接影响其负载能力。刚性和强度越高的结构通常能承受更大的负载。材料选择机械臂的材料选择对其负载能力有很大影响。采用高强度和轻量化材料能提高机械臂的负载能力。关节设计机械臂的关节设计和传动系统也会影响其负载能力。采用高效、稳定的关节传动系统可提高机械臂的负载能力。2025/1/26本课件是可编辑的正常PPT课件2.2机器人技术参数22精度定位精度精度通常用来描述机械臂在空间中定位、移动或操作目标时的准确程度。智能机器人精度包括定位精度和重复定位精度。智能机器人的定位精度是指其在执行任务时能准确达到目标位置或姿态的能力。这涉及机器人在空间中的位置和方向的精确控制。定位精度通常以智能机器人实际达到目标位置与预期目标位置之间的误差来衡量。重复定位精度重复定位精度是指智能机器人在多次执行同一任务时能重复到达相同位置或姿态的能力。它描述了智能机器人在不同时间点或不同条件下,能以多大的准确度重现之前的定位结果。重复定位精度通常以机器人在多次执行同一任务时位置或姿态的变化范围来衡量,以智能标准偏差或最大误差来表示。2025/1/26本课件是可编辑的正常PPT课件2.3机器人的移动机构23履带式移动机构由于智能机器人的移动机构的功能和应用场景的多样性,其面临着各种不同的工作环境和结构需求。常见的移动机构为履带式移动机构、轮式移动机构、腿足式移动机构等。履带式底盘车结构紧凑,机动性好,越障能力强,在非结构道路环境中具有良好的运动性能。履带式移动结构具有以下3个优点:通过性强履带式移动结构能适应各种不同类型的地形,包括坑洼、沙地、泥泞地及不平整的地面。大面积接触地面的特性使其在艰难的地形条件下具有出色的通过性能,适用于野外探索、救援等场景。稳定性强由于履带式移动结构与地面具有较大的接触面积,因此具有较好的稳定性。这使智能机器人在高速移动或承载重物时能保持平稳,减少因地形变化或外部干扰引起的摇摆和失稳。2025/1/26本课件是可编辑的正常PPT课件2.3机器人的移动机构242.3.1履带式移动机构由于智能机器人的移动机构的功能和应用场景的多样性,其面临着各种不同的工作环境和结构需求。常见的移动机构为履带式移动机构、轮式移动机构、腿足式移动机构等。履带式底盘车结构紧凑,机动性好,越障能力强,在非结构道路环境中具有良好的运动性能。履带式移动结构具有以下3个优点:通过性强履带式移动结构能适应各种不同类型的地形,包括坑洼、沙地、泥泞地及不平整的地面。大面积接触地面的特性使其在艰难的地形条件下具有出色的通过性能,适用于野外探索、救援等场景。稳定性强由于履带式移动结构与地面具有较大的接触面积,因此具有较好的稳定性。这使智能机器人在高速移动或承载重物时能保持平稳,减少因地形变化或外部干扰引起的摇摆和失稳。2025/1/26本课件是可编辑的正常PPT课件2.3机器人的移动机构25载重能力强由于履带式移动结构分布在大面积的履带上,可更均匀地承载智能机器人的重量。这使其在运输货物、执行重型任务或携带装备时具有更强的承载能力。目前,非结构环境下履带式底盘车以单节双履带式移动结构、双节四履带式移动结构、多节多履带式移动结构为主。单节双履带式移动结构单节双履带式移动机构主要是由驱动轮、承重轮、导向轮、履带、台车架等组成。单节双履带式移动机构通常包括一个中央主体,两侧各有一条履带,通过驱动系统使履带同步运动,具有灵活紧凑、稳定平稳、通过性强、负载能力高、易于维护等优点,广泛应用于各种环境2025/1/26本课件是可编辑的正常PPT课件2.3机器人的移动机构26双节四履带式移动结构双节四履带式移动结构其主体由履带、台车架、承重轮、驱动模块、驱动轮等构成。双节四履带式移动机构该结构由两组带传动模组和一组驱动模块构成,驱动模块安装在移动机构前端,用于驱动小臂的抬起。该结构具有分段灵活、稳定平衡、高承载力等优点,适用于灵活移动和稳定运动的场景。2025/1/26本课件是可编辑的正常PPT课件2.3机器人的移动机构27多节多履带式移动结构多节多履带式移动结构其主体由多个连接的节(或模块)组成,每个节配备多条履带用于移动,其主要由履带、驱动轮、辅助轮、主履带、抬升机构等构成。多节多履带式移动机构该结构在机器人的整体设计中具有多个相连的模块,每个模块上都配备了多条履带,用于提供机器人的移动力和稳定性。该结构具有稳定性强、承载力高等优点。2025/1/26本课件是可编辑的正常PPT课件2.3机器人的移动机构282.3.2轮式移动机构轮式移动机构是一种常见的智能机器人移动系统,它使用轮子作为主要的移动装置,其特点为效率高,能在平坦的地面上自由移动,质量较轻,制作简单,可广泛应用于不同领域的智能机器人系统中。按照轮子布局方式分类,可分为单轮式移动机构、双轮式移动机构、三轮式移动机构、四轮式移动机构及多轮式移动机构。单轮式移动机构单轮式移动机构仅配备一个轮子用于移动。这种移动机构通常将轮子安装在智能机器人的底部,通过单个轮子的旋转来实现智能机器人在地面上的移动。单轮式移动机器人是一个多变量、强耦合、非线性的复杂动力学系统,其产生稳定运动所需要解决的动态平衡问题,是一个很好的动力学和控制理论研究模型。2025/1/26本课件是可编辑的正常PPT课件2.3机器人的移动机构292.3.2轮式移动机构单轮式移动机构六自由度单轮式移动机器人主要由电动机、车轮、支撑杆、张紧轮和垂直转子等组成。该结构体采用铝合金框架构成的刚性机器人躯体,由前进车轮部分和侧平衡机构构成总体平衡控制结构,旋转装置为转向机构,传动机构、驱动机构等部分及其他辅助机构相互配合,实现整体机构的运动。六自由度单轮式移动机器人2025/1/26本课件是可编辑的正常PPT课件2.3机器人的移动机构302.3.2轮式移动机构双轮式移动机构双轮式移动机构主体配备2个轮子用于移动。这种移动机构通常将2个轮子安装在智能机器人的底部,通过2个轮子的旋转来实现智能机器人在地面上的移动。双轮式移动机构该移动机构主要由一个驱动轮和一个舵轮组成,驱动轮提供动力源,舵轮控制方向的变化,但是这种结构的智能机器人在速度、倾斜等物理量的检测和控制精度方面很难得到提高。目前的研究主要集中在提高其稳定性能。2025/1/26本课件是可编辑的正常PPT课件2.3机器人的移动机构312.3.2轮式移动机构双轮式移动机构两轮差速式移动机器人(1)差速轮式移动机构差速轮式移动机构使用2个轮子,但是2个轮子的转速可独立控制。通过差速控制,可实现智能机器人在转弯时内外轮子转速不同,从而实现转弯半径的调节和转向的精确控制。两轮差速式移动机器人如图所示。该移动机器人底盘由辅助导向机构、驱动轮、电动机、雷达等构成。两轮差速式移动机器人具有控制精确、操控性好、适应性强、稳定性高和节能高效等优点,适用于各种不同的智能机器人应用场景。2025/1/26本课件是可编辑的正常PPT课件2.3机器人的移动机构322.3.2轮式移动机构双轮式移动机构自平衡双轮式移动机构(2)自平衡双轮式移动机构该设计通过在双轮周围安装陀螺仪和加速度计等传感器,并配备以对应的控制系统,使智能机器人能自动保持平衡。自平衡双轮式移动机构常用于平衡车、自平衡机器人等交通工具中,能实现双轮上的人体平衡。自平衡双轮式移动机构主体主要由轮胎、主控模块、通信模块、传感器模块、电源模块、显示模块、驱动模块、编码器等构成,其小巧的身形使智能机器人运动更灵活。2025/1/26本课件是可编辑的正常PPT课件2.3机器人的移动机构332.3.2轮式移动机构三轮式移动机构三轮式移动机构三轮式移动机构配备3个轮子用于移动。这种移动机构通常包括两个后轮和一个前轮或两个前轮和一个后轮,通过这些轮子的旋转和转向来实现智能机器人在地面上的移动。如图(a)所示的构型在机动三轮车中较多。图(b)中前轮兼具驱动与操舵2个功能。这种结构由于操舵与驱动均集中在前轮上,所以机构较复杂。图(c)为后两轮独立驱动,前轮使用脚轮作为辅助轮,这种机构的特点是机构组成简单、移动机器人旋转半径可从零到无限大任意设定。2025/1/26本课件是可编辑的正常PPT课件2.3机器人的移动机构342.3.2轮式移动机构三轮式移动机构三轮式全向移动构型三轮式全向移动构型主要由电动机、麦克纳姆轮和底盘构成。这种结构采用3个麦克纳姆轮,分别布置在互相成120°的位置。这种布置不仅使智能机器人具有良好的稳定性,而且独立驱动各轮可实现智能机器人全方位移动,实现更灵活的运动方式。2025/1/26本课件是可编辑的正常PPT课件2.3机器人的移动机构352.3.2轮式移动机构四轮式移动机构四轮式移动机构四轮式移动机构是一种常见的机器人移动系统,其特点是配备4个轮子用于移动。这种移动机构通常由2对轮子组成,每对轮子分布在机器人的前后两端,可以独立控制。4个车轮布置在矩形平面的四角,后两轮差速驱动,前两轮同步转向如图(a);另外,还有前轮驱动兼转向方式如图(b);四轮转向加两轮驱动方式如图(c)。该配置方式使轮式移动机器人具有横向移动的能力。2025/1/26本课件是可编辑的正常PPT课件2.3机器人的移动机构362.3.2轮式移动机构四轮式移动机构四轮式移动机构四轮驱动小车能提供较强的驱动力,路面通过性较好,即使在路况不佳的情况下也可行驶。该四轮驱动小车由车轮、电动机、台车架、小车外壳和保险杠等构成。该四轮驱动小车具有牵引力强、通过性好、操控性强、稳定性高、适应性广和安全性高等优点,是一种常用于各种应用场景的高效移动工具。2025/1/26本课件是可编辑的正常PPT课件2.3机器人的移动机构372.3.2轮式移动机构四轮式移动机构由于麦克纳姆轮具有斜向排列的轮辐,经过适当的组合就可以实现小车的全方位移动,经过适当组合可实现小车的全方位移动。全向移动四轮智能小车主要由麦克纳姆轮模块、小车外壳和连接区域等构成。该四轮小车为全方向移动小车,通过特殊排列方式和轮胎形状,实现多向移动、灵活转向、平稳运动、高机动性和精准定位,适用于广泛的应用场景。全向移动四轮智能小车2025/1/26本课件是可编辑的正常PPT课件2.3机器人的移动机构382.3.2轮式移动机构多轮式移动机构六轮智能移动小车与传统的移动四轮智能小车相比,在移动速度、爬坡能力、驱动能力和转向精度等方面都有了更大的提升,而且因其高灵活性和高机动性,可适应多种极限工况。在复杂地形环境下,移动机器人要准确可靠地完成任务,精准的轨迹跟踪和避障控制是移动机器人完成任务不可或缺的条件。该小车由车轮、小车底盘和腿式结构等构成,具有高机动性、高通过性及高自主性。六轮智能移动小车2025/1/26本课件是可编辑的正常PPT课件2.3机器人的移动机构392.3.2腿足式移动机构腿足式移动机构是一种仿生机器人移动系统。这种移动机构通常由多个腿部组成,每个腿部都配备有多个关节,以模拟生物的运动方式。腿足式移动机构通过调节腿部关节的运动来实现移动,可在各种不同的地形和环境中灵活行走,并具有良好的稳定性和适应性。腿足式移动机构相较于轮式移动机构和履带式移动机构具有独特的优势:(1)腿足式移动机构能适应各种复杂地形和环境,包括不规则地形和障碍物,因为其具备更强的越障能力和灵活性。(2)腿足式移动机构可通过腿部的自由度和柔韧性克服各种障碍物,如越过障碍物、攀爬倾斜面等。这使其在复杂的环境中具有独特的优势。(3)相较于轮式移动机构和履带式移动机构,腿足式移动机构通常具有更好的稳定性,尤其是在不平坦或崎岖的地形上,其可通过调整腿部姿态来保持平衡。2025/1/26本课件是可编辑的正常PPT课件2.3机器人的移动机构402.3.2腿足式移动机构(4)腿足式移动机构具有较高的灵活性,可实现多种运动模式,如行走、爬行、跳跃等,适用于各种不同的任务需求。由于其仿生设计和灵活性,腿足式移动机构被广泛应用于机器人领域,包括探索、救援、军事、医疗等领域。小型仿人机器人主要由足部、小腿、膝关节、髋旋转、髋前摆和髋侧摆等组成,具有较好的腿部空间等优点。仿人机器人2025/1/26本课件是可编辑的正常PPT课件2.4机械臂结构设计412.4.1机械臂分类机械臂设计的重要性在于其能有效地替代人力完成重复性、烦琐或危险的任务,提高生产效率、降低成本,并在需要高精度、高稳定性操作的环境中发挥重要作用,为现代工业自动化和生产提供可靠的解决方案。机械臂由基座、关节、链接、末端执行器、传动系统和控制系统等构成,以实现灵活的运动和多样化的任务执行。机械臂作为一种重要的工业装备,其多样化的分类标准使人能更全面地了解和归纳不同类型的机械臂。通过考虑机械臂的结构特点、动力来源、工作空间、应用领域、控制方式、自由度和工作方式等方面,能更准确地选择和设计适用于不同场景的机械臂,满足各种工业生产、服务行业、医疗保健及军事防务等领域的需求。下面根据结构特点进行分类:2025/1/26本课件是可编辑的正常PPT课件2.4机械臂结构设计422.4.1机械臂分类串联机械臂的各个关节依次相连,形成一个链式结构,类似于人的手臂。这种结构通常具有较高的灵活性和自由度,适用于需要完成复杂动作和精细操作的场景。串联机械臂六自由度工业机械臂,由6个轴构成,其中第一轴至第三轴为腰部和手臂,第四轴至第六轴为腕部至指尖,前3个轴的作用主要为将手腕移动至特定位置,后三轴为实现腕部的自由移动,最终达到像人一样自由移动。六自由度工业机械臂构型2025/1/26本课件是可编辑的正常PPT课件2.4机械臂结构设计432.4.1机械臂分类在上述的串联机械臂中,可机械臂由许多部件构成。其中,驱动器、减速齿轮、编码器和传动装置,在机械臂设计过程中尤为重要。串联机械臂驱动器所在位置示意驱动器是作为机械臂关节的部件,它可以让机械臂的手臂上下移动或旋转,并将能量转化为机械运动。为实现机械臂的位置和速度控制,工业机械臂一般采用伺服电动机中的高功能电动机作为驱动器,驱动器驱动方式一般会选择电力、液压或者气动。2025/1/26本课件是可编辑的正常PPT课件2.4机械臂结构设计442.4.1机械臂分类减速齿轮是一种增加电动机功率的装置。电动机本身可输出的功率有限。为产生巨大的功率,电动机基本上与减速齿轮结合使用。串联机械臂减速器所在位置示意编码器是一种指示电动机旋转轴位置(角度)的装置。编码器读取信号来确定旋转角度和速度,间接使伺服电动机能精确控制定位和速度。机械臂中使用的电动机通常放置在关节附近,但也可通过使用皮带和齿轮等传动机构将其放置在远离关节的地方。2025/1/26本课件是可编辑的正常PPT课件2.4机械臂结构设计452.4.1机械臂分类并联机械臂的各个执行器(通常为液压缸或电动机)通过多个连接杆同时连接到一个固定平台和一个移动平台,形成平行的结构。并联机械臂通常具有较高的刚性和稳定性,适用于需要承载重量或执行高速运动的场景。并联机械臂Delta机械臂Delta机械臂是一种常见的并联机械臂,其结构主要由静平台、主动臂、从动臂、动平台和旋转伸缩轴等构成。Delta机械臂在进行运动时通常具有较好的稳定性和刚性,适用于要求高速度和高精度的自动化生产线。2025/1/26本课件是可编辑的正常PPT课件2.4机械臂结构设计462.4.1机械臂分类柔性机械臂通常由柔性材料制成,具有一定的变形能力。这种机械臂适用于需要在狭窄空间中操作或与不规则形状接触的场景,如医疗手术或灵活生产线上的装配任务。柔性机械臂吉村折纸柔性机械臂吉村折纸柔性机械臂共由6段构成,整体按照驱动器尺寸不同可分为2段,整机由首端连接板、中部连接板、末端连接板、74mm直径吉村驱动器和末端执行器等部分组成。该驱动器为中空六角结构,共有18个封闭驱动器型腔,每个驱动器的气腔相互独立,单个驱动器性能减弱时,其他驱动器不受影响。2025/1/26本课件是可编辑的正常PPT课件2.4机械臂结构设计472.4.1机械臂分类波纹管式气动柔性机械臂主要由3根并联的执行器单元、上连接板、下连线板、弹簧和结构保持架等构成。柔性机械臂波纹管式气动柔性机械臂吉村折纸柔性机械臂采用吉村折纸作为腔体材料,每个腔体都能独立进行驱动。这意味着即使一个腔体损坏,也不会影响其他腔体的运行效果。相比之下,波纹管式气动柔性机械臂使用硅胶波纹管构成,多个波纹管并联组成整个柔性机械臂的结构。2025/1/26本课件是可编辑的正常PPT课件2.4机械臂结构设计482.4.1机械臂分类仿生机械臂是受到生物学启发而设计的一种机械臂,其结构、运动方式或功能特性与生物体有相似之处。这种机械臂通常模仿生物体的骨骼、肌肉、关节等结构,以实现更灵活、适应性强、高效的运动和操作。仿生机械臂仿蛇形机械臂仿蛇形机械臂采用电动机绳驱式的全驱动方式,有9个全驱动关节,18个自由度,通过27个电动机拉动钢绳进行运动,每个关节之间由2个转向节和万向块连接组成。2025/1/26本课件是可编辑的正常PPT课件2.4机械臂结构设计492.4.2机械臂设计流程机械臂设计是一项涉及广泛、复杂而细致的工程任务,通常需要多个专业领域的人员共同协作。设计过程不仅要考虑客户需求,还需要与客户密切合作,全面分析和理解用户的要求,以确保设计方案的准确性和实用性。机械臂设计流程一般需要以下7个步骤:需求分析确定机械臂的使用场景、功能需求、性能指标和约束条件,包括工作空间、负载能力、精度要求等。概念设计根据需求分析结果,进行创意激发和概念生成,提出多种设计方案,并进行评估和筛选,选择最优方案进行进一步设计。详细设计对选定的概念进行详细设计,包括机械结构设计、传动系统设计、控制系统设计等,确立各个部件的尺寸、材料、连接方式等。2025/1/26本课件是可编辑的正常PPT课件2.4机械臂结构设计502.4.2机械臂设计流程制造根据详细设计图纸,进行零部件的加工和制造,包括机械加工、焊接、装配等过程,同时进行质量控制和检验。测试与验证对制造完成的机械臂进行功能测试和性能验证,包括静态测试、动态测试、负载测试等,确保机械臂能满足设计要求。优化与改进根据测试结果和用户反馈,对机械臂进行优化和改进,提高其性能、稳定性和可靠性,不断完善设计。生产和应用完成测试验证后,将机械臂投入生产和应用阶段,实现其在实际工作场景中的应用和价值实现。2025/1/26本课件是可编辑的正常PPT课件2.5腕部及手部结构设计512.5.1腕部结构设计最常见的腕关节构型由2~3个正交的旋转关节组成,第一个腕关节通常为操作臂的第四个关节。3个正交轴的构形可确保机械臂到达任意方位(假设没有关节角度限制)。具有3个连续相交轴的机械臂具有一个封闭的运动学解。因此,3个正交轴的腕关节可随意地以任何期望的方位布置在机械臂的末端。有些工业机械臂的腕部关节缺乏相交轴。这意味着运动学解不是封闭的。然而,如果将这种腕部关节安装在铰接式机械臂上,第四个关节轴与第二、三个关节轴平行,就可获得一个封闭的运动学解。腕关节轴不相交2025/1/26本课件是可编辑的正常PPT课件2.5腕部及手部结构设计522.5.1腕部结构设计为确保腕关节能达到任意方向,需要腕关节实现三维空间下的运动,即X(偏转)、Y(俯仰)、Z(回转)3个自由度。通常把腕关节的回转称为“Roll(R)”,腕关节的俯仰称为“Pitch(P)”,腕部的偏转称为“Yaw(Y)”。典型腕关节2025/1/26本课件是可编辑的正常PPT课件2.5腕部及手部结构设计532.5.2手部结构设计仿人机械手是一种设计灵感源自人类手臂和手指构造的机械装置,通常具备多个关节和自由度,以模拟人类手部的运动和操作能力。这种仿人机械手具有灵活性、精准性和安全性等特点,可用于各种工业生产、医疗保健、服务机器人和科研等领域,以完成需要高精度、复杂操作的任务,或者协助人类完成重复性、危险性较高的工作。仿人机械手作为机器人与环境交互的最后环节,赋予其类人手的抓取能力对提升智能机器人智能化作业水平具有重要意义。现有的刚性仿人机械手较难实现与环境的刚度匹配,阻碍其适应外部复杂环境。软体仿人机械手虽然具有良好的柔顺性,但在仿生性、灵巧性等方面仍存在不足。如何提升仿人机械手在实际应用中的抓取能力,实现其灵巧、安全、可靠的作业,是当前智能机器人研究领域的难点问题之一。2025/1/26本课件是可编辑的正常PPT课件2.5腕部及手部结构设计542.5.2手部结构设计借鉴人类手指天然的刚软柔性结构及抓取特征进行仿人手指刚软耦合设计与运动性能分析。基于提出的仿人手指刚软耦合设计原理,建立含软体变形的手指运动特性模型,快速、准确的预测手指的运动形态。刚软耦合机械手采用模块化设计思想,所设计的仿人手由5个相同的手指(拇指末端增加了斜齿轮传动机构)和1个独立手掌构成,方便拆装及维护。拇指具有4个自由度,可实现其内外展运动和屈伸运动,其余4个手指各有3个自由度,可实现其屈伸运动。整个仿人手共计16个自由度。该仿人手的外形尺寸与成年人手近似,总重量约为600g,所有的电气系统、驱动系统都集成于仿人手机构内部,拇指的内外展运动由1个电动机驱动斜齿轮传动机构实现,5个手指的屈伸运动分别由1个电动机驱动绳实现2025/1/26本课件是可编辑的正常PPT课件2.5腕部及手部结构设计552.5.2手部结构设计上述刚软耦合机械手具有出色的灵巧性,能够高度精确地执行抓取和操作任务,不仅可适应各种形状和尺寸的工件,还能在狭小空间内进行精准操作。刚软耦合机械手2025/1/26本课件是可编辑的正常PPT课件结束2025/1/26本课件是可编辑的正常PPT课件智能机器人系统-机器人运动学与动力学572025/1/26本课件是可编辑的正常PPT课件目录3.1、概述3.2、位形空间3.3、正运动学3.4、逆运动学3.5、动力学582025/1/26本课件是可编辑的正常PPT课件3.1概述运动学：运动学分析可帮助预测智能机器人的轨迹、可达性和工作空间、解决逆运动学问题,可根据目标位置确定智能机器人关节角度。动力学：确定机器人在特定任务中所需的力和力矩,从而帮助智能机器人规划和执行复杂的运动。本章讲述智能机器人运动学、动力学相关的基础知识,如位姿描述、正运动学、逆运动学、速度、静力、奇异性和动力学问题,为智能机器人的控制、路径规划、任务执行和与环境交互提供基础。2025/1/2659本课件是可编辑的正常PPT课件3.2位形空间3.2.1

位置描述：P点在坐标系{A}上的位置矢量

坐标系P点相对于A的位置也可以表示为的位置矢量2025/1/2660本课件是可编辑的正常PPT课件3.2位形空间3.2.2姿态描述旋转矩阵是坐标系{B}相对于坐标系{A}的表达2025/1/2661本课件是可编辑的正常PPT课件3.2位形空间3.2.3一般坐标点的位姿描述表示姿态表示位置P点相对于A坐标的表示用简单的矢量加法将原点平移，并得到：用矩阵算子形式写出：2025/1/2662本课件是可编辑的正常PPT课件3.2位形空间3.2.3平移算子平移将空间中的一个点沿着一个已知的矢量方向移动一定距离，利用矩阵算子写出平移变换算子

可以看成一个特殊的齐次变换2025/1/2663本课件是可编辑的正常PPT课件3.2位形空间3.2.3旋转算子旋转矩阵还可以用旋转变换算子来定义，它将一个矢量用旋转矩阵换成一个新的矢量作为旋转算子2025/1/2664本课件是可编辑的正常PPT课件3.2位形空间3.2.3旋转算子.X-Y-Z固定角坐标系2025/1/2665本课件是可编辑的正常PPT课件3.2位形空间3.2.3旋转算子利用已知旋转矩阵中的值可以计算旋转角度Z-Y-X欧拉角2025/1/2666本课件是可编辑的正常PPT课件3.3正运动学3.3.1连杆的描述2025/1/2667本课件是可编辑的正常PPT课件3.3正运动学3.3.1连杆的描述连杆参数描述机构运动关系的规则称为Denavit-Hartenberg参数法，简称D-H参数法。参考坐标系，即坐标系{0}，它固定在基座上。建立的坐标系{0}的连杆参数。2025/1/2668本课件是可编辑的正常PPT课件3.3正运动学3.3.1连杆的描述末端杆的位姿矩阵末端杆执行器的位姿矩阵2025/1/2669本课件是可编辑的正常PPT课件3.3正运动学3.3.1连杆坐标的推导2025/1/2670本课件是可编辑的正常PPT课件3.4逆运动学3.3.1解的存在性解是否存在取决于操作臂的工作空间。工作空间是操作臂末端执行器可到达的区域，若解存在，则目标点在工作空间内。灵巧工作空间指机器人末端执行器能从各方向到达的空间，机器人末端执行器可以从任意方向到达灵巧工作空间每个点。可达工作空间是机器人至少从一个方向上可达的空间，灵巧工作空间是可达工作空间的子集。求解运动学方程时可能遇到多重解的问题，一个具有3个旋转关节的平面操作臂，由于从任何方位均可到达工作空间内的任何位置，因此在平面中有较大的灵巧工作空间。因为系统最终只能选择一个解，因此操作臂的多重解现象会产生一些问题。解的选择标准是变化的，然而比较合理的选择应当是取“最短行程”。2025/1/2671本课件是可编辑的正常PPT课件3.4逆运动学3.3.1解的三种解法（1）解析法通过运动学正反解的解析形式方程获得机器人工作空间边界的完整数学描述，只适用于简单机器人机构的工作空间分析。（2）几何法对于串联机器人，通过考虑每个关节的约束，从而得到机器人末端的工作空间。优点：快速，并且有利于与计算机结合，得到直观的三维图。缺点：难以将所有的约束都考虑进去，且得到的工作空间缺少完整的数学描述。2025/1/2672本课件是可编辑的正常PPT课件3.4逆运动学3.4.1代数解法机械臂的运动学方程假设腕部坐标系相对于基坐标系的变换，给出确定目标点的位置，假定这个变换矩阵如下2025/1/2673本课件是可编辑的正常PPT课件3.4逆运动学3.4.1代数解法值必须在-1和1之间，这个解法中，约束条件可以用来检查解是否存在假设在工作空间内2025/1/2674本课件是可编辑的正常PPT课件3.4逆运动学3.4.1几何解法对于实线表示的三角形，利用余弦定理求解幅角反正切公式2025/1/2675本课件是可编辑的正常PPT课件3.5雅可比矩阵3.5.1矢量微分位置矢量的速度可以看成是用位置矢量描述空间一点的线速度坐标系{A}中表示式（3-53）的速度矢量，可以写为参考坐标系变换旋转矩阵表明坐标系{B}相对{A}的关系2025/1/2676本课件是可编辑的正常PPT课件3.5雅可比矩阵3.5.2线速度描述其相对坐标系{A}的运动求解坐标系{A}中Q点的线速度，只要写出坐标系{A}中的两个线速度分量，求其合：2025/1/2677本课件是可编辑的正常PPT课件3.5雅可比矩阵3.5.2角速度微分增量的大小为描述了坐标系{B}相对于坐标系{A}的旋转，其大小表示选择速度假设坐标系{B}看矢量

不变，即固定在坐标系{B}中的矢量以角速度相对于坐标系{A}旋转绕旋转有了大小和方向这些条件，即可得到矢量积速度为旋转角速度2025/1/2678本课件是可编辑的正常PPT课件3.5雅可比矩阵3.5.2角速度2025/1/2679本课件是可编辑的正常PPT课件3.5雅可比矩阵3.5.2机器人连杆运动2025/1/2680本课件是可编辑的正常PPT课件3.5雅可比矩阵3.5.2机器人连杆运动2025/1/2681本课件是可编辑的正常PPT课件3.5雅可比矩阵3.5.2机器人连杆运动2025/1/2682本课件是可编辑的正常PPT课件3.5雅可比矩阵3.5.2例题2025/1/2683本课件是可编辑的正常PPT课件3.5雅可比矩阵3.5.2例题2025/1/2684本课件是可编辑的正常PPT课件3.5雅可比矩阵3.5.2例题2025/1/2685本课件是可编辑的正常PPT课件3.5雅可比矩阵3.5.2雅可比

CarlGustavJacobJacobi（1804-1851）——普鲁士数学家，提出了椭圆方程和多元自变量与多元应变量的微分描述—雅可比矩阵描述自变量为向量、应变量也为向量的向量函数的微分映射机器人末端位姿与关节变量的关系，就是一个典型的向量——向量函数关系机器人末端位姿与关节变量的微分关系——速度映射，就是机器人的速度雅可比矩阵2025/1/2686本课件是可编辑的正常PPT课件3.5雅可比矩阵3.5.2雅可比雅可比矩阵的行数等于操作臂在笛卡尔空间的自由度数量，雅可比矩阵的列数等于操作臂的关节数量。2025/1/2687本课件是可编辑的正常PPT课件3.5雅可比矩阵3.5.2雅可比在机器人学中，通常用雅可比将关节速度与操作臂末端的笛卡尔速联系：可以定义任何维数的雅可比矩阵（包括非方阵形式），对于两连杆的操作臂可以写出一个2x2的雅可比矩阵，如利用上述例题的结果，写出坐标系{3}中的雅可比表达式：2025/1/2688本课件是可编辑的正常PPT课件3.5雅可比矩阵3.4.2奇异性假设存在一个线性变换，它将关节速度和笛卡尔速度相互联系。这引发了以下问题：这个线性变换是否可逆？这个变换的矩阵是否是非奇异的？如果这个矩阵是非奇异的，那么在已知笛卡尔速度的情况下，可以通过求逆运算来计算对应的关节速度。当机械臂处于奇异位形时，它会失去一个或多个自由度（在笛卡尔空间中观察）。这意味着，它无法按照预先规划的末端轨迹进行运动，而可能以意想不到的方式移动。奇异位形可以大致分为两类：工作空间内部的奇异位形发生在远离工作空间边界的位置，通常是由于两个或两个以上的关节轴线共线引起的。工作空间边界的奇异位形发生在机械臂完全展开或收缩时，使得末端执行器处于工作空间边界附近或非常接近的情况。2025/1/2689本课件是可编辑的正常PPT课件3.5雅可比矩阵3.5.2例题2025/1/2690本课件是可编辑的正常PPT课件3.5雅可比矩阵3.5.2例题2025/1/2691本课件是可编辑的正常PPT课件3.6

动力学在任一瞬时，对刚体的线速度和角速度进行求导，可分别得到线加速度和角加速度。参考坐标为世界坐标系{U}时，用以下符号表示刚体的速度：旋转关节操作臂连杆的线加速度操作臂连杆的角加速度：2025/1/2692本课件是可编辑的正常PPT课件3.6

动力学3.6.1质量分布旋转时需要一种能表征质量分布的方法，因此引入惯性张量作为广义度量。惯性张量通常在固连于刚体的坐标系中定义，用左上标指明参考坐标系。2025/1/2693本课件是可编辑的正常PPT课件3.6

动力学3.6.2牛顿方程与欧拉方程2025/1/2694本课件是可编辑的正常PPT课件3.6

动力学3.6.2牛顿方程与欧拉方程2025/1/2695本课件是可编辑的正常PPT课件3.6

动力学计算速度和加速度的外向迭代法角加速度变换的方程：连杆坐标系原点的线加速度：每个连杆质心的线加速度：计算出每个连杆质心的线加速度和角加速度之后，运用牛顿-欧拉公式便可以计算出作用在连杆质心上的惯性力和力矩。即：

3.6.2牛顿方程与欧拉方程2025/1/2696本课件是可编辑的正常PPT课件3.6

动力学计算速度和加速度的内向迭代法将所有作用在连杆的力相加，得到力平衡方程：将所有作用在质心上的力矩相加，并且令它们的和为零，得到力矩平衡方程：3.6.2牛顿方程与欧拉方程2025/1/2697本课件是可编辑的正常PPT课件3.6

动力学3.6.3牛顿欧拉动力学算法关节运动计算关节力矩的完整算法由两部分组成：第一部分是对每个连杆应用牛顿-欧拉方程，从连杆1到连杆n向外迭代计算连杆的速度和加速度。第二部分是从连杆n到连杆1向内迭代计算连杆间的相互作用力和力矩以及关节驱动力矩。内推：i:612025/1/2698本课件是可编辑的正常PPT课件3.6

动力学3.6.3牛顿欧拉动力学算法外推：i:162025/1/2699本课件是可编辑的正常PPT课件3.6

动力学3.6.3例题2025/1/26100本课件是可编辑的正常PPT课件3.6

动力学3.6.3拉格朗日公式2025/1/26101本课件是可编辑的正常PPT课件3.6

动力学3.6.3拉格朗日公式2025/1/26102本课件是可编辑的正常PPT课件3.6

动力学3.6.3建立笛卡尔空间的规范化操作臂动力学方程2025/1/26103本课件是可编辑的正常PPT课件结束2025/1/26本课件是可编辑的正常PPT课件第四章智能机器人轨迹规划1052025/1/26本课件是可编辑的正常PPT课件目录4.1概述

4.2关节空间与笛卡儿空间描述4.3关节空间轨迹规划4.4笛卡尔空间轨迹规划1064.5最优轨迹规划4.6实例2025/1/26本课件是可编辑的正常PPT课件4.1概述107轨迹机器人在运动过程中每时每刻的位移、速度和加速度所确定的路径。轨迹规划根据作业任务的要求，计算出预期的运动轨迹,即每时每刻机器人的位移、速度和加速度。智能机器人的运动可以看作工具坐标系相对工件坐标系的运动。这是一种通用的作业描述方法，该描述方法可适用于不同的机器人，也可适用于在同一机器人上搭载不同的末端执行器。在对机器人的运动进行描述时，要规定机器人的起始点和目标点，同时也得规定起始点与目标点之间的中间点。必须采用平滑连续的轨迹描述函数，且描述函数的一阶导数、二阶导数也须连续，以保证智能机器人能够平稳运动。2025/1/26本课件是可编辑的正常PPT课件关节空间描述4.2关节空间与笛卡尔空间描述采用关节量描述机器人的运动称为关节空间描述。已知关节的起始点、中间点、终止点参数，求关节变量随时间的变化关系。笛卡尔空间描述在直角坐标空间中表示，直观地看到机器人末端执行器的轨迹。已知机器人末端执行器的坐标系运动路径或轨迹，求各关节变量随时间的变化关系。笛卡尔空间轨迹规划需要转化为关节空间轨迹规划后才能实施。转化方法：取若干中间点，并依次计算逆运动学方程，求出各关节对应点关节参数。2025/1/26108本课件是可编辑的正常PPT课件笛卡儿空间轨迹规划的注意事项4.2关节空间与笛卡尔空间描述笛卡尔空间轨迹不能穿过自身。笛卡尔空间轨迹不能超出其工作空间。笛卡尔空间轨迹不能导致关节变量突变。解决方法指定机器人从起始点到目标点之间的中间点，用于避开障碍物或其他奇异点。2025/1/26109本课件是可编辑的正常PPT课件五次多项式轨迹规划4.3关节空间轨迹规划

已知起始点和目标点的位置、速度和加速度，则有6个已知参数。

因此可以确定一个五次多项式：给定机器人在起始点、目标点末端执行器的形位，以及一系列约束条件，选取不同类型关节插值函数，生成机器人轨迹。

对多项式求导得关节角速度：

对上式求导得关节角加速度：2025/1/26110本课件是可编辑的正常PPT课件五次多项式轨迹规划4.3关节空间轨迹规划

约束条件为：可得：根据右式可确定五次多项式插值函数多项式轨迹规划缺点：位移、速度、加速度均为时间的函数，因此计算量较大。2025/1/26111本课件是可编辑的正常PPT课件抛物线过渡轨迹规划4.3关节空间轨迹规划线性函数与抛物线函数平滑地衔接在一起形成的轨迹。特点：中间段为恒速运动两端为对称的加、减速运动加、减速度采用常值加速度段结束的速度即为中间段的速度

抛物线段的方程为：AB2025/1/26112本课件是可编辑的正常PPT课件抛物线过渡轨迹规划4.3关节空间轨迹规划求导得：再次求导得：

将约束条件带入上述三式可得：解方程组得：AB2025/1/26113本课件是可编辑的正常PPT课件抛物线过渡轨迹规划4.3关节空间轨迹规划设抛物段的加速度为a可得：AB2025/1/26114本课件是可编辑的正常PPT课件抛物线过渡轨迹规划4.3关节空间轨迹规划

进一步得：

过渡时间为：

可得：

最大速度为：AB2025/1/26115本课件是可编辑的正常PPT课件B样条轨迹规划4.3关节空间轨迹规划

B样条插值曲线方程为：

构造五次B样条函数：

基函数为：2025/1/26116本课件是可编辑的正常PPT课件B样条轨迹规划4.3关节空间轨迹规划

控制顶点的d次导数表示为：起始点速度和加速度，目标点速度和加速度：2025/1/26117本课件是可编辑的正常PPT课件B样条轨迹规划4.3关节空间轨迹规划矩阵求逆可得控制顶点：可得矩阵方程：2025/1/26118本课件是可编辑的正常PPT课件规划步骤4.4笛卡尔空间轨迹规划点到点之间的直线运动，即起始点到目标点的位姿变换并将其划分成多个小段求取中间点的位置和姿态。从起始依次增加一个增量时间；利用已知的轨迹函数，计算出机器人末端的位姿；利用机器人逆运动学方程计算对应的关节变量；分别对每个关节进行轨迹规划，并把数据送关节控制器；依次循环。点到点直线轨迹规划2025/1/26119本课件是可编辑的正常PPT课件点到点直线轨迹规划4.4笛卡尔空间轨迹规划划分小段的方法采用微分方程，将末端执行器的坐标系在每一小段的位姿与微分运动、雅可比矩阵以及关节速度联系在一起,但这种方法仅当雅可比矩阵的逆存在时才有效。将起始点和目标点之间的变换R分解成1个平移和2个旋转，平移是指将坐标原点从起点移动到终点，第一个旋转是指将末端执行器坐标系与期望位姿对准，第二个旋转是指将末端坐标系绕其自身轴转到最终的姿态，3个变换会同时进行。将起始点和目标点之间的变换R分解成1个平移和1个绕q轴的旋转，平移与上一个相同,旋转是指将末端坐标系与最终的期望姿态对准，2个变换同时进行。中间点的位置和姿态为：是起始点的位置是起始点的PRY姿态角是中间点的位置是中间点的PRY姿态角2025/1/26120本课件是可编辑的正常PPT课件点到点直线轨迹规划4.4笛卡尔空间轨迹规划求解可得：是起始点的位置是起始点的PRY姿态角是目标点的位置是目标点的PRY姿态角归一化因子通过抛物线过渡的线性函数，设直线段速度为，抛物线段加速度为，抛物线段的时间和位移分别为：直线段的时间和位移分别为：2025/1/26121本课件是可编辑的正常PPT课件点到点直线轨迹规划4.4笛卡尔空间轨迹规划归一化处理得：的值为：平面圆弧插补轨迹规划已知圆弧运动速度、插补周期、P点坐标圆弧半径和圆心角分别为：圆弧上任意插补点

的坐标：2025/1/26122本课件是可编辑的正常PPT课件最优时间轨迹规划4.5最优轨迹规划3-5-3样条多项式的通式为：多项式系数的矩阵表示：2025/1/26123本课件是可编辑的正常PPT课件最优时间轨迹规划4.5最优轨迹规划关节角的位移矩阵：多项式系数的矩阵表示：最优时间的目标函数为：2025/1/26124本课件是可编辑的正常PPT课件最优时间轨迹规划4.5最优轨迹规划粒子群优化算法粒子的位置和速度为：第j个关节的优化目标函数为：进行时间最优的优化迭代：初始化粒子的位置和速度求解系数矩阵A判断最大速度是否符合约束计算粒子适应度值选择最佳值采用控制策略重新整合种群条件？结束YN2025/1/26125本课件是可编辑的正常PPT课件最优能量轨迹规划4.5最优轨迹规划五次B样条函数表达：根据约束条件上式可转换为：设控制点的坐标分别为：2025/1/26126本课件是可编辑的正常PPT课件最优能量轨迹规划4.5最优轨迹规划横坐标和纵坐标分别为：速度约束为：2025/1/26127本课件是可编辑的正常PPT课件最优能量轨迹规划4.5最优轨迹规划加速度约束为：加加速度约束为：第个关节在时间段内的动能变化为：

n个关节机器人总动能为：能量最优的目标函数为：2025/1/26128本课件是可编辑的正常PPT课件最优能量轨迹规划4.5最优轨迹规划遗传算法五次B样条曲线方程为：初始化遗传算法参数设置设置约束条件进行实数编码产生初始种群计算适应度值选择交叉与变异产生新种群完成迭代?YN最优组合轨迹规划将最优时间、最优能量等组合起来

机器人关节空间节点：2025/1/26129本课件是可编辑的正常PPT课件最优组合轨迹规划4.5最优轨迹规划

约束条件为：

由控制点构造一条B样条曲线为：

三次B样条轨迹的方程为:2025/1/26130本课件是可编辑的正常PPT课件最优组合轨迹规划4.5最优轨迹规划

对参数进行求导：目标函数：2025/1/26131本课件是可编辑的正常PPT课件机器人关节空间轨迹规划将工作空间已经规划好的路径节点，使用机器人逆运动学方程转化为关节空间节点，然后利用适当的插值函数将这些节点光滑的连接在一起，在此路径上每个关节的运动时间是一致的。传输机器人轨迹规划4.6实例

轨迹规划流程：适应度函数：调整适应度函数：2025/1/26132本课件是可编辑的正常PPT课件传输机器人轨迹规划4.6实例结合改进的遗传算法随机方向搜索法，设计一种自适应混合遗传算法。算法流程为：2025/1/26133本课件是可编辑的正常PPT课件结束！2025/1/26本课件是可编辑的正常PPT课件智能机器人系统-智能机器人控制技术1352025/1/26本课件是可编辑的正常PPT课件目录5.1、智能机器人控制技术概述5.2、智能机器人控制理论基础5.3、智能机器人控制方法5.4、智能机器人行为控制方法1365.5、智能机器人控制实例2025/1/26本课件是可编辑的正常PPT课件5.1智能机器人控制技术概述137怎样让机器人运动起来？指定若干位姿路径规划生成位姿序列生成关节序列关节控制机器人运动2025/1/26本课件是可编辑的正常PPT课件5.1智能机器人控制技术概述138生成位姿轨迹生成关节轨迹指定路径点（示教编程）关节变量插补伺服控制运动学逆解位姿变量插补关节点样本关节变量时间函数插补：以控制频率为上限生成更加稠密的关节角离散点路径生成位姿向量（稀疏点）路径函数（几何关系）位姿变量时间函数插补：以计算频率为上限生成位姿向量的离散稠密点位姿向量（稀疏点）位姿向量（稠密点）关节电机驱动信号位姿向量（稠密点）CP模式PTP模式路径导入路径规划笛卡尔空间轨迹生成与插补关节空间轨迹生成与插补控制流程2025/1/26本课件是可编辑的正常PPT课件5.1智能机器人控制技术概述139人机交互任务规划视觉处理等云端互联上位机机器人典型控制体系结构中间层运动学解算多轴运动控制本地设备控制下位机单关节控制安全保护信号采集Internet/EthernetCAN/RS232/其他2025/1/26本课件是可编辑的正常PPT课件140控制系统的分类按照控制方式可以分为开环控制系统、闭环控制系统以及复合控制系统等;按照元件类型可以分为电气系统、液压系统、机械系统、机电系统等;按照系统功能可以分为位置/速度控制系统、温度控制系统、压力控制系统等;按照系统性能可以分为线性系统和非线性系统、定常系统和时变系统、连续系统和离散系统等控制系统的组成一个完整的自动控制系统包含了系统输入、控制器、被控对象以及系统输出等。

开环控制系统

闭环控制系统5.2智能机器人控制理论基础2025/1/26本课件是可编辑的正常PPT课件141传递函数

传递函数是描述线性系统动态特性的基本数学工具之一,经典控制理论的主要研究方法,如频率响应法和根轨迹法都是建立在传递函数的基础之上。传递函数是研究经典控制理论的主要工具之一。5.2智能机器人控制理论基础2025/1/26本课件是可编辑的正常PPT课件142独立关节位置控制在机器人领域,对其运动进行适当的数学表达至关重要。这些数学表达式被称为数学模型,简称为“模型”。控制机器人运动的计算机利用这些数学模型来预测和控制即将发生的运动过程。在设计模型时,通常提出以下两个假设:1.机器人的各连杆是理想刚体,因而所有关节都是理想的,不存在机械摩擦和间隙等。2.机器人相邻的二连杆间只有一个自由度,要么是完全旋转的,要么是完全平移的。5.2智能机器人控制理论基础2025/1/26本课件是可编辑的正常PPT课件143独立关节位置控制大部分机器人通常采用每个关节配备一个直流(DC)永磁电动机作为驱动方式。这种直流永磁电机以电枢励磁方式工作,可以实现连续旋转,具有高力矩-功率比、平滑的性能曲线以及较小的时间常数等。5.2智能机器人控制理论基础2025/1/26本课件是可编辑的正常PPT课件144电机结构空心杯转子：转子惯量小、响应速度快、力矩-质量比大原理：转子线圈通电，定子永磁励磁，电刷和换向器实现线圈电流换向5.2智能机器人控制理论基础2025/1/26本课件是可编辑的正常PPT课件145换向器和电刷机械换向，控制电路简单电刷易磨损，需保养5.2智能机器人控制理论基础2025/1/26本课件是可编辑的正常PPT课件146空心杯转子电机极低的惯量灵敏度高力矩波动小，低速转动平稳，噪声很小换向性能好，寿命长损耗小，效率高优点

(a)空心杯转子(b)铁芯转子5.2智能机器人控制理论基础2025/1/26本课件是可编辑的正常PPT课件147直流伺服电机模型R：电枢电阻L

：电枢电感Ir：转子惯量Br：转子阻尼Kb：感应电动势常数Km：转矩常数ua：电枢电压ue：感应电动势ia：电枢电流ωm：角速度εm：角加速度τm：电磁转矩τl：负载转矩特征参数电学变量力学变量5.2智能机器人控制理论基础2025/1/26本课件是可编辑的正常PPT课件148直流伺服电机模型直流永磁电动机定子产生一个径向磁通φ,并且转子中电流为i,那么在转子上会产生一个扭矩使其旋转,扭矩大小为:反电动势：电枢电流ia对应的微分方程为:

由于磁通量为恒定值,则电机产生扭矩又可表示为:（5-1）（5-7）（5-3）（5-4）（5-5）（5-6）（5-2）5.2智能机器人控制理论基础2025/1/26本课件是可编辑的正常PPT课件149直流伺服电机模型独立关节机械传动原理图为：有该系统的运动方程为：作拉氏变换,同时在拉氏域内联立式(5-3)及式(5-5)可以得到:（5-8）（5-9）（5-10）5.2智能机器人控制理论基础2025/1/26本课件是可编辑的正常PPT课件150直流伺服电机模型依据式(5-9)及式(5-10)即可作永磁直流电机的控制系统,即独立关节位置控制系统框图为：当其中τl=0,即干扰为0时,可以得到从输入V(s)到输出Θm(s)的传递函数为:

当输入V(s)为0时,从负载力矩τl(s)到输出Θm(s)的传递函数为:

（5-12）（5-11）5.2智能机器人控制理论基础2025/1/26本课件是可编辑的正常PPT课件151直流伺服电机模型我们通常假定电气时间常数L/R比机械时间常数Jm/Bm小得多,进而可以推导出电机驱动的一个简易降阶模型,即将式(5-11)和(5-12)的分子与分母同时除以R,并且将电气时间常数L/R忽略为0,则可以得到简化后的传递函数分别为:

（5-13）（5-14）将式(5-13)、(5-14)再转换到时域下,根据叠加原理可以得到如下二阶微分方程:简化简化的独立关节控制系统5.2智能机器人控制理论基础2025/1/26本课件是可编辑的正常PPT课件152补偿控制器-PD（比例-微分）控制器系统在S域下的输入U(s)为:

其中，KP、KD分别为比例-微分控制器的比例增益和微分增益。最终得到在Θd(s)输入下的输出Θ(s)为:其中Ω(s)为闭环系统的闭环特征多项式,表示为:系统的跟踪误差E(s)可以表示为:5.2智能机器人控制理论基础2025/1/26本课件是可编辑的正常PPT课件153补偿控制器-PID（比例-微分-积分）控制器使用PID控制器时,系统在S下的输入U(s)为:其中,KI为控制器的积分增益。最终得到Θd(s)输入下的输出Θ(s)为:

其中Ω(s)为闭环系统的闭环特征多项式,表示为:对于该特征多项式,可以使用劳斯-赫尔维茨判据对其进行稳定性判别。判别后可以得到,在增益系数为正的前提下,闭环系统稳定,并且有:5.2智能机器人控制理论基础2025/1/26本课件是可编辑的正常PPT课件154二阶系统控制器例如系统闭环传递函数为：自然频率：二阶系统传递函数标准形式阻尼比：闭环系统特征根——极点结论：只要Kv和Kp取正，闭环系统特征根就有负实部，系统