機(jī)器人及其控制第一章匯編

1、1機(jī)器人控制(kngzh)基礎(chǔ)32學(xué)時(shí)(xush)共七十八頁(yè)姓名：王石單位：電氣學(xué)院(xuyun)手機(jī):_mail: 1447633352共七十八頁(yè)3學(xué)習(xí)(xux)本門(mén)課程有什么用？1 入門(mén)，為進(jìn)一步研究(ynji)做準(zhǔn)備2 畢業(yè)設(shè)計(jì)3 學(xué)分共七十八頁(yè)4 教材(jioci)John J. Craig，機(jī)械(jxi)工業(yè)出版社， 2006.6共七十八頁(yè)5主要掌握(zhngw)的內(nèi)容1 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)，動(dòng)力學(xué)2 機(jī)器人的基本(jbn)控制方法共七十八頁(yè)6需要的基本知識(shí)：（1）理論力學(xué)； （2）控制理論；（3）Matlab;（4）微分方程(wi fn fn chn)和線性代數(shù)

2、.共七十八頁(yè)第一章 緒論(xln)機(jī)器人的基本概念； 什么是機(jī)器人？ 機(jī)器人動(dòng)力學(xué)與控制(kngzh)簡(jiǎn)介。 （本課主要內(nèi)容簡(jiǎn)介）共七十八頁(yè)8機(jī)器人“HRP-4C”在歡迎游客(yuk) ，售價(jià)大約為15萬(wàn)英鎊 這是世界上第一款時(shí)裝模特機(jī)器人共七十八頁(yè)9你能想想一個(gè)騎自行車(chē)的機(jī)器人能夠擁有連人類(lèi)都無(wú)法做到的平衡能力嗎？近日，來(lái)自日本的一款名為Murata Boy的平衡機(jī)器人就讓(ji rn)人們大跌眼鏡。它可以通過(guò)內(nèi)置的多個(gè)感應(yīng)器配合智能調(diào)節(jié)裝置保持機(jī)器人近乎完美的平衡狀態(tài)，甚至在完全靜止的時(shí)候都可以紋絲不動(dòng)。前置的超聲感應(yīng)裝置還可以讓機(jī)器人在遇到無(wú)法逾越的障礙物時(shí)自動(dòng)停止，避免事故的發(fā)生。 共

3、七十八頁(yè)10蘋(píng)果(pnggu)MP4機(jī)器人 共七十八頁(yè)111.1 機(jī)器人的基本概念1.1.1 機(jī)器人的發(fā)展歷史（1）東漢張衡發(fā)明的指南車(chē)；（2）1768-1774，瑞士鐘表匠制作的木偶機(jī)器；（3）1920年，捷克劇作家Karel Capek首次提出 Robota 一詞；（4）1950年，美國(guó)科幻(k hun)作家Assimov提出了機(jī)器 人三守 則；（5）1954年，美國(guó)人設(shè)計(jì)了第一臺(tái)電子可編程機(jī)器人；（6）1962年，美國(guó)GM公司設(shè)計(jì)使用的第一臺(tái)機(jī)器人 Unimate。共七十八頁(yè)12指南車(chē) 木偶(m u)機(jī)器人 共七十八頁(yè)13Karel Capek Assimov共七十八頁(yè)14可編程機(jī)器人

4、Unimate共七十八頁(yè)15（7）1980年；機(jī)器人在日本得到普及；此年稱(chēng)為機(jī)器人 元年；（8）1995年今，機(jī)器人的產(chǎn)量每年遞增，機(jī)器人產(chǎn) 業(yè)興起；（9）機(jī)器人學(xué)興起，機(jī)器人向智能化發(fā)展。機(jī)器人常見(jiàn)的雜志 IEEERobotics Research Robotics 日本Advanced Robotics機(jī)器人研究：美國(guó)的MIT機(jī)器人生產(chǎn)(shngchn)大國(guó) 日本共七十八頁(yè)16（1）國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）的定義： 機(jī)器人是一種自動(dòng)的、位置可控的、具有編程能力的多功能機(jī)械手，這種機(jī)械手具有幾個(gè)軸，能夠(nnggu)借助于可編程序操作來(lái)處理各種材料、零件、工具和專(zhuān)用裝置，以執(zhí)行各種任務(wù)。（2

5、）美國(guó)機(jī)器人協(xié)會(huì)（RIA）的定義： 機(jī)器人是一種用于移動(dòng)各種材料零件、工具和專(zhuān)用裝置的，通過(guò)可編程序動(dòng)作來(lái)執(zhí)行各種任務(wù)的，具有編程能力的多功能機(jī)械手。1.1.2 機(jī)器人的定義(dngy)共七十八頁(yè)17（3）日本工業(yè)機(jī)器人協(xié)會(huì)（JIRA）的定義： 工業(yè)機(jī)器人是一種裝備有記憶裝置和末端(m dun)執(zhí)行器的、能夠轉(zhuǎn)動(dòng)并通過(guò)自動(dòng)完成各種移動(dòng)來(lái)替代人類(lèi)勞動(dòng)的通用機(jī)器。（2）美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局（NSB）的定義： 機(jī)器人是一種能夠進(jìn)行編程并在自動(dòng)控制下執(zhí)行某些操作和移動(dòng)作業(yè)任務(wù)的機(jī)械裝置。1.1.2 機(jī)器人的定義(dngy)共七十八頁(yè)18（1）機(jī)器人的動(dòng)作機(jī)構(gòu)類(lèi)似于人或人的某些器官；（2）機(jī)器人具有(jyu)

6、一定程度的智能；（3）機(jī)器人具有通用性；（4）機(jī)器人具有獨(dú)立性，一旦工作程序設(shè)定，機(jī)器人在 工作時(shí)不需要人的干預(yù)；（5）機(jī)器人是人造的機(jī)械裝置。根據(jù)定義，可見(jiàn)機(jī)器人具有(jyu)如下特點(diǎn)共七十八頁(yè)19（1）按代替人的器官分： 操作機(jī)器人、移動(dòng)機(jī)器人、視覺(jué)機(jī)器人（2）按用途分： 工業(yè)機(jī)器人、極限操作/探索機(jī)器人、娛樂(lè)(yl)機(jī)器人（3）按控制方式分： 操縱機(jī)器人、程序機(jī)器人、示教再現(xiàn)機(jī)器人、數(shù)控機(jī) 器人、智能機(jī)器人1.1.3 機(jī)器人的種類(lèi)(zhngli)共七十八頁(yè)20深藍(lán)計(jì)算機(jī)工業(yè)(gngy)機(jī)器人5公斤(n jn)搬運(yùn)機(jī)器人共七十八頁(yè)21電子狗火星(huxng)探測(cè)器電子眼數(shù)據(jù)(shj)手套“

7、匯童”仿人機(jī)器人表演太極拳 共七十八頁(yè)221.2 操作(cozu)臂的機(jī)構(gòu)與控制本課程的一些內(nèi)容:操作(cozu)臂(或機(jī)械手)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)操作臂（Manipulator）的控制共七十八頁(yè)23共七十八頁(yè)24共七十八頁(yè)25具體說(shuō)來(lái)有以下內(nèi)容本課程(kchng)的一些內(nèi)容1.2.1 位姿描述(mio sh)坐標(biāo)系基坐標(biāo)系工具坐標(biāo)系共七十八頁(yè)261.2.2 操作(cozu)臂正運(yùn)動(dòng)學(xué)運(yùn)動(dòng)學(xué)（Kinematics）連桿(lin n)、關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)：關(guān)節(jié)角移動(dòng)關(guān)節(jié)：關(guān)節(jié)偏距自由度末端執(zhí)行器共七十八頁(yè)27正運(yùn)動(dòng)學(xué)：給定一組關(guān)節(jié)(gunji)角，計(jì)算工具坐標(biāo)系到基坐標(biāo)系的位姿表示，即關(guān)節(jié)空間到笛卡爾空間

8、的變換。共七十八頁(yè)281.2.3 操作(cozu)臂逆運(yùn)動(dòng)學(xué)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)：給定操作(cozu)臂末端執(zhí)行器的位置和姿態(tài)，計(jì)算所有可達(dá)位置和姿態(tài)的關(guān)節(jié)角。主要是解方程共七十八頁(yè)291.2.4 速度(sd)、靜力、奇異性機(jī)構(gòu)(jgu)奇異性奇異點(diǎn)：雅可比矩陣不可逆的點(diǎn)。雅可比矩陣：關(guān)節(jié)空間的速度到笛卡爾空間速度的映射。關(guān)節(jié)力矩到接觸力和力矩的計(jì)算用到雅可比矩陣共七十八頁(yè)30共七十八頁(yè)311.2.5 動(dòng)力學(xué)動(dòng)力學(xué)的第二個(gè)作用是進(jìn)行(jnxng)仿真。動(dòng)力學(xué)：考慮(kol)力和力矩，加速度和角加速度仿真:模擬，simulation,建立模型；在計(jì)算機(jī)上做實(shí)驗(yàn)。共七十八頁(yè)321.2.6 軌跡(guj

9、)生成路徑(ljng)點(diǎn)軌跡生成：如何計(jì)算運(yùn)動(dòng)函數(shù)。樣條函數(shù)笛卡爾路徑生成共七十八頁(yè)33用Matlab畫(huà)出的三次(sn c)樣條函數(shù)共七十八頁(yè)34焊接(hnji)機(jī)器人 共七十八頁(yè)35共七十八頁(yè)36共七十八頁(yè)371.2.7 操作(cozu)臂的設(shè)計(jì)與傳感器專(zhuān)用(zhunyng)機(jī)器人：為特定任務(wù)設(shè)計(jì)的機(jī)器人。主要從預(yù)期任務(wù)進(jìn)行考慮通用機(jī)器人：能完成某幾類(lèi)任務(wù)的機(jī)器人。共七十八頁(yè)381.2.8 操作(cozu)臂的線性控制核心是知道(zh do)動(dòng)力學(xué)方程，主要講一下獨(dú)立關(guān)節(jié)控制和PID控制共七十八頁(yè)391.2.9 操作(cozu)臂的非線性控制非線性控制系統(tǒng)(kn zh x tn)混合控制方式

10、，也就是說(shuō)，在某些方向上用位置控制法則來(lái)控制，而其余方向通過(guò)力控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。共七十八頁(yè)401.2.10 可編程機(jī)器人機(jī)器人編程語(yǔ)言是用戶(hù)和工業(yè)(gngy)機(jī)器人交互的接口。操作者將操作臂手臂上一個(gè)特殊的點(diǎn)指定為操作點(diǎn)，有時(shí)也叫做TCP(工具中心點(diǎn))，操作者可以(ky)操作點(diǎn)相對(duì)于用戶(hù)坐標(biāo)系的期望位置來(lái)描述機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。共七十八頁(yè)411.2.11 離散(lsn)編程和仿真離散編程系統(tǒng)是一個(gè)機(jī)器人編程環(huán)境(hunjng)?？梢哉J(rèn)為是一個(gè)仿真平臺(tái)。共七十八頁(yè)42附錄(fl)A：Matlab語(yǔ)言A.1:數(shù)據(jù)類(lèi)型A.1.1: 常量(chngling)與變量 變量2. 常量pi eps inf NaN i(

11、j)共七十八頁(yè)43 pians = 3.1416 format long, pians = 3.14159265358979共七十八頁(yè)44A.1.2: Matlab數(shù)據(jù)類(lèi)型 數(shù)字變量(binling)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)變量的顯示格式：format longformat short共七十八頁(yè)452. 字符串 s=I am a students =I am a student s=char(b,a,b,y); sans =bab

12、y共七十八頁(yè)463 向量（1）向量的生成直接輸入法： x=2 4 6 8x = 2 4 6 8冒號(hào)(moho)： a=1:2:7a = 1 3 5 7函數(shù)命令： x=linspace(0,10,6)x = 0 2 4 6 8 10共七十八頁(yè)47（2）向量(xingling)的引用X(n)X(n1:n2) x=1 2 3 4 5; x(1:3)ans = 1 2 3共七十八頁(yè)48Isvector( )：判斷是否(sh fu)為向量length（）：dot(a,b):cross(a,b):共七十八頁(yè)493 矩陣（1）矩陣的生成(shn chn)直接輸入法： A=1 2 3;4 5 6;7 8 9A

13、 = 1 2 3 4 5 6 7 8 9共七十八頁(yè)50利用M文件創(chuàng)建在M文件(wnjin)：as36中輸入：AA=1 2 3 4 5 6 7 8 9; as36 AAAA = 1 2 3 4 5 6 7 8 9共七十八頁(yè)51特殊矩陣(j zhn)的創(chuàng)建zeros(m)zeros(m,n)eye(m)eye(m,n)ones(m)ones(m,n)rand(m)rand(m,n).共七十八頁(yè)52 zeros(3)ans = 0 0 0 0 0 0 0 0 0 zeros(2,3)ans = 0 0 0 0 0 0共七十八頁(yè)53（2）矩陣元素(yun s)的引用A(n,:)A(:,m)A(n,m)

14、 A=1 2 3;4 5 6;7 8 9 A(:,3)ans = 3 6 9共七十八頁(yè)54（3）矩陣(j zhn)元素的修改D=A;B CA(n,:)=A(:,m)=A(n,m)=aA(n,:)=a,b,A(:,m)=a,b,共七十八頁(yè)55 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共七十八頁(yè)56矩陣(j zhn)AD=size(A)V,D=eig(A)det(A)inv(A)rank（A）共七十八頁(yè)57例： A=magic(3)A = 8 1 6 3

15、5 7 4 9 2 D=size(A)D = 3 3 det(A)ans = -360共七十八頁(yè)58 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共七十八頁(yè)59 inv(A)ans = 0.1472 -0.1444 0.0639 -0.0611 0.0222 0.1056 -0.0194 0.1889 -0.1028 rank(A)

16、ans = 3共七十八頁(yè)60A.2:運(yùn)算符A.2.1: 算術(shù)(sunsh)運(yùn)算符 * / A.2.2: 關(guān)系運(yùn)算符 = f=sym(sin(x) f = sin(x) syms x y f=sin(x)+sin(y) f = sin(x)+sin(y)共七十八頁(yè)62syms e1 e2A=sym(cos(e1) (-1)*sin(e1); sin(e1) cos(e1);B=sym(cos(e2) (-1)*sin(e2); sin(e2) cos(e2);C=A*B;CD=simple(C);D求得結(jié)果(ji gu)C = cos(e1)*cos(e2)-sin(e1)*sin(e2), -

17、cos(e1)*sin(e2)-sin(e1)*cos(e2) sin(e1)*cos(e2)+cos(e1)*sin(e2), cos(e1)*cos(e2)-sin(e1)*sin(e2)D = cos(e1+e2), -sin(e1+e2) sin(e1+e2), cos(e1+e2)Matlab語(yǔ)言(yyn)：符號(hào)計(jì)算共七十八頁(yè)63符號(hào)(fho)函數(shù)的初始化A=sym(0); B=sym(zeros(m,n);共七十八頁(yè)64 findsym(f)ans =x, y syms a b; f1=subs(a+b,a,3) f1 = 3+b共七十八頁(yè)65A.4: M文件(wnjin)命令文件

18、(wnjin)（腳本文件(wnjin)）：s=1;for i=2:10 s=s*i;enddisp(10的階乘為：);s as3310的階乘為：s = 3628800共七十八頁(yè)66 whos Name Size Bytes Class i 1x1 8 double array s 1x1 8 double array共七十八頁(yè)67函數(shù)文件：function s=jiecheng(n)% 此函數(shù)用來(lái)求非負(fù)整數(shù)n的階乘，參數(shù)(cnsh)n要求非負(fù)if n jiecheng(10)ans = 3628800 jiecheng(-10)? Error using = jiecheng輸入?yún)?shù)不能為非負(fù)

19、值 help jiecheng 此函數(shù)(hnsh)用來(lái)求非負(fù)整數(shù)n的階乘，參數(shù)n要求非負(fù)共七十八頁(yè)69順序結(jié)構(gòu)：逐條運(yùn)行(ynxng)命令例：求的根a=input(a=?);b=input(b=?);c=input(c=?);d=b*b-4*a*c;x=(-b+sqrt(d)/(2*a) (-b-sqrt(d)/(2*a);disp(x1=,num2str(x(1), x2=,num2str(x(2);a=?4b=?78c=?54x1=-0.7188 x2=-18.7812A.6: 程序設(shè)計(jì)(chn x sh j)共七十八頁(yè)70選擇(xunz)結(jié)構(gòu)：if 表達(dá)式 執(zhí)行(zhxng)語(yǔ)句end

20、（1）條件判斷（2）分支選擇結(jié)構(gòu)switch 表達(dá)式 case 數(shù)值1 程序模塊1； case 數(shù)值2 程序模塊2；otherwise 程序模塊end 共七十八頁(yè)71clearn=input(輸入(shr)n=);switch fix(n/10) case 10,9 r=A; case 8 r=B case 7 r=C case 6 r=D otherwise r=Eend打分(d fn)程序輸入n=88r =B共七十八頁(yè)72循環(huán)(xnhun)結(jié)構(gòu)：for 循環(huán)變量=起始值：步長(zhǎng)：終止(zhngzh)值 執(zhí)行語(yǔ)句end m=input(m=);p=2:m;for i=2:sqrt(m) n=f

21、ind(rem(p,i)=0 & p=i); p(n)=;endp用篩選法求素?cái)?shù)求得結(jié)果m=100 2 3 5 7 11 13 17 19 23 29 31 37 41 43 47 53 59 61 67 71 73 79 83 89 97共七十八頁(yè)73A.7: 程序調(diào)試%此程序段用來(lái)演示break命令(mng lng)s=1;for i=1:100 i=i+s; % keyboard; if i50 disp(已經(jīng)大于50，終止循環(huán)); break; endendi共七十八頁(yè)74K dbstop at 5 in as34K ii = 10K ss = 1K dbstop in as34K dbstop if errorK dbstop if naninfK dbstop if infnanK dbstop if warningK dbstatus共七十八頁(yè)75Breakpoints for as34 are on lines 2, 5.Stop if error.Stop if warning.Stop if naninf.K declear at 4 in as34? Undefined c