第二章 仿人机器人原理与设计-运动学与动力学分析
机器人运动学和动力学分析及控制
机器人运动学和动力学分析及控制引言随着科技的不断进步，机器人在工业、医疗、军事等领域发挥着越来越重要的作用。
而机器人的运动学和动力学是支撑其运动和控制的重要理论基础。
本文将围绕机器人运动学和动力学的分析及控制展开讨论，探究其原理与应用。
一、机器人运动学分析1. 关节坐标和笛卡尔坐标系机器人运动学主要涉及的两种坐标系为关节坐标系和笛卡尔坐标系。
关节坐标系描述机器人每个关节的转动，而笛卡尔坐标系则描述机器人末端执行器在三维空间中的位置和姿态。
2. 正运动学和逆运动学正运动学问题是指已知机器人每个关节的位置和姿态，求解机器人末端执行器的位置和姿态。
逆运动学问题则是已知机器人末端执行器的位置和姿态，求解机器人每个关节的位置和姿态。
解决机器人正逆运动学问题对于实现精确控制非常重要。
3. DH参数建模DH参数建模是机器人运动学分析中的重要方法。
它基于丹尼尔贝维特-哈特伯格(Denavit-Hartenberg, DH)方法，将机器人的每个关节看作旋转和平移运动的连续组合。
通过矩阵变换，可以得到机器人各个关节之间的位置和姿态关系。
二、机器人动力学分析1. 动力学基本理论机器人动力学研究的是机器人在力、力矩作用下的运动学规律。
通过牛顿-欧拉方法或拉格朗日方程，可以建立机器人的动力学模型。
动力学模型包括质量、惯性、重力、摩擦等因素的综合考虑，能够描述机器人在力学环境中的行为。
2. 关节力和末端力机器人动力学分析中的重要问题之一是求解机器人各个关节的力。
关节力是指作用在机器人各个关节上的力和力矩，它对于机器人的稳定性和安全性具有重要意义。
另一个重要问题是求解末端执行器的力，这关系到机器人在任务执行过程中是否能够对外界环境施加合适的力。
3. 动力学参数辨识为了建立精确的机器人动力学模型，需要准确测量机器人的动力学参数。
动力学参数包括质量、惯性、摩擦等因素。
动力学参数辨识是通过实验方法，对机器人的动力学参数进行测量和估计的过程。
仿人机器人原理与设计
仿人机器人原理与设计
一、仿人机器人的原理
二、仿人机器人的设计
1.传感器系统：核心的传感器系统是实现机器人与人之间的数据交互的基础，使机器人能够识别人类的各种信号，包括声音信号、视觉信号和触觉信号等，以及机器人自身的感知信号，实现人机之间的有效交流。
2.电子控制系统：控制系统会根据传感器系统接收到的数据，对机器人的动作进行控制，包括动作的协调、任务的完成，以及机器人自身的感知功能，如声音发生器、视觉感应器等。
3.机械系统：机械系统是实现机器人动作的基础，它包括各种动作机构，如腿部机构、手部机构等，以及各种传动机构，如马达、机械臂、关节、减速器、制动器等。
机器人运动学与动力学分析及控制研究
机器人运动学与动力学分析及控制研究近年来，机器人技术一直在飞速的发展，机器人的使用越来越广泛，特别是在工业领域。
随着机器人的发展，机器人运动学与动力学分析及控制研究变得越来越重要。
本文将介绍机器人运动学、动力学分析与控制研究的现状以及未来发展趋势。
一、机器人运动学分析机器人运动学分析主要研究机器人的运动学特性，包括机器人的姿态、速度以及加速度等方面。
机器人运动学分析的目的是确定机器人的运动学参数，同时确定机器人工作空间的大小。
机器人运动学分析的方法主要有以下几种：1、直接求解法。
直接求解法是指通过物理意义来推导机器人的运动学方程。
这种方法计算效率较低，但是精度较高。
2、迭代法。
迭代法是通过迭代计算机器人的运动学方程，精度较高，但是计算效率较低。
3、牛顿-拉夫森法。
牛顿-拉夫森法是一种求解非线性方程组的方法，可以用于求解机器人运动学方程。
此方法计算速度比较快，但是相对精度较低。
机器人运动学分析的结果可以用于机器人的路径规划，动力学分析以及控制研究。
二、机器人动力学分析机器人动力学分析主要研究机器人的动力学特性，包括机器人的质量、惯性矩以及外力等方面。
机器人动力学分析的目的是确定机器人的动力学参数，同时确定机器人的力/力矩控制器和位置/速度控制器。
机器人动力学分析的方法主要有以下几种：1、拉格朗日方程法。
拉格朗日方程法是一种描述机器人运动的数学方法，可以用于求解机器人的动力学方程。
此方法计算效率较低，但是精度较高。
2、牛顿-欧拉法。
牛顿-欧拉法是机器人动力学分析中的一种方法，一般用于计算运动学链中的运动学角速度和角加速度，并根据牛顿和欧拉定理将牛顿和欧拉方程转换为轨迹方程。
此方法计算速度较快，但是精度相对较低。
机器人动力学分析的结果可以用于机器人的力/矩控制器的设计，位置/速度控制器的设计以及控制研究。
三、机器人控制研究机器人控制研究主要研究机器人的控制算法，包括力控制算法、位置/速度控制算法、逆动力学算法等方面。
机器人运动学与动力学分析
机器人运动学与动力学分析引言：机器人技术是当今世界的热门话题之一。
从生产领域到服务领域，机器人的应用越来越广泛。
而要实现机器人的精确控制和高效运动，机器人运动学与动力学分析是必不可少的基础工作。
本文将介绍机器人运动学与动力学分析的概念、方法和应用，并探讨其在现代机器人技术中的重要性。
一、机器人运动学分析机器人运动学分析是研究机器人运动的位置、速度和加速度等基本特性的过程。
运动学分析主要考虑的是机器人的几何特征和相对运动关系，旨在通过建立数学模型来描述机器人的运动路径和姿态。
运动学分析通常可以分为正逆解两个方面。
1. 正解正解是指根据机器人关节位置和机构参数等已知信息，计算出机器人末端执行器的位置和姿态。
正解问题可以通过利用坐标变换和关节运动学链式法则来求解。
一般而言，机器人的正解问题是一个多解问题，因为机器人通常有多个位置和姿态可以实现。
2. 逆解逆解是指根据机器人末端执行器的位置和姿态，计算出机器人关节位置和机构参数等未知信息。
逆解问题通常比正解问题更为复杂，因为存在多个解或者无解的情况。
解决逆解问题可以采用迭代法、几何法或者数值优化方法。
二、机器人动力学分析机器人动力学分析是研究机器人运动的力学特性和运动控制的基本原理的过程。
动力学分析主要考虑机器人的力学平衡、力学约束和运动方程等问题，旨在实现机器人的动态建模和控制。
1. 动态建模动态建模是研究机器人在外力作用下的力学平衡和运动约束的数学描述。
通过建立机器人的运动方程，可以分析机器人的惯性特性、静力学特性和动力学特性。
机器人的动态建模是复杂的，需要考虑关节惯性、关节力矩、摩擦因素等多个因素。
2. 控制策略机器人动力学分析的另一个重要应用是运动控制。
根据机器人的动态模型，可以设计控制策略来实现机器人的精确运动。
常见的控制方法包括PID控制、模糊控制、自适应控制等。
通过合理选择控制策略和调节参数，可以实现机器人的平滑运动和高精度定位。
三、机器人运动学与动力学分析的应用机器人运动学与动力学分析在现代机器人技术中具有重要的应用价值。
仿生机器人的结构设计及其运动学控制
仿生机器人的结构设计及其运动学控制随着科技的不断进步，人工智能领域的研究也越来越深入。
在机器人技术方面，仿生机器人是一个备受研究者关注的领域。
仿生机器人将人体的结构和机器人的构造相结合，可以更好地模仿人类的活动，发挥更高的效率。
在本文中，我们将探讨仿生机器人的结构设计及其运动学控制。
一、仿生机器人的结构设计仿生机器人结构设计是复杂的，需要涉及力学、电子、材料科学等多学科的知识。
在设计时，需要考虑以下因素：1. 运动的自然性仿生机器人是一种模仿生命体的机器人，因此在运动方面应该尽可能贴近自然。
在设计时需要模仿骨骼、肌肉等人体结构，为机器人的关节、肌肉等部分提供更多的自由度。
2. 强度和刚度机器人在运动时需要承受较大的力，因此需要考虑其强度和刚度。
在结构设计中应使用高强度材料和合理的结构设计，以确保机器人在工作过程中不会出现断裂、塑性或松动等现象。
3. 维修方便仿生机器人的结构设计应该具有维修时的可靠性和方便性。
同时，各个零部件和模块应该设计成相互独立的，以便于更换或升级。
4. 节能性运动时机器人需要消耗能量，因此在设计时应尽可能提高能量效率。
这包括使用更低功耗的机械数据和在机器人的内部设计中优化能量通道。
二、仿生机器人的运动学控制仿生机器人的运动学控制是为了控制机器人的运动，使之能够按照设定的轨迹进行动作。
在控制方面有以下几个关键因素。
1. 传感器传感器可以为机器人提供周围环境的信息和机器人本身的姿态信息。
在仿生机器人的运动学控制中，传感器的作用非常重要。
可以通过传感器来获取机器人的位置、速度、加速度等信息，进而控制运动的轨迹和速度。
2. 控制算法仿生机器人的控制算法应根据所需的动作和运动以及所有传感器提供的数据，计算控制机器人所必须采取的行动，并为机器人提供指令。
该算法的复杂程度取决于机器人的自由度和所需的精度水平。
3. 电机驱动电机驱动是实现运动学控制的关键之一。
为了控制机器人的速度和位置，需要使用高精度电机控制技术。
机器人运动学建模与动力学仿真分析
机器人运动学建模与动力学仿真分析机器人一直以来是人类最喜欢的机械产物之一。
它们已经在许多领域中得到了广泛应用，从工业生产到医疗，从军事到普通家庭，都有机器人的身影。
然而，机器人的行为不可能只受简单的人工指令控制，在设计和创建机器人时，必须考虑它们如何使用传感器和算法自主进行运动控制。
这就需要对机器人进行运动学建模和动力学仿真分析。
机器人的运动学模型描述了机器人的位置和方向，以及机器人在三维空间中运动的方式。
运动学模型通常由连接在一起的“关节”组成，每个关节提供机器人在空间中运动的自由度。
一个典型的机器人通常由多个关节组成，在每个关节处都有一个旋转或平移关节。
关节的旋转和平移由马达或气动驱动器等装置控制，以允许机器人进行复杂运动，从而能完成其指定的任务。
机器人的运动学模型可以用数学的方法来表示，其中一个广为人知的方法是丹尼·德文波特的变换题。
这个题的思想是将机器人从其基本位置（被定义为零位）旋转和移动，函数将这个位置映射到全局坐标系统中。
对于机器人中每个关节，将“关节空间”中的变化转换为“工作空间”中的直线和角度转换，从而得到机器人的整体位置和方向。
机器人的动力学模型描述了运动学之外的一些物理特性，如质量、惯性、摩擦力等，从而解释与力学和动力学相关的运动。
这是在机器人仿真系统中进行动力学仿真分析的关键所在之一。
通常情况下，机器人的惯性和摩擦力对动力学非常重要，它们直接影响机器人的运动和位移。
在设计机器人时，考虑这些因素是至关重要的，否则机器人可能会无法完全精确地执行指定的任务。
了解机器人的运动学和动力学模型有许多好处。
首先，它们可以帮助设计师更好地理解机器人的基本运动和设计风格。
其次，运动学和动力学模型也可以用于控制机器人的运动。
例如，运动学模型可以将圆轴坐标转换为笛卡尔坐标，并为控制器提供所需的坐标信息，以使机器人在空间中移动。
同时，动力学模型可以帮助设计师制定适当的控制器 PID（位置、积分、微分）参数，以保证机器人的稳定性和运动精度。
仿生机器人的运动学与动力学研究
仿生机器人的运动学与动力学研究在近年来，随着各个领域的技术快速发展，仿生机器人成为了研究热点之一。
仿生机器人是指模仿生物的形态和功能特征，设计和制造的机器人。
仿生机器人的运动学和动力学是其研究的关键。
一、运动学概述运动学是研究物体的运动状态、运动轨迹、时间、速度和加速度等方面的学科。
在仿生机器人中，运动学是研究机器人运动的基本理论。
通常的机器人运动学研究主要分为正运动学和逆运动学两个方面。
在正运动学研究中，我们关注的是机器人末端执行器的位置和姿态随各关节旋转角度的变化规律。
而在逆运动学中，我们则是根据机器人末端执行器所需要到达的位置和姿态，确定关节角度的变化规律，从而实现机器人的运动。
二、动力学概述动力学是研究物体运动时所受到的力学因素以及运动规律的学科。
在仿生机器人中，动力学研究的是机器人在运动过程中所受到的各种力及其对机器人运动状态的影响。
机器人的动力学模型通常由运动学关系式、质量、惯性、阻力等因素构成。
机器人动力学是机器人实现复杂任务的重要研究方向之一。
通过对机器人动力学的深入研究，可以实现控制机器人分布式力和力矩，并追踪所需要的运动轨迹。
同时，也可以实现对机器人的力学特性进行分析和优化。
三、仿生机器人的运动学和动力学应用近年来，仿生机器人在各个领域的应用不断拓展。
下面介绍一下其中的几个应用。
1、医疗行业。
仿生机器人可以帮助医生完成手术操作。
如眼科手术机器人可以通过控制机械臂的行动轨迹，达到操作精度的目的。
2、空中救援。
如空中机器人可以通过控制机器人的动力学特性，完成复杂的空中救援任务。
3、海底勘探。
如水下机器人可以通过研究机器人的运动学和动力学规律，实现目标的定点定位和控制。
总之，在未来的发展中，仿生机器人的研究将成为一个重现热点，其运动学和动力学研究将成为其发展的基石。
相信在不久的将来，我们将看到越来越多运用了仿生机器人技术的智能机器人出现，为人类的工业和生活带来越来越多的便捷和安全。
仿生机器人结构设计及其动力学分析
仿生机器人结构设计及其动力学分析人工智能和机器人技术的迅速发展对现代社会产生了深远的影响。
在众多机器人类型中，仿生机器人因其模仿生物体的形态和行为而备受关注。
仿生机器人可以模拟动物的外形、运动和行为，具有更好的适应能力和灵活性，广泛应用于各个领域，如医疗卫生、救援和探索等。
本文将重点探讨仿生机器人的结构设计和动力学分析。
首先，仿生机器人的结构设计至关重要。
仿生机器人的结构设计需要具备良好的机械性能和适应性。
首先，结构设计应考虑机器人的外形和尺寸。
仿生机器人通常模仿动物的外形，如人形机器人、鱼形机器人、虫形机器人等。
对于仿生机器人的结构设计，需要根据仿生对象的特点，合理安排机器人的关节、骨骼和肌肉等部件，确保机器人能够实现自如的运动和动作。
其次，仿生机器人的结构设计还应考虑机械性能。
机器人需要具备足够的刚度和强度，以承受外界力的作用和保证稳定的运动。
在结构设计中，可以运用材料科学和工程力学的知识，选择合适的材料和优化结构布局，以提高仿生机器人的机械性能。
此外，仿生机器人的结构设计还需要考虑机器人的适应性。
仿生机器人通常被用于复杂和多变的环境中，如水下、爬行和飞行等。
因此，机器人的结构设计需要具备良好的适应性，使机器人能够适应不同条件和复杂环境下的任务需求。
例如，鱼形机器人的外形设计需要考虑水动力学性能，以实现高效的游动；人形机器人的结构设计需要考虑人体工程学和运动学的原理，以实现人类般的运动能力。
接下来，动力学分析是仿生机器人设计过程中不可缺少的一部分。
动力学分析旨在研究机器人在运动过程中所受的力和力矩，并分析其对机器人运动和稳定性的影响。
在动力学分析中，通常涉及到运动学、力学和控制等方面的内容。
首先，运动学分析是动力学分析的基础。
运动学分析研究机器人的运动过程和位置变化，通过对关节角度和位置的计算和描述，获得机器人的运动学特性。
运动学分析的结果可用于后续的力学和控制分析。
其次，力学分析是仿生机器人动力学分析中的关键环节。
第二章 仿人机器人原理与设计-运动学与动力学分析
A A A
xp xp cos
B
yB {B}
yA
{A} xB
y p B xp sin z p B xp 0 0
s c 0 0 0 1
sinθ oA θ
p
c R( z , ) s 0
（各部分简化为质量均匀、现状规则的刚性连杆，关节间无摩擦）
The Army Armored Force Academy of PLA
仿人机器人简化的连杆模型、自由度和坐标系
1.2 仿人机器人结构
部位名称 关节自由度 角度范围 / ⁰
-120 ~ 120 0 ~ 95 -100 ~ 45 -25 ~ 45
c s s c Rot( z, ) 0 0 0 0 0 0 1 0
0 0 0 1
0 0 0 1
c 0 Rot( y, ) s 0
0 s 0 1 0 0 0 c 0 0 0 1
绕轴轴不变， 自轴取余弦； 余轴用sin( ) 符号看象限。
2.3 Homogeneous Transformation of the Coordinate Frames 齐次坐标变换
齐次坐标就是将一个原本是 n 维的向量用一个 n+1 维向量来 表示。一个向量的齐次表示是不唯一的，比如齐次坐标[8,4,2]、 [4,2,1]表示的都是二维点[2,1]。
( x,y, ω)
1.2 仿人机器人结构
自由度 DOF（Degrees of Freedom）
Number of independent motions that are allowed to the body.
仿生机器人的动力学建模与运动控制研究
仿生机器人的动力学建模与运动控制研究仿生机器人是指模仿生物形态、结构和功能特点，实现类似于生物动作和动态特性的机器人。
仿生机器人动力学建模和运动控制研究旨在通过研究机器人的运动学性能和动力学特性，实现高效、稳定和灵活的运动控制系统。
本文将从动力学建模和运动控制两个方面对仿生机器人的相关研究进行探讨。
一、动力学建模仿生机器人的动力学建模是研究机器人力学性能和动力学特性的重要步骤。
动力学建模的目标是建立机器人的力、速度和加速度之间的关系，以及机器人各个部分之间的相互作用。
动力学建模主要包括刚体动力学建模和柔性体动力学建模两个方面。
1.刚体动力学建模刚体动力学建模是研究机器人刚体部分运动规律的数学模型。
刚体动力学建模需要确定机器人质心位置、质量分布、惯性矩阵等参数，并利用运动学关系和Newton-Euler等方程建立刚体动力学方程。
通过对刚体动力学方程求解，可以获得机器人的位姿、速度和加速度等动力学信息。
2.柔性体动力学建模柔性体动力学建模是研究机器人柔性部分运动规律的数学模型。
由于柔性体存在形变和挠曲等性质，其动力学建模需要考虑弹性力和杆件的弯曲和扭转等影响因素。
柔性体动力学建模主要应用有限元法和拉格朗日动力学方法，通过建立柔性体的形变方程和运动方程，研究机器人柔性部分的动力学行为。
二、运动控制1.运动规划运动规划是指根据机器人的任务和环境要求，确定其运动轨迹和动作序列的过程。
运动规划需要考虑机器人的动力学特性和运动约束，并结合路径规划和轨迹生成算法，确定机器人的运动路径和动作序列。
常用的运动规划方法包括基于优化的方法、基于的方法和基于模型的方法等。
2.运动控制运动控制是根据机器人的目标路径和动作序列，实时生成控制指令，控制机器人的运动行为。
运动控制需要考虑机器人的实时性和稳定性，并结合PID控制、模糊控制、自适应控制等方法，实现对机器人关节和末端执行器的控制。
运动控制也需要考虑误差补偿和干扰抑制等问题，以提高机器人的运动精度和稳定性。
机器人运动学与动力学建模分析
机器人运动学与动力学建模分析机器人运动学和动力学建模是研究机器人行为和运动规律的重要领域。
运动学主要关注机器人的位置、速度和加速度等几何特性，而动力学则研究机器人运动背后的力学原理。
在这篇文章中，我们将介绍机器人运动学和动力学建模的基本概念和方法，并通过实例分析来加深理解。
一、机器人运动学建模机器人运动学建模是描述机器人位置和运动规律的数学模型。
在机器人控制中，运动学模型非常重要，它可以帮助我们预测机器人的运动轨迹、速度和加速度等信息。
常用的机器人运动学模型包括点式机器人和刚体机器人模型。
1. 点式机器人模型点式机器人模型是最简单的机器人模型。
它假设机器人是一个质点，没有具体的形态和刚性要求。
我们可以用一个坐标系表示机器人的位置，通过几何变换和向量运算来描述机器人的运动。
点式机器人模型常用于描述移动车辆等简单机器人。
2. 刚体机器人模型刚体机器人模型是对真实机器人的更为精确的描述。
它考虑了机器人的形态和刚性特性，并用连续的链接和关节来模拟机器人的结构。
刚体机器人模型可以通过关节角度和链接长度来推导机器人的位置和姿态变换。
常见的刚体机器人模型包括直线型机器人和旋转型机器人等。
二、机器人动力学建模机器人动力学建模是研究机器人运动背后力学原理的数学模型。
它描述了机器人在受到力和扭矩作用下的运动规律。
机器人动力学建模可以帮助我们了解机器人运动的原因和机理，为机器人控制和优化提供重要参考。
1. 基本原理机器人动力学建模基于牛顿第二定律，将机器人的质量、惯性、外力和关节扭矩等因素考虑在内。
通过建立动力学方程，我们可以推导出机器人在不同状态下的运动方程，并对机器人的运动进行预测和分析。
动力学建模涉及到力、力矩、加速度等物理量的计算和描述，需要运用向量和矩阵运算等数学工具。
2. 模型分析与仿真机器人动力学建模不仅可以推导出机器人的运动方程，还可以通过数值仿真和模拟来对机器人的运动进行分析和验证。
利用计算机软件和数值计算方法，我们可以模拟不同环境和力量条件下，机器人的运动轨迹和力学特性。
机器人学 第2章 机器人运动学4教材
p
y
? ?
p
z
? ?
?0 0 0 1 ?
3.坐标变换
3.1平移变换 （Translation transformation ）： 坐标系 {B}与｛ A｝的方向向量平行，原点不同。
?1 0 0 px ?
T ? ??0
1
0
p
y
? ?,
?0 ?
0
1
pz
? ?
?0 0 0 1 ?
A p ? T ?B
? ?
? 所谓逆变换就是将被变换的坐标系返回到原来的坐标系。
? 变换矩阵的一般表达形式：
?nx ox ax px ?
T ? ??n y
oy
ay
p
y
? ?
?nz oz az pz ?
? ?
0
0
0
1
? ?
式中 n, o, a 是旋转变换列向量， p 是平移向量，其逆是
?nx n y nz ? p ?n ?
T ?1 ?
2. 姿态描述
姿态描述：刚体的空间表示。
一个刚体在空间有几个自由度？
通常的做法是：定义两个坐标系 ? 空 间固定坐标系和刚体固定坐标系。
常用的姿态描述：
旋转矩阵的姿态描述（笛卡尔坐标系 下），
欧拉（Euler ）角的姿态描述， 利用横滚（R：Roll ）、俯仰（P：
pitch ）、偏转（Y：yaw ）角 （RPY角）的姿态描述等。
r22
r23
? ?
??r31 r32 r33 ??
?nx ox ? x ?
??? A RB ? ?n
o ? ?? ??ny
oy
?
y
? ?
第二章 机器人静力分析与动力学
图2.3 杆i上的力和力矩
连杆的静力平衡条件为其上所受的合力和合力矩为零，因此力 和力矩平衡方程式为
式中：ri–1，i —坐标系{i}的原点相对于坐标系{i+1}的位置矢量；
ri，Ci —质心相对于坐标系{i}的位置矢量。
假如已知外界环境对机器人末杆的作用力和力矩，那么可以 由最后一个连杆向零连杆(机座)依次递推，从而计算出每个连杆 上的受力情况。
δ W = τ 1δ q1 + τ 2δ q2 + ⋯ + τ nδ qn − f n,n +1d − nn,n +1δ
或写成 根据虚位移原理，机器人处于平衡状态的充分必要条件是对任意符 合几何约束的虚位移有δW=0，并注意到虚位移δq和δX之间符合杆件的 几何约束条件。利用式δX=Jδq
式中：δq表示从几何结构上允许位移的关节独立变量。对任意的 δq，欲使δ W =0成立，必有 上式表示了在静态平衡状态下，手部端点力F和广义关节力矩τ之间的 线性映射关系。JT与手部端点力F和广义关节力矩τ之间的力传递有关，称 为机器人力雅可比。显然，机器人力雅可比JT是速度雅可比J的转置矩阵。
∂X ∂q 1 ∂Y ∂q 1 ∂Z ∂X ∂q1 J (q) = T = ∂ϕ X ∂q ∂q1 ∂ϕY ∂q1 ∂ϕ Z ∂q1 ∂X ∂q2 ∂Y ∂q2 ∂Z ∂q2 ∂ϕ X ∂q2 ∂ϕY ∂q2 ∂ϕ Z ∂q2 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ∂X ∂qn ∂Y ∂qn ∂Z ∂qn ∂ϕ X ∂qn ∂ϕY ∂qn ∂ϕ Z ∂qn
反之，假如给定机器人手部速度，可由式(2.10)解出 相应的关节速度为
仿生机器人构造及动力学研究
仿生机器人构造及动力学研究随着现代科技的发展，仿生机器人已经成为了一个备受瞩目的领域。
仿生机器人是以生物学为蓝本，利用机械工程、电子技术、计算机科学及控制工程等技术手段来模仿动物运动、行为及智能能力的机器人。
仿生机器人的构造及动力学研究是实现仿生机器人的关键技术之一，下面将从这两方面展开讨论。
一、仿生机器人的构造仿生机器人的构造是以生物间的形态、尺寸、结构、力量、运动学、动力学、智能等为基础，将仿生学中的高级概念和方法引入机器人的研究设计中。
首先，仿生机器人的设计要采用多学科交叉的研究方法，涉及生物学、力学、控制、信息等多个学科。
其次，仿生机器人构造的研究要着重于控制机器人的外形和运动。
机器人模拟动物的外形、骨骼和肌肉结构是否逼真，具有良好的运动学和动力学性能、可实现无线自然控制等都是构造研究需要考虑的因素。
无疑，一个好的仿生机器人可以从很多方面优化我们的生活。
例如，仿生机器人在物流管理中可以大力发扬他们的长处，包括抓取、运输和分发。
借鉴昆虫的口器和肢体，机器人可以执行复杂的拣选任务和配送过程。
在日常生活中，仿生机器人的应用范围还需要进一步拓展和深入探究。
二、仿生机器人的动力学研究仿生机器人的动力学研究旨在建立仿生机器人的动态模型与控制策略，引入仿生学的理论框架，研究仿生机器人的动态特性，以便预测仿生机器人的行为、优化仿生机器人的设计、改进仿生机器人的控制等方面。
动力学研究是建立仿生机器人模型的关键技术之一，包括结构动力学和运动学分析、正逆动力学问题的研究与求解、控制优化等多方面内容。
仿生机器人动力学的研究旨在开发基于生物学的控制策略，能够更加高效地驱动机器人的工作。
基于仿生学的控制策略可以更好地实现机器人的自主学习和人机互动，引领另一波工业4.0的浪潮。
三、仿生机器人的应用前景仿生机器人的应用前景广阔。
目前，仿生机器人已成功重要获得了机器蜘蛛、机器蜗牛、机器金鱼、机器鸟等多种生物的样态特性。
这些仿生机器人动物不仅在研究、教育、科普等方面有很大价值，而且在农业、医疗、工业、军事等领域的应用也是十分广泛的。
利用仿生学原理设计运动机器人
利用仿生学原理设计运动机器人第一章：引言仿生学是一门探索生物组织、器官及其功能的科学，通过模仿生物体结构和运动原理，设计出具有类似生物特性的机器人。
利用仿生学原理设计运动机器人已经成为当前研究的热点之一。
本文将介绍利用仿生学原理进行运动机器人设计的重要性以及应用领域。
第二章：仿生学原理与运动机器人设计2.1 生物学的启示仿生学原理是通过研究生物体的结构和生物特性，寻找到有效的解决方案以及设计新型机器人的方法。
生物体适应环境的能力以及其高效的运动方式给了我们很多启示，运用这些原理到机器人设计中，可以使机器人在各种环境中具有较高的适应能力和良好的运动性能。
2.2 运动机器人设计中的仿生学原理运动机器人设计中最重要的仿生学原理之一是模仿生物运动系统的结构。
生物体的运动系统由骨骼结构、肌肉组织和神经系统共同作用组成。
运用仿生学原理，机器人的结构可以模仿生物体的骨骼结构，并使用电动机、液压系统等作为机器人的“肌肉组织”，利用传感器和控制系统模拟生物的神经系统，从而实现机器人的运动。
2.3 运动机器人设计中的表面特征模仿除了模仿生物的运动系统结构外，运动机器人设计还可以从生物的表面特征中获取灵感。
例如，模仿蜘蛛的爬行方式，设计出可以在复杂地形中爬行的机器人；模仿鱼类的鳞片结构，设计出具有出色水动力性能的水下机器人等。
通过借鉴生物的表面特征，机器人可以在各种复杂环境下实现高效的运动。
第三章：运动机器人的应用领域3.1 工业制造利用仿生学原理设计的运动机器人可以在工业制造过程中发挥重要作用。
它们可以承担起重、搬运、焊接等重复性劳动，提高生产效率和质量，并降低工作人员的劳动强度和工伤的几率。
3.2 建筑施工在建筑施工领域，运动机器人可以模仿人类施工工人的动作和步伐，并携带重量较大的物体，如梁柱、砖块等。
这样可以提高施工效率，减少人工错误，避免操作工人在重复的高强度劳动中受伤。
3.3 医疗保健运动机器人在医疗保健领域中的应用也是非常广泛的。
仿生机器人的设计与应用解析
仿生机器人的设计与应用解析第一章引言随着现代科技的飞速发展，仿生机器人技术日益成熟。
仿生机器人是指通过模仿动物的行为、外形及其生理结构等，设计制造出机器人。
仿生机器人的设计与应用越来越广泛，涉及到军事、医疗、教育、娱乐等多个领域，具有广阔的应用前景。
本文旨在分析仿生机器人的设计与应用现状，阐述仿生机器人技术的原理、特点，探讨仿生机器人的应用方向及应用前景。
第二章仿生机器人技术原理仿生学是指通过研究和模仿自然界动物的结构和功能，来解决人工工程问题。
仿生机器人技术是将仿生学的理论与机器人技术相结合，研发出具有生物特性的机器人。
仿生机器人技术的原理主要有以下几点：1.生物学原理。
仿生机器人技术需要对自然界的动物进行研究，通过模仿其生命特征、运动方式、生理结构等，来设计仿生机器人。
2.机械学原理。
仿生机器人需要具有自主控制、复杂运动等特性，需要运用机械学原理来设计机器人的骨架、传动机构、驱动器等。
3.电子学原理。
仿生机器人需要通过电子技术，实现智能化、自主学习等功能。
4.材料学原理。
仿生机器人需要选用特殊的材料，如仿生材料、聚合物材料等，来保证机器人具有仿生特性。
第三章仿生机器人技术特点仿生机器人技术具有如下几个特点：1.高度仿真性：仿生机器人能够高度模仿自然界生物的外形和行为，具有更加逼真的仿真性。
2.自适应性：仿生机器人具有自主控制和学习能力，在复杂环境中能够自适应。
3.模块化设计：仿生机器人的结构通常采用模块化设计，能够快速组合成多样性的机器人。
4.多功能性：仿生机器人应用范围广泛，能够应用于多个领域，如医疗、教育、娱乐等。
第四章仿生机器人应用方向仿生机器人的应用方向包括以下几个方面：1.军事领域。
仿生机器人可用于执行军事任务，具有潜在的应用前景。
2.医疗领域。
仿生机器人能够替代医生进行手术等操作，减少手术风险，改善手术效果。
3.教育领域。
仿生机器人能够用于生物学、物理学等科学教育，提高学生的参与度和学习效果。
仿生机器人的设计与运动控制
仿生机器人的设计与运动控制近年来，随着科技的发展，越来越多的科学家开始探索仿生机器人的设计与运动控制。
仿生学，即生物学的模仿学，是指从生物体的形态、结构、功能等一系列特征中获取启示或设计灵感。
仿生机器人就是通过对生物特征的模仿，来设计出一些动力学特性和机构、传感器、智能控制等方面符合生物学特征的机器人。
本文将从仿生机器人的设计原理、运动控制的方法以及未来研究方向等方面进行探讨。
一、仿生机器人的设计原理仿生机器人的核心是对生物的深入学习。
设计仿生机器人需要先对生物体的机构和特性进行深入的理解研究。
动物的机构和结构会随着生存环境的不同而发生变化。
如果机器人能够适应多种在实际运动环境下的变化，那么它就能更加可靠，更加适合在复杂的环境下运行。
在仿生机器人中，最常用的机器人模拟生物机构的方法是复制其外形结构来建造，这种仿生机器人被称为外形仿生机器人。
此外，还有一种使用类生物物理机制的仿生机器人，它们利用生物机制的原理，例如感知机制和生物化学机制来工作。
这些机器人常被称为功能仿生机器人。
积极拥抱仿生机器人的设计原理，可以在生产机器人时获得突破性的进展。
二、仿生机器人的运动控制在仿生机器人中，运动控制是最重要的一步，通过精妙的控制算法来模拟生物运动。
如何能够精准地模拟生物运动，是设计仿生机器人中的一个重要挑战。
在设计仿生机器人的控制器时，可以考虑许多不同的控制策略，在实践中，需要选择最合适的控制策略。
在实际应用中，仿生机器人有很多种运动形式，例如基于腿的聚集型运动、基于角的扭曲型运动、基于尾、鳍、翼的协同漂浮型运动等。
仿生机器人的动力学特性比较复杂，在仿生机器人控制的过程中，需要考虑多种控制变量，如肌肉的纤维排列、关节的作用和传感器反馈，以及机器人环境中的压力变化等。
三、仿生机器人的未来研究方向随着科学技术的快速发展，仿生机器人也有了很多进展。
未来，仿生机器人将继续向更加微型化、柔性化、智能化和能有效解决复杂任务的方向发展。
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（各部分简化为质量均匀、现状规则的刚性连杆，关节间无摩擦）
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仿人机器人简化的连杆模型、自由度和坐标系
1.2 仿人机器人结构
部位名称 关节自由度 角度范围 / ⁰
-120 ~ 120 0 ~ 95 -100 ~ 45 -25 ~ 45
x y ( , )
齐次坐标提供了用矩阵运算把二维、三维甚至高维空间中的 一个点集从一个坐标系变换到另一个坐标系的有效方法。
x p y z
x wx y wy p z wz 1 w
1.2 仿人机器人结构
自由度 DOF（Degrees of Freedom）
Number of independent motions that are allowed to the body.
刚体的6个自由度
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1.2 仿人机器人结构
c s s c Rot( z, ) 0 0 0 0 0 0 1 0
0 0 0 1
0 0 0 1
c 0 Rot( y, ) s 0
0 s 0 1 0 0 0 c 0 0 0 1
绕轴轴不变， 自轴取余弦； 余轴用sin( ) 符号看象限。
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2.1 Representation of Position and Attitude 位置和姿态的表示 • Description of Position
px A p p y pz
xA zA {A} p
2.2 Coordinate Transformation 坐标变换 • 平移坐标变换 (Translation Transform)
A
p p pBo
B A
zB {A}
A
{B}
zA
p oB
B
p yB
A
pBo xB
oA
yA
xA
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Matrix Form：
A B p A T p B
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2.3 Homogeneous Transformation of the Coordinate Frames 齐次坐标变换
Homogeneous Transformation of Translation 空间中的某点用矢量ai+bj+ck描述，该点也可表示为：
cosθ
xA
绕z轴旋转θ
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2.2 Coordinate Transformation 坐标变换
• Rotation about an axis
1 0 R ( x, ) 0 c 0 s 0 s c
肩
俯仰 滚动 俯仰 滚动
髋 膝
偏摆
俯仰 俯仰 滚动
-45 ~ 45
0 ~ 130 -75 ~ 45 -45 ~ 45
踝
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1.2 仿人机器人结构
（忽略径向平面和侧向平面的耦合作用，分别研究）
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2.3 Homogeneous Transformation of the Coordinate Frames 齐次坐标变换
齐次坐标就是将一个原本是 n 维的向量用一个 n+1 维向量来 表示。一个向量的齐次表示是不唯一的，比如齐次坐标[8,4,2]、 [4,2,1]表示的都是二维点[2,1]。
( x,y, ω)
相对参考系{A}，坐标系{B}的原点位置和坐标轴 A 的方位，分别由位置矢量(Position Vector) pBo 和旋转 A 矩阵(Rotation Matrix) B R 描述。这样，刚体的位姿 （位置和姿态）可由坐标系{B}来描述，即
A {B} B R A
pBo
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1 0 Trans(a, b, c) 0 0 0 0 a 1 0 b 0 1 c 0 0 1
对已知矢量 u=[x,y,z,w]T 进行平移变换所得的矢量 v 为：
1 0 v Trans(a, b, c) u 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 a x x aw x / w a y y bw y / w b b c z z cw z / w c 1 w w 1
1.1 人体结构分析
1）踝关节关节窝结构灵活 性好适应不同路面。
2）踝关节侧翻角度不大， 保证稳定性。
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1.1 人体结构分析
关节名称 运动名称 旋转（内旋/外旋） 髋关节 前后伸/屈 运动范围 / ⁰ 外45 内45 前120 后15
第三章 仿人机器人的常用传感器 第四章 仿人机器人的执行器 第五章 仿人机器人的控制与轨迹规划 第六章 简单仿人机器人制作
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《Principle and Design of Humanoid Robot》
第二章
仿人机器人的运动学与 动力学分析
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[例]已知点 u=7i+3j+2k，将 u绕 z 轴旋转90°得到点 v，再 将点 v 绕 y轴旋转90°得到点w，求点v、w的坐标。 解：
c90 s 90 0 0 7 3 s 90 c90 0 0 3 7 v Rot z,90 u 0 0 1 0 2 2 0 0 0 1 1 1
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2.3 Homogeneous Transformation of the Coordinate Frames 齐次坐标变换
A A B p B R p ApBo
Homogeneous Transformation
A A p B R | A pBo B p 0 0 0 | 1 1 1
zA {A} xB
A
zB {B}
oB p yB
A B
R R ;
A B T
1
A B
R 1
xA
oA
yA
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2.1 Representation of Position and Attitude
• Description of Frames
1.仿人机器人的结构
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1.1 人体结构分析（以下肢为例）
髋关节类似球副
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1.1 人体结构分析
膝关节受力是体重的1.5~8倍
The Army Armored Force Acቤተ መጻሕፍቲ ባይዱdemy of PLA
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第二章主要内容：
1 仿人机器人的结构 2 仿人机器人的运动学分析 2.1 位置和姿势的表示 2.2 坐标的变换 2.3 齐次坐标变换 2.4 正运动学分析
2.3 逆运动学分析
3 仿人机器人的动力学分析
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2.2 Coordinate Transformation 坐标变换
• 旋转坐标变换 (Rotation Transform)
zA zB
B
p
A
yB yA
p R p
A B B
o
xA
xB
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2.2 Coordinate Transformation 坐标变换
A
p
oA
yA
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2.1 Representation of Position and Attitude
• Description of Orientation
A B
R
A
xB
A
yB
A
zB
r11 r12 r13 r r r 21 22 23 r31 r32 r33
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仿人机器人原理与设计
Principle and Design of Humanoid Robot
主讲：张小明
《Principle and Design of Humanoid Robot》
课时安排：
第一章 仿人机器人概述
第二章 仿人机器人的运动学与动力学分析