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机器人原理及控制技术 9.3M PPT版,机器人,原理,控制,节制,技术,ppt
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机器人原理及控制技术Principle and Control Techniques of Robot Manipulators,华中科技大学控制科学与工程系,黄心汉,2018年7月10日,智能与控制工程研究所,2,章节安排,第一章 绪论 第二章 齐次变换第三章 运动学方程 第四章 逆运动学方程第五章 微分变换 第六章 动力学第七章 控制 第八章 运动轨迹第九章 静态力 第十章 力控与顺应控制,2018年7月10日,智能与控制工程研究所,3,第一章 绪论Chapter Introduction,1.1 机器人名称的由来 1.2 机器人的发展历史1.3 机器人的定义和分类 1.4 机器人的结构与控制方式1.5 操纵机器人 1.6 智能机器人1.7 机器人的应用 1.8 未来机器人的发展方向1.9 我国机器人研究的简况,2018年7月10日,智能与控制工程研究所,4,1.1 机器人名称的由来 ( About “Robot” ),机器人的英文名词是Robot，Robot一词最早出现在1920年捷克作家卡雷尔卡佩克（Karel Capek）所写的一个剧本中，这个剧本的名字为 Rossums Universal Robots ，中文意思是“罗萨姆的万能机器人”。 剧中的人造劳动者取名为Robota，捷克语的意思是“苦力”、“奴隶”。英语的Robot一词就是由此而来的，以后世界各国都用Robot作为机器人的代名词。,2018年7月10日,智能与控制工程研究所,5,1.2 机器人的发展历史 ( The Developing History of Robots ),古代“机器人”现代机器人的雏形 人类对机器人的幻想与追求已有3000多年的历史西周时期，我国的能工巧匠偃师研制出的歌舞艺人，是我国最早记载的机器人。春秋后期，据墨经记载，鲁班曾制造过一只木鸟，能在空中飞行“三日不下” 。公元前2世纪，古希腊人发明了最原始的机器人太罗斯，它是以水、空气和蒸汽压力为动力的会动的青铜雕像，它可以自己开门，还可以借助蒸汽唱歌。1800年前的汉代，大科学家张衡不仅发明了地动仪，而且发明了计里鼓车，计里鼓车每行一里，车上木人击鼓一下，每行十里击钟一下。,2018年7月10日,智能与控制工程研究所,6,后汉三国时期，蜀国丞相诸葛亮成功地创造出了“木牛流马”，并用其在崎岖山路中运送军粮，支援前方战争。1662年，日本的竹田近江利用钟表技术发明了自动机器玩偶，并在大阪的道顿堀演出。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。1773年，著名的瑞士钟表匠杰克道罗斯和他的儿子利路易道罗斯制造出自动书写玩偶、自动演奏玩偶等，他们创造的自动玩偶是利用齿轮和发条原理而制成的，它们有的拿着画笔和颜色绘画，有的拿着鹅毛蘸墨水写字，结构巧妙，服装华丽，在欧洲风靡一时。1927年，美国西屋公司工程师温兹利制造了第一个机器人“电报箱”，并在纽约举行的世界博览会上展出，它是一个电动机器人，装有无线电发报机，可以回答一些问题，但该机器人不能走动。,2018年7月10日,智能与控制工程研究所,7,现代机器人的发展历史二战期间（1938-1945）由于核工业和军事工业的发展，研制了 “遥控操纵器”（Teleoperator） 主要用于放射性材料的生产和处理过程。1947年，对这种较简单的机械装置进行了改进，采用电动伺服方式，使其从动部分能跟随主动部分运动，称为主从机械手（Master-Slave Manipulator）。1949-1953 美国麻省理工学院开始研制数控铣床随着先进飞机制造的需要，美国麻省理工学院辐射实验室（MIT Radiation Laboratory）开始研制数控铣床。1953年研制成功能按照模型轨迹做切削动作的多轴数控铣床。1954年 “可编程”“示教再现”机器人 美国人George C. Devol设计制作了世界上第一台机器人实验装置，并发表了题为适用于重复作业的通用性工业机器人的文章。,2018年7月10日,智能与控制工程研究所,8,60年代 机器人产品正式问世，机器人技术开始形成1960年美国“联合控制公司”（Consolidated Control）根据Devol的专利技术，研制出第一台真正意义上的工业机器人，并成立了Unimation公司，开始定型生产名为Unimate的工业机器人。两年后，美国“机床与铸造公司”（AMF）也生产了另一种可编程工业机器人Versatran。70年代 机器人技术发展成为专门学科机器人产业得到蓬勃发展，机器人技术发展成为专门学科，称之为机器人学（Robotics）。机器人的应用领域进一步扩大，不同的应用场所，导致了各种坐标系统、各种结构的机器人相继出现，大规模集成电路和计算机技术飞跃发展使机器人的控制性能大大提高，成本不断下降。,2018年7月10日,智能与控制工程研究所,9,80年代 开始进入智能机器人研究阶段80年代，不同结构、不同控制方法和不同用途的工业机器人在工业发达国家真正进入了实用化的普及阶段。随着传感技术和智能技术的发展，开始进入智能机器人研究阶段。机器人视觉、触觉、力觉、接近觉等项研究和应用，大大提高了机器人的适应能力，扩大了机器人的应用范围，促进了机器人的智能化进程。经历了40多年的发展，机器人技术逐步形成了一门新的综合性学科 机器人学（Robotics）它包括有基础研究和应用研究两个方面主要研究内容有：(1) 机械手设计；(2) 机器人运动学、动力学和控制；(3) 轨迹设计和路径规划；(4) 传感器(包括内部传感器和外部传感器)；(5) 机器人视觉；(6) 机器人语言；(7) 装置与系统结构；(8) 机器人智能等。,2018年7月10日,智能与控制工程研究所,10,1.3 机器人的定义和分类 （Definition and Classifying for Robots）,1.3.1 机器人的定义 ( Definition of Robots ) 机器人问世已有几十年，机器人的定义仍然仁者见仁，智者见智，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。同时由于机器人涉及到了人的概念，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，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，才给了人们充分的想象和创造空间。 随着机器人技术的飞速发展和信息时代的到来,机器人所涵盖的内容越来越丰富，机器人的定义也不断充实和创新。下面给出一些有代表性的定义。,2018年7月10日,智能与控制工程研究所,11,国际和国外相关组织的定义,国际标准化组织（ISO）的定义：机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能机械手，这种机械手具有几个轴，能够借助可编程序操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行种种任务。美国国家标准局（NBS）的定义：机器人是一种能够进行编程并在自动控制下执行某些操作和移动作业任务的机械装置。美国机器人协会（RIA）的定义：机器人是一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置的，通过可编程序动作来执行种种任务的，并具有编程能力的多功能机械手。日本工业机器人协会（JIRA）的定义：工业机器人是一种装备有记忆装置和末端执行器的，能够转动并通过自动完成各种移动来代替人类劳动的通用机器。,2018年7月10日,智能与控制工程研究所,12,有关学者的定义,在1967年日本召开的第一届机器人学术会议上提出了两个有代表性的定义。森政弘与合田周平提出的定义：“机器人是一种具有移动性、个体性、智能性、通用性、半机械半人性、自动性、奴隶性等7个特征的柔性机器”。从这一定义出发，森政弘又提出了用自动性、智能性、个体性、半机械半人性、作业性、通用性、信息性、柔性、有限性、移动性等10个特性来表示机器人的形象。日本早稻田大学加藤一朗（日本机器人之父） 教授认为：机器人是由能工作的手，能行动的脚和有意识的头脑组成的个体，同时具有非接触传感器（相当于耳、目）、接触传感器（相当于皮肤）、固有感及平衡感等感觉器官的能力。,2018年7月10日,智能与控制工程研究所,13,也有一些组织和学者针对不同形式的机器人分别给出具体的解释和定义，而机器人则只作为一种总称。例如，日本工业机器人协会（JIRA）列举了6种型式的机器人：(1) 手动操纵器：人操纵的机械手，缺乏独立性；(2) 固定程序机器人：缺乏通用性；(3) 可编程机器人：非伺服控制；(4) 示教再现机器人：通用工业机器人；(5) 数控机器人：由计算机控制的机器人；(6) 智能机器人：具有智能行为的自律型机器人。,2018年7月10日,智能与控制工程研究所,14,综合诸家的解释，概括各种机器人的性能，我们认为可以按以下特征来描述机器人：1. 机器人的动作机构具有类似于人或其他生物体某些器官 ( 如 肢体、感官等 ) 的功能；2. 机器人具有通用性，工作种类多样，动作程序灵活易变，是柔性加工主要组成部分；3. 机器人具有不同程度的智能，如记忆、感知、推理、决策、学习等；4. 机器人具有独立性，完整的机器人系统，在工作中可以不依赖于人的干预。,2018年7月10日,智能与控制工程研究所,15,1.3.2 机器人的分类 ( Classifying of Robots )按照从低级高级的发展程度可分为三类机器人第一代机器人（First Generation Robots）：即可编程、示教再现工业机器人机器人，已进入商品化、实用化。第二代机器人（Second Generation Robots）：装备有一定的传感装置，能获取作业环境、操作对象的简单信息，通过计算机处理、分析，能作出简单的推理，对动作进行反馈的机器人，通常称为低级智能机器人，由于信息处理系统的庞大与昂贵，第二代机器人目前只有少数可投入应用。第三代机器人（Third Generation Robots）：具有高度适应性的自治机器人。它具有多种感知功能，可进行复杂的逻辑思维、判断决策，在作业环境中独立行动。第三代机器人又称作高级智能机器人，它与第五代计算机关系密切，目前还处于研究阶段。,2018年7月10日,智能与控制工程研究所,16,按照结构形态，负载能力和动作空间划分可分为超大型机器人：负载能力 1000 kg 以上大型机器人：100-1000 kg / 10 m2 以上中型机器人：10-100 kg / 1 10 m2小型机器人：0.1-10 kg / 0.1-1 m2超小型机器人：0.1 kg 以下 / 0.1 m2 以下,2018年7月10日,智能与控制工程研究所,17,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。特种机器人和微型机器人是目前机器人发展的一个重要方向特种机器人（Special Robots）：如航天飞机上的机械手在失重状态下的工作，海洋探测机器人、军用机器人、防核防化机器人、爬壁机器人、微小物体操作机器人等。微型机器人（Micro-robots）：体积小，如管道机器人、血管疏通机器人。微动机器人（ Micro-movement robots ）：动作小、精度高，如细胞切割机器人、微操作和微装配机器人等。,2018年7月10日,智能与控制工程研究所,18,1.4 机器人的结构与控制方式 ( Structure and Control of Robots ),1.4.1 机器人的结构 ( The Structure of Robot )简单地说，机器人主要由执行机构、驱动和传动装置、传感器和控制器四大部分构成（如图）。,2018年7月10日,智能与控制工程研究所,19,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。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、电动和汽动，有直接驱动和间接驱动二种方式。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。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。 现代工业机器人的控制器都是由计算机控制系统组成，控制方式主要有示教再现、可编程控制、遥控和自主控制等多种方式。,2018年7月10日,智能与控制工程研究所,20,日本三菱公司产MOVEMASTER-EX 五自由度机器人, 实验室中的MOVEMASTER-EX机器人实物照片, MOVEMASTER-EX 五自由度机器人结构图,2018年7月10日,智能与控制工程研究所,21,美国UNIMATE公司产PUMA/560型六自由度机器人, PUMA/560机器人（照片）, PUMA/560六自由度机器人结构,2018年7月10日,智能与控制工程研究所,22,1.4.2 机器人的工作原理（The Principle of Robot） 机器人的工作原理是一个比较复杂的问题。简单地说，机器人的原理就是模仿人的各种肢体动作、思维方式和控制决策能力。从控制的角度，机器人可以通过如下四种方式来达到这一目标。 “示教再现”方式：它通过“示教盒”或人“手把手”两种方式教机械手如何动作，控制器将示教过程记忆下来，然后机器人就按照记忆周而复始地重复示教动作，如喷涂机器人。,2018年7月10日,智能与控制工程研究所,23,“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。“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。如防暴排险机器人、军用机器人、在有核辐射和化学污染环境工作的机器人等。“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。,2018年7月10日,智能与控制工程研究所,24,1.4.3 控制 ( Control ) 示教再现 即分为示教存储再现-操作四步进行。示教：方式有两种：(1) 直接示教手把手；(2) 间接示教示教盒控制。存储：保存示教信息。再现：根据需要，读出存储的示教信息向机器人发出重复动作的命令。,2018年7月10日,智能与控制工程研究所,25,控制信息顺序信息：各种动作单元（包括机械手和外围设备）按动作先后顺序的设定、检测等。位置信息：作业之间各点的坐标值，包括手爪在该点上的姿态，通常总称为位姿（POSE）。时间信息：各顺序动作所需时间，即机器人完成各个动作的速度。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。,2018年7月10日,智能与控制工程研究所,26,1.5 操纵机器人 ( Operating Robots ),操纵机器人实际上是一种人机系统，由人操纵代替示教。因此，人与机器人之间相互传递信息的问题就成为操纵机器人研究的重点。操纵机器人可分为两种类型：能力扩大式机器人：负重能力，动作范围放大数倍甚至数十倍，如空间机器人放置和回收卫星；遥控机器人：适用于特殊作业环境，如放射性物质，真空，有毒气体等隔离工作环境。又如高空、建筑、宇宙、海洋开发、火山探测、军事战场等人不能到达的环境。,2018年7月10日,智能与控制工程研究所,27,主从式机器人与人协同动作,2018年7月10日,智能与控制工程研究所,28,1.6 智能机器人 ( Intelligent Robots ),第三代智能机器人应具备以下四种机能：运动机能 ：施加于外部环境，相当于人的手、脚等动作机能；感知机能：获取外部环境信息的能力，如视觉、触觉、听觉、力觉、距离感、接近觉等；思维能力：认识、推理、判断能力；人机对话机能：理解指示命令，输出内部状态，与人进行信息交换的能力。 智能机器人既不同于工业机器人的“示教再现”，也不同于操纵机器人的“操纵”，而是一种“认知适应的工作方式。,2018年7月10日,智能与控制工程研究所,29,1.7 机器人的应用（The Applications of Robots）,机器人的应用十分广泛，在许多领域机器人都得到了成功的应用或有着美好的应用前景。工业机器人 工业机器人是应用最为成功和广泛的机器人，它的应用涉及到工业生产的各个方面，如焊接、装配、喷漆等。海洋探测机器人 可用于海底矿物资源和水文气象探测、海底地势勘查、打捞、救生、排险等。空间机器人 在航天飞机上用来回收和维修人造卫星，在空间站、月球表面和火星上进行工作。军用机器人 有扫雷排雷机器人、侦察机器人、防核防化机器人等。,2018年7月10日,智能与控制工程研究所,30,特种机器人 替代人在繁重、危险、恶劣环境下作业必不可少的工具，如消防（灭火）机器人、防暴机器人、盾构机器人等。微型机器人 进入煤气、输油管道等狭窄场所进行工作，甚至进入人体的血管、肠胃。微操作机器人 是机器人领域的一个重要研究方向，在国防、空间技术、生物医学工程、智能制造和微机电系统（MEMS）中有广泛的应用前景。娱乐机器人 充当导游、做表演、甚至与人进行简单交流，如导游机器人、足球机器人、机器狗、机器猫、机器鱼等。服务机器人 已经开始或在不久的将来进入人类家庭生活，如保健机器人，导盲机器人、垃圾清扫和擦玻璃机器人等。,2018年7月10日,智能与控制工程研究所,31,工业机器人,汽车装配机器人,2018年7月10日,智能与控制工程研究所,32,汽车装配机器人,2018年7月10日,智能与控制工程研究所,33,一汽红旗轿车机器人焊接线,2018年7月10日,智能与控制工程研究所,34,弧焊机器人,2018年7月10日,智能与控制工程研究所,35,点焊机器人,铆接机器人,2018年7月10日,智能与控制工程研究所,36,海洋探测机器人,1990年日本海洋科技中心 研制的“海沟号”缆控式无人潜水器（左）及其在大海中工作时的情况（右）,2018年7月10日,智能与控制工程研究所,37,CR-01型6000米水下无缆机器人,1995年8月我国沈阳自动化所机器人中心研制的CR-01型6000米水下无缆机器人（上）和正在下水的情况（右）,2018年7月10日,智能与控制工程研究所,38,空间机器人,美国航空航天局（NASA）研究的月球车在月球表面时的情形,2018年7月10日,智能与控制工程研究所,39,美国航空航天局（NASA）研究的 “索杰纳”火星车,2018年7月10日,智能与控制工程研究所,40,1997年7月4日17时07分，美国航空航天局（NASA）发射的火星探路者号宇宙飞船成功地在火星（Mars）表面着陆，“索杰纳”火星车在火星上成功地工作了250天。2003年6月先后升空的美国“勇气”（Spirit）号和“机遇”（Opportunity）号火星车经过1.2亿公里和半年多的长途飞行，分别于2004年1月3日和24日先后登陆火星，向地球传来大量清晰的火星图片。,2018年7月10日,智能与控制工程研究所,41,日本研究的火星探测机器人,2018年7月10日,智能与控制工程研究所,42,军用机器人,英国研制的履带式“手推车” （上图）、 “土拨鼠”（右图右）和“野牛”（右图左）排爆机器人在波黑及科索沃战争中用来探测及处理爆炸物,机器警察,2018年7月10日,智能与控制工程研究所,43,德国的排爆机器人,我国沈阳自动化所研制的排爆机器人,2018年7月10日,智能与控制工程研究所,44,工兵机器人,美国将M60坦克的炮塔去掉后改装的豹式扫雷车,2018年7月10日,智能与控制工程研究所,45,德国研制的Minebreaker 2000机器人扫雷车,2018年7月10日,智能与控制工程研究所,46,保安机器人,美国研制的MDARS-E型室外保安机器人,MPR-800多用途机器人，可用于扫雷、灭火、核生化污染清除等多项危险工作,2018年7月10日,智能与控制工程研究所,47,侦察机器人,美国研制的“徘徊者”侦察机器人由M113装甲运输车改装而成,美国国防高级研究计划局正在研制的只有2.54厘米大小昆虫机器人,2018年7月10日,智能与控制工程研究所,48,水下扫雷机器人,2018年7月10日,智能与控制工程研究所,49,瑞典博福斯公司研制的“双鹰”水下扫雷机器人,2018年7月10日,智能与控制工程研究所,50,美国罗克威尔公司及IS机器人公司研制的一种名叫“水下自主行走装置”（ALUV）的水下扫雷机器蟹,2018年7月10日,智能与控制工程研究所,51,无人机,“暗星”无人机,“别动队”无人机,法国“红隼”无人机,高空无人侦察机,2018年7月10日,智能与控制工程研究所,52,鬼怪式无人机,发射Brevel无人机,只有15厘米的微型无人机,2018年7月10日,智能与控制工程研究所,53,特种机器人,复合式直径6.14米盾构掘进机,隧道凿岩机器人,2018年7月10日,智能与控制工程研究所,54,自动无轨堆垛机,机器人化装载机,自动摊铺机,2018年7月10日,智能与控制工程研究所,55,移动机器人,法国国家科学研究中心和系统分析与结构实验室共同研制的HILARE 2型移动机械手,2018年7月10日,智能与控制工程研究所,56,法国蒙特皮里亚（Montpellier）微电子与机器人实验室研制的 LIRMM移动机器人,2018年7月10日,智能与控制工程研究所,57,微型机器人,工业管道机器人移动探测系统,SMA六足微型机器人 外观如同一只小甲虫，外形尺寸为253030mm3，重20克，步行速度18mm/分，有12个自由度，SMA（形状记忆合金）作为驱动源。微小型机器人将来可能在细小管道检测及医疗方面发挥作用。,2018年7月10日,智能与控制工程研究所,58,微型飞行器：被认为是未来战场上的重要侦察和攻击武器，能以可接受的成本执行某一有价值的任务。这种飞行器必须能够传输实时图像或执行其它功能，有足够小的尺寸（小于20厘米）、足够的巡航范围（如不小于5公里）和飞行时间（不小于15分钟）。,微型战术无人机：可用于战争危险估计、目标搜索、通信中继，监测化学、核或生物武器，侦察建筑物内部情况。可适用于城市、丛林等多种战争环境。因为其便于携带，操作简单，安全性好的优点，可以在部队中大量装备。,2018年7月10日,智能与控制工程研究所,59,微操作机器人系统,华中科技大学控制系智能与控制工程研究所研制的HUST-MR801型双手协调微操作机器人实验系统,2018年7月10日,智能与控制工程研究所,60,娱乐机器人,机器人足球赛,2018年7月10日,智能与控制工程研究所,61,机器人相扑大赛,相扑机器人,2018年7月10日,智能与控制工程研究所,62,机器狗与机器昆虫,2018年7月10日,智能与控制工程研究所,63,小提琴机器人和吹笛机器人,吹笛机器人,小提琴机器人,2018年7月10日,智能与控制工程研究所,64,机器人乐队,2018年7月10日,智能与控制工程研究所,65,舞蹈机器人和机器龟,机器人舞蹈,机器龟走迷宫,2018年7月10日,智能与控制工程研究所,66,服务机器人,脑外科机器人辅助系统,护士助手机器人,2018年7月10日,智能与控制工程研究所,67,遥控操作手术（格林系统）,2018年7月10日,智能与控制工程研究所,68,导盲机器人和智能轮椅,智能轮椅,导盲机器人,2018年7月10日,智能与控制工程研究所,69,爬缆索机器人和清洗巨人,爬缆索机器人: 在高空缆索上自动完成检查、打磨、清洗、去静电、底涂和面涂及一系列的维护工作。,清洗巨人：利用两套计算机和一个机器人控制器来控制飞机的清洗 ，不仅减轻了工人的劳动强度，而且大大提高了工作效率。例如，人工清洗一架波音747飞机需要95个工时，而机器人清洗仅需12个工时。,2018年7月10日,智能与控制工程研究所,70,高楼擦窗和壁面清洗机器人,2018年7月10日,智能与控制工程研究所,71,消防机器人和救援机器人,2018年7月10日,智能与控制工程研究所,72,雕刻机器人和汽车加油机器人,加油机器人：汽车驶入加油岛，前轮触发一个概略定位器，给出汽车的概略位置。机器人臂抓起相应的油枪，机器人臂伸出，机器人臂上装有一台微型摄像机，它找到油箱盖，利用一个吸气装置将其打开，然后机器人手爪拧开加油口密封盖，插入加油软管。加完油后，机器人盖上密封盖及油箱盖。与此同时，计算机已为用户结完帐。整个过程只需两、三分钟。,雕刻机器人：电脑雕刻系统集扫描、编辑、排版、雕刻诸功能于一体，是CAD/CAM一体化的典型产品，能方便快捷地在各种材质上雕刻出逼真、精致、耐久的二维图形及三维立体浮雕。,2018年7月10日,智能与控制工程研究所,73,导游机器人和礼仪机器人,2018年7月10日,智能与控制工程研究所,74,农业和林业机器人,摘西红柿机器人,温室中的嫁接机器人,2018年7月10日,智能与控制工程研究所,75,林木球果采集机器人,伐根机器人,2018年7月10日,智能与控制工程研究所,76,仿人形机器人,日本本田公司投入巨资，经过10多年的开发，于1997年研制出了在世界上居领先地位的双足步行机器人P3 ，按研制时间先后，把双足步行机器人分别命名为P1、P2、P3等。P3的高度为160cm，体重130公斤。被称为二哥的机器人P2身高1.80米，体重120公斤，看起来笨头笨脑，但行动起来却很灵活，它们不仅能在平坦的地面上行走，还能够完成上台阶和用扳手拧螺钉等高难动作。,2018年7月10日,智能与控制工程研究所,77,我国研究的仿人型机器人,哈尔滨工业大学双足步行机器人在爬楼梯,国防科技大学研制 “先行者”仿人型机器人,2018年7月10日,智能与控制工程研究所,78,北京航空航天大学研究的多指灵巧手,2018年7月10日,智能与控制工程研究所,79,1.8 未来机器人的发展方向 ( The Future of Robots ),目前的应用情况机器人的诞生是人类高新技术革命的结晶，经过短短四十多年的发展已取得了巨大成功，但是对于人类的理想来说这还仅仅是开始。据有关资料统计，1996年，全世界有机器人68万台，从1996年以来，世界机器人销售量的年增长率为13%，到2000年，全世界的机器人数量已达到130万台（1999年底销售机器人总台数已达到110万台）。,2018年7月10日,智能与控制工程研究所,80,应用领域的进一步扩大 机器人在制造业中的发展是成功的，正逐步涉足非制造业。随着人类改造大自然要求的提高，以及机器人适应特殊环境能力的增强，农业、林业、军事、海洋勘探、太空探索、生物医学工程等行业将是机器人崭露头角的新领域。深入日常生活 在人们的日常生活中，各种服务机器人也将向我们走来，娱乐机器人将给我们的生活增添无限乐趣。清洁机器人将减轻我们繁重的家务。保健机器人可为老人和残疾人提供保健帮助，是人们强烈需求的对象。未来的机器人 未来的机器人将像人一样，能听、能看、能说、能识别环境，具有记忆、推理和决策能力，在某些方面甚至有超过人的能力，如计算、速度、记忆、力量和适应恶劣环境的能力等。人类对机器人将逐渐实现语言、表情甚至意念等方式进行控制，机器人终将成为人类的忠实助手和亲密朋友。,2018年7月10日,智能与控制工程研究所,81,1.9 我国机器人研究的简况 ( Developing of Robots in China ),我国机器人研究始于70年代，并被列入“七五”期间实施的国家“863”高科技发展计划（512主题）。“863”计划的实施大大推动了我国机器人技术的发展，在短短30多年里，中国的机器人技术在世界上已占有一席之地，在制造业中陆续出现一些喷涂、焊接、搬运、装配机器人，但受市场和资金等因素的影响，截止到1998年我国机器人装机数量仅1200台，其中绝大部分是进口的，这与发达国家相比还存在很大差距。,2018年7月10日,智能与控制工程研究所,82,在特种机器人方面，自第一台水下机器人在沈阳自动化所研制成功后，瑞康（RECON）一号、探索者一号相继下水，特别是“CR01”6000米水下机器人，能完成在深水中摄像，进行海底地势勘察和水文测量，自动记录各种数据等工作。另外，我国还在壁面爬行机器人（哈工大、北航）、遥控检查和排险机器人（沈阳自动化所）、自动驾驶机器人（清华大学、国防科技大学）、防核防化军用机器人（国防科技大学）、微操作机器人（华中科技大学、南开大学）的研究方面取得了较大的进展。目前我国机器人的发展正朝着实用化、智能化和特种机器人的方向发展。我们完全有理由相信，随着我国科学技术的飞速发展和知识经济时代的到来，我国机器人的研究水平和应用领域，将进入一个大的发展时期。,2018年7月10日,智能与控制工程研究所,83,主要参考书,Richard P.Paul. Robot Manipultons: Mathematics, Programming and Control. The MIT Press, Cambridge, MA, USA, 1981H.Asada, J-J.E.Slotine. Robot Analysis and Control. A Wiley-Interseience Publication John Wiley and Sons,1986John J.Craig. Introduction to Robotics: Mechanics and Control. Addison-Wesley Publishing Company, 1986K.S.Fu, R.C.Gonsalez, C.S.G.Lee. Robotics: Control, Sensing, Vision and Intelligence. Me Graw-Hill Book Company, 1987蔡自兴，机器人学，清华大学出版社，2000. 9严学高、孟正大，机器人原理，东南大学出版社，1992熊有伦等，机器人学，机械工业出版社，1993徐缤昌、阙志宏等，机器人控制工程，西北工业大学出版社，1992南 M.武科布拉托维奇等（M.Vukobratovic），机器人学的科学原理（中译本）,2018年7月10日,智能与控制工程研究所,84,有关的文献期刊,IEEE Trans. on Automatic Control (AC), Man-Mach. System (MMS), System, Man and Cybernetics (SMC), Robotics Automation (RA)IEEE Automatic Control Magazine The International Journal of Robotics Research ASME Journal on DSMC ( Dynamic Systems, Measurement and Control )Robotic Today机器人 中科院沈阳自动化所（沈阳）自动化学报 中国自动化学会、中科院自动化所（北京）控制理论与应用 华南理工大学（广州）高技术通讯 中科院情报所（北京）,第三章 运动学方程 Chapter Kinematic Equations,3.1 引言 3.8 T6的说明 3.2 姿态描述 3.9 各种A矩阵的说明 3.3 欧拉角 3.10 根据A矩阵来确定T6 3.4 摇摆、俯仰和偏转 3.11 斯坦福机械手的运动方程3.5 位置的确定 3.12 肘机械手的运动方程3.6 圆柱坐标 3.13 小结 3.7 球坐标,3.1 引言 ( Introduction ),本章，我们采用齐次变换来描述在各种坐标系中机械手的位置与方向。首先介绍各种正交坐标系的齐次变换。然后介绍在非正交关节坐标系中描述机械手末端的齐次变换。注意，对任何数目关节的各种机械手均可以这样进行。 描述一个连杆与下一个连杆之间关系的齐次变换称A矩阵。A矩阵是描述连杆坐标系之间的相对平移和旋转的齐次变换。 连续变换的若干A矩阵的积称为T矩阵，对于一个六连杆（六自由度）机械手有 T6 = A1 A2 A3 A4 A5 A6 （3.1） 六连杆的机械手有六个自由度，其中三个自由度用来确定位置，三个自由度用来确定方向。表示机械手在基坐标中的位置与方向。则变换矩阵有下列元素 nx ox ax px ny oy ay py T6 = nz oz az pz （3.2） 0 0 0 1,如图3.1所示，机器人的末端执行器（手爪）的姿态（方向）由 n、o、a 三个旋转矢量描述，其坐标位置由平移矢量 p 描述，这就构成了式（3.2）中的变换矩阵 T。 由于 n、o、a 三个旋转矢量是正交矢量，所以有n = oa,图3.1 末端执行器的描述,3.2 姿态描述 ( Specification of Orientation ),对式（3.2）中16个元素一一赋值就可确定T6。假定机械手可以到达要求的位置，而单位旋转矢量o和a正交，即 oo 1 （3.3） aa 1 （3.4） oa 0 （3.5） a形成单位向量 a a （3.6） | a | 构成与o和a正交的n n oa （3.7） 在o和a形成的平面上旋转o，使得o与n和a正交 o an （3.8） 单位向量o是 o o （3.9） | o | 根据第二章给出的一般性的旋转矩阵ot (k ,)，它把机械手末端的姿态规定为绕k轴旋转角。,3.欧拉角 ( Euler Angles ),姿态变更常用绕x,y或z轴的一系列旋转来确定。欧拉角描述方法是：先绕z轴旋转，然后绕新的y(即y/)轴旋转，最后绕更新的z(z/)轴旋转（见图3.2）欧拉变换Euler(,)可以通过连乘三个旋转矩阵来求得Euler(,) ot(z,)ot(y,)ot(z,) （3.10） 在一系列旋转中，旋转的次序是重要的。应注意，旋转序列如果按相反的顺序进行，则是绕基坐标中的轴旋转：绕z轴旋转 ，接着绕y轴旋转，最后再一次绕z轴旋转 ，结果如图3.3所示，它与图3.2是一致的。,3.4 摇摆、俯仰和偏转 ( Roll, Pitch and Yaw ),摇摆、俯仰和偏转为另一种旋转。如图3.4所示，就像水中航行的一条小船一样，绕着它前进的方向（z轴）旋转 称为摇摆，绕着它的横向中轴（y轴）旋转 称为俯仰，绕着它甲板的垂直向上的方向（x轴）旋转 称为偏转。借助于这种旋转来描述机械手的末端执行器如图3.5所示。规定旋转的次序为 RPY(,)ot(z,)ot(y,)ot(x,) （3.12） 即，绕x轴旋转，接着绕y轴旋转，最后绕z轴旋转 ，这个变换如下 cos 0 sin 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 cos sin 0 RPY(,) = ot(z,) sin 0 cos 0 0 sin cos 0 （3.13） 0 0 0 1 0 0 0 1 cos sin 0 0 cos sinsin sincos 0 sin cos 0 0 0 cos sin 0 RPY(,) = 0 0 1 0 -sin cossin coscos 0 （3.14） 0 0 0 1 0 0 0 1,图3.4 摇摆、俯仰和偏 转角,图3.5 机械手的末端执行器 的摇摆、俯仰和偏 转,RPY(，) =cos cos cos sinsin sin cos cos sincos + sin sin 0sin cos sin sinsin + cos cos sin sincoscos sin 0 -sin cossin coscos 0 0 0 0 1,3.5 位置的确定 ( Specification of Position ),一旦方向被确定之后，用一个相应的p向量的位移变换可得到机器人末端执行器在基坐标中的位置： 1 0 0 px 0 1 0 py T6 = 0 0 1 pz （3.16） 0 0 0 1,旋转变换矩阵,3.6 圆柱坐标 ( Cylindrical Coordinates ),如图3.6所示，在圆柱坐标中确定机械手的位置是沿x轴平移r，接着绕z轴旋转，最后沿着z轴平移z。Cyl(z, ,r) = Trans(0,0,z)Rot(z, ) Trans(r,0,0) cos -sin 0 0 1 0 0 r sin cos 0 0 0 1 0 0Cyl(z, ,r) = Trans(0,0,z) 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 （3.17） 1 0 0 0 cos -sin 0 rcos 0 1 0 0 sin cos 0 rsinCyl(z, ,r) = 0 0 1 z 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 （3.18）,注意：圆柱坐标只能绕 z 轴旋转,cos -sin 0 rcos sin cos 0 rsin Cyl(z,r) = 0 0 1 z （3.19） 0 0 0 1 如用一个绕z轴旋转-的变换矩阵右乘式（3.19）,结果如下 cos -sin 0 rcos cos(-) -sin(-) 0 0 sin cos 0 rsin sin(-) cos(-) 0 0Cyl(z,r) = 0 0 1 z 0 0 0 0 （3.20） 0 0 1 1 0 0 0 1 cos -sin 0 rcos cos sin 0 0 sin cos 0 rsin -sin cos 0 0Cyl(z,r) = 0 0 1 z 0 0 0 0 （3.21） 0 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 r cos 0 1 0 r sin Cyl(z,r) = 0 0 1 z （3.22） 0 0 0 1 上式表明平移矢量未变，旋转矩阵为单位阵，此时末端坐标的姿态未变，而只是改变了它的空间位置。,3.7 球坐标 ( Spherical Coordinates ),如图3.7所示，用球坐标来确定位置向量的方法是：沿着z轴平移，然后绕y轴旋转，最后绕z轴旋转。Sph(,) = Rot(z,) Rot(y,) Trans(0,0,) （3.23） cos 0 sin 0 1 0 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0Sph(,) = Rot(z,) -sin 0 cos 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 （3.24）,cos -sin 0 0 cos 0 sin rsin sin cos 0 0 0 1 0 0 Sph(,) = 0 0 1 0 -sin 0 cos rcos （3.25） 0 0 0 1 0 0 0 1 coscos -sin cossin cossin sincos cos sinsin sinsin Sph(,) = -sin 0 cos cos （3.26） 0 0 0 1 同样，如果不希望改变末端坐标的姿态，而只是改变其空间位置，我们可以用Rot(y,-)和Rot(z, -)右乘式（3.26） Sph(,) = Rot(z,)Rot(y,)Trans(0,0,) Rot(y,-) Rot(z,-) （3.27） 1 0 0 cossin 0 1 0 sinsin Sph(,) = 0 0 1 cos （3.28） 0 0 0 1,3.7 T6的确定 ( Specification of T6 ),T6可以用旋转和平移的方法来确定。 T6 =平移旋转 （3.29） 表3.1 各种平移与旋转的表达式 Translation Eqn Rotation Eqn px, py ,pz ox o y oz ax a y a z Rot(k,) 2.32 Cyl( z, , r ) 3.22 Euler(,) 3.11 Sph(,) 3.26 RPY(,) 3.12 我们已经研究过的各种平移与旋转的式子，总结在表3.1中。如果我们使用Cyl和Sph的非旋转的形式，那么矩阵积（3.29）仅仅是一个平移变换。,3.9 各种A矩阵的确定 ( Specification of matrices A ),现在考虑方程(3.1)右边各A矩阵的确定。串联杆型机械手是由一系列通过连杆与其活动关节连接在一起所组成 。 如图3.8所示，任何一个连杆都可以用两个量来描述：一个是公共垂线距离an，另一个是与an垂直的平面上两个轴的夹角n，习惯上称an为连杆长度，n称为连杆的扭转角。,图3.8 连杆的长度与扭转角,如图3.9所示，在每个关节轴上有两个连杆与之相连，即关节轴有两个公垂线与之垂直，每一个连杆一个。两个相连的连杆的相对位置用dn和n确定， dn是沿着n关节轴两个垂线的距离， n是在垂直这个关节轴的平面上两个被测垂线之间的夹角， dn和n分别称作连杆之间的距离及夹角。,为了描述连杆之间的关系，我们对每个连杆赋一个坐标系。 转动关节：关节变量为n。连杆n的坐标原点设在关节n和关节n+1轴之间的公共垂线与关节n+1轴的交点上。在关节轴相交的情况下（无公垂线），这个原点就在两个关节轴的相交点上（an0）。如果两个关节轴平行（有无数条公垂线），则原点的选择要使下一个连杆的关节距离为0（dn0），连杆n的z轴与n+1关节轴在一条直线上。x轴与任何存在的公共垂线成一条直线，并且沿着这条垂线从n关节指向n+1关节。在相交关节的情况下，x轴的方向平行或者逆平行zn-1zn的向量叉积，应该注意，这个条件对于沿着关节n和n+1之间垂线的x轴同样满足。当xn-1和xn平行，且有相同的指向时，则对于第n个转动关节n0。,表3.2 连杆参数,棱形关节：关节变量为dn。关节轴的方向就是关节的运动方向。与转动关节不同，轴的运动方向被确定了，但在空间的位置并没有确定（见图2.10）。对于棱形关节，连杆长度an没有意义，所以被设置为0。棱形关节坐标的z轴（zn）与下一个连杆的轴在一条直线上，x轴（xn）平行或逆平行棱形关节轴的方向（zn-1）与zn的叉积。对于棱形关节，当dn=0时，定义为0位置（即坐标原点）。因此棱形关节坐标原点与上一个关节（n-1）坐标原点重合，上一个关节的z轴（zn-1）与棱形关节的轴向相同，其关节长度an-1为上一个关节的轴线与zn-1的公垂线长度，xn-1轴向为公垂线向下一个关节延伸的方向。,根据上述模式用下列旋转和位移我们可以建立相邻的n-1和n坐标系之间的关系： 绕 zn-1 旋转一个角度n 沿 zn-1 位移一个距离 dn 沿着被旋转的 xn-1 即 xn 位移 an 绕 xn 旋转的扭转角为n 这四个齐次变换的积为A矩阵，即 An= Rot(z,) Trans(0,0,d) Trans(a,0,0) Rot(x,) （3.30） cos -sin 0 0 1 0 0 a 1 0 0 0 sin cos 0 0 0 1 0 0 0 cos -sin 0 An = 0 0 1 0 0 0 1 d 0 sin cos 0 （3.31） 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 cos -sincos sinsin acos sin coscos -cossin asin An = 0 sin cos d （3.32） 0 0 0 1,对于棱形关节，an = 0，则式（3.32）A矩阵简化为 cos -sincos sinsin 0 sin coscos -cossin 0 An = 0 sin cos d （3.33） 0 0 0 1 一旦给机械手各连杆坐标系都赋了值，各种固定的连杆参数可以确定：对于后面是旋转关节的连杆参数为d, a和，对于后面是棱形关节的连杆参数为和。根据这些参数，的正弦和余弦也可以求出。这样，对于旋转关节，A矩阵变成了关节变量的函数。或在棱形关节的情况下，变成了d的函数。一旦这些值给出，对于六个Ai变换矩阵的值就可以确定。,3.10 根据A矩阵来确定T6( Specification of T6 in Terms of the A matrices ),机械手的坐标变换图如图3.11所示，机械手的末端（即连杆坐标系6）相对于连杆坐标系n-1的描述用n-1T6表示，即： n-1T6 = An An+1 A6 （3.34）,机械手的末端相对于基坐标系（用T6表示）用下式给出 T6 = A1 A2 A3 A4 A5 A6 （3.35） 如果机械手用变换矩阵Z与参考坐标系相联系，机械手末端执 行器用E来描述，末端执行器的位置和方向相对参考坐标系用X来 描述，如图3.11所示有 X = Z T6 E （3.36） 由此可以得到T6的表达式 T6 = Z-1 X E-1 （3.37）,3.11 斯坦福机械手的运动方程(Kinematic Equations for the
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