机器人学导论第六章

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机器人学导论第6章1

机器人学导论第6章1

解:该例非常类似于机器人臂和伺服电机驱动器,该 手臂和集中质量块在旋转中心上的总转动惯量为:
1 I 负载总 I 臂 I 质量 m臂l 2 m质量 l 2 3 1 2 30.5 (2)(0.5) 2 0.75kg m 2 3 1 1 (a ) I 总 2 I l I m (0.75) 0.015 0.098kg m 2 N 9 1 (b) (0.75) 0.015 0.0158 m 2 kg 900 T 8 (a )m m 82rad / s 2 I 总 0.098 T 8 (b)m m 506rad / s 2 I 总 0.0158 最大角加速度为 rad / s 2 530
§6.3 液压驱动器
特点: 功率-重量比高,低速时出力大,适合微处理器及电子 控制,常用于极端恶劣的外部环境。存在泄漏问题,功 率单元非常笨重昂贵。 相关计算: 直线液压缸能输出巨大的力,其大小为F=P×A磅, 式中A代表活塞的有效面积,P为工作压强。例如,工 作压强为1000psi,也就是液压缸每平方英寸产生1000 磅的力。对于旋转液压缸,其原理是相同的,只是输出 的是力矩:
dA t dr T p r dA p r t dr pt
r1 r1 r2 r2 r2 r1
1 2 2 r dr pt(r2 r1 ) 2
式中p是液体压强,t是旋转液压缸的厚度或宽度,r1和r2分 别是旋转液压缸的内径和外径。
液压系统中的所需液体的流速和容量为:
齿轮齿条平行手爪夹持器
柔性工具连接器
末端执行器关键部件: (1)末端工具; (2)手爪快速更换装置; (3)控制功能部分。
§ 6.2 驱动器
1 驱动器的概念

机器人学导论第6章1PPT课件

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同样功率情况下,步进电机通常比伺服电机重,具有较低 的功率-重量比(电机压力越高,功率-重量比也越高)。
液压系统具有最高的
注意:对液压系统,重量由液压驱动器和液压功率源两部 分(驱动器起到驱动机器人关节的作用,而后者起到提供能量 的作用)组成。同时对于液压系统来说,工作压强越高,功率 越大,维护越困难,越易产生危险。
2 规划子系统
包含建模、理解处理和规划智能处理过程。在建模阶段, 来自传感器的数据用该任务的数学模型融合并形成一个参 考模型。使用这个参考模型,理解处理阶段选择策略以执 行该任务。规划阶段将这些策略转换成机器人控制程序。
3 控制子系统
执行上述转换的程序。
4 电气子系统
对于电动驱动器,将来自控制子系统的驱动器数据输入 给电气子系统。而一般的液压和气动驱动器一般是由电动 控制阀控制,也可以用电动驱动器控制方法实现。这个子 系统也包含计算机、接口和动力源。
5 机械子系统
这些驱动器驱动机械子系统中的机构以使该机器人在一 定环境下工作并完成给定的任务。
6 传感子系统
机器人和环境参数由传感子系统监测。传感器信息被用 于控制回路的反馈控制,探测危险环境、确定任务是否被 正确执行等。
§6.1 机器人机械系统及构成
(一)机器人操作臂
模仿人类手臂运动的操
作器叫做关节臂。
我们假设通过一组减速比为N的减速齿轮将惯量为 I l 的 负载连在惯量 I m(包括减速齿轮的惯量)的电机上,如 下图所示:
电机及负载上的力矩及速度比为:
Tl NTm
l N1 m以及l N1 m
列出系统的力矩平衡方程,可得: TmImmbmmN 1Tl ImmbmmN 1(Ill bll)
Immb
如图所示的PUMA机器 人就是一种最为普通的关 节臂。

机器人学第六章(机器人运动学及动力学)

机器人学第六章(机器人运动学及动力学)

第六章 机器人运动学及动力学6.1 引论到现在为止我们对操作机的研究集中在仅考虑动力学上。

我们研究了静力位置、静力和速度,但我们从未考虑过产生运动所需的力。

本章中我们考虑操作机的运动方程式——由于促动器所施加的扭矩或作用在机械手上的外力所产生的操作机的运动之情况。

机构动力学是一个已经写出很多专著的领域。

的确,人们可以花费以年计的时间来研究这个领域。

显然,我们不可能包括它所应有的完整的内容。

但是,某种动力学问题的方程式似乎特别适合于操作机的应用。

特别是,那种能利用操作机的串联链性质的方法是我们研究的天然候选者。

有两个与操作机动力学有关的问题我们打算去解决。

向前的动力学问题是计算在施加一组关节扭矩时机构将怎样运动。

也就是,已知扭矩矢量τ,计算产生的操作机的运动Θ、Θ和Θ。

这个对操作机仿真有用,在逆运动学问题中,我们已知轨迹点Θ、Θ和Θ,我们欲求出所需要的关节扭矩矢量τ。

这种形式的动力学对操作机的控制问题有用。

6.2 刚体的加速度现在我们把对刚体运动的分析推广到加速度的情况。

在任一瞬时,线速度矢量和角速度矢量的导数分别称为线加速度和角加速度。

即BB Q Q BBQ Q 0V ()V ()d V V lim dt t t t t t∆→+∆-==∆ (6-1)和AA Q Q AAQ Q 0()()d lim dt t t t t t∆→Ω+∆-ΩΩ=Ω=∆ (6-2)正如速度的情况一样,当求导的参坐标架被理解为某个宇宙标架{}U 时我们将用下面的记号U A AORG V V = (6-3)和U A A ω=Ω (6-4)6.2.1 线加速度我们从描述当原点重合时从坐标架{}A 看到的矢量BQ 的速度AA B A A Q B Q B B V V BR R Q =+Ω⨯ (6-5)这个方程的左手边描述AQ 如何随时间而变化。

所以,因为原点是重合的,我们可以重写(6-5)为A AB A A B B Q B B d ()V dtB B R Q R R Q =+Ω⨯ (6-6) 这种形式的方程式当推导对应的加速度方程时特别有用。

(人工智能)人工智能机器人学导论

(人工智能)人工智能机器人学导论

(人工智能)人工智能机器人学导论人工智能机器人学导论1简介:1作者简介2机器人控制器和程序设计3简介:3机器人制作入门篇6简介:6作者简介6机器人智能控制工程8简介:8人工智能机器人学导论作者:Ricky文章来源:本站原创更新时间:2006年05月03日打印此文浏览数:2370 SlidesforSecondEdition(Beta)Chapter1:WhatareRobots?.pptslidesandthepdfversion(goodaquicklook) Chapter2:Telesystems.thepdfversionChapter3:BiologicalFoundationsoftheReactiveParadigm.pptslidesandpdfversion Chapter5:TheReactiveParadigmChapter6:SelectingandCombiningBehaviorsChapter7:CommonSensorsandSensingTechniquesChapter8:DesigningaBehavior-BasedImplementationChapter9:Multi-AgentsChapter10:NavigationandtheHybridParadigmChapter11:TopologicalPathPlanningChapter12:MetricPathPlanningChapter13:LocalizationandMappingChapter14:AffectiveRobotsChapter15:Human-RobotInteractionChapter16:WhatCanRobotDoandWhatWillTheyBeAbletoDo?简介:本书系统地介绍了人工智能机器人于感知、导航、路径规划、不确定导航等领域的主要内容。

全书共分俩大部分。

机器人学导论

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

机器人学课件

机器人学课件

e m
:电气时间常数; :机械时间常数。
Robotics 控制
6.2 机器人的位置控制
6.2.1 直流传动系统的建模
1、传递函数与等效方框图 由于 e m ,有时可以忽略,于是
m (s)
V f (s)

k0 s (1 m s )
而对角速度的传递函数为:

m
(s)

k0 1
V (t ) T (t ) C (t ) (t ) X (t )
Robotics 控制
6.1 机器人的基本控制原则
6.1.1 基本控制原则
3、主要控制层次 分三个层次:人工智能级、控制模式级、伺服系统级 1)人工智能级 完成从机器人工作任务的语言描述 生成X(t); 仍处于研究阶段。 2)控制模式级 建立X(t) T(t)之间的双向关系。
6.1 机器人的基本控制原则
6.1.2 伺服控制系统举例
1、液压缸伺服传动系统 优点:减少减速器等,消除了间隙和磨损误差,结构简单、 精度与电器传动相当。同样可以进行位置、速度、加速度及力 的反馈。
Robotics 控制
6.1 机器人的基本控制原则
6.1.2 伺服控制系统举例
2、典型的滑阀控制液压传动系统
s
比例微分积分PID补偿:
E ( s ) ( k d
i
s
)E (s)
测速补偿时:E ( s )
E ( s ) t s 0 ( s ) i ( s ) (1 t s ) 0 ( s )
Robotics 控制
6.2 机器人的位置控制
6.2.2 位置控制的基本结构
s 2 n s n 0

机器人学导论作业答案

机器人学导论作业答案

机器人学导论作业答案作业一一、问答题1.答:机器人的主要应用场合有:(1) 恶劣的工作环境和危险工作;(2) 在特殊作业场合进行极限作业;(3) 自动化生产领域;(4) 农业生产;(5) 军事应用。

2.答:工业机器人(英语:industrial robot。

简称IR)是广泛适用的能够自主动作,且多轴联动的机械设备。

它们在必要情况下配备有传感器,其动作步骤包括灵活的转动都是可编程控制的(即在工作过程中,无需任何外力的干预)。

它们通常配备有机械手、刀具或其他可装配的的加工工具,以及能够执行搬运操作与加工制造的任务。

数控机床是数字控制机床的简称,是一种装有程序控制系统的自动化机床。

该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序,并将其译码,从而使机床动作并加工零件。

3.答:科幻作家阿西莫夫机器人三原则:(1) 不伤害人类;(2) 在原则下服从人给出的命令;(3) 在与上两个原则不矛盾的前提下保护自身。

我国科学家对机器人的定义是:“机器人是一种自动化的机器,所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力,如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力,是一种具有高度灵活性的自动化机器。

4.答:机器人研究的基础内容有以下几方面:(1) 空间机构学;(2) 机器人运动学;(3) 机器人静力学;(4) 机器人动力学;(5) 机器人控制技术;(6) 机器人传感器;(7) 机器人语言。

5.答:按几何结构分:(1) 直角坐标式机器人;(2) 圆柱坐标式机器人;(3) 球面坐标式机器人;(4) 关节式球面坐标机器人。

6.答:通常由四个相互作用的部分组成:执行机构、驱动单元、控制系统、智能系统。

7.答:一共需要5个:定位3个,放平稳2个。

8.答:机器人的主要特点有通用性、适应性。

决定通用性有两方面因素:机器人自由度;末端执行器的结构和操作能力。

9.答:工业机器人的手部是用来握持工件或工具的部件。

大部分的手部结构都是根据特定的工件要求而专门设计的。

机器人学导论第六章

机器人学导论第六章
在单自由度系统中,常常要考虑刚体的质 量。对于定轴转动的情况,经常用到惯量 矩这个概念。在一个刚体绕任意轴作旋转 运动时,我们需要一种能够表征刚体质量 分布的方法。在这里我们引入惯性张量, 它可以被看作是对一个物体惯量的广义度 量。
现在我们定义一组参量,给出刚体质量在参考坐标系 中分布的信息。图6-1表示一个刚体,坐标系建立在刚 体上。惯性张量可以在任何坐标系中定义,但一般固 连在刚体上的坐标系中定义。 坐标系中的惯性张量可用 3×3矩阵表示如下
对单个连杆的力平衡,包括惯 性力
最后得到
应用这些方程对连杆依次求解,从连杆n向内迭代 一直到机器人基座。 在静力学中,可通过计算一个连杆 施加于相邻连 杆的力矩在Z方向的分量来求得关节力矩。 移动关节
牛顿-欧拉迭代动力学算法
由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 用力和力矩即关节驱动力矩。对于转动关 节来说,这个算法归纳如下:
机器人学导论
第6章 操作臂动力学
第六章 操作臂动力学
6.1概述 到目前为止,我们只研究了操作臂的运动 学。我们已研究了静态位置、静态力和速 度;但是从未考虑引起运动所需的力。在 本章中,将考虑操作臂的运动学方程—— 由驱动器施加的力矩或施加在操作臂上的 外力是操作臂运动。 与操作臂动力学有关的两个问题有待解决。 和 第一个问题,已知一个轨迹点 ,
可以看出惯性张量是坐标系位姿的函数。众所 周知的平行移轴定理就是在参考坐标系平移是 惯性张量如何变化的计算方法。平行移轴定理 描述了一个以刚体质心为原点的坐标系平移到 另一个坐标系是惯性张量的变换关系。
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计算速度和加速度的向外迭代法
为了计算作用在连杆上的惯性力,需要计算操作 臂每个连杆在某一时刻的角速度、线加速度和角 加速度。首先对连杆1进行计算,由第五章知识
由式(6-15)可得连杆之间角加速度变换的方程:
当第i+1个关节是移动关节是,上式可简化为
应用是(6-12)可以得到每个连杆坐标系原点的 线加速度:
当第i+1个关节是移动关节是,上式可简化为
同理,应用式(6-12)可以得到每个连杆质心的 线加速度:
假定坐标系Ci 固连于连杆i上,坐标系原点位于连 杆质心,且各坐标轴方位与原连杆坐标系{i}的方 位相同。由于式(6-36)与关节的运动无关,因 此无论是旋转关节还是移动关节,式子对于第i个 连杆都是有效的。
置。其余的惯量矩和惯量积都可以通过式(6-25) 交换x,y和z的顺序计算而得。平行移轴定理有可 以表示成为矢量——矩阵形式
6.4 牛顿方程和欧拉方程
牛顿方程
图6-3作用于刚体质心的
力F引起刚体加速度 vc
欧拉方程
图分别6-4为所示、 为 一。个此旋时转由刚欧体拉,方其程角可速得度作和用角在加刚速体度
第一个问题,已知一个轨迹点 ,和
期望求出期望的关节力矩矢量τ。这个运动 学公式对操作臂控制问题(第10章)很有 用。第二个问题是计算施加在一组关节力
矩的情况下关节如何运动。也就是已知一 个关节矢量τ,计算出操作臂运动的
,和 。这对操作臂的仿真很有用。
6.2 刚体的加速度
在任一瞬时对刚体的线速度和加速度进行 求导,可分别得到线加速度和角加速度。 即
对式(6-5)求导,可得到 B Q 的加速度在坐标系 {A}中的表达式:
对上式第一项和最后一项应用是(6-6),则(67)右边成为:
整理得
最后,为了将结论推广到两个坐标系原点不重合 的一般情况,我们附加一个表示坐标系{B}原点线 加速度的项,最终得到一般表达式:
值得指出的是当 B Q 为常量时,即
同速度一样,当微分的参考坐标系为世界 坐标系{U}时,可用下列符号表示刚体的速 度,即:
线加速度
式(5-12)即
描述了坐
标系{A}下的速度矢量 B Q ,当坐标系{A}的
原点与坐标系{B}的原点重合时,速度矢量
B Q 可表示为
左边描述的是矢量A Q 随时间变化的情况。 由于两个坐标系的原点重合,因此可以把 式(6-5)改写成如下形式:
作用在连杆上的力和力矩
对单个连杆的力平衡,包括惯 性力
最后得到
应用这些方程对连杆依次求解,从连杆n向内迭代 一直到机器人基座。 在静力学中,可通过计算一个连杆 施加于相邻连 杆的力矩在Z方向的分量来求得关节力矩。
移动关节
牛顿-欧拉迭代动力学算法
由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 用力和力矩即关节驱动力矩。对于转动关 节来说,这个算法归纳如下:
6.3 质量分布
在单自由度系统中,常常要考虑刚体的质 量。对于定轴转动的情况,经常用到惯量 矩这个概念。在一个刚体绕任意轴作旋转 运动时,我们需要一种能够表征刚体质量 分布的方法。在这里我们引入惯性张量, 它可以被看作是对一个物体惯量的广义度 量。
现在我们定义一组参量,给出刚体质量在参考坐标系 中分布的信息。图6-1表示一个刚体,坐标系建立在刚 体上。惯性张量可以在任何坐标系中定义,但一般固 连在刚体上的坐标系中定义。
机器人学导论
第6章 操作臂动力学
第六章 操作臂动力学
6.1概述 到目前为止,我们只研究了操作臂的运动
学。我们已研究了静态位置、静态力和速 度;但是从未考虑引起运动所需的力。在 本章中,将考虑操作臂的运动学方程—— 由驱动器施加的力矩或施加在操作臂上的 外力是操作臂运动。 与操作臂动力学有关的两个问题有待解决。
坐标系中的惯性张量可用 3×3矩阵表示如下
式(6-16)
图6-1描述物体质量分布的惯性张量
矩阵中各元素为
式中刚体由单元体dv组成,
单元密度ρ。每个单元的
位置由矢量
AP确x定yTz,
如图所示
Ixx,Iyy和Izz称为惯量矩。其余三个交叉项称为惯
量积。对于一个刚体来说,这六个相互独立的 参量取决于坐标系的位姿。当任意选择坐标系 的方位时,可能会使刚体的惯量积为0.此时参考 系的轴被称为主轴,而相应的惯量矩被称为主 惯量矩。
上的力矩N引起刚体的转动为
式中 c I 是刚体在坐标系{C}中的惯性张量。刚体 的质心在坐标系{C}的原点上。

6-4
6.5 牛顿—欧拉迭代动力学方程
现在讨论对应于操作臂给定运动轨迹的力 矩计算问题。假设已知关节的位置、速度 和加速度,结合机器人运动学和质量分布 方面的知识,可以计算出驱动关节运动所 需的力矩。
计及重力的动力学算法
令 0v0 G就可以很简单地将作用在连杆上的重力因 素包括到动力学方程中去,其中G与重力矢量大小 相等,方向相反。
6.6 迭代形式与封闭形式的动力学方程
已知关节位置、速度、加速度,应用方程 (6-45)~(6-53)就可以计算所需的关节 力矩。这些公式主要应用于两个方面:进 行数值计算或作为一种分析算法用于符号 方程的推导。
可以看出惯性张量是坐标系位姿的函数。众所 周知的平行移轴定理就是在参考坐标系平移是 惯性张量如何变化的计算方法。平行移轴定理 描述了一个以刚体质心为原点的坐标系平移到 另一个坐标系是惯性张量的变换关系。
假设{C}是以刚体质心为原点的坐标系,{A}为任 意平移后的坐标系,则平行移轴定理可表示为
式中 PCxcyczcT表示刚体质心在坐标系{A}中的位
然而,我们经常需要对方程的结构进行研 究。这是需要给出封闭形式的动力学方程, 应用牛顿-欧拉方程递推算法对 ,进和行 符号推导即可得到这些方程。
在这种情B}以角速度AB 相对于坐标系 {A}转动,同时坐标系{C}以角速度BC 相对 于坐标系{B}转动。为求AC ,在坐标系{A} 中进行矢量相加:
对上式求导,得
将式(6-6)代入上式右侧最后一项中,得 上式用于计算操作臂连杆的角加速度。
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