机器人控制基础第一章

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1、机器人控制基础32学时1学习本门课程有什么用？学习本门课程有什么用？1 入门，为进一步研究做准备入门，为进一步研究做准备2 毕业设计毕业设计3 学分学分2 教材教材John J.Craig，机械工业出版社，机械工业出版社，2006.63主要掌握的内容主要掌握的内容1 机器人的动力学模型机器人的动力学模型 (主要掌握主要掌握)2 机器人的基本控制方法机器人的基本控制方法4需要的基本知识：需要的基本知识：（1 1）理论力学；）理论力学；（2 2）控制理论；）控制理论；（3 3）Matlab;Matlab;（4 4）微分方程和线性代数）微分方程和线性代数.5第一章第一章 绪论绪论1 机器人的基本概念

2、；机器人的基本概念；2 什么是机器人？2 机器人动力学与控制简介。机器人动力学与控制简介。（本课主要内容简介）6机器人机器人“HRP-4C”在欢迎游客在欢迎游客，售价大约为15万英镑 这是世界上第一款时装模特机器人这是世界上第一款时装模特机器人7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。8苹果MP4机器人 91

3、.1 机器人的基本概念机器人的基本概念1.1.1 机器人的发展历史机器人的发展历史（1）东汉张衡发明的指南车；）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；，瑞士钟表匠制作的木偶机器；（3）1920年，捷克剧作家年，捷克剧作家Karel Capek首次提出首次提出 Robota 一词；一词；（4）1950年，美国科幻作家年，美国科幻作家Assimov提出了机器提出了机器 人三守人三守 则；则；（5）1954年，美国人设计了第一台电子可编程机器人；年，美国人设计了第一台电子可编程机器人；（6）1962年，美国年，美国GM公司设计使用的第一台机器人公司设计使用的第一台

4、机器人 Unimate。10指南车指南车 木偶机器人木偶机器人 11Karel Capek Assimov12可编程机器人可编程机器人 Unimate13（7）1980年；机器人在日本得到普及；此年称为年；机器人在日本得到普及；此年称为机器机器人人 元年元年；（8）1995年年今，机器人的产量每年递增，机器人产今，机器人的产量每年递增，机器人产 业兴起；业兴起；（9）机器人学兴起，机器人向智能化发展。）机器人学兴起，机器人向智能化发展。机器人常见的杂志机器人常见的杂志 IEEERobotics Research Robotics Robotics and Automation机器人研究：美国的

5、机器人研究：美国的MIT机器人生产大国机器人生产大国 日本日本14（1）国际标准化组织（）国际标准化组织（ISO）的定义：）的定义：机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力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，以执行各种任务。（2）美国机器人协会（）美国机器人协会（RIA）的定义：）的定义：机器人是一种用于移动各种材料零件、工具和专用装机器人是一种用于移动各种材料零件、工具和专

6、用装置的，通过可编程序动作来执行各种任务的，具有编程置的，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。能力的多功能机械手。1.1.2 机器人的定义机器人的定义15（3）日本工业机器人协会（）日本工业机器人协会（JIRA）的定义：）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、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。通用机器。（2）美国国家标准局（）美国国家标准局（NSB）的定义：）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机器人是一种能够进行编程并在

7、自动控制下执行某些操作和移动作业任务的机械装置。操作和移动作业任务的机械装置。1.1.2 机器人的定义机器人的定义16（1）机器人的动作机构类似于人或人的某些器官；）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；）机器人具有一定程度的智能；（3）机器人具有通用性；）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）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；工作时不需要人的干预；（5）机器人是人造的机械装置。）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根据定义，可见机器人具有如下特点17（1）按代替人的器官分：

8、）按代替人的器官分：操作机器人、移动机器人、视觉机器人操作机器人、移动机器人、视觉机器人（2）按用途分：）按用途分：工业机器人、极限操作工业机器人、极限操作/探索机器人、娱乐机器人探索机器人、娱乐机器人（3）按控制方式分：）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、智能机器人器人、智能机器人1.1.3 机器人的种类机器人的种类18深蓝计算机深蓝计算机工业机器人工业机器人5公斤搬运机器人19电子狗电子狗火星探测器火星探测器电子眼数据手套数据手套“汇童”仿人机器人表演太极拳 201.2 操作臂的机构与控制操作臂的机构与控制本课

9、程的一些内容本课程的一些内容:操作臂的动力学操作臂的动力学操作臂的控制操作臂的控制212223控制任务是：把物体从控制任务是：把物体从A A点移动点移动到到B B点。点。24具体说来有以下内容具体说来有以下内容本课程的一些内容本课程的一些内容1.2.1 位姿描述位姿描述坐标系坐标系基坐标系基坐标系工具坐标系工具坐标系251.2.2 操作臂正运动学操作臂正运动学运动学（运动学（KinematicsKinematics）连杆、关节连杆、关节转动关节：关节角转动关节：关节角移动关节：关节偏距移动关节：关节偏距自由度自由度末端执行器末端执行器262728正运动学：正运动学：给定一组关节角，计算工具坐标

10、给定一组关节角，计算工具坐标系到基坐标系的位姿表示，即系到基坐标系的位姿表示，即关节空间关节空间到到笛笛卡尔空间卡尔空间的变换。的变换。291.2.3 操作臂逆运动学操作臂逆运动学逆运动学逆运动学逆运动学：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。姿态，计算所有可达位置和姿态的关节角。操作臂的工作空间操作臂的工作空间301.2.4 速度、静力、奇异性速度、静力、奇异性机构奇异性机构奇异性奇异点：奇异点：雅可比矩阵不可逆的点。雅可比矩阵不可逆的点。雅可比矩阵：雅可比矩阵：关节空间的速度到笛卡尔空间关节空间的速度到笛卡尔空间速度的映射。

11、速度的映射。关节力矩关节力矩到到接触力接触力和和力力矩矩的计算用到雅可比矩的计算用到雅可比矩阵阵31321.2.5 动力学动力学动力学的第二个作用是进行动力学的第二个作用是进行仿真仿真。动力学：动力学：为了控制操作臂的运动，计算出通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。过关节驱动产生的复杂力矩函数。仿真仿真:模拟，模拟，simulation,simulation,建立模型；在计算机上做实验。建立模型；在计算机上做实验。331.2.6 轨迹生成轨迹生成路径点路径点轨迹生成：轨迹生成：如何计算运动函数。如何计算运动函数。样条函数样条函数笛卡尔路径生成笛卡尔路径生成3400.1

12、0.20.30.40.50.60.70.80.9100.10.20.30.40.50.60.70.80.935焊接机器人焊接机器人 3637381.2.7 操作臂的设计与传感器操作臂的设计与传感器专用机器人：专用机器人：为特定任务设计的机器人。为特定任务设计的机器人。主要从预期任务进行考虑主要从预期任务进行考虑通用机器人：通用机器人：能完成某几类任务的机器人。能完成某几类任务的机器人。391.2.8 操作臂的线性位置控制操作臂的线性位置控制核心是知道动力学方程，主要讲核心是知道动力学方程，主要讲一下独立关节控制和一下独立关节控制和PIDPID控制控制控制算法控制算法对位置对位置和速度传感器进和

13、速度传感器进行检测，以计算行检测，以计算出驱动器的力矩出驱动器的力矩指令。指令。401.2.9 操作臂的非线性位置控制操作臂的非线性位置控制非线性控制系统非线性控制系统力控制是力控制是位置控制的补位置控制的补偿偿混合控制方式，混合控制方式，也就是说，在某些方向上用也就是说，在某些方向上用位位置控制法则置控制法则来控制，而其余方向通过来控制，而其余方向通过力控制力控制来来实现。实现。411.2.10 可编程机器人可编程机器人机器人编程语言机器人编程语言是用户是用户和工业机器人交互的接和工业机器人交互的接口。口。操作者将操作臂手臂上一个特殊的点指定为操作者将操作臂手臂上一个特殊的点指定为操操作点作

14、点，有时也叫做，有时也叫做TCP(TCP(工具中心点工具中心点)，操作者，操作者可以操作点相对于用户坐标系的期望位置来描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。述机器人的运动。421.2.11 离散编程和仿真离散编程和仿真离散编程系统离散编程系统是一个机是一个机器人编程环境。可以认器人编程环境。可以认为是一个仿真平台。为是一个仿真平台。43附录附录A A：MatlabMatlab语言语言A.1:A.1:数据类型数据类型A.1.1:常量与变量常量与变量1.变量变量2.常量常量pi eps inf NaN i(j)44 pians=3.1416 format long,pians=

15、3.1415926535897945A.1.2:Matlab数据类型数据类型1.数字变量数字变量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：变量的显示格式：format longformat short462.字符串字符串 s=I am a students=I am a student s=char(b,a,b,y);sans=baby473 向量向量（1）向量的生成）向量的生成直接输入法：直接输入法：x=2 4 6 8x=2 4 6 8冒号：冒号：

16、a=1:2:7a=1 3 5 7函数命令：函数命令：x=linspace(0,10,6)x=0 2 4 6 8 1048（2）向量的引用）向量的引用X(n)X(n1:n2)x=1 2 3 4 5;x(1:3)ans=1 2 349Isvector()：判断是否为向量：判断是否为向量length（）：（）：dot(a,b):cross(a,b):503 矩阵矩阵（1）矩阵的生成）矩阵的生成直接输入法：直接输入法：A=1 2 3;4 5 6;7 8 9A=1 2 3 4 5 6 7 8 951利用利用M文件创建文件创建在在M文件：文件：as36中输入：中输入：AA=1 2 3 4 5 6 7 8

17、9;as36 AAAA=1 2 3 4 5 6 7 8 952特殊矩阵的创建特殊矩阵的创建zeros(m)zeros(m,n)eye(m)eye(m,n)ones(m)ones(m,n)rand(m)rand(m,n).53 zeros(3)ans=0 0 0 0 0 0 0 0 0 zeros(2,3)ans=0 0 0 0 0 054（2）矩阵元素的引用）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 6 955（3）矩阵元素的修改）矩阵元素的修改D=A;B CA(n,:)=A(:,m)=A(n,m)=aA(n,:)=a,b

18、,A(:,m)=a,b,5657矩阵矩阵AD=size(A)V,D=eig(A)det(A)inv(A)rank（A）58例：例：A=magic(3)A=8 1 6 3 5 7 4 9 2 D=size(A)D=3 3 det(A)ans=-36059 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 -4.899060 inv(A)ans=0.1472 -0.1

19、444 0.0639 -0.0611 0.0222 0.1056 -0.0194 0.1889 -0.1028 rank(A)ans=361A.2:A.2:运算符运算符A.2.1:算术运算符算术运算符 */A.2.2:关系运算符关系运算符 =f=sym(sin(x)f=sin(x)syms x y f=sin(x)+sin(y)f=sin(x)+sin(y)63 findsym(f)ans=x,y syms a b;f1=subs(a+b,a,3)f1=3+b64A.4:MA.4:M文件文件命令文件（脚本文件）：命令文件（脚本文件）：s=1;for i=2:10 s=s*i;enddisp(1

20、0的阶乘为：);s as3310的阶乘为：的阶乘为：s=36288006566函数文件：函数文件：function s=jiecheng(n)%此函数用来求非负整数n的阶乘，参数n要求非负if n50 disp(已经大于50，终止循环);break;endendi73K dbstop at 5 in as34K ii=10K ss=1K dbstop in as34K dbstop if errorK dbstop if naninfK dbstop if infnanK dbstop if warningK dbstatus74Breakpoints for as34 are on line

21、s 2,5.Stop if error.Stop if warning.Stop if naninf.K declear at 4 in as34?Undefined command/function declear.K dbclear at 4 in as34K dbclear in as34 at 4Breakpoints for as34 are on lines 2,5.Stop if error.Stop if warning.Stop if naninf.K declear at 4 in as34?Undefined command/function declear 75K dbclear at 4 in as34K dbclear in as34 at 4K dbclear all in as34K dbclear all K dbclear if errorK dbclear if naninfK dbclear if warning76请同学们平时多加练习！请同学们平时多加练习！只有平时多加练习只有平时多加练习方能掌握内容！方能掌握内容！77演讲完毕，谢谢观看！