機器人及其控制第一章匯編

1、1機器人控制(kngzh)基礎(chǔ)32學(xué)時(xush)共七十八頁姓名：王石單位：電氣學(xué)院(xuyun)手機:_mail: 1447633352共七十八頁3學(xué)習(xí)(xux)本門課程有什么用？1 入門，為進一步研究(ynji)做準備2 畢業(yè)設(shè)計3 學(xué)分共七十八頁4 教材(jioci)John J. Craig，機械(jxi)工業(yè)出版社， 2006.6共七十八頁5主要掌握(zhngw)的內(nèi)容1 機器人運動學(xué)，動力學(xué)2 機器人的基本(jbn)控制方法共七十八頁6需要的基本知識：（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、.共七十八頁第一章 緒論(xln)機器人的基本概念； 什么是機器人？ 機器人動力學(xué)與控制(kngzh)簡介。 （本課主要內(nèi)容簡介）共七十八頁8機器人“HRP-4C”在歡迎游客(yuk) ，售價大約為15萬英鎊 這是世界上第一款時裝模特機器人共七十八頁9你能想想一個騎自行車的機器人能夠擁有連人類都無法做到的平衡能力嗎？近日，來自日本的一款名為Murata Boy的平衡機器人就讓(ji rn)人們大跌眼鏡。它可以通過內(nèi)置的多個感應(yīng)器配合智能調(diào)節(jié)裝置保持機器人近乎完美的平衡狀態(tài)，甚至在完全靜止的時候都可以紋絲不動。前置的超聲感應(yīng)裝置還可以讓機器人在遇到無法逾越的障礙物時自動停止，避免事故的發(fā)生。 共

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

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

5、）美國機器人協(xié)會（RIA）的定義： 機器人是一種用于移動各種材料零件、工具和專用裝置的，通過可編程序動作來執(zhí)行各種任務(wù)的，具有編程能力的多功能機械手。1.1.2 機器人的定義(dngy)共七十八頁17（3）日本工業(yè)機器人協(xié)會（JIRA）的定義： 工業(yè)機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)動并通過自動完成各種移動來替代人類勞動的通用機器。（2）美國國家標準局（NSB）的定義： 機器人是一種能夠進行編程并在自動控制下執(zhí)行某些操作和移動作業(yè)任務(wù)的機械裝置。1.1.2 機器人的定義(dngy)共七十八頁18（1）機器人的動作機構(gòu)類似于人或人的某些器官；（2）機器人具有(jyu)

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

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

8、的變換。共七十八頁281.2.3 操作(cozu)臂逆運動學(xué)逆運動學(xué)逆運動學(xué)：給定操作(cozu)臂末端執(zhí)行器的位置和姿態(tài)，計算所有可達位置和姿態(tài)的關(guān)節(jié)角。主要是解方程共七十八頁291.2.4 速度(sd)、靜力、奇異性機構(gòu)(jgu)奇異性奇異點：雅可比矩陣不可逆的點。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算用到雅可比矩陣共七十八頁30共七十八頁311.2.5 動力學(xué)動力學(xué)的第二個作用是進行(jnxng)仿真。動力學(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；在計算機上做實驗。共七十八頁321.2.6 軌跡(guj

9、)生成路徑(ljng)點軌跡生成：如何計算運動函數(shù)。樣條函數(shù)笛卡爾路徑生成共七十八頁33用Matlab畫出的三次(sn c)樣條函數(shù)共七十八頁34焊接(hnji)機器人 共七十八頁35共七十八頁36共七十八頁371.2.7 操作(cozu)臂的設(shè)計與傳感器專用(zhunyng)機器人：為特定任務(wù)設(shè)計的機器人。主要從預(yù)期任務(wù)進行考慮通用機器人：能完成某幾類任務(wù)的機器人。共七十八頁381.2.8 操作(cozu)臂的線性控制核心是知道(zh do)動力學(xué)方程，主要講一下獨立關(guān)節(jié)控制和PID控制共七十八頁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，在某些方向上用位置控制法則來控制，而其余方向通過力控制來實現(xiàn)。共七十八頁401.2.10 可編程機器人機器人編程語言是用戶和工業(yè)(gngy)機器人交互的接口。操作者將操作臂手臂上一個特殊的點指定為操作點，有時也叫做TCP(工具中心點)，操作者可以(ky)操作點相對于用戶坐標系的期望位置來描述機器人的運動。共七十八頁411.2.11 離散(lsn)編程和仿真離散編程系統(tǒng)是一個機器人編程環(huán)境(hunjng)?？梢哉J為是一個仿真平臺。共七十八頁42附錄(fl)A：Matlab語言A.1:數(shù)據(jù)類型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43 pians = 3.1416 format long, pians = 3.14159265358979共七十八頁44A.1.2: Matlab數(shù)據(jù)類型 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(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48Isvector( )：判斷是否(sh fu)為向量length（）：dot(a,b):cross(a,b):共七十八頁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56矩陣(j zhn)AD=size(A)V,D=eig(A)det(A)inv(A)rank（A）共七十八頁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60A.2:運算符A.2.1: 算術(shù)(sunsh)運算符 * / A.2.2: 關(guān)系運算符 = 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語言(yyn)：符號計算共七十八頁63符號(fho)函數(shù)的初始化A=sym(0); B=sym(zeros(m,n);共七十八頁64 findsym(f)ans =x, y syms a b; f1=subs(a+b,a,3) f1 = 3+b共七十八頁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66 whos Name Size Bytes Class i 1x1 8 double array s 1x1 8 double array共七十八頁67函數(shù)文件：function s=jiecheng(n)% 此函數(shù)用來求非負整數(shù)n的階乘，參數(shù)(cnsh)n要求非負if n jiecheng(10)ans = 3628800 jiecheng(-10)? Error using = jiecheng輸入?yún)?shù)不能為非負

19、值 help jiecheng 此函數(shù)(hnsh)用來求非負整數(shù)n的階乘，參數(shù)n要求非負共七十八頁69順序結(jié)構(gòu)：逐條運行(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(chn x sh j)共七十八頁70選擇(xunz)結(jié)構(gòu)：if 表達式 執(zhí)行(zhxng)語句end

20、（1）條件判斷（2）分支選擇結(jié)構(gòu)switch 表達式 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72循環(huán)(xnhun)結(jié)構(gòu)：for 循環(huán)變量=起始值：步長：終止(zhngzh)值 執(zhí)行語句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用篩選法求素數(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73A.7: 程序調(diào)試%此程序段用來演示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