机器人控制基础第一章.ppt

机器人控制基础第一章,1,机器人控制基础,32学时,2,机器人控制基础第一章,学习本门课程有什么用？,1 入门，为进一步研究做准备2 毕业设计3 学分,3,机器人控制基础第一章,教材,John J. Craig，机械工业出版社， 2006.6,4,机器人控制基础第一章,主要掌握的内容,1 机器人的动力学模型 (主要掌握)2 机器人的基本控制方法,5,机器人控制基础第一章,需要的基本知识：（1）理论力学； （2）控制理论；（3）Matlab;（4）微分方程和线性代数.,第一章 绪论,机器人的基本概念； 什么是机器人？ 机器人动力学与控制简介 （本课主要内容简介）,7,机器人控制基础第一章,机器人“HRP-4C”在欢迎游客 ，售价大约为15万英镑 这是世界上第一款时装模特机器人,8,机器人控制基础第一章,你能想想一个骑自行车的机器人能够拥有连人类都无法做到的平衡能力吗？近日，来自日本的一款名为Murata Boy的平衡机器人就让人们大跌眼镜它可以通过内置的多个感应器配合智能调节装置保持机器人近乎完美的平衡状态，甚至在完全静止的时候都可以纹丝不动前置的超声感应装置还可以让机器人在遇到无法逾越的障碍物时自动停止，避免事故的发生。

9,机器人控制基础第一章,苹果MP4机器人,10,机器人控制基础第一章,1.1 机器人的基本概念,1.1.1 机器人的发展历史（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；（3）1920年，捷克剧作家Karel Capek首次提出 Robota 一词；（4）1950年，美国科幻作家Assimov提出了机器 人三守 则；（5）1954年，美国人设计了第一台电子可编程机器人；（6）1962年，美国GM公司设计使用的第一台机器人 Unimate11,机器人控制基础第一章,指南车 木偶机器人,12,机器人控制基础第一章,Karel Capek Assimov,13,机器人控制基础第一章,可编程机器人 Unimate,14,机器人控制基础第一章,（7）1980年；机器人在日本得到普及；此年称为机器人 元年；（8）1995年今，机器人的产量每年递增，机器人产 业兴起；（9）机器人学兴起，机器人向智能化发展机器人常见的杂志 IEEERobotics Research Robotics Robotics and Automation机器人研究：美国的MIT机器人生产大国 日本,15,机器人控制基础第一章,（1）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，以执行各种任务。

2）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、工具和专用装置的，通过可编程序动作来执行各种任务的，具有编程能力的多功能机械手1.1.2 机器人的定义,16,机器人控制基础第一章,（3）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替代人类劳动的通用机器2）美国国家标准局（NSB）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1.1.2 机器人的定义,17,机器人控制基础第一章,（1）机器人的动作机构类似于人或人的某些器官；（2）机器人具有一定程度的智能；（3）机器人具有通用性；（4）机器人具有独立性，一旦工作程序设定，机器人在 工作时不需要人的干预；（5）机器人是人造的机械装置根据定义，可见机器人具有如下特点,18,机器人控制基础第一章,（1）按代替人的器官分： 操作机器人、移动机器人、视觉机器人（2）按用途分： 工业机器人、极限操作/探索机器人、娱乐机器人（3）按控制方式分： 操纵机器人、程序机器人、示教再现机器人、数控机 器人、智能机器人,1.1.3 机器人的种类,19,机器人控制基础第一章,深蓝计算机,工业机器人,5公斤搬运机器人,20,机器人控制基础第一章,电子狗,火星探测器,电子眼,数据手套,“汇童”仿人机器人表演太极拳,21,机器人控制基础第一章,1.2 操作臂的机构与控制,本课程的一些内容:操作臂的动力学操作臂的控制,22,机器人控制基础第一章,23,机器人控制基础第一章,24,机器人控制基础第一章,控制任务是：把物体从A点移动到B点。

25,机器人控制基础第一章,具体说来有以下内容,本课程的一些内容,1.2.1 位姿描述,坐标系,基坐标系,工具坐标系,26,机器人控制基础第一章,1.2.2 操作臂正运动学,运动学（Kinematics）,连杆、关节,转动关节：关节角移动关节：关节偏距,自由度,末端执行器,27,机器人控制基础第一章,28,机器人控制基础第一章,29,机器人控制基础第一章,正运动学：给定一组关节角，计算工具坐标系到基坐标系的位姿表示，即关节空间到笛卡尔空间的变换30,机器人控制基础第一章,1.2.3 操作臂逆运动学,逆运动学,逆运动学：给定操作臂末端执行器的位置和姿态，计算所有可达位置和姿态的关节角操作臂的工作空间,31,机器人控制基础第一章,1.2.4 速度、静力、奇异性,机构奇异性,奇异点：雅可比矩阵不可逆的点雅可比矩阵：关节空间的速度到笛卡尔空间速度的映射关节力矩到接触力和力矩的计算用到雅可比矩阵,32,机器人控制基础第一章,33,机器人控制基础第一章,1.2.5 动力学,动力学的第二个作用是进行仿真动力学：为了控制操作臂的运动，计算出通过关节驱动产生的复杂力矩函数仿真:模拟，simulation,建立模型；在计算机上做实验。

34,机器人控制基础第一章,1.2.6 轨迹生成,路径点,轨迹生成：如何计算运动函数样条函数,笛卡尔路径生成,35,机器人控制基础第一章,用Matlab画出的三次样条函数,36,机器人控制基础第一章,焊接机器人,37,机器人控制基础第一章,38,机器人控制基础第一章,39,机器人控制基础第一章,1.2.7 操作臂的设计与传感器,专用机器人：为特定任务设计的机器人主要从预期任务进行考虑,通用机器人：能完成某几类任务的机器人40,机器人控制基础第一章,1.2.8 操作臂的线性位置控制,核心是知道动力学方程，主要讲一下独立关节控制和PID控制,控制算法对位置和速度传感器进行检测，以计算出驱动器的力矩指令41,机器人控制基础第一章,1.2.9 操作臂的非线性位置控制,非线性控制系统,力控制是位置控制的补偿,混合控制方式，也就是说，在某些方向上用位置控制法则来控制，而其余方向通过力控制来实现42,机器人控制基础第一章,1.2.10 可编程机器人,机器人编程语言是用户和工业机器人交互的接口操作者将操作臂手臂上一个特殊的点指定为操作点，有时也叫做TCP(工具中心点)，操作者可以操作点相对于用户坐标系的期望位置来描述机器人的运动。

43,机器人控制基础第一章,1.2.11 离散编程和仿真,离散编程系统是一个机器人编程环境可以认为是一个仿真平台44,机器人控制基础第一章,附录A：Matlab语言,A.1:数据类型,A.1.1: 常量与变量 变量2. 常量pi eps inf NaN i(j),45,机器人控制基础第一章, pians = 3.1416 format long, pians = 3.14159265358979,46,机器人控制基础第一章,A.1.2: Matlab数据类型 数字变量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)变量的显示格式：format longformat short,47,机器人控制基础第一章,2. 字符串 s=I am a students =I am a student s=char(b,a,b,y); sans =baby,48,机器人控制基础第一章,3 向量（1）向量的生成直接输入法： x=2 4 6 8x = 2 4 6 8冒号： a=1:2:7a = 1 3 5 7函数命令： x=linspace(0,10,6)x = 0 2 4 6 8 10,49,机器人控制基础第一章,（2）向量的引用X(n)X(n1:n2) x=1 2 3 4 5; x(1:3)ans = 1 2 3,50,机器人控制基础第一章,Isvector( )：判断是否为向量length（）：dot(a,b):cross(a,b):,51,机器人控制基础第一章,3 矩阵（1）矩阵的生成直接输入法： A=1 2 3;4 5 6;7 8 9A = 1 2 3 4 5 6 7 8 9,52,机器人控制基础第一章,利用M文件创建在M文件：as36中输入：AA=1 2 3 4 5 6 7 8 9; as36 AAAA = 1 2 3 4 5 6 7 8 9,53,机器人控制基础第一章,特殊矩阵的创建zeros(m)zeros(m,n)eye(m)eye(m,n)ones(m)ones(m,n)rand(m)rand(m,n).,54,机器人控制基础第一章, zeros(3)ans = 0 0 0 0 0 0 0 0 0 zeros(2,3)ans = 0 0 0 0 0 0,55,机器人控制基础第一章,（2）矩阵元素的引用A(n,:)A(:,m)A(n,m) A=1 2 3;4 5 6;7 8 9 A(:,3)ans = 3 6 9,56,机器人控制基础第一章,（3）矩阵元素的修改D=A;B CA(n,:)=A(:,m)=A(n,m)=aA(n,:)=a,b,A(:,m)=a,b,57,机器人控制基础第一章, A=1 2 3;4 5 6; B=eye(2); BB = 1 0 0 1 C=zeros(2,1)C = 0 0 D=A;B CD = 1 2 3 4 5 6 1 0 0 0 1 0,58,机器人控制基础第一章,矩阵AD=size(A)V,D=eig(A)det(A)inv(A)rank（A）,59,机器人控制基础第一章,例： A=magic(3)A = 8 1 6 3 5 7 4 9 2 D=size(A)D = 3 3 det(A)ans = -360,60,机器人控制基础第一章, V,D=eig(A)V = -0.5774 -0.8131 -0.3416 -0.5774 0.4714 -0.4714 -0.5774 0.3416 0.8131D = 15.0000 0 0 0 4.8990 0 0 0 -4.8990 E=eig(A)E = 15.0000 4.8990 -4.8990,61,机器人控制基础第一章, inv(A)ans = 0.1472 -0.1444 0.0639 -0.0611 0.0222 0.1056 -0.0194 0.1889 -0.1028 rank(A)ans = 3,62,机器人控制基础第一章,A.2:运算符,A.2.1: 算术运算符 * / A.2.2: 关系运算符 = =A.2.3: 逻辑运算符& | xor,63,机器人控制基础第一章,A.3:符号运算, f=sym(sin(x) f = sin(x) syms x y f=sin(x)+sin(y) f = sin(x)+sin(y),64,机器人控制基础第一章, findsym(f)ans =x, y syms a b; f1=subs(a+b,a,3) f1 = 3+b,65,机器人控制基础第一章,A.4: M文件,命令文件（脚本文件）：s=1;for i=2:10 s=s*i;enddisp(10的阶乘为：);s as3310的阶乘为：s = 3628800,66,机器人控制基础第一章, whos Name Size Bytes Class i 1x1 8 doubl。