机器人技术及其应用课件

1.1

机器人的定义第一章机器人概述机器人一词的出现：1920年、捷克作家、

KarelCapek、《Rossum’sUniversalRobots》，“Robota”（奴隶）写成了“Robot”。小说在1924年和1927年的时候被纷纷传到了日本、法国和欧洲国家，机器人这个名词就向全世界铺展开来。故事情节：带感情的机器人消灭了人类，一对男女机器人相爱，世界又起死回生。上世纪60年代，可实用机械的机器人被称为工业机器人上世纪80年代到现在，正越来越向智能化方向发展

因此，至今为止也没有一个统一的机器人的定义。机器人学是一门不断发展的科学，对机器人的定义也随其发展而变化。（2）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(endeffector)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”。（1）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(manipulator)”。国际上，关于机器人的定义主要有以下几种：（3）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”。（4）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，能够借助于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”。（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”(amechantronicdevicetoimitatesomehumanfunctions)。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。1.2机器人的发展及应用一、古代机器人

春秋后期，鲁班曾制造过一只木鸟，能在空中飞行“三日不下”。机器马车

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。

公元前2世纪，亚历山大时代的古希腊人发明了最原始的机器人──自动机。可以自己开门，还可以借助蒸汽唱歌。

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。每行一里，车上木人击鼓一下，每行十里击钟一下。

后汉三国时期，蜀国丞相诸葛亮成功地创造出了“木牛流马”。用其运送军粮，支援前方战争。写字机器人

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。19世纪中叶出现了科学幻想派和机械制作派。1886年《未来的夏娃》问世。在机械实物制造方面，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。

1773年，自动书写玩偶、自动演奏玩偶等被连续推出。现在保留下来的瑞士努萨蒂尔历史博物馆里的少女玩偶，还定期弹奏音乐供参观者欣赏。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”。可以回答一些问题。二、现代机器人

1952年，第一台数控机床的诞生，为机器人的开发奠定了基础。

1954年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。主从机器人

1948年，美国原子能委员会的阿尔贡研究所开发了机械式的主从机械手。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）。

VERSATRANUNIMATE1965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1970年在美国召开了第一届国际工业机器人学术会议1973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1980年后，日本赢得了“机器人王国”的美称

各种用途的机器人：水下机器人、空间机器人、空中机器人、地面机器人、微小型机器人等新的机器人名称：“软件机器人”、“网络机器人”、机器人化机器德国排爆机器人相扑机器人无人驾驶振动式压路机机器鱼“自由泳”“过龙门”在水中“戏球”自主地避开障碍物机器鱼我国研制的排爆机器人

70年代的萌芽期，80年代的开发期和90年代的适用化期。

1972年开始研制自己的工业机器人“七五”期间，完成了示教再现式工业机器人成套技术的开发，研制出了喷涂、点焊、弧焊和搬运机器人1986年国家高技术研究发展计划（863计划）开始实施上世纪90年代初期起，形成了一批机器人产业化基地我国工业机器人的发展：

日本和美国在20世纪60年代就已经开始进行机器人的研究，与他们相比较，我国还存在较大的差距，因此需要更多的人加入到发展机器人的事业中来。3.按机器人的智能程度分（1）一般机器人：只具有一般编程能力和操作功能（2）智能机器人：具有不同程度的智能传感型机器人

交互型机器人

自主型机器人理由之三：机器人做人做不了的事情。比如人们对太空的认识，对原子分子进行搬迁的机器人为什么要发展机器人?理由之二：机器人做人不愿意做或做不好的事。比如有毒的、高温的或危险的环境，汽车生产线上的焊接工作机器人汽车焊接生产线理由之一：提高生产效率降低人的劳动强度。比如焊机器人提高生产效率，提高汽车焊接的质量，降低工人的劳动强度

汽车装配机器人本章小结:机器人的外型不一定像人机器人技术是集机械学、力学、电子学、生物学、控制论、人工智能、系统工程等多种学科于一体的综合性很强的新技术2.1相关术语及性能指标关节（Joint）：即运动副，允许机器人手臂各零件之间发生相对运动的机构。第二章机器人的结构连杆（Link）：机器人手臂上被相邻两关节分开的部分。自由度（Degreeoffreedom）：或者称坐标轴数，是指描述物体运动所需要的独立坐标数。手指的开、合，以及手指关节的自由度一般不包括在内。刚度（Stiffness）：机身或臂部在外力作用下抵抗变形的能力。它是用外力和在外力作用方向上的变形量（位移）之比来度量。定位精度（Positioningaccuracy）：指机器人末端参考点实际到达的位置与所需要到达的理想位置之间的差距。重复性（Repeatability）或重复精度：在相同的位置指令下，机器人连续重复若干次其位置的分散情况。它是衡量一列误差值的密集程度，即重复度。oo工作空间（Workingspace）：机器人手腕参考点或末端操作器安装点（不包括末端操作器）所能到达的所有空间区域，一般不包括末端操作器本身所能到达的区域。注意：不同的书上，运动简图的符号表示可能不一样。（a）表示手指（末端执行器）；（b）表示垂直、升降运动；（c）表示水平伸缩运动；（d）表示回转运动；（e）表示俯仰运动。2.2工业机器人的结构2.2.1机构运动简图直角坐标式圆柱坐标式球坐标式关节坐标式（a）直接驱动型（b）平行连杆型（c）偏置型（d）平面型1234561234562.2.2工业机器人手部(手爪)结构1.滑槽杠杆式手部2.齿轮齿条式手部3.滑块杠杆式手部4.斜楔杠杆式5.移动型连杆式手部6.齿轮齿条式手部7.内涨斜块式手部8.连杆杠杆式手部手指类型：电磁式吸盘气吸式吸盘常见的另两种手部:滚动轴承座圈钢板齿轮多孔钢板双吸头吸盘多吸头吸盘吸取瓦楞板双吸头吸盘双吸头架式吸盘多吸头板式吸盘其它手部:2.2.3工业机器人腕部结构腕部影响手部的姿态（方位）2.2.4工业机器人臂部结构臂部确定手部的位置1.车轮型2.3移动机器人两轮型三轮型四轮型2.履带式救援机器人3.步行式4.其它移动方式军用昆虫机器人爬缆索机器人水下6000米无缆自治机器人蛇形机器人本章小结：关节、连杆、定位精度、重复精度、自由度、刚度和工作空间手部结构形式不一定像人手臂部和腕部共同确定手部（末端执行器end-effector）的姿态（方位）臂部确定手部的位置第三章机器人的运动学一、行列式和矩阵1.行列式按照行（或列）展开法则：行列式等于它的任意一行（或列）各元素与其对应的代数余子式乘积之和。3.1工业机器人运动学3.1.1相关知识回顾3.列矩阵4.矩阵相等：两同型矩阵（行数和列数都相等）对应元素相等。2.行矩阵（2）矩阵与数相乘：该数与矩阵各元素相乘。5.单位矩阵：主对角线元素为1，其它所有的元素都为0的方阵。6.矩阵的运算（1）矩阵的加法：两同型矩阵的对应元素相加。（3）矩阵与矩阵相乘：（4）矩阵的转置：把矩阵的行换成同序数的列，记为7.矩阵的逆（逆矩阵）8.分块矩阵：分块后的矩阵与普通矩阵的运算相同。9.正交矩阵：如果，则A为正交矩阵。它满足：如果是正交矩阵，则行列式和矩阵的区别：矩阵是按一定方式排成的数表；行列式是一个数。图3-1（b）左手坐标系图3-1（a）右手坐标系二、直角坐标系

若基矢量相互正交，即它们在原点o处两两相交成直角，则它们构成直角坐标系或笛卡儿坐标系。斜角坐标系若按右手法则绕oz轴转900可以使ox轴转向oy轴，则称为右手坐标系；按左手法则形成的坐标系称左手坐标系。

本课程使用右手坐标系。其中θ是a和b两矢量间的夹角，如图3-2所示。三、矢量的点积（内乘积或标量积）换句话说：一个矢量在另一个矢量上的投影等于该矢量与另一矢量方向上单位矢量的点积。再令a=j（j为a方向上的单位矢量），则即两矢量方向上单位矢量的点乘等于两矢量夹角的余弦。图3-2标量积令b=i（i为b方向上的单位矢量），则四、矢量的叉积（矢量积或叉乘积）其中矢量c的模为:其中θ是a和b间小于等于1800的夹角，若将a按右手法则绕c转θ角至b，右手拇指指向为c的正方向（如图3-3），c与a、b两者垂直。则图3-3叉乘积若a和b用分量的形式表示为:a和b的点乘为：将点乘和叉乘应用于右手笛卡尔坐标系的单位矢量i，j，k，有：3.1.2位姿描述与齐次变换3.1.2.1

刚体位置姿态（位姿）描述a)位置的描述采用直角坐标描述点的位置，因此，刚体F的位置描述，即OB点在{A}中描述可用一个3×1的列矢量（位置矢量）表示，即其中Px、Py和Pz是点OB在{A}系中的三个坐标分量。b)姿态（方位）的描述采用旋转矩阵来表示刚体姿态（方位），即由{B}系的三个单位主矢量相对于坐标系{A}的方向余弦组成：

既表示了刚体F在{A}系中的方位，也描述了{B}系在{A}系中的姿态。其中：xByBzBxA

yA

zA3.1.2.2

坐标变换如图3-5，坐标系{B}与{A}方向相同，但原点不重合。图3-5坐标平移

一、坐标平移此式称为平移方程。其中是B系中的原点在A系中的表示。二、坐标旋转图3-6坐标旋转如图3-6，{B}与{A}有共同的坐标原点，但方位不同。令和分别是{A}和{B}中的单位主矢量，点P在两坐标系中各坐标轴上的坐标分量分别为：和利用点乘的性质和上式共同求解得将代入上面三式中并写成矩阵形式得所以有上式简写为：

此式称为坐标旋转方程。其中旋转矩阵表示了坐标系{B}相对于{A}的方位，正好与刚体姿态的描述相同。同理也可得和都是正交矩阵，因此满足由与互逆，可得旋转矩阵的几何意义：旋转矩阵在几何上表示了发生相互旋转的两坐标系各主轴之间的相互方位关系。若把写成行向量的形式，则其中每一个元素都是一个列向量。容易得出满足六个约束条件（称正交条件）：因此写出三个基本的旋转矩阵，即分别绕x、y和z轴转θ角的旋转矩阵：x’y’z’xyzx’y’z’xyzx’y’z’xyz例3.1若从基坐标系({B})到手爪坐标系({E})的旋转变换矩阵为。（1）画出两坐标系的相互方位关系（不考虑{E}的原点位置）；（2）如果给出OE({E}系的原点）在{B}中的位置矢量为（1，2，2），画出两坐标系的相对位姿关系；（3）求a，b，c的值。解：xEyEzExByBzB(1)(2)(3)a=0，b=1，c=0三、一般变换最一般的情况：坐标系{B}的原点既不与{A}重合，方位也不相同。{C}系与｛Ｂ｝系原点重合，但方位不同，所以得{C}系与｛A｝系原点不重合，但方位相同，所以得进而有和例3.2已知坐标系{B}初始位姿与{A}重合，首先{B}相对{A}的zA轴转30°，再沿{A}的xA轴移动10个单位，并沿{A}的yA轴移动5个单位。求位置矢量和旋转矩阵。若,求。解：所以有：最后得：3.1.2.3齐次坐标与齐次变换复合变换式可以表示成等价的齐次变换式。简写成综合地表示了平移和旋转变换。一、齐次坐标一般来说，以N+1维矢量表达N维位置矢量的方法称为齐次坐标表示法。在三维直角坐标系中，一个点可以表示为，它的齐次坐标就是，即满足Px=ωPx/ω，Py=ωPy/ω，Pz=ωPz/ω（ω是非零整数）。可以看出，在三维直角坐标系中，由于ω取值的不同，一个点的齐次坐标的表达不唯一。齐次坐标不仅可以规定点的位置（ω为非零整数），还可以用来规定矢量的方向（第四个元素为零时）。列向量(）表示空间的无穷远点，a，b和c称为它的方向数。分别代表了ox，oy和oz轴的无穷远点，用它们分别表示这三个坐标轴的方向。另外，代表坐标原点，没有意义。注意：位置矢量究竟是3×1的直角坐标还是4×1的齐次坐标，应根据上下文而定。在机器人研究中，齐次变换矩阵T为：二、齐次变换齐次变换矩阵是4×4的矩阵，它的完整形式可以看成是由四个子矩阵组成：

纯旋转的齐次变换矩阵中P3×1为零矩阵，即，因此写出绕x，y和z轴旋转θ角的基本齐次变换矩阵为：

纯平移的齐次变换矩阵中R3×3=I3×3（单位阵），因此可以写出沿x，y和z轴移动Px，Py和Pz单位的基本平移变换阵：从而定义复合变换。给定坐标系{A}，{B}和{C}，已知{B}相对{A}的描述为，{C}相对{B}的描述为，则有同理得出：即一个坐标系变换至另一坐标系的齐次变换矩阵等于依次经历中间坐标系各齐次变换矩阵的连乘积。例3.4已知，画出{A}和{B}的相互位姿关系图。结论：齐次变换不仅可以表示同一点相对不同坐标系{B}和{A}中的变换，也可用来描述坐标系{B}相对于另一坐标系{A}的位姿，同时还可用来作为点的运动算子。例：书上P20例2.4。3.1.2.4

齐次变换的性质1、绕固定坐标系依次进行的坐标系转换，各齐次变换矩阵按“从右向左”依次相乘原则进行运算（右乘）。一.变换过程的相对性=

图3-8RPY角RPYRPY角反解：2、绕动坐标系依次进行的齐次变换，按“从左向右”的原则依次相乘(左乘）。=z-y-x欧拉角：相对于固定坐标系运动相对于活动坐标系运动齐次坐标变换过程是可逆的.若有，则逆变换。二.变换过程的可逆性所以有对应元素相等得所以得三.变换过程的封闭性因此有由上面两式得变换方程：画出空间尺寸链图为:例3.5如图所示，从{0}系到{3}系依次经过{1}系和{2}系的变换,①用两种方法求和，第一种根据齐次变换矩阵的几何意义求解，另一种采用坐标系依次变换的方法；②求（用两种方法）；③画出{0}到{3}的空间尺寸链图。空间尺寸链图：3.1.2.5

旋转变换通式一.旋转变换通式

如果不是单位矢量，要化为单位矢量令是过{A}系原点的单位矢量，求绕K旋转θ角到{B}系的旋转矩阵R(K,θ)，即。因此将上式展开得图3-11尺寸链图把上式右端相乘，并利用旋转矩阵的正交性质进行化简整理后得其中，sθ=sinθ;cθ=cosθ;Versθ=(1-cosθ)。

如果与坐标轴重合，则可得到绕x,y和z轴旋转的基本旋转矩阵。例：求绕过原点的轴线转动1200的旋转矩阵

二.等效转轴与等效转角对于给定的旋转矩阵R令R=R(K,θ)，得

任何一组经过有限次基本旋转变换后的复合旋转总可以等效成绕某一过原点的轴线转θ角的单一旋转。将方程两边的主对角线元素分别相加，得于是可得：再把方程两边的非对角元素成对相减得：将上式两边平方后再相加得：于是：两点注意:①多值性：K和θ的值不唯一。实际上，对于任意一组K和θ，都对应另一组-K和-θ，(K,θ)和(k,θ+n×360)对应的转动效果相同，θ的取值也有多种，一般取在0°到180°之间。例：求复合变换的等效转轴k和转角θ。

②病态情况：当转角θ很小时，转轴难确定；当θ接近0°或180°时，转轴完全不能确定，需另寻解法。3.1.3工业机器人的运动学{L1}{L2}3.1.3.1D-H方法建立坐标系Oi——关节i和i+1轴线的公垂线与关节i+1轴线的交点。关节i和i+1的轴线相交时，Oi选在交点上；关节i和i+1的轴线平行时，Oi选在使di+1=0处（关节i+1和i+2的公垂线与关节i+1轴线的交点处）。A）中间连杆坐标系的建立：相交时平行时若为移动副连接，连杆长度已经没有意义，故令其为零。Zi——与关节i+1的轴线重合，方向任意Xi——与关节i和i+1轴线的公垂线重合，指向为i—>i+1；关节i和i+1的轴线相交时，Xi//（Zi-1×

Zi）；关节i和i+1的轴线平行时，选定Oi，Xi为过点Oi且与关节i和i+1的公垂线重合，指向为i—>i+1Yi——与Zi和Xi构成右手系，即Yi=Zi

×Xi连杆四参数（１）ai是Zi-1和Zi两轴线的公垂线长度，一般称ai为连杆长度。它是从Zi-1到Zi沿Xi测量的距离；ai-1（２）两公垂线ai-1和ai之间的距离称为连杆距离di，或者称为两连杆的偏置。它是从Xi-1到Xi沿Zi-1测量的距离；（４）Zi-1轴与Zi轴之间的夹角为αi，αi称为扭转角。它是从Zi-1到Zi绕Xi旋转的角度，右旋为正。（３）Xi-1轴与Xi轴之间的夹角θi，一般称θi为连杆的夹角，或称为两连杆的关节角。它是从Xi-1到Xi绕Zi-1旋转的角度，右旋为正；C）手爪坐标系

z轴设在手指接近物体的方向，称为接近矢量；y轴设在两手指的连线方向，称为方位矢量；x轴由右手系确定，即，称为法向矢量。a(z)o(y)n(x)B）基座坐标系和n坐标系的确定从基座到末端执行器，给各关节依次标号：1，2，、、、，n；在基座上设置右手直角坐标系ΣO0，使Z0沿着关节1的轴线，X0或Y0可以任选。最后一个坐标系ΣOn与末端执行器（手爪）的坐标系重合。下面来建立i-1和i坐标系之间的变换关系。D）A矩阵和T矩阵Tn=A1A2A3…AnA矩阵表示两连杆相对位姿关系的矩阵，也称着连杆变换矩阵。Ai为连杆i相对于连杆i-1的变换矩阵，即。两个或两个以上的A矩阵的乘积称为T矩阵。T２=A1A2T3=A1A2A3对于旋转关节：（1）绕Zi-1轴旋转θi角，使Xi-1轴与Xi轴和Zi-1轴在同一平面上；（2）沿Zi-1轴平移一距离di，使Xi-1轴与Xi轴重合；（3）沿Xi轴平移一距离ai，使连杆i-1的坐标系原点与连杆i的坐标系原点重合；（4）绕Xi轴旋转αi角，使Zi-1轴与Zi轴重合。将上式展开同理，对于移动副关节Ai矩阵可以简化为（ai=0）所以，机械手的末端执行器相对于基坐标系的变换为3.1.3.2

运动学正解依次写出从基坐标系到手爪坐标系之间相邻两坐标系的齐次变换矩阵，它们依次连乘的结果就是末端执行器（手爪）在基坐标系中的空间描述，即已知q1,q2,…,qn，求，称为运动学正解；已知，求q1,q2,…,qn，称为运动学反解。上式称为运动方程。例1：PUMA560运动学方程θ1θ2θ3θ4θ5θ6关节变量都是θ（１）θi是从Xi-1到Xi绕Zi-1旋转的角度；（２）di是从Xi-1到Xi沿Zi-1测量的距离；（３）ai是从Zi-1到Zi沿Xi测量的距离；（４）αi是从Zi-1到Zi绕Xi旋转的角度。（1）连杆参数（2）A矩阵零位校验：零位校验：零位校验：零位校验：零位校验：零位校验：=零位校验：

令得例2：Stanford机器人运动学（１）θi是从Xi-1到Xi绕Zi-1旋转的角度；（２）di是从Xi-1到Xi沿Zi-1测量的距离；（３）ai是从Zi-1到Zi沿Xi测量的距离；（４）αi是从Zi-1到Zi绕Xi旋转的角度。（1）连杆参数（2）A矩阵这里略去了零位校验本文讲述的方法书上讲述的方法3.1.3.3

另一种连杆坐标系的建立

结论：3.选择不同的连杆坐标系，相应的连杆参数将会发生变化。

１.一般来说，机器人的坐标系可以任意建立；２.如果不是按照D-H方法建立连杆坐标系，则不能按照A矩阵表达式来求解相邻连杆坐标系之间的变换；3.1.3.4

运动学反解反解就是已知手爪位姿，即已知（），求关节变量θ1，θ2

和θ3。正解反解反变换法（也称代数法）求解，它是一种把关节变量分离出来从而求解的方法。上式两端的元素（3，4）对应相等，得：

-s1px+c1py=d2首先求θ1

，将等式两端左乘，得再利用三角代换:和，其中把它们代入代换前的式子得：再求θ3。再令矩阵方程两端的元素（1，4）和（2，4）分别对应相等得：两边平方相加得：合并同类项并整理得：令，再利用三角代换可得：式中正，负号对应着θ3

的两种可能解。最后求θ2：

将展开并整理得：同样再利用三角代换容易求得θ2的四种可能解：

其中结论：1.反解的可能解有多个，但由于结构限制，例如各关节变量不能在全部360°范围内运动，有些解甚至全部解都不能实现。

2.机器人存在多种解时，应选取其中最满意的一组解，譬如满足行程最短，功率最省，受力最好，回避障碍等要求。（实际上就是加约束条件）。3.1.3.5

关节空间和操作空间

机械手的末端位姿由n个关节变量所决定，这n个关节变量统称为n维关节矢量，所有关节矢量构成的空间称为关节空间。末端手爪的位姿是在直角坐标空间中描述的，即用操作空间或作业定向空间来表示。

各驱动器的位置统称为驱动矢量。所有驱动矢量构成的空间称为驱动空间。3.2

移动机器人运动学以两轮差速驱动方式的移动机器人为例，建立其运动学方程。所做的基本假设如下：(1)车体所在路面为光滑平面；(2)车轮在运动过程中，在纵向作纯滚动，没有侧向滑移；(3)车体有关参数，如左右轮直径和左右轮间距在车体负载与空载情况下相同。左轮右轮V=ωrω由理论力学的知识可知，P是机器人的速度瞬心，所以在两轮的连线上速度呈梯形线形分布，则o点的速度，也即移动机器人移动的线速度Vo为：将线速度分别投影到世界坐标系上得：由VL和VR与P构成的几何关系可得从而可知移动机器人的角速度于是可得移动机器人的运动学方程又因为有：第四章机器人静力学及动力学4.1

微分变换与雅可比矩阵4.1.1微分变换

为了补偿机器人末端执行器位姿与目标物体之间的误差，以及解决两个不同坐标系之间的微位移关系问题，需要讨论机器人杆件在作微小运动时的位姿变化。一.变换的微分

假设一变换的元素是某个变量的函数，对该变换的微分就是该变换矩阵各元素对该变量的偏导数所组成的变换矩阵乘以该变量的微分。若它的元素是变量x的函数，则T的微分为:例如给定变换T为：二.微分运动所以得

设机器人某一杆件相对于基坐标系的位姿为T，经过微运动后该杆件相对基坐标系的位姿变为T+dT，若这个微运动是相对于基坐标系（静系）进行的(右乘)，总可以用微小的平移和旋转来表示，即根据齐次变换的相对性，若微运动是相对某个杆件坐标系i（动系）进行的(左乘)，则T+dT可以表示为则相对基系有dT=Δ0T，相对i系有dT=TΔi

。这里Δ的下标不同是由于微运动相对不同坐标系进行的。所以得令三.微分平移和微分旋转由于微分旋转θ→0，所以sinθ→dθ，cosθ→1，Versθ→0，将它们代入旋转变换通式中得微分旋转表达式:微分平移变换与一般平移变换一样，其变换矩阵为:于是得四.微分旋转的无序性当θ→0时，有sinθ→dθ，cosθ→1．若令δx=dθx，δy=dθy，δz=dθz，则绕三个坐标轴的微分旋转矩阵分别为略去高阶无穷小量两者结果相同，可见这里左乘与右乘等效。同理可得结论：

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。若Rot（δx，δy，δz）和Rot（δx‘，δy’，δz‘）表示两个不同的微分旋转，则两次连续转动的结果为：上式表明：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。kxdθ=δx，

kydθ=δy

，

kzdθ=δz所以有由等效转轴和等效转角与等效，有即将它们代入Δ得因此Δ可以看成由和两个矢量组成，叫微分转动矢量，叫微分平移矢量。分别表示为

和合称为微分运动矢量，可表示为解：例：已知一个坐标系A，相对固定系的微分平移矢量，微分旋转矢量，求微分变换dA。五.两坐标系之间的微分关系因为将它们代入前面的方程现在讨论i系和j系之间的微分关系。不失一般性，假定j系就是固定系（基系）0系。得其中上式简写成对于任何三维矢量，其反对称矩阵定义为：相应地，任意两坐标系{A}和{B}之间广义速度的坐标变换为：例：知坐标系A及相对于固定系的微分平移矢量，微分旋转矢量，求A系中等价的微分平移矢量dA和微分旋转矢量δA。解：因为已知，可以根据前面的公式求得dA和δA。也可根据与它一样的另一组表达式（写法不同）求解，即求得，代入为了验证这一结果，先求ΔA再得dA验证的结果是与上例dA=ΔA的计算结果完全一样。4.1.2

雅可比矩阵两空间之间速度的线性映射关系—雅可比矩阵（简称雅可比）。它可以看成是从关节空间到操作空间运动速度的传动比，同时也可用来表示两空间之间力的传递关系。vxvy存在怎样的关系首先来看一个两自由度的平面机械手，如图3-17所示。图3-17两自由度平面机械手容易求得将其微分得写成矩阵形式假设关节速度为，手爪速度为。简写成：

dx=Jdθ。式中J就称为机械手的雅可比（Jacobian）矩阵，它由函数x，y的偏微分组成，反映了关节微小位移dθ与手部（手爪）微小运动dx之间的关系。对dx=Jdθ两边同除以dt，得可以更一般的写成。

因此机械手的雅可比矩阵定义为它的操作空间速度与关节空间速度的线性变换。（或v）称为手爪在操作空间中的广义速度，简称操作速度，为关节速度。J若是6×n的偏导数矩阵，它的第i行第j列的元素为：式中，x代表操作空间，q代表关节空间。若令J1，J2分别为上例中雅可比矩阵的第一列矢量和第二列矢量，即可以看出，雅可比矩阵的每一列表示其它关节不动而某一关节以单位速度运动产生的端点速度。由，可以看出，J阵的值随手爪位置的不同而不同，即θ1和θ2的改变会导致J的变化。对于关节空间的某些形位，机械手的雅可比矩阵的秩减少，这些形位称为操作臂（机械手）的奇异形位。上例机械手雅可比矩阵的行列式为：det(J)=l1l2s2当θ2=0°或θ2=180°时，机械手的雅可比行列式为0，矩阵的秩为1，因此处于奇异状态。在奇异形位时，机械手在操作空间的自由度将减少。只要知道机械手的雅可比J是满秩的方阵，相应的关节速度即可求出，即。上例平面2R机械手的逆雅可比于是得到与末端速度相应的关节速度：显然，当θ2趋于0°（或180°）时，机械手接近奇异形位，相应的关节速度将趋于无穷大。4.2

机器人的静力学机器人与外界环境相互作用时，在接触的地方要产生力和力矩，统称为末端广义（操作）力矢量。记为n个关节的驱动力（或力矩）组成的n维矢量称为关节力矢量y0x0存在怎样的关系利用虚功原理，令各关节的虚位移为δqi，末端执行器相应的虚位移为D。根据虚位移原理，各关节所作的虚功之和与末端执行器所作的虚功应该相等，即简写为:又因为,所以得到与之间的关系式中称为机械手的力雅可比。它表示在静态平衡状态下，操作力向关节力映射的线性关系。若J是关节空间向操作空间的映射（微分运动矢量），则把操作空间的广义力矢量映射到关节空间的关节力矢量。关节空间操作空间雅可比J力雅可比JT若已知则有{T}{0}{0}{T}{B}{A}{A}{B}JTJ根据前面导出的两坐标系{A}和{B}之间广义速度的坐标变换关系，可以导出{A}和{B}之间广义操作力的坐标变换关系。解：由前面的推导知例:如图3-18所示的平面2R机械手，手爪端点与外界接触，手爪作用于外界环境的力为，若关节无摩擦力存在，求力的等效关节力矩。所以得：图3-18关节力和操作力关系y0x0例：如图所示的机械手夹扳手拧螺丝，在腕部（{Os}）装有力/力矩传感器，若已测出传感器上的力和力矩，求这时作用在螺钉上的力和力矩。()解：根据图示的相应位姿关系得因此可得两坐标系的微分运动关系和静力传递关系为：{S}{T}{S}{T}微分运动关系时：静力传递关系时：4.3

机器人的动力学4.3.1

转动惯量平移作为回转运动来分析根据牛顿第二定律和若把这一运动看成是杆长为r，集中质量在末端为m的杆件绕z轴的回转运动，则得到加速度和力的关系式为式中，和N是绕z轴回转的角加速度和转矩。上式为质点绕固定轴回转时的运动方程式。I相当于平移运动时的质量，称为转动惯量

。将它们代入前面的方程，得：令，则有：例：求图所示的质量为M，长度为L的匀质杆绕其一端回转时的转动惯量I。解：匀质杆的微段dx的质量用线密度ρ（=M/L）表示为dm=ρdx。该微段产生的转动惯量为。因此，把dI在长度方向上积分，可得该杆的转动惯量I为：例：试求上例中杆绕其重心回转时的转动惯量IC。解：先就杆的一半来求解，然后加倍即可。假定x为离杆中心的距离，则得到即平行轴定理：刚体对任一轴的转动惯量，等于刚体对过质心且与该轴平行之轴的转动惯量加上刚体的质量与此两轴间距离平方的乘积。设刚体对过质心C的Zc轴的转动惯量为IZC，对与Zc轴平行的Z轴的转动惯量为IZ，该两轴间的距离为d，刚体的质量为M，则4.3.2

Newton-Euler递推动力学方程如果将机械手的连杆看成刚体，它的质心加速度、总质量m与产生这一加速度的作用力f之间的关系满足牛顿第二运动定律:当刚体绕过质心的轴线旋转时，角速度ω，角加速度，惯性张量与作用力矩n之间满足欧拉方程：惯性张量令｛c｝是以刚体的质心c为原点规定的一个坐标系，相对于该坐标系｛c｝，惯性张量定义为３×３的对称矩阵：式中，对角线元素是刚体绕三坐标轴x，y，z的质量惯性矩，即Ixx，Iyy，Izz，其余元素为惯性积。

惯性张量表示刚体质量分布的特征。其值与选取的参考坐标系有关，若选取的坐标系使惯性积都为零，相应的质量惯性矩为主惯性矩。例：如图所示的1自由度机械手。假定绕关节轴z的转动惯量为IZ，z轴为垂直纸面的方向。解：式中，g是重力常数，把上面三式代入欧拉方程且只提取z轴分量得到：zmg4.3.3

Lagrange动力学对于任何机械系统，拉格朗日函数L定义为系统总的动能K与总的势能P之差，即L=K-P。这里，L是拉格朗日算子；k是动能；P是势能。

或

利用Lagrange函数L，系统的动力学方程（称为第二类Lagrange方程）为：表示动能，表示势能。例：平面RP机械手如图所示，连杆1和连杆2的质量分别为m1和m2，质心的位置由l1和d2所规定，惯性张量为（z轴垂直纸面）：解：连杆1，2的动能分别为：机械手总的动能为连杆1，2的势能分别为机械手总的位能（势能）为计算各偏导数将以上结果代入Lagrange方程得附：就前面的1自由度机械手用Lagrange法求解如下：总势能为代入Lagrange方程得，与前面的结果一致。这里I=IZ=IC+mL2C解：总动能

（θ为广义坐标）zmg１.若1自由度机械手为匀质连杆，质量为m，长度为L，结果会怎样？２.若1自由度机械手为集中质量连杆，长度为L，集中质量m在连杆末端L处，结果会怎样？z第五章机器人的轨迹规划5.1工业机器人的轨迹规划１.轨迹规划的一般性问题常见的机器人作业有两种：这里所谓的轨迹是指操作臂在运动过程中的位移、速度和加速度。点位作业（PTP=point-to-pointmotion）连续路径作业（continuous-pathmotion），或者称为轮廓运动（contourmotion）。操作臂最常用的轨迹规划方法有两种：轨迹规划既可以在关节空间也可以在直角空间中进行。

第一种是要求对于选定的轨迹结点（插值点）上的位姿、速度和加速度给出一组显式约束（例如连续性和光滑程度等），轨迹规划器从一类函数（例如n次多项式）选取参数化轨迹，对结点进行插值，并满足约束条件。

第二种方法要求给出运动路径的解析式。轨迹规划方法一般是在机器人的初始位置和目标位置之间用多项式函数来“内插”或“逼近”给定的路径，并产生一系列的控制点。a.三次多项式插值

关节空间法计算简单、容易。再者，不会发生机构的奇异性问题。2.关节轨迹的插值只给定机器人起始点和终止点的关节角度。为了实现平稳运动，轨迹函数至少需要四个约束条件。即————满足起点和终点的关节角度约束————满足起点和终点的关节速度约束（满足关节速度的连续性要求）解上面四个方程得：注意：这组解只适用于关节起点、终点速度为零的运动情况。例：设只有一个自由度的旋转关节机械手处于静止状态时，=150，要在3s内平稳运动到达终止位置：=750，并且在终止点的速度为零。解：将上式的已知条件代入以下四个方程得四个系数：因此得：b.过路径点的三次多项式插值

方法是：把所有路径点都看成是“起点”或“终点”，求解逆运动学，得到相应的关节矢量值。然后确定所要求的三次多项式插值函数，把路径点平滑的连接起来。不同的是，这些“起点”和“终点”的关节速度不再是零。由上式确定的三次多项式描述了起始点和终止点具有任意给定位置和速度的运动轨迹。剩下的问题就是如何确定路径点上的关节速度，有以下三种方法：此时的速度约束条件变为：同理可以求得此时的三次多项式系数：

（1）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来确定每个路径点的关节速度；该方法工作量大。（2）为了保证每个路径点上的加速度连续，由控制系统按照此要求自动地选择路径点的速度。（3）在直角坐标空间或关节空间中采用某种适当的启发式方法，由控制系统自动地选择路径点的速度；对于方法（2），为了保证路径点处的加速度连续，可以设法用两条三次曲线在路径点处按照一定的规则联系起来，拼凑成所要求的轨迹。其约束条件是：联接处不仅速度连续，而且加速度也要连续。对于方法（3），这里所说的启发式方法很简单，即假设用直线段把这些路径点依次连接起来，如果相邻线段的斜率在路径点处改变符号，则把速度选定为零；如果相邻线段不改变符号，则选择路径点两侧的线段斜率的平均值作为该点的速度。如果对于运动轨迹的要求更为严格，约束条件增多，那么三次多项式就不能满足需要，必须用更高阶的多项式对运动轨迹的路径段进行插值。例如，对某段路径的起点和终点都规定了关节的位置、速度和加速度（有六个未知的系数），则要用一个五次多项式进行插值。c、用抛物线过渡的线性插值单纯线性插值将导致在结点处关节运动速度不连续，加速度无限大。对于多解情况，如右图所示。加速度的值越大，过渡长度越短。解决办法：在使用线性插值时，把每个结点的邻域内增加一段抛物线的“缓冲区段”，从而使整个轨迹上的位移和速度都连续。d、过路径点的用抛物线过渡的线性插值如图所示，某个关节在运动中设有n个路径点，其中三个相邻的路径点表示为j，k和l，每两个相邻的路径点之间都以线性函数相连，而所有的路径点附近则有抛物线过渡。（同样存在多解）

如果要求机器人通过某个结点，同时速度不为零，怎么办？可以在此结点两端规定两个“伪结点”，令该结点在两伪结点的连线上，并位于两过渡域之间的线性域上。5.2移动机器人的轨迹规划机器人的路径规划（一般指位置规划）

a.基于模型和基于传感器的路径规划基于模型的方法有：c-空间法、自由空间法、网格法、四叉树法、矢量场流的几何表示法等。相应的搜索算法有A*、遗传算法等。图中A区域的位置码(LocationCode:LC)为3031。

BCD问：图中B，C，D区域的位置码LC为?

b.全局路径规划（GlobalPathPlanning）和局部路径规划（LocalPathPlanning）

自主移动机器人的导航问题要解决的是：（1）“我现在何处？”；（2）“我要往何处去？”；（3）“要如何到该处去？”。局部路径规划主要解决（1）和（3）两个问题，即机器人定位和路径跟踪问题；方法主要有：人工势场法、模糊逻辑算法等。全局路径规划主要解决（2），即全局目标分解为局部目标，再由局部规划实现局部目标。主要有：可视图法、环境分割法（自由空间法、栅格法）等；c.离线路径规划和在线路径规划离线路径规划是基于环境先验完全信息的路径路径规划。完整的先验信息只能适用于静态环境，这种情况下，路径是离线规划的；在线路径规划是基于传感器信息的不确定环境的路径规划。在这种情况下，路径必须是在线规划的。2.机器人的动作规划一般来讲，移动机器人有三个自由度（X，Y，θ），机械手有6个自由度（3个位置自由度和3个姿态自由度）。因此，移动机器人的动作规划不是在2个位置自由度（X，Y）构成的2维空间，而是要搜索位置和姿态构成的3维空间。如图所示。第六章机器人的控制6.1什么是控制

简单地说，控制就是为了达到一定目的而实行的适当操作。步骤：（1）记住期望水位值；（2）测量水池实际水位；（3）计算期望水位与实际水位的误差；（4）根据误差正确地调节进水阀门。优点：控制的结果总是使实际水位的高度恒等于期望值。控制系统标准框图控制部分a.比例环节P弹簧的伸长y与力f成比例，即y=k1f（k1=定值）像弹簧这样的环节称为比例环节。6.2

PID（proportional，integral，derivative）控制

设流入的流量为x，活塞的移动距离为y，S为活塞的截面积，t为时间。如果x是变化的，即为t的函数，则也就是说，若以流入的流量x作为输入，以移动距离y作为输出，则油缸是个积分环节。b.积分环节I当流入的流量为一定值x0时，可以得出：y=x0t/S对质量为M的物体施一水平力f，当力为定值f0时，可以得出时间t后的速度v=f0t/M如果f是变化的，即为t的函数，则也就是说，若以外力f作为输入，以速度v作为输出，则质量M的物体也可以称之为积分环节。c.微分环节D求得活塞的移动距离y与作用于活塞的力f之间的关系：式中为缓冲器的粘性摩擦系数。也就是说，若以距离y作为输入，以力f作为输出，则缓冲器可以称为微分环节。下面我们来说明一下在反馈控制中常用的PID控制。在PID控制的名称中，P指proportional(比例），I指integral（积分），D指derivative（微分），这意味着可利用偏差，偏差的积分值，偏差的微分值来控制。机器人系统中更多的是高度非线性及强耦合系统的控制问题。解决这些问题的新技术有：最优控制、解耦控制、自适应控制、变结构滑模控制及神经元网络控制等。e.

PID控制

或PID控制的基本形式可用下图表示。如果用e=(r-y)表示偏差，则PID控制变为：式中，kP称为比例增益；kI称为积分增益；kD称为微分增益。它们是影响控制规律特性的参数，统称为反馈增益。而TI(=kP/kI)称为积分时间，TD(=kD/kP)称为微分时间，分别具有时间量纲。PID控制规律的传递函数可表示为:PID控制规律的离散形式为:式中，T为采样周期；e(n)为第n次采样的偏差值；e(n-1)为第n-1次采样时的偏差值。PID控制器的三个参数有不同的控制作用。（3）微分控制规律能反映输入信号的变化趋势，相对比例控制规律而言具有预见性，增加了系统的阻尼程度，有助于减少超调量，克服振荡，使系统趋于稳定，加快系统的跟踪速度，但对输入信号的噪声很敏感。（1）P控制器实质上是一个具有可调增益的放大器。在控制系统中，增大kP可加快响应速度，但过大容易出现振荡；（2）积分控制器能消除或减弱稳态偏差，但它的存在会使系统到达稳态的时间变长，限制系统的快速性；

图中为同一对象在各种不同的控制规律的作用下的过渡过程曲线。可以看出，在比例作用的基础上，加入微分作用可以减少过渡过程的最大偏差及控制时间；加入积分作用虽然能消除余差，但使过渡过程的最大偏差及控制时间增大。实际工程中PID控制仍应用广泛，其三个系数是通过调整和观察实际性能来经验地确定。6.3

位置、力及混合控制

位置控制惯性矩变化引起的驱动力变化物体重时手臂的姿势不同时有障碍物时路径（运动轨迹）控制力控制机械手爪与外界接触有两种极端状态：a.手爪位置的PID控制一种是手爪在空间中可以自由运动，这种属于位置控制问题；另一种是手爪与环境固接在一起，手爪完全不能自由改变位置，可在任意方向施加力和力矩，属于力控制问题。大多数是位置/力的混合控制问题。基于直角坐标的PID控制坐标转换与PIDPIDPIDc.顺应（柔顺）控制

顺应控制（柔顺控制）本质上也是力与位置混合控制。分为两类：被动顺应控制和主动顺应控制。被动柔顺控制手腕响应速度快，但它的设计针对性强，通用性不强。主动顺应控制使用灵活、通用性强，但对传感器的要求较高。近年来又出现了主动和被动相结合的方法。附：数字控制系统（硬件）第七章机器人的感觉多传感器在移动机器人中的应用外界环境视觉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景物识别内部传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任务规划：执行机构控制指令感觉功能视觉20世纪50年代后期出现，发展十分迅速，是机器人中最重要的传感器之一。机器视觉从20世纪60年代开始首先处理积木世界，后来发展到处理室外的现实世界。20世纪70年代以后，实用性的视觉系统出现了。视觉一般包括三个过程：图像获取、图像处理和图像理解。相对而言，图像理解技术还很落后。力觉

机器人力传感器就安装部位来讲，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究是从20世纪70年代开始的，主要研究单位有美国的DRAPER实验室、SRI研究所、IBM公司和日本的日立公司、东京大学等单位。

几种主要的机器人传感器简介触觉作为视觉的补充，触觉能感知目标物体的表面性能和物理特性：柔软性、硬度、弹性、粗糙度和导热性等。对它的研究从20世纪80年代初开始，到20世纪90年代初已取得了大量的成果。接近觉研究它的目的是是使机器人在移动或操作过程中获知目标（障碍）物的接近程度，移动机器人可以实现避障，操作机器人可避免手爪对目标物由于接近速度过快造成的冲击。7.1传感器的分类根据检测对象的不同可分为内部传感器和外部传感器。（1）位置传感器用来检测机器人本身状态（如手臂间角度）的传感器。多为检测位置和角度的传感器。a.内部传感器b.外部传感器（2）角度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。用来检测机器人所处环境（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。7.2机器人的触觉一般认为触觉包括接触觉、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觉。1.接触觉传感器

开关式触觉传感器特点：外形尺寸十分大空间分辨率低利用阵列这一概念已开发了许多重要的传感器。压阻式阵列触觉传感器

碳毡（CSA）灵敏度高，具有较强的耐过载能力。缺点是有迟滞，线性差。

导电橡胶的电阻也会随压力的变化而变化，因此也常用来作为触觉传感器的敏感材料。碳毡（CSA）另外还有光学式触觉传感器、电容式阵列触觉传感器等。它利用一种具有压电和热释电性的高分子材料研制而成。2.压觉传感器3.力觉传感器力觉传感器使用的主要元件是电阻应变片。（3）装在机器人手爪指关节（或手指上）的力传感器，称为指力传感器。通常我们将机器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。用于控制中的力反馈。（2）装在末端执行器和机器人最后一个关节之间的力传感器，称为腕力传感器。SRI（StanfordResearchInstitute）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，扭矩作用很小。梁的另一头贴有应变片。图中从Px+到Qy-代表了8根应变梁的变形信号的输出。SRI传感器日本大和制衡株式会社林纯一研制的腕力传感器。它是一种整体轮辐式结构，传感器在十字梁与轮缘联结处有一个柔性环节，在四根交叉梁上共贴有32个应变片（图中以小方块），组成8路全桥输出。传感器的内圈和外圈分别固定于机器人的手臂和手爪，力沿与内圈相切的三根梁进行传递。每根梁上下、左右个贴一对应变片，三根梁上共有6对应变片，分别组成六组半桥，对这6组电桥信号进行解耦可得到六维力（力矩）的精确解。4.滑觉传感器机械手一般采用两种抓取方式：硬抓取和软抓取。硬抓取（无感知时采用）：末端执行器利用最大的夹紧力抓取工件。软抓取（有滑觉传感器时采用）：末端执行器使夹紧力保持在能稳固抓取工件的最小值，以免损伤工件。采用压觉传感器实现滑觉感知滚轮式滑觉传感器它由一个金属球和触针组成，金属球表面分成许多个相间排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，金属球也随之转动，在触针上输出脉冲信号，脉冲信号的频率反映了滑移速度，个数对应滑移的距离。根据振动原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，线圈输出信号。7.3机器人的接近觉接近觉主要感知传感器与对象物之间的接近程度。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另外还有接触觉、滑觉和接近觉三种感觉组合为一体的传感器。其它还有光学接近觉、超声波接近觉传感器等。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方向上产生电动势。霍尔传感器单独使用时，只能检测有磁性物体。当与用磁体联合使用时，可以用来检测所有的铁磁物体。传感器附近没有铁磁物体时，霍尔传感器感受一个强磁场；若有铁磁物体时，由于磁力线被铁磁物体旁路，传感器感受到的磁场将减弱。7.4机器人的视觉有研究结果表明，视觉获得的感知信息占人对外界感知信息的80%。人类视觉细胞数量的数量级大约为108，是听觉细胞的300多倍，是皮肤感觉细胞的100多倍。1.超声波传感器超声波探测原理比较简单，一般是采用时差法。

ｄ=ｃΔt／2其中ｃ（Ｔ的函数）为超声波波速，Ｔ为环境摄氏温度。从广义上讲，我们也把它算成机器人视觉中的一种。超声波传感器主要用途：（1）实时地检测自身所处空间的位置，用以进行自定位；（2）实时地检测障碍物，为行动决策提供依据；（3）检测目标姿态以及进行简单形体的识别；（4）用于导航目标跟踪。MDARS-E型室外保安机器人多个超声波传感器组成线阵或面阵形成多传感器2.CCD（电荷耦合器件：chargecoupleddevices）CCD（电荷耦合器件）的基本结构是一个间隙很小的光敏电极阵列，即无数个CCD单元组成，也称为像素点（如448×380）。它可以是一维的线阵，也可以是二维的面阵。

优点：体积小、质量轻、寿命长、抗冲击、耗电极少，一般只需几十毫瓦就可以启动。（1）基本原理共256级灰度，从图（a）到（f）分辨率依次为512×512，256×256，128×128，64×64，32×32，16×16。（2）图像处理a)分辨率变化对图像的影响从图（a）到（f）分辨率依次为512×512，灰度级依次为256，64，16，8，4，2。b)灰度变化对图像的影响从图（a）到（f）依次为：256×256，128级灰度；181×181，64级灰度；128×128，32级灰度；90×90，16级灰度；64×64，8级灰度；45×45，4级灰度。c)分辨率和灰度同时变化对图像的影响7.５机器人的听觉特定人的语音识别系统听觉系统的粗略框图特定人语音识别方法是将事先指定的人的声音中的每一个字音的特征矩阵存储起来，形成一个标准模板（或叫模板），然后再进行匹配。它首先要记忆一个或几个语音特征，而且被指定人讲话的内容也必须是事先规定好的有限的几句话。特定人语音识别系统可以识别讲话的人是否是事先指定的人，讲的是哪一句话。非特定人的语音识别方法则需要对一组有代表性的人的语音进行训练，找出同一词音的共性，这种训练往往是开放式的，能对系统进行不断的修正。在系统工作时，将接收到的声音信号用同样的办法求出它们的特征矩阵，再与标准模式相比较。看它与哪个模板相同或相近，从而识别该信号的含义。非特定人的语音识别系统大致可以分为语言识别系统，单词识别系统，及数字音（0~9）识别系统。非特定人的语音识别系统7.６多传感器信息融合

多传感器信息融合技术是通过对这些传感器及其观测信息的合理支配和使用，把多个传感器在时间和空间上的冗余或互补信息依据某种准则进行组合，以获取被观测对象的一致性解释或描述。多传感器融合系统主要特点是：（1）提供了冗余、互补信息。（2）信息分层的结构特性。（3）实时性。（4）低代价性。多传感与单传感的比较：多传感器数据融合系统可更大程度获取被探测目标和环境的信息量。单传感器信号处理或低层次的数据处理方式只是对人脑信息处理的一种低水平模仿。多传感器融合常用的方法有：加权平均法、贝叶斯估计、卡尔曼滤波、DS证据推理、模糊逻辑、产生式规则、人工神经网络等方法。三种结构形式：串联、并联和混合融合形式。第八章机器人的驱动这里所说的机器人驱动就是机电一体化系统中的执行装置。执行装置就是按照电信号的指令，将来自电、液压和气压等各种能源的能量转换成旋转运动、直线运动等方式的机械能的装置。按利用的能源来分类，主要可分为电动执行装置、液压执行装置和气动执行装置。新型执行装置：

压电执行装置：利用在压电陶瓷等材料上施加电压而产生变形的压电效应。形状记忆合金执行装置：利用镍钛合金等材料具有的形状随温度变化，温度恢复时形状也恢复的形状记忆性质。8.1直流电机驱动（DCmotor）1.直流电机工作原理止口左手定则直流电动机通过换向器将直流转换成电枢绕组中的交流，从而使电枢产生一个恒定方向的电磁转矩。T=BILr换向器电刷2.矩频特性曲线：电流控制曲线和电压控制曲线。3.直流电机的控制方式改变电压或电流控制转速和转距。其中，KE为电动势常数，KF为转矩常数。PWM(PulseWidthModulation)控制是利用脉宽