机器人学导论
机器人学导论-JohnJCraig - v1
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第2章 空间描述和变换
• 2.1 概述 • 2.2 描述:位置、姿态与坐标系 • 2.3 映射:从坐标系到坐标系的变换
• 2.4 算子:平移、旋转和变换
• 2.5 总结和说明 • 2.6 变换算法
• 2.7 变换方程
• 2.8 姿态的其他描述方法 • 2.9 自由矢量的变换
机器人学导论 (美)John.J.Craig
2.2 描述:位置、姿态与坐标系 相关知识:点积
机器人学导论 (美)John.J.Craig
2.2 描述:位置、姿态与坐标系 相关知识:点积
机器人学导论 (美)John.J.Craig
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机器人学导论 (美)John.J.Craig
2.2 描述:位置、姿态与坐标系 相关知识:点积
机器人学导论 (美)John.J.Craig 2.1 和姿态两个特性,在数学上就需要定
义坐标系来表达相关参数。
我们定义一个世界坐标系,任何问题都能够参照这个坐标系。位置和姿态都是参照这个世界坐标系或者由世界坐 标系定义的笛卡尔坐标系。
机器人学导论 (美)John.J.Craig
机器人学导论 (美)John.J.Craig
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2.2 描述:位置、姿态与坐标系 相关知识:点积
《机器人学导论》课程教学大纲
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《机器人学导论》课程教学大纲课程名称:机器人学导论课程编号:BF(英文):Introduction to Robotics先修课程:线性代数、机构学、自动控制适用专业:机械电子、机械工程及自动化开课系(所):机械与动力工程学院机器人研究所教材和教学参考书:1.1.教材:机器人学、蔡自兴、清华大学出版社、20002.教学参考书: 机器人学导论,约翰J.克雷格、西北工业大学出版社、1987 注:上述教材和参考书将根据教材课购买情况可互换一、一、本课程的性质、地位、作用和任务面对21世纪知识经济时代的机遇与挑战,人类(地球人)正在以非凡的智慧构思新世纪的蓝图。
世界的明天将更加美好。
但是,地球人在发展中也面临着环境、人口、资源、战争和贫困等普遍问题,同时还要学会与机器人共处,这是21世纪地球人必须正视和处理的紧要问题,是影响地球人生存和发展的休戚与共的重大事件。
机器人学是一门高度交叉的前沿学科,机器人技术是集力学、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。
自第一台电子编程工业机器人问世以来,机器人学已取得令人瞩目的成就。
正如宋健教授1999年7月5日在国际自动控制联合会第14届大会报告中所指出的:“机器人学的进步和应用是本世纪自动控制最有说服力的成就,是当代最高意义上的自动化。
”机器人技术的出现与发展,不但使传统的工业生产面貌发生根本性的变化,而且将对人类的社会生活产生深远的影响。
二、二、本课程的教学内容和基本要求1.1.绪言简述机器人学的起源与发展,讨论机器人学的定义,分析机器人的特点、结构与分类。
2.2.机器人学的数学基础空间任意点的位置和姿态变换、坐标变换、齐次坐标变换、物体的变换和逆变换,以及通用旋转变换等。
3.3.机器人运动方程的表示与求解机械手运动姿态、方向角、运动位置和坐标的运动方程以及连杆变换矩阵的表示,欧拉变换、滚-仰-偏变换和球面变换等求解方法,机器人微分运动及其雅可比矩阵等4.4.机器人动力学机器人动力学方程、动态特性和静态特性;着重分析机械手动力学方程的两种求法,即拉格朗日功能平衡法和牛顿-欧拉动态平衡法;然后总结出建立拉格朗日方程的步骤5.5.机器人的控制机器人控制与规划6.6.机器人学的现状、未来包括国内外机器人技术和市场的发展现状和预测、21世纪机器人技术的发展趋势、我国新世纪机器人学的发展战略等。
机器人学导论总复习
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第四章 力分析及柔顺控制
1、柔顺坐标系力位控制特点?
在该坐标系中,任务可以被描述成沿各个坐标轴 的位置控制和力的控制。对于其中的任何一个方 向的自由度(沿三个正交轴的移动和绕三个轴的旋 转),或者要求是力的控制,或者是位置的控制,不 可能在同一个自由度既进行力的控制,又进行位 置的控制,二者必居其一 。 2、自然约束和人为约束?黑板上写字的约束?
360 360 9 7.2 1.8 40 50
4、步进电机高速时性能差的原因是什么? 第一,运行每一步,转子必须先加速、恒速、再 减速;第二,定子交替磁场的变化,过快产生的 反电势磁通有阻止转子旋转的趋势。 5、何谓脉宽调制?
通过改变开关的时间,改变平均有效电压。(即 调节开通时间占空比) 6、一个、两个、四个二进制位端口读0~5V的数
有一个二进制位端口:0或5V; 有两个二进制位端口:0、1.67、3.34、5V; 有四个二进制位端口:0、0.33、0.67┄ 、5V
第七章 传感器
1、何谓分辨率?举例说明绕线式电位器的分辨率。 N位数字设备的分辨率。
分辨率:在测量范围内所能分辨的最小值。绕线式 电位器——一圈电阻值;n位数字设备——满量程 /2n 2、传感器按与机器人的相对关系分为哪两种及特点 内传感器和外传感器。 内传感器用来测试机器人本体内部的一些变量; 外传感器常用来测试机器人工作的环境情况。 3、传感器由转换器和电路组成。转换器是将物理量 和化学量转换为电信号的装置。
自然约束是由任务的几何结构所确定的约束关系。 人为约束则是根据任务的要求人为给定的期望的 运动和力。
第五章 轨迹规划
1、路径和轨迹?
如果规定一个机器人从A点经过B点运动到C点而 不强调时间的概念,那么这一过程中的位形序列 就构成了一条路径。如果我们强调到达其中任意 一点的时间,那么这就是一条轨迹。 2、对于已指定的路径(如直线)必须在直角空间 进行规划才能实现。如果没有指定机器人的路径, 则关节空间的轨迹规划更容易计算。
机器人学导论考试
![机器人学导论考试](https://img.taocdn.com/s3/m/562c1a1fa22d7375a417866fb84ae45c3b35c266.png)
机器人学导论考试一、机器人学简介机器人学是一门融合了物理、电子、计算机、机械、控制、自动化、系统科学等多学科的交叉学科,主要研究机器人的设计、制造、控制、算法、应用和实现的技术。
机器人学的发展是以机器人的技术进步为基础的,机器人技术的发展是以现代计算机技术为基础的。
机器人学的发展目标是使机器人获得自主性、智能性和可靠性,从而使机器人能够完成更复杂的任务。
机器人学的主要研究内容包括机器人的结构设计、运动学和动力学、机器人控制、机器人感知、机器人导航、机器人仿真、机器人系统建模、任务规划、机器人程序设计等。
二、机器人结构设计机器人结构设计是机器人学的基础,是构建机器人的基础,是实现机器人功能的基础,是机器人技术的重要内容。
机器人结构设计的目的是构建能够完成特定任务的机器人系统,考虑机器人的功能、结构、尺寸、重量、强度、精度和稳定性等因素,设计出能够完成特定任务的机器人系统结构。
机器人结构设计的关键是机器人的运动学和动力学,它们可以帮助设计者更好地理解机器人的运动特性,从而设计出更加合理的机器人结构。
三、机器人运动学和动力学机器人运动学和动力学是机器人学的重要研究内容,是研究机器人的运动的学科。
机器人运动学的主要内容是机器人的运动学分析,即研究机器人的运动轨迹、位置、速度和加速度等。
机器人动力学的主要内容是研究机器人的动力学特性,即研究机器人的动力学模型、力学特性、力学参数等。
机器人运动学和动力学的研究可以帮助设计者更好地理解机器人的运动特性,从而设计出更加合理的机器人结构。
四、机器人控制机器人控制是机器人学的重要研究内容,是指通过控制机器人的运动来完成特定任务的技术。
机器人控制的主要内容包括机器人的运动控制、机器人的位置控制、机器人的力控制、机器人的视觉控制、机器人的任务控制等。
机器人控制的目标是控制机器人完成特定任务,从而实现机器人的自主性、智能性和可靠性。
五、机器人感知机器人感知是机器人学的重要研究内容,是指机器人感知环境的技术。
机器人学导论的100个论题
![机器人学导论的100个论题](https://img.taocdn.com/s3/m/92cfe99fc0c708a1284ac850ad02de80d4d806a0.png)
2机器人学导论的100个论题1. 机器人学的定义和范畴2. 机器人的发展历程3. 机器人的应用领域4. 机器人的分类和特点5. 机器人的工作原理和组成部件6. 机械结构与运动学7. 机器人的传感器和感知系统8. 机器人的控制系统9. 机器人的决策与规划10. 机器人的学习与智能化11. 机器人的运动规划与路径规划12. 机器人图像处理与视觉导航13. 机器人的自主导航与定位14. 机器人的力学与动力学建模15. 机器人的运动控制与力控制16. 机器人和人类的协作与共存17. 机器人和社会的互动与影响18. 机器人的道德与伦理问题19. 机器人在工业生产中的应用20. 机器人在医疗领域的应用21. 机器人在农业领域的应用22. 机器人在交通运输中的应用23. 机器人在环境监测与保护中的应用24. 机器人在教育与娱乐中的应用25. 机器人在日常生活中的应用26. 机器人与人类的情感交流27. 机器人的机器学习与模式识别28. 机器人的语音识别与自然语言处理29. 机器人的计算机视觉与物体识别30. 机器人的路径规划与轨迹跟踪31. 机器人的机器人操作系统32. 机器人的机器人建模与仿真33. 机器人的机器人编程与控制34. 机器人的可重构与自组织能力35. 机器人的运动学参数标定与标定精度36. 机器人的感知误差与补偿方法37. 机器人的决策与规划的求解算法38. 机器人的运动控制与力控制算法39. 机器人的自主导航与定位算法40. 机器人的机器学习与智能化算法41. 机器人的运动规划与路径规划算法42. 机器人的图像处理与视觉导航算法43. 机器人的语音识别与自然语言处理算法44. 机器人的计算机视觉与物体识别算法45. 机器人的路径规划与轨迹跟踪算法46. 机器人的机器人操作系统算法47. 机器人的机器人建模与仿真算法48. 机器人的机器人编程与控制算法49. 机器人的可重构与自组织算法50. 机器人的控制算法的稳定性分析51. 机器人的误差鲁棒性分析与控制52. 机器人的能源管理与优化53. 机器人的可靠性与安全性设计54. 机器人的维护与故障诊断55. 机器人的人机界面与交互设计56. 机器人的社会接纳与公众认知57. 机器人的技术标准与法律法规58. 机器人的知识产权与专利策略59. 机器人的市场前景与商业化应用61. 机器人的人力资源与任务分配62. 机器人的团队协作与任务分工63. 机器人的项目管理与供应链64. 机器人的投资与融资策略65. 机器人的产业政策与发展战略66. 机器人的智能化与自动化67. 机器人的创新与技术竞争力68. 机器人的可持续发展与环境保护69. 机器人的文化与社会影响70. 机器人的国际合作与交流71. 机器人的生态系统与生态效应72. 机器人的区域发展与战略布局73. 机器人的国际标准与技术创新74. 机器人的个人隐私与信息安全75. 机器人的社会接受度与人机关系76. 机器人的自主性与责任问题77. 机器人的养老与健康服务78. 机器人的智能化与智慧城市79. 机器人的网络与云计算80. 机器人的数据存储与处理81. 机器人的机器人协同与协作82. 机器人的人工智能与深度学习83. 机器人的虚拟现实与增强现实84. 机器人的人体工程学与人机界面85. 机器人的机器人道德与伦理86. 机器人的机器人法律与政策87. 机器人的机器人经济学与商业模式88. 机器人的机器人教育与技术培训89. 机器人的机器人创业与创新90. 机器人的机器人科技与科研92. 机器人的机器人运营与维护93. 机器人的机器人安全与风险评估94. 机器人的机器人测试与验证95. 机器人的机器人监管与质量控制96. 机器人的机器人认证与准入97. 机器人的机器人可靠性与故障排除98. 机器人的机器人标准与规范99. 机器人的机器人技术评估与评价100. 机器人的机器人未来发展趋势。
机器人学导论 等效旋转矩阵
![机器人学导论 等效旋转矩阵](https://img.taocdn.com/s3/m/b82e5ff44128915f804d2b160b4e767f5acf801a.png)
机器人学导论等效旋转矩阵机器人学导论导论机器人学是研究机器人的运动、感知、决策和控制等方面的一门交叉学科。
它涉及多个领域,如计算机科学、电子工程、力学、控制理论等。
机器人学的目标是设计和开发能够完成特定任务的智能化机器人系统。
等效旋转矩阵等效旋转矩阵是机器人运动中常用的一种表示方法。
它可以将三维空间中的旋转变换表示为一个三维矩阵,从而方便进行运动规划和控制。
1. 旋转矩阵的定义在三维空间中,一个点P(x,y,z) 绕坐标轴分别旋转角度α,β,γ 后得到新点P’(x’,y’,z’)。
则可以通过如下公式计算旋转矩阵R:其中,Rx, Ry, Rz 分别表示绕x轴、y轴、z轴旋转的矩阵,α, β, γ 分别表示绕x轴、y轴、z轴旋转的角度。
2. 等效旋转矩阵的定义在机器人运动中,通常需要将多个旋转变换组合起来来实现特定任务。
这时,可以将多个旋转变换合并为一个等效旋转变换,从而简化运动规划和控制。
等效旋转矩阵的定义如下:其中,R1, R2, …, Rn 分别表示多个旋转变换的旋转矩阵。
3. 等效旋转矩阵的计算方法计算等效旋转矩阵的方法有多种,下面介绍两种常用的方法。
(1)欧拉角法欧拉角法是一种将三个绕不同轴的旋转变换合并为一个等效旋转变换的方法。
具体步骤如下:① 将三个绕不同轴的旋转变换分别表示为三个矩阵R1, R2, R3。
② 将这三个矩阵相乘得到一个等效矩阵R = R3 × R2 × R1。
③ 将等效矩阵R分解为三个绕不同轴的旋转变换,即可得到欧拉角表示。
(2)四元数法四元数法是一种将多个旋转变换合并为一个等效旋转变换的方法。
具体步骤如下:① 将多个旋转变换分别表示为四元数q1, q2, …, q n。
② 将这些四元数相乘得到一个等效四元数q = qn × … × q2 × q1。
③ 将等效四元数q转换为等效旋转矩阵即可。
4. 总结等效旋转矩阵是机器人运动中常用的一种表示方法,它可以将多个旋转变换合并为一个等效变换,从而方便进行运动规划和控制。
机器人学导论
![机器人学导论](https://img.taocdn.com/s3/m/019dd867abea998fcc22bcd126fff705cc175cd7.png)
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
机器人学导论第2章1
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§ 2.1 引言 § 2.2 机器人机构
§ 2.3 机器人运动学的矩阵表示
§ 2.4 齐次变换矩阵
§ 2.5 变换的表示
§ 2.6 变换矩阵的逆 § 2.7 机器人的正逆运动学 § 2.8 机器人正运动学方程的D-H表示法
§ 2.9 机器人的逆运动学解
§ 2.10 机器人的逆运动学编程
P= ax i+ by j+ cz k
其中ax,by,cz是参考坐标系中表示该点的坐标。显 然,也可以用其他坐标来表示空间点的位置。
∧
∧
∧
§2.3.2 空间向量的表示
让我们再来看下面这幅图,图中的向量P该 怎样表示呢?
向量可用三个起始和终止的坐标来表示。如果 一个向量起始于A,终止于B,那么它可以表示为 PAB=(Bx-Ax)i+(By-Ay)j+(Bz-Az)k 如果一个向量的起点是原点,则上式就变成了 点的表示形式,则有: P= ax i+ by j+ cz k
2.2 机器人机构
大家先来看右边这幅图
从这幅图我们可以看到, 当曲柄转角设定为120°时, 连杆与摇杆的角度也就确 定了。这是典型的单自由 度闭环结构,当变量设定 为特定值时,机器人的机 构就完全确定了,所有其 他变量也就随之确定。
但实际上,为了使机器人能在三维空间运动, 机器人通常具有多个自由度,并且有三维开环链 式机构,二维多自由度的机器人并不常见。而对 于开环控制系统来说,由于没有反馈,如果关节 和连杆有丝毫的偏差,该关节之后的所有关节的 位置都会改变,而且没有反馈。所以,对于一个 实际的机器人来说,即使设定所有的关节,也不 能确保机器人的手准确地处于给定的位置。只有 不断测量所有关节和连杆的参数,或者监控系统 的末端才能知道机器人手的运动位置。
机器人学导论复习试题和参考答案解析
![机器人学导论复习试题和参考答案解析](https://img.taocdn.com/s3/m/461ce65887c24028915fc3fe.png)
机器人学导论一、名词解释题:1.自由度:2.机器人工作载荷:3.柔性手:4.制动器失效抱闸:5.机器人运动学:6.机器人动力学:7.虚功原理:驱动:9.电机无自转:10.直流伺服电机的调节特性:11.直流伺服电机的调速精度:控制:13.压电元件:14.图像锐化:15.隶属函数:网络:17.脱机编程::二、简答题:1.机器人学主要包含哪些研究内容2.机器人常用的机身和臂部的配置型式有哪些3.拉格朗日运动方程式的一般表示形式与各变量含义4.机器人控制系统的基本单元有哪些5.直流电机的额定值有哪些6.常见的机器人外部传感器有哪些7.简述脉冲回波式超声波传感器的工作原理。
8.机器人视觉的硬件系统由哪些部分组成9.为什么要做图像的预处理机器视觉常用的预处理步骤有哪些10.请简述模糊控制器的组成及各组成部分的用途。
11.从描述操作命令的角度看,机器人编程语言可分为哪几类12.仿人机器人的关键技术有哪些三、论述题:1.试论述机器人技术的发展趋势。
2.试论述精度、重复精度与分辨率之间的关系。
3.试论述轮式行走机构和足式行走机构的特点和各自适用的场合。
4.试论述机器人静力学、动力学、运动学的关系。
5.机器人单关节伺服控制中,位置反馈增益和速度反馈增益是如何确定的6.试论述工业机器人的应用准则。
四、计算题:(需写出计算步骤,无计算步骤不能得分):1.已知点u的坐标为[7,3,2]T,对点u依次进行如下的变换:(1)绕z轴旋转90°得到点v;(2)绕y轴旋转90°得到点w;(3)沿x轴平移4个单位,再沿y轴平移-3个单位,最后沿z轴平移7个单位得到点t。
求u, v, w, t各点的齐次坐标。
2.如图所示为具有三个旋转关节的3R机械手,求末端机械手在基坐标系{x0,y0}下的运动学方程。
3.如图所示为平面内的两旋转关节机械手,已知机器人末端的坐标值{x,y},试求其关节旋转变量θ1和θ2.P4.如图所示两自由度机械手在如图位置时(θ1= 0 , θ2=π/2),生成手爪力F A= [ f x0 ]T或F B= [ 0f y ]T。
机器人学导论一页纸(修改版)
![机器人学导论一页纸(修改版)](https://img.taocdn.com/s3/m/19b5308bb9d528ea80c7790b.png)
机器人美国机器人协会(RIA):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。
美国家标准局:一种能够进行编程并在自动控制下完成某些操作和移动作业任务或动作的机械装置ISO :“工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能,能完成各种作业的可编程操作机。
日本:一种机械装置,在自动控制下,能够完成某些操作或者动作功能。
英国:貌似人的自动机,具有智力的和顺从于人的但不具有人格的机器。
中国:机器人是一种自动化的机器,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。
【可以在无人参与下,自动完成多种操作或动作功能,即具有通用性。
可以再编程,程序流程可变,即具有柔性(适应性)】优点能不知疲倦、不厌其烦的持续工作,不会有心理问题; 具有比人更高的精确度、速度;可以同时响应多个激励或处理多项任务;可以在危险环境下工作,无需考虑生命保障或安全需要;无需舒适的环境,如照明、空调、噪音隔离等;其感知系统及其附属设备具有某些人类所不具有的能力。
缺点替代了工人,由此带来经济和社会问题;缺乏应急能力;灵活性、自适应能力还欠缺;设备费用开销较大。
机器人三原则: 1、机器人不应伤害人类,且在人类受到伤害时不可袖手旁观; 2、机器人应遵守人类的命令,与第一条违背的命令除外; 3、机器人应能保护自己,与第一条相抵触者除外。
智能水平分类人工操作装置有几个自由度,有操作员操纵,能实现若干预定的功能。
固定顺序机器人按预定的不变顺序及条件,依次控制机器人的机械动作【可变顺序机器人按预定的顺序及条件,依次控制机器人的机械动作。
但顺序和条件可作适当改变。
示教再现型机器人通过手动或其它方式,先引导机器人动作,记录下工作程序,机器人则自动重复进行作业。
数控型机器人不必使机器人动作,通过数值、语言等为机器人提供运动程序,能进行可变程伺服控制。
机器人学导论作业答案
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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
![机器人学导论](https://img.taocdn.com/s3/m/d5c38c2f24c52cc58bd63186bceb19e8b9f6ec55.png)
c os 1
0
0 0 1 0
0
0 0 1
cos 2 sin 2 0 L1
21T
sin 2
0
cos 2
0
0 1
0
0
0
0
0
1
cos 3 sin 3 0 L2
23T
sin 3
0
cos 3
0
0 1
0
0
0
0
0
1
03T 01T 21T 23T
PUMA560机器人运动学问题
图:PUMA560机械臂运动参数和坐标系分布
例如:AP表示矢量P在A坐标系中的表示。
BP 表示矢量P在B坐标系中的表示。
❖ 姿态描述
位置描述只能表示空间的 点。但对于末端执行器还需要 描述其空间的姿态。例如在右
图中矢量AP 可确定操作手指
端之间的某点,但手的姿态不 能确定。所以在右图中,如果 已知坐标系B以某种方式固定 在物体上,那么B相对于A中的 描述就可以表示出物体的姿态。 用X B,YB, ZB 表示坐标系B主轴方向的单位矢量,当用坐标系A表 达时,它们被写成AXB,AYB,AZB ,3个矢量确定一个姿态。
在从多重解中选择解时,应根据具体情况,在避免碰撞的前 提下通常按“最短行程”准则来选择。同时还应当兼顾“多 移动小关节,少移动大关节”的原则。
4 PUMA560机器人运动学反解-反变换法
❖ 由于z4 , z5, z6 交于一点W,点W在基础坐标系中的位置仅与 1,2,3
有关。据此,可先解出 1,2,3 ,再分离出 4 ,5,6 ,并逐
姿态相同、原点和{B}的原点重合,可由左乘矩阵
A B
R
得到。
机器人学导论第四版
![机器人学导论第四版](https://img.taocdn.com/s3/m/e4c9cbd7dbef5ef7ba0d4a7302768e9951e76e2f.png)
机器人学导论第四版简介本文是对机器人学导论第四版的概述和评价。
机器人学作为一门跨学科的学科,涵盖了机械工程、电子工程、计算机科学、控制论等多个领域。
本书是机器人学领域的经典教材之一,第四版在前三版的基础上进行了大幅更新和扩展,对机器人学的理论与应用都进行了全面的介绍。
内容概述本书共分为十二章,内容包括机器人学的基本概念、机器人的机械结构和运动学、传感器和感知、机器人的控制理论与方法、跨越、机器人的应用等。
第一章介绍了机器人学的基本概念和发展历程,并对机器人学的重要性进行了阐述。
通过引入一些经典的机器人案例,帮助读者更好地理解机器人学的基本概念。
第二章到第四章分别介绍了机器人的机械结构和运动学的基本概念和方法。
其中,第二章介绍了机器人的基本结构、关节和链状机构的运动学表示方法;第三章介绍了机器人的正运动学和逆运动学,并详细讲解了机器人末端执行器的运动学分析;第四章介绍了机器人的速度和加速度分析。
第五章到第八章介绍了机器人的传感器和感知技术。
第五章介绍了机器人的传感器分类和基本原理;第六章介绍了机器人的机器视觉技术,包括图像获取、图像处理和目标识别等;第七章介绍了机器人的力觉传感技术,包括力传感器和力控制等;第八章介绍了机器人的运动感知技术,包括惯性传感器和光纤陀螺仪等。
第九章到第十一章介绍了机器人的控制理论与方法。
第九章介绍了机器人的控制系统和基本控制方法;第十章介绍了机器人的轨迹规划和路径规划;第十一章介绍了机器人的力控制和力学轨迹规划。
最后一章对机器人的应用进行了广泛而深入的讨论。
从工业机器人的应用到医疗机器人、军事机器人和家庭机器人的应用,全面展示了机器人在各个领域的应用和未来的发展趋势。
本书的每一章都有大量的实例和习题,可以帮助读者加深对机器人学理论的理解,并提供了实践的机会。
此外,本书还提供了各章节末尾的参考文献,供读者深入学习和研究。
评价机器人学导论第四版是一本非常全面和权威的机器人学教材。
机器人学导论
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编程语言应用:机器人 操作系统、算法开发、
人机交互等
机器人的控制策略
01 控制策略类型:基于模型的控制、基于规则的控制、基于学习的控制等 02 控制策略选择:根据机器人应用场景、性能要求、技术成熟度等综合考虑 03 控制策略优化:参数调整、算法改进、系统集成等
05
机器人学的研究方法与创新
机器人学的研究方法
理论研究:数学建模、算法设计、性能分析等 实验研究:仿真实验、实验室测试、实际应用等 计算研究:计算机模拟、计算性能评估、计算优化等
机器人学的创新方向
01 技术创新:新型传感器、高性能驱动系统、先进控制算法等 02 应用创新:新兴应用领域、跨界融合、产业升级等 03 制度创新:政策支持、产学研合作、人才培养等
产业升级:传统产业的智能化改造、 新兴产业的培育与发展
技术创新:新型传感器、 高性能驱动系统、先进
控制算法等
市场需求:家庭、医疗、 教育、军事等领域的机
器人应用需求
机器人学对社会的影响
经济影响:提 高生产效率、 降低生产成本、 促进产业升级
01
社会影响:改 变生活方式、 提高生活质量、 促进社会进步
机器人学的关键技术
关键技术一:传感器技术
• 传感器的设计与制造 • 传感器的集成与融合 • 传感器的性能评估与优化
关键技术二:控制技术
• 控制算法的设计与实现 • 控制系统的稳定性与可靠性 • 控制系统的性能评估与优化
关键技术三:人工智能技术
• 机器学习与深度学习 • 自然语言处理与计算机视觉 • 智能决策与规划
机器人学的未来发展趋势
机器人技术的普及与推广:家庭机器 人、教育机器人、医疗机器人等
机器人技术的深度融合: 人工智能、物联网、大
机器人学导论课件
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如,atan2(-2,-2)=-135,而Atan2(2,2)=45
9
等效轴角坐标系表示法
r11 r12 r13
A
B
RK
r21
r22
r23
r31 r32 r33
Acos r11 r22 r33 1
2
Kˆ
1
2 sin
r32 r13 r21
r23
r31
r12
10
第二章作业:2.4, 2.6, 2.12, 2.13, 2.21, 2.22 , 2.27,2.32,2.37
(4){P}沿zi轴移动di得到坐标系{i};
RZ ( i )
DZ ( di )
T i1 i
RX
(i1) DX
(ai1) RZ
(i ) DZ (di )
{P}
相对于 动坐标 系,遵 循“右 乘”
15
3.6 典型机器人运动学举例
1.确定D-H坐标系
2.确定各连杆D-H参数 和关节变量
i ai-1
nx ox
06T
01T
61T
ny
nz 0
oy oz 0
nx c1[c23(c4c5c6 s4s6 ) s23s5c6 ] s1(s4c5c6 c4s6 )
ny s1[c23(c4c5c6 s4s6 ) s23s5c6 ] c1(s4c5c6 c4s6 )
ax px
ay
p
y
sP1 s X1, sY1, sZ1 T
mP2 m X 2 , mY2 , mZ2 T
sP2 s X 2 , sY2 , sZ2 T
mP3 m X 3, mY3, mZ3 T
sP3 s X 3, sY3, sZ3 T
机器人学导论复习题及参考答案
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中南大学网络教育课程考试复习题及参考答案机器人学导论一、名词解释:1.自由度2.机器人工作载荷3.柔性手4.制动器失效抱闸5.机器人运动学6.机器人动力学7.虚功原理8.PWM驱动9.电机无自转10.直流伺服电机的调节特性11.直流伺服电机的调速精度12.PID控制13.压电元件14.图像锐化15.隶属函数16.BP网络17.脱机编程18.AUV二、简答题:1.机器人学主要包含哪些研究内容?2.机器人常用的机身和臂部的配置型式有哪些?3.拉格朗日运动方程式的一般表示形式与各变量含义?4.机器人控制系统的基本单元有哪些?5.直流电机的额定值有哪些?6.常见的机器人外部传感器有哪些?7.简述脉冲回波式超声波传感器的工作原理。
8.机器人视觉的硬件系统由哪些部分组成?9.为什么要做图像的预处理?机器视觉常用的预处理步骤有哪些?10.请简述模糊控制器的组成及各组成部分的用途。
11.从描述操作命令的角度看,机器人编程语言可分为哪几类?12.仿人机器人的关键技术有哪些?三、论述题:1.试论述机器人技术的发展趋势。
2.试论述精度、重复精度与分辨率之间的关系。
3.试论述轮式行走机构和足式行走机构的特点和各自适用的场合。
4.试论述机器人静力学、动力学、运动学的关系。
5.机器人单关节伺服控制中,位置反馈增益和速度反馈增益是如何确定的?6.试论述工业机器人的应用准则。
四、计算题:(需写出计算步骤,无计算步骤不能得分):1.已知点u的坐标为[7,3,2]T,对点u依次进行如下的变换:(1)绕z轴旋转90°得到点v;(2)绕y轴旋转90°得到点w;(3)沿x轴平移4个单位,再沿y轴平移-3个单位,最后沿z轴平移7个单位得到点t。
求u, v, w, t各点的齐次坐标。
2.如图所示为具有三个旋转关节的3R 机械手,求末端机械手在基坐标系{x 0,y 0}下的运动学方程。
3.如图所示为平面内的两旋转关节机械手,已知机器人末端的坐标值{x ,y },试求其关节旋转变量θ1和θ2.P4.如图所示两自由度机械手在如图位置时(θ1= 0 , θ2=π/2),生成手爪力 F A = [ f x 0 ]T 或F B = [ 0 f y ]T 。
机器人学导论
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使用的符号与图7.1.1的相同。方程式(2)和方程式(3)反映了单个连杆的动力学特性。 用两个方程式评估所有的连杆,i = 1,· ,n,得出整个机器人的完整方程式组。 7.1.2. 闭合动力学方程式 牛顿-欧拉方程式并不适用于动力学分析和控制设计。与运动学、静力学分析不同的是,这 类方程式不能直观地描述输入-输出关系。本节将对牛顿-欧拉方程式进行改进,以便得到 确切的输入-输出关系。牛顿-欧拉方程式包括合力和耦合力矩fi 1,i和Ni 1,i。根据式(6.2.1) 和式( 6.2.2 )的结果,代表对机器人联接输出入的关节转矩 τi ,包含在合力 / 耦合力矩里 面。但是,牛顿-欧拉方程式并不直接包含τi。此外,合力和耦合力矩还包含无功约束力, 这个约束力是内力,因此单个连杆运动受机械结构的几何形状约束。为了直观地表现输入输出之间的动力学关系,需要将输入关节转矩从约束力和力矩中分离出来。牛顿-欧拉方程 式是用单个机械臂连杆的质心速度和质心加速度表示的,但是单个连杆的运动并不是独立 的,而是与连接耦合在一起,在几何形状的约束下,必须符合某种运动学关系的要求。因 此,由于质心不是独立的,不能用单个质心位置的变化来描述输出的变化。 因此,适用的动力学方程式应当包含用独立位置变化和输入力(即关节转矩)描 述的方程式,将这些项纳入动力学方程式,使动力学方程式变换为能够直接描述输入-输出 关系的闭合动力学方程式。根据前一章的内容,关节位移q是一组定位整个机器人机构的完 整独立的广义坐标,关节转矩τ是一组与约束力和力矩分离的独立输出。因此,用关节位移 q和关节转矩τ表示的动力学方程式,就是闭合动力学方程式。 例 7.1 图7.1.1是二自由度平面机械手,在以前的章节中讨论过。先建立两个连杆的牛顿-欧 拉运动方程式,然后用关节位移θ1、关节位移θ2、关节转矩τ1和关节转矩τ2列出闭合动力学 方程式。由于连杆机构是二维的,
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1 a tan 2( py px ) a tan 2( d2
) 有两个可能
px2
p
2 y
d
2 2
的解。
反解的多解性
5 PUMA560运动学反解-Pieper方法
❖ 对于6自由度的机器人而言,运动学反解非常复杂, 一般没有封闭解。只有在某些特殊情况下才可能得到封闭 解。不过,大多数工业机器人都满足封闭解的两个充分条 件之一(Pieper准则)
s in 1
0
c os 1
0
0 0 1 0
0
0 0 1
cos 2 sin 2 0 L1
21T
sin 2
0
cos 2
0
0 1
0
0
0
0
0
1
cos 3 sin 3 0 L2
23T
sin 3
0
cos 3
0
0 1
首先将BP 变换到一个中间坐标系,这个坐标系和{A}的
姿态相同、原点和{B}的原点重合,可由左乘矩阵
A B
R
得到。
然后用矢量加法将原点平移,得到:AP
BARB
P
PA BORG
可以写成:
定义一个4*4的矩阵算子并使用了4*1位置矢量,这样 可写成:
A B
RB
P
1
PA BORG
4
-90°
a3
d4
θ4(0°)
5
90°
0
0
θ5(0°)
6
-90°
0
0
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History
The idea of robot goes back to ancient time in the world.
Leonardo da Vinci created many human-inspired, robot-like sketches, designs, and models in the 1500’s.
木牛流马
History
The idea of robot goes back to ancient time in the world.
The 2nd century B.C., the ancient Greece person in Alexander time‘s has invented the most primitive robot “ automaton”. By the power of the water, the air and the steam pressure, the statue(雕像) can move and even open the door as well as sing.
Leonardo Humanoid Robot with Internal Mechanisms
History
Jaquet-Droz Automata (雅克-德罗机械人偶),1774
The Writer「作家」,The Draughtsman「画家」和The Musician「音乐家」
History
The Western Zhou Dynasty, our country‘s skilled craftsman Yan (偃师)developed the actor who could sing and dance well, this was the robot which our country recorded most early.
History
American Machine and Foundry, later known as AMF Corporation, markets a first cylindrical robot, called the “Versatran”.
1978
1962
The Stanford arm performed small-parts assembly using feedback from touch and pressure sensors. It had marketed a version of the arm for industrial applications. The new arm was controlled by a minicomputer.
机械工业出版社
Outline
Introduction Robot Components Kinematics Dynamics Control Motion Planning Simulation
Outline
Introduction Robot Components Kinematics Dynamics Control Motion Planning Simulation
USA Writer Isaac Asimov (1920 – 1992)
Asimov also proposed his three “Laws of Robotics”.
Science Fiction 《I,Robot》
LAWS OF ROBOTICS
Law Zero: A robot may not injure a human being, or, through inaction, allow a human being to come to harm. Law One: A robot must obey orders given it by human beings, except where such orders would conflict with a higher order law. Law Two: A robot must protect its own existence as long as such protection does not conflict with a higher order law. Law Three: A robot may take a human being’s job but it may not leave that person jobless.
The variable sequence robot
Teaching and playback robot
Numerical control robot
History
Second Generation
Touch sensors
Pressure sensors
Vision sensors Sonar system
History
The idea of robot goes back to ancient time of china.
The Spring and Autumn Period, our country had a renowned carpenter Lu Ban(鲁班). He was also an inventor in the mechanical aspect, according to “Mo Jing”(《墨经》) records. Once he had made a wooden bird that could in the aerial flight “on three days”, which manifest working people's intelligent wisdom in our country.
Introduction to robotics
Huashan Feng
School of Mechanical Engineering, NPU. Shaanxi Engineering & Technology Research Center of Special Digital Manufacturing Equipment.
Hit goes back to ancient time of china.
The 1800 year‘s ago, Han Dynasty, great scientist Zhang Heng has not only invented the seismograph(地动仪) but also the count drum vehicle(计里鼓车). On the vehicle, the wooden figurine beats a drum each mile and strikes a clock every ten miles.
References
S. K. SAHA. Introduction to Robotics. China Machine Press
References
John J. Craig 贠超 等译 Introduction to Robotics
Mechanics and Control.
later added a “fourth law”.
History
1954-1961
USA inventor George C. Devol (L) and Joseph F. Engleberger(R)
The first industrial robots were Unimate developed by George Devol and Joe Engelberger in the late 50’s and early 60’s.
Rossum’s Universal Robots (RUR)
捷克作家
History
1950
The word “robotics”, used to describe this field of study, was coined accidentally by the Russian –born , American scientist and science fiction writer, Isaac Asimov in 1940s.
Introduction
History Definition Robotics Types of Robots
History
History
The idea of robot goes back to ancient time of over 3000 years ago in the world.
The 1738 year, French talent technician Jake ·Wore ·Wack has invented a machine duck. It can quack calls, swim and drink water, even eat food and drains. The original intention of Wack is to perform the biological function with the mechanization to carry on the medicine analysis.
+
photoelectric cell
……
Sensors
Robot
1965,Beast
The PUMA (Programmable Universal Machine for Assembly) robot is developed by Unimation with a General Motors design support.
1973
试题