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第一章 1. 機器人的定義：工業(yè)機器人，一種用于移動各種材料、零件、工具或者專用裝置的、通過可編程序動作來執(zhí)行各種任務的，具有一定的記憶存儲和感知能力的，并且具有各種編程能力的多功能機械手。 機器人特征： 1）機器人的動作機構具有類似于人或其他生物某些器官（如肢體、感官等）的功能 2）機器人具有通用性，工作種類多樣，動作程序靈活多變，是柔性加工的重要組成部分 3）機器人具有不同程度的智能，如感知、推理、決策、學習等 4）機器人具有獨立性，完整的機器人系統(tǒng)，在工作中可以不依賴與人的干預 2. 機器人的分類： 第一代機器人（可編程、示教的工業(yè)機器人） 第二代機器人（具有一定的感知能力，低級智能機器人） 第三代機器人（具有高度適應性的自治機器人） 3. 按照開發(fā)內容和目的區(qū)分，可分為以下三類機器人 ? 工業(yè)機器人（ Industrial Robot）：如焊接、噴漆、裝配機器人。 ? 操縱機器人（ Teleoperator Robot）：如主從手，遙控排險、水下作業(yè)機器人。 ? 智能機器人（ Intelligent Robot）：如演奏、表演、下棋、探險機器人。 4. 機器人結構： 1）執(zhí)行機構: 機器人的足、腿、手、臂、腰及關節(jié)等，它是機器人運動和完成某項任務所必不可少的組成部分。 2）驅動和傳動裝置: 用來有效地驅動執(zhí)行機構的裝置，通常采用液壓、電動和氣動，有直接驅動和間接驅動二種方式。 3）傳感器: 是機器人獲取環(huán)境信息的工具，如視覺、聽覺、嗅覺、觸覺、力覺、滑覺和接近覺傳感器等，它們的功能相當于人的眼、耳、鼻、皮膚及筋骨。 4）控制器: 是機器人的核心，它負責對機器人的運動和各種動作控制及對環(huán)境的識別。 5. 機器人工作原理： 1）“示教再現(xiàn)”方式：通過“示教盒”或者人“手把手”兩種方式教機械手如何工作，控制器將示教過程記憶下來，然后機器人按照記憶周而復始的工作。 2）“可編程控制”方式：工作人員事先根據(jù)機器人的工作任務和運動軌跡編制控制程序，然后將控制程序輸入給機器人的控制器，起動控制程序，機器人就按照程序所規(guī)定的動作一步一步地去完成，如果任務變更，只要修改或重新編寫控制程序，非常靈活方便。大多數(shù)工業(yè)機器人都是按照前兩種方式工作的。 3）“遙控”方式：由人用有線或無線遙控器控制機器人在人難以到達或危險的場所完成某項任務。 4）“自主控制” 方式：是機器人控制中最高級、最復雜的控制方式，它要求機器人在復雜的非結構化環(huán)境中具有識別環(huán)境和自主決策能力，也就是要具有人的某些智能行為。 6. 位置控制 ? 點位控制－ PTP（ Point to Point）：只考慮起始點和目的點的位置，而不考慮兩點之間的移動路徑的控制方式，適用于上下料、點焊、搬運等； ? 連續(xù)路徑控制－ CP（ Continuous Path）：不但要求機器人以一定的精度到達目標點，而且對其移動的軌跡形式有一定精度范圍的要求。 第二章 1. 機器人的分類 1） 按機器人的控制方式分類：非伺服機器人、伺服控制機器人（點位伺服控制、連續(xù)軌跡伺服控制 2）按機器人結構坐標系特點方式分類：直角坐標機器人、圓柱坐標型機器人、極坐標機器人、多關節(jié)機器人。 2. 驅動方式： a.液壓驅動 優(yōu)點： 1)液壓容易達到較高的壓力(常用液壓為2.5~6.3MPa)，體積較小，可以獲得較大的推力或轉矩； 2)液壓系統(tǒng)介質的可壓縮性小，工作平穩(wěn)可靠，并可得到較高的位置精度; 3)液壓傳動中，力、速度和方向比較容易實現(xiàn)自動控制； 4)液壓系統(tǒng)采用油作介質，具有防銹性和自潤滑性能，可以提高機械效率， 使用壽命長。 液壓傳動系統(tǒng)的不足： 1)油液的粘度隨溫度變化而變化，影響工作性能，高溫容易引起燃燒爆炸等危險； 2)液體的泄漏難于克服，要求液壓元件有較高的精度和質量，故造價較高； 3)需要相應的供油系統(tǒng)，尤其是電液伺服系統(tǒng)要求嚴格的濾油裝置，否則會引起故障。 b.氣壓驅動 與液壓驅動相比，氣壓驅動的特點： 1)壓縮空氣粘度小，容易達到高速(1m/s)； 2)利用工廠集中的空氣壓縮機站供氣，不必添加動力設備； 3)空氣介質對環(huán)境無污染，使用安全，可直接應用于高溫作業(yè)； 4)氣動元件工作壓力低，故制造要求比液壓元件低。 不足： 1)壓縮空氣常用壓力為0.4~0.6MPa，若要獲得較大的力，其結構就要相對增大； 2)空氣壓縮性大，工作平穩(wěn)性差，速度控制困難，要達到準確的位置控制很困難； 3)壓縮空氣的除水問題是一個很重要的問題，處理不當會使鋼類零件生銹，導致機器人失靈。此外，排氣還會造成噪聲污染。 c.電動機驅動 電動機驅動分為普通交流電動機驅動，交、直流伺服電動機和步進電動機驅動。 普通交、直流電動機驅動需要加減速裝置，輸出力矩大，但控制性能差，慣性大，適用于中型或重型機器人。 伺服電動機和步進電動機輸出力矩相對小，控制性能好，可實現(xiàn)速度和位置的精確控制，適用于中小型機器人。 交、直流伺服電動機一般用于閉環(huán)控制系統(tǒng)，而步進電動機則主要用于開環(huán)控制系統(tǒng)，一般用于速度和位置精度要求不高的場合。 3. 機器人的構型 1、 直角坐標型 (3P) 結構、控制算法簡單，定位精度高；但工作空間較小，占地面積大，慣性大，靈活性差。 2、圓柱坐標型 (R2P) 結構簡單緊湊，運動直觀，其運動耦合性較弱，控制也較簡單，運動靈活性稍好。但自身占據(jù)空間也較大，但轉動慣量較大，定位精度相對較低。 3、極坐標型（也稱球面坐標型） (2RP) 有較大的作業(yè)空間，結構緊湊較復雜，定位精度較低。 4、關節(jié)坐標型 (3R) 對作業(yè)的適應性好，工作空間大，工作靈活，結構緊湊，通用性強，但坐標計算和控制較復雜，難以達到高精度。 5、平面關節(jié)型 (Selective Compliance Assembly Robot Arm ， 簡稱SCARA) 僅平面運動有耦合性，控制較通用關節(jié)型簡單。運動靈活性更好，速度快，定位精度高，鉛垂平面剛性好，適于裝配作業(yè)。 4. 自由度 自由度是指描述物體運動所需要的獨立坐標數(shù)。機器人的自由度表示機器人動作靈活的尺度，一般以軸的直線移動、擺動或旋轉動作的數(shù)目來表示，手部的動作不包括在內。 機器人的自由度越多，就越能接近人手的動作機能，通用性就越好；但是自由度越多，結構越復雜，對機器人的整體要求就越高，這是機器人設計中的一個矛盾。 第三章 1. 機器人的運動學即是研究機器人手臂末端執(zhí)行器位置和姿態(tài)與關節(jié)變量空間之間的關系。機器人運動學從幾何或機構的角度描述和研究機器人的運動特性，而不考慮引起這些運動的力或力矩的作用。機器人運動學有如下兩類基本問題： 1）機器人運動方程的表示問題，即正向運動學：對一給定的機器人，已知連桿的幾何參數(shù)和關節(jié)變量，欲求機器人末端執(zhí)行器相對于參考坐標系的位置和姿態(tài)。 2）機器人運動方程的求解問題，即逆向運動學：已知機器人連桿的幾何參數(shù)，給定機器人末端執(zhí)行器相對于參考坐標系的期望位置和姿態(tài)（位姿），求機器人能夠達到預期位姿的關節(jié)變量。 2. 當機器人執(zhí)行工作任務時，其控制器根據(jù)加工軌跡指令規(guī)劃好位姿序列數(shù)據(jù)，實時運用逆向運動學算法計算出關節(jié)參數(shù)序列，并依此驅動機器人關節(jié)，使末端按照預定的位姿序列運動。 3. 小結: 齊次變換可以用來描述空間坐標系的位置與方向。如果坐標系被固定在物體或機械手連桿上，那么該物體或機械手的位置與方向同樣很容易被描述。 物體A相對于物體B的齊次變換可以求其逆，來獲得物體B相對于物體A的描述。 變換可以表示為旋轉變換和/或平移變換的乘積。如果變換是從左到右，那么旋轉和/或平移是相對于當前的坐標系。如果變換是從右到左，那么旋轉和/或平移是相對于參考坐標系進行。 齊次變換用正交分量來描述坐標系，即用角度的正弦和余弦。這種描述可與旋轉聯(lián)系起來。在一般性旋轉的情況下，旋轉是繞任意向量旋轉θ角。 4. 連桿參數(shù)【Denavit-Hartenberg(D-H)參數(shù)】 連桿參數(shù)：連桿長度ai-1：zi-1沿著xi-1到zi的距離；連桿扭轉角αi-1：zi-1繞xi-1到zi的轉角； 關節(jié)參數(shù)：關節(jié)偏置di：xi-1沿著zi到xi的距離；關節(jié)轉角θi ：xi-1繞zi到xi的轉角。 5. 關節(jié)空間：有n個自由度的工業(yè)機器人所有連桿的位置和姿態(tài)，可以用一組關節(jié)變量(di或θi)來描述。這組變量通常稱為關節(jié)矢量或關節(jié)坐標，由這些矢量描述的空間稱為關節(jié)空間。 ? 正向運動學：關節(jié)空間→末端笛卡兒空間，單射 ? 逆向運動學：末端笛卡兒空間→關節(jié)空間，復射 6. 自由度機械手封閉解形式運動學逆解存在的兩個充分條件：（滿足其中之一條件即可） 1. 任意相鄰三個關節(jié)軸線相交于一點。 2. 任意相鄰三個關節(jié)軸線相互平行。 7. 基本概念 操作機的工作空間：機器人操作機正常運行時，末端執(zhí)行器坐標系的原點能在空間活動的最大范圍；或者說該原點可達點占有的體積空間。這一空間又稱可達空間或總工作空間，記作W(P)。 靈活工作空間： 在總工作空間內，末端執(zhí)行器可以任意姿態(tài)達到的點所構成的工作空間。記作Wp (P)。 次工作空間： 總工作空間中去掉靈活工作生間所余下的部分。記作Ws (P)。 W (p)= Wp(p)+ Ws(p) 第四章 第三章討論機器人操作臂的位移關系，建立了操作臂的運動學方程。研究了運動學方程的反解、建立了操作空間與關節(jié)空間的映射關系。本章將在位移分析的基礎上，進行速度分析。研究操作空間速度與關節(jié)空間速度之間的線性映射關系----雅可比矩陣。 雅可比不僅用來表示操作空間與關節(jié)空間之間速度線性映射關系。同時也用來表示兩空間之間力的傳遞關系。 1. 微分旋轉其結果與轉動次序無關，這是與有限轉動（一般旋轉）的一個重要區(qū)別。 2. 任意兩個微分旋轉的結果為繞每個軸轉動的元素的代數(shù)和，即微分旋轉是可加的。 3. 雅可比矩陣： 機械手的直角空間運動速度與關節(jié)空間運動速度之間的變換稱之為雅可比矩陣。關節(jié)空間向直角空間速度的傳動比。 4. 當微分變換是由直角坐標空間向關節(jié)坐標空間進行時，上式等號右邊矩陣是逆雅可比矩陣。 5. 式中， JT(q)稱為操作臂的力雅可比，表示在靜平衡時，F(xiàn)向t 映射的線性關系。 可以看出：力雅可比＝運動雅可比的轉置，即操作臂的靜力傳遞關系與速度有關。 6. 奇異形位： 對于關節(jié)空間的某些形位q，操作臂的雅克比矩陣的秩減少，這些形位稱為操作臂的奇異形位。當機械手的雅克比行列式為0，矩陣的秩為1，因而處于奇異狀態(tài)。關節(jié)速度趨向于無窮大。從幾何上看，機械手完全伸直，或完全縮回時，機械手末端喪失了徑向自由度，僅能切向運動。在奇異形位時，機械手在操作空間的自由度將減少。 7. 四種構造操作臂雅克比的方法： 對于平面機器人可以采用直接微分法求J，對于三維空間的機器人不適用，可得（x,y,z）T的顯示方程，J的前三行可以直接微分得到，但找不到（θx，θy，θz）的一般表達式，故常用構造法求J 矢量積法、微分變換方法：處理6自由度的操作臂 速度遞推方法 力和力矩遞推方法 第五章 1. 靜力學和動力學分析，是機器人機械臂設計和動態(tài)性能分析的基礎。特別是動力學分析，它還是機器人控制器設計、動態(tài)仿真的基礎。 機器人靜力學研究機器人靜止或緩慢運動時，作用在機器人上的力和力矩問題。特別是當手端與環(huán)境接觸時，各關節(jié)力（矩）與接觸力的關系。 機器人動力學研究機器人運動與關節(jié)驅動力（矩）間的動態(tài)關系。描述這種動態(tài)關系的微分方程稱為動力學模型。由于機器人結構的復雜性，其動力學模型也常常很復雜，因此很難實現(xiàn)基于機器人動力學模型的實時控制。然而高質量的控制應當基于被控對象的動態(tài)特性，因此，如何合理簡化機器人動力學模型，使其適合于實時控制的要求，一直是機器人動力學研究者追求的目標。 2. 有兩類問題： 動力學正問題： 已知機械手各關節(jié)的作用力或力矩，求各關節(jié)的位移、速度、加速度、運動軌跡； 動力學逆問題： 已知機械手的運動軌跡，即各關節(jié)的位移、速度和加速度，求各關節(jié)的驅動力和力矩。 3. 研究目的： 1、合理地確定各驅動單元（以下稱關節(jié)）的電機功率。 2、解決對伺服驅動系統(tǒng)的控制問題（力控制）。 在機器人處于不同位置圖形（位形）時，各關節(jié)的有效慣量及耦合量都會發(fā)生變化（時變的），因此，加于各關節(jié)的驅動力也應是時變的，可由動力學方程給以確定。 4. 該式表明關節(jié)空間和直角坐標空間廣義力可以借助于雅可比矩陣 J 進行變換。這種變換關系，也可推廣到任兩桿間固聯(lián)直角坐標系中的廣義力變換，這時應將關節(jié)空間與直角坐標空間的雅可比矩陣，換作直角坐標空間的雅可比矩陣。 5. 動力學研究方法： 1） 拉格朗日方程法： 通過動、勢能變化與廣義力的關系，建立機器人的動力學方程。計算量O（n4），經(jīng)優(yōu)化O(n3)，遞推O(n)。 2） 牛頓—歐拉方程法： 用構件質心的平動和相對質心的轉動表示機器人構件的運動，利用動靜法建立基于牛頓—歐拉方程的動力學方程。計算量O(n)。 3） 高斯原理法: 利用力學中的高斯最小約束原理,把機器人動力學問題化成極值問題求解。用以解決第二類問題。計算量O(n3)。 4） 凱恩方程法： 引入偏速度概念，應用矢量分析建立動力學方程。該方法在求構件的速度、加速度及關節(jié)驅動力時，只進行一次由基礎到末桿的推導，即可求出關節(jié)驅動力，其間不必求關節(jié)的約束力，具有完整的結構，也適用于閉鏈機器人。計算量O(n!)。 6. 拉格朗日(Lagrangian)函數(shù)： L=K-P, K為動能， P為勢能 動力學求解步驟：求取質點的速度、求質點的動能、求質點的位能、構造拉格朗日函數(shù)、推導動力學方程 7. 動力學逆問題遞推算法： 1）向外遞推計算各連桿的速度和加速度，由牛頓-歐拉公式算出各連桿的慣性力和力矩； 2）向內遞推計算各連桿相互作用的力和力矩，以及關節(jié)驅動力或力矩。 8. 機械手動態(tài)特性： 動態(tài)特性指： 工作精度、重復能力、 穩(wěn)定性、空間分辨率 第六章 1. 軌跡規(guī)劃： 機械手常用的兩種軌跡規(guī)劃方法：方法一：給出插值點上一組顯式約束。方法二：給出運動路徑的解析式。 軌跡規(guī)劃可在關節(jié)空間或直角空間中。 規(guī)劃器的任務：解變換方程，運動學反解和插值運算。 2. 關節(jié)空間規(guī)劃方法： 可保證關節(jié)路徑平穩(wěn)，有效避免奇異形位；計算簡單、容易；但手爪運動軌 跡不直觀，不利避障。 直角坐標空間規(guī)劃方法： 有利于作業(yè)的描述，直觀、路徑準確；但需逆運動計算，計算量大，難 以避免奇異形位， 控制周期長。 3. 路徑點的關節(jié)速度的確定： 根據(jù)工具坐標系在直角坐標空間中的瞬時線速度和角速度確定 在直角坐標空間或關節(jié)空間中采用適當?shù)膯l(fā)式方法，由控制系統(tǒng)自動選擇 為保證每個路徑點的加速度連續(xù)，由控制系統(tǒng)按此要求自動選擇 第七章 1. 機器人運動學 描述機器人末端執(zhí)行器與各關節(jié)之間的運動微分。為結構設計提供運動特性分析方法， 是動力學建模與位姿軌跡控制的基礎。 機器人動力學建模 是基于運動學模型和剛體動力學理論，建立驅動力和力矩與關節(jié)位移、速度和加速度之間的聯(lián)系。模型為結構設計提供力學特性分析方法， 為控制系統(tǒng)設計提供模型依據(jù)。 機器人控制問題 是基于機器人運動學和動力學模型，根據(jù)具體的性能指標設計其控制算法與系統(tǒng)， 使機器人能按要求正常工作的理論與技術方法。 2. 從動力學的角度，機器人具有以下特性： （1） 非線性 引起機器人非線性的因數(shù)很多，機構構型、傳動機構、驅動元件等都會引起系統(tǒng)的非線性。 （2） 強耦合 各關節(jié)具有耦合作用，表現(xiàn)為某一個關節(jié)的運動，會對其他關節(jié)產(chǎn)生動力效應，使得每個關節(jié)都要承受其他關節(jié)運動所產(chǎn)生的擾動。 （3） 時變 機器人系統(tǒng)是一個時變系統(tǒng)，動力學參數(shù)隨著關節(jié)運動位置的變化而變化。 3. 控制系統(tǒng)硬件一般包括3個部分： （1） 感知部分 用來收集機器人的內部和外部信息，如位置、速度、加速度傳感器可感受機器人本體狀態(tài)，而視覺、觸覺、力覺等傳感器可感受機器人工作環(huán)境的外部狀態(tài)； （2） 控制裝置 用來處理各種信息，完成控制算法，產(chǎn)生必要的控制指令，它包括計算機及相應的接口，通常為多CPU層次式控制模塊結構； （3） 伺服驅動部分 為了使機器人完成操作及移動功能， 機器人各關節(jié)的驅動機視作業(yè)要求不同可為氣動、液動、交直流電動等。 4. 一般機器人控制性能要求： （1）在工作空間的可控性 （2） 穩(wěn)定性（ 收斂性－衰減振蕩） 、相對穩(wěn)定性（ 無超調） （3） 動態(tài)響應性能 保證機器人快速到達指定的位姿并保持平衡狀態(tài) （4） 定位精度、重復定位精度、軌跡跟蹤精度 5. 仿人機器人對自動控制系統(tǒng)的控制的要求： （1）多軸運動協(xié)調控制 （2）不要求高剛度，但要求高穩(wěn)定型 （3）位置無超調， 動態(tài)響應速度快 （4）要求控制單元的處理器具有很高的處理速度 （5）要求結構緊湊 6. 單關節(jié)的線性模型和控制： 當機器人在低速小負載運動， 各關節(jié)動力學特性中的重力和關節(jié)間耦合可以忽略，慣量參數(shù)變化不大時，機器人可以采用單關節(jié)位置伺服反饋控制實現(xiàn)有效運動。 7. 操作臂的多關節(jié)控制： 1） 基于前饋和反饋的計算力矩的控制方法 2） 線性多變量控制方法 3） 自適應控制