机器人控制基础第一章

1、机器人控制基础32学时1学习本门门课程有有什么用用？1入门，为为进一步步研究做做准备2毕业设计计3学分2教材John J. Craig，机械工工业出版版社，2006.63主要掌握握的内容容1机器人的的动力学学模型(主要掌握握)2机器人的的基本控控制方法法4需要的基基本知识识：（1）理论力力学；（2）控制理理论；（3）Matlab;（4）微分方方程和线线性代数数.5第一章绪绪论论机器人的的基本概概念；什么是机机器人？机器人动动力学与与控制简简介。（本课主主要内容容简介）6机器人“HRP-4C”在欢迎游游客，售价大大约为15万英镑这是世界界上第一一款时装装模特机机器人7你能想想想一个骑骑自行车车的

2、机器器人能够够拥有连连人类都都无法做做到的平平衡能力力吗？近日，来来自日本本的一款款名为MurataBoy的平衡机机器人就就让人们们大跌眼眼镜。它它可以通过过内置的的多个感感应器配配合智能能调节装装置保持持机器人人近乎完完美的平平衡状态，甚至至在完全全静止的的时候都都可以纹纹丝不动动。前置置的超声声感应装装置还可可以让机器人在在遇到无无法逾越越的障碍碍物时自自动停止止，避免免事故的的发生。8苹果MP4机器人91.1机器人的的基本概概念1.1.1机器人的的发展历历史（1）东汉张张衡发明明的指南南车；（2）1768-1774，瑞士钟钟表匠制制作的木木偶机器器；（3）1920年，捷克克剧作家家Kar

3、elCapek首次提出出Robota一词；（4）1950年，美国国科幻作作家Assimov提出了机机器人人三守则；（5）1954年，美国国人设计计了第一一台电子子可编程程机器人人；（6）1962年，美国国GM公司设计计使用的的第一台台机器人人Unimate。10指南车木木偶偶机器人人11KarelCapekAssimov12可编程机机器人Unimate13（7）1980年；机器器人在日日本得到到普及；此年称称为机机器人元年；（8）1995年今，机器器人的产产量每年年递增，机器人人产业兴起；（9）机器人人学兴起起，机器器人向智智能化发发展。机器人常常见的杂杂志IEEERoboticsResear

4、chRoboticsRoboticsand Automation机器人研研究：美美国的MIT机器人生生产大国国日日本本14（1）国际标标准化组组织（ISO）的定义义：机器人是是一种自自动的、位置可可控的、具有编编程能力力的多功功能机械械手，这这种机械械手具有有几个轴轴，能够够借助于于可编程程序操作作来处理理各种材材料、零零件、工工具和专专用装置置，以执执行各种种任务。（2）美国机机器人协协会（RIA）的定义义：机器人是是一种用用于移动动各种材材料零件件、工具具和专用用装置的的，通过过可编程程序动作作来执行行各种任任务的，具有编编程能力力的多功功能机械械手。1.1.2机器人的的定义15（3）日本

5、工工业机器器人协会会（JIRA）的定义义：工业机器器人是一一种装备备有记忆忆装置和和末端执执行器的的、能够够转动并并通过自自动完成成各种移移动来替替代人类类劳动的的通用机机器。（2）美国国国家标准准局（NSB）的定义义：机器人是是一种能能够进行行编程并并在自动动控制下下执行某某些操作作和移动动作业任任务的机机械装置置。1.1.2机器人的的定义16（1）机器人人的动作作机构类类似于人人或人的的某些器器官；（2）机器人人具有一一定程度度的智能能；（3）机器人人具有通通用性；（4）机器人人具有独独立性，一旦工工作程序序设定，机器人人在工作时不不需要人人的干预预；（5）机器人人是人造造的机械械装置。根

6、据定义义，可见见机器人人具有如如下特点点17（1）按代替替人的器器官分：操作机器器人、移移动机器器人、视视觉机器器人（2）按用途途分：工业机器器人、极极限操作作/探索机器器人、娱娱乐机器器人（3）按控制制方式分分：操纵机器器人、程程序机器器人、示示教再现现机器人人、数控控机器人、智智能机器器人1.1.3机器人的的种类18深蓝计算算机工业机器器人5公斤搬运运机器人人19电子狗火星探测测器电子眼数据手套套“汇童”仿人机机器人表演太极极拳201.2操作臂的的机构与与控制本课程的的一些内内容:操作臂的的动力学学操作臂的的控制212223控制任务务是：把把物体从从A点移动到到B点。24具体说来来有以下下

7、内容本课程的的一些内内容1.2.1位姿描述述坐标系基坐标系系工具坐标标系251.2.2操作臂正正运动学学运动学（Kinematics）连杆、关关节转动关节节：关节节角移动关节节：关节节偏距自由度末端执行行器262728正运动学学：给定一组组关节角角，计算算工具坐坐标系到到基坐标标系的位位姿表示示，即关节空间间到笛卡尔空空间的变换。291.2.3操作臂逆逆运动学学逆运动学学逆运动学学：给定操作作臂末端端执行器器的位置置和姿态态，计算算所有可可达位置置和姿态态的关节节角。操作臂的的工作空空间301.2.4速度、静静力、奇奇异性机构奇异异性奇异点：雅可比矩矩阵不可可逆的点点。雅可比矩矩阵：关节空间间

8、的速度度到笛卡卡尔空间间速度的的映射。关节力矩矩到接触力和力矩的计算用用到雅可可比矩阵阵31321.2.5动力学动力学的的第二个个作用是是进行仿真。动力学：为了控制制操作臂臂的运动动，计算算出通过过关节驱驱动产生生的复杂杂力矩函函数。仿真:模拟，simulation,建立模型型；在计计算机上上做实验验。331.2.6轨迹生成成路径点轨迹生成成：如何计算算运动函函数。样条函数数笛卡尔路路径生成成34用Matlab画出的的三次样样条函数数35焊接机器器人3637381.2.7操作臂的的设计与与传感器器专用机器器人：为特定任任务设计计的机器器人。主要从预预期任务务进行考考虑通用机器器人：能完成某某几

9、类任任务的机机器人。391.2.8操作臂的的线性位位置控制制核心是知知道动力力学方程程，主要要讲一下下独立关关节控制制和PID控制控制算法法对位置和和速度传传感器进进行检测测，以计计算出驱驱动器的的力矩指指令。401.2.9操作臂的的非线性性位置控控制非线性控控制系统统力控制是是位置控制制的补偿偿混合控制制方式，也就是说说，在某某些方向向上用位置控制制法则来控制，而其余余方向通通过力控制来实现。411.2.10可编程机机器人机器人编编程语言言是用户和和工业机机器人交交互的接接口。操作者将将操作臂臂手臂上上一个特特殊的点点指定为为操作点，有时也也叫做TCP(工具中心心点)，操作者者可以操操作点相

10、相对于用用户坐标标系的期期望位置置来描述述机器人人的运动动。421.2.11离散编程程和仿真真离散编程程系统是一个机机器人编编程环境境。可以以认为是是一个仿仿真平台台。43附录A：Matlab语言A.1:数据类型型A.1.1:常量与变变量 变量2.常量piepsinfNaNi(j)44pians=3.1416formatlong,pians=3.1415926535897945A.1.2:Matlab数据类型型数字变量量abs(x)sqrt(x)real(x)image(x)round(x)sin(x)cos(x)tan(x)asin(x)accos(x)atan(x) atan2(x,y)变

11、量的显显示格式式：formatlongformatshort462.字符串s=I am astudents =I am astudents=char(b,a,b,y);sans=baby473向量（1）向量的的生成直接输入入法：x=2 468x =2468冒号：a=1:2:7a =1357函数命令令：x=linspace(0,10,6)x =024681048（2）向量的的引用X(n)X(n1:n2)x=1 234 5;x(1:3)ans=12349Isvector( )：判断是是否为向向量length（）：dot(a,b):cross(a,b):503矩阵（1）矩阵的的生成直接输入入法：A=

12、1 23;4 56;7 89A =12345678951利用M文件创建建在M文件：as36中输入：AA=12 34 567 89;as36AAAA=12345678952特殊矩阵阵的创建建zeros(m)zeros(m,n)eye(m)eye(m,n)ones(m)ones(m,n)rand(m)rand(m,n).53zeros(3)ans=000000000zeros(2,3)ans=00000054（2）矩阵元元素的引引用A(n,:)A(:,m)A(n,m)A=1 23;4 56;7 89A(:,3)ans=36955（3）矩阵元元素的修修改D=A;BCA(n,:)=A(:,m)=A(n

13、,m)=aA(n,:)=a,b,A(:,m)=a,b,56A=1 23;4 56;B=eye(2);BB =1001C=zeros(2,1)C =00D=A;BCD =12345610001057矩阵AD=size(A)V,D=eig(A)det(A)inv(A)rank（A）58例：A=magic(3)A =816357492D=size(A)D =33det(A)ans=-36059V,D=eig(A)V =-0.5774-0.8131-0.3416-0.57740.4714-0.4714-0.57740.34160.8131D =15.00000004.8990000-4.8990E=e

14、ig(A)E =15.00004.8990-4.899060inv(A)ans=0.1472-0.14440.0639-0.06110.02220.1056-0.01940.1889-0.1028rank(A)ans=361A.2:运算符A.2.1:算术运算算符 */A.2.2:关系运算算符=f=sym(sin(x) f = sin(x) syms xyf=sin(x)+sin(y) f = sin(x)+sin(y)63findsym(f)ans=x,ysymsa b;f1=subs(a+b,a,3) f1= 3+b64A.4: M文件命令文件件（脚本本文件）：s=1;fori=2:10s=

15、s*i;enddisp(10的阶乘为为：);sas3310的阶乘为为：s =362880065whosNameSizeBytesClassi1x18doublearrays1x18doublearray66函数文件件：functions=jiecheng(n)%此函数用用来求非非负整数数n的阶乘，参数n要求非负负ifnjiecheng(10)ans=3628800jiecheng(-10)?Errorusing= jiecheng输入参数数不能为为非负值值help jiecheng此函数用用来求非非负整数数n的阶阶乘，参参数n要要求非负负68顺序结构构：逐条运行行命令例：求的根a=input(

16、a=?);b=input(b=?);c=input(c=?);d=b*b-4*a*c;x=(-b+sqrt(d)/(2*a)(-b-sqrt(d)/(2*a);disp(x1=,num2str(x(1),x2=,num2str(x(2);a=?4b=?78c=?54x1=-0.7188x2=-18.7812A.6:程序设计计69选择结构构：if表达式执行语句句end （1）条件判判断（2）分支选选择结构构switch表达式case数值1程序模块块1；case数值2程序模块块2；otherwise程序模块块end 70clearn=input(输入n=);switchfix(n/10)case

17、10,9r=A;case 8r=Bcase 7r=Ccase 6r=Dotherwiser=Eend打分程序序输入n=88r =B71循环结构构：for循环变量量=起始值：步长：终止值值执行语句句end m=input(m=);p=2:m;fori=2:sqrt(m)n=find(rem(p,i)=0 &p=i);p(n)=;endp用筛选法法求素数数求得结果果m=100235711131719232931374143475359616771737983899772A.7:程序调试试%此程序段段用来演演示break命令s=1;fori=1:100i=i+s;%keyboard;ifi50dis

18、p(已经大于于50，终止循循环);break;endendi73Kdbstopat5 in as34Kii =10Kss =1Kdbstopinas34KdbstopiferrorKdbstopifnaninfKdbstopifinfnanKdbstopifwarningKdbstatus74Breakpointsforas34areonlines2,5.Stop if error.Stop if warning.Stop ifnaninf.Kdeclearat4 in as34?Undefined command/functiondeclear.Kdbclearat4 in as34Kdbclearinas34 a