第四章 机器人动力学 53页 0.6M.ppt

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机器人技术讲稿 677页 58.1M ppt版,机器人,技术,讲稿,ppt
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东南大学远程教育,机器人原理及应用,第 五 讲,主讲教师:王兴松东南大学机械系Email:xswang,Tel:025-3802606,机械手的运动Movement of Robotics,2.1 机械手运动的表示方法2.2 手爪位置和关节变量的关系2.3 雅可比矩阵2.4 手爪力和关节驱动力的关系2.5 机械手运动方程式的求解,Robotics运动,2.1 机械手运动的表示方法2.1.1 机械手的结构,Robotics运动,2.1 机械手运动的表示方法2.1.2 机械手的机构和运动学回转关节棱柱关节关节变量手爪姿态运动学,Robotics运动,2.1 机械手运动的表示方法2.1.2 机械手的机构和运动学手爪位置r;关节变量有:写为: 运动学方程式。,Robotics运动,2.1 机械手运动的表示方法2.1.2 机械手的机构和运动学 正运动学与逆运动学,Robotics运动,2.1 机械手运动的表示方法2.1.3 运动学、静力学、动力学的关系手爪力F与关节驱动力静态时的关系:静力学,Robotics运动,2.1 机械手运动的表示方法2.1.3 运动学、静力学、动力学的关系驱动力矩与关节位置关节速度、关节加速度的关系动力学,Robotics运动,2.1 机械手运动的表示方法2.1.3 运动学、静力学、动力学的关系,Robotics运动,Robotics运动,2.2 手爪位置和关节变量的关系2.2.2 姿态变换矩阵同一点P在两个坐标系中的坐标:假设:可写为:,Robotics运动,2.2 手爪位置和关节变量的关系2.2.2 姿态变换矩阵BRA:姿态坐标变换阵有如下性质:,Robotics运动,2.2 手爪位置和关节变量的关系2.2.3 齐次变换两个坐标系中位姿关系:上式称为齐次变换矩阵,Robotics运动,2.2 手爪位置和关节变量的关系2.2.3 齐次变换对二自由度机械手,Robotics运动,2.2 手爪位置和关节变量的关系2.2.3 齐次变换利用上式的确步骤:1)建立连杆坐标系,并用 连杆长度和关节变量, 求相邻坐标系的位姿关系2)求相邻坐标系的齐次变换 矩阵;3)利用上式求总变换,Robotics运动,2.2 手爪位置和关节变量的关系2.2.3 齐次变换,Robotics运动,2.2 手爪位置和关节变量的关系2.2.3 齐次变换,Robotics运动,2.2 手爪位置和关节变量的关系2.2.3 齐次变换,Robotics运动,2.3 雅可比矩阵2.3.1雅可比矩阵的定义机器人正运动学方程: ,这里其中:nm:冗余机器人,Robotics运动,2.3 雅可比矩阵2.3.1雅可比矩阵的定义 J:雅可比矩阵,Robotics运动,2.3 雅可比矩阵2.3.1雅可比矩阵的定义例:两自由度机械手的雅可比矩阵,Robotics运动,2.3 雅可比矩阵2.3.2 关节速度和手爪速度的几何学关系,Robotics运动,2.3 雅可比矩阵2.3.2 关节速度和手爪速度的几何学关系,Robotics运动,2.4 手爪力和关节驱动力的关系2.4.1 虚功原理,Robotics运动,2.4 手爪力和关节驱动力的关系2.4.2 机械手静力学关系式的推导,手爪的虚位移,手爪的虚位移,手爪力,关节驱动力,Robotics运动,2.4 手爪力和关节驱动力的关系2.4.2 机械手静力学关系式的推导,Robotics运动,2.4 手爪力和关节驱动力的关系2.4.2 机械手静力学关系式的推导,Robotics运动,2.5 机械手运动方程式的求解2.5.1 惯性矩,Robotics运动,2.5 机械手运动方程式的求解2.5.1 惯性矩绕一端旋转惯性矩绕重心旋转惯性矩,Robotics运动,2.5 机械手运动方程式的求解2.5.2 牛顿-欧拉方程式,Robotics运动,2.5 机械手运动方程式的求解2.5.2 牛顿-欧拉方程式,Robotics运动,2.5 机械手运动方程式的求解2.5.3 拉格郎日运动方程式,Robotics运动,2.5 机械手运动方程式的求解2.5.3 拉格郎日运动方程式Lagrange方程T:系统动能;qi:广义坐标;Qi:对应于广义坐标的广义力当主动力为势力时,方程变为: L:Lagrange函数,Robotics运动,2.5 机械手运动方程式的求解2.5.3 拉格郎日运动方程式当主动力中有非势力时: Qj:为非势的广义力当含有粘性阻尼时,方程变为: ,:瑞利耗三散函数,Robotics运动,2.5 机械手运动方程式的求解2.5.3 拉格郎日运动方程式例:图示为振动系统方程1。动能2。势能,Robotics运动,2.5 机械手运动方程式的求解2.5.3 拉格郎日运动方程式3。耗散函数4。拉格朗日函数,Robotics运动,2.5 机械手运动方程式的求解2.5.3 拉格郎日运动方程式,Robotics运动,2.5 机械手运动方程式的求解2.5.3 拉格郎日运动方程式,是第i个连杆质量中心的位置向量,Robotics运动,2.5 机械手运动方程式的求解2.5.3 拉格郎日运动方程式,Robotics运动,2.5 机械手运动方程式的求解2.5.3 拉格郎日运动方程式,Robotics运动,2.5 机械手运动方程式的求解2.5.3 拉格郎日运动方程式,惯性力;,离心力;,重力项,东南大学远程教育,机器人技术,第 十三 讲,主讲教师:王兴松,机械手的控制Control of Robotic Manipulator,3.1 机械人系统的构成3.2 传递函数和方框图3.3 PID控制3.4 机械手的位置控制3.5 机械手的力控制3.6 其他控制方式简介,Robotics控制,3.1 机械人系统的组成3.1.1 机械人系统示意机器人的功能:动作和运动的控制末端操作器/手爪的 轨迹和力的再现运动状态显示、 参数设定功能,Robotics控制,3.1 机械人系统的组成3.1.2 机械人框图,Robotics控制,3.2 传递函数和方框图3.2.1 传递函数,Robotics控制,3.2 传递函数和方框图3.2.1 传递函数,Robotics控制,3.2 传递函数和方框图3.2.1 传递函数,Robotics控制,3.2 传递函数和方框图3.2.1 传递函数,L=0,Robotics控制,3.2 传递函数和方框图3.2.1 传递函数,Robotics控制,3.2 传递函数和方框图3.2.2 方框图,Robotics控制,3.2 传递函数和方框图3.2.2 方框图,Robotics控制,3.2 传递函数和方框图3.2.2 方框图,Robotics控制,3.2 传递函数和方框图3.2.2 方框图,Robotics控制,3.3 PID控制3.3.1 PID控制的基本形式,Robotics控制,3.3 PID控制3.3.1 PID控制的基本形式,Robotics控制,3.3 PID控制3.3.1 PID控制的基本形式,Robotics控制,3.3 PID控制3.3.2 实用的PID控制,Robotics控制,3.3 PID控制3.3.2 实用的PID控制(1)微分超前型PD控制,Robotics控制,3.3 PID控制3.3.2 实用的PID控制(1)微分超前型PD控制,Robotics控制,东南大学远程教育,机器人原理及应用,第 二十一 讲,主讲教师:王兴松,机器人的感觉Senses of Robotics,4.1 传感器的种类4.2 触觉信息的获取4.3 视觉信息的获取4.4 距离信息的获取,Senses of Robotics,4.1 传感器的种类 1.传感器的分类 内部传感器:检测机器人本身状态(手臂间角度等)的传感器。 外部传感器:检测机器人所处环境(是什么物体,离物体的距离有多远等)及状况(抓取的物体滑落等)的传感器。 外部传感器分为末端执行器传感器和环境传感器。 末端执行器传感器:主要装在作为末端执行器的手上,检测处理精巧作业的感觉信息。相当于触觉。 环境传感器:用于识别物体和检测物体与机器人的距离。相当于视觉。,4.1 传感器的种类 2.内部状态的感觉 (1)位置和角度传感器 典型的传感器是电位计。检测的是以电阻中心为基准位置的移动距离。 E:输入电压 L:最大移动距离触头 X:向左端移动的距离 E:电阻右侧的输出电压,Senses of Robotics,4.1 传感器的种类 2.内部状态的感觉 (1)位置和角度传感器 另有光电传感器。,Senses of Robotics,4.1 传感器的种类 2.内部状态的感觉 (2)角度传感器: 回转式编码器。,Senses of Robotics,Senses of Robotics,4.1 传感器的种类 3.外部状况的感觉 (1)物体识别传感器 典型的是视觉传感器。如摄像机。视觉是利用 光(机器人可用红外线等)的非接触方式。 触觉也能识别物体。机器人可以用触觉传感器 来实现这种机能。,Senses of Robotics,4.1 传感器的种类 3.外部状况的感觉 (2)物体探测传感器 视觉传感器是一种识别物体而且知道其存在的 传感器。 例如光电开关。 视觉传感器、光电开关和超声波传感器,即使 物体较远也能探测其存在。,Senses of Robotics,4.1 传感器的种类 3.外部状况的感觉 (3)极近物体探测传感器 探测非常近的物体存 在的传感器称为接近传感 器。,Senses of Robotics,4.1 传感器的种类 3.外部状况的感觉 (4)距离传感器 摄像机做距离传感器。具体留待5.4节介绍。 超声波做距离传感器。可用于鱼群探测、金属 内部探伤等方面。,Senses of Robotics,4.1 传感器的种类 3.外部状况的感觉 (5)力觉传感器 力觉传感器是检测力和力矩的施加地点大小方 向三个两的传感器。 力的检测主要是用电阻应变片(参看5.2节)。,Senses of Robotics,4.1 传感器的种类 3.外部状况的感觉 (6)其他传感器 利用声波:语音识别传感器。分析振动声音探 测机械故障的点传感器。 热传感器:点检传感器。 通过分析敲打的声音测定果品成熟程度的传感 器。 根据近红外线的糖度吸收程度测定水果甜度的 传感器,东南大学远程教育,机器人原理及应用,第 二十七 讲,主讲教师:王兴松,Senses of Robotics,4.2 触觉信息的获取 1.接触觉传感器 接触觉传感器:探测是否接触到物体,传感器接受由于接触产生的柔量。 微动开关:按下开关就能进入电信号的简单机构。 猫胡须传感器:如图a,b,Senses of Robotics,4.2 触觉信息的获取 2.压觉传感器 压觉传感器:检测物体同手爪间产生的压力和力以及其分布情况。 利用压电元件或弹簧。 如图是使用弹簧的平 面传感器。,Senses of Robotics,4.2 触觉信息的获取 3.滑觉传感器 滑觉传感器:检测垂直加压力方向的力和位移。,东南大学远程教育,机器人原理及应用,第 二十八 讲,主讲教师:王兴松,Senses of Robotics,4.2 触觉信息的获取 4.力觉传感器 力觉传感器主要利用电阻 应变片。 原理:金属丝拉伸时电阻 变大。,Senses of Robotics,4.2 触觉信息的获取 图中电压与电流关系: 则: 所以:,Senses of Robotics,4.2 视觉信息的获取 1.PSD(position sensitive device)传感器 PSD传感器:当光束照射到1维的线和2维的平面时,检测光照射的位置。L :电极1与电极2的距离。I1:流过电极1的电流。I2:流过电极2的电流。X:光照射点与电极1的距离。,东南大学远程教育,机器人原理及应用,第 二十九 讲,主讲教师:王兴松,Senses of Robotics,4.3 视觉信息的获取 2.视觉传感器 机器人通过摄像机以图像的形式获得环境的信息。 (1)CCD(charge coupled device)传感器。 CCD阵列,二维扫描,对表示灰度的电压采样, 二值数字化处理。每一定时间间隔扫描一遍。,Senses of Robotics,4.3 视觉信息的获取 2.视觉传感器 (2)图像的投影。O :原点,透镜中心。Z轴:光轴,摄像机的前方。xy轴:组成图像面。P点:物体上一点。p点:P在图像面上的投影。,Senses of Robotics,4.3 视觉信息的获取 3.形状传感器 (1)利用CCD摄像机拍摄穿透光。热噪声的干扰。 透明物体不能准确识别。 (2)若形状有特征,可用轮廓识别物体。 例:由手印鉴别每个人。 由形状识别机械零件。,Senses of Robotics,4.3 视觉信息的获取 4.光切断传感器 将通过狭缝照射的面状光投射到物体上,再检测反射光。 :狭缝光源的俯角。2d :投射在物体上的两直线光 源间的距离。LWH:分别是物体的长宽高。,Senses of Robotics,4.3 视觉信息的获取:物体与传送带所成的角度。 W:物体上照射线的长度。 l:物体在传送带上所占的长度。,东南大学远程教育,机器人原理及应用,第 三十 讲,主讲教师:王兴松,Senses of Robotics,4.3 视觉信息的获取 5.全方位视觉传感器 (1)使摄像机回转的方式。 (2)带有特殊反射镜的摄像机。(如图),Senses of Robotics,4.3 视觉信息的获取 5.全方位视觉传感器 镜面方程表达式:P :空间内一点。p :P在摄像机上所成的像。OM:反射镜的一个焦点。OC:反射镜的另一个焦点。O :坐标原点。f :摄像机透镜的焦距。 : 直线OM P的仰角。 :反射镜面反射光的仰角。,Senses of Robotics,4.3 视觉信息的获取 5.全方位视觉传感器:点p也是点P的方位角,4.4 距离信息的获取 1.双目视觉 由于视差得到距离感觉。O1 :摄像机1的透镜中心。O2 :摄像机1的透镜中心。P :空间一点。p1 :P在摄像机1上的图像。p2 :P在摄像机1上的图像。,Senses of Robotics,Senses of Robotics,4.4 距离信息的获取 2.投光法 投光法:采用主动光照射对象物体,用摄像机把照射点捕捉到图像上,再用三角测量算出距离。 例:测距计:一种把双目视觉一侧的摄像机置换成投光机的装置。一般以激光为光源。,Senses of Robotics,4.4 距离信息的获取 2.投光法 (1)点光源:激光的照射角度。d :透镜中心同光源间的距离。XYZ:P的三维位置。,Senses of Robotics,4.4 距离信息的获取 2.投光法 (2)狭缝光 : 原理如5.3.4节 (3)符号化光: 如图,东南大学远程教育,机器人原理及应用,第 三十一 讲,主讲教师:王兴松,机器人的环境识别Enviroment Recognization of Robotics,5.1 触觉信息的处理5.2 基本的图象处理方法5.3 2维图象的处理5.4 3维图象的处理,Robotics环境识别,5.1 触觉信息的处理5.1.1 利用识别函数的形状识别物体特征参量 ,排成向量这些向量分布到n维空间;同类将积聚构造识别函数g(X),Robotics环境识别,5.1 触觉信息的处理5.1.1 利用识别函数的形状识别物体特征参量 ,排成向量这些向量分布到n维空间;同类将积聚构造识别函数g(X),东南大学远程教育,机器人原理及应用,第 三十二 讲,主讲教师:王兴松,Robotics环境识别,5.1 触觉信息的处理5.1.2 按轮廓特征识别形状 从重心到边界画轮廓曲线,Robotics环境识别,5.1 触觉信息的处理5.1.2 按轮廓特征识别形状 从重心到边界画轮廓曲线,Robotics环境识别,5.2 基本的图象处理方法5.2.1 二值化处理 按某一阈值二值化。 提取物体和背景时,注意透镜影响。,Robotics环境识别,5.2 基本的图象处理方法5.2.2 微分处理 由于投影亮度影响,不能进行二值化。 在边缘/棱线处亮度突变边缘检测,东南大学远程教育,机器人原理及应用,第 三十三 讲,主讲教师:王兴松,Robotics环境识别,5.2 基本的图象处理方法5.2.3 边缘像素提取和细线化与直线近似,Robotics环境识别,5.2 基本的图象处理方法5.2.4 Hough变换,Robotics环境识别,5.2 基本的图象处理方法5.2.5 模板匹配,Robotics环境识别,5.3 2维图象的处理5.3.1 物体的位置检测 (1)软管的组装I 1.假定孔是暗的,周边是亮的 2.孔的中心可以看到内对面比壁,东南大学远程教育,机器人原理及应用,第 三十四 讲,主讲教师:王兴松,Robotics环境识别,5.3 2维图象的处理5.3.1 物体的位置检测 (2)软管的组装II,Robotics环境识别,5.3 2维图象的处理5.3.1 物体的位置检测 (2)软管的组装II,Robotics环境识别,5.3 2维图象的处理5.3.2 复杂背景的物体识别,Robotics环境识别,5.3 2维图象的处理5.3.2 复杂背景的物体识别,Robotics环境识别,5.3 2维图象的处理5.3.2 复杂背景的物体识别,Robotics环境识别,5.3 3维图象的处理5.4.1 双目视觉,Robotics环境识别,5.3 3维图象的处理5.4.1 双目视觉,Robotics环境识别,5.3 3维图象的处理5.4.2 时空图象,Robotics环境识别,5.3 3维图象的处理5.4.2 时空图象,东南大学远程教育,机器人原理及应用,第 三十六 讲,主讲教师:王兴松,Robotics环境识别,5.3 3维图象的处理5.4.2 时空图象,Robotics环境识别,5.3 3维图象的处理5.4.2 时空图象,Robotics环境识别,5.3 3维图象的处理5.4.2 时空图象,Robotics环境识别,5.3 3维图象的处理5.4.3 狭缝图象,东南大学远程教育,机器人原理及应用,第 三十五 讲,主讲教师:王兴松,移动机构的控制Mobile Robot & Control,6.1 为什么要移动6.2 移动环境及与其相适应的机构6.3 移动的检测6.4 引导和控制6.5 多机器人控制,Robotics移动,6.1 为什么要移动移动的目的:为实现“代替人”搬运物体适应环境,进行更多工作,Robotics移动,6.2 移动环境及移动机构6.2.1 环境整备领域内的移动机器人1)移动环境在导轨上(1维) 轨道机器人2)移动环境在道路上(2维) 无人驾驶搬运车,Robotics移动,6.2 移动环境及移动机构6.2.2 没有整备环境的移动机器人1)自然环境 陆上2、3维环境 海上、海中环境 空中、宇宙环境2)人工制作的环境 陆上建筑物内外环境(阶梯、电梯、钢丝),间隙、沟、踏脚石 海上、海中的混凝土建筑等 可以模拟动物、人、飞鸟等制作移动机构,东南大学远程教育,机器人原理及应用,第 三十六 讲,主讲教师:王兴松,Robotics移动,6.2 移动环境及移动机构6.2.3 车轮型移动机构的结构和运动(1)独轮 目前还没有实用,还在努力。(2)两轮,Robotics移动,6.2 移动环境及移动机构6.2.3 车轮型移动机构的结构和运动(3)三轮,Robotics移动,6.2 移动环境及移动机构6.2.3 车轮型移动机构的结构和运动(4)四轮,Robotics移动,6.2 移动环境及移动机构6.2.3 车轮型移动机构的结构和运动(4)四轮,Robotics移动,6.2 移动环境及移动机构6.2.3 车轮型移动机构的结构和运动(5)全方位移动车,Robotics移动,6.2 移动环境及移动机构6.2.4 履带式移动机构,Robotics移动,6.2 移动环境及移动机构6.2.5 步行机器人的机构,Robotics移动,6.2 移动环境及移动机构6.2.5 步行机器人的机构,Robotics移动,6.2 移动环境及移动机构6.2.5 步行机器人的机构,Robotics移动,6.3 移动的检测1.位置检测2.自立检测3.方位检测,Robotics移动,6.3 移动的检测6.3.1移动机器人的自立位置检测,Robotics移动,6.3 移动的检测6.3.1移动机器人的位置.方位修正检测(1)连续标记法埋电缆,Robotics移动,6.3 移动的检测6.3.1移动机器人的位置.方位修正检测(1)连续标记法光扫描,Robotics移动,6.3 移动的检测6.3.1移动机器人的位置.方位修正检测(2)离散标记法沿路径埋磁铁、由天花向下发超声、电波、光波沿路径产生点状光束,Robotics移动,6.3 移动的检测6.3.1移动机器人的位置.方位修正检测(2)离散标记法沿路径埋磁铁、由天花向下发超声、电波、光波沿路径产生点状光束,Robotics移动,6.4 引导和控制6.4.1路径引导方式1)引导直接在路径上2)引导不在路径上,Robotics移动,6.4 引导和控制6.4.1路径引导方式1)引导直接在路径上2)引导不在路径上,Robotics移动,6.4 引导和控制6.4.2 自主引导方式1)利用位能场的移动控制2)利用结果强化行动,Robotics移动,6.5 多机器人控制6.5.1 多机器人的群控1)多个小机器人协调可以减少成本2)多个小机器人可以更灵活,Robotics移动,6.5 多机器人控制6.5.2 多机器人自动控制的发展1)自主机器人的位置控制2)多机器人的引导和控制,东南大学远程教育,机器人原理及应用,第 四十一 讲,主讲教师:王兴松,机器人的智能化Intelligence of Robot,7.1 什么是机器人的智能化7.2 机器人的路径规划7.3 机器人的动作规划7.4 作业顺序的规划7.5 机器人学习,东南大学远程教育,机器人原理及应用,第 四十二 讲,主讲教师:王兴松,Robotics移动,7.1 什么是机器人的智能化路径规划 基于模型的路径规划 基于传感器的路径规划 路径障碍物动作规划、作业顺序规划 关节角度空间 位姿空间 位姿空间障碍物学习控制,Robotics移动,7.2 机器人的路径规划移动机器人基于模型基于传感,东南大学远程教育,机器人原理及应用,第 四十三 讲,主讲教师:王兴松,Robotics移动,7.2 机器人的路径规划移动机器人基于模型基于传感,Robotics移动,7.2 机器人的路径规划7.2.1 基于模型的路径规划1)切线图,Robotics移动,7.2 机器人的路径规划7.2.1 基于模型的路径规划2)Voronoi图,Robotics移动,7.2 机器人的路径规划7.2.2 基于传感器的路径规划,东南大学远程教育,机器人原理及应用,第 四十四 讲,主讲教师:王兴松,Robotics移动,7.3 机器人的动作规划,Robotics移动,7.3 机器人的动作规划,Robotics移动,7.3 机器人的动作规划,Robotics移动,7.2 机器人的路径规划7.2.1 基于模型的路径规划3)搜索算法,Robotics移动,7.2 机器人的路径规划7.2.1 基于模型的路径规划3)搜索算法,Robotics移动,7.2 机器人的路径规划7.2.1 基于模型的路径规划3)搜索算法,Robotics移动,7.2 机器人的路径规划7.2.1 基于模型的路径规划3)搜索算法,Robotics移动,7.3 机器人的动作规划,Robotics移动,7.3 机器人的动作规划,Robotics移动,7.3 机器人的动作规划,东南大学远程教育,机器人原理及应用,第 四十五 讲,主讲教师:王兴松,Robotics移动,7.4 作业顺序规划,Robotics移动,7.4 作业顺序规划7.4.1 AND-OR图的生成算法,Robotics移动,7.4 作业顺序规划7.4.2 搜索算法GBF,Robotics移动,7.4 作业顺序规划7.4.3 运送零件路径、动作规划,东南大学远程教育,机器人原理及应用,第 四十六 讲,主讲教师:王兴松,Robotics移动,7.4 作业顺序规划7.4.3 运送零件路径、动作规划,Robotics移动,7.5 机器人学习 移动机器人的推测航行法 全局位置推定法,2018/7/10,1,机器人技术 绪论Introduction of Robotics,1. 1 机器人学的发展12 机器人的特点、结构与分类13 机器人学与人工智能14 如何学好机器人技术,2018/7/10,2,Robotics 绪论,1.1机器人学的发展1.1.1机器人的由来1)东汉、张衡发明的指南车2)1768-1774,瑞士钟表匠制作的木偶机器人3)1920捷克剧作家Karel Capek首次提出Robota一词4)1950美国科幻作家Assimov,提出机器人三守则5)1954美国人设计了第一台电子可编程机器人6)1962美国GM公司使用全球第一台机器人Unimate,2018/7/10,3,Robotics 绪论,1.1机器人学的发展正在播放录像,请把视频放大!,2018/7/10,4,Robotics 绪论,1.1机器人学的发展1.1.2机器人的定义美国机器人协会(RIA)定义日本机器人协会(JIRA)定义中国机器人定义国际标准化组织(ISO)定义共同属性:1)象人或人的一部分,并模仿人的动作 2)具有智能或感觉与识别能力 3)是人制造的机器或机械电子装置,2018/7/10,5,Robotics 绪论,1.1机器人学的发展1.1.3机器人学的进展简单历史回顾目前发展情况 1)机器人投资理论 2)日本成为机器人生产大国,美国为研究大国 3)机器人产业迅速发展 4)应用范围遍及各领域 5)机器人学兴起 6)机器人向智能化发展,2018/7/10,6,Robotics 绪论,1.1机器人学的发展正在播放录像,请把视频放大!,2018/7/10,7,Robotics 绪论,1.2机器人的特点、结构与分类1.2.1机器人的主要特点-通用性和适应性通用性versatility-可执行不同功能和完成不同任务的能力 取决于其结构特点和承载能力 一般自由度越多,通用性越强适应性adaptivity-主要指其对工作环境变化的适应能力 需具有(1)传感与测量环境变化的能力 (2)分析任务和执行操作规划的能力 (3)自动执行指令能力,2018/7/10,8,Robotics 绪论,1.2机器人的特点、结构与分类1.2.2机器人系统的结构 机器人系统由机械部分、环境测量、任务规划、控制器等四部分组成,结构如图1.1。,2018/7/10,9,Robotics 绪论,1.2机器人的特点、结构与分类,2018/7/10,10,Robotics 绪论,1.2机器人的特点、结构与分类1.2.3机器人的自由度1)刚体的自由度 任何空间刚体具有6个自由度,即可任意运动。2)机器人的自由度 机器人靠末端执行器工作,末端执行器具有6个自由度即可保证其灵活运动。3个位置、3个姿态自由度。图1.4,2018/7/10,11,Robotics 绪论,1.2机器人的特点、结构与分类1.2.3机器人的自由度3)自由度与机动性 一般自由度越多,机器人越灵巧。,2018/7/10,12,Robotics 绪论,1.2机器人的特点、结构与分类1.2.4机器人的分类按几何结构分:柱面坐标机器人、球面坐标机器人、关节球面 坐标机器人。按机器人控制分:非伺服机器人、伺服机器人(点、轨迹)按用途分:工业机器人、探索机器人、服务机器人、军事机器 人(地面、海洋、空中)按机器智能分:一般机器人、智能机器人(传感机器人、交互 机器人、自主机器人)按移动性分:固定机器人、移动机器人(轮式、履带、步行),2018/7/10,13,Robotics 绪论,正在播放录像,请把视频放大!,2018/7/10,14,Robotics 绪论,1.2机器人的特点、结构与分类1.2.4机器人的分类,2018/7/10,15,Robotics 绪论,1.2机器人的特点、结构与分类1.2.4机器人的分类,2018/7/10,16,Robotics 绪论,1.2机器人的特点、结构与分类1.2.4机器人的分类,2018/7/10,17,Robotics 绪论,1.2机器人的特点、结构与分类 著名机器人,2018/7/10,18,Robotics 绪论,1.2机器人的特点、结构与分类 著名机器人,2018/7/10,19,Robotics 绪论,1.2机器人的特点、结构与分类 著名机器人,2018/7/10,20,Robotics 绪论,1.2机器人的特点、结构与分类 著名机器人,2018/7/10,21,Robotics 绪论,1.2机器人的特点、结构与分类 著名机器人,2018/7/10,22,Robotics 绪论,1.2机器人的特点、结构与分类 著名机器人,2018/7/10,23,Robotics 绪论,正在播放录像,请把视频放大!,2018/7/10,24,Robotics 绪论,1.2机器人的特点、结构与分类 著名机器人,2018/7/10,25,Robotics 绪论,正在播放录像,请把视频放大!,2018/7/10,26,Robotics 绪论,1.3机器人学与人工智能1.3.1机器人学与人工智能的关系1. 传感信息处理2. 机器人规划3. 专家系统4. 自然语言理解,2018/7/10,27,Robotics 绪论,1.3机器人学与人工智能1.3.2机器人学的研究领域1. 传感器与感知系统2. 驱动、建模与控制3. 自动规划与调度4. 计算机系统5. 应用研究6. 微型机器人7. 自动化(Robotics and Automation),2018/7/10,28,Robotics 绪论,正在播放录像,请把视频放大!,2018/7/10,29,Robotics 绪论,1.3机器人学与人工智能1.3.3智能机器人,2018/7/10,30,Robotics 绪论,正在播放录像,请把视频放大!,2018/7/10,31,Robotics 绪论,1.3机器人学与人工智能1.3.4人工智能的争论及其对机器人学的影响1. 人工智能的主要学派2. 对人工智能理论的争论3. 对人工智能方法的争论4. 对人工智能技术路线的争论5. 人工智能争论对机器人学的影响,2018/7/10,32,Robotics 绪论,1.4如何学好机器人技术1.4.1课程成绩的构成考试:闭卷 总成绩:平时作业 30% + 大作业10% + 期末考试 60% 考试内容:掌握部分70%;一般要求部分20%;了解部分10%,2018/7/10,33,Robotics 绪论,1.4如何学好机器人技术1.4.2学好机器人技术的要点 课程的特点:内容丰富、覆盖面广、学科交叉明显 学习方法 1)仔细听讲,做好笔记; 2)认真阅读机器人及相关课程教材,弄懂重要内容; 3)独立思考,努力认真完成作业;,东南大学远程教育,机器人技术,第 十 三 讲,主讲教师:王兴松,机器人规划 Robot planning,7.1 机器人规划的作用与任务7.2 积木世界的机器人规划7.3 STRIPS 规划系统7.4 具有学习能力的规划系统7.5 基于专家系统的机器人规划7.6 太空构件装配顺序分层规划系统7.7 机器人轨迹规划,Robot planning,7.1 机器人规划的作用和任务 1.规划的作用与问题分解途径 (1)规划的概念及作用 概念:在执行一个问题求解程序中的任何一步 之前,计算该程序几步的过程,是一个行动过程的 描述。 蕴涵排序。 步骤含糊。 具有分层结构。,Robot planning,7.1 机器人规划的作用和任务 1.规划的作用与问题分解途径 (1)规划的概念及作用 作用: 缺乏规划可能导致不是最佳的问题求解。 规划可用来监控求解过程。如发射火箭。,Robot planning,7.1 机器人规划的作用和任务 1.规划的作用与问题分解途径 (2)问题分解的途径: 途径一:只考虑状态中可能变化了的那些部分。 途径二:把单一的问题分割成为几个子问题。,Robot planning,7.1 机器人规划的作用和任务 1.规划的作用与问题分解途径 (3)域的预测和规划的修正: 产生一个有希望成功的规划。 规划失败,从现有状态从新开始规划。 非期望结果并不使余下部分失败。 使规划失败的影响限制在局部内。 记录规划执行步骤及理由,便于回溯。,Robot planning,7.1 机器人规划的作用和任务 2.机器人规划系统的任务与方法 (1)机器人规划系统的任务: 根据最有效的启发信息,选择应用于下一步的 最好规则。 应用所选取的规则来计算生成的新状态。 对所求得的解答进行检验。 检验空端,并舍弃。 检验殆正确的解答,并应用具体技术使之完全 正确。,Robot planning,7.1 机器人规划的作用和任务 2.机器人规划系统的任务与方法 (2)机器人规划系统的方法: 选择和应用规则: 方法一, 对每个动作都叙述起所引起的状态表示 的每一个变化。 另用某些语句来描述所有其它维持不变的 事物。 优点:只需一个机理消解。 缺点:若问题状态复杂,则需很多的公理条数。,Robot planning,7.1 机器人规划的作用和任务 2.机器人规划系统的任务与方法 (2)机器人规划系统的方法: 方法一例: 谓词集合描述状态:如图 动作影响到的状态: 用框架公理规则描述不受操作符影响的状态:,Robot planning,7.1 机器人规划的作用和任务 2.机器人规划系统的任务与方法 (2)机器人规划系统的方法: 选择和应用规则:关于框架公理 使用初始表,删除表和添加表。 优点: 减少提供给操作符的信息。 操作后不必推演所有信息。 便于回溯。如图:,Robot planning,7.1 机器人规划的作用和任务 2.机器人规划系统的任务与方法 (2)机器人规划系统的方法: 检验解答与空端: 求得能将初始状态变换为目标状态的操作符序 列,即得解。 空端,从它无法到达目标的端点。 正向推理及反向推理。,Robot planning,7.1 机器人规划的作用和任务 2.机器人规划系统的任务与方法 (2)机器人规划系统的方法: 修正殆正确解的各种方法: 检查求得的状态,并把它与期望目标加以比较。 注意有关出错的知识,然后加以直接修正。 不修正,不完全确定地让差别保留到最后的可 能时刻。,Robot planning,7.2 积木世界的机器人规划 1.积木世界的机器人问题 (1)积木世界:几个有标记的一样大小的积木。 (2)机器人 动 作:unstack(a,b) stack(a,b) pickup(a) putdown(a) 状态描述:ON(a,b) ONTABLE(a) CLEAR(a) HOLDING(a) HANDEMPTY,Robot planning,7.2 积木世界的机器人规划 1.积木世界的机器人问题 (2)机器人 例:初始状态:CLEAR(B) CLEAR(C) ON(C,A) ONTABLE(A) ONTABLE(B) HANDEMPTY目标状态:ON(B,C)ON(A,B),Robot planning,7.2 积木世界的机器人规划 2.用F规则求解规划序列 (1)先决条件 (2)删除表 (3)添加表 例 move(x,y,z) 先决条件 CLEAR(x),CLEAR(z),ON(x,y) 删除表 ON(x,y),CLEAR(z) 添加表 ON(x,z),CLEAR(y),Robot planning,7.2 积木世界的机器人规划 2.用F规则求解规划序列 表示图4的所有状态空间,Robot planning,7.3 STRIPS规划系统 1.STRIPS系统的组成 (1)世界模型。 为一阶谓词演算公式。 (2)操作符(F规则)。 包括先决条件,删除表,添加表。 (3)操作方法。 应用状态空间表示和中间结局分析。,Robot planning,7.3 STRIPS规划系统 2.STRIPS系统规划过程 例7.1,要求机器人到邻室去取回一个箱子。,Robot planning,7.3 STRIPS规划系统 提供两个操作符: gothru(d,r1,r2) pushthru(b,d,r1,r2) 这个问题的差别表:,Robot planning,7.3 STRIPS规划系统 初始状态 M0:INROOM(ROBOT,R1) INROOM(VOX1,R2) CONNECTS(D1,R1,R2) 目标状态 G0:INROOM(ROBOT,R1) INROOM(BOX1,R1) 采用中间结局分析方法来逐步求解 经 gothru(C1,R1,R2) 中间状态 M1:INROOM(ROBOT,R2) CONNECTS(D1,R1,R2) 经 pushthru 中间状态 M2:M2=G0,Robot planning,7.3 STRIPS规划系统 例7.1的搜索图及与或图,Robot planning,7.3 STRIPS规划系统 3.含有多重解答的规划 例7.2,要求机器人将不同区域的三个箱子移到同一区域内。,Robot planning,7.3 STRIPS规划系统 3.含有多重解答的规划 操作符: push(k,m,n) goto(m,n) 初始模型 M0:ATR(a),AT(BOX1,b), AT(BOX2,c),AT(BOX3,d) 目标模型 G0:(BOX1,x)(BOX2,x) (BOX3,x),Robot planning,7.3 STRIPS规划系统 采用消解反演和中间结局分析。 解1:goto(a,c),push(BOX2,c,b),goto(b,d), push(BOX3,d,b),Robot planning,7.3 STRIPS规划系统 3.含有多重解答的规划 解2:goto(a,b),push(BOX1,b,c),goto(c,d), push(BOX3,d,c) 解3:goto(a,b),push(BOX1,b,d),goto(d,c), push(BOX2,c,d),Robot planning,7.4 具有学习能力的规划系统 PULP系统 普渡大学,19761979,S.Tangwongsan &傅京孙 一种管理式(监督式)学习系统。 优点: 输入的目标语句表示为英语语句。 应用辅助物体改善了系统对物体的操作能力。,Robot planning,7.4 具有学习能力的规划系统 1.PULP系统的结构与操作方式 字典:英语词汇的集合。 模型:部分包括模型世界内 物体现有状态的事实。 过程:集中了预先准备好的 知识。 方块:集中了LISP程序。 SENEF程序:用语义网络来 表示知识。 操作如图。,Robot planning,7.4 具有学习能力的规划系统 2.PULP的世界模型和规划结果。 一个具体任务下的世界模型。,Robot planning,7.4 具有学习能力的规划系统 2.PULP的世界模型和规划结果。 对STRIPS,ABSTRIPS和PULP三个系统的规划速度进行比较。,Robot planning,7.5 基于专家系统的机器人规划 1.系统结构和规划机理 采用基于规则的专家系统。 (1)系统结构和规划机理 。 五部分 知识库。 控制策略。 推理机。 知识获取。 解释与说明。 一定的工具:支援软件和硬件。,Robot planning,7.5 基于专家系统的机器人规划 1.系统结构和规划机理 (2)任务级机器人规划三要素 建立模型。 对物体和机器人的几何,运动,物理描述。 任务说明。 说明各物体所期望的空间关系。 程序综合。,Robot planning,7.5 基于专家系统的机器人规划 2.ROPES机器人规划系统。 Robot Planning Expert Systems (1)系统简化框图。,Robot planning,7.5 基于专家系统的机器人规划 2.ROPES机器人规划系统。 (2)世界模型,Robot planning,7.5 基于专家系统的机器人规划 2.ROPES机器人规划系统。 (3)规划与执行结果 共使用15条规则。 规则14: 表示机器人用小车把重型零件(object)从 某工段area Rb的位置(Xb,Yb)推移(push)到其目 的位置(Xg,Yg)工段的位置所应具备的条件和必 须遵循的操作。,Robot planning,7.5 基于专家系统的机器人规划 2.ROPES机器人规划系统。 (3)规划与执行结果 例,物体在第1工段,运送至第4工段第8工作台。 应具备的条件:4条已知零件位置。 at(Object,Rb,(Xb,Yb)已知目标工段。 at4(Goal,Rg,(Xg,Yg)零件两位置关系。 diff(Rb,R4), diff(R4,Rb), diff(Rg,R1), diff(R1,Rb), diff(Rb,Rg), diff(R4,R1), (connects(D2,R1,Rb); connects(D1,Rb,R1),Robot planning,7.5 基于专家系统的机器人规划 2.ROPES机器人规划系统。 (3)规划与执行结果 例,接上(connects(D2,Rg,R1); connects(D2,R1,Rg),(connects(D3,Rb,R4); connects(D3,R4,Rb),(connects(D3,R4,Rg); connects(D3,Rg,R4),(neighbors(Rb,R4); neighbors(Rg,R4)已知推零件过程中所经过的两个门道的位置。at6(D1,Rb,(X2,Y2), at6(D1,R1,(X3,Y3),at6(D2,R1,(X4,Y4), at6(D2,Rg,(X5,Y5),Robot planning,7.5 基于专家系统的机器人规划 2.ROPES机器人规划系统。 (3)规划与执行结果 动作序列 push(Rb,(Xb,Yb),(Rb,(X2,Y2), pushthru(D1,(Rb,(X2,Y2),(R1,(X3,Y3), push(R1,(X3,Y3),(R1,(X4,Y4), pushthru(D2,(R1,(X4,Y4),(Rg,(X5,Y5), push(Rg,(X5,Y5),(Rg,(Xg,Yg), transfer(Object,cart1,Goal),Robot planning,7.5 基于专家系统的机器人规划 2.ROPES机器人规划系统。 (3)规划与执行结果 一个具体任务: 处在工段3的机器人把工段2的重型零件part10搬 移至工段5的工作台5上。 用户输入数据: area3,a,b, area6,_,_, area2,0,2, area5,4.5,1, part10,table5.,Robot planning,7.5 基于专家系统的机器人规划 2.ROPES机器人规划系统。 (3)规划与执行结果 一个具体任务: 作业任务的图解。,Robot planning,7.5 基于专家系统的机器人规划 2.ROPES机器人规划系统。 (3)规划与执行结果 本系统最大可能解为8个。 例:原处于工段1的机器人, 使用工段6的小车把工段1内的一 个重型零件送至工段6的某处。,Robot planning,7.5 基于专家系统的机器人规划 2.ROPES机器人规划系统。 (4)比较 表7.2比较4个系统的复杂性,Robot planning,7.5 基于专家系统的机器人规划 2.ROPES机器人规划系统。 (4)比较 比较4个系统的规划速度。,Robot planning,7.5 基于专家系统的机器人规划 2.ROPES机器人规划系统。 (4)比较 表7.3仔细地比较了PULP1和ROPES的规划速度,Robot planning,7.5 基于专家系统的机器人规划 2.ROPES机器人规划系统。 (5)结论与讨论 更好的规划性能和更快的规划速度。 可输出某任务的所有解。 将概率,可信度,模糊理论运用于不确定任务。 C-PROLOG语言简单,有效。 操作符数目增大时,规划时间增加得很少。,Robot planning,7.6 太空构件装配顺序分层规划系统 1.太空构件装配及其分层顺序规划(1)拆开顺序规划器的可行性准则 a, 几何可行性的定义: 任何支梁如果在下一个执行装配操作点,机器人 臂和末端装置可达的,则称为支梁几何可行性。 凸形外壳的定义: 如果一组顶点处在所建立的三维容积空间的端点 上,那么这组顶点就是顶点集合的凸形外壳。,7.6 太空构件装配顺序分层规划系统 1.太空构件装配及其分层顺序规划(1)拆开顺序规划器的可行性准则 几何可行性的一般定义: 3D(N,S),CH(N) N :结点数 S :支梁数 3D:结点和支梁组成的三维空间 CH:结点的凸形外壳 检验所有处于凸形外壳上的支梁,并放入活动表(active list)A-。 ,具有 : 结束。,Robot planning,Robot planning,7.6 太空构件装配顺序分层规划系统 1.太空构件装配及其分层顺序规划(1)拆开顺序规划器的可行性准则 b, 结构可行性的定义: 如果移动一个支梁导致最大稳定和刚性结构,则 该支梁具有满足结构可行性条件的特性。 三维空间结构的两个层次: 支梁和结点相互连接,形成完整的上层结构。 形成互连刚性子结构的支梁和结点集合,建立完整结构。,Robot planning,7.6 太空构件装配顺序分层规划系统 1.太空构件装配及其分层顺序规划(1)拆开顺序规划器的可行性准则 C,连接关系,稳定性和可行性准则 结构容积单元(SVE):Structural Volume Element 是支梁和结点的集合,它们以规定的方法互连,形成结构上刚性和稳定的状态。,Robot planning,7.6 太空构件装配顺序分层规划系统 1.太空构件装配及其分层顺序规划 (1)拆开顺序规划器的可行性准则 非结构容积单元(NSVE): 是不形成结构单元的支梁和结点的任务集合。,Robot planning,7.6 太空构件装配顺序分层规划系统 1.太空构件装配及其分层顺序规划 (1)拆开顺序规划器的可行性准则 SVE和NSEV结构提供了空间构件装配的分层表示。 SVE的3种互连关系: 点连接 0(1)阶 线连接 0(2)阶 面连接,Robot planning,7.6 太空构件装配顺序分层规划系统 1.太空构件装配及其分层顺序规划 (2)规划规则的表示与搜索 状态和规划表示 分层表示。 底层部分包括支梁和结点。 高层部分包括SVE和NSEV。 由上述两部分组成的关系图表示三维装配约束。,Robot planning,7.6 太空构件装配顺序分层规划系统 1.太空构件装配及其分层顺序规划 (2)规划规则的表示与搜索 分层搜索策略 搜索空间限制在可能导致可行解的范围内。 分层方法由两层拆装组成。 第一层应用SVE约束决定SVE单元的顺序。 SVE被定序后,就开始第二层拆装规划。 由保证子目标最优解,从而保证全局最优。,Robot planning,7.6 太空构件装配顺序分层规划系统 1.太空构件装配及其分层顺序规划 (2)规划规则的表示与搜索 第一层 SVE级算法: 开始。 SVE 确定3D空间的所有SVE单元。 SVEvalid 确定所有有效的SVE单元。 SVEminface 确定含有最少面数的SVE单元。 如果SVEminface=1 SVEnext SVEminface,否则SVEease 确定从SVEminface拆装的最容易SVE单元。 SVEnext SVEease 3D REMOVE(SVEease) DISASSEMBLEsve(3D),Robot planning,7.6 太空构件装配顺序分层规划系统 1.太空构件装配及其分层顺序规划 (2)规划规则的表示与搜索 第一层 SVE级 确定顺序之准则: 移动应当影响最少的面连接数。 移动必须是最容易的。 中间不稳定态尽可能少。 移动必须是有效的。 前后两个SVE必须相连。,Robot planning,7.6 太空构件装配顺序分层规划系统 1.太空构件装配及其分层顺序规划 (2)规划规则的表示与搜索 第二层 支梁级 : 选择具有最小总代价的有效支梁。 确定几何可行的支梁。 运用启发代价函数。 例:图7.26 四面体 6,5,4,3,2,1 五面体 7,3,2,1,6,4,8,5,Robot planning,7.6 太空构件装配顺序分层规划系统 2.三维结构装配顺序规划示例 例7.3 3D(10,24),7个SVE单元,3个五面体。 步骤: 13,(7,19,18) (24,12,17),(11,23,16) (22,10,15),(20,8,14,9),Robot planning,7.6 太空构件装配顺序分层规划系统 2.三维结构装配顺序规划示例 例7.4 3D(31,102),Robot planning,7.7 机器人轨迹规划 轨 迹 :机械手的位移,速度和加速度。 轨迹规划 :由任务要求,计算出预算的运动轨迹。 轨迹规划器:简化了编程手续。 1.轨迹规划应考虑的问题 机器人规划方式的分类,Robot planning,7.7 机器人轨迹规划 1.轨迹规划应考虑的问题 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。,Robot planning,7.7 机器人轨迹规划 2.关节轨迹的插值计算 (1)三次多项式插值 四个约束条件: 由上确定了一个三次多项式:,Robot planning,7.7 机器人轨迹规划 2.关节轨迹的插值计算 (1)三次多项式插值 关节速度和加速度: 关于四个系数的线性方程:,Robot planning,7.7 机器人轨迹规划 2.关节轨迹的插值计算 (1)三次多项式插值 解得四个系数的表达式:,Robot planning,7.7 机器人轨迹规划 2.关节轨迹的插值计算 (2)过路径点的三次多项式插值 将速度约束条件(7.2)变为: 重新求得三项式的系数:,Robot planning,7.7 机器人轨迹规划 2.关节轨迹的插值计算 (2)过路径点的三次多项式插值 确定路径点上关节速度的三种方法: 根据工具坐标在直角坐标空间中的瞬时线速度、 和角速度来确定。 采用适当的启发式方法,有控制系统自动地选 择。 要保证每个路径点上的加速度连续。,Robot planning,7.7 机器人轨迹规划 2.关节轨迹的插值计算 (3)高阶多项式插值 五次多项式: 6个约束条件:,Robot planning,7.7 机器人轨迹规划 2.关节轨迹的插值计算 (3)高阶多项式插值 其解为:,Robot planning,7.7 机器人轨迹规划 2.关节轨迹的插值计算 (4)用抛物线过渡的线性插值 将线性函数与两段抛物线函数平滑地衔接在一 起
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