机器人学概论第十二讲共42页文档
机器人 概论
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第一节 机器人的发展史
在科技界，科学家会给每一个科技术语一个明 在科技界， 确的定义。 但机器人的定义仍然仁者见仁， 确的定义。 但机器人的定义仍然仁者见仁，智者见 没有一个统一的意见。 智，没有一个统一的意见。原因之一是机器人还在 发展，新的机型，新的功能不断涌现， 发展，新的机型，新的功能不断涌现，领域不断扩 展。但根本原因主要是因为机器人涉及到了人的概 成为一个难以回答的哲学问题。 念，成为一个难以回答的哲学问题。就像机器人一 词最早诞生于科幻小说之中一样， 词最早诞生于科幻小说之中一样，人们对机器人充 满了幻想。也许正是由于机器人定义的模糊， 满了幻想。也许正是由于机器人定义的模糊，才给 了人们充分的想象和创造空间。 了人们充分的想象和创造空间。
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第一节 机器人的发展史
1886年法国作家利尔亚当在他的小说《未来夏娃》中将 年法国作家利尔亚当在他的小说《未来夏娃》 年法国作家利尔亚当在他的小说 外表像人的机器起名为“安德罗丁” ），它由 外表像人的机器起名为“安德罗丁”（android），它由 部 ），它由4部 分组成： 分组成： （1）生命系统（平衡、步行、发声、身体摆动、感觉、表 ）生命系统（平衡、步行、发声、身体摆动、感觉、 调节运动等）； 情、调节运动等）； （2）造型材料（关节能自由运动的金属覆盖体，一种盔 ）造型材料（关节能自由运动的金属覆盖体， 甲）； （3）人造肌肉（在上述盔甲上有肉体、静脉、性别等身体 ）人造肌肉（在上述盔甲上有肉体、静脉、 的各种形态）； 的各种形态）； （4）人造皮肤（含有肤色、机理、轮廓、头发、视觉、牙 ）人造皮肤（含有肤色、机理、轮廓、头发、视觉、 手爪等）。 齿、手爪等）。
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第一节 机器人的发展史
一、机器人概述 机器人技术作为20世纪人类最伟大的发明之一， 机器人技术作为 世纪人类最伟大的发明之一， 世纪人类最伟大的发明之一 世纪60年代初问世以来 自20世纪 年代初问世以来，经历了近 年的发展 世纪 年代初问世以来，经历了近50年的发展 已取得显著成果。走向成熟的工业机器人， 已取得显著成果。走向成熟的工业机器人，各种用 途的特种机器人的实用化， 途的特种机器人的实用化，昭示着机器人技术灿烂 的明天。 的明天。
机器人技术及其应用概论
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（5）我国对机器人的定义。蒋新松院士曾建议把机器人定义为“一种拟 人功能的机械电子装置”(a mechantronic device to imitate some human functions)。
参考各国的定义，对机器人给出以下定义：机器人是一种计算机控制
的可以编程的自动机械电子装置，能感知环境，识别对象，理解指示命令 ，有记忆和学习功能，具有情感和逻辑判断思维，能自身进化，能计划其 操作程序来完成任务。
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1.2 机器人的发展及应用
一、古代机器人
西周时期，出现了能歌善舞的伶人， 这是我国最早记载的机器人。
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1962年美国AMF公司推出的
“VERSATRAN”和UNIMATION公司推出 的“UNIMATE”是机器人产品最早的实用 机型（示教再现）。
VERSATRAN
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UNIMATE
l1965年，MIT的Roborts演示了第一个具有视觉传感器的、能识别与定 位简单积木的机器人系统 l1970年在美国召开了第一届国际工业机器人学术会议 l1973年，辛辛那提·米拉克隆公司的理查德·豪恩制造了第一台由小型计 算机控制的工业机器人 l1980年后，日本赢得了“机器人王国”的美称
1738年，法国天才技师杰克·戴·瓦克逊发明了 一只机器鸭。它会嘎嘎叫，会游泳和喝水，还会进 食和排泄。
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写字机器人
机器人技术11-12讲讲义
− fi +1
Link i
− fi +1 − ni +1
Ci mi v
Fi = fi − fi +1
− ni +1
fi i + ω i × I C iω i = ∑ moments / ci I C iω
Ci Fi = mi v i + ω i × I C iω i N i = I C iω
fi = Fi + fi +1
Ve lo
a eler acc
s and Inertial f tion or
ces
ni
es forc
ni = N i + ni +1 + p Ci × Fi + p i +1 × fi +1 ni . Zi revolute τi = fi . Zi prismatic
Ci +1
Movie Segment
Space Rover, EPFL, Switzerland, ICRA 2000 video proceedings
i +1 + ω i +1 × Ii +1 ω
i +1 i +1
Ci +1
ϕ = mv
Newton Equation
φ = Iω
d ( mv ) = F dt
Euler Equation d ( Iω ) = N dt
=F ϕ
ma = F
=N φ + ω × Iω = N Iω
LMx OP I = z [(p p) I − pp ]ρdv p = y ;p p = x + y + z F1 MM z PP (p p) I = ( x + y + z )G 0 NQ GH 0 LM x xy xzOP LM x OP pp = y a x y z f = M xy y yz P MM z PP MN xz yz z PQ NQ LMy + z − xy − xz OP ˆ ˆ ) = M − xy z + x − yz ( − pp MN − xz − yz x + y PPQ
第12课机器人的“大脑”课件
（3）机器人大脑的特点：有超快的计算速度和超强的记忆能力；它是由机械和电子器件构成， 它自己不能思考，不能和人脑一样随机应变。
（4）主控器上有各种按钮：主控器上有各种开关按钮、选择程序按钮、程序运行按钮；还有连 接各种优越感器的输入接口和连接运动器官的输出接口等。
机器人战胜中国能人王健就是一个鲜明的例证。 机器人之所以能够模仿人类的行为，是因为它也有一个类似于人的“大脑”。 思考：机器人大脑的作用是什么？它能像人脑一样真正思考吗？
机器人的工作原理
（1）电脑与机器人的关系：在电脑被发明民前，机器人可以说没有大脑，机器人只不过是机械 手，根本谈不上是机器人，电脑的发明，终于使机械手进化成机器人，机器人的大脑就是一台灵 活的微电脑。
2、主题活动任务：
（1）你心目中未来的机器人应该是什么样的，请把你的想法写出来，将你所构思的机器人样 子画出来。
（2）从因特网或其他途径查阅资料，进一步了解机器人的工作原理。
（3）搭建一个简易的机器人，检验它是否能在程序控制下自动进行工作。
机器人的程序
机器人的大脑相当于一台微电脑，它也是由机械和电子器件构 成的它自己不能思考，必须按人们编制的程序来进行活动。 思考：
机器人的程序有什么作用？它是如何传输到主控器中的？
机器人的程序
（1）机器人程序相当于机器人“大脑”中的思想，“大脑”通过对程 序的执行，才能输出信息，发出指令，指挥和控制机器人的行动。
闽教版信息技术教育六年级下册
第十二课 机器人的“大脑”
了解机器人的工作原理
机器人学导论演示文稿
假设ti和 tf时刻对应的起点和终点位
(t)
c0
c1t
1 2
c2t
2
置为 和i ， f 抛物线与直线部分 的过渡段在时间tb和tf-tb处是对称的，
因此可得：
(t) (t)
c1 c2t c2
显然，这个抛物线运动段的加速度是一常数，并在公共点A和B上产生连
续的速度。将边界条件代入抛物线段的方程，得到：
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3. 多点的情况
（1）从A向B先加速，再匀速，接近B时再减速，从B到C再 重复。为避免这一过程中不必要的停止动作，可将B点两 边的动作进行平滑过渡。机器人先抵达B点，然后沿着平 滑过渡的路径重新加速，最终抵达并停止在C点。
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（2）考虑到由于采用了平滑过渡曲线，机器人经过 的可能不是原来的B点，可事先设定一个不同的B’’点， 使曲线正好经过B点。
2 直角坐标空间描述
将轨迹分成若干段，使机器人的运动经过这些中间点，在 每一点都求解机器人的关节变量，直到到达终点，如下图 所示：
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直角空间描述
特点：路径可控且可预知，直观、容易看到机器人末端 轨迹；但计算量大，容易出现奇异点，如下图所示：
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轨迹穿过机 器人自身
关节值突变
A
B
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二 直角坐标空间轨迹规划
1. 首先画出路径，接着将路径n等分(为了获得较好的沿循精 度，n越大越好) ，分别计算到达各点所需的关节变量。
特点：关节角非均匀变化，末端沿已知路径行走。
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2. 在1的基础上，考虑各关节的加速减速时间，为防止在 加速期间轨迹落后于设想的轨迹，在划分分界点时，如 果是直线轨迹，就按照方程划分。曲线轨迹就相对复杂 一些。
机器人学导论 ppt课件
3.连杆坐标系的建立过程 Zi-1
i 1
Zi
连杆i-1
Xi
i
ppt课件
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4.连杆变换
图中有5个坐标系{i-1},{R},{Q},{P},{i}。{R}由{i-1}绕x轴旋转αi-1得 到,{Q}由{R}沿x轴方向平移ai-1得到,{P}由{R}绕z轴旋转θi得到，{i} 14 ppt课件 由{P}沿z轴方向平移di得到。
s i c i c i 1 c i s i 1 0
0 s i 1 c i 1 0
ai 1 d i s i 1 d i c i 1 1
尝试分别写出每步的变换过程。
ppt课件 15
例题：下图为一个平面三杆操作臂，三个节均为转动关节， 称为RRR（3R）机构。尝试建立连杆坐标系和D-H参数表。
ppt课件
PUMA560机器人
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2.1 连杆参数与连杆坐标系的建立
ppt课件
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1.连杆参数的定义
1、连杆长度ai-1
从 Zi-1轴到Zi轴的距离，沿Xi-1的方向为正。
2、扭角（连杆转角）
i 1 度。（注：平行关节轴
Zi-1轴绕Xi-1 按逆时针方向旋转至与Zi轴平行时所转过的角
ppt课件 3
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 A P 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 , Y , Z 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A X B , AYB , AZB ，3个矢量确定一个姿态。
工业机器人概论演示文稿
第1章 工业机器人概论
工业机器人技术基础
1.2 工业机器人基本组成及技术参数
■工业机器人本体
机器人本体：工业机器人的机械主体，是 完成各种作业的执行机构。一般包含互相 连接的机械臂、驱动及传动装置以及各种 内外部传感器。工作时通过末端夹具也称 末端执行器用于实现机器人对工作目标的 夹取、搬用等动作。 1）机械臂
工业机器人技术基础
工业机器人总体发展趋势
（1）技术发展趋势 在技术发展方面，工业机器人正向结构轻量化、智能化、模块化和系统化的方向发展。 未来主要的发展趋势有：
1）机器人结构的模块化和可重构化； 2）控制技术的高性能化、网络化；
3）控制软件架构的开放化、高级语言化；
4）伺服驱动技术的高集成度和一体化；
工业机器人概论演示文稿
第一页，共32页。
（优选）工业机器人概论.
第二页，共32页。
第1章 工业机器人概论
工业机器人技术基础
主要内容 1.1 工业机器人定义及其发展（了解） 1.2 工业机器人基本组成及技术参数（掌握） 1.3 工业机器人的分类及典型应用（了解）
第三页，共32页。
第1章 工业机器人概论
种机器具备一些与人或生物相似的能力，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。
国际标准化组织定义：工业机器人是一种仿生的、具有自动控制能力的、可重复编程的
多功能、多自由度的操作机械。
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第1章 工业机器人概论
工业机器人技术基础
1.1 工业机器人定义及其发展
开合自由度。一般情况下机器人的一个自由度对应一个关节，所以自由度
与关节的概念是相等的。自由度是表示机器人动作灵活程度的参数，自由
《机器人技术概论》讲义
《机械人技巧概论》教材目次第一章机械人概论- 1 -《机械人概论》研讨的内容- 1 -什么是机械人？- 1 -机械人的成长- 2 -为什么要成长机械人？- 3 -机械人成长的三个阶段- 3 -机械人学- 4 -机械人的分类- 4 -第二章机械人的数学基本- 6 -第一节地位和姿势的暗示- 6 -第二节坐标变换- 7 -第三节齐次变换- 8 -第三章机械人活动学- 11 -第一节机械人活动方程的暗示- 11 -第二节连杆变换矩阵及其乘积- 12 -第四章机械人的感到体系- 18 -第一节传感器道理简介- 18 -第二节传感器在机械人中的运用- 20 -第五章机械人驱动与掌握技巧- 28 -第一节驱动电机- 28 -第二节地位掌握- 30 -第六章机械人轨迹筹划- 35 -第一节轨迹筹划的一般性问题- 35 -第二节关节轨迹的插值- 35 -第三节移念头器人路径筹划- 38 -第一章机械人概论《机械人概论》研讨的内容在机械人研讨中,我们平日在三维空间中研讨物体的地位.这些物体可用两个异常重要的特点来描写：地位和姿势.我们会起首研讨若何用数学的办法暗示和盘算这些参量.活动学研讨物体的活动,而不斟酌引起这种活动的力.在活动学中,我们研讨地位.速度.加快度和地位变量对于时光和其它变量的高阶微分.个中,正活动学方程描写各个关节变量在对象坐标系与基坐标系间的函数关系;逆活动学经由过程给定对象坐标系的地位和姿势,盘算各个关节变量.机械人与外界情形互相感化时,在接触的地方要产生力和力矩,统称为操纵力矢量.n个关节的驱动力（或力矩）构成的n维矢量,称为关节力矢量.静力学研讨在静态均衡状况下,操纵力向关节力映射消失着的线性关系.动力学重要研讨产生活动所须要的力.为了使操纵臂从静止开端加快,使末尾履行器以必定的速度作直线活动,最后减速停滞,必须经由过程关节驱动器产生一组庞杂的力矩函数来实现.机械人的感到重要介绍产活力械人的力觉.视觉.触觉.接近觉等相干的传感器.机械人的掌握在前面的基本上设计地位掌握体系,评论辩论掌握算法及给机械人编程等.什么是机械人？一般的懂得：机械人是具有一些相似人的功效的机械电子装配或者叫主动化妆置,它是个机械.特色：✧有类人的功效.功课功效;感知功效;行走功效;能完成各类动作.✧根据人的编程能主动的工作.经由过程编程转变它的工作.动作.工作的对象和工作的一些请求.✧是人造的机械或机械电子装配,仍然是个机械机械人的界说：机械人学是一门不竭成长的科学,上世纪60年月,可实用机械机械人被称为工业机械人;上世纪80年月到如今,正越来越向智能化偏向成长.是以,对机械人的界说也随其成长而变更.国际上对机械人的界说很多：The Webster dictionary (Webster, 1993) ：“An automatic device that performs functions no rmally ascribed to humans or a machine in the form of a human.” 一个主动化装备,它能履行平日由人履行的义务;或一小我型的机械美国机械人学会（The Robot Institute of America,1979)：“A reprogrammable, multifunctional manipulator designed to move materials, parts, tools, or specialized devices through various programmed motions for the performance of a variety of tasks.” 一个可再编程的多功效操纵器,用来移动材料.零部件.对象等;或一个经由过程编程用于完成各类义务的专用装备.ISO,1987：工业机械人是一种具有主动掌握的操纵和移动功效,能完成各类功课的可编程操纵机.从完全的更为深远的机械人界说来看,应当更强调机械人智能,是以,机械人的界说是可以或许感知情形,可以或许有进修.情绪和对外界一种逻辑断定思维的机械.机械人是一种盘算机掌握的可以编程的自念头械电子装配,能感知情形,辨认对象,懂得指导敕令,有记忆和进修功效,具有情绪和逻辑断定思维,能自身进化,能筹划其操纵程序来完成义务.机械人技巧是集机械学.力学.电子学.生物学.掌握论.人工智能.体系工程等多种学科于一体的分解性很强的新技巧机械人的成长1961年,他们临盆了世界上第一台工业机械人“Unimates”,并获得了专利1962年,Engleberger 成立了Unimation公司,他被称为“机械人之父”日本从上世纪70年月中后期开端开辟工业机械人,15年后就成为产量最多.运用最广的世界工业机械人“王国”.1978年美国Unimation公司推出通用工业机械人PUMA,这标记住工业机械人技巧已经完全成熟.PUMA至今仍然工作在工场第一线.1984年英格伯格再推机械人Helpmate,这种机械人能在病院里为病人送饭.送药.送邮件.同年,他还预言：“我要让机械人擦地板,做饭,出去帮我洗车,检讨安然”.1998年丹麦乐高公司推出机械人(Mind-storms)套件,让机械人制作变得跟搭积木一样,相对简略又能随意率性拼装,使机械人开端走入小我世界.1999年日本索尼公司推出犬型机械人爱宝(AIBO),当即发卖一空,从此娱乐机械人成为今朝机械人迈进通俗家庭的门路之一.2002年丹麦iRobot公司推出了吸尘器机械人Roomba,它能避开障碍,主动设计行进路线,还能在电量缺少时,主动驶向充电座.Roomba是今朝世界上销量最大.最贸易化的家用机械人.2006年6月,微软公司推出Microsoft Robotics Studio,机械人模块化.平台同一化的趋向越来越显著,比尔·盖茨预言,家用机械人很快将囊括全球重要机械人厂家日本：Motoman.OTC.Panasonic.FANUC等美国：Adept等欧洲：奥地利IGM.德国CLOOS.KUKA.瑞典ABB韩国：HYUNDAI沈阳新松首钢莫托曼上海ABB为什么要成长机械人？简略说,机械人有三个方面是我们须要去成长的来由：一个是机械人做人不肯意做的事,把人从有毒的.有害的.高温的或安全的,如许的情形中解放出来,机械人可以做人做不好的活,比方说在汽车临盆线上工人天天拿着一百多公斤的焊钳,一天焊几千个点,做反复性的劳动,一方面他很累,但是产品的质量仍然很低;另一方面机械人做人做不了的活,这也是异常重要的机械人成长的一个来由,比方说人们对太空的熟悉,人上不去的时刻,叫机械人上天,上月球,以及到海洋,进入到人体的小机械人,以及在微不雅情形下,对原子分子进行搬家的机械人,都是人们不成达的工作.上述方面的三个问题,也就是说机械人成长的三个来由.机械人成长的三个阶段第一代机械人,也叫示教再现型机械人,它是经由过程一个盘算机,来掌握一个多自由度的一个机械,经由过程示教存储程序和信息,工作时把信息读掏出来,然后发出指令,机械人可以反复的根据人当时示教的成果,再现出这种动作,比方说汽车的点焊机械人,它只要把这个点焊的进程示教完今后,它老是反复如许一种工作,它对于外界的情形没有感知,这个力操纵力的大小,这个工件消失不消失,焊的好与坏,它其实不知道,第一代机械人消失这种缺点.在20世纪70年月后期,人们开端研讨第二代机械人,叫带感到的机械人,这种带感到的机械人是相似人在某种功效的感到,比方说力觉.触觉.滑觉.视觉.听觉和人进行相类比,有了各类各样的感到,比方说在机械人抓一个物体的时刻,它实际上力的大小能感到出来,它可以或许经由过程视觉,可以或许去感触感染和辨认它的外形.大小.色彩.抓一个鸡蛋,它能经由过程一个触觉,知道它的力的大小和滑动的情形.第三代机械人,是机械人学中一个幻想的所寻求的最高等的阶段,叫智能机械人,只要告知它做什么,不必告知它怎么去做,它就能完成活动,感知思维和人机通信的这种功效和机能,这个今朝的成长照样相对的只是在局部有这种智能的概念和寄义,但真正完全意义的这种智能机械人实际上并没有消失,而只是跟着我们不竭的科学技巧的成长,智能的概念越来越丰硕,它内在越来越宽.机械人学（1）机械人基本理论与办法,如活动学和动力学,功课与活动筹划.掌握与感知理论与技巧.机械人智能.（2）机械人设计理论与技巧,机械人机构剖析和分解.机械人构造设计优化.机械人症结器件设计.机械人仿真等.（3）机械人仿生学,仿生活动和动力学.仿活力构学.仿生感知和掌握理论.仿生器件设计和制作等（4）机械人体系理论,多机械人体系理论.机械人-人融会.以及机械人与其它机械体系的协折衷交互.（5）机械人操纵和移动理论,机械人装配理论.机械人移动理论.足式机械人步态理论等.（6）微机械人学,微机械人的剖析.设计.制作和掌握等理论办法机械人的分类机械人分类办法很多按照技巧程度划分第一代：示教再现型,具有记忆才能.今朝,绝大部分运用中的工业机械人均属于这一类.缺点是操纵人员的程度影响工作质量.第二代：初步智能机械人,对外界有反馈才能.部分已经运用到临盆中.第三代：智能机械人,具有高度的顺应性,有自行进修.推理.决议计划等功效,处在研讨阶段.✧按照根本构造划分直角坐标型,也称“机床型”圆柱坐标型球坐标型全关节型✧按照受控活动方法划分点位掌握（PTP）型,Point to Point, 如点焊.搬运机械人持续轨迹掌握（CP）型,Continous Path,如弧焊.喷漆机械人✧按驱动方法划分气压驱动（紧缩空气）液压驱动（重型机械人,如搬运.点焊机械人）电驱动（电念头）,运用最多✧按照运用范畴划分工业机械人,面向工业范畴的多关节机械手或多自由度机械人.特种机械人,用于非制功课的各类机械人,办事机械人.水下机械人.农业机械人.军用机械人等第二章机械人的数学基本第一节 地位和姿势的暗示研讨机械人的机械体系的活动须要树立一套活动的暗示办法.为了描写机械人本身各连杆之间.机械人和情形之间的活动关系,平日将它们看作刚体.➢ 刚体的地位和姿势描写• 在直角坐标系｛A ｝中,随意率性一点P 的地位可以用3×1列向量暗示.称为地位矢量• 为了肯定刚体BB ｝与该刚体固接.｛A ｝的偏向余弦构成的3×A ｝的姿势.称为扭转矩阵,也可暗示成：扭转矩阵是正交的.按照上述界说,绕 x 轴扭转了θ 角的扭转矩阵, 为：同样也可以写出R （y,θ）,R （z,θ）,总之,用地位矢量描写刚体的地位,为了完全描写刚体B 在空间的地位和姿势,平日将刚体B 与某一坐标系相固接,平日记为｛B ｝,｛B ｝的原点一般选在刚体B 的特点点上,如质心或对称中间等..则相对于参考坐标系｛A ｝,B ｝原点地位及坐标系的方位,即刚体B 的地位和姿势可由坐标系｛B ｝来描写：当暗示地位时,扭转矩阵为单位阵;当暗示姿势时,地位矢量等于零.x A y z p p p p ⎛⎫ ⎪= ⎪⎪⎝⎭100(,)0cos sin 0sin cos R x θθθθθ⎛⎫ ⎪=- ⎪ ⎪⎝⎭cos 0sin (,)010sin 0cos R y θθθθθ⎛⎫ ⎪= ⎪⎪-⎝⎭(,)001R z θ⎝⎭{}{},OA ABB B R p =第二节 坐标变换1.坐标平移坐标系｛B ｝与｛A ｝具有雷同的方位,但｛B合,则空间随意率性点P 在｛A ｝中的描写可以暗示为：,称为坐标平移方程.2.坐标扭转坐标系｛BP 在｛A 3.一般变换 坐标系｛B 例题2-1：3解：根据题意得则 第三节 齐次变换 在空间直角坐标系中,随意率性一点可用一个三维坐标矩阵[x yz]暗示.假如将该点用一个四维坐标的矩阵[HxHyHzH]暗示时,则称为齐次坐标暗示办法.在齐次坐标中,最后一维坐标H 称为比例因子.比方齐次坐标[8,4,2].[4,2,1]暗示的都是二维点[2,1]. (1)从通俗坐标转换成齐次坐标时 假如(x,y,z)是个点,则变成(x,y,z,1); 假如(x,y,z)是个向量,则变成(x,y,z,0) (2)从齐次坐标转换成通俗坐标时假如是(x,y,z,1),则知道它是个点,变成(x,y,z); 假如是(x,y,z,0),则知道它是个向量,仍然变成(x,y,z) 齐次坐标变换A0000cos30sin3000.8660.50(,30)sin30cos3000.50.866001001A B R R z ⎡⎤--⎡⎤⎢⎥⎢⎥===⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦1260oA B p ⎡⎤⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦0.171211.8310.294616.294000o A A BAB B p R p p -⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥=+=+=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦用4×1列向量暗示三维空间坐标系中的点：称为齐次坐标,齐次坐标具有不独一性. 引入齐次坐标后,一般变换变成：2：对它进行绕轴z 扭转90度至点v,点v 绕y 轴扭转90度至点w,求点w 的坐标.求点w 的坐标.解：由扭转齐次坐标变换得同理 经由平移变换后,新的w 的坐标为 x a y x y zb a bc ⎛⎫⎛⎫ ⎪⎪ ⎪⇒===⎪AA BBp T p=()(,)0O B A A B B T Trans p Rot k θ ⎪== ⎪⎝ ⎪⎝0000070100739090003100037909000(,90)2001022001010001110001c s s c v Rot z u --⎡⎤-⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥====⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦010********(,90)100023000111w Rot y v -⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥===⎢⎥⎢⎥⎢⎥-⎢⎥⎢⎥⎢⎣⎦⎣⎦⎣⎦3'10426010374(4,3,7)[]001731001000111o A B I p w Tans w w ⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥-⎢⎥⎢⎥⎢⎥=-===⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦第三章 机械人活动学第一节 机械人活动方程的暗示A 矩阵：一个描写连杆坐标系间相对平移和扭转的齐次变换 . T 矩阵：A 矩阵的乘积对于六连杆机械手,有下列T 矩阵 ：6123456T A A A A A A =一个六连杆机械手可具有六个自由度,每个连杆含有一个自由度,并能在其活动规模内随意率性定位与定向.机械手的活动偏向 原点由矢量p 暗示. 接近矢量a ：z 向矢量 偏向矢量o ：y 向矢量法线矢量n ：它与矢量o 和a 一路构成一个右手 矢量聚集,并由矢量的交乘所划定：n o a =⨯.是以,变换T6具有下列元素.601x x x x yy y y z z z z n o a p n o a p T n o a p ⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦六连杆机械手的T 矩阵（ T6 ）可由指定其16个元素的数值来决议.在这16个元素中,只有12个元素具有实际寄义.机械手的活动姿势由某个姿势变换划定之后,它在基系中的地位就可以或许由左乘一个对应于矢量p 的平移变换来肯定：6100010[]0010001x y z p p T p ⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦某姿态变换第二节 连杆变换矩阵及其乘积广义连杆相邻坐标系间及其响应连杆可以用齐次变换矩阵来暗示.请求出操纵手所须要的变换矩阵,每个连杆都要用广义连杆来描写.在求得响应的广义变换矩阵之后,可对其加以修改,以合适每个具体的连杆.机械人机械手是由一系列衔接在一路的连杆（杆件）构成的.须要用两个参数来描写一个连杆,即公共法线距离i a 和垂直于i a 地点平面内两轴的夹角i α;须要别的两个参数来暗示相邻两杆的关系,即两连杆的相对地位i d和两连杆法线的夹角i θ,如图所示.一般称为ia 连杆长度,iα为连杆扭角,id 为两连杆距离,iθ为两连杆夹角.机械人机械手上坐标系的设置装备摆设取决于机械手连杆衔接的类型.有两种衔接——迁移转变关节和棱柱联轴节.对于迁移转变关节,其特点参数为,,,i i i i a d αθ,i θ为关节变量;对于棱柱联轴节,,,i i i d αθ,i d 为关节变量,连杆长度i a没有意义,令其为0.连杆坐标系与连杆参数为了肯定机械人各连杆之间的相对活动关系,须要肯定连杆坐标系,划定： [1]. 坐标系{}1i -的z 轴1i z -与关节轴1i -共线,指向随意率性;[2]. 坐标系{}1i -的x 轴1i x -与与连杆1i -的公垂线重合,指向由关节1i -到关节i ; [3]. 坐标系{}1i -的y 轴1i y -按照右手轨则划定,即111i i i y z x ---=⨯根据所设定的连杆坐标系,响应的连杆参数界说如下：如图所示：用A 矩阵暗示T 矩阵机械手的末尾装配即为连杆6的坐标系,为：可得连杆变换通式为 ：例1：如图所示为具有三个扭转关节的3R 机械手,求末尾机械手在基坐标系{}00X Y 下的活动学方程.x 0y 0Ox 1y 1x 2y 2x 3y 3111101000000100001c s s c T -⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦221221200000100001c s L s c T -⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦33233230000010001c s L s c T -⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦12312311212123123112120012312300001001c s L c L c sc L s L s T T T T -+⎡⎤⎢⎥+⎢⎥==⎢⎥⎢⎥⎣⎦个中,()()123123123123cos ,sin c s θθθθθθ=++=++例2：如图所示的三自由度机械手（两个扭转关节加一个平移关节,简称RPR 机械手）,求末尾机械手的活动学方程.解：树立如图的坐标系,则各连杆的D-H 参数为：由连杆的齐次坐标公式有所以例3 PUMA 560机械人活动学方程PUMA560是属于关节式机械人,6个关节都是迁移转变关节.前3个关节肯定手段参考点的地位,后3个关节肯定手段的方位.各连杆坐标系如下图所示.响应的连杆参数列于表3.1中.表3.1 PUMA560机械人的连杆参数据教材公式(3.16)和表3.1所示连杆参数,可求得各连杆变换矩阵如下：111101000000100001c s s c T θθθθ-⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦22212220000100001c s d T s c θθθθ-⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥--⎢⎥⎣⎦各连杆变换矩阵相乘,得PUMA 560的机械手变换矩阵：即为关节变量的函数.第四章机械人的感到体系第一节传感器道理简介传感器的界说传感器：把被测非电量转换成为与之有肯定对应关系,且便于运用的某些物理量（平日为电量）的测量装配.①传感器是测量装配,能完成检测义务;②它的输入量是某一被测量,可能是物理量,也可能是化学量.生物量等;③它的输出量是某种物理量,这种量要便于传输.转换.处理.显示等等,这种量可所以气.光.电量,但主如果电量;④输出输入有对应关系,且应有必定的准确程度.传感器的构成及类型传感器的构成罕有的传感器类型：电阻式传感器变阻抗式传感器光电式传感器电势式传感器传感器的道理应变片：压力电阻光敏电阻：光强电阻热敏电阻：温度电阻霍尔元件：磁感应强度电压非电学量电学量传感器示例-电阻式传感器道理：金属的电阻应变效应当金属丝在外力感化下产活力械变形时,其电阻值将产生变更.（公式略）力形变电阻变更电压应变片的感化应变式加快度传感器应变式加快度传感器构造示意图1—等强度梁 2—质量块 3—壳体 4—电阻应变片在低频（10~60Hz）振动测量中得到普遍的运用.当无光照时,光敏电阻值(暗电阻)很大,电路中电流很小当有光照时,光敏电阻值(亮电阻)急剧削减,电流敏捷增长光电码盘传感器-工作道理用光电办法把被测角位移转换成以数字代码情势暗示的电旌旗灯号的转换部件.1－光源 2－柱面镜 3－码盘 4－狭缝 5－元件第二节 传感器在机械人中的运用多传感器在移念头器人中的运用任务规划：执感觉外界环境视觉１视觉２超声波传感器红外接近觉立体视觉地标识别障碍探测目标物探测内部传景物识别感器融合力觉触觉环境模型定位避障操作规划学习路径规划行机构控制指令功能几种重要的机械人传感器简介视觉 20世纪50年月后期消失,成长十分敏捷,是机械人中最重要的传感器之一. 机械视觉从20世纪60年月开端起首处理积木世界,后来成长到处理室外的实际世界.20世纪70年月今后,实用性的视觉体系消失了.视觉一般包含三个进程：图像获取.图像处理和图像懂得.相对而言,图像懂得技巧还很落伍.力觉机械人力传感器就装配部位来讲,可以分为关节力传感器.腕力传感器和指力传感器.国际上对腕力传感器的研讨是从20世纪70年月开端的.触觉作为视觉的填补,触觉能感知目标物体的概况机能和物理特点：柔嫩性.硬度.弹性.光滑度和导热性等.对它的研讨从20世纪80年月初开端,到20世纪90年月初已取得了大量的成果.接近觉研讨它的目标是是使机械人在移动或操纵进程中获知目标（障碍）物的接近程度.移念头器人可以实现避障,操纵机械人可防止手爪对目标物因为接近速渡过快造成的冲击.机械人传感器的分类根据检测对象的不合可分为内部传感器和外部传感器.用来检测机械人本身状况（如手臂间角度）的传感器.多为检测地位和角度的传感器.（1）地位传感器（2）角度传感器用来检测机械人所处情形（如是什么物体,离物体的距离有多远等）及状况（如抓取的物体是否滑落）的传感器.具体有物体识别传感器.物体探伤传感器.接近觉传感器.距离传感器.力觉传感器,听觉传感器等.机械人的触觉一般认为触觉包含接触觉.压觉.滑觉.力觉四种,狭义的触觉按字面上来看是指前三种感知接触的感到.1. 接触觉传感器例如,开关式触觉传感器特色：外形尺寸十分大空间分辩率低运用阵列这一概念已开辟了很多重要的传感器.碳毡（CSA）敏锐度高,具有较强的耐过载才能.缺点是有迟滞,线性差.导电橡胶的电阻也会随压力的变更而变更,是以也经常运用来作为触觉传感器的迟钝材料.拟人化皮肤传感器运用一种具有压电和热释电性的高分子材料研制而成. 别的还有光学式触觉传感器.电容式阵列触觉传感器等.2. 压觉传感器（略）3. 力觉传感器力觉传感器运用的重要元件是电阻应变片.平日我们将机械人的力传感器分为三类：（1）装在关节驱动器上的力传感器,称为关节力传感器.用于掌握中的力反馈.（2）装在末尾履行器和机械人最后一个关节之间的力传感器,称为腕力传感器.（3）装在机械人手爪指关节（或手指上）的力传感器,称为指力传感器.SRI传感器SRI （Stanford ResearchInstitute）研制的六维腕力传感器,如图所示.它由一只直径为75mm的铝管铣削而成,具有八个窄长的弹性梁,每个梁的颈部只传递力,扭矩感化很小.梁的另一头贴有应变片.图中从Px+到Qy-代表了8根应变梁的变形旌旗灯号的输出.日本大和制衡股份有限公司林纯一研制的腕力传感器.它是一种整体轮辐式构造,传感器在十字梁与轮缘联络处有一个柔性环节,在四根交叉梁上共贴有32个应变片（图中以小方块）,构成8路全桥输出 .三梁腕力传感器传感器的内圈和外圈分离固定于机械人的手臂和手爪,力沿与内圈相切的三根梁进行传递.每根梁高低.阁下个贴一对应变片,三根梁上共有6对应变片,分离构成六组半桥,对这6组电桥旌旗灯号进行解耦可得到六维力（力矩）的准确解. 4. 滑觉传感器机械手一般采取两种抓取方法：硬抓取和软抓取.硬抓取（无感知时采取）：末尾履行器运用最大的夹紧力抓取工件.软抓取（有滑觉传感器时采取）：末尾履行器使夹紧力保持在能稳定抓取工件的最小值,以免毁伤工件.滚轮式滑觉传感器它由一个金属球和触针构成,金属球概况分成很多个相间分列的导电和绝缘小格.触针头很细,每次只能触及一格.当工件滑动时,金属球也随之迁移转变,在触针上输出脉冲旌旗灯号,脉冲旌旗灯号的频率反应了滑移速度,个数对应滑移的距离.根据振动道理制成的滑觉传感器.钢球指针与被抓物体接触.若工件滑动,则指针振动,线圈输出旌旗灯号.机械人的接近觉接近觉重要感知传感器与对象物之间的接近程度.霍尔效应指的是金属或半导体片置于磁场中,当有电流流过时,在垂直于电流和磁场的偏向上产生电动势.霍尔传感器单独运用时,只b ）无铁磁体时磁力线的形状c ）铁磁体接近时磁力线的形状能检测有磁性物体.当与用磁体结合运用时,可以用来检测所有的铁磁物体.传感器邻近没有铁磁物体时,霍尔传感器感触感染一个强磁场;如有铁磁物体时,因为磁力线被铁磁物体旁路,传感器感触感染到的磁场将削弱.其它还有光学接近觉.超声波接近觉传感器等.别的还有接触觉.滑觉和接近觉三种感到组合为一体的传感器.机械人的视觉1.超声波传感器从广义上讲,我们也把它算成机械人视觉中的一种.超声波探测道理比较简略,一般是采取时差法.ｄ=ｃΔt／2个中ｃ（Ｔ的函数）为超声波波速,Ｔ为情形摄氏温度超声波传感器重要用处：（1）及时地检测自身所处空间的地位,用以进行自定位;（2）及时地检测障碍物,为行动决议计划供给根据;（3）检测目标姿势以及进行简略形体的辨认;（4）用于导航目标跟踪.D（电荷耦合器件：charge coupled devices）CCD（电荷耦合器件）的根本构造是一个间隙很小的光敏电极阵列,即很多个CCD单元构成,也称为像素点（如448×380）.它可所以一维的线阵,也可所以二维的面阵. 机械人的听觉（略）多传感器信息融会多传感器信息融会技巧是经由过程对这些传感器及其不雅测信息的合理安排和运用,把多个传感器在时光和空间上的冗余或互补信息根据某种准则进行组。
机器人概论ppt课件
• 多传感器控制系统的研究，离线编程技术、自诊断和安全保护技术等方 面均已取得了突破，掌握了工业机器人所有关键技术。 • 在基础元件制造方面，我国在谐波减速器、高效电机的制造领域也有了 突破。已研制出了交、直流伺服电机及其驱动系统、测速发电机、光电 编码器、液压（气动）元部件、滚珠丝杠、直线滚动导轨、谐波减速器、 RV减速器、十字交叉滚子轴承、薄壁轴承等。
我国机器人新进展—服务 机器人
• • 服务机器人产业将成为继家电和个人电脑之后，全球新经济发展的重要增长点。 在监控机器人方面，中科院深圳先进院研制的家庭监控机器人可以在家中自如移 动到每个角落，监测家中是否漏水、着火煤气泄露等，一旦发现异常，机器人会 主动地向主人的手机发送报警短信。如果有陌生人闯入时，机器人也会立即将其 拍照并传给主人。 在老人服务机器人方面，中科院深圳先进院研制的管家机器人能够接收用户通过 智能手机发送的指令完成特定目标抓取，为老人提供生活便利。中国科学院自动 化研究所则研制了一种具有视觉和口令导航功能并能与人进行语音交互的机器人 轮椅，不仅能通过语音控制轮椅自由行走,还可以实现简单的人机对话功能，给 行动不变的老人和残疾人提供很大方便。 在仿人机器人方面，2011年11月，由浙江大学研制的仿人机器人“悟”和“空” 成功实现了乒乓球以及与人类对打，能够持续百余回合以上。
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日本机器人发展
• 为了解决劳动力不足问题和提高产品质量，着力开发机器人技术。 • 20世纪80年代超过美国成为“机器人王国”。 • 日本在传感器、电机、精密加工、能源以及材料等机器人的关键零部件 和关键基础技术均是世界领先。 • 日本本田公司研制的仿人机器人ASIMO, 高1.3m,行走速度达6km/h, 可 完成“8”字形行走、上下台阶、弯腰等动作, 还可与人握手、挥手、 语音对话, 识别出人和物体等. 日本川田公司的仿人机器人HRP-2 高 1.5m, 可模仿人的舞蹈动作. 索尼公司开发了0.6m高的小型娱乐仿人机 器人QIRO. • 2011年，日本福岛第一核电站事故爆发，本大力开展了对核事故处理机 器人的研究。同年11月，由千叶工业大学研发的“ROSEMARY”核事故处 理机器人面世，能够在负重50公斤的情况下连续工作5小时，并可进行 遥控 机器人
机器人技术概论PPT完整全套教学课件精选全文完整版
由于当时技术条件的限制，这些玩偶都是身高一米的巨型玩具。现在保留下来的最早的机器人是瑞士努萨蒂尔历史博物馆里的少女玩偶，它制作于二百年前，两只手的十个手指可以按动风琴的琴键弹奏音乐，现在还定期演奏供参观者欣赏，展示了古代人的智慧。
19世纪中叶自动玩偶分为2个流派，即科学幻想派和机械制作派，并各自在文学艺术和近代技术中找到了自己的位置。1831年歌德发表的《浮士德》，塑造了人造人“荷蒙克鲁斯”。1870年霍夫曼出版了以自动玩偶为主角的作品《葛蓓莉娅》。1883年科洛迪的《木偶奇遇记》问世。1886年《未来的夏娃》问世。在机械制作方面，1893年摩尔制造了“蒸汽人”，“蒸汽人”靠蒸汽驱动双腿沿圆周走动。
二、 现代机器人
图1-5所示为水下机器人。将机器人技术（如传感技术、智能技术、控制技术等）扩散和渗透到各个领域形成了各式各样的新机器——智能化机器，如仿生机器人、可重构机器人等。当前与信息技术的交互和融合又产生了“软件机器人”“网络机器人”等新名词，这也说明了机器人所具有的创新活力。
“工欲善其事，必先利其器”，人类在认识自然、改造自然、推动社会进步的过程中，不断地创造出各种各样为人类服务的工具，其中许多具有划时代的意义。作为20世纪自动化领域的重大成就，机器人已经和人类社会的生产、生活密不可分。世间万物，人力是第一资源，这是任何其他物质不能替代的。我们完全有理由相信，像其他许多科学技术的发明发现一样，机器人也将成为人类的好助手、好朋友。
按机械结构
和串联机器人相比较，并联机器人具有以下特点：
（1） 无累积误差，精度较高；（2） 驱动装置可置于定平台上或接近定平台的位置，这样运动部分重量轻，速度快，动态响应好；（3） 结构紧凑，刚度高，承载能力大；（4） 完全对称的并联机构具有较好的各向同性；（5） 工作空间较小。