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第一章

1.机器人的定义：工业机器人，一种用于移动各种材料、零件、工具或者专用装置的、通过可编程序动作

来执行各种任务的，具有一定的记忆存储和感知能力的，并且具有各种编程能力的多功能机械手。

机器人特征：

1

2

3

4

2.机器人的分类：

第一代机器人（可编程、示教的工业机器人）

第二代机器人（具有一定的感知能力，低级智能机器人）

第三代机器人（具有高度适应性的自治机器人）

3.按照开发内容和目的区分，可分为以下三类机器人

?工业机器人（Industrial Robot）：如焊接、喷漆、装配机器人。

?操纵机器人（Teleoperator Robot）：如主从手，遥控排险、水下作业机器人。

?智能机器人（Intelligent Robot）：如演奏、表演、下棋、探险机器人。

4.机器人结构：

1）执行机构: 机器人的足、腿、手、臂、腰及关节等，它是机器人运动和完成某项任务所必不可少的组成部分。

2）驱动和传动装置:用来有效地驱动执行机构的装置，通常采用液压、电动和气动，有直接驱动和间接驱动二种方式。

3）传感器:是机器人获取环境信息的工具，如视觉、听觉、嗅觉、触觉、力觉、滑觉和接近觉传感器等，它们的功能相当于人的眼、耳、鼻、皮肤及筋骨。

4）控制器:是机器人的核心，它负责对机器人的运动和各种动作控制及对环境的识别。

5.机器人工作原理：

1）“示教再现”方式：通过“示教盒”或者人“手把手”两种方式教机械手如何工作，控制器将示教过程记忆下来，然后机器人按照记忆周而复始的工作。

2）“可编程控制”方式：工作人员事先根据机器人的工作任务和运动轨迹编制控制程序，然后将控制程序输入给机器人的控制器，起动控制程序，机器人就按照程序所规定的动作一步一步地去完成，如果任务变更，只要修改或重新编写控制程序，非常灵活方便。大多数工业机器人都是按照前两种方式工作的。

3）“遥控”方式：由人用有线或无线遥控器控制机器人在人难以到达或危险的场所完成某项任务。

4）“自主控制”方式：是机器人控制中最高级、最复杂的控制方式，它要求机器人在复杂的非结构化环境中具有识别环境和自主决策能力，也就是要具有人的某些智能行为。

6.位置控制

?点位控制－PTP（Point to Point）：只考虑起始点和目的点的位置，而不考虑两点之间的移动路径的控制方式，适用于上下料、点焊、搬运等；

?连续路径控制－CP（Continuous Path）：不但要求机器人以一定的精度到达目标点，而且对其移动的轨迹形式有一定精度范围的要求。

第二章

1.机器人的分类

1）按机器人的控制方式分类：非伺服机器人、伺服控制机器人（点位伺服控制、连续轨迹伺服控制2）按机器人结构坐标系特点方式分类：直角坐标机器人、圆柱坐标型机器人、极坐标机器人、多关节机器人。

2.驱动方式：

a.液压驱动

优点：

1)液压容易达到较高的压力(常用液压为2.5~6.3MPa)

2)

3)

4)液压系统采用油作介质，具有防锈性和自润滑性能，可以提高机械效率，使用寿命长。

液压传动系统的不足：

1)

2)

3)

b.气压驱动

与液压驱动相比，气压驱动的特点：

1)压缩空气粘度小，容易达到高速(1m/s)；

2)利用工厂集中的空气压缩机站供气，不必添加动力设备；

3)

4)气动元件工作压力低，故制造要求比液压元件低。

不足：

1)压缩空气常用压力为0.4~0.6MPa，若要获得较大的力，其结构就要相对增大；

2)

3)压缩空气的除水问题是一个很重要的问题，处理不当会使钢类零件生锈，导致机器人失灵。此外，排

气还会造成噪声污染。

c.电动机驱动

电动机驱动分为普通交流电动机驱动，交、直流伺服电动机和步进电动机驱动。

普通交、直流电动机驱动需要加减速装置，输出力矩大，但控制性能差，惯性大，适用于中型或重型机器人。

机器人。

3.机器人的构型

1、直角坐标型(3P)

结构、控制算法简单，定位精度高；但工作空间较小，占地面积大，惯性大，灵活性差。

2、圆柱坐标型(R2P)

结构简单紧凑，运动直观，其运动耦合性较弱，控制也较简单，运动灵活性稍好。但自身占据空间也较大，但转动惯量较大，定位精度相对较低。

3、极坐标型（也称球面坐标型）(2RP)

有较大的作业空间，结构紧凑较复杂，定位精度较低。

4、关节坐标型(3R)

对作业的适应性好，工作空间大，工作灵活，结构紧凑，通用性强，但坐标计算和控制较复杂，难以达到高精度。

5、平面关节型(Selective Compliance Assembly Robot Arm ，简称SCARA)

仅平面运动有耦合性，控制较通用关节型简单。运动灵活性更好，速度快，定位精度高，铅垂平面刚性好，适于装配作业。

4.自由度

自由度是指描述物体运动所需要的独立坐标数。机器人的自由度表示机器人动作灵活的尺度，一般以轴的直线移动、摆动或旋转动作的数目来表示，手部的动作不包括在内。

机器人的自由度越多，就越能接近人手的动作机能，通用性就越好；但是自由度越多，结构越复杂，对机器人的整体要求就越高，这是机器人设计中的一个矛盾。

第三章

1.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。机器人运动学

从几何或机构的角度描述和研究机器人的运动特性，而不考虑引起这些运动的力或力矩的作用。机器人运动学有如下两类基本问题：

1）机器人运动方程的表示问题，即正向运动学：对一给定的机器人，已知连杆的几何参数和关节变量，欲求机器人末端执行器相对于参考坐标系的位置和姿态。

2）机器人运动方程的求解问题，即逆向运动学：已知机器人连杆的几何参数，给定机器人末端执行器相对于参考坐标系的期望位置和姿态（位姿），求机器人能够达到预期位姿的关节变量。

2.当机器人执行工作任务时，其控制器根据加工轨迹指令规划好位姿序列数据，实时运用逆向运动学算法

计算出关节参数序列，并依此驱动机器人关节，使末端按照预定的位姿序列运动。

3.小结:

齐次变换可以用来描述空间坐标系的位置与方向。如果坐标系被固定在物体或机械手连杆上，那么该物体或机械手的位置与方向同样很容易被描述。

物体A相对于物体B的齐次变换可以求其逆，来获得物体B相对于物体A的描述。

变换可以表示为旋转变换和/或平移变换的乘积。如果变换是从左到右，那么旋转和/或平移是相对于当前的坐标系。如果变换是从右到左，那么旋转和/或平移是相对于参考坐标系进行。

齐次变换用正交分量来描述坐标系，即用角度的正弦和余弦。这种描述可与旋转联系起来。在一般性旋转的情况下，旋转是绕任意向量旋转θ角。

4.连杆参数【Denavit-Hartenberg(D-H)参数】

连杆参数：连杆长度ai-1：zi-1沿着xi-1到zi的距离；连杆扭转角αi-1：zi-1绕xi-1到zi的转角；

关节参数：关节偏置di：xi-1沿着zi到xi的距离；关节转角θi ：xi-1绕zi到xi的转角。

5.关节空间：有n个自由度的工业机器人所有连杆的位置和姿态，可以用一组关节变量(di或θi)来描述。

这组变量通常称为关节矢量或关节坐标，由这些矢量描述的空间称为关节空间。

?正向运动学：关节空间→末端笛卡儿空间，单射

?逆向运动学：末端笛卡儿空间→关节空间，复射

6.自由度机械手封闭解形式运动学逆解存在的两个充分条件：（满足其中之一条件即可）

1. 任意相邻三个关节轴线相交于一点。

2. 任意相邻三个关节轴线相互平行。

7.基本概念

操作机的工作空间：机器人操作机正常运行时，末端执行器坐标系的原点能在空间活动的最大范围；或者说该原点可达点占有的体积空间。这一空间又称可达空间或总工作空间，记作W(P)。

灵活工作空间：在总工作空间内，末端执行器可以任意姿态达到的点所构成的工作空间。记作Wp (P)。

次工作空间：总工作空间中去掉灵活工作生间所余下的部分。记作Ws (P)。

W (p)= W p(p)+ W s(p)

第四章

第三章讨论机器人操作臂的位移关系，建立了操作臂的运动学方程。研究了运动学方程的反解、建立了操作空间与关节空间的映射关系。本章将在位移分析的基础上，进行速度分析。研究操作空间速度与关节空间速度之间的线性映射关系----雅可比矩阵。

雅可比不仅用来表示操作空间与关节空间之间速度线性映射关系。同时也用来表示两空间之间力的传递关系。

1.微分旋转其结果与转动次序无关，这是与有限转动（一般旋转）的一个重要区别。

2.任意两个微分旋转的结果为绕每个轴转动的元素的代数和，即微分旋转是可加的。

3.雅可比矩阵：机械手的直角空间运动速度与关节空间运动速度之间的变换称之为雅可比矩阵。关节空

间向直角空间速度的传动比。

4.当微分变换是由直角坐标空间向关节坐标空间进行时，上式等号右边矩阵是逆雅可比矩阵。

5.式中，JT(q)称为操作臂的力雅可比，表示在静平衡时，F向映射的线性关系。

可以看出：力雅可比＝运动雅可比的转置，即操作臂的静力传递关系与速度有关。

6.奇异形位：

对于关节空间的某些形位q，操作臂的雅克比矩阵的秩减少，这些形位称为操作臂的奇异形位。当机械手的雅克比行列式为0，矩阵的秩为1，因而处于奇异状态。关节速度趋向于无穷大。从几何上看，机械手完全伸直，或完全缩回时，机械手末端丧失了径向自由度，仅能切向运动。在奇异形位时，机械手在操作空间的自由度将减少。

7.四种构造操作臂雅克比的方法：

对于平面机器人可以采用直接微分法求J，对于三维空间的机器人不适用，可得（x,y,z）T的显示方程，J的前三行可以直接微分得到，但找不到（θx，θy，θz）的一般表达式，故常用构造法求J

矢量积法、微分变换方法：处理6自由度的操作臂

速度递推方法

力和力矩递推方法

第五章

1.静力学和动力学分析，是机器人机械臂设计和动态性能分析的基础。特别是动力学分析，它还是机器

人控制器设计、动态仿真的基础。

机器人静力学研究机器人静止或缓慢运动时，作用在机器人上的力和力矩问题。特别是当手端与环境接触时，各关节力（矩）与接触力的关系。

机器人动力学研究机器人运动与关节驱动力（矩）间的动态关系。描述这种动态关系的微分方程称为动力学模型。由于机器人结构的复杂性，其动力学模型也常常很复杂，因此很难实现基于机器人动力学模型的实时控制。然而高质量的控制应当基于被控对象的动态特性，因此，如何合理简化机器人动力学模型，使其适合于实时控制的要求，一直是机器人动力学研究者追求的目标。

2.有两类问题：

动力学正问题：已知机械手各关节的作用力或力矩，求各关节的位移、速度、加速度、运动轨迹；

动力学逆问题：已知机械手的运动轨迹，即各关节的位移、速度和加速度，求各关节的驱动力和力矩。

3.研究目的：

1、合理地确定各驱动单元（以下称关节）的电机功率。

2、解决对伺服驱动系统的控制问题（力控制）。

在机器人处于不同位置图形（位形）时，各关节的有效惯量及耦合量都会发生变化（时变的），因此，加于各关节的驱动力也应是时变的，可由动力学方程给以确定。

4.该式表明关节空间和直角坐标空间广义力可以借助于雅可比矩阵J 进行变换。这种变换关系，也可推

广到任两杆间固联直角坐标系中的广义力变换，这时应将关节空间与直角坐标空间的雅可比矩阵，换

作直角坐标空间的雅可比矩阵。

5.动力学研究方法：

1）拉格朗日方程法：通过动、势能变化与广义力的关系，建立机器人的动力学方程。计算量O （n4），经优化O(n3)，递推O(n)。

2）牛顿—欧拉方程法：用构件质心的平动和相对质心的转动表示机器人构件的运动，利用动静法建立基于牛顿—欧拉方程的动力学方程。计算量O(n)。

3）高斯原理法: 利用力学中的高斯最小约束原理,把机器人动力学问题化成极值问题求解。用以解决第二类问题。计算量O(n3)。

4）凯恩方程法：引入偏速度概念，应用矢量分析建立动力学方程。该方法在求构件的速度、加速度及关节驱动力时，只进行一次由基础到末杆的推导，即可求出关节驱动力，其间不必求关节的约束力，具有完整的结构，也适用于闭链机器人。计算量O(n!)。

6.拉格朗日(Lagrangian)函数：L=K-P, K为动能，P为势能

动力学求解步骤：求取质点的速度、求质点的动能、求质点的位能、构造拉格朗日函数、推导动力学方程

7.动力学逆问题递推算法：

1）向外递推计算各连杆的速度和加速度，由牛顿-欧拉公式算出各连杆的惯性力和力矩；

2）向内递推计算各连杆相互作用的力和力矩，以及关节驱动力或力矩。

8.机械手动态特性：

动态特性指：工作精度、重复能力、稳定性、空间分辨率

第六章

1.轨迹规划：

机械手常用的两种轨迹规划方法：方法一：给出插值点上一组显式约束。方法二：给出运动路径的解析式。

轨迹规划可在关节空间或直角空间中。

规划器的任务：解变换方程，运动学反解和插值运算。

2.

直角坐标空间规划方法：有利于作业的描述，直观、路径准确；但需逆运动计算，计算量大，难以避免奇异形位，控制周期长。

3.路径点的关节速度的确定：

根据工具坐标系在直角坐标空间中的瞬时线速度和角速度确定

在直角坐标空间或关节空间中采用适当的启发式方法，由控制系统自动选择

为保证每个路径点的加速度连续，由控制系统按此要求自动选择

第七章

1.机器人运动学描述机器人末端执行器与各关节之间的运动微分。为结构设计提供运动特性分析方法，

是动力学建模与位姿轨迹控制的基础。

机器人动力学建模是基于运动学模型和刚体动力学理论，建立驱动力和力矩与关节位移、速度和加速度之间的联系。模型为结构设计提供力学特性分析方法，为控制系统设计提供模型依据。

机器人控制问题是基于机器人运动学和动力学模型，根据具体的性能指标设计其控制算法与系统，使机器人能按要求正常工作的理论与技术方法。

2.从动力学的角度，机器人具有以下特性：

（1）非线性引起机器人非线性的因数很多，机构构型、传动机构、驱动元件等都会引起系统的非线性。

（2）强耦合各关节具有耦合作用，表现为某一个关节的运动，会对其他关节产生动力效应，使得每

个关节都要承受其他关节运动所产生的扰动。

（3）时变机器人系统是一个时变系统，动力学参数随着关节运动位置的变化而变化。

3.控制系统硬件一般包括3个部分：

（1）感知部分用来收集机器人的内部和外部信息，如位置、速度、加速度传感器可感受机器人本体状态，而视觉、触觉、力觉等传感器可感受机器人工作环境的外部状态；

（2）控制装置用来处理各种信息，完成控制算法，产生必要的控制指令，它包括计算机及相应的接口，通常为多CPU层次式控制模块结构；

（3）伺服驱动部分为了使机器人完成操作及移动功能，机器人各关节的驱动机视作业要求不同可为气动、液动、交直流电动等。

4.一般机器人控制性能要求：

（1）在工作空间的可控性

（2）稳定性（收敛性－衰减振荡）、相对稳定性（无超调）

（3）动态响应性能保证机器人快速到达指定的位姿并保持平衡状态

（4）定位精度、重复定位精度、轨迹跟踪精度

5.仿人机器人对自动控制系统的控制的要求：

（1）多轴运动协调控制

（2）不要求高刚度，但要求高稳定型

（3）位置无超调，动态响应速度快

（4）要求控制单元的处理器具有很高的处理速度

（5）要求结构紧凑

6.单关节的线性模型和控制：

当机器人在低速小负载运动，各关节动力学特性中的重力和关节间耦合可以忽略，惯量参数变化不大时，机器人可以采用单关节位置伺服反馈控制实现有效运动。

7.操作臂的多关节控制：

1）基于前馈和反馈的计算力矩的控制方法

2）线性多变量控制方法

3）自适应控制