《机器人技术概论》讲义

《机器人技术概论》讲义目录第一章机器人概论............................................................................................................-1-《机器人概论》研究的内容......................................................................................-1-什么是机器人？..........................................................................................................-1-机器人的发展..............................................................................................................-2-为什么要发展机器人？..............................................................................................-3-机器人发展的三个阶段..............................................................................................-3-机器人学......................................................................................................................-4-机器人的分类..............................................................................................................-4-第二章机器人的数学基础................................................................................................-6-第一节位置和姿态的表示........................................................................................-6-第二节坐标变换........................................................................................................-7-第三节齐次变换........................................................................................................-8-第三章机器人运动学......................................................................................................-11-第一节机器人运动方程的表示..............................................................................-11-第二节连杆变换矩阵及其乘积..............................................................................-12-第四章机器人的感觉系统..............................................................................................-18-第一节传感器原理简介..........................................................................................-18-第二节传感器在机器人中的应用..........................................................................-20-第五章机器人驱动与控制技术......................................................................................-28-第一节驱动电机......................................................................................................-28-第二节位置控制......................................................................................................-30-第六章机器人轨迹规划..................................................................................................-35-第一节轨迹规划的一般性问题..............................................................................-35-第二节关节轨迹的插值..........................................................................................-35-第三节移动机器人路径规划..................................................................................-38-《机器人技术概论》讲义-1-第一章机器人概论《机器人概论》研究的内容在机器人研究中，我们通常在三维空间中研究物体的位置。这些物体可用两个非常重要的特性来描述：位置和姿态。我们会首先研究如何用数学的方法表示和计算这些参量。运动学研究物体的运动，而不考虑引起这种运动的力。在运动学中，我们研究位置、速度、加速度和位置变量对于时间和其它变量的高阶微分。其中，正运动学方程描述各个关节变量在工具坐标系与基坐标系间的函数关系；逆运动学通过给定工具坐标系的位置和姿态，计算各个关节变量。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，统称为操作力矢量。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。静力学研究在静态平衡状态下，操作力向关节力映射存在着的线性关系。动力学主要研究产生运动所需要的力。为了使操作臂从静止开始加速，使末端执行器以一定的速度作直线运动，最后减速停止，必须通过关节驱动器产生一组复杂的力矩函数来实现。机器人的感觉主要介绍产生机器人的力觉、视觉、触觉、接近觉等相关的传感器。机器人的控制在前面的基础上设计位置控制系统，讨论控制算法及给机器人编程等。什么是机器人？一般的理解：机器人是具有一些类似人的功能的机械电子装置或者叫自动化装置，它是个机器。特点：有类人的功能。作业功能；感知功能；行走功能；能完成各种动作.根据人的编程能自动的工作。通过编程改变它的工作、动作、工作的对象和工作的一些要求。是人造的机器或机械电子装置，仍然是个机器机器人的定义：机器人学是一门不断发展的科学，上世纪60年代，可实用机械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，对机器人的定义也随其发展而变化。国际上对机器人的定义很多：临沂大学机械工程学院-2-TheWebsterdictionary(Webster,1993)：“Anautomaticdevicethatperformsfunctionsnormallyascribedtohumansoramachineintheformofahuman.”一个自动化设备，它能执行通常由人执行的任务；或一个人型的机器美国机器人学会（TheRobotInstituteofAmerica，1979)：“Areprogrammable,multifunctionalmanipulatordesignedtomovematerials,parts,tools,orspecializeddevicesthroughvariousprogrammedmotionsfortheperformanceofavarietyoftasks.”一个可再编程的多功能操作器，用来移动材料、零部件、工具等；或一个通过编程用于完成各种任务的专用设备。ISO，1987：工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能，能完成各种作业的可编程操作机。从完整的更为深远的机器人定义来看，应该更强调机器人智能，因此，机器人的定义是能够感知环境，能够有学习、情感和对外界一种逻辑判断思维的机器。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。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机器人的发展1954年，美国人G.Devol和J.Engleberger设计了一台可编程的机器人1961年，他们生产了世界上第一台工业机器人“Unimates”，并获得了专利1962年，Engleberger成立了Unimation公司，他被称为“机器人之父”日本从上世纪70年代中后期开始开发工业机器人，15年后就成为产量最多、应用最广的世界工业机器人“王国”。1978年美国Unimation公司推出通用工业机器人PUMA，这标志着工业机器人技术已经完全成熟。PUMA至今仍然工作在工厂第一线。1984年英格伯格再推机器人Helpmate，这种机器人能在医院里为病人送饭、送药、送邮件。同年，他还预言：“我要让机器人擦地板，做饭，出去帮我洗车，检查安全”。1998年丹麦乐高公司推出机器人(Mind-storms)套件，让机器人制造变得跟搭积木一样，相对简单又能任意拼装，使机器人开始走入个人世界。1999年日本索尼公司推出犬型机器人爱宝(AIBO)，当即销售一空，从此娱乐机器人成为目前机器人迈进普通家庭的途径之一。《机器人技术概论》讲义-3-2002年丹麦iRobot公司推出了吸尘器机器人Roomba，它能避开障碍，自动设计行进路线，还能在电量不足时，自动驶向充电座。Roomba是目前世界上销量最大、最商业化的家用机器人。2006年6月，微软公司推出MicrosoftRoboticsStudio，机器人模块化、平台统一化的趋势越来越明显，比尔·盖茨预言，家用机器人很快将席卷全球主要机器人厂家日本：Motoman、OTC、Panasonic、FANUC等美国：Adept等欧洲：奥地利IGM、德国CLOOS、KUKA、瑞典ABB韩国：HYUNDAI沈阳新松首钢莫托曼上海ABB为什么要发展机器人？简单说，机器人有三个方面是我们必要去发展的理由：一个是机器人做人不愿意做的事，把人从有毒的、有害的、高温的或危险的，这样的环境中解放出来，机器人可以做人做不好的活，比方说在汽车生产线上工人天天拿着一百多公斤的焊钳，一天焊几千个