第二章2.1机器人的基本术语与图形符号;2.2机器人的主要参数
机器人基础知识
智能机器人系统典型方框图
●可见其控制部分主要由两部分组成：
1.以知识为基础的知识决策系统
2．信号识别与处理系统
环境的两种状态（初始状态和目标状态）间的差 别；
基本结构图
简化结构图
2.3 机器人自由度DOF(degree of freedom)
自由度是机器人的一个重要技 术指标，由机器人的结构决定，直 接影响机器人的机动性。
（1）刚体的自由度
一个简单物体有六个自由度。 物体能进行的运动有三个平移，三 个旋转。
综上所述，机器人的构造与人类相比，目前机器人没有呼吸 系统，尚不具备生殖系统、没有类人的肌肉和皮肤，其余，从 功能方面讲，都可以互相对应起来。据机器人专家预测，未来 的机器人可能会与生物人难以区别。
第2章 机器人基础知识
（5）环境 一般将机器人所处的周围环境、工作对象、障碍
等（外传感器感知的对象）称为环境； （6）任务
机器人系统的结构，通常由以下几部分组成，即执行机构、 驱动与传动系统、控制系统、智能系统、环境、任务等。
第2章 机器人基础知识
（1）机器人的执行机构 众所周知，人的功能活动（劳动）分为脑力劳动和体力劳动
两种，两者往往又不能截然分开。从执行器官讲，就是在大脑 支配下的嘴巴和四肢。单从体力劳动来讲，可以靠脚力、肩扛， 但最为主要的是人的手臂和手，所谓“双手创造世界”。而手 的动作，离不开胳臂、腰身的支持与配合。手部的动作和其他 部位的动作是靠肌肉收缩和张弛，并由骨骼作为杠杆支持而完 成的。
mobility）。
机器人学第二章
的多环机构，还可以通过直接观察法来
计算自由度，运动平台在无约束的情况
下有六个自由度，通过观察可以知道每
一分支对运动平台的约束数，则机构的 自由度为6减去所有的约束数。
对于多环的空间机构，计算自由度公式还可 以写成更简单的形式
M f i 6l
i 1
g
式中，l 为独立的环路数目，
或
l 分支数－ 1
关节、移动关节、转动关节、虎克
铰关节，圆柱关节、螺旋关节和平
面关节很少在机器人机构中使用。
2.2 机构的自由度
按机构学理论， 在三维空间中有n个完全 不受约束的物体，并且任选其中一个为固 定参照物，因每个物体相对参照物都有六 个运动自由度， 则n个物体相对参照物共 有6（ n－1 ）个运动自由度。如将所有连 杆（ 物体 ）用关节连接起来， 设第i个关 节的约束为 ui （ 即该关节限制的自由度 数目），如果所有连杆之间的关节数目为 g，则该机构的运动自由度为
例2.2
计算图示并联机构的自由度
由图可知，该机构总的
构件数n=8，关节数g=9,
其中关节1－3为转动副，
关节4－6为移动副，关
节7－9为球面副，所以
f
i 1
9
i
15
则有
M 6(n g 1) fi 6(8 9 1) 15 3
i 1
g
对于只有一个运动平台与几个分支连接
6）平面关节：用字母E表示 ，允许两连杆之 间有三个相对运动，即两个沿平面的移动 和一个垂直于该平面的转动。这种关节具 有三个自由度；
7）虎克铰：用字母T表示 ，允许两连杆之 间有二个相对转动。这种关节具有二个 自由度；
机器人的基本术语
三、 机器人的图形符号表示
机器人的描述方法可分为几个部分： 机器人结构简图、机器人运动原理图、机器人传动
原理图、机器人速度描述方程、机器人位姿运动学 方程、机器人静力学描述方程等。 作为图形符号的表示，仅仅是前二种的内容
1．四种坐标机器人的机构简图
机器人的机构简图是描述机器人组成机构的直观图形表达形式， 是将机器人的各个运动部件用简便的符号和图形表达出来，
（4）球关节
球关节，又叫球面副，两杆件间的组件能使其中一件相 对于另一件在三个自由度上绕一固定点转动的关节。即 ，组成运动副的两构件能绕一球心作三个独立的相对转 动的运机器人手臂上被相邻两关节分开的部分，是保持各关节间固定 关系的刚体，是机械连杆机构中两端分别与主动和从动构件铰 接以传递运动和力的杆件。
在任何力的作用下，体积和形状都不发生改变的物体叫 做刚体（Rigid body）。在物理学内，理想的刚体是一 个固体的，尺寸值有限的，形变情况可以被忽略的物体 。不论有否受力，在刚体内任意两点的距离都不会改变 。在运动中，刚体上任意一条直线在各个时刻的位置都 保持平行。
二、 机器人的图形符号体系
此图可用上述的图形符号体系中的文字与代号表示。
a）直角坐标型
b） 圆柱坐标型
c） 极坐标型
d） 多关节型
2．机器人运动原理图
机器人运动原理图是描述机器人运动的直观图形表达 形式，是将机器人的运动功能原理用简便的符号和图 形表达出来，此图可用上述的图形符号体系中的文字 与代号表示。
机器人运动原理图是建立机器人坐标系、运动和动力 方程式、设计机器人传动原理图的基础。也是我们为 了应用好机器人在学习使用机器人时的最有效的工具 。
1．运动副的图形符号 机器人的结构是指运动副。 机器人的结构与传统的机械相比，
工业机器人常用术语
PUMA 机器人
13
机器人的发展
• 1984年 英格伯格再推机器人Helpmate，这种机器人能在医院里 为病人送饭、送药、送邮件。同年，他还预言：“我要让机器 人擦地板，做饭，出去帮我洗车，检查安全”。
• 1998年 丹麦乐高公司推出机器人(Mind-storms)套件，让机器人 制造变得跟搭积木一样，相对简单又能任意拼装，使机器人开 始走入个人世界。
17
提纲 一 机器人的概念 二 机器人的发展 三 机器人的应用 四 机器人的分类 五 工业机器人常用术语
18
机器人的应用
点焊系统
全系列点焊机器人，适用于汽车整车 及零部件的点焊作业解决方案。 工业点焊机器人的优点包括： •稳定和提高焊接质量，保证其均一性 ； •提高生产率，一天可24小时连续生产 ； •改善工人劳动条件，可在有害环境下 长期工作； •降低对工人操作技术的要求； •缩短产品改型换代的周期，减少相应 的投资设备； •可实现批量产品焊接自动化； •节省地面空间；
Unimates 机器人
Unimates WIKIpetdia：
其他介绍：/inductees/03inductees/unimate.html
12
机器人的发展
1967年， Unimation公司第一台喷涂用机器人出口 到日本川崎重工业公司。
• 1999年 日本索尼公司推出犬型机器人爱宝(AIBO)，当即销售一 空，从此娱乐机器人成为目前机器人迈进普通家庭的途径之一 。
• 2002年 丹麦iRobot公司推出了吸尘器机器人Roomba，它能避开 障碍，自动设计行进路线，还能在电量不足时，自动驶向充电 座。Roomba是目前世界上销量最大、最商业化的家用机器人。
气压驱动
机器人的主要技术参数
机器人的主要技术参数机器人的主要技术参数机器人是一种能够自主执行任务的智能装置，它具有多种技术参数。
本文将从以下几个方面进行详细介绍。
一、机器人的传感器技术参数机器人需要通过传感器获取周围环境信息，以便做出正确的决策和行动。
常见的传感器包括视觉传感器、声音传感器、触觉传感器等。
其中，视觉传感器是最常用的一种，它可以通过拍摄照片或视频来获取图像信息，并进行图像处理和分析。
视觉传感器的主要技术参数包括分辨率、帧率、视野角度等。
分辨率越高，图像质量越好；帧率越高，图像流畅度越高；视野角度越大，可覆盖范围越广。
二、机器人的运动控制技术参数机器人需要具备精确的运动控制能力，以便在各种环境中实现自主移动和操作。
运动控制技术参数包括速度、加速度、转向半径等。
速度是机器人在移动时所达到的最大速度；加速度是机器人在启动或停止时所达到的最大加速度；转向半径是机器人在转弯时所需要的最小半径。
这些参数需要根据机器人的具体应用场景进行调整。
三、机器人的通信技术参数机器人需要实现与外部设备或其他机器人之间的通信，以便进行协作和数据交换。
通信技术参数包括通信协议、传输速率、通信距离等。
常见的通信协议包括Wi-Fi、蓝牙、Zigbee等。
传输速率越高，数据传输越快；通信距离越远，机器人之间的协作范围就越广。
四、机器人的电源技术参数机器人需要稳定可靠的电源供应，以便正常运行。
电源技术参数包括电池容量、充电时间、工作时间等。
电池容量决定了机器人能够工作多长时间；充电时间决定了机器人在充满电后可以连续工作多长时间；工作时间是指机器人在一次充电后可以连续工作多长时间。
这些参数需要根据具体应用场景进行调整。
五、机器人的安全技术参数机器人需要具备安全保护措施，以便避免对人员和环境造成伤害。
安全技术参数包括碰撞检测、障碍物识别、紧急停止等。
碰撞检测是指机器人可以检测到前方是否有障碍物，并及时采取避让措施；障碍物识别是指机器人可以识别前方的障碍物类型，以便做出正确的决策；紧急停止功能是指机器人可以在出现危险情况时立即停止运动，保护周围人员和设备安全。
机器人技术基础全
手爪的位姿: {T } {n , o , a , p }
a zB {B}
n xB o yB
p{A}求 ABT NhomakorabeaA
B
2.2 坐标变换
在机器人学的许多问题中，涉及到以不同坐标系表示 同一量。下面讨论从一个坐标系的描述到另个坐标系 的描述之间的变换关系。
B ATApBo
p BA Bo
B AR ApBoBpAo 0
BpAo B AR ApBo B ARTApBo
B A T 0 B A 1 R 3 B p 1A o B A 0 R 1 3 T
B A R TAp B o 1
z A {A}
oA xA
zB
{C}
Ap
A p Bo yA
Bp
yB
{B}
oB
xB
齐次变换矩阵
齐次变换矩阵也代表坐标平移与坐标旋转的复合
ABT0BA1R3
p A Bo 1
将其分解成两个矩阵相乘的形式之后就可以看出这一点。
A B T 0 B A 1 R 3 A p 1 B o ＝ 0I3 0 30A p 1 B 0 0B A 0 R01 0 其中，I3×3是3×3阶单位矩阵，等式右端第一个矩阵称为 平移变换矩阵，常用Trans (ApBo)来表示；第二个矩阵标为
机器人的操作，就其本义来说，意味着由某种机构在 空间移动零件和工具。这自然有必要表示零件、工具 以及机构本身的位置和方位。为了规定和运算表示位 置和方位的数学量，我们必需规定坐标系，并掌握它 们的表达式的常用形式。 我们采取这样的思想，即某处存在一通用的坐标系统 ，我们讨论的每一个物体均可参考此参考坐标系。 描述是用来规定操作器系统所涉及的各物体的特性， 这些物体指零件，工具或操作器本身。在本节我们讨 论位置、方位的描述。
机器人学第二章(数学基础)
v
y
o(o′ ) u′
y
x
o
w″
u″
y
-3 o 4 x y
u x
x
解2：用计算的方法 根据定义1，我们有：
T Trans(4 , 3 , 7) R(y, 90 ) R(Z,90
)
0 1 0 0
0 0 1 0
1 0 0 0
4 3 7 1
（2-20）
y
cos
， j
v
在z轴上的投影
sin
,
kw
在y轴上的投影为
j y sin
， k w 在z轴上的投影为
z
k z cos
，所以有：
i x jv j y jv k z jv ix k w jy k w kz kw
i i x R(x, ) j y i k z i
w
已知： Puvw Pu i u Pv j u Pw k w P点在ΣO´uvw中是不变的仍然 成立，由于ΣO´uvw回转，则：
Pw P Pv v y
P x Puvw i x i x ( Pu i u Pv j v Pw k w )
P y Puvw j y j y ( Pu i u Pv j v Pw k w )
x
o
(O ')
Pu u
P z Puvw j z j z ( Pu i u Pv j v Pw k w )
图 2 -4
i x k w P j y k w Pv k z k w Pw
用矩阵表示为:
Px i x i P j i y y Pz k z i
九年级机器人知识点
九年级机器人知识点第一章机器人的定义和分类在这一章中，我们将介绍机器人的定义以及机器人的分类。
机器人是一种能够模拟和执行人类任务的自动化设备。
按照功能和应用领域的不同，机器人可以分为工业机器人、服务机器人、医疗机器人等多种类型。
1.1 机器人的定义机器人通常由机械、电子和计算机技术组合而成，具有感知、决策和执行等功能。
它们能够执行一系列预先设定的任务，无需人类干预。
1.2 机器人的分类根据功能和用途的不同，机器人可以分为以下几类：- 工业机器人：主要用于工业产品的生产和制造过程，如焊接、装配、喷涂等。
- 服务机器人：用于为人们提供各种服务，比如家庭清洁机器人、导购机器人、娱乐机器人等。
- 农业机器人：用于农业生产，如植物浇水、除草、采摘等。
- 医疗机器人：在医疗领域应用广泛，可用于手术、康复训练、医疗辅助等。
- 教育机器人：用于教育领域，可以帮助学生学习编程、语言、数学等学科。
第二章机器人的组成和原理在这一章中，我们将介绍机器人的组成部分以及其工作原理。
了解机器人的组成和工作原理对于了解其运作方式具有重要意义。
2.1 机器人的基本组成一般来说，机器人由机械结构、电子电路和计算机控制系统三个基本组成部分构成。
机械结构包括机器人的身体、关节和传动系统；电子电路负责机器人的感知和控制；计算机控制系统则负责指挥机器人执行任务。
2.2 机器人的工作原理机器人的工作原理可以简单概括为：感知-决策-执行。
机器人通过感知系统获取外界环境的信息，然后经过计算和判断做出决策，并通过执行系统执行相应动作。
第三章机器人的应用领域在这一章中，我们将介绍机器人在各个领域的具体应用。
机器人的应用领域越来越广泛，对提高生产效率和改善人类生活起着举足轻重的作用。
3.1 工业领域在工业领域，机器人被广泛应用于自动化生产线上的各个环节，如汽车制造、电子产品生产等。
机器人能够提高生产效率和产品质量，减少人力成本。
3.2 服务领域服务机器人在家庭、商业及娱乐等领域有着广泛的应用。
相关术语及性能指标
座
电磁式吸盘
圈
气吸式吸盘
多
孔
齿
钢
轮
板
双吸头吸盘
多吸头吸盘
吸取瓦楞板
双吸头吸盘
双吸头架式吸盘 多吸头板式吸盘
.
13
其它手部:
.
14
2.2.3 工业机器人腕部结构
➢腕部影响手部的姿态（方位）
.
15
2.2.4 工业机器人臂部结构
➢臂部确定手部的位置
.
16
2.3 移动机器人
1. 车轮型
两轮型 三轮型 四轮型
2.2.1 机构运动简图
（a）表示手指（末端执行器）； （b）表示垂直、升降运动； （c）表示水平伸缩运动； （d）表示回转运动； （e）表示俯仰运动。
注意：不同的书上，运动简图的符号表示可能不一样。
.
5
直角坐标式
圆柱坐标式
.
6
球坐标式
（a）直接驱动型
（b）平行连杆型
（c）偏置型
（d）平面型
.
7
o
在相同的位置指令下，机器人连续重
复若干次其位置的分散情况。它是衡
量一列误差值的密集程度，即重复度。
.
3
工作空间（Working space）：机器人 手腕参考点或末端操作器安装点（不 包括末端操作器）所能到达的所有空 间区域，一般不包括末端操作器本身 所能到达的区域。
.
4
2.2 工业机器人的结构
➢臂部确定手部的位置
.
21
Class is over. Bye-bye!
.
22
銉禢誳小韷咷囑曚咭唟諢藌柶瞊 槎粋霉树秳榶謥硣靶肼剢滧噿虳 ►冬中国君课滆件站園h嘷ttp彵://w柙ww肆.tao厎doc啝s.co缢m/搐tuyu鋊an里you ►燬管理醱资巵源吧騭ht靏tp:/潋/ww鎓w.t僐aod腝ocs欺.com郹/tu饴dax醌ia 澐 ►►鴅心 中灵华逳驿 文焍站 库 hh厥ttttpp鎁::////wtu鉡wyuwa籥.neayop戈uo1o.軌.zcoonm錳e/.skp撗ua6c.ec媞o/5m7彟/748溪 ►燤大学猒课幄件 h僫ttp齷://w臇ww樣.doc躬in.c溹om菊/61郭169鴩656材9 鏨 ►蝚管理姽资笐源吧務ht筧tp:/牴/ww栺w.d齤oci挅n.co判m/膿467騷860吜574鳱 偲篆齚冈礕夳朧愥酤闘灰垒讯罚 鯛莍麛聀券忓鸃錳鶔銭崱拦餗諟 眫獍嘳噪鸼聼吥.利贌缍梒鰴棝橢 23
机器人技术基础复习要点
机器人技术基础复习要点第一章：绪论1.机器人分类：按开发内容与应用分为工业机器人，操纵型机器人，智能机器人；按发展程度分为第一代，第二代和第三代机器人；按性能指标分为超大型，大型。
中型。
小型和超小型机器人；按结构形式分为直角坐标型机器人，圆柱坐标型机器人，球坐标型机器人和关节坐标型机器人；按控制方式分为点位控制和连续轨迹控制；按驱动方式分为气力驱动式，液力驱动式和电力驱动式。
按机座可动分类分为固定式和移动式。
2.机器人的组成：驱动系统，机械系统，感知系统，控制系统，机器人-环境交互系统，人机交互系统。
3.机器人的技术参数：自由度：是指机器人所具有的独立坐标轴的数目；精度：主要依存于机械误差，控制算法误差与分辨率系统误差；重复定位精度；是关于精度的统计数据；工作范围：指的是机器人手臂末端或手腕中心所能达到的所有店的集合；最大工作速度：不同厂家定义不同，通常在技术参数中加以说明；承载能力：指的是机器人在工作范围内的任何位姿上所能承受的最大质量。
第二章：机器人本体结构1.机器人本体基本结构：传动部件，机身及行走机构，臂部，腕部，手部。
2.机器人本体材料的选择：强度高，弹性模量大，质量轻，阻尼大，经济性好。
3.机身设计要注意的问题：刚度和强度大；动灵活，导套不宜过短，避免卡死；驱动方式适宜；结构布置合理。
4.臂部的基本形式：机器人的手臂由大臂，小臂所组成，手臂的驱动方式主要有液压驱动，气动驱动和电动驱动几种形式，其中电动驱动最为通用；臂部的典型机构有臂部伸缩机构，手臂俯仰运动机构，手臂回转与升降机构。
5.臂部设计需要的注意的问题：足够的承载能力；刚度高；导向性能好，运动迅速，灵活，平稳，定位精度高；重量轻，转动惯性小；合理设计与腕部和机身的连接部位。
6.机器人的平稳性和臂杆平衡方法：机身和臂部的运动较多，质量较大，如果运动速度和负载游较大，当运动状态变化时，将产生冲击和振动。
这将仅影响机器人的精确定位，甚至会使其不能正常运转。
机器人的基本概念与机构简述
4) 手腕(Wrist)：位于执行器与手臂之间，具 有支撑和调整末端执行器姿态功能的机构。 操作臂的组成部分之一。 5)手臂(Arm)：位于基座和手腕之间，由操作 手的动力关节和连杆等组成的组件。能支撑 手腕和末端执行器，并具有调整末端执行器 位置的功能。操作臂的组成部分。Outdated！ 6) 世界坐标系(World Coordinate System)： 参照地球的直角坐标系。 7) 机座坐标系、基坐标系(Base reference coordinate system)：参照机器人基座的坐标 系，即机器人末端位姿的参考坐标系。 8) 坐标变换(Coordinate Transformation)： 将一个点的坐标描述从一个坐标系转换到另 一个坐标系下描述的过程。
并联机器人
优点：系统的刚度大、定位 精度高 缺点：工作空间小、运动速 度低
串联机器人的种类：
Y
A、直角坐标型机器人
Z
X
P F ( X ,Y , Z )
B、 圆柱坐标机器人
R
R
z
P F (, Z , R )
z
C、 球坐标机器人
R
P F (, , R)
D、SCARA机器人
《机器人学》
第二章 机器人的基本概念与机构简介
战强
北京航空航天大学机器人研究所
2-1、基本概念
1) 自由度(Degree of Freedom, DOF)：指一个 点或一个物体运动的方式，或一个动态系统 的变化方式。每个自由度可表示一个独立的 变量，而利用所有的自由度，就可完全规定 所研究的一个物体或一个系统的位置和姿态。 也指描述物体运动所需的独立坐标数，3维空 间需要6个自由度。 2) 操作臂(Manipulator)：具有和人手臂(Arm) 相似的功能、可在空间抓放物体或进行其它 操作的机电装置。----Arm 3) 末端执行器(End-Effector)：位于机器人腕 部的末端，直接执行工作要求的装置。如灵 巧手、夹持器。----Hand/Gripper
机器人第二章
2.2 机构的自由度
按机构学理论， 在三维空间中有n个完全 按机构学理论， 在三维空间中有n 不受约束的物体， 不受约束的物体，并且任选其中一个为固 定参照物， 定参照物，因每个物体相对参照物都有六 个运动自由度， 个运动自由度， 则n个物体相对参照物共 有6（ n－1 ）个运动自由度。如将所有连 个运动自由度。 用关节连接起来， 设第i 杆（ 物体 ）用关节连接起来， 设第i个关 节的约束为 ui （ 即该关节限制的自由度 数目）， ），如果所有连杆之间的关节数目为 数目），如果所有连杆之间的关节数目为 g，则该机构的运动自由度为
i=1
g
对于只有一个运动平台与几个分支连接 的多环机构，还可以通过直接观察法来 的多环机构， 计算自由度，运动平台在无约束的情况 计算自由度， 下有六个自由度，通过观察可以知道每 下有六个自由度， 一分支对运动平台的约束数，则机构的 一分支对运动平台的约束数， 自由度为6减去所有的约束数。 自由度为6减去所有的约束数。
2.1 机器人机构
2.1.1 关节 在机器人机构中，两相邻的连杆之间 在机器人机构中， 有一个公共的轴线， 有一个公共的轴线，两杆之间允许沿 该轴线相对移动或绕该轴线相对转动， 该轴线相对移动或绕该轴线相对转动， 构成一个运动副，也称为关节。 构成一个运动副，也称为关节。关节 的种类有： 的种类有：
3）螺旋关节：用字母H表示 ，允许两连 螺旋关节：用字母H 杆绕轴线转动的同时按螺旋规则沿轴 线移动，可以有左旋和右旋。 线移动，可以有左旋和右旋。这种关 节具有一个自由度； 节具有一个自由度； 圆柱关节：用字母C 4）圆柱关节：用字母C表示 ，允许两连 杆绕轴线转动的同时独立地沿轴线移 这种关节具有二个自由度； 动。这种关节具有二个自由度； 球面关节：用字母S 5）球面关节：用字母S表示 ，允许两连 杆之间有三个独立的相对转动。 杆之间有三个独立的相对转动。这种 关节具有三个自由度； 关节具有三个自由度；
《机器人第二章》课件
探讨医疗机器人在手术和康复等领域的重要作 用。
家庭服务机器人的应用
介绍家庭服务机器人的应用场景，如智能家居 和老年人护理等。
军事机器人的应用
分析军事机器人在侦察和无人作战等任务中的 应用情况。
未来机器人的发展趋势
1 智能化和自主化
展望机器人未来的发展方向，包括更智能和 自主的特点。
机器人的历史发展概览
回顾机器人的历史，了解其 发展的里程碑和主要进展。
机器人的构成要素
1 硬件和软件
深入了解机器人的硬件组 成和软件系统，以及二者 之间的关系。
2 传感器和执行器
了解机器人的传感器和执 行器，它们对机器人感知 和执行任务的重要性。
3 控制系统和决策系统
探索机器人的控制系统和 决策系统，理解它们如何 使机器人能够做出智能决 策。
2 多模态和交互式
研究机器人未来的多模态感知和交互技术的 发展趋势。
3 协作式和群体化
探索机器人将更多地以协作和群体形式工作 的前景。
4 轻量化和柔性化
展示机器人轻量化和柔性化的趋势，以适应 不同的工作场景。
《机器人第二章》PPT课 件
欢迎来到《机器人第二章》PPT课件。本课程将带您深入了解机器人的定义、 分类和应用领域，以及机器人的构成要素和运动学、动力学、视觉系统、学 习和认知等方面知识。
概述
机器人的定义和分类
了解机器人的准确定义以及 不同类型的分类。
机器人的应用领域
探索机器人在各个领域中的 应用，包括工业、家庭服务、 医疗和军事等。
了解机器人的不同学习类型和学习方法，如监督学习和强化学习等。2Biblioteka 机器人的感知和认知及其模型
探索机器人的感知和认知能力，以及相关的认知模型和理论。
工业机器人技术基础-教学大纲
工业机器人技术基础-教学大纲本课程是工业机器人技术专业学生的必修课，旨在让学生掌握生产一线技术和运行人员所必须掌握的机器人技术应用的基本知识和基本技能。
工业机器人应用岗位已成为众多行业特别是电子制造、汽车制造、半导体工业、机械制造、造船工业、机床加工等行业最关键最核心的工作岗位。
本课程介绍了工业机器人的机械结构、驱动系统、控制系统和感觉系统，通过典型案例对工业机器人示教和操作的相关基础共性问题进行详细图解，内容涵盖机器人搬运、码垛、焊接、涂装和装配五大典型应用任务。
通过本课程的研究，学生掌握工业机器人技术的基础知识，为后续的研究打下基础。
本课程是工业机器人技术专业基础课程，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。
通过该课程的研究，学生基本熟悉这门技术以及其发展状况，为今后从事工业机器人技术安装、应用、设计等工作打下基础。
学生将了解机器人的发展状况、发展前景及工业机器人将对未来工业创造的巨大潜在价值。
同时，学生将掌握机器人机械机构、运动分析、控制和使用的技术要点和基础理论，以及实际操作工业机器人的方法。
本课程的目的是让学生了解机器人的部件、结构、特性、应用技术的现状及发展趋势，机器人的语言系统的作用及内容。
学生将掌握机器人的各种分类方式、不同类型机器人的性能、机器人的基本术语、各类图形符号和主要技术参数，以及机器人的机身、臂部、腕部、手部、行走机构等的结构特点、驱动方式、驱动机构、传动机构、控制系统及控制方式、基本单元、控制系统的基本组成。
此外，学生还将熟悉搬运、码垛、焊接、涂装和装配五大典型机器人的系统组成及功能，以及这些机器人作业示教的基本流程。
通过本课程的研究，学生将了解机器人的发展状况、前景和工业机器人的潜在价值。
学生将理解工业机器人的基本原理和基础知识，掌握机器人机械机构、运动分析、控制和使用的技术要点和基础理论，同时也将实际操作机器人。
机器人概论 第二章机器技术数学基础
A A p = B R B p + A pB0
− sθ cθ 0
0 0.866 0 = 0.5 1 0
− 0.5 0.866 0
0 12 0 ; Ap B0 = 6 0 1
0 0 0 0 1 0 7 1 2 1 = 9 1
机器人技术数学基础
2.3 齐次坐标变换
3.旋转齐次坐标变换 3.旋转齐次坐标变换
1 0 0 cθ 0 sθ cθ − sθ 0 R(x,θ) = 0 cθ − sθ R( y,θ) = 0 1 0 R(z,θ) = sθ cθ 0 0 sθ cθ − sθ 0 cθ 0 0 1
py
pz ]
T
机器人技术数学基础
2.1 位置和姿态的表示
2.方位描述 2.方位描述 空间物体B的方位(Orientation) 空间物体B的方位(Orientation) 可由某个固接于此物体的坐标系{B} 可由某个固接于此物体的坐标系{B} 的三个单位主矢量[xB,yB,zB]相对于 的三个单位主矢量[x 参考坐标系A的方向余弦组成的3x3 参考坐标系A的方向余弦组成的3x3 矩阵描述. 矩阵描述.
第二章-第二章--机器人技术数学基础 --机器人技术数学基础
2.1 2.2 2.3 2.4 位置和姿态的表示 坐标变换 齐次坐标变换 物体的变换可以用一个开环关节链来建模 • 由数个驱动器驱动的转动或移动关节串联而成 • 一端固定在基座上，另一端是自由的，安装工具，用以 操纵物体 • 人们感兴趣的是操作机末端执行 器相对于固定参考坐标数的空间 几何描述，也就是机器人的运动 几何描述， 学问题 • 机器人的运动学即是研究机器人 手臂末端执行器位置和姿态与关 节变量空间之间的关系
工业机器人运动学1
*
手部位姿矢量为从固定参考坐标系OXYZ原点指向手部坐标系{B}原点的矢量p。手部的位姿可由(4×4)矩阵表示:
*
例：手部抓握物体Q，物体为边长2个单位的正立方体，写出表达该手部位姿的矩阵式。
*
解：
因为物体Q形心与手部坐标系0`X`y`z`的坐标原点0’相重合，所以手部位置的(4x1)列阵为：
工业机器人 PTP 运动和 CP 运动
运动轨迹规划
*
1955年Denavit和Hartenberg提出了一种采用矩阵代数的系统而广义的方法，来描述机器人手臂杆件相对于固定参考坐标系的空间几何关系，这种方法是标准、通用的。
这种方法使用4×4齐次变换矩阵来描述两个相邻的机械刚性构件间的空间关系，把正向运动学问题简化为寻求等价的4×4齐次变换矩阵，此矩阵把手部坐标系的空间位移与参考坐标系联系起来。并且该矩阵还可用于推导手臂运动的动力学方程。而逆向运动学问题可采用几种方法来求解。最常用的是矩阵代数、迭代或几何方法。
*
推导如下: 因A点是绕Z轴旋转的, 所以把A与A′投影到XOY平面内, 设OA=r, 则有
同时有
其中, α′=α+θ, 即
*
所以
所以
由于Z坐标不变, 因此有
*
写成矩阵形式为
记为:
A′=Rot(z, θ)A
其中, 绕Z轴旋转算子左乘是相对于固定坐标系，即
*
同理：
工业机器人反向运动学是工业机器人控制的基础，而正向运动学又是反向运动学的基础。
*
运动学正问题
How do I
put my
hand here?
Where is
my hand?
机器人基本概念
主计算机负责管理和运动解算，从计算机负责驱动控制的系统。 “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，如喷涂机器人。 Ｔeach and Ｐlayback 示教－再现 即分为示教－存储－再现-操作四步进行。 示教：方式有两种：(1) 直接示教－手把手；(2) 间接示教－示教盒控制。 存储：保存示教信息。 再现：根据需要，读出存储的示教信息向机器人发出重复动作的命令。
机器人学基本概念----工业机器人的主要技术参数
Research Institute of Robotics and Automation(RIRA), Hebei University of Technology
机器人学基本概念----工业机器人的主要技术参数
Kawasaki Robotics(USA), Inc: FS06L
机器人学基本概念----主从控制与示教再现
Research Institute of Robotics and Automation(RIRA), Hebei University of Technology
机器人学基本概念----机器人机械系统与其它机械系统的区别
机器人速度高、精度高、控制范围广，一般速度控制比在１：１００００以上。
Research Institute of Robotics and Automation(RIRA), Hebei University of Technology
机器人学基本概念----机器人偿还期理论
Research Institute of Robotics and Automation(RIRA), Hebei University of Technology
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第二章机器人基础知识2.1机器人的基本术语与图形符号；2.2机器人的主要参数【内容提要】本课主要学习机器人的基本术语与各类图形符号，讲解机器人的主要技术参数，并介绍了几种实际产品的技术规格和机构简图。
知识要点：✓概念：位姿、连杆、关节、自由度、刚度✓机器人的主要技术参数重点：✓掌握工业机器人的基本术语与图形符号、结构简图✓掌握机器人的主要技术参数难点：✓机器人的结构简图✓工业机器人的主要技术参数关键字：✓术语、图形符号、运动简图、技术参数【本课内容相关资料】2.1机器人的基本术语与图形符号2.1.1机器人的基本术语国家标准GB/T 12642—2001、GB/T 12643—2013对工业机器人专用术语作了定义和解释。
术语繁多，有机械结构和性能相关的术语、控制和安全相关的术语等。
为了便于更好的学习，简单够用的原则，本节仅仅阐述机器人的一些基本术语。
1.轴（axis）描述机器人构件独立运动的方向线（可沿此线直线运动或转动）。
2.位姿（pose）工业机器人末端执行器在指定坐标系中的位置和姿态。
3.杆件坐标系（link coordinate system）参照工业机器人指定杆件的坐标系。
4.机械接口坐标系（mechanical interface coordinate system）参照末端执行器机械接口的坐标系。
5.关节关节（Joints）；即运动副，是允许机器人手臂各零件之间发生相对运动的机构，是两构件直接接触并能产生相对运动的活动联接，如图2.1所示。
A、B两部件可以做互动联接。
a)回转副b)移动副c)回转移动副d)球面副图2.1 机器人的关节高副机构（Higher pair)，简称高副，指的是运动机构的两构件通过点或线的接触而构成的运动副。
例如齿轮副和凸轮副就属于高副机构。
平面高副机构拥有两个自由度，即相对接触面切线方向的移动和相对接触点的转动。
相对而言，通过面的接触而构成的运动副叫做低副机构。
关节是各杆件间的结合部分，是实现机器人各种运动的运动副，由于机器人的种类很多，其功能要求不同，关节的配置和传动系统的形式都不同。
机器人常用的关节有移动、旋转运动副。
一个关节系统包括驱动器、传动器和控制器，属于机器人的基础部件，是整个机器人伺服系统中的一个重要环节，其结构、重量、尺寸对机器人性能有直接影响。
（1）回转关节回转关节，又叫做回转副、旋转关节，是使连接两杆件的组件中的一件相对于另一件绕固定轴线转动的关节，两个构件之间只作相对转动的运动副。
如手臂与机座、手臂与手腕，并实现相对回转或摆动的关节机构，由驱动器、回转轴和轴承组成。
多数电动机能直接产生旋转运动，但常需各种齿轮、链、带传动或其他减速装置，以获取较大的转矩。
(2)移动关节移动关节，又叫做移动副、滑动关节、棱柱关节，是使两杆件的组件中的一件相对于另一件作直线运动的关节，两个构件之间只作相对移动。
它采用直线驱动方式传递运动，包括直角坐标结构的驱动，圆柱坐标结构的径向驱动和垂直升降驱动，以及极坐标结构的径向伸缩驱动。
直线运动可以直接由气缸或液压缸和活塞产生，也可以采用齿轮齿条、丝杠、螺母等传动元件把旋转运动转换成直线运动。
(3)圆柱关节圆柱关节，又叫做回转移动副、分布关节，是使两杆件的组件中的一件相对于另一件移动或绕一个移动轴线转动的关节，两个构件之间除了作相对转动之外，还同时可以作相对移动。
(4)球关节球关节，又叫做球面副，是使两杆件间的组件中的一件相对于另一件在三个自由度上绕一固定点转动的关节，即组成运动副的两构件能绕一球心作3个独立的相对转动的运动副。
6.连杆（Link）连杆（Link）:指机器人手臂上被相邻两关节分开的部分；是保持各关节间固定关系的刚体，是机械连杆机构中两端分别与主动和从动构件铰接以传递运动和力的杆件。
例如在往复活塞式动力机械和压缩机中，用连杆来连接活塞与曲柄。
连杆多为钢件；其主体部分的截面多为圆形或工字形，两端有孔，孔内装有青铜衬套和滚针轴承，供装入轴销而构成铰接。
连杆是机器人中的重要部件，它连接着关节，其作用将一种运动形式转变为另一种运动形式，并把作周在主动构件上的力传给从动构件以输出功率。
7.刚度（Stiffness)刚度（Stiffness):是机器人机身或臂部在外力作用下抵抗变形的能力。
它是用外力和在外力作用方向上的变形量（位移）之比来度量。
在弹性范围内，刚度是零件载荷与位移成正比的比例系数，即引起单位位移所需的力。
它的倒数称为柔度，即单位力引起的位移。
刚度可分为静刚度和动刚度。
在任何力的作用下，体积和形状都不发生改变的物体叫刚体（Rigidbody）。
在物理学上，理想的刚体是一个固体的，尺寸值有限的，形变清况可以被忽略的物体。
不论是否受力，在刚体内任意两点的距离都不会发生改变。
在运动中，刚体上任意一条直线在各个时刻的位置都保持平行。
其他参数：自由度（Degree of Freedom, DOF）：指一个点或一个物体运动的方式，或一个动态系统的变化方式。
每个自由度可表示一个独立的变量，而利用所有的自由度，就可完全规定所研究的一个物体或一个系统的姿态。
操作手（Manipulator）：具有和人手臂相似的功能、可在空间抓放物体或进行其它操作的机械装置。
末端执行器（End-effector）：位于机器人腕部的末端，直接执行工作要求的装置。
手腕（Wrist）：位于执行器与手臂之间，具有支撑和调整末端执行器姿态功能的机构。
手臂（Arm）：位于基座和手腕之间，由操作手的动力关节和连杆等组成的组件。
能支撑手腕和末端执行器，并具有调整末端执行器位置的功能。
自然坐标系、世界坐标系（World Coordinate System）：参照地球的直角坐标系。
机座坐标系、基坐标系（Base reference coordinate system）：参照机器人基座的坐标系。
坐标变换（Coordinate Transformation）：将一个点的坐标从一个坐标系换到另一个坐标系的过程。
工作空间（Working Space）：机器人在执行任务时，其腕轴交点能在空间活动的范围。
负载（Load）：作用于末端执行器上的质量和力矩。
额定负载（Rated Load）：机器人在规定的性能范围内，机械接口处能够承受的最大负载量（包括末端执行器在内）。
分辨率（Resolution）：机器人每个轴能够实现的最小移动距离或最小转动角度。
位姿精度（Pose Accuracy）：指令设定位姿与实际到达位姿的一致程度。
轨迹精度（Path Accuracy）：机器人机械接口中心跟指令轨迹的一致程度。
点位控制（Point to Point Control，PTP）：控制机器人从一个位姿转到另一个位姿，其路径不限。
连续轨迹控制（Continuous Path Control，CP）：机械接口在指定的轨迹上，按照编程规定的位姿和速度移动。
它适于对两个以上的运动环节进行控制。
协调控制（Cooperative Control）：协调多个手臂或多台机器人同时进行某种作业的控制。
伺服系统（Servo System）：控制机器人的位姿、速度和力等，使其跟随目标值变化的控制系统。
离线编程（Off-line Programming）：机器人作业方式的信息的记忆过程，与作业对象不发生直接关系的编程方式。
在线编程（On-line Programming）：通过人的示教来完成操作信息的记忆过程的编程方式。
人工智能（Artificial Intelligence，AI）：机器人能执行一些类似人类智力活动的能力。
如推理、规划、图像识别、理解和学习等。
模式识别（Pattern Recognition）：通过类似人类感觉器官的传感器所检测的信息来分析、描述和区分各个物体特征的方法。
触觉（Tactile Sense）：机器人与物体之间接触时所得到的感觉信息。
压觉（Sense of Contact Force）：机器人与物体某个表面接触时，沿法线方向受到的力的信息感觉。
视觉（Visual Sense）：机器人对光等外界信息的感觉。
利用这种感觉可以识别物体的轮廓、方位、背景等环境状态。
接近觉（Proximity Sense）：机器人能感受到与物体接近程度的能力。
机器人语言（Robot Language）：机器人系统中的计算机编程语言。
2.1.2机器人的图形符号2.1.2.1机器人的图形符号体系1.运动副的图形符号机器人所用的零件和材料以装配方法等与现有的各种机械完全相同。
机器人常用的关节有移动、旋转运动副，常用的运动副图形符号如表2.1所示。
表2.1 常用的运动副图形符号2.基本运动的图形符号机器人的基本运动与现有的各种机械表示也完全柑同。
常用的基本运动的图形符号如表2.2所示。
表2.2 常用的基本运动图形符号3.运动机能的图形符号机器人的运动机能常用的图形符号如表2.3所示。
表2.3 机器人的运动机能常用的图形符号4.运动机构的图形符号机器人的运动机构常用的图形符号如表2.4所示。
表2.4 机器人的运动机构常用的图形符号2.1.2.2机器人的图形符号表示机器人的描述方法分为机器人运动机构简图、机器人运动原理图、机器人传动原理图、机器人速度描述方程、机器人位姿运动学方程、机器人静力学描述方程等。
作为图形符号的表示，仅仅是运动机构简图、运动原理图、传动原理图、结构简图。
1.四种坐标机器人的机构简图机器人的机构简图是描述机器人组成机构的直观图形表达形式，是将机器人的各个运动部件用简便的符号和图形表达出来，此图可用上述图形符号体系中的文字与代号表示。
直角坐标型、圆柱坐标型、极坐标型、多关节型四种坐标机器人的机构简图如图 2.2所示。
a）直角坐标型 b）圆柱坐标型 c）极坐标型 d）多关节型图2.2 四种坐标机器人的机构简图2.机器人运动原理图机器人运动原理图是描述机器人运动的直观图形表达形式，是将机器人的运动功能原理用简便的图形和符号表达出来，此图可用上述的图形符号体系中的文字与代号表示。
机器人运动原理图是建立机器人坐标系、运动和动力方程式、设计机器人传动原理图的基础，也是我们为了应用好机器人，在学习使用机器人时最有效的工具。
PUMA-262机器人的机构运动示意图和运动原理图如图2.3所示。
可见，运动原理图可以简化为机构运动示意图，以明确主要因素。
a)机构运动示意图 b)运动原理图图2.3 机构运动示意图和运动原理图3.机器人传动原理图将机器人动力源与关节之间的运动及传动关系用简洁的符号表示出来，就是机器人传动原理图。
PUMA-262机器人的传动原理图如图2.4所示。
机器人的传动原理图是机器人传动系统设计的依据，也是理解传动关系的有效工具。
图2.4 PUMA-262机器人传动原理图4.典型机器人的结构简图ABB、FUNAC、KUKA、MOTOMAN公司的典型产品的机械结构分析如下。